【正文】 化改造的需求 市場需求 機床數(shù)控化改造的市場大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大多數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。2)智能化 為追求加工效率、加工質(zhì)量、驅(qū)動性能、使用連接方便、簡化編程操作、診斷、監(jiān)控的智能化，數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)具備自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動生成、前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定、自動編程、系統(tǒng)的診斷及維修等功能。而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動等的MTBF就必須大于10萬小時。3～5um，提高到177。超精密加工主要包括超精密切削(車、銑)、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工(三束加工及微細電火花加工、微細電解加工和各種復(fù)合加工等)。新一代數(shù)控機床(含加工中心)只有通過高速化大幅度縮短切削工時才可能進一步提高其生產(chǎn)率。 發(fā)展趨勢 為了滿足市場和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，為了達到現(xiàn)代制造技術(shù)對數(shù)控技術(shù)提出的更高的要求，當(dāng)前，世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢川主要體現(xiàn)在以下幾個方面: 高速、高效、高精度、高可靠性 要提高加工效率，首先必須提高切削和進給速度，同時，還要縮短加工時間。近10年來，年產(chǎn)值約為20億元。數(shù)控機床是由普通機床演變而來的。新型數(shù)控技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的機床控制新技術(shù)。采用數(shù)控機床提高機械加工效率，是當(dāng)前我國機械制造行業(yè)技術(shù)改造、技術(shù)更新的發(fā)展之路。米拉克龍機床公司制造的T40加工中心數(shù)控化改造工程研究的過程。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)題 目：加工中心控制系統(tǒng)改造研究院 （系）：桂林電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 曲津津 班 級： 20060197121 學(xué) 號： 2006019712105 指導(dǎo)教師： 劉建偉 2010年 3月30日 58 摘 要 數(shù)控機床是當(dāng)今機械制造業(yè)中實現(xiàn)機電一體化的代表性先進裝備。在分析原加工中心的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、邏輯控制、機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，利用SIEMENS840數(shù)控系統(tǒng)、SIMODRIVE 611D伺服驅(qū)動系統(tǒng)、SIMATIC S7300PLC對其進行了改造并根據(jù)機床的具體配置和要求，對機床參數(shù)進行正確設(shè)置和調(diào)試，改造后對企業(yè)的加工對象進行了批量加工，運行狀態(tài)良好，獲得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。新型數(shù)控機床和加工中心已成為柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)((FMS)、乃至計算機集成制造系統(tǒng)((CIMS)和無人自動工廠(FA)中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)備。小型計算機用于數(shù)控技術(shù)，使數(shù)控技術(shù)進入了計算機數(shù)控((CNC–Computer Numerical Control)階段，它綜合運用了計算機技術(shù)、測量技術(shù)、信息處理技術(shù)和機械制造等最新成果。它的控制采用計算機數(shù)字控制方式，它各個坐標(biāo)方向的運動均采用單獨的伺服電動機驅(qū)動，取代了普通機床上聯(lián)系各坐標(biāo)方向運動的復(fù)雜齒輪傳動鏈。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。要確保加工質(zhì)量，必須提高機床部件運動軌跡的精度，而可靠性則是上述目標(biāo)的基本保證。超高速加工特別是超高速銑削與新一代高速數(shù)控機床特別是高速加工中心的開發(fā)應(yīng)用緊密相關(guān)。 近10多年來，普通級數(shù)控機床的加工精度己由177。1～。 模塊化、智能化、柔性化和集成化 1)模塊化、專門化與個性化機床結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化，機床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。 3)柔性化和集成化 數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是:從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床)、線(FMC, FMS, FTL, FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。開放性為適應(yīng)數(shù)控進線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個性化、多品種、小批量、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的要求，最重要的發(fā)展趨勢是體系結(jié)構(gòu)的開放性，美國、歐共體及日本相繼設(shè)計生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。