卧式数控加工中心数控系统改造设计及实现.pdf
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1、卧式数控加工中心数控系统改造设计及实现摘 要数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进装备,是机电综合技术在机械 加工领域中的典型产品,它是将计算机技术、自动控制、电气传动、测量技术、精密制造等多 项技术集中于一体的自动化设备,具有高精度、高效率、高自动化、高经济效益和高适应性的 特点。随着先进制造业的不断发展,对数控加工中心的数控系统进行全新设计及工程实现,已 经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。该文详细阐述了加工中心数控化设计及实现工程的过程。在分析原加工中心的数控系统、伺服系统、逻辑控制、机械结构的基础之上,采用FANUC OiMB数控系统来替换原有的MAHO CNC432数控
2、系统;采用FANUC交流数字伺服单元和伺服电机来替换原有的直流伺服单元和 伺服电机;采用FANUC交流数字主轴驱动模块和主轴电机来替换原有的直流伺服单元和直流 主轴电机;采用海德汉封闭式的光栅尺替代原有菲利普光栅尺;更换X、Y、Z轴滚珠丝杠;订 制保留直流电机的碳刷。对其进行了全新设计并根据机床的具体配置和要求,对机床参数进行 正确设置和调试,并实现了工程应用。本机床数控系统的设计主要完成的工作是:数控系统及伺服系统的选型、控制系统连接的设 计,外围接口电路的设计、PMC程序的设计,数控系统参数的设定,机械、电气部分的安装,机械、液压部分的修理和调整,整机的机械、电气的调试,机床的验收,资料归
3、档等。在完成 以上工作后,该机床的性能和精度完全能够满足我厂零件加工的高精度、高效率、高可靠性的 要求。使用该数控系统后对企业的加工对象进行了批量加工,运行状态良好,获得了较好的经 济效益和社会效益。关键词:卧式加工中心;数控系统;PMC控制;设计及实现卧式数控加工中心数控系统改造设计及实现AbstractCNC machine manufacturing industry in todays representation of mechanical and electrical integration of advanced equipment,electromechanical integ
4、rated technology in the field of mechanical processing of typical products,it is computer technology,automatic control,electrical drives,measurement technology,precision manufacturing,and other The technology focuses on one of the automation equipment,with high precision,high efficiency,high automat
5、ion,high-cost and high adaptability features.With the continuous development of advanced manufacturing,CNC machining centers for CNC system design and engineering to achieve a fresh,in front of us has become a pressing and arduous task.This paper describes in detail the design and CNC machining cent
6、ers to achieve the project process.In the analysis of the original machining center CNC system,servo systems,logic control,based on the mechanical structure,the use of FANUC OiMB numerical control system to replace the original MAHO CNC432 numerical control system;using FANUC Digital Servo unit and
7、a servo motor to replace the original DC servo unit and a servo motor;using FANUC AC Digital Spindle and spindle motor drive module to replace the original unit and DC servo spindle motor;closed by HEIDENHAIN Philip substitute the original grating grating;replace the X,Y,Z axis ball screws;custom br
8、ushless DC motors reserved.Its a new design and the specific configuration of the machine and requirements of machine tool parameters are set correctly and debugging,and implementation of engineering applications.The design of the CNC system is the major work done:CNC system and servo system selecti
9、on,the control system for design,external interface circuit,PMC program design,numerical control system parameter setting,mechanical,electrical parts Installation,mechanical,hydraulic part of the repair and adjustment,the whole of the mechanical,electrical testing,inspection machines,data archiving.
