普通铣床的数控改造.docx

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普通铣床的数控改造

普通铣床的数控改造

中文摘要

在当今信息社会时代中，世界上的各行各业都在向着数字化，信息化，自动化等方向发展，机械加工方向也是如此。

而且，随着社会信息化的发展，人们对小批量的各种复杂形状的零件的加工需求越来越大。

然而我国目前仍有相当一部分企业存有大量的普通铣床，他们不仅只能加工单一的简单零件，而且加工精度不高，同时其高劳动强度也大大降低了经济效益，所以对这些普通铣床的数控改造迫在眉睫。

作者在实验室对一台日本公司生产的普通的铣床进行研究，并全方位改造，具体改造在两个方面的内容。

一方面是对该普通机床的数控系统进行改造，使其适应各种生产的要求，另一方面是对其电气线路进行改造，包括重新设计该铣床的控制模块，伺服模块，照明，信号等模块以及模块之间的电气连接。

最后根据企业以及生产方向的要求对铣床的各大系统参数进行设定，最终完成整个铣床的改造。

并且在改造之后，进行了一些实验进行调试和试验，发现该铣床的加工精度大大提高了，而且可以完成各种复杂形状零件的加工，达到了目前数控铣床的标准。

作者希望通过这次改造的实际经验为以后其他各种形式的机床改造打下基础，积累经验。

关键词：

数控改造，电气连接，参数设定，数控铣床

TheNumerizationTransformationRebuildingof

General-purposeMillingMachine

Abstract

Intoday'seraofinformationsociety,allkindsofworkintheworldaremovinginthedirectionofdigitization,informationizationandautomation,asisthedirectionofmachining.Moreover,withthedevelopmentofsocialinformation,peopleareincreasinglydemandingtheprocessingofsmallquantitiesofvariouscomplicatedshapedparts.However,therearestillaconsiderablenumberofenterprisesinourcountrywhichhavealargenumberofordinarymillingmachines.Theycannotonlyprocesssimplesingleparts,butalsohavelowmachiningaccuracyandgreatlyreducetheeconomicbenefitsduetotheirhighlaborintensity.Therefore,Transformationisimminent.

TheauthorinthelaboratorymadeacomprehensivetransformationonaJapanesecompany'sgeneralmillingmachine.thespecifictransformationincludesthefollowingtwoaspects.Ontheonehand,thecomputernumericalcontrol（CNC）systemoftheordinarymachinetoolismodifiedtoadapttovariousproductionrequirements.Ontheotherhand,theelectricalcircuitoftheordinarymachinetoolismodified,includingtheredesignofthecontrolmodule,servomodule,lightingandsignalmoduleofthemillingmachineaswellastheelectricalconnectionsbetweenthemodules.

Finally,accordingtotherequirementsofenterprisesandproductiondirectionofthemillingsystemparametersofthemajorset,thefinalcompletionofthetransformationofthemillingmachine.Andafterthetransformation,someexperimentswerecarriedouttodebugandtest.Themachiningprecisionofthemillingmachinewasgreatlyimproved,andthemachiningofvariouscomplicatedshapepartscanbecompleted,reachingthestandardofthecurrentnumericalcontrolmillingmachine.Theauthorhopesthatthroughthepracticalexperienceofthistransformation,itwilllaythefoundationforothervariousformsofmachinetoolrenovationinthefutureandgainexperience.

Keywords:

CNCretrofit,electricalconnection,parametersetting,CNCmillingmachine

第一章绪论4

1.1前言4

1.2数控机床的发展4

1.3数控机床的优势5

1.4普通机床的改造需求及特点5

第二章设计需求7

2.1总体方案设计要求7

2.2设计参数7

2.3其他要求8

2.4数控系统简介9

2.5数控系统的选择10

第三章数控铣床的电气设计12

3.1电源电路的设计12

3.2主电路的设计12

3.2.1四套伺服系统的电路设计12

3.2.2液压泵、冷却泵电路其主电路的具体设计19

3.2.3数控系统WA-710Mi的主电路设计20

3.2.4接地方式介绍21

3.3辅助电路的设计21

3.3.1控制电路的具体设计部分22

3.3.2指示灯以及照明电路设计部分23

3.4WA-710/Mi的电路设计部分介绍23

3.4.1和各个伺服控制器之间的连接23

3.4.2数控系统剩余端口27

3.5综合电路设计29

3.6控制柜的设计、制作与安装33

3.6.1控制柜和元器件的设计、制作和安装33

3.6.2机床电气线路的安装与检测34

第四章参数设置和系统调试37

4.1设置数控系统以及各伺服系统参数37

4.1.1设置X、Y、Z轴伺服放大器参数37

4.1.2设置主轴伺服放大器参数41

4.1.3设置WA-710Mi数控系统参数43

4.2调试系统45

第五章总结与展望48

参考文献49

第一章绪论

1.1前言

数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）简称数控机床，是一种装有程序控制系统的自动化机床。

能够将输入的代码进行译码，并根据这些代码来改变刀具运动方向，以实现对复杂零件的自动化的精细的加工。

他能够较好的完成精密的个各种样式的零件加工，大大提高工作生产的效率和质量，是现代铣床控制技术的发展方向。

在目前企业的应用中，由于数控机床成本较高，大部分企业很难做到一次性投资大量数控铣床，同时，由于大量普通机床的闲置也会给企业带来很大的经济压力，所以，对于大部分企业来说，对原来机床进行改造，是一个十分明智的选择。

根据作者所查文献可知，近年来每年都有大概十万台的铣床需要改造。

而且，随着经济的飞速发展，现代社会信息传递越来越快，机械加工产业对这些数控铣床的需求也日益增加。

所以，对各式各样的机床进行数控化改造的任务不会停止。

1.2数控机床的发展

机床能够实现大量的，各种类型的零件的加工，对人类的发展起到了巨大的作用。

它的使用也有着悠久的历史。

最早的机床记载于公元2000多年，当时人们利用绳子，树枝来制作而成，利用树枝的弹性来工作。

之后在明朝时期，《天工开物》中记载了一种类似于磨床的结构。

它是利用人工动力（脚踏铁盘）来进行驱动的，一般用于切割一些玉石等物。

倒了18世纪发生了工业革命，蒸汽机的出现加快了时代前进的车轮。

动力的出现使得机床有了天翻地覆的改变，也使得机床的发展大大加快了。

各种通过蒸汽机作为洞里的机床纷纷出现，直到1797年，英国人莫里兹制造了一个给螺丝车螺纹用的机床，实现了机床界的一个大变革。

在1952年，美国首先提出并发明了第一台数控机床，它是一台三坐标铣床，并且，经过之后的编程与实验，进入实用阶段。

在几年之后，美国还发明了带有自动换刀装置的加工中心。

数控机床的产生对于机床的发展也具有里程碑式的意义。

[1]随着电气时代的发展，电子技术也得到了迅猛的发展，而数控机床也随之发展。

第一代机床的数控系统是由电子管构成的。

之后随着晶体管的问世，第二代由晶体管电路构成数控系统的数控机床也开始出现，他们体积更小，运算更快，使用起来故障率也大大降低。

[2]随着集成电路的出现，数控系统的集成规模的逐渐变大。

第三代，第四代的数控机床也陆续投入生产。

目前，由微型计算机来控制的数控机床以其出色的性能成为了第五代数控机床。

直到如今，信息时代飞速发展，随着大数据，人工智能的研究渐渐深入，数控机床的作用与效益越来越明显，已经逐渐代替了原始的机床。

1.3数控机床的优势

数控机床最大的特色在于自动控制，即由电脑编写好的程序来控制刀具的进给与速度，不仅精准无误，而且使用方便快捷。

[3]与传统普通机床相比，它主要有着以下几个方面的特点：

（1）具有高度柔性

数控机床可以用来加工各种各样的零件，而且不用更换或调整机床，只需要改变或调整机床所使用的夹具。

所以，它可以用来加工小量的，复杂的零件，大大的增加了它的使用范围，而且他不需要更换调整，能够提高其经济效益。

[4]

（2）加工精度高

因为数控机床是由数字信号来控制的，加工精度很高。

其点位控制，运算准确性好，可靠性高。

（4）生产效率高

众所周知，数控机床的控制由微型计算机控制，出错率非常低。

也正式因为计算机控制，准确性得以保证，数控机床的移动定位也可以快速进行。

[5]这就大大的缩短了加工时间，提高了生产效率。

与此同时，因为一台机床上包含了多套刀具，省去了换刀具的时间，也对效率的提高有着很大的作用。

（5）改善劳动条件

数控机床的加工仅仅只需要操作者输入程序，并且调整好所需要的刀具等基本要件，然后机床就能够连续的自动加工，不仅能快速准确地加工各种零件，而且完全不需要人工操作，大大减少了劳动者的工作强度。

