【正文】 大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。 必要性和迫切性 數(shù)控機(jī)床對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性。 1)可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。這是由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，這就可以加工復(fù)雜的曲線和曲面。 2)可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化。從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高三到七倍。 3)加工出零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4)可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。多工序是在同一基面、同一次裝夾下實(shí)現(xiàn)。 5)擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無人看管加工。因此勞動(dòng)生產(chǎn)率提高和生產(chǎn)周期縮短，效益非常明顯。 利用少量資金進(jìn)行數(shù)控化改造可以發(fā)揮明顯效益我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家落后20年。因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。上世紀(jì)80年代，陸續(xù)從國外引進(jìn)了很多中高檔數(shù)控機(jī)床，有的服役期滿，有的不能正常工作，處于閑置，造成巨大資源浪費(fèi)。這些機(jī)床共同之處在于機(jī)械部分基本完好，精度較高，主要是由于數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)問題而又難以購置配件，不能滿足正常生產(chǎn)的需要和現(xiàn)代高精度、高速度和高可靠性的加工要求。如果利用進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)控化改造，只需幾十萬元就能發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的作用，而購置一臺(tái)新的同性能的數(shù)控機(jī)床則需要幾百萬甚至上千萬的資金，因此，對(duì)我國來說數(shù)控機(jī)床的數(shù)控化改造，尤其是加工中心的數(shù)控化改造具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，非常迫切。 可行性 數(shù)控系統(tǒng)日趨成熟，特別是SIEMENS系統(tǒng)、FANUC系統(tǒng)功能齊全、性能穩(wěn)定； 機(jī)床功能模塊化技術(shù)已經(jīng)成熟，更換方便； 經(jīng)過若干年的鍛煉，培養(yǎng)出一批掌握現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床改造的隊(duì)伍； 原有機(jī)床機(jī)械基礎(chǔ)較好；綜上所述，數(shù)控機(jī)床的數(shù)控化改造具有可行性。 數(shù)控化改造的內(nèi)容 恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)。 利用國外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。 翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，根據(jù)改造需要對(duì)機(jī)械、電氣部分元器件進(jìn)行更換，對(duì)機(jī)械部分重新修配調(diào)整，恢復(fù)原精度。技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。 數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn) 減少投資額、交貨期短 同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3,交貨期短。 機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限 所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修 購買新設(shè)備時(shí)，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計(jì)算出機(jī)床的加工能力。另外，由于多年使用，操作者對(duì)機(jī)床的特性早己了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見效快。 可充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時(shí)那樣需重新構(gòu)筑地基。 可以采用最新的控制技術(shù)可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時(shí)地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。 課題來源和研究的意義 來源上世紀(jì)80年代初，我國先后從日本、德國、美國等國家引進(jìn)一些先進(jìn)的CNC裝置和伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)，并陸續(xù)投入了機(jī)床生產(chǎn)，配置并且引進(jìn)了大量當(dāng)時(shí)先進(jìn)昂貴的數(shù)控機(jī)床。由于國外數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廠家的產(chǎn)品更新加快，原有產(chǎn)品早已停產(chǎn)，給備件更換與維修帶來一定困難；況且數(shù)控系統(tǒng)的使用壽命一般在815年。