摇臂钻床数控化改造

1 前言数控机床是综合了微电子、计算机 、自动控制、自动检测等先进技术 的新型机床，最适宜加工小批量、高精度、品种多、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。虽然数控机床的优势很大，但是对于制造企业 ，单纯地靠购买数控机床来解决现状，一方面需要大量的资金投人 ，另一方面，将原有的普通机床闲置，势必造成一种浪费。为了节约资金、降低成本，在原来普通机床的基础上，进行数控化改造，是一种一举两得的有效途径，既经济又快捷。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，正处黄金时代。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床及和生产线数控改造的新行业。数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。国际上一些国家一直把高性能数控机床作为战略物资而严格控制，限制我国进口高性能数控机床。国外装备制造业的发展经验表明，发展装备制造业，数控机床是基础。十五期间，我国机床工业连续发展，2005年我国机床产值跃居世界第三。总体来看，我国数控工业与世界先进水平相比，差距十分明显：一是国产高档数控机床在品种、水平和数量上远远满足不了国内发展需求，高档数控机床目前仍然要大量依赖进口；二是数控机床功能部件和数控系统发展滞后，成为我国数控机床产业发展的瓶颈；三是机床制造企业技术水平不高，制造能力、综合管理和服务能力等方面不能满足市场快节奏发展的要求；四是大型国有企业的旧有设备比例大，设备更新所需资金缺口大。本文针对学校车间的 Z3040 摇臂钻床进行数控化改造。Z3040 摇臂钻床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工，如：钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。从控制上讲，它需要机、电、液压等系统相互配合使用，而且，要进行时间控制。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。故主电动机只有一个旋转方向。此外，摇臂的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。2 数控改造的目的加深对数控机床的认识，巩固加深自己所学的知识，并能够利用所学的专业理论与实践结合。同时进一步了解机电一体化的一些基本知识，并能够初步掌握机电一体化系统的机械设计和自动化设计方法，对于自己所学的知识进行可行性实践，培养设计能力及独立思考的能力，巩固并强化理论知识，为以后工作起到打基础的作用，培养自己的创新意识和动手能力。3 改造方案的确定3. 1 机械部分的改造根据摇臂钻床布局，欲加工此类管板零件，只要控制钻床主轴走出每个加工孔的点位即可，为此有直角坐标控制方式和极坐标控制方式两种改造方案。后一种方案结构紧凑，加工范围能充分利用(由于数控转台的回转，其加工范围扩大为 Y 向行程的一倍)。只要将图纸中孔的尺寸标注从直角坐标转化为极坐标即可，这对现今使用计算机来说是极其简单的事，因而被采用。经确定的摇臂钻床数控化改造方案见图 1 Z3040 摇臂钻床3. 2 数控 PLC 控制系统部分的改造根据上学期学习的校企合作开发系列教材电气系统的组建与调试对 Z3040摇臂钻床工作原理的学习和对车间老师的请教以及在车间实习时对 Z3040 摇臂钻床的操作，仔细阅读、分析 Z3040 摇臂钻床的电气原理图，确定各部分的要求，进行Z3040 摇臂钻床的 PLC 控制系统部分的改造，使机床实现自动化，数控化的改造。4 机械部分的改造设计41 机械传动方式的确定 XY 工作台中 、y 方向的移动，可采用螺旋机构或齿轮齿条传动机构，这两种均可把旋转运动变为直线运动。因为此机构以传递运动为主，要求有较高的传动精度，又要求结构紧凑，所以选用螺旋机构。但常用的螺旋机构中丝杆和螺母之间的相对运动是滑动，磨损较严重，影响传动精度，寿命短，效率低，不能满足高速度、高效率和高精度等传动要求。为了使运动灵敏又能满足精度要求，选用滚珠螺旋机构，也就是采用了间隙可调的滚珠丝杆传动。要使运动稳定可靠 ，采用丝杆传动，螺母带着工作台作移动的传动形式。