【正文】 分析X5032 立式銑床是 90 年代中期制造的普通機(jī)械加工機(jī)床，使用了 10 年左右，機(jī)床的基礎(chǔ)件具有良好的剛性，保持有適當(dāng)?shù)膸缀闻c運(yùn)動(dòng)精度，可通過修復(fù)和更換，使用性能基本可達(dá)到現(xiàn)代同類機(jī)床相當(dāng)?shù)乃?，所以對其進(jìn)行數(shù)控化改造的基本硬件基礎(chǔ)條件是比較理想的。由于 X5032 普通立銑的適應(yīng)性差，生產(chǎn)效率低，應(yīng)用成本高。因此該機(jī)床的功能已不能滿足市場對新產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率要求。通過機(jī)床數(shù)控化改造能夠效解決這些問題；并且能通過數(shù)控化改造提高機(jī)床的加工性能與加工范圍，提高機(jī)床的精度和加工效率，實(shí)現(xiàn)原有生產(chǎn)設(shè)備的低成本高效率的數(shù)控化改造升級。預(yù)計(jì)本次數(shù)控化改造僅需資金 3~4 萬元，而購買一臺(tái)類似的國產(chǎn)數(shù)控立銑機(jī)床卻需花費(fèi)15~20 萬元左右，同時(shí)又因?yàn)橘徺I新設(shè)備的供貨周期長。數(shù)控化改造可以根據(jù)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求合理安排改造時(shí)間，在確保生產(chǎn)順利進(jìn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控化改造，吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院3可以達(dá)到既保證生產(chǎn)效益，又能控制改造成本的目的 [3]。綜合所述，對 X5032 普通立式銑床進(jìn)行數(shù)控化改造，既可保證實(shí)際生產(chǎn)上需要，又在技術(shù)性上也更具有可操作性，并且經(jīng)濟(jì)性上更是合理可行的。 本文研究的主要內(nèi)容普通機(jī)床的數(shù)控化改造在現(xiàn)今的企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，將起到降低成本，提高生產(chǎn)效率的重要作用，然而目前我國企業(yè)生產(chǎn)中主要使用的設(shè)備仍然是普通機(jī)床，僅復(fù)雜而精度要求高的零件才使用數(shù)控機(jī)床。本次改造是在企業(yè)的 X5032 型普通銑床上進(jìn)行。針對數(shù)控化改造涉及到主傳動(dòng)、進(jìn)給傳動(dòng)、強(qiáng)電控制與 PLC 系統(tǒng)、數(shù)控裝置及元件等內(nèi)容，開展以下幾個(gè)方面的工作：1．X5032 機(jī)床數(shù)控化改造總體方案設(shè)計(jì) 在原有機(jī)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控化改造的總體設(shè)計(jì)，然后對原機(jī)床的機(jī)床布局、結(jié)構(gòu)剛性特征進(jìn)行分析，確定改造將選用的電機(jī)、絲杠等核心零部件的規(guī)格，以及進(jìn)行伺服進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力設(shè)計(jì)。通過必要的一系列計(jì)算，確立選擇配件的合理尺寸與規(guī)格。2．機(jī)床改造電氣控制系統(tǒng)的選定 結(jié)合原有機(jī)床條件以及經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的控制特點(diǎn)，分析研究本次改造數(shù)控系統(tǒng)與強(qiáng)電電路的接口電路。決策使用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對電路的控制，并將對鍵盤和顯示器接口、操縱按鈕及操縱面板進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)。3．制定改造工作過程方案 決策制定后，進(jìn)行系統(tǒng)軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試、數(shù)控系統(tǒng)中的 PLC 程序設(shè)計(jì)及調(diào)試、數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試的方案與步驟，確保數(shù)控機(jī)床的精度與穩(wěn)定性。4．在改造過程進(jìn)行之后，進(jìn)行機(jī)床進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的 PLC 調(diào)整與誤差補(bǔ)償操作。通過改進(jìn)使數(shù)控改造扣的機(jī)床能夠達(dá)到更具高效性、更具經(jīng)濟(jì)性，功能上也更加強(qiáng)的目的，能夠適應(yīng)企業(yè)數(shù)控化改造后設(shè)備的工作穩(wěn)定性與加工精度的需要。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院4第二章 X5032 立式銑床總體設(shè)計(jì)金屬切削機(jī)床的主傳動(dòng)是用來實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)中的主要切削運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它必須具備極高的轉(zhuǎn)速與適當(dāng)?shù)淖兯俜秶?，并消耗大量的功，使用各種材質(zhì)的刀具來加工各種材質(zhì)的材料、獲得相關(guān)尺寸精度的零件，并能滿足對運(yùn)動(dòng)的啟止、換向、變速和制動(dòng)等功能的要求。目前，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)一般采用交流電機(jī)或直流電機(jī)的無級調(diào)速系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械機(jī)構(gòu)大幅度減化，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速、連續(xù)變速和在工作中帶負(fù)載變速。缺點(diǎn)是低速下電機(jī)發(fā)熱量大，機(jī)械能轉(zhuǎn)換率低。