針對(duì)桂林機(jī)床股份有限公司引進(jìn)的T40數(shù)控加工中心進(jìn)行數(shù)控化改造，既可節(jié)省大量資金，又可充分發(fā)揮設(shè)備作用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 設(shè)備現(xiàn)狀 辛辛那提米拉克龍機(jī)床公司產(chǎn)T40臥式加工中心是桂林機(jī)床股份有限公司從美國購買的二手設(shè)備，購置后一直未能正常使用，處于閑置，現(xiàn)需要對(duì)其進(jìn)行改造，完成后投入生產(chǎn)。T40數(shù)控加工中心由機(jī)床主體、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)等五部分組成。機(jī)床主要功能及組成: 坐標(biāo)軸 坐標(biāo): X, Y, Z, B(工作臺(tái))、C(主軸)、W(刀庫)。 原配系統(tǒng): ACRAMATIC 950MC系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng): 直流伺服電機(jī)。位置檢測(cè): X, Y, Z軸采用感應(yīng)同步器，B, W軸采用圓光柵。行程: X710mm, Y650mm, Z650mm。進(jìn)給速度: 12 4000mm/min。快速進(jìn)給：24000mm/min。 B, W 0176?！?60176。 主軸 主軸電機(jī):交流電機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速:12～6000 rpm. 刀庫 機(jī)床帶有旋轉(zhuǎn)式雙工位交換站及60把伺服驅(qū)動(dòng)刀庫，交換工作臺(tái)由液壓油缸驅(qū)動(dòng)。 交換工作臺(tái) A, B兩個(gè)工作臺(tái)，由液壓油缸驅(qū)動(dòng)。 液壓工作站 主要供主軸換刀油缸、刀庫各油缸、工作臺(tái)交換油缸。液壓各動(dòng)作由電磁閥控制實(shí)現(xiàn)。 機(jī)床控制機(jī)床電氣系統(tǒng)是由大量繼電器構(gòu)成的邏輯控制電路，通過接受由控制面板及機(jī)床各部分位置開關(guān)傳來的信號(hào)，經(jīng)硬件邏輯運(yùn)算，確定并控制機(jī)床各部分工作。從功能上，它可分成六個(gè)部分: 主軸運(yùn)行控制。 五個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)行控制。 各坐標(biāo)軸伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制。 裝卸刀、 潤滑系統(tǒng)、 冷卻液、 液壓系統(tǒng)等輔助功能控制: 交換工作臺(tái)過程控制和刀庫定位控制及換刀控制。 工作的意義桂林機(jī)床股份有限公司辛辛那提米拉克龍機(jī)床公司產(chǎn)T40臥式加工中心,電氣設(shè)備都己落后并老化，設(shè)備故障頻繁。隨著公司的發(fā)展加工中心的作用越來越重要，同時(shí)這些設(shè)備也日益難以滿足公司對(duì)成套機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)的要求。因此公司決定要對(duì)這批大型設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造以滿足生產(chǎn)的要求。T40臥式加工中心就被公司列為首選改造的對(duì)象，該設(shè)備安裝投產(chǎn)后主要用于加工箱體類零件、以及高精度和普通機(jī)床難以加工的工件。由于電氣的老化和落后，加工中心在使用過程中頻繁出現(xiàn)突然停機(jī)，程序紊亂等故障，使設(shè)備無法連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其自動(dòng)換刀控制(ATC)長(zhǎng)期不能正常使用。該設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)ACRAMATIC 950MC是現(xiàn)己停產(chǎn)或即將淘汰產(chǎn)品。由于這些電氣設(shè)備己老化以及此數(shù)控系統(tǒng)的停產(chǎn)致使配件的維修更換費(fèi)用昂貴等，給設(shè)備的維修帶來了極大的困難，嚴(yán)重影響了公司的正常生產(chǎn)，故公司決定對(duì)該設(shè)備進(jìn)行徹底改造，恢復(fù)機(jī)床原有數(shù)控功能，保證自動(dòng)換刀可靠運(yùn)行，提高設(shè)備作業(yè)效率。該加工中心機(jī)械、液壓部分性能良好，各個(gè)部件磨損較少，經(jīng)過改造完全可以發(fā)揮并且提高機(jī)床原有加工性能，同時(shí)也可以節(jié)省購買新機(jī)床的大量資金。 本文的工作 本課題的研究是基于對(duì)桂林機(jī)床股份有限公司辛辛那提米拉克龍機(jī)床公司產(chǎn)T40臥式加工中心數(shù)控化改造工程進(jìn)行的。改造過程中首先分析機(jī)床的特點(diǎn)，確定使用西門SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)和SIMODRIVE 611D驅(qū)動(dòng)單元改造方案，并結(jié)合機(jī)床配置進(jìn)行機(jī)床參數(shù)設(shè)置。然后編制機(jī)床PLC(Programmable LogicalController)的控制程序并對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。最后對(duì)伺服軸的驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和系統(tǒng)綜合調(diào)試運(yùn)行。