毕业设计论文x5032立式铣床的数控化改造论文.docx
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毕业设计论文x5032立式铣床的数控化改造论文
毕业设计（论文）--X5032立式铣床的数控化改造论文
X5032立式CNCVERTICALMILLINGMACHINEX5032TRANSFORMATION
ABSTRACT
CNCmillingmachineiscurrentlymanufacturingtherepresentationofmechanicalandelectricalintegrationofadvancedequipmentThispaperdescribesthenumericalcontroltechnologyhistorycurrentsituationanddevelopmentbasedonthenumericalcontrolsystemthroughthecomparisonofdomesticandforeigntocomplywithcost-effectiveintegratedtheprinciplesoflowcostandfinallydeterminedbySIEMENS802SCNCsystemSIEMENS802SsystemforthecharacteristicsandrequirementsoftheoldmachinetocarryoutthetransformationoftheNCelectricalsystemdesignnumericalcontrolsystemselectricalservodrivesystemElectricalpartofthestrongandweakelectricityrespectivelyweremadethedriveforthespindlemotorcontrolapplicationstoachievewidespeedrangethefeedpartoftheincreasestepperdriverandstepperdrivemotortheNCControlBytheparametersettingandthePLCprogramcompletedtheCNCservodrivesysteminterfacematchingandconnectiontheelectricalcontrolmachinetoolMoreoverthePLCprogramforthepreparationofasimulationLastmodifiedmachinedescribedtheaccuracyandperformanceandthefuturestillneedimprovement
AfterthetransformationmachineshowingastrongabilitytoworkthemachinetoolandhighreliabilityprecisionandproductivityhasimprovedgreatlyistoimprovethecorporaterateofNCapracticalway
KEYWORDSCNCmachinetoolsmotorelectricalsystemCNCsystem前 言1
第1章机床数控改造及数控系统分析选用4
11数控CNC系统的组成4
com4
comIO接口电路5
comO控制5
12数控CNC系统的分析选用5
com统选用方案确定5
com统的品牌选用6
第2章电气控制系统的设计8
21SINUMERIK802Sbase1ine数控系统特点8
22数控系统各部分的连接及接口设计9
com接线9
com置9
comPLC输入输出接口定义9
com接10
第3章可编程控制器PLC17
31数控机床上的两类控制信息17
32SINUMERIK802Sbaseline数控系统的PLC控制技术17
comCNCPLC及MT之间的信息交换17
comSINUMERIK802Sbaseline系统内装型PLC的特点18
comPLC电气原理设计18
结 论23
谢辞25
参考文献26
附 录27
前 言
由于运用普通机床加工出来的产品大多存在着质量差品种少供货期长等原因所以普通机床的数控化改造相当有意义
首先提高了生产效率原普通机床经过数控化改造后就可以实现加工自动化工作效率可以明显提高其次性能更稳定安全可靠因为经改造的数控机床的各基础件经过长期工作几乎不会产生因力变形而影响精度再次可以为生产厂家节省资金普通机床的数控化改造和购买新的普通机床相比可以节省至少一半的资金从大型和特殊设备上更能看出最后对于复杂的零件而言难度越高功效提高的越高且可不用或者少用工装不但费用节约了而且还可以缩短生产的准备时间
机床数控化改造后可以提高零件的加工精度和生产效率数控机床不但设计精度较高而且加工精度还可以靠闭环控制系统的反馈来校正和补偿因此可以获得较高的加工精度
机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化效率可比传统机床提高37倍传统机床靠凸轮或挡块等可实现刚性自动化且只有进行大批量生产时才经济合算而数控机床只要更换一个程序就可以实现另一工件加工的自动化从而使单件和小批量生产得以自动化故称之为柔性自动化
可实现多工序的集中减少零件在机床间的频繁搬动降低工件的定位误差这是自动化带来的效果如加工中心在工件装夹好后可实现钻铣攻螺纹扩孔等多工序的加工这些工序是在同一基面同一次装夹下实现的提高了相关的加工精度
拥有自动报警自动监控自动补偿等多种自检功能更好地调节了机床加工状态还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题数控加工降低了工人的劳动强度节省了劳动力减少了工装缩短了新产品试制周期和生产周期并对市场需求做出快速反应
