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1、原 创 承 诺 书我承诺所呈交的毕业论文是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。若本论文及资料与以上承诺内容不符，本人愿意承担一切责任。 毕业论文作者签名：_ 年 月 日摘 要本文阐述了一种对旧数控铣床进行改造的设计与工程实践的方法，该方法已经过实际应用的验证，可以用于类似情况下对数控铣床的改造实践。课题研究选择铣床改装领域中，旧数控铣床改装这一少有问津的题目；对象是针对一台数控系统基本报废的、机械系统尚处于可用状态的旧数控铣床；目的为将其改造成为一台功能比较完善，操作简单，使其精度、效率和自
2、动化程度得到较大提升，更好的适应新工艺、新技术使用；并进而探索出一条旧数控铣床改造的新路，使具有较高剩余价值的老旧设备重新发挥作用，为开辟铣床改造市场作一点技术储备，争取获得良好的经济效益和社会效益。本文对改造的做法做了详细的说明。总体上不对机械系统作大的更改，只进行适当的调整、修复和维护，更换易损件；废弃原有的老旧数控系统，依据改造要求选择与购买新的主流数控系统取而代之；按照实际需要设置、调整、设计系统的应用软件，使之符合生产实际；按照国家标准和生产任务需求进行性能测试；通过试生产进行验收。研究过程中充分利用系统提供的技术手段，参考国内外的先进经验，考虑用户的实际情况，完成系统的选择与连接，
3、进行参数设置，对用户程序进行设计、修改与开发，整机的调试与验收。文章中分层次对这些阶段的工作内容一一加以分析，在旧数控铣床改造这个新领域找到了一条新路。经过试运行的验证，这条路是切实可行的，能够给有相似问题的企业一些新的启发，也为市场提供一种新思路。关键词：数控铣床 控制系统设计- I -XK714 CNC Milling Machine upgrading program designAbstractThis article elaborated one kind carries on the transformation to the old numerical control milli
4、ng machine the design and the project practice method, this method passed through the practical application confirmation, may use in the similar situation to the numerical control milling machine transformation practice. The topic research choice milling machine re-equips in the domain, the old nume
5、rical control milling machine re-equips the topic which this asks about unusually; The object was aims at a numerical control system basic abandonment, the mechanical system still is at the available condition the old numerical control milling machine; The goal for transforms into it a function quit
6、e to be perfect, the operation is simple, causes its precision, the efficiency and the automaticity obtains promotes greatly, better adaptation new craft, new technical use; Advances together explores the new road which an old numerical control milling machine transforms, enable to have the high sur
7、plus value obsolete equipment to play the role, for opens the milling machine to transform the market to make a technological strength, strives for obtains the good economic efficiency and the social efficiency. This article has given detailed showing to the transformation procedure.As a whole does
8、not make the big change to the mechanical system, only carries on the suitable adjustment, the repair and the maintenance, replacement vulnerable; Abandons the original obsolete numerical control system, chooses based on the modification requirement and purchases the new mainstream numerical control
