机床数控化改造现状与设计实例.docx
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1、编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第1页 共44页第 1 页 共 44 页前言前言2005 年,我国数控金属切削机床生产 59639 台,进口 30746 台。除部分出口外,总消费数量约 85000 台。在生产的数控金属切削机床中,经济型数控机床占 60%以上(生产的数控机床中经济型数控机床占 89%到 90%),中档以上的数控金属切削机床不足 40%。2006年,我国机床工业的产值和销售收入保持较高的增长速度,其中数控金属切削机床产量快速增长,全年生产 85756 台,同比增长 32.8%,增幅高于金属切削机床产量增幅的
2、 18.4%。2007年1 月至10 月我国进口金属加工机床 57.06 亿美元,其中金属切削机床进口达41.98 亿美元,同比减少 8.18%,所占比例为 73.57%;成形机床进口达 15.08 亿美元,同比增长 5.68%,所占比例为 26.43%。专家认为,目前我国机床市场的需求结构已经发生了很大的变化,数控机床,特别是普及型数控机床将逐步成为市场主体。国内的机床制造企业在努力开拓高档机床的同时,一定要加速普及型数控机床产业化步伐。通过生产和进口数控机床并不能满足我国日益增长的制造业需求,而淘汰大型企业原有的大量普通金属切削机床不但会造成很大的浪费,而且会因为缺乏资金购买大量的数控机床
3、来填补淘汰普通金属切削机床后的机床空缺,造成停产。所以,目前数控化改造是适应我国制造也迅猛发展,资金短缺,旧有机床所占比例大的国情所需。据调查,现有的与机床数控化改造有关的书籍不多,在网上有关机床数控化改造的问题很多,但是多偏向于一些基本的改造常识和高级的改造技巧方面的问题。由于机床数控化改造涉及的知识面广,若没有专业知识的支持,改造后的机床在使用中会出现很多问题,进而造成事故;而且数控化改造的市场也会因此变得不规范。因此,数控化改造的规范化设计改造是非常迎合目前数控化改造市场的需要的。机床数控化改造主要是针对数控系统,伺服系统,辅助控制系统和液压系统的改造。由于数控机床本身是机,电,液一体化
4、,结构复杂的产品,因此在改造中是否按照准确的计算方法计算,是否按照规则,要求选择改造方案和元器件类型,是决定改造后机床性能,运行精度,加工质量和可靠性的关键因素。本书着眼于数控机床改造的具体实例,通过提供详细的计算公式,选择原则和选择方案,进一步说明了数控机床的改造方法。同时根据已有的改造案例总结改造中出现的问题,并说明相应的改造方法。编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第2页 共44页第 2 页 共 44 页第一章第一章 机床数控化改造概述机床数控化改造概述1.1机床数空化改造的必要性机床数空化改造的必要性1.1.1微观改
5、造的必要性微观改造的必要性从微观上看,数控机床同传统机床相比有如下突出的优越性,而且优越性都来自数控系统计算机的威力。1)可以加工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,可以准确的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)可以实现价格的自动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高 37 倍。由于计算机具有记忆力和存储能力,可以见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,从而使单件和小批量生产得以自动化,故被成为实现了“柔性自动化”。3)加工零件的精度高,尺寸分散小,使装配容易,不需要再“修配
6、”。4)可以实现多工序的集中,减少零件在机床间频繁搬运。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。由以上五条优越性派生的好处是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,缩短了新产品试制和生产周期,可对市场需求做出快速反应等。以上这些优越性是前人想象不到的,是一个极为大的突破。此外,数控机床还推行 FMC(柔性制造单元),FMS(柔性制造系统)以及 CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1.1.2宏观看改造的必要性宏观看改造的必要性从宏观上看,20 世纪 70
7、年代末,80 年代初,工业发达的国家的军,民机械工业一开始大规模应用数控技术。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。除在制作过程中采用数控技术。FMC,FMS 外,还在产品开发中推行 CAD,CAM,CAE,虚拟制造,在生产管理中推行 MIS(管理信息系统),CIMS 等,在其生产的产品中增加信息技术,包括人工智能等,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。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后 20 年。如我国机床拥有量中,数控机床的比例(数控化率)到 1995 年只有 1.9%,而日本在 1994 年已达到 20.8%,因此,每年都有
8、大量机电产品进口。这也是从宏观上说明机床数控化改造的必要性。1.2数控化改造的工作内容数控化改造的工作内容1.2.1数控化改造的内容数控化改造的内容机床与生产线数控化改造的主要内容有以下几点:1)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。编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第3页 共44页第 3 页 共 44 页2)NC 化。在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。3)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,对机械部分从新装配加工,恢复原精度;对其不满足生产
9、要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新。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。1.2.2数控化改造的优缺点数控化改造的优缺点(1)减少投资额,交货期短。同购置新机床相比,一般可节省 60%80%的费用,改造费用低,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 1/3,交货期短。但有些特殊情况,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,往往使成本提高 23 倍,与购置新机床相比,只能节省 50%左右。(2)力学性能稳定可靠,但结构受限。旧机床所利用的床身,立柱等基础件都是重而坚固的铸造