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，克服無級調(diào)速電機(jī)的低速下的缺點(diǎn)，以及滿足某些低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特殊機(jī)械使用性能要求，也可以采用齒輪變速與無級調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。 X5032立式銑床數(shù)控化改造的調(diào)查研究與方案設(shè)計(jì) 國內(nèi)立式銑床數(shù)控改造的成功案例調(diào)查用華中數(shù)控系統(tǒng)改造西安標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)股份有限公司 XK754 臥式加工中心，更換原機(jī)床的所有電氣控制系統(tǒng)，包括數(shù)控系統(tǒng)，PLC 控制單元，X、Y 和 Z 軸進(jìn)給伺服系統(tǒng)，主軸控制單元及主軸電機(jī)，電氣控制柜，操作按鈕等。由于采用華中世紀(jì)星 HNC21M 銑削數(shù)控系統(tǒng)，具有 英寸彩色液晶顯示器，顯示機(jī)床的工作狀態(tài)，并具有實(shí)時(shí)圖形顯示功能。具有性能/價(jià)格比高，操做簡便等特點(diǎn) [3]：X、Y 和 Z 軸進(jìn)給軸的定位精度 m30/4.?。X、Y 和 Z 軸進(jìn)給軸的重復(fù)定位精度 25。機(jī)床經(jīng)過改造，可用以加工平面、溝槽、孔以及各類曲面等。因?yàn)樘岣吡怂欧姍C(jī)功率、增加輸出軸的規(guī)格尺寸，改造后的切削用量可以相應(yīng)增大?？梢淮瓮瓿稍径嗟拦ば騼?nèi)容，減小加工輔助時(shí)間，提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值，并節(jié)約了購買新數(shù)控機(jī)床的費(fèi)用。博順模具制造公司針對一臺(tái) X5032 普通立式銑床進(jìn)行數(shù)控化改造，采用吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院5DSIEMN802數(shù)控系統(tǒng)與 X、Y、Z 軸采用 UESIMODRV61伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將原機(jī)床的普通傳動(dòng)絲杠更換為精密的滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副；并且利用 PLCTOWRU14的遠(yuǎn)程輸入/輸出模擬量控制模塊來實(shí)現(xiàn)伺服進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)控制功能。用以滿足加工大型零件的工藝要求，全面提升機(jī)床的使用性能，滿足高效和低成本要求，為擴(kuò)大公司的產(chǎn)品范圍的加工奠定了必要的基礎(chǔ) [4]。 數(shù)控系統(tǒng)及進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇1．?dāng)?shù)控系裝置的選配進(jìn)行數(shù)控機(jī)床改造時(shí)，選擇合適的數(shù)控裝置很重要，如果選擇性能過高的數(shù)控裝置，改造成本就會(huì)增加，反之，改造后的機(jī)床性能過低，就不能夠滿足使用的需要，因此就必要結(jié)合改造后機(jī)床的使用范圍要求的技術(shù)要求進(jìn)行數(shù)控裝置的合理選用。當(dāng)前，生產(chǎn)數(shù)控裝置的企業(yè)比較多，國內(nèi)外著名數(shù)控裝置品牌有：SIEMENS、NUM、法道、FANUC、北京凱恩帝、華中數(shù)控公司等。FANUC 的數(shù)控系統(tǒng)具有高質(zhì)量、高性能，主要表現(xiàn)在其數(shù)控系統(tǒng)大量采用模塊化結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)具有比較齊全的基本功能和選項(xiàng)功能?；竟δ芡耆軡M足一般機(jī)床的使用要求。目前常見系列有: PowerMate 0、CNC 0M、0i、CNC 16i/18i 等系列 [4][5]。華中 HNC21M 型數(shù)控裝置采用開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)，經(jīng)濟(jì)性好，在統(tǒng)一的硬件基礎(chǔ)上，靈活配置多種功能軟件，能夠滿足各種機(jī)床的需要。主要特點(diǎn)是：(1)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè) PC，低價(jià)格、高性能、結(jié)構(gòu)緊湊。(2) 機(jī)床使用性好。進(jìn)給速度高，機(jī)床位置控制分辨率高。主處理器 CPU 能高實(shí)現(xiàn)加速及制動(dòng)控制。(3)數(shù)控機(jī)床操作簡單，編程容易。(4)位移測量、驅(qū)動(dòng)等裝置結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行安全可靠 [7]。結(jié)合國內(nèi)立銑改造的成功案例，考慮到本單位的實(shí)訓(xùn)實(shí)際與經(jīng)濟(jì)性原則，最終擬定采用華中數(shù)控 HNC21M 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行原機(jī)床的數(shù)控化改造。2．伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院6一臺(tái)數(shù)控機(jī)床如果配置開環(huán)控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，則常用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)；如果配置半閉環(huán)控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，則常用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)；如果配置全閉環(huán)控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，則常用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將導(dǎo)致機(jī)床的快速性性能降低。