（机械电子工程专业论文）基于数控铣床的四轴加工中心改造.pdf

摘要 摘要 数控机床以其高效率和稳定的质量品质日益成为现代制造领域的基础装备，以数控 技术为核心的数控系统装配和制造水平已经成为衡量一个国家制造水平的标志。我国已 经把加快产品设备的更新、改造作为提升我国制造水平的手段。而机床的数控改造以其 成本低、周期短，已经成为现阶段众多公司的首选方式。因此，对原有的设备进行升级 改造，使之变成新型数控机床，已成为当前的趋势，具有非常重要的现实意义。本课题 来源于江苏省海安双楼职业高级中学使用的v m 6 0 0 型数控铣床，该机床除了满足正常 的教学之外，为了发挥其功效，承接了一些外加工业务。在j l - ；匀n 工过程中由于产品频繁 变换，需要经常更换刀具，一方面影响了加工精度，另一方面影响了生产效益。鉴于这 种情况，学校决定将数控铣床改造成加工中心，在此基础上再安装数控分度头，以便进 行四轴加工，使得对复杂关键的零部件实现一次装夹完成全部加工工序，这样可大幅度 提高了生产效益，使产品的位置精度和尺寸精度提高一个等级。 该课题首先制定了改造的总体方案，根据机床的实际设计了自动换刀装置，选择了 数控分度头的型号，安装了数控分度头。针对改造的机床对自动换刀程序的p m c 进行 了编制，对机床参数进行了设定，最后进行了机床各部分的调试。经过这次改造，该加 工中心完全能满足生产提出的各项技术要求及新产品开发的需要，大大缩短了产品研发 周期，为产品的市场竞争赢得了时间。 【关键i , 百- l - 自动换刀装置；数控分度头：p m c 程序 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e i rh i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b l eq u a l i t y , c n cm a c h i n e sh a v ei n c r e a s i n g l yb e c o m e t h eb a s i ce q u i p m e n t si nm o d e mm a n u f a c t u r i n g n l eu t i l i z a t i o no fc n cs y s t e m si sc o n s i d e r e d a sal e v e lm a r ko fm a n u f a c t u r i n gf o rac o u n t r y i no u rc o u n t r y , r e m a r k i n go l de q u i p m e n t s 、 ，i t hc n c s y s t e m sh a sb e c o m eam e t h o dt op r o m o t et h em a n u f a c t u r i n gl e v e l i nf a c t , i th a s b e e nt h ef i r s tc h o i c ei nm a n ym a n u f a c t o r i e sb e c a u s eo fi t sl o w e rc o s ta n ds h o r t e rp e r i o d t h e r e f o r e ，i th a sb e c o m eac u r r e n tt r e n dt ou p g r a d ea n dr e b u i l dt h ee x i s t i n ge q u i p m e n t st o m a k et h e mn e wc n cm a c h i n e s ，w h i c ha l s oh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls e n s e s t h i sr e s e a r c h p r o j e c tc o m e sf r o mt h ev m 6 0 0c n cm i l l i n g o fj i a n g s up r o v i n c eh a i a ns h u a n g l o u o c c u p a t i o n a lh i 曲s c h 0 0 1 e x c e p tf o rm e e t i n gt h er o u t i n et e a c h i n gn e e d s ，t h i sk i n do f m a c h i n ea l s os e l v e sf o rs o m ec o m m i s s i o n e dm a n u f a c t u r e b e c a u s eo ft h ev a r i e t yo fp r o d u c t s i nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h et o o l sn e e dt ob er e p l a c e df r e q u e n t l y , w h i c ha f f e c tb o t ht h e m a n u f a c t u r i n ga c c u r a c ya n db e n e f i t o w i n gt os u c hc i r c u m s t a n c e ，t h es c h o o ld e c i d e st o d o r e f o r m i n gt h em i l l i n gm a c h i n et om a c h i n i n gc e n t e r ( m c ) ，a n di n s t a l ld i v i d i n gh