与此同时，数控机床的各项操作不仅清洁，而且十分安全，所以，数控机床的使用能够极大的改善劳动者的动作条件。

以上这些数控机床的优点都有着非常重要的意义，在当今社会中有着极大的竞争力，这也是它结合微计算机，晶闸管等先进的电子技术的结果。

1.4数控机床的改造需求及特点

随着社会信息化的发展，数控机床的改造任务也一直源源不断，从高端的机床到低端的机床都有大量的需求。

其中高端的机床改造需求主要包括一些进口的或进口的二手机床。

它们主要是在八九十年代，由于我国军方或者大型企业的需求，进口的这些精密的机床。

到了今天它们无论是电气系统还是机械系统，都需要进行更换或改造。

而低端机床改造需求则主要来源于我国九十年代自主生产的大量机床以及目前我国正应用于生产一线的普通机床。

它们大部分也老化严重，急需改造，其余则是因为满足不了当今社会的机械加工需求，也需要更换或改造。

总而言之，我国目前社会上的机床改造任务十分迫切，对各种机床的数控改造有着非常重要的研究意义和社会价值。

数控机床对于普通机床而言，各方面的性能有着极大的提升，这是普通机床数控化改造的最大优势。

首先，对普通数控机床的改造可以保留机床很大一部分的机械结构和材料，从而相比于更换新的数控机床而言，能够大大减少成本，一般都可以节省至少一半以上的费用。

对于大型机床，这种改造对成本的节省更加显著。

其次，改造之后的数控机床的操作更加简单，对机床操作人员要求低，同时改造后的机床不仅能够完成单件，小批量生产其柔性大大提高，而且机床运行的寿命年限也能得的很大的提高。

最后，因为用户或者维修人员可以一起加入到改造方案的制定过程，这样用户能够更好的了解该种改造机床的内部运行机理，从而能让用户对故障的检测与维护得到更大的保障。

第二章设计需求

2.1总体方案设计要求

本文将一台由日本生产的Makino型号旧型铣床为改造对象，改造目标为现当今市场主流数控铣床，各类技术参数基本符合主流产品技术指标。

2.2设计参数

一、改造前铣床技术参数

改造对象为70年代由日本生产的Makino型号铣床，如图2-1。

在其工作期间，经过了数次简单的改造，至今仍然可以正常运行。

但其运行期间存在诸多问题，不能满足现今精加工的需求。

其技术参数为：

1.X轴方向总距离800mm；Y轴方向总距离500mm；Z轴方向总距离350mm。

2.电机最大转速1400r/min；最大步进速率7m/min；电机最小转速10r/min；最小步进速率5cm/min。

3.加工精度理论上可达20μm。

4.电机额定功率3.5kW。

电机型号为Y112M-4，额定功率4kW，转速1440r/min。

二、铣床数控化改造后的性能指标

铣床改造目标性能为：

1.X轴方向总距离800mm；Y轴方向总距离500mm；Z轴方向总距离350mm。

2.电机最大转速1400r/min；最大步进速率14m/min；电机最小转速10r/min；最小步进速率2cm/min。

3.加工精度理论上可达5μm。

4.由原电机额定功率3.5kW改造为X,Y轴的3.5kW伺服电机，Z轴的5kW伺服电机。

5.增加4轴数控操作系统。

2.3其他要求

数控机床的构成主要包括数控系统、伺服系统、各类辅助控制系统以及机床本体组成[6]。

如图2-2。

图2-1数控机床基本结构

2.4数控系统简介

一、数控系统的组成和作用

1、组成

CNC系统由软硬件部分组成，软件部分即程序部分；硬件部分包括INPUT及OUTPUT设备、CNC设备以及可编程控制器（PLC）、进给驱动装置以及主轴驱动装置等，本系统的组成框图可见于图2-2。

[7]

图2-2CNC系统组成框图

图2-3CNC的工作流程

2、作用

将人为设计好的零件加工步骤编写为程序转化为可以识别的机器语言，实现零件加工方法的数字化，通过程序来控制机床自动按照预先设定的步骤对零件进行加工。

二、CNC系统工作过程

如图3-1所示，为了正常运行零件加工程序，就必须得先将程序输入于CNC（数控系统）之中，经零件加工的必要过程（代码翻译、相关数据的机器调制、刀具移动路径设计）后，伺服装置将会依照CNC所给的指令来完成执行过程，驱动机床进行加工并最终结束零件的制造。

