CA6132普通车床数控化改造2.docx
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CA6132普通车床数控化改造2
中国石油大学(华东)
硕士学位论文
以6132普通车床数控化改造
姓名:
郡细林
申请学位级别:
硕士
专业:
机械工程
指导教师:
韩彬;林传宏20090401
摘要
应用成熟的数控技术理论和成功经验,以低廉的成本对普通旧机床进行数控化改造,可以恢复甚至提高原机床的精度,适应工业高速跨越式发展的要求,为此机床数控化改造在国际国内作为新的经济增长行业获得了很大的发展。
本文以CA61犯机床为研究对象,对该机床进行了数控化改造,主要研究内容如下:
对数控伺服系统的工作原理进行分析研究,简单介绍了数控化改造过程中数控系统的选型,分析研究了CA6132机床的数控化改造方案,重点介绍了本课题采用的GSK980TD系统。
根据机械、动力学及电气设计原理,采用交流电机变频调速,对数控机床的主传动系统进行了设计和校核。
根据进给系统的要求,对切削力和滚珠丝杠进行了计算,并选配了合适的齿轮和进给电机。
对CA61犯车床电气控制部分进行了PLC设计,绘制了主轴及伺服系统的梯形图,编制PLC可编程控制器工作程序;给出整机电气线路改造方案。
对改造后的车床精度进行了恢复,并给出伺服系统典型部件改造方案。
数控化改造后的机床实际应用效果良好,取得了良好的加工质量和经济效益。
此次研究,为企业技术人员实现传统CA6132型车床数控改造提供了行之有效的科学方法,对于企业其它传统设备的技术改造也有借鉴及参考价值。
关键词:
数控改造;伺服系统;PLC;CA61犯车床
NumericalcontrolinnovationofCA6132commonlathe
飞恤nXi一lin(Mech痴calEngineering)
DirectedbyIlanBinLinChuan一hong
Abstract
ColnPuterNumericalControl(CNC)machinetools,innovationwasconductedbyapplicationsophisticatedCNCtechno10gytheory,success细exPerienceandlowcost.Theaccuracyoftheoriginalmachinecanberestoredorevenimproved,50thatitcanbeadaptedtoindustrialrequirementsofhigh一speeddevelopmenibyleapsandbounds.CNCmachinetools'innovationwasgreatlydevelopedasanewintemationalanddomesticeconomicgrowthindustry.Inthispaper,CNCmachinetools,innovationprograms,tec俪calrouteand50onwasanalyzedtakingCA6132commonmachineasresearcho场ects,Allthecontentsareincludedasfollows:
ThemotionprincipleofCA6132lathewasanalyzed;ItwasbrieflyintroducedtheselectionofnumericalcontrolsystemduringCNCmachinetools,innovationandemphaticallyintroducesGSK一CTLSeriesCNCSlidingUnits.AccordingtotheprinciplesofMecllanics,D邓amicsandElectronics,themaindrivesystemofNCmachinetoolllasbeendesignedusingACmotorspeedconirolbyvariablefrequency.ThesPindledrivesystemhasbeendesignedandchecked.Inaccordancewiththerequirementsoffeedingsystem,thecuttingforceandtheballserew15calculated,andequlppedwithaPpropriategearandfeedmotor.Theelectrical一controlpartsoftheCA6132lathe15design己dbyusingPLC.ThetrapezoidalfiguresofthesPindleandtheservo一ys把msareg主ven.TheprogramsofthePLCareprogrammed.Areformingprojectofwh01eelectricpartsisgiven.TheaccuracyoftheNCmachinewasrestored,AreformingprojectofthetyPicalpartsoftheservo一system15given.AfterCNCmachinetools,innovation,thelathehasagoodaPplicationeffect,andachievedgoodprocessingqualityandeconomicbenefit.
TheresearchofferfacilitytechniciansinenterprisesnotonlyascientificefficientWayofrealizingNCreformoftraditionalequipments,butalsosomereferencesandlessonsofotherkindsof加dltionalfacilities.