e a d ，i no r d e r t oc a r r yo n4a x i sp r o d u c t i o n i tc a nc o m p l e t ea l lt h ep r o c e s s e so ft h ec o m p l e xa n dk e yp a r t s b yf i x i n gt h ew o r k so n c e ，w h i c hc a ni m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi m m e n s e l ya n d p r o m o t et h ep o s i t i o na n ds i z ea c c u r a c yo fp r o d u c t st oan e w l e v e l f i r s t l yt h i sr e s e a r c hp r o j e c td o e sr e f o r m i n gs c h e m e ，d e s i g n sa u t o m a t i ct o o lc h a n g e r ( a c t ) a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo fm a c h i n et o o l s ，s e l e c t st h em o d e lo fc n cd i v i d i n gh e a d ，a n d i n s t a l l sc n cd i v i d i n gh e a d p m cc o n t r o lp r o g r a mo fa t ea r ed e s i g n e da c c o r d i n gt o r e f o r m e dm a c h i n e a n dt h ef u n d a m e n t a lp a r a m e t e r sa r es e t f i n a l l y , e a c hd i v i s i o no ft h et o o l i sa d j u s t e dd u r i n ge x p e r i m e n t a t i o n a f t e rr e f o r m i n g ，t h em a c h i n ei ss a t i s f i e df o ru s ，i t c o n f o r mt ot e c h n o l o g i ca n dd e v e l o pn e wp r o d u c tr e q u i r e m e n t s 1 1 1 ep e r i o do fd e v e l o p m e n ti s c u td o w n i ti sb e n e f i tf o rc o m p a n yt ow i nt h em a r k e tc o m p e t i t i o n k e y w o r d ：a t c ；n cd i v i d i n gh e a d ；p m cp r o g r a m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：期：堕墨：竺：! 差 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 坩孽t 屹7 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数控技术及其发展状况 1 1 1 数控技术概述 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对 现代制造技术进行开发研究，提出了全新的制造模式。数控技术，简称数控( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ， 它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机 床，或者说装备了数控系统的机床称为数控( n c ) 机床。在现代制造系统中，数控技术是关键技术， 它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、 柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。现代数控机 床的发展趋向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。主要发展 动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。数控技术是机械加工自 动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合实力的水平。 它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。 我国数控系统的开发与生产，通过“七五”引进、消化、吸收，“八五”攻关和“九五”产业 化，取得了很大的进展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人 才，初步形成了自己的数控产业，也带动了机电控制与传动控制技术的发展。同时，具有中国特色 的经济型数控系统经过这些年来的发展，产品的性能和可靠性有了较大的提高，逐渐被用户认可。 