10、构件,而不是焊接构件,改造后机床性能好,质量高,可以作为新设备使用多年。但受到原来机械结构的限制,不宜做突破性的改造。(3)熟悉设备,便于操作维修。购买新设备可能不了解新设备是否满足其加工要求。改造则不然,可以精确的计算出机床的加工能力;另外,由于多年使用,操作者对机床特性早已了解,在操作使用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)可充分利用现有条件。例如可以充分利用现有地基,不必像购入新设备是那样需重新筑地基。(5)可以采用最新控制技术。可根据技术革新的发展速度,及时提高生产设备的自动化程度和效率,提高设备的质量和档次,将旧机床改成当今水平机床。1.2.3
11、数控系统的选择数控系统的选择1.数控系统的结构组成数控系统的结构组成数控系统一般由输入/输出装置,数控装置,驱动控制装置,辅助控制装置四部分组成,机床本体为被控对象,如下图所输入输入/输出装置数控装置驱动控制装置辅助控制装置机床本体输入装置的作用是将信息载体上的数控加工程序输入数控装置。输入的内容和状态可编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第4页 共44页第 4 页 共 44 页以通过输出装置观察。常用的输入/输出装置为操作键盘和 CRT 显示器。数控装置的主要功能是:接收加工程序信息,进行各种数据计算和逻辑判断处理,向驱动
12、控制装置传送各种指令信息。数控装置将数控加工程序按两类控制量分别输出:一类是连续控制量,送往驱动装置;另一类是离散的开关控制量,送往辅助控制装置从而控制机床各组成部分,实现各种数控功能。驱动控制装置位于数控装置和机床之间,它接收来自数控系统的指令信息,经功率放大后,严格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件,完成指令规定的动作。这包括进给轴伺服驱动装置和主轴驱动装置。进给轴伺服驱动装置由位置控制单元,速度控制单元,电动机和测量反馈单元等部分组成,它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令正确驱动机床受控部件。主轴驱动装置主要由速度控制单元控制。电动机可以是各种步进电机,直流伺服电机或交流伺服
13、电机。辅助控制装置也位于数控装置和机床之间,接收数控装置发出的开关命令,完成辅助动作。主要完成机床主轴选速,起停和方向控制功能,换刀功能,工件装夹功能,冷却,液压,气动,润滑系统控制功能和其他机床辅助功能。2.数控系统的选择数控系统的选择数控系统的选择应根据改造后要达到的精度,各种性能指标等选用性价比合适,技术先进的数控系统,当然还要考虑售后维修服务的便捷性。数控系统所具有的功能要与准备改造的数控机床所能达到的功能相匹配,尽量避免系统功能过剩,在一定程度上还可能潜伏下由于数控系统复杂程度增加而带来的故障率升高的隐患,要特别注意:要尽量向同一厂家的型号系列靠拢,这样既有利于维修和管理,也有利于备
14、件的购买;数控系统的选择主要根据数控化改造后要达到的各种精度,驱动电动机的功率和用户要求。目前,市场上生产数控系统的厂家很多,国外著名的如德国的 SIEMENS 公司,日本的FANUC 公司;国内的如武汉华中数控股份有限公司,广州数控设备厂。国内数控系统大体为经济型数控系统,中档数控系统,高档数控系统 3 种。经济型数控系统又分为开环和闭环两种。开环数控系统具有成本低,稳定性好的优点,在控制精度要求不高的机床数控化改造中多被选用。1.2.4控制系统的选择控制系统的选择1.步进电机拖动的开环系统步进电机拖动的开环系统该系统的伺服驱动装置主要是步进电机,功率步进电机,电液脉冲马达等。由该数控系统送
15、出的进给指令脉冲,经驱动电路控制和功率放大后,使步进电机转动,通过齿轮副与滚珠丝杆副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量,频率以及通电顺序,就可以控制执行部件的位移量,速度和转到方向。这种数控系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端,故称之为开环系统。该系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精度,齿轮丝杠等传动元件的节距精度,所以系统的位移精度较低。该系统结构简单,调试维修方便,工作可靠,成本低,易改装成功。2.异步电动机或直流电动机的拖动异步电动机或直流电动机的拖动,光栅测量反馈的闭环光栅测量反馈的闭环系统系统编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山
16、有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第5页 共44页第 5 页 共 44 页该系统与开环系统的区别是:由光栅,感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号,随时与给定值进行比较,将两者的差值放大和变换,驱动执行机构,以给定的速度向着消除误差的方向运动,直到给定值与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环系统在结构上比开环系统复杂,成本也高,对环境温度要求严,设计和调试都比开环系统复杂,但可以获得避开环系统更高的精度,更快的速度,驱动更大功率的特性指标。在改造过程中,可根据产品技术要求,决定是否采用这种系统。3.交直流伺服电动机拖动,编码器反馈的半闭环系统交直流伺服电动机拖动,编码器反馈的半闭环系统半
17、闭环系统检测元件安装在中间传动件上,间接测量执行部件的位置。他只能补偿系统环路内部部分元件的误差,因此,它的精度比闭环系统低,但是他的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电动机作成一个整体时,则无需考虑位置检测装置的安装问题。具体选择哪种数控系统,主要根据改造后机床达到的各种精度,驱动电动机的功率和用户的要求决定。1.2.5数控改造中主要部件的改装内容数控改造中主要部件的改装内容一台新的数控机床,在设计上要达到:有高的静动态刚度;运动副之间的摩擦因数小;功率大;便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置同普通机床连接在一起就达到了数控机床
