普通机床的数字化改造

1、精选优质文档-倾情为你奉上哈尔滨应用职业技术学院毕业论文项目表填表日期2011年 2月28 日完成时间2011年 3 月 3 日学生姓名吕晓冬系部机械系专业、班级数控设备应用于维护指导教师姓名王百战职称从事专业是否外聘是否题目名称普通机床的数字化改造指导教师意 见 指导教师签字： 年 月 日系 意 见系主任签字： 年 月 日毕业答辩成绩：年 月 日小组答辩委员会成员签字：年 月 日答辩委员会主任签字：年 月 日摘 要：随着技术的，普通机床越来越不能满足市场的需求，其劳动强度大，危险性高，且不能满足科学的批量生产需要数控技术是先进制造技术的核心技术，越来越多的将普通机床逐渐转向数控化，因为数控机

2、床可弥补普通机床的许多缺点，可实现加工精度高，多工序的集中化，自动报警，自动补偿及自动监控的功能。各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。因为数控机床可弥补普通机床的许多缺点，可实现加工精度高，多工序的集中化，自动报警，自动补偿及自动监控的功能，为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。关键词：机床；数控化；改造。目录摘要3第一章：前言5第二章：机床数控化改造的必要性5第三章：机床数控化改造的条件8第四章：如何进行机床数控化改造8 4.1：数控化改造的内容8 4.2：数控系统的选择91）采用P

3、LC实现数控改造92）商用CNC(PLC)伺服系统进行改造93）选择工控机进行数控改造94）选择PC-based CNC10 4.3：主轴的改造12 4.4：进给轴的改造13 4.5：刀架部分的改造14 4.6：润滑部分的改造14 4.7：机床防护15 4.8：电气部分的改造15 4.9：改装过程中的探讨与注意事项16结束语：18参考文献：19致谢：20第一章 前言：现在原有的普通机床已越来越不能适应目前市场竞争激烈、高效率和多变的要求,所以,数控机床已越来越受到市场的青睐。专家们预言: 21世纪机械制造业的竞争, 其实质是数控技术的竞争。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；

4、数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上,由程序读入装置接收,或由数控装置的键盘直接手动输入,数控机床加工零件不仅效率高, 能多变,而且,只需对程序进行修改,就可以满足客户的加工要求。但为了节省资金,不淘汰原有的普通机床设备,对此加以改造。这样既可节约成本,又能具有数控机床性能,满足生产的需要第二章 机床数控化改造的必要性：微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且些优越性均来自数控系统所包含的机的威力。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。可以实现加工的自动化，而

5、且柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37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”。 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”。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现时间无看管加工。有以上五条派生的好处。如：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

6、求作出快速反应等等。宏观上看，发达家的军、民机械工业，在20世纪70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机

7、床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。生产中经常需要加工一些形状复杂、精度要求较高、普通机床难以加工或不能加工的零件。1）可以加工出普通机床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。因为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）可以实现加工柔性自动化,从而效率可比传统机床提高37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,然后按照程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化。普通机床可以靠凸轮或挡块等实现自

8、动化,但凸轮制造及调整很费时。只有进行大批量生产时,才经济合理,被称为刚性自动化。而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,可使单件和小批生产得以自动化,因此被称为实现了“柔性自动化”。3）加工精度高,尺寸分散度小,易于装配,不再需要“修配”。由于加工过程自动化,计算机还可以自动进行刀具寿命管理,不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。特别是数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能,使加工精度得到进一步提高。4）可实现多工序的集中,减少了被加工零件在机床间的频繁搬运。自动化带来的效果(可以自动更换刀具) 。在工件装夹好后,可实现多工序的加工。现已出现其他工序集中的机床。

9、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,在配备多种传感器条件下,计算机威力的体现,可以实现白班有人看管和作好充分准备工作,使得二班、三班在无人条件下进行自动加工,工人只工作8小时,而机床可工作24小时。因此带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。此外,机床数控化还是推行FMC(柔性制造系统)以及C IMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。下次从三个环节介绍普通机床的数控化改造。第三章：机床数控化改造的条件：(1).数控机床属于高精度机床,工件移动或刀具移动的位置精度要求很高,必须在0001001mm之间,高的定位精度和运动