1 1 2 国外数控技术发展状况 2 0 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备 中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1 9 5 2 年美国第1 台数控铣床问世至今已经 历了5 0 多个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成 庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有1 0 - - 2 0 万台，产值上百亿美元。世界制造业在2 0 世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现 代制造业。9 0 年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组，如美国、德国等几大制造商都经过较 大变动，从9 0 年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。 国外数控系统技术发展的总体发展趋势是：新一代数控系统向p c 化和开放式体系结构方向发 展：驱动装置向交流、数字化方向发展；增强通信功能，向网络化发展；数控系统在控制性能上向 智能化发展。 近l o 年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步： ( 1 ) 高速化由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由3 0 0 0 4 0 0 0 r r ai n 提高到8 0 0 0 - 1 0 0 0 0 r m i n ，铣床和加工中心主轴转速由4 0 0 0 8 0 0 0r m i n 提高到 1 2 0 0 0 r m i n 、2 4 0 0 0r m i n 、4 0 0 0 0r m i n 以上，快速移动速度由过去的1 0 2 0m m i n 提高到 4 8m m i n 、6 0 m r a i n 、8 0m r a i n 、1 2 0m m i n ，在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速 度，其已由过去一般机床的0 5 g ( 重力加速度) 提高到l ，5 2 g ，最高可达1 5 g ，直线电机在机床 上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。 ( 2 ) 高精度化数控机床的定位精度已由一般的0 0 l 0 0 2 m m 提高到0 0 0 8 m m 左右，亚微 米级机床达到0 0 0 0 5 m m 左右，纳米级机床达到0 0 0 5 - 一0 o lu1 1 1 ，最小分辨率为l n m ( 0 0 0 0 0 0 1 r m ) 东南大学硕士学位论文 的数控系统和机床已有产品。数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧 都可以达到1i i 的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。 ( 3 ) 复合加工、新结构机床大量出现如5 轴5 面体复合加工机床，5 轴5 联动加工各类异 形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括6 轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结 构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 ( 4 ) 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷钻头由于使高压冷却液 直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1 0 0 0n l m i n ， 加工铝件能达5 0 0 0 m m i n 。 ( 5 ) 数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床 开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机 集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起 来，这必然成为2 1 世纪制造业发展的一个主要潮流。 1 1 3 我国数控技术现状 随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制 造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平的高低， 是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。 我国于1 9 5 8 年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在1 9 5 8 - - 1 9 7 9 年间为第一 阶段，从1 9 7 9 年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、 基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于 生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、 西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾等1 1 个国 家和地区引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正 式生产和使用，并逐步向前发展。