螺母带着工作台在底座的导轨上移动，因为运动部件重量不大，切削力也不大，行程较小，所以确定采用有预加载荷双 V 形滚珠导轨。 z 方向控制钻头上下运动的机构中有一减速装置，其传动比较大，为了使结构紧凑、传动可靠，采用一级蜗杆传动和一级齿轮传动 图 2 电路板简图4. 2 XY 工作台的设计首先要初步估算工作台的重量 、最大行程及钻削工件的最大切削力才能进行设计。以企业所加工的最大电路板为设计依据，电路板尺寸如图 2 所示。4. 2. 1 初步确定尺寸及估算重量 根据钻床工作台的尺寸初步确定： y 轴方向移动的工作台尺寸长 宽 高为 480mm120ram70ram，质量约为22kg，最大行程 100ram。轴方向移动的工作台尺寸长 宽 高为 200mm120ram80mm，质量约为 15kg，最大行程为 150ram。 XY 工作 台总质量 (包括夹具及工件 )不超过 45kg。 4.2. 2 钻削工作时切削力的计算 切削力与工件材料的硬度，进刀量和孔径有关。可按机械工程手册 中的公式 进行计算，计算出最大动负载 Q，并以此为基础进行滚珠丝杆螺母副几何参数计算及选型、传动效率计算、滚动导轨的设计计算、步进电机的相关计算与选型、确定齿轮的传动比、确定齿轮的模数及有关尺寸等。 5 数控控制系统设计5.1 Z3040 摇臂钻床分析控制对象、确定控制要求仔细阅读、分析 Z3040 摇臂钻床的电气原理图，确定各电动机的控制要求。5.1.1 对电动机 M1 的要求：单方向旋转，有过载保护。5.1.2 对电动机 M2 的要求：全压正、反转控制，点动控制；启动时，先启动电动机 M3，再启动电动机 M2；停机时，电动机 M2 先停止，然后电动机 M3 才能停止。电动机 M2 设有必要的互锁保护。5.1.3 对电动机 M3 的要求：全压正、反转控制，设长期过载保护。5.1.4 电动机 M4 容量较小，由开关 SA2 控制，单方向运转。5.2 确定 I/O 点数根据电路图找出 PLC 控制系统的输入、输出信号，共有 13 个输入信号、9 个输出信号。照明灯不通过 PLC 而由外电路直接控制，可节约 PLC 的 I/O 端子数。考虑将来的发展需要，留有一定的余量，选用 FX2N-32MR 可编程控制器。将输入、输出信号进行地址分配，见下表 1。表 1 I/O 端子输入、输出信号地址分配5.3 绘制 I/O 端子接线图根据 I/O 端子分配结果，绘制端子接线图如图所示。在端子接线图中，热继电器和保护信号仍采用常闭触点作输入，主令电器的常闭触点可改用常开触点作输入，使编程简单。接触器和电磁阀线圈用 220V 交流电源供电，信号灯采用 6.3V 交流电供电。图 3 摇臂钻床 PLC 控制系统 I/O 端子接线图5.4 梯形图设计对 Z3040 摇臂钻床梯形图的设计，可参照电气原理图进行。先把整个控制电路分成若干个控制环节，分别设计出梯形图；再根据控制要求综合各个梯形图；然后进行整理和修改，设计出符合控制要求的完整的梯形图。5.4.1 控制主轴电动机 M1 的梯形图在电气原理图中，电动机 M1 的控制比较简单，梯形图如下图 4 所示：图 4 电动机 M1 的控制梯形图5.4.2 控制电动机 M2 与 M3 的梯形图5.4.2.1 摇臂的升降过程摇臂的升降、夹紧控制与液压系统紧密配合，梯形图如图 5 所示。由上升按钮SB3 和下降按钮 SB4 与正反转接触器 KM2、KM3 组成电动机 M2 的正反转点动控制。摇臂升降为点动控制，而且摇臂升降前必须先启动液压泵电动机 M3，将摇臂松开，然后方能启动摇臂升降电动机 M2。按下摇臂上升按钮 SB3，PLC 内部继电器 M0 线圈通电，电气原理图中的时间继电器 KT 在梯形图中由定时器 T0 代替，时间继电器的瞬时动作触点 KT 由辅助继电器 M0 代替，使得输出继电器 Y4 和 Y0 动作，则KM4 和电磁阀 Yv 线圈同时通电，电动机，电动机 M3 正转，降摇臂松开。松开到位压下摇臂松开行程开关 SQ2（X10 动作），使输出继电器 Y4 断电、Y2 动作，KM4 断电，同时 KM2 通电，摇臂维持松开进行上升。上升到位松开按钮图 5 摇臂升、降控制梯形图SB3，M0 线圈断电，摇臂停止上升，同时定时器 T0 线圈通电，延时 13S 触点动作，输出继电器 Y5 动作，使 KM5 线圈通电，电动机 M3 反转，摇臂夹紧。夹紧时压下行程开关 SQ3（X11 动作），输出继电器 Y5 和 Y0 复位，KM5 和电磁阀线圈断电，电动机 M3 停转。