Keywords:
NCreforln;Servosystem;PLC;CA6132lathe
独创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果,论文中有关资料和数据是实事求是的。
尽我所知,除文中已经加以标注和致谢外,本论文不包含其他人己经发表或撰写的研究成果,也不包含本人或他人为获得中国石油大学(华东)或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。
若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。
学位论文作者签名:
日期:
呷年期乡旧
关于学位论文使用授权的声明
本人完全同意中国石油大学(华东)有权使用本学位论文(包括但不限于其印刷版和电子版),使用方式包括但不限于:
保留学位论文,按规定向国家有关部门(机构)送交学位论文,以学术交流为目的赠送和交换学位论文,允许学位论文被查阅、借阅和复印,将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。
保密学位论文在解密后的使用授权同上。
学位论文作者签名:
指导教师签名:
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中国石油大学(华东)工程硕士学位论文
第一章绪论
1.1课题产生背景
随着社会生产和科学技术的迅速发展,机械产品的性能和质量不断提高。
产品的更新换代也不断加快。
因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率,而且应能迅速地适应产品零件的变换,生产的需要促使了数控机床的产生。
数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动进行的机床。
随着微电子技术,特别是计算机技术的发展,数控机床迅速地发展起来。
尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题,能够稳定加工质量和提高生产率。
但是目前我国在役机床总量约380万台,其中数控机床总数只有n万多台,数控机床占有率不足3%,而一些工业发达国家早己达到20%以上川。
我国是制造大国,但不是制造强国。
机械制造业水平与发达国家相比相对落后,设备陈旧,技术水平差距大,国际竞争力弱,影响了生产力的发展。
逐步提高数控机床的占有率,已经成为我国制造技术发展的总趋势。
提高机床数控率有两个途径:
一是增加新的数控机床,价格昂贵,一次性投资大,目前各企业均有大量的普通机床,完全用数控机床替代是根本不可能的;二是对旧机床进行数控化改造。
我国是一个机床拥有量极大的国家,但大部分机床服役龄较长,采取对旧机床进行改造来提高设备的先进性和数控化率,是一个极其有效和实用的途径,是企业必走之路l2]。
制造技术和自动化水平的高低己成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志,而其中最具代表性的就是数控机床。
我国现正处于从以劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主的发展阶段,对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。
利用现有卧式车床,通过数控化改造,使其成为一台高效、多功能的数控车床,是一种盘活资金的有效途径,也是低成本实现自动化的行之有效的方法。
因为一方面我国卧式车床保有量大,要将卧式车床淘汰掉是不经济、也不现实的做法;另一方面,从我国目前生产状况来看,仍然以生产卧式车床为主,卧式车床的数控化改造将会长期存在,并会不断的发展。
因此,立项对现有的普通卧式车床进行数控化改造。
项目名称:
CA6132普通车床数控化改造。
项目来源:
胜利高原汇森公司。
项目任务:
利用数控技术改造CA6132普通车床,使之具备高精度、高效率的性能,
第一章绪论
能够加工形状较复杂的典型的二维回转形体零件,加工精度及效率比普通卧式车床得到大幅度提高,有效降低操作者的劳动强度,缩短我国与国外在制造业上数控水平的差距。
1.2机床数控改造意义
数控机床比传统机床有突出的优越性,这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的控制能力。
l)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。
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、柔性化,从而效率比传统机床提高3一7倍。
3)加工零件的精度高,尺寸分散度小,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,一次装卡长时间无人看管加工。
同时降低了操作者的劳动强度,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,可对市场需求作出快速反应等等。
此外,机床数控化还是推行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。
数控技术己经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
1.3普通车床数控化改造的研究现状
1.3.1数控系统的类型
在普通机床的数控改造中,应根据不同的工况和用户要求,来确定是自行开发数控系统还是选用市场上现有的数控系统。
自行开发数控系统大多采用MCS一51系列的单片机组成的应用系统。
在现有数控系统的选用上,首先选用较为成热的CNC系统。
如FANUC数控系统,它以高质量、低成木、高性能、较全面的功能,适用于各种机床和生产机械,在市场的占有率远远超过其它的数控系统。
slEMENS数控系统,以较好的稳定性和较优的性能价格比,在我国数控机床行业被广泛应用[3]。
近年来国产数控系统发展迅速,如华中I型CNC系统,是由北京机床研究所和北京航空航天大学联合开发的一种通用的高性能CNC系统平台,在这个系统平台上毋需改变系统任何软、硬件结构,即可配置各种实用的CNC系统,适用不同类型数控的应用要求。
