第7章 普通机床的数控改造

第7章普通机床的数控改造知识目标1.了解普通机床数控改造的内容及步骤2.掌握普通机床机械及电气改造方法能力目标1.会安装与调试进给机械传动链2.能够连接与调试机床电气控制系统7.1数控改造的优点与内容7.1.1数控改造的优点利用先进工艺、先进技术对旧机床数控改造，优点如下：(1)改造有针对性机床的改造方案是针对原机床中存在的问题提出的，需要改哪些地方，改到什么程度，都应做到与生产紧密结合。但由于受到原来机械结构的限制，不宜做过大的改动。(2)充分利用资源旧机床数控改造，大部分床身、立柱等主要基础件和传动部分不需更换，与新机床制造相比一般可以节省60％～80％的费用。因此周期短，费用低，特别适用于大型、专用机床的改造。(3)机床性能稳定改造后的机床性能更加稳定，因为机床的大型结构件是铸铁，而铸铁件年代越久时效越充分，精度比新铸件稳定。机床改造时只需修复或更换若干中小型部件，就可获得与新机床类似效果。(4)提高精度和效率旧机床改造，可根据生产技术及科技水平，选择先进的控制系统，从而提高机床的自动化水平和效率，提高机床质量和档次。(5)调动人员积极性技术人员、操作维修人员非常了解原机床的特性，所以，数控改造可以充分发挥现有技术力量，调动技术人员的积极性与创造性。(6)培养锻炼队伍在机床改造过程中，多方人员共同参与，相互学习，通过拆解旧机床，装配新部件，既锻炼了队伍，又提高了技术水平。7.1.2数控改造的内容与步骤1.普通机床改造主要内容1)机床的测绘(1)改造前，首先对机床的机械残留价值进行评估，特别要注意导轨的磨损程度。磨损严重的机床应进行导轨磨削加工，恢复机床的几何精度。(2)机床改造前对机床进行严谨、细致地测绘。测绘中要忠实于原设计，对原机床的结构、尺寸、润滑等做好详细记录。2)数控系统选型(1)应考虑开放性、先进性、可靠性和可维护性。在机床改造中，数控系统选型，既不同于新机床设计也不同于机床维修，主要考虑在原机床的机械结构限制下，达到或超过原机床的功能，所以在选购数控系统时并非越贵越好。(2)数控系统控制方式的选择，既要根据产品的加工要求，又要考虑数控系统的性价比，合理选择开环、闭环、半闭环的控制系统。开环控制为步进电动机驱动，成本较低，适用于精度要求不高的机床。闭环控制系统精度高，用在高精度机床上。(3)伺服驱动装置与伺服电动机和数控系统相匹配，伺服电动机的额定转矩对改造影响很大，若选得太小，不能实现惯量匹配，影响机床性能。若选得太大，造成浪费，增加改造成本。(4)对于外围接口电路，可采取的方案有两种：一种是保留外围继电器电路，新PLC不参与外围电路控制，只处理CNC所需的指令信号。此方案设计与调试工作量较小。另一种是彻底改造，针对继电器逻辑较复杂，故障率较高的机床，可用新CNC内置的PLC将外围电路全部改造。此方案简化了硬件电路，提高了可靠性，但设计与调试工作量较大。3)机械部件的设计与改造(1)滑动导轨副机床导轨除具有导向精度外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响。此外，还要有合理的防护和润滑。一般采用贴塑方法对机床导轨进行改造。(2)进给滚珠丝杠副改造在普通车床数控改造时，一般都是拆除走刀箱及溜板箱，用伺服进给传动链代替。在进给轴的结构设计中，滚珠丝杠的轴向定位采用预拉伸结构，以获得高刚性和高精度。(3)主轴箱的改造普通机床主轴旋转是由三相异步电动机经变速箱驱动，利用电磁离合器或液压操纵杆，实现主轴的有级变速和正反转。而数控机床的主轴采用交、直流调速系统，实现主轴的无级调速。普通机床在数控改造时，一般保留原主轴箱，不做改动或少做改动。2.数控机床改造前技术准备1)机械部分准备为配合电气改造而进行的机械设计等应先期进行，考虑施工工期，对停机后需拆、改、加的部分做好周密计划，提出明确目标要求，与整个改造工作衔接得当。2)新系统资料消化新系统有许多新功能和新要求，改造前应熟悉技术资料，包括系统操作使用手册、编程手册、安装调试说明、PLC梯形图等。要有充足的时间去消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。