9、 system to displace; According to the actual need establishment, the adjustment, the design system application software, causes it to conform to the production reality; Carries on the performance test according to the national standards and the production task demand; Carries on the approval through
10、 the trial production. In the research process fully the technical method which provides using the system, refers to the domestic and foreign advanced experiences, considered the user the actual situation, completes the system the choice and the connection, carries on the parameter establishment, ca
11、rries on the design, the revision and the development to the user program, the complete machine debugging and the approval.In the article 11 analyzes in administrative levels to these stage work content, transformed this new domain in the old numerical control milling machine to find a new road.Afte
12、r tries the confirmation which moves, this road is practical and feasible, can give has similar question enterprise some new inspirations, also provides one kind of new mentality for the market. Key Words：Numerical control milling machine; Control System Design ；- III -目 录摘 要 IAbstract II1 绪 论 11.1
13、课题研究的背景. .11.1.1课题研究的意义.11.1.2数控技术的发展与现状.11.2 国内外研究的现状.21.2.1国内市场现状.21.2.2数控化改造在国外的应用现状.21.2.3当前数控技术的基本情况.21.3 本文的主要内容.31.3.1课题研究的目的与基本思想.31.3.2 课题研究的内容与基本特点.41.3.3 课题研究的步骤.42系统方案设计 62.1 改造对象的概况.62.1.1 机械结构问题分析.62.1.2 电气控制系统.62.2改造方案设计.72.2.1 机械部分的处理方案.72.2.2电气控制系统的处理方案.72.2.3电柜.82.3 CNC装置的选型.82.3.1
14、 基本性能要求.82.3.2 主流CNC装置性能比较与选型结论.102.4 驱动系统设计.132.4.1 主轴驱动单元.132.4.2 进给驱动单元.142.5 配电柜.152.5.1 电源单元.152.5.2 电柜结构设计.162.6 外设使用.162.6.1 手持单元.163 系统连接与调试 173.1 各子系统调试.173.1.1 通电检查.173.1.2 各系统接线检查.173.2 系统连接.173.2.1 控制系统连接.173.2.2 控制系统与机床连接调试.183.3 试运行.193.3.1 机械系统锁定时的试运行.193.3.2 全系统空载试运行.194 整机测试 214.1 整
15、机性能测试标准.214.2 整机测试.214.2.1 状态检查. 214.2.2 功能试验.224.2.3 精度检验.234.2.4 结论.255 总 结 26参考文献 27致 谢 281 绪 论1.1 课题研究的背景对旧数控铣床进行改造，使其恢复原有的加工能力，提升其性能和技术水平，更好的适应新工艺、新技术的使用，进而探索出一条旧数控铣床改造的新路，具有重要意义。1.1.1课题研究的意义工业发达国家的军、民机械工业，由于采用信息技术进行加工设备深入改造，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年，每年都有大量机电产品进口1
16、。机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。此次课题选择复杂程度中等且基本失去生产能力的数控铣床为改造对象，如果成功，其经验和开发内容一方面可以直接用于其余较简单的电火花、线切割等机床改造，另一方面也可作为加工中心等机床改造的基础；可在较短时间内，以较低的费用，基本恢复和提高整体生产能力，提高单位的技术水平，并可借此培养、锻炼技术人员，也为单位开辟一条新的社会服务之路。1.1.2数控技术的发展与现状1946年诞生了世界上第一台电子计算机，它为人类进入信息社会奠定了基
