X5032立式铣床的数控化改造论文文档格式.docx
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首先,提高了生产效率。
原普通机床经过数控化改造后,就可以实现加工自动化,工作效率可以明显提高。
其次,性能更稳定安全可靠。
因为经改造的数控机床的各基础件经过长期工作,几乎不会产生因力变形而影响精度。
再次,可以为生产厂家节省资金。
普通机床的数控化改造和购买新的普通机床相比可以节省至少一半的资金,从大型和特殊设备上更能看出。
最后对于复杂的零件而言,难度越高,功效提高的越高。
且可不用或者少用工装不但费用节约了,而且还可以缩短生产的准备时间。
机床数控化改造后可以提高零件的加工精度和生产效率。
数控机床不但设计精度较高,而且加工精度还可以靠闭环控制系统的反馈来校正和补偿。
因此,可以获得较高的加工精度。
机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化,效率可比传统机床提高3~7倍。
传统机床靠凸轮或挡块等可实现刚性自动化,且只有进行大批量生产时才经济合算;
而数控机床只要更换一个程序就可以实现另一工件加工的自动化,从而使单件和小批量生产得以自动化,故称之为“柔性自动化”。
可实现多工序的集中,减少零件在机床间的频繁搬动,降低工件的定位误差。
这是自动化带来的效果,如加工中心在工件装夹好后,可实现钻、铣、攻螺纹、扩孔等多工序的加工。
这些工序是在同一基面、同一次装夹下实现的,提高了相关的加工精度。
拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能,更好地调节了机床加工状态。
还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。
数控加工降低了工人的劳动强度,节省了劳动力,减少了工装,缩短了新产品试制周期和生产周期,并对市场需求做出快速反应。
我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代,中国于1958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1958~1979年间为第一阶段,从1979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、台湾省共11国(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。
通过“六五”期间引进数控技术,“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”,我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。
但是国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力,究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。
我们应看清形势,充分认识国产数控机床的不足,努力发展先进技术,加大技术创新与培训服务力度,以缩短与发达国家之问的差距。
在20余年间,数控机床的设计和制造技术有较大提高,主要表现在三大方面:
培训一批设计、制造、使用和维护的人才;
通过合作生产先进数控机床,使设计、制造、使用水平大大提高,缩小了与世界先进技术的差距;
通过利用国外先进元部件、数控系统配套,开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床,供应国内市场的需求,但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。
至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑,不能独立发展,基本上处于从仿制走向自行开发阶段,与日本数控机床的水平差距很大。
存在的主要问题包括:
缺乏像日本“机电法”、“机信法”那样的指引;
严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人;
缺少深入系统的科研工作;
元部件和数控系统不配套;
企业和专业间缺乏合作,基本上孤军作战,虽然厂多人众,但形成不了合力。
我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代,通过“六五”期间引进数控技术,“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”,我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。
特别是最近几年,我国数控产业发展迅速,1998~2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。
