《X54K立式銑床的數(shù)控化改造.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《X54K立式銑床的數(shù)控化改造.doc（52頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

摘要 我國目前的機床總量約為380萬臺，而且其中數(shù)控機床總數(shù)約為11萬臺，數(shù)控化率不到3％，與國際上數(shù)控化率50％相差甚遠。因此，機床數(shù)控化改造對于我國制造業(yè)信息化是很有必要性的。 針對某廠X5040型普通銑床數(shù)控化改造項目，提出了該機床數(shù)控化改造的方案并實施了改造。 完成的主要工作如下： 1、機械部分改造。通過對機床各部分結(jié)構(gòu)、運動及參數(shù)的分析，確定了機械部分改造方案。保留原機床主軸箱，取消進給箱的傳動裝置，改為用交流伺服電機代替；導(dǎo)軌進行打磨、刮研；絲杠改為滾珠絲杠。 2、數(shù)控系統(tǒng)選擇。通過對國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的比較，遵從性價比高、綜合成本低的原則，最后確定采用國產(chǎn)DTM．5T數(shù)控系統(tǒng)。 3、電氣部分改造。電氣部分分別對強電和弱電進行了改造，將主軸電機更換為交流伺服電機，實現(xiàn)寬的調(diào)速范圍；進給部分增加交流伺服電機，實現(xiàn)數(shù)控化控制。通過各項參數(shù)的設(shè)定和PLC程序，實現(xiàn)機床電氣控制。 4、精度測試和標(biāo)準(zhǔn)樣件試加工。機床改造后，對機床靜態(tài)的幾何精度進行檢測；通過標(biāo)準(zhǔn)樣件的試加工，利用三坐標(biāo)儀對其進行檢測，從而來檢查機床的工作精度。檢測的結(jié)果各項精度達到指標(biāo)，因此機床改造滿足客戶的要求。關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；數(shù)控化改造；數(shù)控系統(tǒng) Abstraot The number of machine tools is thirty eight thousands in China now days， among which，eleven thousands are the numerical control ones．The rate ofnumerical control is not up to 3％．far less than 50％in the developed countries． The modification of non—numerical machine tools is of great importance in thedevelopment of MSEs in manufacturing sector． This project was focused on the modification of milling machine typedX5040．The process Was as follow： 1．Modification of mechanical partsAfter the analysis of structure，motion and parameters of the machine inquestion，the headstock was remained，the transmission elements of feed box wascancelled and replaced with AC servo motor．The ways were grinding andscraping．a(chǎn)nd the lead screw was replaced、th ball screw． 2．Selection of numerical control systemCompared with ratio of performance and cost in this country and abroad，thenumerical control system was selected called DTM-5T． 3．Modification of electrical appliancesThe spindle motor Was replaced with AC servo motor dynamo for widervelocity modulation．With step motor and selected PLC program，the electricalcontrol Was carried out． 4．Measurements and specimen—machiningThe static and geometrical precisions were tested with this milling tool，andthe standard specimen Was machined．With the measurements of specimen bymeans of three．dimensional coordinates test machine，the test results shown thatthe requirements of modification were reached． Key words：NC machine tool；modification of machine tool；NC system 第1章緒論 1．1機床數(shù)控技術(shù)概述 機床數(shù)控技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種機床自動控制技術(shù)。30多年來，隨著電子器件、計算機、傳感與檢測、機械制造技術(shù)的不斷進步，以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)，集傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)、計算機技術(shù)、成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)，傳感測控技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、光機電技術(shù)于一體的數(shù)控技術(shù)得到迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得普通機械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控設(shè)備所替代，從而形成了巨大的生產(chǎn)力，導(dǎo)致了制造業(yè)發(fā)生了根本性變化。數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，其水平高低和數(shù)控機床擁有量多少是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志12J。數(shù)控技術(shù)在機械制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，是因為它有效地解決了復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應(yīng)各種機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的需要，使企業(yè)快速響應(yīng)市場需求的能力大大加強，其經(jīng)濟效益顯著，具體表現(xiàn)在以下幾個方面： l、生產(chǎn)效率高，比普通機床提高3．5倍： 2、減少工裝，減少人為誤差，提高加工精度，具有廣泛的適用性和靈活性； 3、縮短新產(chǎn)品的試制和生產(chǎn)周期，易于組織多品種生產(chǎn)，使企業(yè)能對市場需求做出快速響應(yīng)； 4、能加工普通機床不能加工的大型復(fù)雜零件； 5、能減輕勞動強度，改善勞動條件，節(jié)省人力，能降低勞動成本； 6、可實現(xiàn)軟件誤差補償和優(yōu)化控制。 