但是有的引進項目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設(shè)備故障不能達產(chǎn)達標(biāo)。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這是由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸應(yīng)該運動的運動量，這就可以加工復(fù)雜的曲線和曲面。 4)可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 利用少量資金進行數(shù)控化改造可以發(fā)揮明顯效益我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家落后20年。這些機床共同之處在于機械部分基本完好，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。 利用國外先進數(shù)控系統(tǒng)，對機床進行數(shù)控化改造。特別是大型、特殊機床尤其明顯。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力。 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、美國等國家引進一些先進的CNC裝置和伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)，并陸續(xù)投入了機床生產(chǎn)，配置并且引進了大量當(dāng)時先進昂貴的數(shù)控機床。米拉克龍機床公司產(chǎn)T40臥式加工中心是桂林機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)需要對其進行改造，完成后投入生產(chǎn)。驅(qū)動: 直流伺服電機?？焖龠M給：24000mm/min。 交換工作臺 A, B兩個工作臺，由液壓油缸驅(qū)動。從功能上，它可分成六個部分: 主軸運行控制。 工作的意義桂林機床股份有限公司辛辛那提T40臥式加工中心就被公司列為首選改造的對象，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床難以加工的工件。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)，故公司決定對該設(shè)備進行徹底改造，恢復(fù)機床原有數(shù)控功能，保證自動換刀可靠運行，提高設(shè)備作業(yè)效率。改造過程中首先分析機床的特點，確定使用西門SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)和SIMODRIVE 611D驅(qū)動單元改造方案，并結(jié)合機床配置進行機床參數(shù)設(shè)置。在整個項目的改造過程中主要完成以下幾方面的工作:在對加工中心的生產(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)合加工中心的實際情況提出改造選型方案和數(shù)控系統(tǒng)配置。根據(jù)機床的具體配置和要求，對機床參數(shù)進行正確設(shè)置。加工中心原數(shù)控系統(tǒng)采用的是ACRAMATIC 950MC系統(tǒng)，驅(qū)動單元為西門子公司直流伺服驅(qū)動及電機，有的不能正常工作，有的缺少備件，機械部分基本完好?？蛐土⒅龗煜?、對稱設(shè)計，主軸為數(shù)控進給主軸，閉環(huán)控制。主電機采用交流電機實現(xiàn)無級傳動，X. Y, Z進給坐標(biāo)采用直流伺服電機帶動滾珠絲杠無級傳動，B, W坐標(biāo)采用直流伺服電機帶動雙蝸桿傳動、消除間隙、實現(xiàn)無級傳動。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特點和機床的要求，調(diào)整系統(tǒng)機床參數(shù)。使數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與機床其他部分之間協(xié)調(diào)一致工作。我國從事數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計和生產(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。各坐標(biāo)運動采用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，保留原坐標(biāo)傳動方式，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。藍圖編程。具有手持操作單元。具有開機潤滑、手動潤滑、自動潤滑功能。機床的各個執(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行零件的切削加工，實現(xiàn)部分或全部控制功能。常用的輸入方式有鍵盤手動輸入MDI,磁盤輸入、優(yōu)盤輸入、通信接口RS232輸入、連接上一級計算機的DNC接口輸入以及通過網(wǎng)絡(luò)通信方式輸入。它是在每個采樣周期內(nèi)，將插補計算的理論位置與實際反饋位置相比較，根據(jù)其差值去控制進給電動機，進而控制機床工作臺(或刀具)的位移。7)診斷CNC系統(tǒng)利用內(nèi)部自診斷程序通過定時中斷掃描檢查CNC系統(tǒng)本身及外設(shè)。1) NC模塊其接口端如圖23所示，其中各接口端的意義如下:(1) X101操作面板接口端，該端口通過電纜與MMC(人機通信接口端)及機床操作面板聯(lián)接。圖22 SINUMERK 840D數(shù)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成(5) X121多路輸入/輸出接口端，通過該端口數(shù)控系統(tǒng)可與多種外設(shè)聯(lián)接，如與控制進給運動的手輪、CNC輸入/輸出的聯(lián)接。