10、精度要求原有机床基础件具有很高的静刚度和动刚度(2) 机床数控改装的总费用合适,经济性好。机床数控改装分两部分进行:一是维修机械部分。更换或修理磨损零件,调试大型基础零件,增加新的功能装置,提高机床的精度和性能,另一方面是舍弃原有的一部分进给系统,用新的数控系统和相应的装置来替代。改造总费用由机械维修和增加的数控系统两部分组成。若机床的数控改造的总费用仅为同类型车床价格的50% 60%时,该机床数控改造在经济上适宜。第四章：如何进行机床数控化改造： 4.1：数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在

11、普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是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。 4.2：数控系统的选择1） 采用PLC实现数控改造在一些印刷、包装等对定位精度要求不是太高的场合，以及一些生产线控制场合，可采用通过PLC完成数控改造任务。此时采用的是通用型PLC，而不是数控专用型如FANUCPMC等。目前通

12、用型PLC功能已经很强大，包括定位模块，A/D、D/A、I/O模式，可实现许多工控场合的功能。2）商用CNC(PLC)、伺服系统进行改造这种方式是目前流行的改造模式。数控系统制造商提供愈来愈方便的调试方法和工具软件，以方便机床厂和改造商。调试软件主要包括伺服系统适配、梯形图和机床参数。CNC制造商一般会提供光盘和调试手册。如西门子公司在出售其经济型数控802D时，会免费提供调试CD盘以及SINUMERIK 802D简明调试指南。美国A-B公司在销售9系列CNC时，会让用户购买ODS(offline development system)软盘及手册。该ODS可在个人计算机上进行梯形图开发、机床参

13、数设置、零件加工程序编辑等，通过232口和CNC通讯。3） 选择工控机进行数控改造不仅是金属切削机床等的数控改造，也包括过程控制、顺序控制等工控场合，可利用工控机的可靠性，选择合适工具软件或自己开发软件进行改造。90年代初期，我们曾用STD工控机和4套直流伺服系统，自己开发软件改造国产5040数控铣床。工业控制计算机采用3台8088 CPU STD计算机组成。由通讯接口连接起来。每一台STD计算机均由若干模板组成。作为分布计算机数控的硬件支持。4）选择PC-based CNC PC-based CNC是开放式数控目前的实现方式。但距真正意义上的开放式数控还有很远距离。目前，对于“开放式结构”仍

14、没有一致定义。某些用户认为开放式表示能够接受当地使用的通信协议；而另一些用户认为开放式意味着所有控制器操作界面完全一致。对机床应用工程师而言，开放式意味着对刀架移动、传感器和逻辑控制有标准的输入/输出接口。对大公司和大学的研究工程师来说，开放式意味着以上所有这些均来自随即拿来就用的积木块。由于来自用户和集成商的压力，开放式结构的开发正在向前发展并将继续下去。目前的一个积极成果即是基于个人计算机的CNC，即PC-based CNC。目前的具体实现，其硬件组成是个人计算机加运动控制卡。软件组成主要是计算机软件平台(如WIN，DOS)加数控系统软件。美国Delta Tau公司的PMAC多轴运动控制卡

15、的开发在这方面走得更快一些，已开发出PC总线、VME总线、STD总线的PMAC卡。整个运动控制由PMAC独立完成。主机上运行的软件仅为一个开发环境，负责显示、调试、零件程序编制、通讯等。PMAC运行时前台负责坐标轴运动控制，后台负责PLC。采用美国 MOTOROLA 56001 DSP作为CPU，可接直流、交流、步进电机。反馈元件可采用增量/绝对编码器、旋转变压器、光栅尺等。另一种变通做法是在硬件和软件上参照个人计算机结构，但已有了变化。比如西门子840D，按照目前MMC、CNC、PLC三位一体的数控控制机模式，在MMC上完全是一台标准的IPC工控机，但操作系统用的是Flex OS。CNC、P