1．1．1課題研究的目的、意義 眾所周知，設(shè)備是企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和實現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ)，設(shè)備的技術(shù)性能和技術(shù)狀況的好壞，直接影響到企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益。設(shè)備的技術(shù)改造和更新速度又直接影響企業(yè)技術(shù)進步、產(chǎn)品開發(fā)和市場開拓后勁。因此，加快設(shè)備更新和改造，以提高企業(yè)在國內(nèi)、外市場的競爭力，是企業(yè)的一項重大戰(zhàn)略任務(wù)。 更新改造舊機床是最近幾年發(fā)展起來的一個新興產(chǎn)業(yè)，在國外己形成一定規(guī)模和市場，涌現(xiàn)出了許多專門從事機床改造的公司。國外舊機床改造費用大約為同類型新機床價格的60％，盡管費用較高，但由于機床改造后使用效果好，所以仍然受到機床用戶的歡迎。國內(nèi)近幾年才有較多的用戶使用數(shù)控機床，大多數(shù)用戶當(dāng)前最關(guān)心的還是怎樣用好、維護好數(shù)控機床，機床改造還處于起步階段。改造舊機床是一項高新技術(shù)，風(fēng)險大，承擔(dān)者必須具備比較全面的知識和經(jīng)驗，不僅要熟悉各種類型的機床和不同類型的數(shù)控及驅(qū)動系統(tǒng)，還要熟悉用戶的使用要求和機床的優(yōu)缺點。因此我們決定對現(xiàn)有設(shè)備進行機床數(shù)控化改造。 1．1．2國內(nèi)、外機床數(shù)控化改造的現(xiàn)狀 隨著科學(xué)生產(chǎn)力的發(fā)展，機床設(shè)備數(shù)控化率的提高已是衡量一個國家機械制造業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。根據(jù)最近有關(guān)資料表明，我國機床總量為380余萬臺，其中數(shù)控機床總數(shù)只有l(wèi) 1．34萬臺，即我國機床數(shù)控化率還不到3％，而一些發(fā)達國家早己達到20％以上。因此，我國機械制造水平與發(fā)達國家相比差距很大，設(shè)備陳舊，技術(shù)水平落后，嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。對于一個企業(yè)要想在競爭激烈的市場中贏得生存，適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品更新日新月 異的發(fā)展，要求在最短時間生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低價的新產(chǎn)品。采用先進的工藝設(shè)備，包括采用數(shù)控機床，已顯得越來越重要。因此，逐步提高數(shù)控機床的占有比，己經(jīng)成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢。 提高機床數(shù)控化率有兩個途徑：一是購買新的數(shù)控機床；二是對舊機床進行數(shù)控改造。這對于我國一個機床擁有量極大(其中大部分機床役齡較長)而當(dāng)前經(jīng)濟財力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機床改造來提高設(shè)備的先 2進性和數(shù)控化率，是一個極其有效和實用的途徑。即使在發(fā)達的工業(yè)幽家，在大量制造數(shù)控機床的同時，也在組建維修改造專業(yè)公司，專門從事舊機床的維修和數(shù)控化改造，尤其在美國、日本和德國等發(fā)達國家機床工業(yè)處于不景氣的今天，它們的機床改造卻是作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，處在黃金時代。用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，己形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生 (Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Borsches工程公司、Anton機床公司、Devlieg．Bullavd(得寶)服務(wù)集團、US設(shè)備公司等【6J。美國得寶公司己在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝(Retrofitting)XJk。從事改裝業(yè)的著名公司有：大限工程集團、崗三機械公司、千代田工程公司、野琦工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。由于機床本身的特點，以及相應(yīng)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，機床改造仍是一個“永恒”的課題，并且正在向著更高層次發(fā)展。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新行業(yè)。結(jié)合我國機床業(yè)的實際和當(dāng)前相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控技術(shù)改造舊機床主要有下述適應(yīng)性和特點： (1)減少投資、交貨期短 同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60％．80％的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1／3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、刀具自動交換裝置、托盤自動交換裝置的制作與安裝等過于費工、費錢，往往使改造成本提高2．3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50％左右。 (2)機械性能穩(wěn)定可靠，但結(jié)構(gòu)受限 由于機床本身的特點，它與汽車等類機電產(chǎn)品不同，機床所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄鐵構(gòu)件，而不是焊接構(gòu)件。而鑄鐵件年代久，自然時效愈充分，內(nèi)應(yīng)力的消除使得精度比新鑄件更穩(wěn)定。從另一方面來說，這些鑄鐵件的重復(fù)使用，即節(jié)約了社會資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時對環(huán)保的影響。但舊機床的改造，由于受到原機床機械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改進。 (3)熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修 購買新設(shè)備時，事先不能全面了解機床結(jié)構(gòu)性能，以致很難預(yù)計是否能 3完全適合其加工要求。改造則不然，由于舊設(shè)備已多年使用，機床操作者和維修人員已對其機械性能和結(jié)構(gòu)了解透徹，對機床的加工能力能較準(zhǔn)確地估算。機床數(shù)控改造時，可根據(jù)企業(yè)自身的技術(shù)力量和有關(guān)條件，采用自己改造或委托專業(yè)改造公司，并派原設(shè)備維修技術(shù)人員參加相結(jié)合的方法進行。這樣，既可在數(shù)控改造過程中，培養(yǎng)提高相關(guān)人員的數(shù)控技術(shù)水平和有關(guān)專業(yè)知識，又便于合理選擇更換原機床設(shè)備中的部份元器件，更主要的通過改造，大大提高了企業(yè)自身對數(shù)控機床維修的技術(shù)力量，并且也大大縮短了對數(shù)控機床在操作使用和維修方面的培訓(xùn)時間，機床一旦改造調(diào)試完畢，就可很快投入正常全負(fù)荷運轉(zhuǎn)，見效甚快。 (4)可充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基，同時工夾具、樣板及外圍設(shè)備也能再利用。以加工中心為例子，工藝裝備的費用一般要占整個機床售價的10％以上。 (5)可更好地因地制宜，合理篩選功能 購買現(xiàn)成的通用數(shù)控機床，往往對一個具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，而又可能缺少某一專用的特殊功能。如向機床制造廠提出特殊訂貨，增加某些專用功能，往往費用大、交貨期長。而采用改造的方案，就可靈活選取所要的功能，并可根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法，增添某些部件，設(shè)計改造成專用數(shù)控機床。 (6)可及時采用最新技術(shù)、充分利用社會資源 由于技術(shù)進步和我國機床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，目前已有眾多的社會資源來支持機械方面的改造。如可隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，而且交貨期短：采用貼塑導(dǎo)軌新技術(shù)，不僅可使傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行，還使得刮研極為容易。這種塑料導(dǎo)軌帶和粘結(jié)劑，國內(nèi)己有多家廠生產(chǎn)，可敞開供應(yīng)。此外，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)還具有導(dǎo)軌精度自動補償?shù)墓δ埽罱K可以獲得高于導(dǎo)軌實際具有精度【引。又如，當(dāng)采用其他方式恢復(fù)主軸回轉(zhuǎn)錐度有困難時，國內(nèi)現(xiàn)己有多家專業(yè)工廠從事將主軸軸承改造為靜壓或動靜壓軸承的業(yè)務(wù)；現(xiàn)己有專業(yè)的潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、防護件生產(chǎn)廠；北京機床研究所已專業(yè)化生產(chǎn)加工中心的刀庫和機械手；洛陽軸承研究所為北京第一機床廠和南通機床廠配套電主軸部件，不僅將電動機和主軸制成一體，而且主軸內(nèi)還包含了自動央緊和松開刀柄的機構(gòu)，某些舊機床改造時，可以用電主軸部件來替代原來的主軸等這些例子，說明有一大批社會資源，因此可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術(shù)，提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成當(dāng)今高水平、高效率的機床. 1．1．3數(shù)控技術(shù)概述 1、數(shù)控N-r原理 在數(shù)控機床上，工件加工的全過程是由數(shù)字指令控制的，在加工前要用制定的數(shù)字代碼按照工件圖樣編制出程序，編成數(shù)控程序，輸入到數(shù)控機床中，使之按指令自動工作。 數(shù)控機床的加工方法就是用逼近輪廓的方法，即插補法來加工工件的。它即可以加工直線和圓弧，也可加工出各種復(fù)雜的曲面。加工工件空間輪廓時，可由數(shù)控機床上的溜板沿X、Y、Z三個坐標(biāo)方向上完成的合成運動。數(shù)控機床工作時，數(shù)控裝置每發(fā)出一個進給脈沖指令，工作臺就移動一個相應(yīng)的距離，這個距離稱為脈沖當(dāng)量。其值一般為O．Olmm／min，精度要求高的機床為0．001 mm／min【111。根據(jù)數(shù)控加工的原理，可知數(shù)控機床的構(gòu)成框 圖1．1所示。 圖中數(shù)控系統(tǒng)通常有一臺專用微型計算機構(gòu)成，它接受輸入的控制信號 代碼，經(jīng)過輸入、緩存、譯碼、寄存、運算和存儲等過程，轉(zhuǎn)變成控制指令 實現(xiàn)直接控制；或通過可編程序控制器(PLC)對伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行控制。 伺服機構(gòu)包括驅(qū)動和執(zhí)行兩部分。它接受數(shù)控系統(tǒng)插補生成的進給脈沖信號，經(jīng)過放大的伺服驅(qū)動裝置，實現(xiàn)機床運動。伺服驅(qū)動裝置包括主軸驅(qū)動單元，進給驅(qū)動單元、主軸電動機及進給電動機等。數(shù)控機床的本體則采用了高性能的主軸、滾珠絲杠副及直線滾動軸承等高效傳動部件，同時其結(jié)構(gòu)具有較高的剛度、阻尼精度及耐磨性，其受熱不變形【12】。 2、數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu) 數(shù)控銑床一般有三大部分組成，即機械部分、電氣部分及數(shù)控部分等。 電氣部分分為強電和弱電。強電由電機控制豐軸、銑頭、泵、潤滑系統(tǒng)等，通過傳動系統(tǒng)可以實現(xiàn)各級轉(zhuǎn)速的調(diào)整。弱電通過各種元器件控制t軸的正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)、啟動／停止、冷卻液的丌／關(guān)，進而招制機床的各種加工動作。 數(shù)控部分在控制電路中采用了高速處理器及計算機技術(shù)，實現(xiàn)了高速度、高可靠性的目標(biāo)。系統(tǒng)內(nèi)還配有PMC(即PLC)，實現(xiàn)了機械加工的高速化及機床強電電路的簡化。本部分還有RS232通信接口與外設(shè)計算機進行聯(lián)機，保證信息的傳輸。 1．2課題背景 X5040型立式升降臺銑床是齊齊哈爾第二機床J 1976年牛產(chǎn)的普通銑床，如圖1 2所示。山于使用了很長時問，因此在效率越來越高的現(xiàn)代化‘L產(chǎn)中已嚴(yán)重受到制約，不能滿足加工需求。 該銑床由于長時間工作，設(shè)備老化，機械傳動偏差大，造成精度不高，速度慢，特別是在批量加工零件時的效率不高；單軸控制，電路復(fù)雜，性能不穩(wěn)定，且效率低下。因此用戶提出如下改造技術(shù)要求： 1、滿足加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求較高，批量較小的零件，使機床具備加工任意圓弧和凸輪曲面的功能。 2、銑床數(shù)控化改造的電器部分要求：進給軸采用交流伺服電機控制；主軸實現(xiàn)正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)和停止；實現(xiàn)自動冷卻、潤滑功能；進給軸的正、負(fù)限位控制；急停、報警信號的輸入等。 3、X／Y／Z向交流伺服電機精度為0．005／0．005／0．01mm／step定位精度0．015mm；重復(fù)定位精度0．01mm。 機床結(jié)構(gòu)基本參數(shù)為：工作臺縱向行程(手動／機動)為1000／990mm，工作臺橫向行程(手動／機動)為375／365mm，工作臺垂向行程(手動／機動) 450／440mm。主軸轉(zhuǎn)速1 8級【131。為適應(yīng)現(xiàn)代制造工業(yè)發(fā)展，合理利用資源，提高精度與自動化綜合效率，故對該機床進行了改造。 1．3課題研究的主要內(nèi)容 1、機械部分改造。通過對機床機械部分的分析和計算，在利用原機床的基礎(chǔ)上，通過對導(dǎo)軌的維修和滾珠絲杠的更換，來設(shè)定機械部件的規(guī)格、性能，以便數(shù)控系統(tǒng)正確且準(zhǔn)確的控制整部機床的機械部件，達到機床NC化?；谝陨蠑?shù)控機床的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，對于X5040銑床機械部分改造的 內(nèi)容如下： (1)導(dǎo)軌與絲杠。由于長時間的磨損，導(dǎo)軌面產(chǎn)生摩擦致使產(chǎn)生了凹凸不平的現(xiàn)象，從而影響加工精度，因此要對導(dǎo)軌面進行加工，如精磨、精刨、刮研等；絲杠方面，為了提高傳動精度，把普通絲杠換為滾珠絲杠。