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家，但我们的机床数控化 率还很低，1 9 9 0 年，机床产量数控化率仅为2 2 4 ，2 0 0 0 年上升为7 9 6 ，2 0 0 5 年机床产量数控化 率达到了1 3 2 3 的较高水平，这与西方工业国家一般能达到2 0 还有一定差距。( 见图卜1 ) 7 0 0 0 0 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 3 0 0 g 9 2 0 0 0 0 1 轻0 0 0 o 图卜12 0 0 0 - 2 0 0 5 年我国数控机床产量及数控化率 2 菇 笺 舞 甄 譬 的 豹 如 的 朗 掬 戥 兰二皇丝堡 我国数控机床制造业在8 0 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产 品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在9 0 年代初期面临国家经济由计划性经济 向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到5 0 ，库存超过4 个月。 从1 9 9 5 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支 持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1 9 9 9 年以后， 国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2 0 0 0 年8 月份的上海数控机床展览会和2 0 0 1 年4 月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁 荣景象。但也反映了下列问题： ( 1 ) 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销； ( 2 ) 高技术水平、全功能产品主要靠进口； ( 3 ) 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口： ( 4 ) 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； ( 5 ) 自行开发能力较差，相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 未来五年我国数控机床产业发展的任务突出集中在以下四个方面： ( 1 ) 加快开发高档数控机床品种 为了缩短与世界先进水平的差距，提升我国机床工具行业整体水平，“十一五”期间对市场急 需的高档数控机床品种，要集中力量，重点突破。 未来五年要加大科技投入，加强基础研究和开发研究，提高原始创新和集成创新能力。要促进 重点企业技术开发能力建设，加快高档数控机床品种开发。掌握一批高档数控关键产品开发的核心 技术，推出一批高档数控机床品种，满足重点用户急需，精心培育高档数控机床市场。 ( 2 ) 积极促进功能部件产业化 “十一五”期间，要培育一批功能部件的龙头企业。加大政策支持力度，重点发展高档数控系 统、高速主轴单元、精密滚动功能部件、动力刀架、精密转台、高速导轨防护装置等高水平的功能 部件，加快产业化进程，培育国产品牌，实现功能部件与数控机床同步发展。 ( 3 ) 进一步发展普及型数控机床 国产普及型数控机床产品技术已经成熟，产业化迫在眉睫。急需进一步提高可靠性和质量，及 时供应市场，提高产业集中度，实现稳定、可靠、快速地满足市场。以提高制造能力和生产集中度 为重点，支持骨干企业快速发展。 ( 4 ) 努力提高国产数控机床市场占有率 提高国产数控机床市场占有率是“十一五”期间行业发展的重中之重，要从质量、可靠性、服 务等方面入手，创品牌、扩市场、挡进口、争出口。争取在五年内国产数控机床国内市场占有率有 较大提高。 1 2 数控铣床和加工中心概述 1 2 1 数控铣床概述 数控铣床是发展墁早的一种数控机床，以主轴位于垂直方向的立式铣床居多，主轴上装刀具， 刀具作旋转的主运动，工件装于工作台上，工作台作进给运动。当工作台完成纵向、横向和垂直三 个方向的进绘运动，主轴只作旋转运动时，机床属升降台式铣床；为了提高刚度，目前多采用既旋 转，又随主轴箱作垂直升降的进给运动，工作台作纵、横两向的进给运动，这时机床属工作台不升 3 东南大学硕士学位论文 降结构。一般下列加工内容常采用数控铣削加工： ( 1 ) 工件上的曲线轮廓内、外形，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等轮廓： ( 2 ) 给出数学模型的空间曲线： ( 3 ) 形状复杂，尺寸繁多，划线与检测困难的部位； ( 4 ) 用通用铣床加工时难以观察，测量和控制进给的内、外凹槽； ( 5 ) 以尺寸协调的高精度孔与面； ( 6 ) 能在一次安装中一起铣削出来的简单表面或形状： ( 7 ) 采用数控铣削能成倍提高生产率，大大减轻体力劳动的一般加工内容。 1 2 2 加工中心概述 加工中心是指备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。 它是综合了机械技术、电子技术、计算机技术、液压气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及 传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品。