针对完整的CNC系统，它的运行过程归根结底其实就是计算机按照编制的算法操控硬件对零件进行加工的过程。

软、硬件工作过程如图2-3。

一、数控系统的一般要求以及类型

1.数控系统一般要满足的要求

（1）运行效率高：

数控系统工作速度快，以实现对大量数据的处理及运算，来满足数控加工过程所必需的高效性。

（2）满足稳定性的要求：

数控系统其整体工作过程必需要能满足稳定性这一点，令数据处理以及数据运算保持高精确度，进而确保数控加工的顺利进行，同时确保它的高精度。

（3）满足可靠性的要求：

对于数控系统而言，其工作必须要拥有高可靠性，令它能够长时间地无异常化工作。

（4）满足开放性的要求：

数控系统必需要有比较好的开放性，令它的功能满足可修改和可扩充、具有特定适应性，也就是说让其功能可便于开发以及升级。

2.关于数控系统种类的简介

由最初的电子管、晶体管以及他们组成的集成电路共同构成的NC系统（硬线连接数控系统）；由PC（小型计算机）及CPU（微处理器）构成的CNC系统（软件数控系统）。

现如今，CNC系统是市场的主流。

二、各种常用数控系统

目前市场上主流的数控系统中运用较多的数控操作系统包括日本FANUC、德国SIEMENS、西班牙FAGOR、日本MITSUBISHI以及德国HEIDENHAIN等品牌的数控操作系统，中国自己的数控品牌领军者有华兴数控、广州数控和华中数控等。

2.5数控系统的选择

一、铣床数控各大系统相互的比较以及选定

1．从机床的实际情况出发，选定四轴数控来一一地对主轴和X轴、Y轴、Z轴这四轴加以控制；

2．从本身的实际需求出发，在国内的数控系统中进行初始目标的选择。

对当前常用的几种同类数控系统产品进行比较，这里面包含了K1000MII（凯恩帝数控旗下产品）以及WA-710Mi（华兴数控旗下产品）、HNC-818BM（华中数控旗下产品）等国内数控系统。

3．综合考量了产品性能以及服务、价位和地区等诸多条件，最终选定了由南京市华兴数控公司研发的WA-710Mi数控操作系统。

二、WA-710Mi数字控制系统相关介绍

图2-4和CNC控制单元相关的各部件

WA-710Mi数控操作系统是产自于南京市华兴数控的全新一代的高性能铣床数控系统。

该系统可以同时控制三相步进电机及数字式交流电机；通过电子齿轮，该系统还可以实现与螺距丝杠的直连；额外研发的螺距补偿功能，可以大大提高系统的精度检验工作效率；采用了8.4寸彩色液晶屏显示分辨率可达800*600，实现了对正在加工的零件的实时监测，在UI设计上更富人性化;在图形模拟方面更显强悍，拥有着超强的三维及二维显示功能。

运用工程塑料整体对模件进行压制，使得该系统造型美观；此外外接的U盘接口，大大提升了系统的运行效率及人性化设计，可以将程序保存在U盘中，在现场连接U盘后进行加工。

CNC系统单元连接方式如图2-4所示。

[

第三章数控铣床的电气设计

基于上方图示2-4，再依据铣床的真实情况有条件地设定若干模块，设计出铣床整体改造电路。

3.1电源电路的设计

选用空气断路器作为电源开关，其额定电流由分支电路中流过的额定电流决定，因此空气断路器的型号选择应作为设计的最后一环。

3.2主电路的设计

为了保证铣床原有的控制要求，主电路之需备有6台电动机，另外，使用伺服系统在整个主电路中对主轴和X轴、Y轴以及Z轴来加以控制，而液压泵以及冷却泵电动机则依然选择继续使用原先的设备。

3.2.1四套伺服系统的电路设计

伺服装置，其功能是对刀具等设备的动作进行控制的自控系统，是数控操作系统与铣床之间的中间环节，亦是CNC关键的组构分支。

在CNC之中，先由CNC来输出特定的进给速度以及位置移动指令讯号并被伺服器接收，经过伺服装置中的数据处理及信号放大电路后，传达给后续的伺服电机之类的执行部件来对完成指令动作。