滾珠絲杠的最大特點是可以減小正反向的傳動間隙和減小傳動阻尼，可大大提高傳動精度。 (2)保留原機床主傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過改造實現(xiàn)主軸正／反轉(zhuǎn)，啟動／停車的NC控制；將工作臺實現(xiàn)垂直、橫向和縱向三個方向拖板的進給傳動裝置取消，將滑動絲杠副更換為滾動絲杠副，并改裝減速齒輪、交流伺服電機。垂向工作臺傳動升降機構(gòu)在更換滾珠絲杠副后會因失去自鎖而自動下7滑，必須增加平衡裝置和制動裝置；電機通過減速齒輪帶動滾珠絲杠，從而帶動拖板移動。因此機械結(jié)構(gòu)更為簡單，減少了傳動誤差。 2、數(shù)控系統(tǒng)的選擇。從性價比高、綜合成本低這兩個主要的原則出發(fā)，在這兩個原則的指導(dǎo)下對眾多的數(shù)控系統(tǒng)進行比較，選擇最合適的數(shù)控系統(tǒng)。不選擇那些已經(jīng)或?qū)⒁惶蕴漠a(chǎn)品，這樣用不了多長時間又要進行更新，也不要一味追求高性能而增加投入，應(yīng)該在選擇性能優(yōu)良產(chǎn)品的同時，考慮價格因素，除產(chǎn)品本身的價值外，還要顧及與其配套的配件的采購、維修成本，因故障停機導(dǎo)致的時間成本，以及壽命周期等等。 3、電氣部分改造。對機床電氣進行數(shù)控改造，需拆除原機床工作臺進給電機及其相應(yīng)強電線路，由交流電動機及光電編碼器輸出控制信號，設(shè)計由KAl～KA4個繼電器和接線端子排構(gòu)成的附件板，通過電纜與系統(tǒng)控制箱相連，接受系統(tǒng)的控制，可實現(xiàn)機床緊急停機、機床原點的設(shè)置、各坐標(biāo)軸限位、主軸的正反轉(zhuǎn)、啟動停車、冷卻泵控制等功能。 4、測試機床精度。通過機床靜態(tài)測試和對標(biāo)準(zhǔn)樣件的試加工，來測試機床的各項精度，包括機床幾何精度和機床工作精度兩項。最后對改造后的機床和新機床的各項指標(biāo)做以對比，來考核改造是否成功，并得出結(jié)論。 第2章X5040銑床改造的方案設(shè)計 2．1機床數(shù)控化改造流程 實地開展調(diào)查研究。查找X5040型銑床的使用說明書和機床數(shù)控化改造有關(guān)的資料，由于這臺設(shè)備使用時間長，使用說明書等相關(guān)文獻已經(jīng)遺失，因此到原生產(chǎn)廠家齊齊哈爾第二機床廠參觀學(xué)習(xí)，了解機床的工作性能和各項要求，正確估算機械殘留價值，確定X5040型立式銑床改造的目的，從而更加明確了改造任務(wù)，為改造工作做好準(zhǔn)備。 設(shè)備整體的測繪。對原機床的結(jié)構(gòu)、整體尺寸、主軸狀態(tài)、導(dǎo)軌磨損情況、潤滑等有清楚的了解和記錄。收集整理了機械部分和電氣部分的各項資料，對機械部分的傳動系統(tǒng)、冷卻、潤滑系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)控制等設(shè)備現(xiàn)狀進行了分析。 改造方案的設(shè)計。綜合各項信息最終確定機床改造的總體方案，制定了具體的實施方案，開始對機床進行改造。在機床改造后，進行數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試，當(dāng)各項參數(shù)穩(wěn)定后，通過對標(biāo)準(zhǔn)樣件的加工來測試機床各項精度參數(shù)，并得出了改造后的銑床已經(jīng)滿足各項要求的結(jié)論，能夠開展正常的數(shù)控加工工作。X5040銑床數(shù)控化改造流程圖如圖2．1所示 2．2總體改造方案設(shè)計 在測繪的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的要求，確定總體設(shè)計方案，其中包括：機床技術(shù)規(guī)格、機械傳動系統(tǒng)和冷卻、潤滑系統(tǒng)、機床的防護系統(tǒng)等，機床數(shù)控系統(tǒng)的選擇、電氣控制系統(tǒng)等。 1、 機床的技術(shù)規(guī)格機床技術(shù)規(guī)格見表2．1所示 2、總體改造方案 經(jīng)過察看X5040銑床本體及有關(guān)資料，并且參照數(shù)控銑床的改造經(jīng)驗，確定總體改造方案，如圖2．2所示。 1、保留機床原主軸運動系統(tǒng)，通過改造實現(xiàn)主軸正／反轉(zhuǎn)，啟動／停車的NC控制； 2、拆除機床工作臺X、Y、Z軸原進給系統(tǒng)，將滑動絲杠副更換為滾動絲杠副，并改裝減速齒輪、交流伺服電機。垂向工作臺傳動升降機構(gòu)在更換滾珠絲杠副后會因失去自鎖而自動下滑，必須增加平衡裝置和制動裝置； 3、數(shù)控系統(tǒng)選用北京帝特馬數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DTM．5T數(shù)控系統(tǒng)：III 4、電氣系統(tǒng)的設(shè)計。在進給驅(qū)動中使用交流伺服電機，并安裝編碼器作為檢測反饋元件。由于改造設(shè)計的是簡易型經(jīng)濟數(shù)控，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減小改動量，以降低成本。 2．3機械部分改造方案設(shè)計 1、進給傳動系統(tǒng)改造方案 改造后取消其齒輪傳動，工作臺的縱向、橫向、垂向進給均由伺服電機拖動，通過減速齒形帶動縱、橫向、垂向滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，進給速度由伺服交流伺服電機給定；在交流伺服電機尾端加入編碼器，完成位置反饋，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。進給系統(tǒng)改造后的結(jié)構(gòu)，如圖2．3所示。 2、其他機械部分 (1)床身 經(jīng)對照原機床的使用說明書和機床安裝的情況，決定保留X5040銑床原有的床身，機床床身其內(nèi)部加強筋布置合理，具有良好的剛性，底座上設(shè)有四個調(diào)節(jié)螺栓，便于機床調(diào)整水平，冷卻液儲液池設(shè)在床身內(nèi)部。 (2)銑頭 由有級變速箱和銑頭兩個部件組成。銑頭主軸制成在高精度軸承上，保證主軸具有高回轉(zhuǎn)精度和良好的剛性。主軸裝有快速換刀螺母，前端錐孔采用ISO 30。錐度。主軸采用機械傳動裝置變速，共有18級，傳動平穩(wěn)、操作方便。如圖2．4所示。 故此，在滿足主軸調(diào)速范圍的基礎(chǔ)上，主軸變速箱和銑頭不改變。 (3)工作臺 工作臺與床鞍支承在升降臺較寬的水平導(dǎo)軌上，工作臺的縱向、橫向、垂向進給拖板的進給傳動裝置取消，改為由伺服電機驅(qū)動，通過內(nèi)齒帶輪帶動精密滾珠絲杠，從而使工作臺獲得縱向進給。工作臺左端原有的手輪和刻度盤保留，以便進給手動操作。 (4)冷卻、潤滑部分 冷卻部分由切削液泵、出液泵、回液管、開關(guān)及噴嘴等組成。切削液泵安裝在機床底座的內(nèi)腔里，將切削液從底座內(nèi)儲液池泵至出液管，在經(jīng)噴嘴噴出，對切削區(qū)進行冷卻。潤滑部分采用機動潤滑方式，用潤滑油泵通過分油器對主軸套筒、刀軌及滾珠絲杠進行潤滑，以提高機床的使用壽命。 冷卻、潤滑部分線路良好，可以繼續(xù)使用。 2．4電氣部分改造方案 銑床的數(shù)控化改造電氣控制圖如圖2．5所示。在交流伺服電機控制下，驅(qū)動控制執(zhí)行元件運動，完成進給軸的快速移動、啟動／停止等運動。用四幅驅(qū)動元件控制工作臺的移動，進給軸的轉(zhuǎn)速有兩部分控制組合而成，一部分由交流電機通過減速齒輪對轉(zhuǎn)速進行調(diào)速，另一部分由機械手柄和帶輪進行有級調(diào)速。強電電路有主電路、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等三部分組成。 機床上電采用三相380V交流電源供電，由空氣開關(guān)控制機床總電源的切斷?？諝忾_關(guān)還同時受鑰匙開關(guān)和開門斷電開關(guān)的保護控制，使機床只有在鑰匙打開和電氣箱關(guān)閉的情況下才能通電。 