17、础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段，六代的发展。数控（NC）阶段3（19521970年）采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。这个阶段历经了三代：第一代电子管；第二代晶体管；第三代小规模集成电路。计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）通用小型计算机移植过来作为数控系统的核心部件， 1974年微处理器被应用于数控系统称为计算机数控。到了1990年，PC机（个人计算机或称微机）可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从
18、此进入了基于PC的阶段。计算机数控阶段也经历了三代。第四代小型计算机；第五代微处理器和第六代基于PC（国外称为PC-BASED）。1.2 国内外研究的现状1.2.1国内市场现状中国目前机床数控化率不到3,机床的年产量数控化率为6。中国机床役龄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。可见大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。所以必须大力提高机床的数控化率。机床的数控化可通过两条途径完成，一是购买新装备替代旧的，二是对旧装备进行数控化改造；根据中国国情，采取“两条腿走路”
19、是稳妥、经济的选择。使用数控系统对机床进行改造，数字化电气控制系统的开发设计问题成为关系改造成败的关键，直接影响机床的工作特性。1.2.2数控化改造在国外的应用现状在美国、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。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床数控改造和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业4。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业5。国外数控化改造主要做法有： 恢复原功能。对机床、生产线存在的故障部分进行诊断与维修； NC化。在普通机床上加数显装置，或
20、加数控系统，改造成NC机床、CNC机床； 翻新。为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新； 技术更新或技术创新。为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。1.2.3当前数控技术的基本情况（1）数控系统结构的变化数控体系结构从以硬件及连线组成的硬数控系统发展到以计算机硬件及软件组成的CNC数控系统，伺服及控制的方式逐步从步进电机驱动的开环系统变化为伺服电机驱动的闭环、半闭环系统（2）软件伺服驱动技术伺服技术是数控
21、系统的重要组成部分。采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服”。它有无温漂、稳定性好、基于数值计算、精度高、通过参数设定、减少调整工作等优点。交流数字驱动系统，目前应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上最为适合。（3）CNC系统的连网技术数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；一般称为DNC功能。通过DNC功能形成网络可以实现对零件加工程序的上传或下传，读、写CNC的数据，PLC数据的传送，存贮器操作控制，系统状态采集和远程控制等。还可以对CAD/CAM/CAPP以及CNC的程序进行传送和分级管理，传递维修数据，使用户与NC生产厂直接通信。进而把制造厂家
22、连系一起，构成虚拟制造网络。（4）功能的扩大现代NC系统具备的功能如：系统可通过光纤与PC机连接，采用WindowS兼容软件和开发环境；高速加工能力；具有高精插补运算功能；具有高速高精加工的智能控制功能，预计算出多程序段刀具轨迹，并进行预处理，实现智能控制机床的性能；高级复杂的功能，包括各种轨迹的插补，也可以进行NURBS插补；强力的联网通信功能，支持标准FA网络及DNC的连接，适应工厂自动化需要；具有高速内装的PLC（有的厂商称为PMC），以减少加工的循环的时间，梯形图和顺序程序由专用的PLC处理器控制，可进行快速大规模顺序控制；先进的操作性和维修性，具有触摸面板，容易操作，可采用存储卡改变
23、输入输出。1.3 本文的主要内容1.3.1课题研究的目的与基本思想本课题针对一台即将报废的旧数控铣床进行技术改造，对机械部分重新检测、清洗、修理、装配，基本恢复原精度；对其CNC系统以国产主流CNC装置进行更新；对电气部分在原有基础上进行，重新恢复精度、效率和自动化程度，适当提高性能。基本思想是保持该铣床的机械部分基本结构不变，将报废的数控系统、电气控制维修、更换和维修，用国产主流数控系统替代原数控系统，用变频调速主轴替代原调速主轴，用交流进给伺服系统替代原X、Y、Z轴驱动。1.3.2 课题研究的内容与基本特点（1）应达到的基本工作指标本课题完成后使机床达到如下基本工作指标： 重复定位精度恢复
24、到以前0.03mm/100。 更换主轴驱动和进给伺服系统，重新调整拖板、刀架，使机床的性能得以恢复。 增加新的功能：主轴点动、图形模拟、手轮、DNC等功能，扩张机床的加工范围，使操作与维修更加简单、方便；同时为加入车间生产网络（PDM系统）准备条件。（2） 基本工作内容本课题主要研究整体改造方案设计，数字化电气控制系统的部件组成、整体结构等问题，包括： 数控装置（CNC单元）的选择； 对应伺服驱动单元的选择与使用； 控制器的选择与使用开发设计； 配电与整体结构设计； 各部分的连接调试。 生产性能测试与课题结果鉴定1.3.3 课题研究的步骤课题研究按如下步骤进行：（1）阅读大量的相关文献并进行充