3)新旧系统接口的设计根据每台设备改造范围不同，要有针对性进行接口的设计。4)人员的技术培训提前对操作人员和编程人员进行新系统知识培训，否则将影响改造后机床的迅速投入生产。培训内容有新系统操作使用方法、新旧系统的差别、维护保养知识等。重点内容是操作说明书和编程说明书。5)调试步骤与验收标准的确定调试步骤可从简到繁，先局部后全局。验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，不能过高也不能过低。3.数控机床改造的实施1)原机床的全面保养机床经长期使用后，在机械、液压、润滑等方面存在某些缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床精度详细测量，全面记录。2)优化调整保留的电气部分电气系统若作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和优化调整。如元器件更换，电动机的保养，变压器的烘干增加绝缘处理，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，电缆线的更新，连接件的紧固等。3)原系统拆除原系统的拆除必须对照原图纸仔细进行，及时做出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。拆下的零部件应分类放置，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。切忌大手大脚，乱扔乱放。4)新系统固定及布线根据设计图纸，合理进行配置，包括箱体固定、面板安放、元器件安装等。布线工艺规范、线径合适、正确无误、美观可靠。5)调试调试必须按事先确定的步骤和要求进行，调试人员应头脑冷静，随时记录。调试中首先测试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。然后按照先空载后加载、先模拟后实动、先手动后自动的原则调试。7.2机械系统的改造7.2.1CA6140卧式车床的数控改造1.导轨副常采用贴塑导轨，即在原来导轨上粘贴聚四氟乙烯导轨软带，这样机床大部分零部件不需要更换与加工，改装工作量小、周期短、费用少。2.进给传动链普通车床的传动链有X、Z两个轴。Z坐标轴为纵向伺服(步进)电动机→联轴器(减速箱)→纵向滚珠丝杠→大拖板，使纵向获得不同的位移和速度。X坐标轴为横向伺服(步进)电动机→减速箱→横向滚珠丝杠→横滑板，使横向获得不同的移移和速度。丝杠传动直接关系到传动链精度，丝杠的选用主要取决于加工工件的精度和满足拖动转矩的要求。当被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差等，滑动丝杠应不低于6级，若螺母间隙过大则应更换。滚珠丝杠传动效率高，且精度高，寿命长，可满足较高精度零件加工要求。改造后，原横向进给传动链中的丝杠和光杆由滚珠丝杠取代，Z轴伺服电动机和滚珠丝杠之间可采用同步齿形带联接，如图7.1所示。由于同步齿形带的柔性，可克服由于电动机轴和丝杠不平行而引起的振动。X轴滚珠丝杠采用一端支承的方式。图7.1伺服电动机与滚珠丝杠的安装1－伺服电动机2－同步齿型带3－减速箱体4－连轴器5－滚珠丝杠螺母副6－支承座3.主传动改造后数控系统可控制主轴的正反转和停止。在加工螺纹时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，需配置编码器作为主轴位置信号的反馈元件。编码器可以通过弹性联轴器与主轴同轴联接，也可以安装在挂轮轴上，通过同步齿带与主轴1:l传动。同轴安装方式结构简单，如采用橡胶管柔性联接，在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使编码器运转平稳，但会妨碍主轴通孔的使用。编码器安装时，为防止损坏光码盘，不能有较大的冲击和振动。车床主轴的转速必须小于编码器最高允许转速。图7.2为同轴主轴脉冲编码器的安装示意图。图7.2主轴编码器的安装1－编码器2－橡胶管3－主轴4－主轴箱4.刀架的改造对普通车床刀架的改造，采用电动转位刀架取代原手动立式刀架。