主電路為下列部件供電：伺服單元主電路、伺服單元控制回路、主軸電動機、切削泵電動機?？刂齐娐肥褂玫碾娫捶謩e有兩個電源變壓器提供。一個電源變壓器電源模塊提供單相200V交流電源，另一個電源變壓器輸出三組單元交流電源。1IOV組為自動潤滑、軸流風(fēng)扇、電磁閥供電，并為交流控制回路提供IOOV電源。28V組為24V直流穩(wěn)壓電源提供交流輸入電源。24V組為機床工作提供照明電源。 2．5數(shù)控系統(tǒng)的方案 1、數(shù)控系統(tǒng)的控制方式 數(shù)控系統(tǒng)的控制方式通常分為三種，開環(huán)控制半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。在制定機床數(shù)控化改造總體方案時，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的加工要求，又要考慮數(shù)控系統(tǒng)的性能價格比，正確選擇數(shù)控系統(tǒng)的控制方式【15】。半閉環(huán)控制通常是指數(shù)控坐標(biāo)軸為伺服電機驅(qū)動，它由伺服電機、檢測器、比較線路、伺服放大線路等部分組成，它根據(jù)來自檢測器的反饋信號與指令信號比較的結(jié)果來進行速度和位置的控制，對大部分?jǐn)?shù)控機床來說，其檢測反饋信號是從伺服電機軸或滾珠絲杠上取得。半閉環(huán)控制已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在數(shù)控機床上。 2、數(shù)控系統(tǒng)的選擇 在進行數(shù)控系統(tǒng)選型時，一般應(yīng)遵從性價比高、綜合成本低這兩個主要的原則。在這兩個原則的指導(dǎo)下對眾多的數(shù)控系統(tǒng)進行比較，選擇最合適的數(shù)控系統(tǒng)。 (1)性價比高的原則 一般在選擇數(shù)控系統(tǒng)時，應(yīng)考慮數(shù)控系統(tǒng)的先進性，不要選那些已經(jīng)或?qū)⒁惶蕴漠a(chǎn)品，這樣用不了多長時間又要進行更新，而要盡量選擇先進的、能代表當(dāng)前主流技術(shù)的產(chǎn)品。先進的產(chǎn)品代表更加強大的功能，但并不是越先進的越好，隨著性能的提高，其價格必然越貴，但是在實際應(yīng)用中，眾多強大的功能是否必要，要視使用情況而定【16】。不要一味追求高性能而增加投入，應(yīng)該在選擇性能優(yōu)良產(chǎn)品的同時，考慮價格因素，對產(chǎn)品的性能價格比進行比較，在同樣能滿足技術(shù)要求的情況下，選擇價格低的產(chǎn)品。 (2)綜合成本低的原則 所謂綜合成本，是指除產(chǎn)品本身的價值外，其配套的配件采購、維修成本，因故障停機導(dǎo)致的時間成本，以及壽命周期等等。在進行數(shù)控系統(tǒng)選型時，要充分考慮以上因素，選擇故障率低、配件價格低、售后服務(wù)及時、壽命周期長的產(chǎn)品。 (3)國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)比較與選擇 我國國內(nèi)目前研制開發(fā)與生產(chǎn)的CNC裝置基本上分為兩大類：一類是從國外引進技術(shù)制造的產(chǎn)品，如發(fā)那科生產(chǎn)的FANUC．0iMate、德國SIMENS公司的SINUMERIKDMT-5Te／Ce[17】；另一類是在引進、消化、吸收的基礎(chǔ)上研制、開發(fā)、生產(chǎn)的數(shù)控裝置，如華中數(shù)控生產(chǎn)的華中I型、II型。近年來，我國引進了一些國外的數(shù)控系統(tǒng)，具有代表性的有日本FANUC公司和德國SIMENS公司的產(chǎn)品，另外還有美國Allen．Bradley公司、西班牙FAOGO公司、法國NUM公司的產(chǎn)品【18】。對比國內(nèi)外性能相當(dāng)?shù)臄?shù)控系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)其優(yōu)缺點非常明顯，詳見表2．2。 從表2．2可以看出，國外產(chǎn)品在性能、可靠性、使用壽命上占有很大優(yōu)勢，但價格很高，使得改造成本提高。國內(nèi)產(chǎn)品雖然大轉(zhuǎn)矩、大功率伺服電機的能力沒有國外產(chǎn)品強大，但也能滿足我們的要求，而且綜合成本低。最終我們將機床電氣改造數(shù)控系統(tǒng)的選擇定位在采用國內(nèi)系統(tǒng)上，其中DTM．5T數(shù)控系統(tǒng)是一款能滿足以上要求的數(shù)控系統(tǒng)，所以我們選擇這款專門為中國數(shù)控機床市場而開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)如圖2。6所示。 3、DlM．5T數(shù)控系統(tǒng)特點及主要技術(shù)指標(biāo) (1)魁以單片機為核心的兩坐標(biāo)聯(lián)動經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)； (2)聚川中文式菜單目錄，便于操作； (3)最小輸山增量：x軸0 005，X軸0 005，Z軸0．0 (4)具有A線、網(wǎng)弧、插補和川隙、，J具補償功能； (5)稃JF輸八方式：鍵盤、RS．232C接 DTM．5T數(shù)控系統(tǒng)控制原理，如圖2．7所示。 DTM一5T數(shù)控系統(tǒng)I／O接口主要實現(xiàn)與編碼器接口、交流伺服電機控制 接口、開關(guān)量輸入輸出接口。 主軸編碼器反饋信號接口。9芯D型插座，接受主軸編碼器的頭脈沖、 碼道脈沖，所選編碼器每轉(zhuǎn)脈沖應(yīng)為1200P或2400P。 X軸、Y軸、Z軸及主軸控制接口。15芯D型插座，用來控制X軸、Y軸、Z軸交流伺服電機的運動和主軸的轉(zhuǎn)速。 開關(guān)量輸入輸出接口。37芯D型插座，開關(guān)量輸入輸出類型：①冷卻液控制口；②輔助輸入輸出口；③刀架控制信號；④主軸控制信號；⑤主軸換檔控制口；⑥超程信號輸入口；⑦回零信號輸入口。 RS．232通訊接口。25芯D型插座，用于連接RS 232C接口的計算機或外部設(shè)備，如圖2．8所示119J。 第3章系統(tǒng)運動參數(shù)的確定 方案確定后，就可以著手對機床進行數(shù)控化改造。在改造前要計算和確定機床的機械部分運動參數(shù)，從而確定選擇相關(guān)部件的型號和規(guī)格；為了滿足數(shù)控系統(tǒng)加工過程中的穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確，就要分析控制系統(tǒng)的特性，確定影響系統(tǒng)的因素，以保證系統(tǒng)的正常工作。最后對原機床等硬件設(shè)施做以保養(yǎng)工作，為改造做好準(zhǔn)備工作。 3．1主運動轉(zhuǎn)速范圍分析 主運動由5．5KW、1440r／min的主電機驅(qū)動，如圖3．1所示。經(jīng)矽115／矽240的帶傳動，再經(jīng)I．II軸間的三聯(lián)滑移齒輪、II．ⅡI軸間的三聯(lián)滑移齒輪、III．Ⅳ軸建的兩聯(lián)滑移齒輪和Ⅳ．V軸間的圓錐齒輪副29／29及V．Ⅵ軸間的齒輪副63／47傳至主軸，使之獲得18級轉(zhuǎn)速，如圖3．2所示。 主運動的傳動路線表達式如式(3．1)所示： X5040其主軸轉(zhuǎn)速18級分別為：30、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1320、1500r／min，其公比為1.26符合機械工業(yè)部機床專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GC58．60規(guī)定的7個標(biāo)準(zhǔn)公比，其優(yōu)點是便于采用雙速電機驅(qū)動，可簡化機床的變速機構(gòu)【20l。 3．2進給系統(tǒng)方案的設(shè)計 3．2．