它综合了数控铣床、数控镗床、数控 钻床的功能并聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可在一次安装工件后，数控 系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的 运动轨迹及其它辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环行槽及攻螺纹等 加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、 存放时间，提高了机床的切削利用率。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控 机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。 由于电子技术的迅速发展，各种性能良好的传感器的出现和运用，使加工中心的功能日趋完善。 这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常 的监视、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等。加工中心还与载有 随行夹具的自动托盘有机连接，并能进行切削自动处理，使得加工中心已成为柔性制造系统、计算 机集成制造系统和自动化工厂的关键设备和基本单元。 加工中心通常以主轴与工作台相对位置分类，分为卧式、立式和万能加工中心。 ( 1 ) 卧式加工中心：是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件。 ( 2 ) 立式加工中心：是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、 模具及小型壳体类复杂零件。 ( 3 ) 万能加工中心( 又称多轴联动型加工中心) ：是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度 可控制联动变化，完成复杂空间曲面加工的加工中心。适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、 刃具等工件的加工。 1 2 3 数控铣床和加工中心的区别 数控铣床和加工中心的主要区别在于加工中心配有能自动换刀的自动换刀装置。加工中心的自 动换刀装置由存放不同数量的各种刀具的刀库和换刀机构组成，在加工过程中由程序自动选用和更 换。 加工中心与同类数控铣床相比结构较复杂，控制系统功能较多。加工中心最少有三个坐标系统， 多的达十几个。其控制功能最少可实现两轴联动控制，实现刀具运动直线插补和圆弧插补。多的可 实现五轴联动、六轴联动，从而保证刀具进行复杂加工。加工中心还具有不同的辅助功能，如：各 种加工固定循环、刀具半径补偿，刀具长度补偿、刀具破损报警、刀具寿命管理、过载超程自动保 护、丝杠螺距误差补偿、丝杠间隙补偿、故障自动诊断、加工过程图形显示、人机对话、工件在线 4 第一章绪论 检测和加工自动补偿、离线编程等，这些功能提高了数控机床的加工效率，保证了产品的加工精度 和质量，是普通加工设备无法相比的。 1 3 机床数控化改造的研究 1 3 1 机床的数控化改造 数控机床与普通机床相比有以下突出的优越性： ( 1 ) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能 力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 ( 2 ) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3 7 倍。由于 计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行， 从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小 批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。 ( 3 ) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 ( 4 ) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 ( 5 ) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 降低了工人的劳动强度，节省了劳动力( 一个人可以看管多台机床) ，减少了工装，缩短了新产品 试制周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行f m c ( 柔性制造单元) 、f m s ( 柔性制造系统) 以及c i m s ( 计算机集成制造系统) 等企业信息化改造的 基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 随着数控技术的普及，加工产品外形越来越复杂，精度要求也越来越高，生产效益越来越受到 重视，产品的更新换代也不断加快，因而在加工中合理的运用好数控设备就显得比较重要。数控机 床虽在加工精度、自动化程度、生产效率、劳动强度等诸方面都有普通机床无法比拟的优势，但购 买新的数控机床特别是大型数控机床费用很高，常使许多用户望而怯步，特别是对于一些资金紧张 的用户，如何用比较少的投入获得数控机床，就是一个值得探讨的问题。对原有的数控机床进行升 级改造，使之变成新型数控机床，不仅实用性能良好、周期短，而且可以节约大量资金。因此，对 数控机床的改造也就显得比较重要，已成为当前的一项重要课题，数控机床的设计与改造也成为工 业发展的一个重要方面。 