5.4.2.2 主轴箱和立柱箱的松开与夹紧主轴箱和立柱箱的松开与夹紧控制是同时进行的，梯形图如图 6 所示，在电气控制线路中由按钮 SB5 和 SB6 控制，按下 SB5（ X5 触点动作），输出继电器 Y4 动作，使 KM4 线圈通电，电磁阀线圈 Yv 断电，电动机 M3 正转，松开主轴箱和立柱箱。松开的同时压下行程开关 SQ4（X1 动作），输出继电器 Y10 线圈通电，指示灯图 6 主轴箱和立柱箱夹紧与松开控制梯形图HL1 亮，表明已经松开。反之当按下按钮 SB6（X6 触点动作），使 Y5 通电、Y0 断电，KM5 线圈得电、电磁阀线圈 Yv 仍断电，电动机 M3 反转，将主轴箱和立柱箱夹紧，同时行程开关 SQ4 复位，输出继电器 Y11 动作，夹紧指示灯 HL2，夹紧动作完成。在上述梯形图的基础上，将各部分梯形图综合在一起，进行整理和修改，去掉重复的项，就设计出了完整的梯形图，如下图所示：图 7 Z3040 摇臂钻床控制梯形图55 微机控制系统及接口电路 本机床的控制系统在满足加工要求的前提下从经济角度出发采用国产的 STD总线模板搭制而成。其 CPU 为 8088，具有 RS232 串行口，可与 PC 机通信，进行直接加工控制(DNC 功能)并配有 9 英寸 CRT 显示器，进行全屏幕编辑加工程序和图形显示。系统框图如 8 所示。特别要提及的是本系统控制轴的输出为指令脉冲信号和方向信号，而三菱伺服放大器接收的是正和反向脉冲序列信号，两者不匹配。为了使两者匹配，设计了如图 9 所示的接口电路。经实际使用，工作较好。 图 8 图 95.6 加工程序编制及计算机辅助编程 由于被加工管板类零件的孔数很多，而且类型亦经常变动，如果直接应用ISO 数控代码手工编程，则计算和编程工作量很大，亦容易出错，一旦出错检查十分困难。因此，决定对被加工管板类零件建立数学模型，采用 C 语言编写通用程序来自生动成加工程序(程序流程图如图 10)。 当需要加工该零件时由 PC 机通过传输软件经 RS-232 数据通信接口传送到数控系统，就可进行加工。事实说明这是一种非常简便而有效的自动编制加工程序的方法。 图 10 程序流程图5.7 加工试验及结论 本摇臂钻床数控化改造完成后，还要进行试验以及检测各项精度指标和性能是否均达到设计要求。其尤轴的重复定位精度是否为 O.01mm，定位精度是否为0.02mm；C 轴重复定位精度是否达 00.1mm(在 2m 直径上)定位精度是否达0.035mm(在 2m 直径上)。任意两孔加工间距最大定位误差是否为0.05mm。而且还要经实际使用证明，本机床改造后性能稳定、精度高、操作方便，生产效率大大提高，劳动强度也得到极大的减轻才能证明本改造成功。6 总结经过几个星期在图书馆查资料及网上多方面搜集这方面的资料和去学校车间对老师请教，并对车间 Z3040 摇臂钻床进行观摩和深入研究 Z3040 摇臂钻床数控化改造，我们对钻床有了更深的了解。经过这次毕业设计，也增强了我的自学能力和收集使用资料的能力，同时全面系统地巩固和总结大学三年来所学的专业知识。看似简单，但是真正在着手的时候发现自己还有很多方面不懂，因此需要努力加强自己的专业方面的理论知识及实践能力。另外，通过这次毕业设计使我对 PLC 和电控方面的知识又有了更加深刻的理解和掌握，为今后走向工作岗位从事相关工作奠定了很好的基础。这次毕业设计，我更好的把所学的专业知识进行了综合、巩固，加深了对知识的理解，同时还接触了一些在原来知识基础上更为深层的知识。当然，也使我体会到设计工作是一项艰苦任务，必须具备吃苦耐劳的精神。总之，这次毕业设计使我受益匪浅，为我将来工作打好了良好的基础。由于时间精力有限，我的水平也限，本设计可能出现这样那样的不足和有待扩展和完善的地方,请老师批评指正，让我们及时正视自己的错误，并加以改正，完善自己的不足。7 致谢在本设计设计过程遇到了许多困难和问题，也得到了很多人的帮助。在这里我要感谢车间老师的的指导，也感谢机电五班 9129 宿舍同学共同努力和互相帮助及人本班潘帅伟和李辉两位同学给予的帮助，更要感谢指导老师王莉静王老师的精心指导，希望给我提出更多宝贵的意见，批评指正出我的不足，让我及时得到改正，走出误区，避免在今后工作中犯同样或类似的错误。8 参考文献【1】毕承恩现代数控机床 M北京：机械工业出版社 ，1990【2】机械工程手册电机工程手册编辑委员会机械工程手册 M 第 8 卷，机械制造工艺及设备卷 (二 )机械工业出版社，1996【3】徐惠民，安德宁单