类似的国产系统还有航人I型、蓝天I型等l4]。
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综合目前市场上所用的数控系统,归纳为四种类型[5],改造时应根据具体情况进行选择。
1)传统数控系统
如FANIJCO系统、MITSUBISHIMso系统、SiemenS810系统等。
这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。
尽管也可以由用户做人机界面,但必须使用专门的开发工具(如Siemens的wS800A)耗费较多的人力,而对它的功能扩展、改变和维修,都必须求助于系统供应商。
目前,这类系统还是占领了制造业的大部分市场。
但由于开放体系结构数控系统的发展,传统数控系统的市场正在逐渐减小。
2)"PC嵌入NC”结构的开放式数控系统
如FANUC181、161系统、Siemens840D系统、Numl060系统。
这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术,又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。
它也具有一定的开放性,但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统,其体系结构还是不开放的。
因此,用户无法介入数控系统的核心。
这类系统结构复杂、功能强大,但价格昂贵。
3)"NC嵌入PC”结构的开放式数控系统
它山开放体系结构运动控制卡十PC机构成。
这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU,具有很强的运动控制和PLC控制能力。
它本身就是一个数控系统,可以单独使用。
它开放的函数库供用户在W困DOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。
因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于自动化控制各个领域。
如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC一C数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等。
4)SOFT型开放式数控系统
这是一种最新开放体系结构的数控系统。
它提供给用户最大的选择和灵活性,它的CNC软件全部装在计算机中,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部1/0之间的标准化通用接口。
就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CD一ROM和相应的驱动程序一样。
用户可以在WINDowSNT平台上,利用开放的CNC内核,开发所需的各种功能,构成各种类型的高性能数控系统,与前几种数控系统相比,SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比,因而最有生命力。
其典型产品有美国MDsl公司的OpenCNc、德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。
我国的数控技术经过从“六五”一直到“十五”长达20多年的发展,基本上掌握3
第一章绪论
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。
“八五”攻关开发的华中I号、中华I号、航天I号和蓝天I号四种基本系统,建立了具有中国自主版权的数控技术平台。
具有中国特色的经济型数控系统经过这些年来的发展,有了较大的改观。
产品的性能和可靠性有了较大的提高,它们逐渐被用户认可,在市场上站住了脚。
如上海开通数控有限公司的KT系列数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的KND系列数控系统、广州数控设备厂的GSK系列数控系统等。
这些产品的共同特点是数控功能较齐全,价格低,可靠性较好。
我国的经济型数控机床市场,也吸引了大量国内外厂商,近几年,siemens公司推出8025数控系统,大连大森公司用OEM方式引进了日本OHM公司的ONC2102数控系统。
上海开通数控有限公司经过“七五”、“八五”期间的数控技术引进消化吸收和技术改造,初步建立了数控系统和交流伺服驱动系统的开发、生产基地,具有一套较完整的生产试验设备和质量保证体系。
综上所述,一般用户都采用厂家成型的配套产品,从硬件设计到软件开发直至调试,都由专业厂家服务,投入费用也逐步下降,使得数控技术得到广泛应用,延长了设备技术寿命,提高装备水平。
13.2数控改造的类型
普通车床数控化改造大致可分为下列三种类型:
l)普通车床所有功能部件保留型
这种结构是由数控系统、伺服驱动、伺服电机、原有普通车床各功能部件及电动刀架等组成。
该结构横向、纵向均采用伺服电机驱动。
横向的伺服电机用电机座固定在床鞍的后端面上,通过一对同步带轮将运动传给普车原有横向丝杆副,实现横向快移和进给。
纵向的伺服电机用电机座固定在进给箱的左端,通过联轴器将运动传给普通车床进给箱,变换普车进给箱上的手柄,使运动传给普车原有纵向丝杆,这时闭合开合螺母,实现纵向快移和进给。
这种数控化改造结构保留了原普通车床的所有功能。
如要还原普通车床,只须拆下纵向电机座和电动刀架,装上挂轮部件和普通刀架即可。
此结构因利用了普通车床原有功能部件,新增零件较少,改造费用低廉,改机工作量较小。
改造后,不仅能保持原有机床的精度,而且能大大提高所加工零件尺寸的一致性。
因未更换丝杆,车床的各项精度取决于原有车床的精度,适用于对零件进行粗加工161。
这种改造形式在普通车床数控化改造初期曾被采用,现因精度难以保证,较少采用。
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中国石油大学(华东)工程硕十学位论文
2)普通车床部分功能部件保留型
这种普车数控化改造是将普车的挂轮、进给箱、溜板箱、三杆、托架及横向丝杆副等尽皆拆除,然后安装纵向、横向滚珠丝杆组件、数控系统、驱动装置和驱动电机,根据用户要求可以加装全防护或半防护装置。