文中針對(duì)加工中心改造所選用的840D數(shù)控系統(tǒng)，通過對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)單元原理的理論分析，建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并分析其特性，從理論上確定控制參數(shù)的優(yōu)化和匹配，為現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定提供依據(jù)，縮短驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。在整個(gè)項(xiàng)目的改造過程中主要完成以下幾方面的工作:在對(duì)加工中心的生產(chǎn)工藝、操作編程、技術(shù)性能指標(biāo)認(rèn)真分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合加工中心的實(shí)際情況提出改造選型方案和數(shù)控系統(tǒng)配置。對(duì)加工中心控制邏輯進(jìn)行研究，編寫其PLC控制程序。對(duì)S7300 PLC硬件進(jìn)行組態(tài)，使用Step軟件重新編制所有機(jī)床PLC控制程序，并對(duì)各部分進(jìn)行調(diào)試。 完成西門子840D數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)單元611D等設(shè)備在機(jī)床上的安裝調(diào)試。根據(jù)機(jī)床的具體配置和要求，對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置。對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)單元的控制原理進(jìn)行分析，建立機(jī)床控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并采用PID控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，改善系統(tǒng)的性能，在理論上對(duì)速度環(huán)和位置環(huán)等機(jī)床驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行確定，從而為現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定提供理論依據(jù)。完成全部系統(tǒng)的綜合調(diào)試任務(wù)，包括電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械等方面。第2章 機(jī)床數(shù)控改造的整體方案設(shè)計(jì)和數(shù)控系統(tǒng)配置選擇 加工中心結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)介紹與技術(shù)現(xiàn)狀該機(jī)床應(yīng)用廣泛，最適用于復(fù)雜箱體多工作面的銑、鉆、銼、鉸、攻絲、二維、三維曲面等多種工序加工，具有在一次裝夾中完成箱體孔系和平面多工序精確加工的良好性能。加工中心原數(shù)控系統(tǒng)采用的是ACRAMATIC 950MC系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)單元為西門子公司直流伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)，有的不能正常工作，有的缺少備件，機(jī)械部分基本完好。數(shù)控軸X, Y, Z,B,C全部是閉環(huán)控制，X,Y,Z和B四軸聯(lián)動(dòng)。帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置，具有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和雙托板自動(dòng)交換功能。工作臺(tái)在橫床身X軸向移動(dòng)，Y軸帶有自動(dòng)垂直夾緊，液壓自動(dòng)松開，工作臺(tái)分度配有圓光柵閉環(huán)檢測(cè)裝置，分度精度高，保證同軸度?？蛐土⒅龗煜?、對(duì)稱設(shè)計(jì)，主軸為數(shù)控進(jìn)給主軸，閉環(huán)控制。刀庫為單獨(dú)有地基的鏈?zhǔn)降稁?，通過位置地址識(shí)別刀具，容量60把(刀具直徑125mm)。機(jī)床設(shè)有自動(dòng)排屑裝置及全封閉防護(hù)罩。機(jī)床主軸配有四個(gè)冷卻噴嘴，用戶可以根據(jù)需要直接編程使用。主電機(jī)采用交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)傳動(dòng)，X. Y, Z進(jìn)給坐標(biāo)采用直流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠無級(jí)傳動(dòng)，B, W坐標(biāo)采用直流伺服電機(jī)帶動(dòng)雙蝸桿傳動(dòng)、消除間隙、實(shí)現(xiàn)無級(jí)傳動(dòng)。 欲改造部分電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括電氣原理圖設(shè)計(jì)，計(jì)算電機(jī)扭矩，選定電機(jī)，確定各坐標(biāo)位置反饋方式。數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)單元、伺服電機(jī)更換，其他電氣部分檢修改造，需要更換的予以更換，配置SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)及其安裝調(diào)試。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)床的要求，調(diào)整系統(tǒng)機(jī)床參數(shù)。可編程控制器(PLC)的設(shè)計(jì)。利用SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的可編程控制器進(jìn)行邏輯控制及信息處理。根據(jù)機(jī)床操作及運(yùn)動(dòng)要求編制控制程序。使數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與機(jī)床其他部分之間協(xié)調(diào)一致工作。