1 3 2 数控化改造的研究现状 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在 黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也 从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产 线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再 生( r 鲫a n u f a c t u r i n g ) 业。从事再生业的著名公司有：b e r t s c h e 工程公司、a y t o n 机床公司、 d e v l i e g b u l l a v d ( 得宝) 服务集团、u s 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本， 机床改造业称为机床改装( r e t r o f i t t i n g ) 业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机 械公司、干代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 在德国，机床改造业已经成为一个新兴的工业部门。在不太景气的机床市场上，二手机床的销 售相当红火，据统计，早在1 9 9 8 年德国二手机床销售额就达到2 5 亿马克。德国在机床数控化改造 5 东南大学硕士学位论文 方面，不仅考虑了如何通过机床的数控化改造来适应生产技术的发展、劳动组织的变革，而且还全 面地考虑了如何充分利用技术工人现有的经验知识。因此，在德国除了企业从事机床改造工作外， 还有一些高校、研究机构等也参与了机床改造的研究与指导工作，对机床改造过程中的生产技术、 劳动组织和人员素质之间的相互关系进行了全面、系统地研究，联邦政府和州政府专门拨款支持该 领域的研究工作。在德国可以将改造后的旧机床的质量和性能做得与新机床差不多，而且，改造后 的二手机床的用户也同样能够得到供应商或改造厂提供的配套服务。这样，可以消除二手机床用户 的后顾之忧，他们也就更乐意改造本厂原有的旧机床或者从市场上购买改造过的二手机床，从而更 有力地推动了机床改造行业。 我国自改革开放以来，很多企业从国# l - 弓l 进技术、设备和生产线进行技术改造。这些引进技术 改造项目大部分为我国的经济建设发挥了应有的作用，但是有的引进项目由于种种原因，设备或生 产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产 线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意 引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的 甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达 产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。 种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些机床共同之处在于机械部分基本完 好，精度较高，主要是由于数控系统出现问题而又难以购置配件，不能满足正常生产的需要和现代 高精度、高速度和高可靠性的加工要求。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的 存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘 活最大的存量资产，争取到最大的效益，这也是一个极大的改造市场。如果利用进口数控系统对现 有数控设备进行数控化改造，只需几十万元就能发挥现有设备的作用，而购置一台新的同性能的数 控机床则需要几百万甚至上千万的资金。因此，对我国来说数控机床的数控化改造，尤其是加工中 心的数控化改造具有明显的经济效益与社会效益。 1 3 3 数控化改造的可行性 机床改造的基本原则是：把技术先进性和经济性有机的结合起来。所谓机床数控化改造的可行 性论证就是指从技术和经济两方面对机床数控化改造进行论证，判断进行数控化改造是否合理，改 造方案是否最佳。技术先进性的指标之一是技术实用性：经济合理性就是以最少的投资获取最大的 效益。 对一台具体设备是否需要进行数控改造、改造目的、希望能达到什么样应用指标、需要投入多 少财力和人力、改造项目中有多少风险因素、最后能得到什么性能价格比? 这些都是可行性评估时 的重要内容。我们从以下几方面进行分析： ( 1 ) 数控机床有着普通机床无法比拟的优势，因而数控机床改造存在很大的市场需求； ( 2 ) 数控系统已经日趋成熟，特别是f a n u c 系统、s i e m e n s 系统功能齐全、性能稳定； ( 3 ) 数控机床改造的优点很多，可以升级机床的功能，最重要的是可以节约大笔的资金； ( 4 ) 机床功能模块化技术已经成熟，更换方便： ( 5 ) 有一批掌握现代数控机床改造的队伍，在改造技术方面的技术储备，力量雄厚； ( 6 ) 原有机床机械基础较好，机床磨损程度、刚度以及机床的技术寿命等都能满足改造的要求。 综上所述，数控机床的改造具有可行性。 6 第一章绪论 1 3 4 数控化改造的内容和意义 1 3 4 1 数控化改造的内容 ( 1 ) 恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复； ( 2 ) 利用国外先进数控系统，对机床进行数控化改造； ( 3 ) 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，根据改造需要对机械、电气部分元器件进行更换， 对机械部分重新修配调整，恢复原精度； ( 4 ) 技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进 行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 1 3 4 2 数控化改造的意义 ( 1 ) 投资额少、交货期短。