16、LC集中在NCU中，外围接口包括主轴、进给模块，I/O口等。840D和驱动611D之间连接通过总线进行(802D中开始使用现场总线profibus)，更贴近计算机的信息传递方式。另外，由于采用操作系统Flex OS，其操作界面跟普通的个人计算机非常相似。上面举的PMAC运动控制卡和西门子840D等，他们在基于个人计算机的CNC方面做了许多工作，但是距离真正的开放式还有许多路要走。理想的模式应该是工控机+实时操作系统开发环境数控函数库的模式。数控控制软件应该是可以装配的，装配的对象是数控函数库中的库函数。开发环境给用户提供开发工具，将库函数纳入到实时操作系统中去。这样一来，就象是PLC程序的开发

17、从CNC 制造商转移到机床厂、数控集成商一样，数控系统的形成亦可以从CNC制造商转移到机床厂、集成商，甚至最终用户。这才是最终意义上的开放式CNC 4.3：主轴的改造 目前，数控机床的主传动电机已经基本不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的 主轴部件直接带动工件或刀具参加切削运动，它除承受本身重量外，还需承接较大的切削载荷，主轴本身的刚性和旋转精度以及支撑的刚性都将直接影响零件的加工精

18、度,因此主轴部分的数控改造，首先应保证本身的刚性以及修复和提高本身的旋转精度。对于中、小型机床主传动多数采用普通交流电机，其变速通过主轴箱，获得不同速度,满足加工要求，由于机械档数一般较多，使变速箱结构复杂，体积庞大，对于零件加工精度会产生不良影响。因此为提高加工精度,实现主轴自动无级变速,在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统,从而不需进行机械换档。而且，工业用电压无法保持在额定水平，会有一定的波动采用交流变频电机和变频器，可以把证主轴转速的大致恒定，从而进一步提高加工精度。 针对机床要求具有螺蚊切削功能,在主轴部位安装主轴转速编码器，须配置主轴编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车

19、床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化的信号。主轴编码器一般采用同轴安装或异轴安装，异轴安装较同轴安装复杂，须配置一对齿轮或同步耻形带，但可加工穿出车床主轴孔的零件。主轴编码器传动用轴套连接，对连接件制造精度及安装要求较高，否则同轴度误差的影响会引起主轴编码器发生偏扭而造成信号不准，严重会损坏编码盘。但为保证主轴与有一定扭矩，应在主轴除留有一级齿轮变速。主传动改造除变速箱外，还需考虑轴承。由于普通机床主轴支撑多是滚动轴承或滑动轴承,改造时,对于小型机床多选用高精度轴承来替换原轴承， 对大、中型机床可改用静压轴承。4.4：进给轴的改造加工出符合要求的零部件,对进给传动的要求一般为:高精度,即高的定

20、位精度和重复定位精度以及加工零件的综合精度;高品质,即响应快,频带宽,动静态速降小,调速范围宽;高速度,即能快速定位,以提高效率;大功率,即能输出大的力矩和功率,以满足加工要求。进给传动机械部分改造主要是提高运动部件的灵活性,减小或消除传动间隙,特别是减小反向间隙,通常改造部件为导轨副、进给箱和横向及纵向进给部件等。普通机床导轨多采用滑动导轨,由于其摩擦系数随速度变化而变化,摩擦损失大,在低速时易出现爬行现象,直接影响运动部件的定位精度。因此在改造时可以将滑动导轨改为滚动导轨或静压导轨,或者导轨采用粘接软带。前者改造工作量大,改造费用较多,后者改造工作量小,周期短,费用少。普通机床进给箱多为齿

21、轮结构,随着进给运动变换级数的增多,不仅进给箱结构复杂,而且反向间隙增大,降低了反向精度,因此进行数控化改造时,往往是取消原进给箱,或换成仅一级减速的进给箱,而且用无键连接。机床进给传动链中,需将旋转运动变成直线运动,普通机床常采用普通丝杠虽有许多优点,但其摩擦阻力大,传动效率低(= 0. 200140) ,动静摩擦系数相差大,在低速时容易出现爬行,而数控机床要求进给部分的移动元件灵敏度好,精度高,反应快,无爬行。采用滚珠丝杠副可能满足要求,滚珠丝杠副的特点为:传动效率高(= 0. 920196) ,摩擦损失小,使用寿命长;滚动丝杠副属滚动摩擦,摩擦阻力小,动、静摩擦系数非常接近,故运动平稳,