(9) X173數(shù)控系統(tǒng)控制程序儲存卡插槽。 (4) X161電源模塊設(shè)定操作和標(biāo)準(zhǔn)操作選擇端口。3)伺服電動機驅(qū)動模塊 單軸伺服電動機驅(qū)動模塊見圖25，雙軸伺服電動機驅(qū)動模塊見圖26。 (4) X432高速輸入輸出接口端。840D系統(tǒng)軟件組成下面給出840D系統(tǒng)的軟件組成圖(圖28)和任務(wù)并行處理關(guān)系圖(圖29)。系統(tǒng)的管理部分包括輸入、1/0處理、顯示和診斷。并行處理 并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。資源重疊流水處理 當(dāng)CNC系統(tǒng)處在NC工作方式時，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程將由零件程序輸入、插補準(zhǔn)備(包括譯碼、刀具補償和速度處理)、插補、位置控制4個子過程組成。流水處理要求每個處理子過程的運算時間相等。數(shù)控機床在加工零圖25單軸驅(qū)動模塊611D 圖26雙軸驅(qū)動模塊611D圖 27 840D典型接線圖件的過程中，有些控制任務(wù)具有較強的實時性要求。 內(nèi)部定時中斷 主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。 840D數(shù)控系統(tǒng)的功能 采用SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)、西門子611D伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)控加工功能。 SINUMERIK840D系統(tǒng)與SIMODRIVE611D伺服驅(qū)動模塊及SIMATICS7300PLC模塊構(gòu)成的全數(shù)字化數(shù)控系統(tǒng)，能實現(xiàn)鉆削、車削、銑削、磨削等數(shù)控功能，也能應(yīng)用于剪切、沖壓、激光加工等數(shù)控加工領(lǐng)域。其插補功能有樣條插補、三階多項式插補、控制值互聯(lián)和曲線表插補，這些功能為加工各類曲線曲面類零件提供了便利條件。 安全保護功能數(shù)控系統(tǒng)可通過預(yù)先設(shè)置軟極限開關(guān)的方法，進行工作區(qū)域的限制，當(dāng)超程時可以觸發(fā)程序進行減速，對主軸的運行還可以進行監(jiān)控。此外，2個通用接口RS232可使主機與外設(shè)進行通信，用戶還可通過磁盤驅(qū)動器接口和打印機并行接口完成程序存儲、讀入及打印工作。此外，用PCIN軟件可以進行串行數(shù)據(jù)通信，通過RS232接口可方便地使840D與西門子編程器或普通的個人電腦聯(lián)接起來，進行加工程序、PLC程序、加工參數(shù)等各種信息的雙向通信。主要包括程序中的各種功能代碼M, S, T信息，手動/自動方式信息及各種使能信息等。主要用來控制機床的執(zhí)行元件，如電磁閥、繼電器、接觸器以及各種狀態(tài)指示和故障報警等?？刂评^電器、接觸器和電磁閥等輸出元件。另一類是通過PLC控制的輔助功能(M, S, T等)信息。 (2)存儲器 PLC存儲器主要包括隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM。 (3)輸入/輸出((I/O)模塊 I/O模塊是PLC與外部設(shè)備或現(xiàn)場1/O裝置之間進行信息交換的橋梁。編程器分為簡易型和智能型兩種。2)PLC的特點(1)可靠性高由于PLC針對惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計，在其硬件和軟件方面均采取了很多有效措施來提高其可靠性。(3)編程簡單PLC沿用了梯形圖編程簡單的優(yōu)點，易于現(xiàn)場操作人員理解和掌握。目前已能達到lOmin內(nèi)排除故障，恢復(fù)生產(chǎn)。掃描從OOOOH地址所存儲的第一條用戶程序開始，順序進行，直到存儲器結(jié)尾或用戶程序的最后一個地址為止，形成一個掃描循環(huán)，周而復(fù)始。完成自檢后，CPU又從存儲器的OOOOH地址重新開始掃描運行。其硬件和軟件都被作為CNC系統(tǒng)的基本功能與CNC系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計制造的。 2)獨立型PLC 獨立型PLC是完全獨立于CNC裝置、具有完備的硬件和軟件功能、能夠獨立完成CNC系統(tǒng)規(guī)定控制任務(wù)的裝置。西門子公司的SIMATICS7300可編程序控制器如圖33所示。除了對機床各坐標(biāo)軸的位置進行連續(xù)控制外，還對主軸啟動和停止、刀庫及換刀機械手、工作臺托板交換、氣液壓、冷卻和潤滑等輔助動作進行順序控制。這些開關(guān)包括各類控制開關(guān)、行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力開關(guān)和溫控開關(guān)等。 S7300PLC技術(shù)性能與程序調(diào)整 840D數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部集成S7300型PLC，屬于獨立型。S7300系列的PLC是一種中型PLC.S7300采用模塊化設(shè)計，在一塊機架底板上可安裝電源、CPU、信號模板、通信處理器等多種模塊，其中CPU上有一標(biāo)準(zhǔn)化MPI接口，它既是編程接口，又是數(shù)據(jù)通行接口，使用S7協(xié)議，通過此接口PLC之間或與上位計算機之間都可進行通信，從而組成多點接口MPI網(wǎng)絡(luò)。 S7系列PLC繼承了部分S5系列程序的組織結(jié)構(gòu)，又進行了發(fā)展。 運行S7: 新建一個Project，建好后，再File\Open\Library(在Browse下找到C:\Gp840D\Gp8xod53\Gp8xod)打開Gp8xod中的Bausieine(德文=Blooks )，將GP8xod中的Bausieine中的所有塊復(fù)制到新建的Project下的Blooks中。