我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代中国于1958年研制出第一台数控机床发展过程大致可分为两大阶段在19581979年间为第一阶段从1979年至今为第二阶段第一阶段中对数控机床特点发展条件缺乏认识在人员素质差基础薄弱配套件不过关的情况下一哄而上又一哄而下曾三起三落终因表现欠佳无法用于生产而停顿主要存在的问题是盲目性大缺乏实事求是的科学精神在第二阶段从日德美西班牙先后引进数控系统技术从日美德意英法瑞士匈奥韩国台湾省共11国地区引进数控机床先进技术和合作合资生产解决了可靠性稳定性问题数控机床开始正式生产和使用并逐步向前发展通过六五期间引进数控技术七五期间组织消化吸收科技攻关我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩但是国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够制造水平依然落后服务意识与能力欠缺数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等我们应看清形势充分认识国产数控机床的不足努力发展先进技术加大技术创新与培训服务力度以缩短与发达国家之问的差距
在20余年间数控机床的设计和制造技术有较大提高主要表现在三大方面培训一批设计制造使用和维护的人才通过合作生产先进数控机床使设计制造使用水平大大提高缩小了与世界先进技术的差距通过利用国外先进元部件数控系统配套开始能自行设计及制造高速高性能五面或五轴联动加工的数控机床供应国内市场的需求但对关键技术的试验消化掌握及创新却较差至今许多重要功能部件自动化刀具数控系统依靠国外技术支撑不能独立发展基本上处于从仿制走向自行开发阶段与日本数控机床的水平差距很大存在的主要问题包括缺乏像日本机电法机信法那样的指引严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人缺少深入系统的科研工作元部件和数控系统不配套企业和专业间缺乏合作基本上孤军作战虽然厂多人众但形成不了合力我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代通过六五期间引进数控技术七五期间组织消化吸收科技攻关我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩特别是最近几年我国数控产业发展迅速1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为393和349尽管如此进口机床的发展势头依然强劲从2002年开始中国连续三年成为世界机床消费第一大国机床进口第一大国2004年中国机床主机消费高达946亿美元国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显70以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够制造水平依然落后服务意识与能力欠缺数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等高速化高精度化高可靠性复合化智能化柔性化集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向数控技术的问世已有40多年的历史它是由机械学控制学电子学计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科
论文总体思路
在充分调查研究和技术分析的基础上利用数控改造成功经验和自己在机械电气数控技术等方面的理论及实践基础完成X5032普通铣床的数控化改造改造后该铣床具有数控化功能较先进的自动化加工能力加工精度效率质量稳定性得以提高和保证具体是增加主轴的正反转启动停车CNC控制功能具有工进快进急停显示行程控制行程和报警及断电保护功能实现工作台的XYZ三轴数控三轴联动开环控制功能
1技术鉴定和了解机床的机械传动部分改前的几何精度尺寸精度电气元器件及线路老化状况对改造工作起参考指导作用
2对数控系统进行分析选用对步进驱动系统步进电机变频器主轴电机进行选用
3绘制电气原理图编写PLC程序并进行仿真实验
第1章机床数控改造及数控系统分析选用
数控系统一般分为硬件数控系统NumericalControl简称NC和计算机数控系统又称软件数控系统ComputerNumericalControl简称CNC两种计算机数控系统CNC是在硬件数控系统NC基础上发展起来的是一种包含计算机在内的数字控制系统是由专用计算机控制软件实现部分或全部功能的数控系统它很容易通过软件来更改或扩充功能CNC系统的逻辑控制几何数据处理以及零件程序的执行由CPU统一执行
数控CNC系统的组成
如图1-1所示数控CNC系统由微机部分外部设备部分和机床控制等三部分组成
图1-1数控系统组成框图
com微机
微机是数控系统的核心整个系统在微机的指挥下协调工作微机主要由微处理器CPU存储器RAMROM和1O控制电路组成相互之间由数据总线地址总线控制总线联结CPU由运算器控制器两个逻辑部件组成功能就是运算和控制是数控系统的核心部件控制软件系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件它存放在计算机的EPROM内存中可完成输入数据处理程序插补运算程序速度控制程序管理程序和诊断程序等工作其中最重要的是控制零件程序的执行这是CNC的核心其他任务只是为了更好的完成这项任务随机存储器RAM主要用来存放工件加工程序现场加工参数和提供系统的工作缓冲区
comIO接口电路