18、的要求,还应对主要的部件进行相应的改造,使其达到一定的设计要求,才能获得预期的改造目的。(1)滑动导轨副。对数控机床来说,导轨除有普通车床导向精度和公益性外,还要有良好的耐磨擦,磨损特性,并减少因摩擦阻力而致的死区。同时要有足够的刚度,以减少导轨变形对加工精度的影响,以及合理的导轨防护和润滑。(2)齿轮副。一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度,数控机床上使用的齿轮精度等级比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动,因而改造时,机床主要齿轮必须满足数控机床的要求,以保证机床的加工精度。(3)滑动丝杠和滚珠丝杠。四个传动直接关系到传动精度。丝杠的选用主要取决于工件的精度要求和拖
19、动转矩要求。工件精度不高是时,可采用滑动丝杠,但应检查原丝杠的磨损情况如螺距误差,螺距累积误差以及相配螺母间隙。一般情况下滑动丝杠精度不应低于 6 级,螺母间隙过大就更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低,但难以满足叫高精度零件的加工要求滚珠丝杠摩擦损失小,效率高,其传动效率可在 90%以上;精度高,寿命长;起动转矩和运动时的力矩接近,可以降低电动机起动力矩。因此可满足较高精度零件加工的要求。(4)安全防护。改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施,切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件,工作时要严防灰尘,特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。床
20、鞍与滑动导轨接触的两端面要密封好,绝对禁止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。1.3机床数控化改造的现状机床数控化改造的现状1.3.1国外机床改造业的现状国外机床改造业的现状编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第6页 共44页第 6 页 共 44 页在美国,日本和德国等发达国家,他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。由于机床及其技术的不断进步,机床改造是个“永恒”的话题。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改造的新的行业。在美国,机床改造也称为机床再生(R
21、emanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche 工程公司,Ayton 机床公司,Develieg-Bullavd(得宝)服务集团,US 设备等。美国得宝公司已在我国开办公司。在日本,机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:大隈工程集团,岗三机械公司,千代田工机工司,野崎工程公司,滨田工程公司,山本工程公司等。数控技术正在发生根本性变革,由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上,数控系统实现了超薄型,超小型化;在智能化基础上,综合了计算机,多媒体,模糊控制,神经网络等多学科技术,实现了高速
22、,高精,高效控制,加工过程中可以自动修正,调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上,CAD/CAM 与数控系统集成为一体,机床联网,实现了中央集中控制的群控加工。以 FANUC 和 SIEMENS 为代表的数控系统生产商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中,除了传统的 RS232 接口外,还备有以太网接口,为数控机床联网提供了基本条件。1.3.2我国机床改造业现状我国机床改造业现状我国的数控系统以传统的封闭式体系结构为主。在传统的封闭式结构中,CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工前用手工
23、方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节,整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下,加工过程中的刀具组合,工件材料,主轴转速,进给速率,刀具轨迹,背吃刀量,步长,加工余量等加工参数,无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整,更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 的设定量,因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见,传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构,限制了 CNC 向多变量智能化控制发展,已不适应日益复杂的制作过程,因此,对数控机床实行改革势在必
24、行。1.3.3目前我国数控化改造市场的现状目前我国数控化改造市场的现状1.机床数控化改造的市场现状机床数控化改造的市场现状目前我国机床总量 380 万台,而其中数控机床只有 11.34 万台,即我国机床数控化率不到 3%。2000 年以来,我国数控机床年产量为 0.60.8 万台,年产值约 18 亿元,机床年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上;10 年以下的机床中,自动,半自动机床不到 20%,FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。国内传统旧有机床的数控化改造是一个潜力巨大的市场。2.进口设备和生产线的数控化改造市场进
25、口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来,很多企业从国外引进技术,设备和生产线进行技术改造。据统计,19791988 年 10 年间,全国引进技术改造项目就有 18446 项,大约 165.8 亿美元。这些项目中,大部分项目为我国经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第7页 共44页第 7 页 共 44 页原因,设备和生产线不能正常运转,甚至瘫痪,使企业的效益受到影响。一些设备,生产线从国外引进后,由于备件不全,维护不当,结果运转不良;有的引进时只注意引进设备,工艺,管
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