1對進給傳動系統(tǒng)的要求 l、高的傳動精度和定位精度 傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guān)鍵性的作用，也是機床特蠡征的指標(biāo)之一。在設(shè)計中在進給傳動鏈中加入減速齒輪，以減少脈沖當(dāng)量(即伺服系統(tǒng)接收一個指令驅(qū)動工作臺移動的距離)，預(yù)緊傳動滾珠絲杠，消除齒輪、蝸輪等傳動件的間隙等辦法，可達到提高傳動精度和定位精度的目的 2、寬的進給調(diào)速范圍 伺服進給系統(tǒng)在承擔(dān)全部工作負(fù)載的條件下，應(yīng)具有很寬的調(diào)速范圍，以適應(yīng)各種工件材料、尺寸和刀具等變化的需要，工作進給速度范圍可到3--6000mm／min(調(diào)速范圍1：2000)12。為了完成精確定位，伺服系統(tǒng)的低速趨近速度達0．1mm／min：為了縮短輔助時間，提高加工效率，快速移動速度應(yīng)高達1 5m／min。 3、響應(yīng)速度快 所謂快速響應(yīng)特性是指迸給系統(tǒng)對指令輸入信號的相應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度，即跟蹤指令信號的響應(yīng)要快；定位速度和輪廓切削進給速度要滿足要求；工作臺應(yīng)能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確地跟蹤指令，進行單步或連續(xù)移動，在運行時不出現(xiàn)丟步或多步現(xiàn)象。進給系統(tǒng)響應(yīng)速度的大小不僅影響機床的加工效率，而且影響加工精度。 4、無間隙傳動 進給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個傳動鏈的各傳動副中，直接影響數(shù)控機床的加工精度。 5、穩(wěn)定性好，壽命長 穩(wěn)定性是伺服進給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本條件，特別是在低速進給情況下不產(chǎn)生爬行，并能適應(yīng)外加負(fù)載的變化而不發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系22統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增益等都有關(guān)系，適當(dāng)選擇各項參數(shù)，并能達到最佳的工作性能。 6、使用維護方便 數(shù)控銑床是高精度自動控制機床，主要用于單件、中小批量、高精度及復(fù)雜間的生產(chǎn))JH-r．，機床的開機率相應(yīng)就高，因而進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)便于維護和保養(yǎng)，最大限度地減少維修工作量，以提高機床的利用率。拆除銑床原有的手柄和滑動絲杠螺母副，更換為滾珠絲杠副和減速齒輪及交流伺服電機?？v向工作臺(Y軸)：約80kg，橫向工作臺(x軸)：100kg，升降工作臺(Z軸)：約300kg。 3。2．2滾珠絲杠螺母副的選用與設(shè)計 (1)銑削力的計算 對高速鋼圓柱銑刀，切削力的計算公式為： 式中： 系數(shù)，其值取決于切削條件和工件材料。當(dāng)工件為碳鋼時，取=65，=4mm； --每齒進給量，取=0.1mm； --背吃刀量，取=30mm； z—銑刀齒數(shù)，取z=4； do一銑刀直徑，取do=27mm； n～銑刀轉(zhuǎn)數(shù)； ，一切削條件改變時，切削力的修正系數(shù)。 其中參數(shù)按實際加工過程中平均銑削條件為標(biāo)準(zhǔn)來選擇。 由己知條件，取X，=1．0、yF=O．72、UF=O．86、OF=0及gF 20．73，加工 碳鋼時， =673MPa，其修正系數(shù)為： (3-3) 用圓柱銑刀進行逆銑加工時： 水平銑削分力，取=1.1 垂直銑削分力 軸向分力 由此可算出： 軸向銑削力 =0.375*4313=1.617(KN); 軸向銑削力 （2）強度校核計算 燕尾形導(dǎo)軌工作時軸向力為： 式中：k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，取1.4； f—導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，取0.2； 、、--切削分力，=2P/3=（2/3）*4.865=3.243(KN), =0, 、==1.617(KN). G—工作臺重量，G=80*9.8=784=0.784(KN) 由此可得： =1.4*3.243+0.2*（1.617+0.784）=4.5+0.48=5.02(KN) 滾珠絲杠壽命值計算 L=60NT 壽命值為： 式中：L—工件壽命（r）； N—滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）; T—使用壽命時間（h），數(shù)控機床一般為1500h； 滾珠絲杠承受的最大動負(fù)載計算： 式中：--滾珠絲杠工作載荷，=1.2，=1.1 參照漢江機床有限公司絲杠導(dǎo)軌廠的產(chǎn)品樣本，選取HJG．S系FYClD列4006．5．4滾珠絲杠。該滾珠絲杠副屬外循環(huán)雙螺母法蘭凸出導(dǎo)管式，公稱直徑#40ram，導(dǎo)程Lo=6mm，螺母上的負(fù)荷滾珠總?cè)?shù)為5圈，精度為4級，右旋螺紋，其動載荷為29．126KN，遠大于12．76KN，強度滿足使用要求 [261。滾珠絲杠兩端支承均采用止推軸承和滾珠向心球軸承，在原有進給手動端增加齒輪箱，以便安裝減速齒輪及交流伺服電動機，如圖3．3所示。 （3）傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為： 絲杠螺旋升角力=，滾珠絲杠螺母副的滾動摩擦系數(shù)廠f=O．003～ 0．004，≈10’，則 3．2．3減速齒輪設(shè)計與校核 由前面的計算已知：滾珠絲杠的導(dǎo)程步矩角，脈沖當(dāng)量變速箱內(nèi)齒輪的傳動比為： 傳動比計算出來以后，是采用一級齒輪減速還是二級齒輪減速，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)上的安排，齒輪減速箱的大小不應(yīng)該影響移動溜板在有效行程內(nèi)的運動，由于進給伺服系統(tǒng)的功率都不大，齒輪的模數(shù)一般耿m=2。所以，齒輪變速箱內(nèi)齒輪的選擇有關(guān)參數(shù)如下：=32， =40，模數(shù)m=2mm，壓力角=20 3．3伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 3．3．1交流伺服電動機的設(shè)計 交流伺服電機以其堅固耐用，經(jīng)濟可靠及動態(tài)響應(yīng)性能好等優(yōu)點越來越廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床的進給系統(tǒng)中。伺服電機是根據(jù)負(fù)載條件來選取的。加在電機軸上的負(fù)載主要有兩種：負(fù)載扭矩和負(fù)載慣量，其中負(fù)載扭矩包括切削扭矩和摩擦扭矩。負(fù)載扭矩應(yīng)小于所選擇電機的額定扭矩，負(fù)載扭矩與加速扭矩之和應(yīng)等于所選擇電機的最大扭矩。 已知傳動系統(tǒng)下列參數(shù)：系統(tǒng)傳動比1．25；滾珠絲杠螺距6刪[Il；快速行程速度2400mm／min；最大切削時轉(zhuǎn)換到電機軸上扭矩7．22Nm；絲杠直徑D=40mm，工作臺與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為f=0.1；快速行程時轉(zhuǎn)換到電機軸上的扭矩0．62Nm;最大切削負(fù)載比40％；驅(qū)動負(fù)載質(zhì)量1120kg。 1. 電動機的轉(zhuǎn)速 快速行程的電機轉(zhuǎn)速必須嚴(yán)格限制在電機的最高轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 式中：--電機最高轉(zhuǎn)速，r/min; N—快速行程中電機轉(zhuǎn)速，r/min; --工作臺（或刀架）快速行程速度，r/min; i— 系統(tǒng)傳動比；p—絲杠螺距，mm。 