25、分的调研，了解目前工业上铣床数控化改造中数字控制系统的开发所使用的各种类型和方法，了解各种方法的原理、步骤、优缺点。（2）制订出几种可能的方案，通过论证对方案进行比较和取舍，确定改造方案。（3）机械修理。确定修理的要求、范围、内容；也要通过修理摸清该铣床的状况，确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。（4）确定改造过程和基本方案。整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。使改造工作减少遗漏和差错。在每个子系统工作中，先做技术性较低的、工作
26、量较大的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使人的注意力能集中到关键地方。（5）根据使用条件选择系统。针对机床使用环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线等外界使用条件和基本方案，选用电气控制系统各部件的选型、标准，解决电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能参数匹配等问题，使改造后的电气系统有可靠的使用保证。电气系统选择时必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。（6）根据选择结果，设计控制系统的整体结构。（7）进行各子系统的连接、安装、调试；与机床本体进行连接。（8）控制系统的联调与整机联调。电气系统改造完成以后，进行调试以及
27、确定合理的验收标准，调试工作涉及机械、液压、电气、控制、传感等，调试步骤从简到繁，从小到大，从外到里进行，先局部后全局，先子系统后整系统进行。验收标准根据生产实际，参照对应国家标准制定。（9）验收及后期工作。2 系统方案设计2.1 改造对象的概况要进行改造的数控铣床购置于1998年，是一台经济型立式数控铣床，型号XK714，产地为北京第三机床厂，购置费用19.4万元（98年价），基本配置：数控系统：华中型（厂家自行开发，8位微处理器）。驱动单元：主轴驱动使用SVF552380C变频器调速，三相交流异步电动机；进给驱动使用PMMBA5602交流驱动控制器和交流伺服电动机驱动；检测元件使用编码器，
28、开环控制结构。开关量和动作顺序控制：使用继电器接触器逻辑控制电路。机械结构：铸铁导轨，滚珠丝杠，有切削液供液装置，外部手动润滑。其它：9英寸单色CRT显示器，按键式操作控制面板。2.1.1 机械结构问题分析系统刚性良好，主要机械部件各部分未见明显变形；主轴旋转嘈音过大，跳动明显，怀疑为主轴轴承组松动，需要拆卸后方可真正确定故障原因及维修方法；进给系统运动基本正常，部分部位有积尘和锈蚀现象，需要适当维护；各运动部分润滑严重缺乏，需要作全面的维护；松、夹刀装置锈蚀严重；防护板完好。2.1.2 电气控制系统（1）数控系统系统本身完全损坏，无法启动；大部分接口老化，规格与新的HNC21系统无法兼容，失
29、去维修价值；操作面板有1/3左右的按键失灵，信号灯全部损坏；手摇脉冲发生器反应不灵敏，怀疑内部触电存在问题；CRT显示器损坏，无显示；DNC无法使用，怀疑其软件丢失；软盘驱动器正常。（2） 液压系统状态手动润滑液压 需要更换为由系统控制的自动；外部切削液喷注部分缺失；回油路渗漏严重，压力不足，怀疑密封或背压阀损坏；部分油管老化，需要更换；油箱过滤装置已经堵塞，基本失效，油箱本体基本完好；液压变速装置状态不明，需要打开主轴箱方可确实。（3） 气压系统状态缺少进气管和接头；气压装置压力不足，怀疑密封或气压阀损坏；气压松、夹刀装置状态不明（因松、夹刀装置锈蚀严重，刀具无法取下）。（4）电柜Z轴驱动模
30、块损坏，X、Y驱动模块存在“丢步”现象；主轴变频器工作状态不稳定，怀疑内部老化至使性能下降；变压器组输出电压波动率10%，发热明显（通电测试约30min），继续使用有危险性；8个继电器中4个不工作，缺少2个HNC21系统所需的系统控制继电器（新系统需要1011个）；自动空气开关和交流接触器工作不稳定，怀疑是积尘过多或元件老化引起；接线板积尘、生锈现在严重，开关量接线板规格与HNC21系统不同；部分线缆老化；除尘过滤装置基本失效；缺少开关电源；电柜箱体正常，接地端稍有锈蚀，需要按HNC21系统接线要求进行改造和维修。（5）电机与检测系统状态电机完好，但接口与HNC21系统不匹配，需要另行制作；编
31、码器状态不明（因系统损坏无法启动，故无法检测），接口与HNC21系统不匹配，需要另行制作。（6） 其它附属装置状态照明灯全部缺失，原因不明；无气压除尘装置，可附加；外部电源正常。综合上述检测和分析，得到如下结论：该铣床机械部分无大的故障，主要是运动联结部分松动老化，较易修复；电气部分问题较多，主要是元器件和应用软件的老化与损坏所至，难以修复，需要大规模更换。考虑到生产的实际需要，决定进行完整的系统更新，以恢复该铣床的生产能力，并提升其技术水平。2.2改造方案设计2.2.1 机械部分的处理方案总体上不对机械系统作大的更改，只进行适当的检查、调整、修复和维护，更换易损件；2.2.2电气控制系统的处
32、理方案(1) 改造、修复液压、气动系统和机床辅助装置；(2) 拆除原有的废旧数控系统，依据改造要求选择与购买新的主流数控系统取而代之；(3) 重新设计，购买新的元器件制造电柜，更换电源、驱动单元；(4) 按照实际需要设置、调整系统的应用软件；(5) 充分利用系统提供的技术手段，参考国内外的先进经验，考虑学院的实际情况，完成系统的选择与连接，参数设置；(6) 按照国家标准和生产任务需求进行整机的调试与验收、性能测试；通过试生产进行检验。 系统总体控制结构附图2.12.2.3电柜 重新设计电柜，按照新系统的要求配置、布局，并考虑冷却、除尘、安全保护和维护的方便性等因素。2.3 CNC装置的选型2.