尽管如此,进口机床的发展势头依然强劲,从2002年开始,中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国,2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元,国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显,70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。
由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力,究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。
高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。
数控技术的问世已有40多年的历史,它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。
论文总体思路
在充分调查研究和技术分析的基础上,利用数控改造成功经验和自己在机械、电气、数控技术等方面的理论及实践基础,完成X5032普通铣床的数控化改造。
改造后,该铣床具有数控化功能,较先进的自动化加工能力,加工精度、效率、质量稳定性得以提高和保证。
具体是:
增加主轴的正/反转、启动/停车CNC控制功能;
具有工进、快进、急停、显示行程、控制行程和报警及断电保护功能;
实现工作台的X、Y、Z三轴数控,三轴联动开环控制功能。
(1):
技术鉴定和了解机床的机械传动部分改前的几何精度、尺寸精度,电气元器件及线路老化状况,对改造工作起参考指导作用。
(2):
对数控系统进行分析选用,对步进驱动系统、步进电机、变频器、主轴电机进行选用。
(3):
绘制电气原理图、编写PLC程序,并进行仿真实验。
第1章机床数控改造及数控系统分析选用
数控系统一般分为硬件数控系统(NumericalControl简称NC)和计算机数控系统又称软件数控系统((ComputerNumericalControl简称CNC)两种。
计算机数控系统(CNC)是在硬件数控系统(NC)基础上发展起来的,是一种包含计算机在内的数字控制系统,是由专用计算机控制软件实现部分或全部功能的数控系统,它很容易通过软件来更改或扩充功能,CNC系统的逻辑控制,几何数据处理以及零件程序的执行由CPU统一执行。
1.1数控(CNC)系统的组成
如图1-1所示,数控(CNC)系统由微机部分、外部设备部分和机床控制等三部分组成。
图1-1数控系统组成框图
微机
微机是数控系统的核心,整个系统在微机的指挥下协调工作。
微机主要由微处理器(CPU),存储器(RAM,ROM)、和1/O控制电路组成,相互之间由数据总线、地址总线、控制总线联结。
CPU由运算器、控制器两个逻辑部件组成,功能就是运算和控制,是数控系统的核心部件;
控制软件(系统软件)是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件,它存放在计算机的EPROM内存中,可完成输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序等工作。
其中最重要的是控制零件程序的执行,这是CNC的核心,其他任务只是为了更好的完成这项任务。
随机存储器(RAM)主要用来存放工件加工程序、现场加工参数和提供系统的工作缓冲区。
1I/O接口电路
阳接口是指外围设备与CPU之间的接口电路,微机与数控外设之间传递信息的通道,其作用为将外设送往微机的信息转换为微机能接受的格式,反之也然。
它完成电平转换,数据缓冲,锁存及隔离功能。
一般情况下,外设与存储器不能直接通信,必须靠CPU传递信息。
通过CPU对110接口的读/写控制,完成外设与存储器之间的信息传递。
机床I/O控制
机床1/0控制是微机与机床联结的关键部件。
其功能特点有:
1.能够可靠的传送控制机床的动作信息并能输入机床当前的状态信息;
2.能进行相应的信息转换,即A/D与D/A之间,数字量与开关量之间的转换,满足CNC系统的输入与输出要求;
3.具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力,以提高系统的可靠性.最常用的方法是在I/O接口处增加光电隔离电路。
1.2数控(CNC)系统的分析选用
1数控系统选用方案确定
机床数控化改造,数控系统的选择对改造效果起到关键作用。
容易被接受的数控系统应具备良好的性价比、高的可靠性、强大的操作功能,以及良好的售后服务和市场供应性。
现在数控系统升级和功能拓展的可能性也是消费者着重考虑的问题之一。
经验证明,一套数控系统的使用寿命6一年,而近年随着电子技术的飞速发展,世界上名牌数控系统制造公司基本上3-5年内更换一代产品,6-8年的时间差不多有两代数控系统诞生,原数控系统若能随时升级或实现功能拓展,对消费者而言将是求之不得的。