具体而言，伺服系统是一种基于对机床位移以及速度展开控制的自动控制系统，一般来讲它是由机械传动机构和执行部件、伺服电动机以及放大器共同组合而成的[9]。

在针对此铣床作相应的改造时，本篇文章会继续使用原机械传动机构以及原执行部件，因而，以下将会先行地详介伺服传动机选型以及伺服放大器选型。

3.2.1.1伺服电机的选择

一、伺服电机其具体作用

伺服电机能够令控制速度以及位置在特定程度上达到高精度要求。

把电压讯号迅速地加以转化而使其成为转矩以及转速，从而达到对控制对象加以驱动的目的。

二、伺服电机其具体分类

伺服电机分为两个大类，即交流以及直流伺服电机，和直流伺服电机进行比照之后可知，交流伺服电机没有电刷以及换向器，故而它相当便于维护，对于环境条件无限制。

在一样的体积之下，就功率输出率这一点来讲，它要比直流电机高10~70%。

另外，交流电机容量明显要大于直流电机，所达转速以及电压相较于后者更高。

此外交流电机亦有着诸多优势特性，这里面就囊括了转动惯性以及体积、重量比较小，结构相对简单，性价比高等。

但是，交流电机并非是绝对完美的，比如它的缺点即在调节特性以及转矩特性这两者的非线性误差上，它就远不如直流伺服电机，此外，它的效率也远低于后者。

故而，除非某些条件下需要反复的操作，或者是在发热特性、起动和制动特性上交流伺服电机难以符合条件而选定直流伺服电机以外，通常都会尽可能地优先选定交流伺服电机[10]。

在这里，本篇文章选定的是交流伺服电机。

现对伺服电动机各部分及结构进行介绍。

三、伺服电机的主要结构和其各部分的作用

AC（交流）伺服电机的组构部分包含了定子、转子、风扇以及端盖、编码器等。

具体可详见于图3-1.

图3-1交流伺服电动机的结构图图3-2伺服电动机编码器

1．电机定子：

AC电机中的定子为一三相绕组，工作时，对其通以工业用三相交流电，根据电磁感应定律，产生一个旋转磁场，进而带动后续的单元进行工作。

2．电机转子：

电机转子由一永磁体构成，在通以三相交流电的定子产生的旋转磁场的作用下，转子的转动速度在稳态下与旋转磁场转速相同。

3．电机编码器：

编码器刚好就是套于电动机转子的转轴上，详见图3-5.电子转子的转动带动编码器的转动。

伺服电机中的编码器为一光电编码器，当其开始随着转子转动时，光电编码器开始工作，发出脉冲信号给伺服电机。

三、伺服电机整体工作原理

在伺服电机之内相应的转子属于永久性磁铁，U、V、W三相电在驱动器的控制之下进而生成特定旋转磁场，转子转速向旋转磁场转速逼近，开始转动，光电编码器同时开始工作，向驱动器发出控制信号，驱动器接收到信号后，对信号数值和目标数值的详细对比，对转子的旋转角度作相应的调整。

四、伺服电机的具体选型

考虑到原有设备型号及具体工作性能，还有电机商品在市场中的受欢迎度，把三菱公司所产的伺服电机作为选择对象。

基于三菱牌伺服电机具体功能及工作性能[11]，最终选择HF-SP系列中的中型伺服电机，该电机额定转速可以达到2000r/min。

一、对X轴和Y轴伺服电机的型号进行选择

1．功率方面：

原先的X轴、Y轴电动机为鼠笼式异步电动机，另外其功率是3.5KW，现换为额定功率未变的伺服电机。

2．额定转速方面：

根据改装目标中的进给速度的改装需要，最终选定2000r/min的额定转速。

3．具体型号选定：

对三菱伺服电机各产品规格和特性作具体的比较后［12］，最后选定的该品牌伺服电机是HF-SP352。

二、对Z轴伺服电机的型号进行选择

所选定的这款HF-SP502B带有着很高的电磁制动能力，刹车性能良好，是一款不可多得的伺服电机。

由于Z轴在工作时一般是上上下下运动的，其不单需承载工作台自身重力，亦需承载加工工件所具有的重力，将其和X轴和Y轴作详细对比可知，选定对象应该是相较而言更显大