容易造成工件精度誤差，因此對加工精度是不利的。同時(shí)又因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)過載能力極差，高速時(shí)易丟步。因此，像數(shù)控銑床這樣的要求具備大功率、大轉(zhuǎn)矩機(jī)床，不適合用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行銑床數(shù)控化改造 [4]。而采用半閉環(huán)控制的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)，則調(diào)速范圍寬，抗過載能力又強(qiáng)，并且采用了反饋控制技術(shù)，可動(dòng)態(tài)修正運(yùn)行過程中的誤差，因此性能勝于開環(huán)控制。而其反饋環(huán)節(jié)相比閉環(huán)控制簡單，穩(wěn)定性好。而采用閉環(huán)控制的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)，會(huì)造成各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度大，調(diào)試和維護(hù)都困難，改造成本過高。由于所數(shù)控化改造立銑工件的加工精度要求不高，因而沒有必要采用閉環(huán)系統(tǒng)。經(jīng)過綜合分析，本次數(shù)控化改造采用華中 HNC21M 數(shù)控系統(tǒng)的半閉環(huán)控制方案。 主傳動(dòng)軸系統(tǒng)改造方案1．交流調(diào)速的選擇數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)通常會(huì)采用無級變速，優(yōu)點(diǎn)是具備提供一定合理切削速度的調(diào)速范圍，并可實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)速于運(yùn)轉(zhuǎn)中。在無級調(diào)速的機(jī)械、液壓和電氣等多種形式中，通常都采用交流調(diào)速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力源的調(diào)速系統(tǒng)。而采用交流變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)對主電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。為了確保 X5032 普通銑床中速時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性和加工精度而采用交流變頻調(diào)速。HSV18S 全數(shù)字交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)單元是武漢華中數(shù)控股份有限公司繼 HSV20S 系列交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)單元后推出的高性能交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器使用AC380V 輸入電源，并且具有運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠等特點(diǎn)。2．主軸電氣改造方案改造機(jī)床的主軸電氣控制方案有三種：其一是繼續(xù)使用原控制系統(tǒng)；其二是用PLC 控制進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的改造。其三是主軸的控制工作由選配的數(shù)控系統(tǒng)來控吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院7制實(shí)現(xiàn)；雖然第一個(gè)方案成本較低，但因原機(jī)床電氣老化、故障幾率高，所以適合采用。第三個(gè)方案將主軸電氣進(jìn)行數(shù)控化改造，改造工作量大，改造生產(chǎn)周期長，經(jīng)濟(jì)性不佳。第二個(gè)方案是用 PLC 控制進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的改造。優(yōu)點(diǎn)如下：（1）機(jī)床運(yùn)行可靠，物理接線少，PLC 有斷電保護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警、故障檢測與診斷等功能，能夠提供多種安全保障。（2）適應(yīng)性好，采用程序控制方式，PLC 控制的靈活性好，可進(jìn)行人性化設(shè)置。（3） PLC功能強(qiáng)大，編程操控簡單，使用管理方便 [4]。綜合所述，本次改造主軸電氣控制采用 PLC控制方案。在對主軸箱和刀夾頭進(jìn)行 改造與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制，選用三菱 280FXNMRL?來進(jìn)行相關(guān)控制。1805HSV?全數(shù)字交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)單元采用專用運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字信號處理器 )(DP、可編程邏輯陣列 )(PGA和智能化功率模塊 )(IP等先進(jìn)技術(shù)，具備有 A025等多種應(yīng)用規(guī)格，具有很寬選擇范圍的功率，完成對交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制。本機(jī)采用 7M系列交流伺服主軸電機(jī)。 X5032立式銑床數(shù)控改造的總體方案該數(shù)控銑床采用立式布局，總體布局簡圖如圖 21 所示。主運(yùn)動(dòng)采用無級變速，優(yōu)點(diǎn)是銑頭的結(jié)構(gòu)尺寸小，所占空間小，且質(zhì)量輕，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)行程尺寸小。X 向、Y 向運(yùn)動(dòng)都是由工作臺(tái)通過伺服電機(jī)加滾珠絲杠傳遞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。