10、After completion of above work,the machines performance and accuracy can satisfy our plant for the manufacture of high precision,high efficiency,high reliability requirements.The use of the CNC machining business after the batch processing of objects,running in good condition,get a better economic a
11、nd social benefits.Keywords:Horizontal processing center;NC system;PMC Control;designing and fulfilling卧式数控加工中心数控系统改造设计及实现目 录摘 要.1Abstract.2目 录.3第1章绪论.11.1 课题研究的背景和意义.11.1.1 课题来源.1LL2研究意义.11.2 数控机床的历史和发展趋势.11.2.1 历史.1122国内研究现状.21.2.3 国外研究现状.2124数控机末的发碘势.31.3 生产现状.4L4数控系统设计的必要性.51.4.1 市场需求.51.4.2 数控系
12、统设计的必要性和迫切性.5143数控系统设计的内容.6L4.4数控系统设计的优点.61.5 本文章节安排.71.6 本章小结.错误!未定义书签。第2章总体系统的设计.82.1 加工中心结构分析.82.1.1 结构介绍.82.1.2 卧式加工中心控制系统的组成.112.2 数控系统的设计.112.3 伺服系统的设计.122.3.1 伺服系统工作原理.122.3.2 加工中心伺服系统的类型.132.4 接口连接设计.142.4.1 NC模块与其他部件的连接.142.4.2 其他部件的连接.14卧式数控加工中心数控系统改造设计及实现2.5 数控加工中心设计的可靠性与可行性.212.5.1 数控加工中
13、心设计的可靠性.212.5.2 数控加工中心设计的可行性.21第3章 控制系统的设计.233.1 SETTING参数的设定.253.2 轴参数的设定.253.3 行程极限的参数的设定.263.4 度的参数设定.263.5 力口减速控制的参数.263.6 伺服参数的设定.273.6.1 先进行伺服初始化设定.27362相关伺服参数设定.283.7 主轴相关控制参数的设定.29第4章软件的设计.304.1 FANUC可编程机床控制器简介.304.1.1 PMC控制程序数据区地址的分布.324.2 PMC的程序编制.34421点数的确定及地址分配.344.22 PMe程序的设计.37第5章机床的调试
14、与分析.605.1 机械部分的调整.605.2 数字伺服系统的调试.615.2.1 增加N脉冲抑制功能.615.2.2 250ps力口速度反馈功能.635.2.3 机械速度反馈功能.63524象限过冲的调试.645.3 系统调试.74总结.77设计实施技术工作.77数控系统设计.77小结与展望.78参考文献.79攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果.错误!未定义书签。致 谢.错误!未定义书签。第1章绪论第1章绪论1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 课题来源MAHO 600卧式加工中心是我厂99年从国外引进的一台二手数控加工设备,为德 国MAHO公司(现与其他公司合并为DMG公司)八十
15、年代初期的产品,具有四个全闭环 控制的坐标融X、Y、Z、B和两个交换工作台以及一个容量为24把刀的刀库,一次装 夹能完成多面加工,加工精度和效率比较高,被列为我厂的关键设备,在航天元件加工 中起重要作用。1.1.2 研究意义由于卧式加工中心在航天机加工艺中的独特地位,同时考虑到该机床的功能较齐 全,主要功能部件完好,刚度高、机械精度的保持性较好,因此对该机床实施技术改造 比报废更新一台同等规格的卧式加工中心更为经济合理。在对原机床的技术状态进行仔 细分析后,制订了以下改造方案:采用先进FANUC OiMB数控系统来改造原有的MAHO CNC 432数控系统:采用FANUC交流数字伺服单元和伺服
16、电机来替换原有的直流伺服 单元和伺服电机;采用FANUC交流数字主轴驱动模块和主轴电机来替换原有的直流伺 服单元和直流主轴电机;采用海德汉封闭式的光栅尺替代原有菲利普光栅尺;更换X、Y、Z轴滚珠丝杠;订制保留直流电机的碳刷。本机床技术改造的主要完成工作是:数 控系统及伺服系统的选型、控制系统连接的设计,外围接口电路的设计、PMC程序的 设计,数控系统参数的设定,机械、电气部分的安装,机械、液压部分的修理和调整,整机的机械、电气的调试,机床的验收,资料归挡等。在完成以上改造后,该机床的性 能和精度达到或超过原机床,完全能够满足我厂航天机加零件高精度、高效率、高可靠 性的要求,而且改造总费用控制在
17、同档次进口机床价格的四分之一以内。1.2 数控机床的历史和发展趋势1.2.1 历史数控机床是机电综合技术在机械加工领域中的典型产品,它是将计算机、自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术集中一体的自动化设备,具有高精度、高效 率和高适应性的特点。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能 数控机床。采用数控机床提高机械加工效率,是当前我国机械制造行业技术改造、技术 更新的发展之路。新型数控机床和加工中心已成为柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统第1章绪论(FMS)、乃至计算机集成制造系统(CIMS)和无人自动工厂(FA)中不可缺少的基础设备电子技术和计算机技术的发展,极大