因更换了滚珠丝杆,如果床身导轨磨损了,则必须重新磨削导轨,这样才能保证纵向丝杆与导轨的平行以及纵向滑板运动的顺畅。
但因为每台机床外形各异,在改造时,要对每台机床的有关尺寸仔细测量,然后才能设计横向、纵向丝杆装配图以及防护装配图。
这样改机,机床的精度可以得到保证。
但设计工作量较大,改机周期较长。
适合于距离较近、能较长时间停机的用户改造l7]。
3)采用GSK一C孔系列数控滑台机构改造型
GsK-CTL系列数控滑台,是广州数控针对多种规格的卧式车床,在积累了多年的机床数控化改造的基础上,设计出的一种新型的用于车床数控化改造的机构,并经过多次改进,追求精益求精的设计及工艺方案。
并申请了国家专利,受专利法保护。
该机构只需借助原机床导轨作为基础,配上广州数控生产的数控系统、驱动装置及电机便可方便地完成机床的数控化改造工作。
它的主要特点是:
积多年数控机床改造之经验,突破了传统机床改造之观念,方便、快捷、可靠。
吸收了斜床身式数控车床的优点,并采用贴塑导轨,Z向导轨全防护,进一步提高了机床的精度保持性及刚性。
克服了传统机床改造精度较低、可靠性较差、不耐用、周期相对较长的缺点;能快速、大规模地到现场改造,且不受距离远近的限制。
适合于对盘、套类零件进行加工。
1.3.3数控化改造国内外研究现状
美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业,美国、日本和德国等发达国家在大量生产数控机床的同时,还非常重视普通机床的数控化改造,机床改造正逐步从制造业中分化出来,并形成了把机床改造作为新的经济增长行业。
如德国的schiess公司在1981年把一台加工直径为19m的超重型立式车床改装成数控机床[s]。
在美国机床改造业称为机床再生(Remanufa以uring)业。
从事再生业的著名公司有:
Bertsche工程公司、州on机床公司、oevlieg一Bullavd(得宝)服务集团、us设备公司等。
美国得宝公司己在中国开办公司。
在日本,机床改造业称为机床改装〔Retrofiing)业。
从事改装业的著名公司有:
大喂工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
在我国大力发展机床数控化改造业,提高机床的数控化率,不仅可行,而且前景广
第一章绪论
阔。
如:
国防科技工业开展普通机床数控化改造“十五”期间计划改造1.2一1.6万台,目前已完成3000多台。
改造后生产效率提高约3倍,加工精度提高20%,与新购设备相比可节约资金50%以上[9]。
中国三江航天集团对具有改造价值的109台普通机床进行了数控化改造,取得了良好的效果【’0]。
中国兵器工业集团西南自动化研究所积极开发普通机床数控化改造技术,累计完成普通机床数控化改造2000余台fl’】。
自90年代开始,关于数控化改造的研究一直没有中断过,还有很多学者针对数控化改造的问题和改造过程进行了研究。
1,3.4数控改造的发展趋势
1)高速化、高精度、高可靠性
目前车床和车削中心主轴转速达到8000r/min,加工中心的主轴转速一般都在15000r/min一20000r/min,高的达到60000r/inin,切削进给速度般达到20而min,高的甚至达到60In/1llin,为充分发刀具材料性能、提高加工效率、降低加工成本,并且高加工精度和表面加工品质,数控装备将进一步向高速度或超高速方向发展。
近ro年来,在加工精度方面,普通级数控机床的加工精度己由士1印m提高到士5林m;精密级加工中心则从士(3一5)脚,提高到士(1一1.5)阿;超精密加工精度已开始进入纳米级(0.001卿)。
国外数控装置MTBF己达60000h以上,伺服系统MTBF达到30000h以上[,2],表现出非常高的可靠性。
2)柔性化、网络化、集成化
为适应制造自动化的发展,向FMC、FMS和CMS提供基础设备,要求数控系统不仅能完成通常的加工功能,而且还能够具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能,特别是依据用户的不同要求,可方便灵活地配置和集成。
3)工艺复合化
以减少工序辅助时间为主要目的的复合加工,正朝着多轴和多系列控制功能方向发展。
数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工,以减少非加工时间。
因为在零件加工过程中有大量的无功时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升降速上。
因此,复合功能的机床是近年来发展很快的机种,其核心是在一台机床上要完6
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成车、铣、钻、膛、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。
4)智能化、绿色化、安全化
为追求加工效率和加工品质方面的智能化,设备有自适应控制、工艺参数自动生成的功能:
为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,具有前馈控制、电机参数自适应运算、自动识别负载自动选定模型和自整定等功能;简化编程和简化操作方面的智能化,有智能化的自动编程和智能化的人机界面等功能;具有智能诊断和智能监控方面的内容,方便系统的诊断及维修;此外,还具有许多特别的智能功能,如加工运动规划、推理和决策能力,以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力(包括与人的交互)、智能编程、智能数据库和智能监控等1131。
随着全世界对环境问题的关注,“绿色制造”在全球兴起,相应的数控装备及其相关工艺的绿色、无公害化和更好的安全性受到人们的重视。
1.4课题研究目的及主要内容
1.4.1课题的目的
l)该课题的研究内容是为车床数控化改造提供理论和技术支持,确定改造方案和技术路线,对改造过程进行全方位指导。
2)通过与现代机床数控系统的综合比较,选择适合生产操作的数控化设备,而保持在原有机床功
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