数控系统的选择有多种方案,如全部自行设计、制作:
采用单片机或STD模块改制;
选用现成的数控系统作少量的适应性改动或配接。
在实际改造应用中,多采用以下两种方案:
一是数控系统能满足实际所需的功能,这时绝大多数都买现成产品的方案,因为自行设计制作.不但浪费时间,投资不一定会省,往往是投资更多,而且质量也不易保证,甚至可能失败;
二是没有现成产品实现所需的特殊功能,此时大多采用外购性能接近,性价比优良的数控系统,然后自行补充或修改,至少也是用STD模块和工控机制作,很少全部自行制作。
X5032普通立式升降台铣床的数控化改造,从功能上要保证主轴正反转控制,X,Y,Z三个进给轴数控联动,开环控制,加工平面类、槽类、凸轮等零件的要求来看,没有其他特殊功能要求,通用数控系统即可满足要求,市场上有多种类型数控系统可供选择。
为此在数控化改造时,从市场上购买现成数控系统,至少实现两轴联动,开环控制。
完成圆弧插补和刀具补偿等功能。
1数控系统的品牌选用
当前生产数控系统的公司厂家比较多,国外著名公司有德国SIEMENS公司、日本FANUC公司;
国内公司有华中数控公司、广州数控设备厂、中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、南京新方达数控、上海开通数控、南京清华通用数控工程、南京大地数控和沈阳高档数控国家工程研究中心等。
选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统,避免系统功能过剩,同时考虑到原车床的精度和改造的成本、周期、难易程度等各方面因素,决定采用以步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。
国产的经济型数控系统生产厂家较多,价格上虽有优势,但性能和稳定性稍差,所以决定采用国外的经济型数控系统。
各个数控系统生产厂家的数控指令格式差异较大,为了使改造后的车床能真正发挥其用处,最后决定采用西门子经济型数控系统,最终确定数控系统品牌为SINUMERIK802Sbaseline。
SINUMERIK802Sbaseline是专门为中国数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。
其结构紧凑,具有高度集成于一体的数控单元、机床操作面板和输入输出单元。
机床调试配置数据少,系统与机床匹配更快速、更容易。
并具有简单而友好的编程界面,保证了生产的快速进行,优化了机床的使用。
第2章电气控制系统的设计
SINUMERIK802Sbase1ine数控系统特点
SINUMERIK802Sbaseline数控系统集成了所有的CNC,PLC,HMI,I/O于一个单一的部件,其主要特点如下:
可独立于其他部件进行安装。
坚固而又节省空间的设计,使它可以安装到最方便用户的位置。
操作面板提供了所有的数控操作,编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器,同时还提供12个带有LED的用户自定义键。
工作方式选择(6种),进给速度修调,主轴速度修调,数控启动与数控停止,系统复位均采用按键形式进行操作;
SINUMERIK802Sbaseline的输入、输出点为48个24V的直流输入和16个24V的直流输出。
输出同时工作系数为0.5时负载能力可达0.5A。
为了方便安装,输入输出采用可移动的螺丝夹紧端子,该端子可用普通的螺丝刀来紧固;
SINUMERIK802Sbaseline可控制三个进给轴和一个伺服主轴或变频器。
提供脉冲及方向信号的步进驱动接口。
除三个进给轴外,SINUMERIK802Sbaseline还提供一个±
10V的接口用于连接主轴驱动;
SINUMERIK802Sbaseline的控制软件已经存储在数控部分的Flash.EPROM(闪存)上,Toolbox软件工具(调整所用的软件工具)包含在标准的供货范围内。
系统不再需要电池,免维护设计。
采用电容防止掉电引起的数据丢失。
程序的变化和新程序软件存储。
系统软件面向车床和铣床应用,并可单独安装。
在每一个工具盒中都包含有车床和铣床的PLC程序示例,以便用户能很快地调试完毕。
工厂里的技术人员能够很快地适应并且掌握SINUMERIK802Sbaseline的应用,快速地进行工业化生产,操作方便,而且很容易掌握。
数控系统各部分的连接及接口设计
2.2.1 系统的接线
SINUMERIK802Sbaseline数控系统连接如图2-1。
步进驱动STEPDRIVEC/C+和步进电机的连接如图2-4所示。
连接电缆必须使用屏蔽电缆。
在系统一侧,电缆内屏蔽层必须与插头中的金属壳相连,为了使模拟量的指令值信号免受低频信号的干扰,驱动一侧的屏蔽不能接地。
2.2.2 接口布置
数控系统连接如图2—1所示。
1.CNC部分
(1)X1电源接口(DC24V):
3芯孔式端子排,用于连接24VDC负载电源;
(2)X2通信接口(RS232):
9芯D型针式插座;