垂向運(yùn)動(dòng)由 Z 向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲框螺母副實(shí)現(xiàn)。操縱箱懸掛安裝在機(jī)床右側(cè)，有利于操作者實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的最有效控制，可以方便操作人員的操作機(jī)床 [4]。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院8圖 21 銑床改造布局圖 本章小結(jié)為了縮短 X5032 立式銑床數(shù)控化改造的生產(chǎn)周期，降低改造成本，而將手工變速改為全數(shù)控?zé)o級變速，這樣做的優(yōu)勢在于縮短了數(shù)控化改造時(shí)間，降低了改造的工作量，從而降低了改造成本。X5032 立式銑床的數(shù)控化改造采用無級變速的好處在于切削加工中獲取合理的切削速度；能實(shí)時(shí)變速于切削加工中，能夠?qū)崿F(xiàn)大銑削量時(shí)的恒速切削要求，有利于生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的提高。本章主要闡述了 X5032 立式銑床傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)思路，以及改造的總體布局；介紹了通過對交流調(diào)速方案的各類與比較；介紹了伺服驅(qū)動(dòng)單元的功率計(jì)算和型號選擇；以主軸電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊的改造方案。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院9第三章 X5032 立式銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造在X5032立式銑床的數(shù)控化改造過程中，應(yīng)當(dāng)注重決定機(jī)床性能的主軸及其PLC控制系統(tǒng)選擇?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對主軸傳動(dòng)提出較高的要求：1. 較寬調(diào)速范圍能夠滿足加工時(shí)選用合適的切削用量，以獲取較高的生產(chǎn)率、較高加工精度與較低的表面粗糙度值。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍已可達(dá)1：100，恒功率調(diào)速范圍達(dá)到1：30。主軸變速分為有級、無級和分段無級變速三種形式，多采用無級或分段無級調(diào)速。在無級變速中，變頻調(diào)速主軸適用于普及型數(shù)控機(jī)床，交流伺服主軸則適用于中、高檔數(shù)控機(jī)床。2. 較寬恒功率范圍主軸應(yīng)該在全速范圍內(nèi)均能提供切削所需的切削功率，并盡可能在全速范圍內(nèi)提供主軸電動(dòng)機(jī)的最大功率。但由于主軸電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的限制，主軸在低速段均不能實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。3具有精確位置控制能力為滿足剛性攻絲、切削螺紋以及某些特殊加工工藝的要求，主傳動(dòng)軸應(yīng)具備準(zhǔn)停功能。 交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性 交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性數(shù)控改造選用的主軸變頻驅(qū)動(dòng)器要與交流主軸電動(dòng)機(jī)相適應(yīng)，交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性如表31所示。電動(dòng)機(jī)的恒功率區(qū)域在基本速度以上，其恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域在基本速度以下。，可承受的過載時(shí)間為幾分鐘至半個(gè)小時(shí) [5]。表 31 交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性性能指標(biāo) 符號 單位 數(shù)值(例)吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院10額定功率 NPkW 30min 額定功率 (30min)kW 基本轉(zhuǎn)速 br/min 1500最高轉(zhuǎn)速 maxNr/min 4000轉(zhuǎn)速范圍 r/min 8~4000額定轉(zhuǎn)矩 NT28電動(dòng)機(jī)慣量 電動(dòng)機(jī)重量 Wt kg 60 交流伺服主軸裝置的特性數(shù)控改造中對交流伺服主軸系統(tǒng)要求較高，除要求切屑功率高、加減速功率強(qiáng)外，還要求具有恒轉(zhuǎn)矩和恒功率特性。具體特性如下：1. ~3倍；2. 運(yùn)行精度和分辨率要求均較高； 3. 需配置較快速的處理器以增強(qiáng)處理信息能力；4. 為保證快速抗干擾能力和動(dòng)態(tài)降速時(shí)間，主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)在5ms以下。數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，可選用感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)或永磁式同步電動(dòng)機(jī) [5]。 主軸驅(qū)動(dòng)裝置的接口主軸驅(qū)動(dòng)裝置的接口與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置有許多類似，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置具備的接口，在主軸驅(qū)動(dòng)裝置上一般都可以找到，只是不同廠家不同檔次的主軸驅(qū)動(dòng)裝置所包含的接口類型不同，因此，主軸伺服裝置的接口類型比變頻器的接口要豐富；矢量控制功能的變頻器比簡易型變頻器接口種類多。不同的是：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置主要工作在位置控制模式下，而主軸驅(qū)動(dòng)裝置主要工作在速度控制模式下；