由公式3-8得電機最高轉(zhuǎn)速為 則取 2、 轉(zhuǎn)換到電機軸上的負(fù)載慣量 負(fù)載慣量應(yīng)限制在2.5倍電機慣量之內(nèi)（如果超過2.5倍也可以使用，但調(diào)整范圍將會減少，時間常數(shù)將會增加）。 式中：--電機慣量，kg； --轉(zhuǎn)換到電機軸上的負(fù)載慣量，kg； --各旋轉(zhuǎn)件角速度，rad/s； --各直線運動件的質(zhì)量，kg； --伺服電機的角速度，rad/s。 --各直線運動件的速度，m/s. 由式（3-10）得電機慣量必須滿足下列條件： 3、 電機功率計算 因為重力負(fù)載在任何速度下都是相同的，屬于在峰值力矩下，以峰值轉(zhuǎn)速不斷驅(qū)動的負(fù)載，則電機的功率為： 由于絲杠螺母機構(gòu)的傳動效率較高，齒輪減速比較少，傳動效率按=80計算，取系數(shù)為2，則 4、電機選擇 選用DTM數(shù)控公司主配的日本三菱交流伺服電機HC．SFS系列電機。HC．SFS系列交流伺服電動機具有伺服放大器，電機型號：HC．SFS MR．RB20， P ，系統(tǒng)與電機相互匹配。m=20 3．3．2編碼器選擇 光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)自量的傳感器，如圖3 4所示 這是目前應(yīng)用蛀多的傳感器，光電編碼器足由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵甜是在一定直徑的圓扳I：等分地”通若卜個K=方形7L。山于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵鼎’j電動機州速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光．極管等}{f于幾件組成的槍測袈置榆測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖3 5所小；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90 9的兩路脈沖信弓。 根榭其刻度方法及信號輸H{形式．可分為增式、絕對式以及混合式_二種。 這罩選擇的是增量式編碼器，該編碼器分辨率為131072、6極，配套杠交流伺服電機卜，此編碼器接線為9根。編碼器的工作原理如圖3．6所示。 3．3．3進給傳動機構(gòu)設(shè)計 拆除原系統(tǒng)手輪，以便安裝交流伺服電動機與齒輪箱，橫向(縱向)改裝形式及選用交流伺服電機與垂向相同。經(jīng)計算選擇： 滾珠絲杠基本導(dǎo)程：Lo=6mm，右旋； 滾珠絲杠型號：HJG．SFYCl3206．5—4．365／330； 減速齒輪：Zl=40，Z2=8，減速比為1．2； 交流伺服電機型號：HC．SFS MR．RBl2。 第5章電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計 5．1概述 X5040型銑床由于改造前控制的內(nèi)容比較多，所以電氣線路控制復(fù)雜，改造后電氣部分主要采用DTM一5T數(shù)控系統(tǒng)來總體控制，因此，電氣控制相對簡單，如圖5．1．5．2所示，對銑床的電氣控制系統(tǒng)分為強電和弱點兩部分進行改造。 控制柜固定在機床的左右兩側(cè)，左側(cè)為強電柜，右側(cè)為弱電柜。強點控制回路主要控制交流接觸器的通斷，我們采用220V的控制電源，因此需要選擇一個控制變壓器：容量為400VA，輸入端為交流380V，輸出端為交流220V和36V(工作照明燈用) 強電柜外有空氣開關(guān)，柜內(nèi)有接觸器等強電元件；弱電柜內(nèi)有NC系統(tǒng)I／o板，伺服單元變壓器等；按鈕站固定在立柱上，通過懸臂伸出，是機床的主要操作部件。 5。2電氣系統(tǒng)數(shù)控改造的設(shè)計 5．2．1主軸電路的電氣控制設(shè)計 在本次改造主軸的控制中，主要控制主軸的正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)、啟動／停止以及冷卻泵的啟停。主電路的電氣原理如圖5．3所示 圖5．3中，SBl為接操作面板上的“電源開”按鈕，連接其常開觸電；SB2為操作面板上的“電源關(guān)”按鈕，連接其常閉觸點。 5．2．2進給系統(tǒng)電氣原理設(shè)計 對機床進給系統(tǒng)電氣進行數(shù)控改造，需拆除原機床工作臺進給電機及其相應(yīng)強電線路，設(shè)計由KAl"--KA44個繼電器和接線端子排構(gòu)成的附件板，通過電纜與系統(tǒng)控制箱相連，接受系統(tǒng)的控制，可實現(xiàn)機床緊急停機、機床原點的設(shè)置、各坐標(biāo)軸的限位控制等功能，如圖5．4所示。 l、坐標(biāo)軸的限位緊急停機，是當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)運行出現(xiàn)緊急情況時，而采取的停機措施。只需在機床上增置一個緊急停機開關(guān)SB5，然后將系統(tǒng)信號線接上即可。 2、機床原點，是為保證數(shù)控系統(tǒng)加工的精度及可靠性而設(shè)置的。系統(tǒng)是用3個行程開關(guān)SQ4、SQ5、SQ6作為機床各坐標(biāo)軸的原點檢測器件，可根據(jù)實際情況將它們裝在各坐標(biāo)軸的相應(yīng)位置。銑床的機床原點，升降坐標(biāo)(Z)設(shè)在接近下限位處，縱向(X)坐標(biāo)面對機床設(shè)在接近右限位處，橫向(Y)坐標(biāo)面對機床設(shè)在接近外限位處。 3、坐標(biāo)軸的限位，是為保護數(shù)控系統(tǒng)的運行安全而設(shè)置的。在機床升降坐標(biāo)的上下極限位、縱向坐標(biāo)的左右極限位、橫向坐標(biāo)的里外極限位，各附41哈爾濱T程大學(xué)碩十學(xué)位論文設(shè)一行程開關(guān)和機械撞塊。將系統(tǒng)的信號線接到3個行程開關(guān)SQI、SQ2、SQ3上，即可實現(xiàn)對各坐標(biāo)軸的運動限位。 5．3 PLC設(shè)置 可編程序控制器(又稱為PLC)是通過輸入接口，接收數(shù)控系統(tǒng)傳遞的各種信號(比如操作按鈕、各項開關(guān)等)，并將其轉(zhuǎn)換成其能夠接受和處理的數(shù)據(jù)，運行用戶控制程序，將產(chǎn)生的結(jié)果通過輸出接口轉(zhuǎn)換成外設(shè)所需要的控制信號，去驅(qū)動控制對象，進而控制數(shù)控機床的各項運動。 1、PLC控制原理 從控制要求上來看，數(shù)控銑床的控制可以分為主控部分和輔助控制兩部分，主控部分主要是進行主軸方向和轉(zhuǎn)速控制以及各個進給軸的控制，這需要采用PLC取代繼電器進行的強電控制，其輸出端口通過控制接觸器來控制變頻器和伺服驅(qū)動器從而達到主控的目的。輔助控制通過把PLC的輸入輸出端口與數(shù)控系統(tǒng)的其他部分相連完成故障顯示和報警以及實現(xiàn)M、T等功能，即CNC控制器發(fā)出的M、T等功能通過PLC程序解釋來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，還需要實現(xiàn)故障檢測功能，包括外部故障檢測和PLC自診斷。由于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC裝置，因此根據(jù)電氣原理圖繪制的總控制線路如圖5．5．5．8所示。 PLC輸入端口與CNC控制器的故障信號輸出口相連，并且PLC能檢測包括機床的行程開關(guān)在內(nèi)的其他部件的狀態(tài)，根據(jù)檢測到的信號進行顯示和報警，必要時切斷強電電源，達到故障檢測、報警和處理故障的目的，使整個系統(tǒng)的運行更安全可靠，另外還需要控制冷卻泵、潤滑油泵等輔助控制功能。 2、輸入輸出點數(shù)的確定 PLC的I／O通道分配是根據(jù)其控制對象的特點和控制要求，將PLC的輸入輸出口與相應(yīng)的電氣設(shè)備相連，達到控制和檢測的目的，具體的I／O分配如表5．