LD4系列电动立式刀架，如图7.3所示。刀架的定位过程如下：系统发出换刀信号(T信号)→刀架电动机正转→刀台上升并转位→刀架到位发出信号→刀架电动机反转→初定位→精定位夹紧→刀架电动机停转→换刀应答。刀具的到位信号由4个霍尔开关检测，当刀台旋转时，带动永久磁铁旋转，霍尔开关输出刀具到位信号。图7.3LD4系列电动刀架1－罩壳2－刀架3－刀架座4－刀架电动机5－霍尔开关6－永久磁铁7.2.2X62W立式铣床的数控改造图7.4所示为数控改造后的X62W铣床传动示意图。保留原机床的主轴旋转运动和原机床纵向(X轴)和横向(Y轴)的手动进给部分。在手轮和进给机构中间加一离合器1.进给机械改造取消原工作台纵向(X轴)、横向(Y轴)及垂直方向(Z轴)丝杠进给机构，安装滚珠丝杠。为了使改造后的机床外观造型协调和均衡，伺服电动机不是直接装在工作台的滑鞍上，而是增加了变速箱，采用二级传动方案。同时为提高传动进给精度，在横向与纵向减速齿轮上采用双片齿轮错齿法消除间隙，在升降台锥齿轮上用轴向压簧调整法消除问隙。在锥齿轮一侧安装单向超越离合器及摩擦片式制动器，解决滚珠丝杠的自锁问题。2.铣床导轨改造采用贴塑导轨，粘贴工艺简单、易行。图7.4改造后铣床的传动系统简图1－主轴箱2－工作台3－XYZ轴伺服电动机4－主轴电动机5－床身7.3电气控制系统7.3.1开环数控系统以上海开通数控公司KT400-T数控系统与KT300驱动装置联接为例，介绍经济型车床数控系统的电气控制。1.系统面板及功能1)KT400-T数控系统的操作面板，如图7.5所示。(1)CRT显示操作方式、执行的程序和程序段、轴的坐标值、跟随误差、进给率、主轴转速、刀具、报警等信息。(2)功能键主要有操作方式、显示方式、前后移动(↑和↓)、删除、检索、清除等键。(3)输入键将数据输入到CNC存储器内。(4)循环启动键按下循环启动键，系统开始运行程序，机床进入自动加工状态。(5)循环停止键按下循环停止键，CNC停止执行程序。(6)复位键使CNC回到初始条件。(7)主轴速度修调键：用于修调主轴旋转速度。(8)进给倍率修调键用于修调已编入程序中的进给速度，以及在各种不同手动方式时的进给速度(连续、增量和手摇脉冲发生器)。(9)手动方向键手动操作时移动X或Z轴的正、负方向。图7.5KT400-T系统操作面板1－CRT2－数字3－字母4－输入5－功能6－循环停止7－复位8－循环启动9－进给倍率10－主轴倍率11－手动2)接口图7.6为KT400-T系统背面接口示意图。(1)A1端口X轴指令输出，9芯连接器。(2)A3端口Z轴指令输出，9芯连接器。(3)A4端口主轴编码器和手摇脉冲发生器信号输入，15芯连接器。(4)I/O1端口强电箱的输入和输出信号，37芯连接器。(5)I/O2端口强电箱的输入和输出信号，25芯连接器。(6)A5端口RS232C通信接口，9芯连接器。图7.6KT400-T系统背面接口示意图1－A1端口2、3－I/O1I/O2端口4、5、6－A3、A4、A5端口2.进给驱动及步进电动机步进电动机采用110BYG550系列，五相步进电动机步距角为0.36°/0.72°，Z轴步进电动机转矩为12Nm，X轴为9Nm。步进驱动装置为KT300，该装置采用环形分配集成电路、MOSFET功放器件、恒流斩波技术。数控系统KT400-T和步进驱动装置KT300及步进电动机的连接关系，如图7.7所示。系统中A1和A3端口与驱动装置的信号连接有单双脉冲两种工作方式，即双脉冲正转(CW、)、反转(CCW、)或单脉冲(CW、)加方向信号(DIR、)。主轴脉冲反馈信号有六脉冲输出，即辨向脉冲A、，B、和零标志C、，其它有电源0V和5V、屏蔽FRAME。3.电气控制1)I/O信号图7.8中a)、b)分别为I/O1、I/O2的输入、输出信号定义。CWCCWCWDIRABC图7.8I/O接口信号定义a)I/O1b)I/O22)主轴及刀架控制图7.9主轴及刀架控制a)控制电路b)主电路7.3.2半闭环电气控制系统1.数控系统机床采用的MELDAS50数控系统具有如下特点：(1)采用32bitRISC(精简指令微处理器)的超小型数控装置。(2)利用高速串行方式与高性能的伺服系统连接，实现了全数字式的控制最多控制四个进给伺服轴及