(3)X6主轴接口(SPINDLE):
15芯D型孔式插座,用于连接一个主轴增量式编码器(RS422);
(4)X7驱动接口(AXIS),50芯D型针式插座,用于连接具有包括主轴在内最多4个模拟驱动的功率模块;
(5)X10手轮接口(MPG),10芯针式端子排,用于连接最多2个电子手轮;
(6)X20高速输入接口(BERO),10芯针式端子排,用于连接NC.READY继电器和BERO接近开关。
2.DI/O部分:
(1)X100到X105,各为10芯插头,用于数字输入;
(2)X200到X201,各为lO芯插头,用于数字输出;
2.2.3PLC输入输出接口定义
SINUMERIK802Sbaseline在出厂时已经预装了“SAMPLE·
PTP”——集成PLC实例应用程序,我们在定义系统输入输出接口的时候,可以与厂家提供的PLC实例程序中的接口定义保持一致,这样在改造的过程中,我们就无需自编PLC程序,只需利用厂家提供的“SAMPLE·
PTP"
PLC实例程序就可以了,所要做的工作只是设定一下PLC机床参数。
本次改造的输入输出接口定义如表2—2所示。
图2—1数控系统接线图
2.2.4 接口连接
1、电源端子的连接(X1)
表2—2PLC输入输出接口定义
系统工作电源为直流24V电源,接到接线端子X1上。
其CNC一侧端子分配如表2—1所示。
2.通讯接口RS232的连接(X2)
在使用外部PC/PG与802Sbaseline进行数据通讯(WinPCIN)或编写PLC程序时,使用RS232接口,各引脚如图2-2所示。
其引脚1为屏蔽,其它引脚功能参见信号说明。
3.主轴测量系统的连接(X6)
X6作为主轴编码器接口使用,用于把主轴的旋转角度反馈给802Sbaseline,其引脚分配如表2-3所示。
所连接的编码器应为5V增量式编码器。
4.步进及主轴驱动器与CNC控制器的连接(X7)
X7用于将步进驱动器及主轴驱动器同CNC控制器相连,接口分配见表2—4所示。
图2-2通讯接口RS232与CNC的连接
信号说明:
RXD—数据接收TxD—数据发送RTS—发送请求
CTS—发送使能DTR—备用输出DSR—备用输入M—接地
表2-1电源端子X1端子分配
端子号
信号名
说明
1
PE
保护地
2
M
0V
3
P24
直流24V
表2—3插座X6的引脚分配
图2-3数控系统接口布置图
表2—4X7接口
图2-4步进驱动连接图
5.手轮接口(X10)
通过手轮接口X10可以在外部连接两个电子手轮。
X10有10个接线端子,引脚说明见表2-5。
表2-5手轮接口X10
6.高速输入接口(X20)
通过接线端子X20可以连接3个接近开关,其引脚说明见表2-6。
表2-6高速输入借口X20
第3章可编程控制器(PLC)
数控机床上的两类控制信息
第一类信息,由CNC控制机床进给运动坐标轴的位置信息,即数字量信息称为数字控制。
对于三坐标数控机床是控制X,Y,Z轴的移动距离,同时还有各轴运动之间的关系、插补、补偿等的控制;
第二类信息,由PLC(ProgrammableLogicController)完成的开关量信号顺序控制。
数控机床运行过程中.以CNC系统内部机床上各行程开关、传感器、按钮、继电器等的开关量的信号为条件,并按着预先规定的逻辑顺序,对主轴的开停、正反转换向,工件的夹紧、松开,液压、冷却、润滑系统的运行控制。
3.2SINUMERIK802Sbaseline数控系统的PLC控制技术
数控机床上所用PLC分为两种:
内装型(BuiltinType)PLC和独立型(Stand-aloneType)PLC。
内装型PLC是专为实现数控机床的顺序动作控制而设计的,从属CNC系统,PLC与CNC之间的信息传递是在CNC系统内部而实现的。
而独立型PLC有规范的输入/输出(I/O)信号接口技术,I/O点数。
程序存储量,以及运算机控制功能均满足数控机床的要求。
CNC,PLC及MT之间的信息交换
SINUMERIK802Sbaseline系统中的PLC属于内装型,其同样从属于CNC,PLC与NC间的信号传递在CNC装置内实现,PLC与MT(即机床)侧通过CNCI/O接口电路信号传送实现。
CNC,PLC与MT三者之间信息输入输出(I/O)有四个部分组成:
1.CNC-PLCCNC送到PLC的信息可由开关量输出信号完成,也可由CNC直接送入PLC的寄存器。
其主要信息包括M,S,T等功能代码,手动/自动方式信息。
如机床的开关功能,M03/M04(正/反转)、冷却液开停(M08/M09)等,这些功能的处理都是由PLC将译码处理后的M,S,T等指令作必要的交换,输送给机床,用以控制机床上的相应电器、开关或其他执行元件。
2.PLC-MTPLC通过I/O接口向机床侧传递的信息主要是控制机床的执行元件,如电磁阀、继电器、接触器以及确保机床各运动部件状态的信息和故障提示等。
3.MT-PLC机床侧的开关量信号可通过PLC的开关量输入接口送入PLC中,主要信息有机
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