機(jī)床機(jī)電液整體聯(lián)調(diào)，保證達(dá)到原有功能并有所提高，以適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的控制要求。 加工中心改造方案的設(shè)計(jì)和確定 改造整體方案目前，世界上生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的廠家很多，國外有德國SIEMENS公司，日本FANUC公司、三菱公司，美國辛辛那提公司，西班牙FAGOIZ公司等: 國內(nèi)有廣州數(shù)控有限公司，華中數(shù)控有限公司等。其中SIEMENS, FANUC是專門從事數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的專業(yè)公司，品種齊全，性能可靠，有較高的性能價(jià)格比。我國從事數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的公司起步較晚，雖然近幾年有很大發(fā)展，但與SIEMENS . FANTUC公司產(chǎn)品仍有較大差距。由于T40臥式加工中心機(jī)械部分精度較高，改造時(shí)如果采用數(shù)控系統(tǒng)控制精度與之不匹配，勢(shì)必影響改造效果，因此，根據(jù)機(jī)床的特點(diǎn)及功能的要求，可以選用SIEMENS或FANUC公司產(chǎn)品，SIEMENS公司生產(chǎn)的高中低檔數(shù)控系統(tǒng)適合于不同類型的數(shù)控機(jī)床改造，如表21所示:機(jī)床控制系統(tǒng)改造方案如圖21所示:圖21機(jī)床控制系統(tǒng)改造方案 改造后達(dá)到的技術(shù)功能、性能分析編制數(shù)控系統(tǒng)與PLC接口控制軟件，實(shí)現(xiàn)PLC與數(shù)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，來實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀庫控制功能。改造中對(duì)機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行檢修，使機(jī)械精度達(dá)到出廠或優(yōu)于出廠標(biāo)準(zhǔn)。改造后機(jī)床具有四坐標(biāo)四聯(lián)動(dòng)功能。各坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)采用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，保留原坐標(biāo)傳動(dòng)方式，X, Y, Z坐標(biāo)為滾珠絲杠，B, W坐標(biāo)為蝸輪蝸桿，各坐標(biāo)位置反饋采用光電編碼器替代原圓光柵。原機(jī)床主軸系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工作臺(tái)交換系統(tǒng)保持不變，改由PLC程序統(tǒng)一進(jìn)行邏輯控制。改造后機(jī)床應(yīng)具有如下功能:加工程序的圖形模擬功能。示教功能。藍(lán)圖編程。輸入方式具有手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入(MDI )和DNC輸入兩種。最小編程單位:。用戶程序存儲(chǔ)器容量: MB，并具有450MB左右的硬盤空間可供用戶存儲(chǔ)零件加工程序及備份系統(tǒng)參數(shù)。具有手持操作單元。具有加工程序編輯、檢索、單段運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、空運(yùn)行功能，手動(dòng)操作，具有快進(jìn)倍率、倍率、坐標(biāo)軸保持、應(yīng)急停等功能。主軸可手動(dòng)及編程控制啟、停及高低速轉(zhuǎn)換。冷卻液可手動(dòng)及編程控制開、關(guān)。具有開機(jī)潤滑、手動(dòng)潤滑、自動(dòng)潤滑功能。 數(shù)控系統(tǒng)的選擇和功能分析從表21中可以看出，840C, 840D系統(tǒng)適合于加工中心的數(shù)控化改造，又該廠數(shù)控設(shè)備大多數(shù)采用840D系統(tǒng)，所以，對(duì)T40臥式加工中心進(jìn)行數(shù)控化改造選用SINUMERIK 840D系統(tǒng)。 CNC技術(shù)分析數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制指揮中心。它由程序、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程序控制器(PLC)、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置等組成的系統(tǒng)。機(jī)床的各個(gè)執(zhí)行部件在數(shù)控系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下，有條不紊地按給定程序進(jìn)行零件的切削加工，實(shí)現(xiàn)部分或全部控制功能。840D系統(tǒng)的工作過程840D系統(tǒng)的工作過程即在硬件的支持下執(zhí)行軟件的過程。下面從輸入、譯碼處理、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算與位置控制、I/O處理、顯示和診斷7個(gè)環(huán)節(jié)來說明CNC系統(tǒng)的工作過程。1)輸入輸入CNC系統(tǒng)的有零件程序、控制參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)等。常用的輸入方式有鍵盤手動(dòng)輸入MDI,磁盤輸入、優(yōu)盤輸入、通信接口RS232輸入、連接上一級(jí)計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入以及通過網(wǎng)絡(luò)通信方式輸入。2)譯碼處理譯碼處理程序?qū)⒘慵绦蛞猿绦蚨螢閱挝贿M(jìn)行處理，每個(gè)程序段含有零件的輪廓信息