22、无爬行,传动精度高;滚珠丝杠副经预紧后,可消除螺纹间隙,反向时没有空程死区,反向定位精度高。但要注意的是立试轴，如立式铣床的Z轴，犹豫滚珠丝杠副无法自锁所以要在起后方加挂配重以保证工件或主轴不会因重力而自行移动。4.5：刀架部分的改造数控机床的出现对提高生产率、改进产品质量以及改善劳动条件等已经发挥了重要的作用。为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的方向发展。在这类多工序的数控机床中，必须带有自动换刀装置。实际上，数控车床上的回转刀架就是一种最简单的自动换刀装置。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具存储量、刀库占地面积小以及安全可

23、靠等基本要求。拆除原方刀架,安装自动刀架或是刀库库，对于刀架而言，一般用于车床，小型和中型可选用四方刀架，大型的可选用八方刀架或刀库。而铣床建议使用链式刀库，因为链式刀库,装刀数量多，而且寻刀速度快。4.6：润滑部分的改造对于润滑部分普通机床的润滑就可以，要是想进一步数字化可以把手动润滑泵改为电子润滑泵有CNC及PLC控制4.7：机床防护数控机床在外观上与普通机床的最大区别在于安全防护，数控机床外都有一层防护板主要是保证操作者的安全，如在加工铸铁工件时由于铸铁件的特性加工时会导致铁屑飞溅，尤其是数控机床的高速加工，所以在数控机床的外层都有防护，所以在改装普通机床是也应该考虑在呢，观察部分用可用

24、透明树脂材料，而其余部分可用铝板或薄铁板。4.8：电气部分的改造由于普通机床主要是通过操作者的操作来进行加工，所以其电气部分非常少，而数控机床则大大相反，所以为其准备一个配电柜是一定的，建议采用正规数控系统。国内主要使用日本FANUC系统或是德国的SIEMENS的系统，而对于经济型的也可用国产系统，或是单片机来代替主系统。控制系统现在主流的一般采用PLC（可编程控制器）来进行控制，PLC具有很多的优点，如灵活、通用，控制功能改变，只要改变软件及少量的线路即可实现。可靠性高、抗干扰能力强，硬件方面：采用微电子技术开关动作由无触点的半导体电路及大规模集成电路完成，CPU与输入输出之间，采用光电隔离

25、措施，隔离了它们之间电的联系。软件方面：有自身的监控程序，对强干扰信号、欠电压等外界环境定期检查，有故障时，存现状态到存储器，并对其封闭以保护信息；监视定时器WTD，检查程序循环状态，超出循环时间时报警；对程序进行校验，程序有错误进输出报警信息并停止执行。使用简单，采用自然语言梯形图语言编程方式，编程容易，更改方便。输入输出接口可以与各种开关、传感器、继电器、接触器、电磁阀连接，接线简单。功能强、体积小，纵向PLC不仅可能完成各种条件控制，还能完成模/数、数/模转换并进行数字运算，可以完成对模拟量的控制；横向可以控制一台至几台设备，还可实现远距离控制；重量轻，体积小，便于安装。主轴与进给部分控

26、制,对于中、小机床,主轴保持原有系统,则电气部分改造集中对进给控制部分改造,数控系统主要任务是实现进给传动控制。此部分任务是确定控制方式、选择伺服系统和测量元件。数控系统控制方式基本上可以分为开环、闭环、半闭环三种方式。机床数控化改造选择哪种方式,需根据具体情况决定。一般小型机床或精度要求较 经济型的机床,多采用开环控制方式,大、中型机床多采用半闭环控制方式。在机床数控化改造中，经济型型机床多采用步进电机驱动系统,这种系统价格低、结构简单,但控制精度和速度低。在大、中型机床则多采用交流伺服系统,如HSV 11D交流永磁同步伺服驱动与伺服电机,根据企业的改造要求也可采用国内外各类模拟式伺服系统。位置测量元件是数控系统中的一部分,用来测量运动部件按指令值移动的位移量,并将其反馈给数控系统。目前,在数控机床中最广泛使用的为旋转型测量元件,其中光电脉冲编码器和旋转变码器得到广泛的应用。4.9：改装过程中的探讨与注意事项一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述