18、地推动了数控技术的发展。机床数控装置的研 制开始于四十年代的美国麻省理工学院,五十年代出现了采用电子管及继电器的数控技 术,六十年代以后,随着半导体技术的发展,晶体管代替了电子管,出现了小规模的集 成电路数控装置,但是机构仍然十分庞大,可靠性差,并且费用高。新型数控技术是20 世纪70年代发展起来的机床控制新技术。小型计算机用于数控技术,使数控技术进入 了计算机数控(CNC-Computer Numerical Control)阶段,它综合运用了计算机技术、测 量技术、信息处理技术和机械制造等最新成果。加工精度越来越高,加工效率也有了很 大提高。到20世纪90年代基于PC的模块化、可重构、可扩
19、充的开放式数控系统得到 迅速发展,以适应当今市场越来越需求适合中小批量加工、具有良好柔性和多种加工功 能的制造系统的发展趋势。1.2.2 国内研究现状数控机床是由普通机床演变而来的。它的控制采用计算机数字控制方式,各个坐标 方向的运动均采用单独的伺服电动机驱动,取代了普通机床上联系各坐标方向运动的复 杂齿轮传动链。它的工作原理是将加工零件的几何信息和工艺信息编制成程序,由输入 装置送入计算机,经过计算机的信息处理和插补运算,按各坐标轴的分量送到各轴的驱 动电路,经过转化、放大去驱动伺服电动机,带动各轴运动,并进行反馈控制,使各轴 精确地走到所要求的位置。数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率的
20、重要手段,它的广泛使用给机械制造 业的生产方式、产业结构、管理模式带来深刻变化,它的关联效益和辐射能力更是难以 估计。而我国目前机床总量400余万台,其中数控机床总数只有12万台,即我国机床 数控化率不到3%。近10年来,我国数控机床年产量约为0.81.0万台,年产值约为 20亿元,机床的年产量数控化率为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)。1.2.3 国外研究现状工业发达国家的军、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
21、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。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,正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步,机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新行业。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数控改造的 2第1章绪论新行业。在美国,机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。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 品和民品市场上的竞争力大为增强。而我国在信
22、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,数控机床的比重(数控化率)到1905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。1.2.4 数控机床的发展趋势数控机床是在微电子、计算机、自动控制、自动检测及精密机械制造等技术的基础 上发展起来的新型机床。它是现代机械制造业实现和发展柔性自动化生产的基础装备。随着柔性生产技术的进一步发展,数控机床正朝着高速、高效、高精度、高可靠性的方 向发展。1、高速、高效、高精度现代数控机床,由于配备了新型的数控系统及伺服系统,其主轴转速,进给速度和 分辨率都有很大的提高,从而极大地提高了数控加工的生
23、产效率、加工质量和加工精度。现代数控机床的数控系统,不仅具有原来的数控补偿功能,还采用了具有热补偿、空间误差补偿功能的传感器件及相应的软件,从而显著地提高了机床的定位精度。近10 多年来,普通级数控机床的加工精度己由10um提高到5um精密级加工中心的加 工精度则从35 口 m。提高到11.5um,数控机床的定位精度已达5 1 P m,重复定位精度达到0.5 R mo2、高可靠性数控机床的可靠性主要取决于数控系统的可靠性。现代数控机床的数控系统,采用 模块化硬件结构形式。根据不同机床的数控功能的需要,可选择不同功能的模块进行组 合。这些功能模块的设计与制造,是在优化、通用化、标准化的原则指导下
24、进行的,因 而大大地提高了数控产品的可靠性。现代数控机床,在丰富的数控软件支持下,具有较完善的数控功能。其中除了直接 用于加工的功能外,还包括人机对话功能、机床故障自诊断及维修功能、机床保护功能、工艺参数自动生成功能、前馈控制功能、电机参数的自适应运算功能、自动识别负载、自动选定模型功能、自动编程功能、刀具管理功能等。这些功能的配备,既降低了机床 使用与维修方面的复杂性,又极大地提高了机床使用的可靠性。例如,当机床在加工中 遇到刀具折断导致加工中断时,数控系统能将刀具位置储存起来,在更换刀具并重新输 入新刀的有关数据后,刀具即能自动地回到正确的加工位置上继续进行加工,避免因换 刀后可能出现的失
25、误。3、柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点(数控单机、加工中心和数控复合 3第1章绪论加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA),体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展,另一方面向注重应用性和经济方向发展。CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展;数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、CAM、CAPP、MTS联结,向信息集成方向发展;网络系统向开放、集成和智能 化方向发展。4、开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展 的要求,最重要的发展趋势是体系结构的开放性,美国、欧共同
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