同购置新机床相比，一般可以节省6 0 - - , - 8 0 的费用，改造费用低， 特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的i 3 ，交货期短。即使 有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，改造成本也高2 3 倍，但与购置新机床相比，也能节省投资5 0 左右。 ( 2 ) 机械性能稳定可靠。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种 焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。 ( 3 ) 熟悉了解设备、便于操作维修。购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改 造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了 解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 ( 4 ) 可采用最新的控制技术。可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平 和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 ( 5 ) 充分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 因此可节约费用，降低改造成本，同时也可缩短生产准备周期。 ( 6 ) 提高产品质量和工效。可以解决复杂零件的加工精度控制，加工的产品尺寸一致性好、合 格率高、废品率低、生产效率高。如经济型数控机床，一般可提高工效3 倍7 倍。对复杂零件而 言，难度越高，提高的工效越明显。 ( 7 ) 减轻工人的劳动强度，提高工人素质，促进科技成果的普及和应用，为“体力型”向“智 能”转变创造条件。 1 4 数控化改造的关键技术 机床改造要求通过数控系统控制，提高原机床的精度和可靠性。主要需解决以下关键技术： ( 1 ) 误差补偿技术 采用数控系统软件误差补偿方法，可在机床的机械部分不做任何改进的情况下使其总体精度显 著提高。该项技术主要包括几何误差( 运动误差) 的补偿、热变形误差在线识别与实时补偿、切削 负荷所引起机床变形的误差补偿、刀具与工件初始形位误差的补偿及在线避振技术等。 与工业发达国家相比较，我国机床的制造精度不高、精度保持性欠佳，而机床的服性期又往往 较长，精度丧失严重。因此，精度软补偿与软修复技术对提高数拄机床的精度有两方面的意义：一 是与制造精度的提高相结合，使数控机床的总体精度上升一个新的台阶，以满足某些尖端产品的高 精度数控加工的要求；二是在现有机床一般制造精度的条件下，实施误差补偿，以实现廉价的精度 升级。 7 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 网络化数控技术 网络数控是各种先进制造系统的基本单元，它将为各种先进制造环境提供技术基础，如制造系 统的集成、远程制造、控制、诊断与维护，它可使网络技术和功能与数控系统实现无缝连接，使c a d c a m 软件和机床实现异地信息共享，使c a d c a l l 工作站的加工程序直接传送至数控机床。此外， 由于是网络化连接，还实现了机床间的信息共享，使多功能数控机床的数字化信息直接传给经改造 后的经济型数控机床加工，扩展经济型数控机床功能，充分提高少数多功能机床的使用技率，从而 减少硬件投 入成本。 ( 3 ) 多轴联动控制技术 多轴联动是数控系统控制技术的经典组成部分。中、小型普通数控设备一段仅仅实现2 3 轴联 动控制即可，相对成本较低，技术也比较成熟。但采用5 轴或更多轴联动对三维曲面零件的加工，可 用刀具最佳几何形状进行切削，不仅粗糙度低，而且效率也大幅度提高，同时也对机械结构和数控 系统提出了更高的要求，成本上升幅度很大。 另外对于一些大型设备及柔性制造单元，由于控制复杂、人机界面要求简单、易操作，其改造 复杂程度和工程工作量就更大了，需要解决抗干扰和信号长线传输技术、远程操作控制和图形显示 跟踪技术、机械传动间隙和传动误差补偿技术、双立柱运动同步控制技术、大型零件的装夹找正和 对刀调整补偿技术、数控系统海量程序的连续加工技术、柔性单元和数控生产线控制技术等。 1 5 本课题的背景和研究特色 江苏省海安双楼职业高级中学购买了南通纵横国际股份有限公司的数控铣床4 台，其中两台安 装的是f a n u cs e r i e s0 i 一 a t em c 系统，另外两台安装的是f a n u cs e r i e so i 船系统，主要用于 学生实习，基本能满足教学的需要。但随着数控技术的普及，产品的加工越来越多地使用数控机床， 该校为了使现有设备发挥其功效，承接了一些外加工业务。在外加工过程中由于产品频繁变换，需 要经常更换刀具，一方面影响了加工精度，另一方面影响了生产效益。如果再购买加工中心，就学 校资金而言是不允许的，加工中心少则3 0 、4 0 万，多则上百万。鉴于这种情况，学校决定将2 台配 备f a n u cs e r i e so im b 系统的数控铣床改造成加工中心。其中一台为了能对回转体曲面进行加工， 如孔、槽的加工，精确分度等，在改装成加工中心的基础上再安装数控分度头，以便进行四轴加工， 使得对复杂关键的零部件实现一次装夹完成全部加工工序，这样可大幅度提高生产效益，使产品的 位置精度和尺寸精度提高一个等级。 