1所示。其中輸入24點，輸出16點，它的結(jié)構(gòu)為輸入輸出一體化的組件型結(jié)構(gòu)，安裝和調(diào)試比較方便，具有比較快的輸入響應(yīng)速度，并且可以進I／O口擴展。 3、PLC控制軟件設(shè)計 通過RS．232C通信接口，在PC機WINDOWS環(huán)境下根據(jù)控制要求和PLC輸入輸出地址表，便可以利用梯形圖編制控制程序，控制程序在分別控制主軸和伺服進給主電路的主電源之后。主要任務(wù)就是根據(jù)CNC控制器、伺服驅(qū)動器的狀態(tài)控制相應(yīng)的輸出端口的狀態(tài)，從而達到控制和故障報警直至采取相應(yīng)的措施消除故障，具體的梯形圖見附錄B。通常PLC本身的可靠性比較高，但是PLC外接的輸入輸出元件如接觸器、光電開關(guān)等比較容易發(fā)生故障，所以在設(shè)計軟件時，應(yīng)使軟件具有檢測甚至消除故障的功能，使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高。 PLC的軟件設(shè)計要注意幾下幾點： (1)在銑床的軟件設(shè)計中首先注意的就是強電關(guān)斷優(yōu)先的原則，既控制信號中只要有強電關(guān)斷的信號，則不管其他信號的狀態(tài)如何都要關(guān)斷強電。 (2)其次要注意動作的互鎖控制，例如主軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)是兩個不可能同時發(fā)生的動作，此時一般需要采用互鎖控制，從而保證兩者不可能同時動作。 (3)還要注意順序聯(lián)鎖控制，在數(shù)控銑床的運動控制中，有些是有嚴(yán)格的順序要求的，不能發(fā)生顛倒次序的現(xiàn)象。這時可以采用聯(lián)鎖控制的方法，即選擇前一個動作的常開觸點，串聯(lián)在下一個動作的啟動回路中，同時將后一個動作的常閉觸點串聯(lián)在上一個動作的關(guān)斷回路中，這樣就可以使各個動作嚴(yán)格地按照設(shè)計好的順序執(zhí)行，大大提高了產(chǎn)品的可靠性和品質(zhì)。 5．4電機的安裝與連接 1、電源部分 電源部分由三個變壓器和一個穩(wěn)壓器組成，詳見表5．2。 2、電機的選擇前提 選擇交流伺服電機時應(yīng)根據(jù)總體設(shè)計方案的要求，在滿足主要技術(shù)性能的前提下，還要分析絲杠的驅(qū)動扭矩、傳動速比、刀架的快進速度、導(dǎo)軌斜鐵預(yù)緊、防止低速爬行以及進給系統(tǒng)的穩(wěn)定性等原因綜合考慮交流伺服電機的參數(shù)。 3、冷卻電機選擇 一般分為步進電機和伺服電機。二者最大的區(qū)別是伺服電機本身就帶有編碼器，用來精確定位的。共有三臺三相異步電機及兩臺軸流風(fēng)機。橫向(縱向)／升降臺電機為交流三相異步電機參數(shù)為：12KW／22KW，380V，50HZ；冷卻電機隨主軸一起動作參數(shù)為：1．1KW，380V，50HZ；自動潤滑裝置通電后即開始工作。 4、進給電機安裝 電機安裝在中拖板后側(cè)，通過減速器與x軸、Y軸絲杠連接；Z軸的電機可安裝在兩個部位，一是為了外表美觀，可安裝在床身下側(cè)，但這樣為了穩(wěn)定電機，須使用掛角固定；二是也可以直接安裝在導(dǎo)軌尾部，此時可以直接固定在絲杠的端部，如圖5．9所示。 在安裝新電機時也要將密封套軸定位于法蘭盤，所以要先設(shè)計轉(zhuǎn)接法蘭盤，然后再設(shè)計密封套軸向定位套，并大膽采用了電機前端毛面定位方式取得實際效果很好。 5、連接與精度檢驗 交流伺服電機上的連線接頭有5個，以DTM．5T系統(tǒng)連接為例即A、B、C、D、E等5個接頭，與之相對應(yīng)的強電柜的驅(qū)動器上也有A、B、C、D、E等5個接頭，檢測時，通過系統(tǒng)上電機轉(zhuǎn)動看X軸、Y軸、Z軸的正反方向是否與規(guī)定的一致，在系統(tǒng)中給出相應(yīng)的進給量，看電機是否轉(zhuǎn)動相對應(yīng)的角度。 5．5強電柜的安裝與連接 DTM．5T系統(tǒng)專門為X5040機床設(shè)計一套強電柜，由四個螺釘把合在主機箱后側(cè)，通過一支撐穿線管固定主機箱，使其位于主機箱上邊，以利于操作者操作方便。 直接由門把手開關(guān)控制，并且從柜內(nèi)接出的線在側(cè)面通過航空插頭固定在箱體上，從強電柜到主機箱的連接有三根線(1)主機線(采用25芯插頭)； (2)控制線(采用9芯插頭)； (3)編碼器線(用15芯插頭)。 結(jié)論 本文按照用戶的要求，在機床數(shù)控化改造的原理指導(dǎo)下，根據(jù)前期調(diào)研和對原有機床設(shè)備分析的基礎(chǔ)上對X5040銑床進行了數(shù)控化改造。本文的主要工作如下： 1、機械部分改造。在原機床的基礎(chǔ)上，保留原機床的主軸箱，取消進給箱的傳動裝置，把滑動絲杠改用滾珠絲杠，用交流伺服電機和減速齒輪束實現(xiàn)進給部分的調(diào)速，可以實現(xiàn)快速定位和準(zhǔn)確啟動／停止； 2、數(shù)控系統(tǒng)的選擇。選用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)DTM．5T來實現(xiàn)數(shù)字控制過程；達到數(shù)字化控制各部件協(xié)調(diào)工作，而且成本低； 3、電氣部分改造。電氣部分以強電和弱電改造為主，強電柜取消大量電氣元器件，改用伺服驅(qū)動電機來實現(xiàn)；弱電利用數(shù)控系統(tǒng)中PLC來實現(xiàn)邏輯控制，從而完成機床數(shù)控化改造。 4、機床精度的測試。對改造后的機床迸行幾何精度和工作精度的測試，測試的結(jié)果是實測值小于允許值，即滿足機床的幾何精度和動態(tài)工作精度要求。 根據(jù)測試結(jié)果，對改造后機床做以綜合性評價分析，驗證了機床改造的可行性和可靠性，突出了良好的性價比。不僅加工范圍擴大，而且對于中小批量生產(chǎn)大大提高了生產(chǎn)效率。 在改造過程中，通過對國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的使用，發(fā)現(xiàn)雖然國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)還存在輸出扭矩小等問題，但在機床改造中，可以滿足設(shè)備要求，而且成本低，大大降低改造成本，為國產(chǎn)系統(tǒng)的使用與推廣提供了依據(jù)。 盡管在機床數(shù)控化改造中完成了項目，但還存在機床后續(xù)使用中的維護和保養(yǎng)工作的展開和推廣，對操作人員加強培訓(xùn)，以延長其使用壽命。 應(yīng)用DTM．5T數(shù)控系統(tǒng)對X5040銑床改造后，擴大了加工范圍，可以加工凸輪等形狀復(fù)雜的零件，滿足了加工精度要求，提高了生產(chǎn)效率，工作性能穩(wěn)定，且改造的成本也較低。因此，傳統(tǒng)機床的數(shù)控化改造是一個方興未艾的產(chǎn)業(yè)。 參考文獻 [1]席俊杰．?dāng)?shù)控技術(shù)和機床數(shù)控化改造．機械工程師，2002(08)：6-7頁 [2]諸小麗．普通機床數(shù)控技術(shù)改造探討．南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2003(04)： 6卜64頁 [3]朱文伯，笪文?。鏖T子數(shù)控系統(tǒng)在機床改造中的應(yīng)用[J]．航空制造技術(shù)，1999(05)：30-32頁 [4]鐘靈．20-10FPSOONK龍門銑床的數(shù)控改造[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2006(05)：21-24頁 [5]實用數(shù)控機床技術(shù)手冊[M]，北京：北京出版社．2001：62—65頁 [6]KUO Hsingchia，REN Bingyin．TANG Yuyong．Etal Geometric models for improving NC machining efficiency and accuracy of propeller w