33、3.1 基本性能要求数控系统的核心是计算机数字控制装置，即CNC装置。改造对CNC装置的基本性能概括起来如下：控制轴数：包括移动轴和回转轴。铣床基本坐标轴是X、Y、Z。联动轴数：铣床联动轴数一般为3个。插补功能：此次改造要求CNC具有直线、圆弧、抛物线、椭圆、螺旋曲线、样条函数等插补功能，插补坐标系包括直角坐标系和极坐标系。脉冲当量 (分辨率)：要求0.003以便在运算过程中不损失精度10。定位精度和重复精度：要求0.01。进给速度和调节范围：要求其中最大进给速度2m/min，进给速度调整范围为10200，每档间隔10。主轴转速和调节范围：要求其中最大转速1500r/min，机床操作面板设有主
34、轴转速倍率开关，做到不修改程序而改变主轴转速，调节范围是50120，每档间隔10。准备功能（G功能）：所有G代码应分成一次性和模态两种。在程序中，一次性的G代码限于在指令的程序段内有效，而模态的G代码直到出现同一组的其他G代码前一直保持有效。辅助功能 (M功能)： M功能的使用分成立即型（在指令的程序段开始动作时立即执行）和段后型（在指令的程序段完成时才起作用）两种。零件程序管理和编程：CNC中可同时存储的零件程序容量4M。CNC提供的编程方式：MDI（手动输入单步执行）、对话编程、参数化编程、蓝图直接编程等。零件程序结构：要求CNC提供的零件程序结构灵活，用户使用方便，便于简化零件程序。操作
35、功能：CNC能进行条件程序段的执行、程序段跳步、机械闭锁、辅助功能闭锁、单段、试运行等操作。自动加减速控制：CNC系统用软件实现自动加减速控制，对送到伺服电动机的进给频率或电压进行控制，以保证伺服电动机在起动、停止或速度突变时不产生冲击、失步、超程或振荡。开关量接口：CNC的M、S、T功能不仅在CNC内部处理，而且要以BCD码的形式输出9，另外，CNC还应具备其他一些开关量接口，如外部的急停信号、循环起动信号、进给保持信号等。机床顺序控制：机床顺序控制用可编程逻辑控制器PLC（有称PMC）实现， PLC最好是独立型。字符图形显示：CNC配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可
36、以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信号、人机对话编辑菜单、零件图样、动态刀具轨迹 (表示实际切削过程)等，以中文显示功能为主。通信与通信协议：CNC有RS232C接口，最好配有DNC接口，并设有缓冲区，能够与计算机进行高速传输，接入车间通信网络，以适应CAM（计算机辅助制造）的要求。自诊断功能：CNC中设置各种诊断程序，在故障发生后可迅速查明障类型和部位，及时排除以减少故障停机时间和防止故障的扩大。故障诊断程序可以包含在系统程序中，在系统运行过程中进行诊断，也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断。价格：全部系统配置（包括可选单元）的价格最好3.6万元人民币（可上浮15
37、%）。2.3.2 主流CNC装置性能比较与选型结论（1） 主流CNC装置性能比较主流CNC(Computerized Numerical Control) 装置性能比较见表2.1所示。按照上述基本要求，根据目前我国数控机床市场的系统使用情况，初步选择SIEMENS 802D、北京FANUC 0i Mate MB和华中“世纪星”HNC21铣床系统进行比对4- 7，从中选出适合此次改造的系统。表2.1 三种数控系统性能比较Tab. 2.1 Three numerical controls system performance comparison功能SIEMENS 802DFANUC 0i Mat
38、e TB“世纪星”HNC21铣床系统控制轴数432（具有3、4轴的扩展能力）联动轴数432（具有第三、四轴的扩展能力）最大编程尺寸8位8位9位最小设定单位0.001毫米0.001毫米0.001毫米程序数据断电保护与存贮功能有按用户要求另配有16MB电子盘进给轴类型半闭环控制半闭环控制（全闭环控制为选件）半闭环控制进给轴驱动系统SIMODRIVE 611UE +带编码器的1FK 7 伺服电机伺服控制 FSSB（0系列）+交流伺服电机（系列）数字交流伺服驱动装置+永磁同步交流无刷伺服电机主轴系统有有（AC主轴电机i系列）有（变频器变频主轴电机，修调功能进给修调和主轴转速修调两种控制功能，修调范围10120%进给修调、快速修调有0、25%、50%和100%四档，主轴转速修调0254%进给修调、快速修调和主轴转速修调三种控制功能，修调范围达到0150%，为连续实时多档修调自动加减速控制方式S型加减速度控制快速进给O型加减速度控制、切削进给指数加减速度控制快速进给、切削进给S型加减速度控制系统参数备份与恢复功能有有有续表2.1显示器10.4英寸TFT彩色液晶显示器（彩色选件）9英寸黑白LCD或7.2英寸黑白LCD7.7英寸以上彩色液晶显示器 显示屏亮度调节方式手动调节功能无手动和自动调节功能图形显示有轨迹显示（选件）有轨迹显示（选件）彩色实体图形实时动