基于此背景下，本课题将原有的数控铣床升级改造成加工中心，通过本次改造，能把在数控铣 床上需要多道工序的加工集中在加工中心上一次完成，减少了机床夹具的设计、制造费用，在很大 程度上节约了成本，同时也减少了装夹的辅助时间，提高了机床的效率。改造的周期也比较短，改 造后的加工中心能迅速投入使用，产生生产效益。另外作为国家级数控技术应用专业紧缺人才培训 基地，在改造过程中，教师的动手能力能够得到极大的提高，能更好地为教学服务。因此本课题具 有重要的现实意义。 8 第一章绪论 1 6 课题的主要工作 本课题是基于对江苏省海安双楼职业高级中学的v m 6 0 0 数控铣床进行数控化改造工程进行的。 改造过程中分两阶段进行，首先将数控铣床通过安装自动换刀装置改造成加工中心，其次在加工中 心工作台上加装数控分度头，实现四轴加工。 本课题在整个改造过程中主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 在对机床技术性能指标认真分析的基础上，结合机床的实际情况，提出自动换刀装置、数 控分度头设计方案以及电路、气路的改造方案； ( 2 ) 完成自动换刀装置以及数控分度头在机床上的安装与调试； ( 3 ) 完成对加工中心p m c 程序的修改，主要是自动换刀装置p m c 程序的编制工作： ( 4 ) 根据机床的具体配置和要求，对参数进行正确设置，对机床的精度进行检验； ( 5 ) 完成系统的综合调试，包括电气、液压、气动和机械等方面； ( 6 ) 机床的验收，资料归档。 9 东南大学硬学位论文 第二章数控化改造的总体方案设计 2 1 现有数控机床的功能分析及其存在的问题 2 1 1 现有设备的功能 配备f a n u cs e r i e so im b 系统的数控铣床，机床布局为直式主轴、十字型床鞍工作台，结构紧 凑、加丁范围广泛，可完成铣、镗、钻、铰、攻丝等多种_ 序的加j = 。主轴采用交流主轴电机同步 齿形带传动，噪声低。如幽2l 所示。 图2 1v m 6 0 0 外观图 该机床的结构特点： ( 1 ) 淬硬磨削导轨与进口! | | 占塑组台，耐磨性好精度稳定性高。机床主要构件刚度高、床身立柱 床鞍均为稠筋、封闭式框架结构，刚性高，抗震性好，进口五面体上加工，精度高。 ( 2 ) 罩壳平整，油漆亮丽。整机外观不亚于进口设备。 ( 3 ) 强力切削、低速高扭矩、匣功率范围宽( f a n u c 交流主轴电机) 。无齿轮传动、噪声低、 振动小、热变形小。 ( 4 ) 高速定位、高速进给振动小、低速无爬行、精度稳定性高。 ( 5 ) 可加配第四辅。 ( 6 ) 三向导轨均采用线性导轨、丝杆采用高速化滚珠丝杆。 ( 7 ) 三向滚珠丝杆，主要电气元件、气动元什、润惜元件均采用进口件。 主要技术参数如表2 一 技术参数 l 作台 = 作台面积 8 0 0 4 0 0m m t 形槽m m i 第二章数控化改造的总体方案设计 工作台最大承重 5 5 0 k g x 向、y 向、z 向行程 6 0 0 x 4 1 0 x 5 1 0m m 行程 主轴端面至工作台面距离 1 2 6 - 6 3 5m 主轴中心至立柱导轨面距离 2 1 5 - 6 2 5m m 主轴转速 6 0 8 0 0 0 r p m 主轴 主轴电机功率( 连续3 0 分) 5 5 7 5k w 主轴孔锥度 b t - 4 0 切削进给速度 1 5 0 0 0m m m i n 三向进给 快速移动速度 1 5 0 0 0m m m i n 功率进给电机3 3 3 k w 定位精度 0 0 1m m 精度 重复定位精度 0 0 0 5m m 一般规格机床外形尺寸( 长x 宽x 高) 2 5 0 0 2 6 3 0 x2 5 5 0m m 机床重量 4 5 0 0 k g 总电源供应量 1 5k w 配用数控系统 f a n u co i 一鹏 控制系统功能 数控装置：f 肘c0 i 控制轴数：四轴 4 a x e s 同时控制轴数：四轴4 a x e s 进给速率修调范罔： o 一1 5 0 自动加减速功能：标准功能 参考点返同功能：手动、自动m a n u a l ，a u t o m a t i c ( g 2 7 一g 2 9 ) 第二参考点返回功能： g 3 0 刀具补偿半径g 4 0 一g 4 2 长度g 4 3 g 4 4 g 4 9 六个工件坐标偏移 g 5 4 g 5 9 程序存储容量 2 5 6 k 显示器：9 ”c r t 程序号顺序号4 5 位 图形显示功能选择功能 r s 2 3 2 通讯接口可以和计算机通讯 主轴速率修调5 0 - 1 2 0 ( 间隔1 0 ) 宏程序 b 类 表2 - 1f a n u co im b 主要技术参数 2 1 2 机床存在的问题 配备f a n u cs e r i e so im b 系统的数控铣床，由于开始主要用于数控、机电专业学生的实训教学， 因而机械部分磨损较少，几何精度完全能够满足加工的要求，液压、润滑等部分基本完好，无需较 大的修理和更换，电气控制部分数控系统、驱动单元以及电气柜内的电气元件也没有因为老化出现 1 l 东南大学硕士学位论文 故障，但由于我校为了开发现有设备的经济效益，数控铣床经常承接到一些外加工业务，有的业务 中加工的工件需要完成多道工序，如：钻孔、扩孔、镗孔等，虽然在铣床上也能完成，但由于有些 工件需频繁换刀，其加工的时间以及加工的效率都无法与加工中心相比拟。另外，在产品的加工中， 有时会涉及到工件的分度加工，如在圆柱形工件表面不同的位置上进行孔的加工，这就需要将工件 准确分度；还有部分零件必须在卧式加工中心上加工，如箱体类、壳体类零件，为了充分利用现有 的设备，我们决定对数控铣床进行机改造，以保证我们能按质、按量、按时完成所承接的加工业务。 2 1 3 需要改造部分 根据机床现状，需要改造的部分如下： (