阳接口是指外围设备与CPU之间的接口电路微机与数控外设之间传递信息的通道其作用为将外设送往微机的信息转换为微机能接受的格式反之也然它完成电平转换数据缓冲锁存及隔离功能一般情况下外设与存储器不能直接通信必须靠CPU传递信息通过CPU对110接口的读写控制完成外设与存储器之间的信息传递
com机床IO控制
机床10控制是微机与机床联结的关键部件其功能特点有
1能够可靠的传送控制机床的动作信息并能输入机床当前的状态信息
2能进行相应的信息转换即AD与DA之间数字量与开关量之间的转换满足CNC系统的输入与输出要求
3具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力以提高系统的可靠性最常用的方法是在IO接口处增加光电隔离电路
12数控CNC系统的分析选用
com数控系统选用方案确定
机床数控化改造数控系统的选择对改造效果起到关键作用容易被接受的数控系统应具备良好的性价比高的可靠性强大的操作功能以及良好的售后服务和市场供应性现在数控系统升级和功能拓展的可能性也是消费者着重考虑的问题之一经验证明一套数控系统的使用寿命6一年而近年随着电子技术的飞速发展世界上名牌数控系统制造公司基本上3-5年内更换一代产品6-8年的时间差不多有两代数控系统诞生原数控系统若能随时升级或实现功能拓展对消费者而言将是求之不得的数控系统的选择有多种方案如全部自行设计制作采用单片机或STD模块改制选用现成的数控系统作少量的适应性改动或配接在实际改造应用中多采用以下两种方案一是数控系统能满足实际所需的功能这时绝大多数都买现成产品的方案因为自行设计制作不但浪费时间投资不一定会省往往是投资更多而且质量也不易保证甚至可能失败二是没有现成产品实现所需的特殊功能此时大多采用外购性能接近性价比优良的数控系统然后自行补充或修改至少也是用STD模块和工控机制作很少全部自行制作X5032普通立式升降台铣床的数控化改造从功能上要保证主轴正反转控制XYZ三个进给轴数控联动开环控制加工平面类槽类凸轮等零件的要求来看没有其他特殊功能要求通用数控系统即可满足要求市场上有多种类型数控系统可供选择为此在数控化改造时从市场上购买现成数控系统至少实现两轴联动开环控制完成圆弧插补和刀具补偿等功能
com数控系统的品牌选用
当前生产数控系统的公司厂家比较多国外著名公司有德国SIEMENS公司日本FANUC公司国内公司有华中数控公司广州数控设备厂中国珠峰公司北京航天机床数控系统集团公司南京新方达数控上海开通数控南京清华通用数控工程南京大地数控和沈阳高档数控国家工程研究中心等
选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度各种性能等选择性价比合适的系统避免系统功能过剩同时考虑到原车床的精度和改造的成本周期难易程度等各方面因素决定采用以步进电机作为驱动元件开环控制的经济型数控系统国产的经济型数控系统生产厂家较多价格上虽有优势但性能和稳定性稍差所以决定采用国外的经济型数控系统各个数控系统生产厂家的数控指令格式差异较大为了使改造后的车床能真正发挥其用处最后决定采用西门子经济型数控系统最终确定数控系统品牌为SINUMERIK802Sbaseline
SINUMERIK802Sbaseline是专门为中国数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统其结构紧凑具有高度集成于一体的数控单元机床操作面板和输入输出单元机床调试配置数据少系统与机床匹配更快速更容易并具有简单而友好的编程界面保证了生产的快速进行优化了机床的使用
第2章电气控制系统的设计
21 SINUMERIK802Sbase1ine数控系统特点
SINUMERIK802Sbaseline数控系统集成了所有的CNCPLCHMII／O于一个单一的部件其主要特点如下
可独立于其他部件进行安装坚固而又节省空间的设计使它可以安装到最方便用户的位置
操作面板提供了所有的数控操作编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器同时还提供12个带有LED的用户自定义键工作方式选择6种进给速度修调主轴速度修调数控启动与数控停止系统复位均采用按键形式进行操作
SINUMERIK802Sbaseline的输入输出点为48个24V的直流输入和16个24V的直流输出输出同时工作系数为0．5时负载能力可达0．5A为了方便安装输入输出采用可移动的螺丝夹紧端子该端子可用普通的螺丝刀来紧固
SINUMERIK802Sbaseline可控制三个进给轴和一个伺服主轴或变频器提供脉冲及方向信号的步进驱动接口除三个进给轴外SINUMERIK802Sbaseline还提供一个±10V的接口用于连接主轴驱动
SINUMERIK802Sbaseline的控制软件已经存储在数控部分的Flash．EPROM闪存上Toolbox软件工具调整所用的软件工具包含在标准的供货范围内系统不再需要电池免维护设计采用电容防止掉电引起的数据丢失程序的变化和新程序软件存储系统软件面向车床和铣床应用并可单独安装在每一个工具盒中都包含有车床和铣床的PLC程序示例以便用户能很快地调试完毕工厂里的技术人员能够很快地适应并且掌握SINUMERIK802Sbaseline的应用快速地进行工业化生产操作方便而且很容易掌握
22 数控系统各部分的连接及接口设计
com 系统的接线
SINUMERIK802Sbaseline数控系统连接如图2－1步进驱动STEPDRIVEC／C和步进电机的连接如图2－4所示连接电缆必须使用屏蔽电缆在系统一侧电缆内屏蔽层必须与插头中的金属壳相连为了使模拟量的指令值信号免受低频信号的干扰驱动一侧的屏蔽不能接地
com 接口布置
数控系统连接如图21所示
1CNC部分
1X1电源接口DC24V3芯孔式端子排用于连接24VDC负载电源
2X2通信接口RS2329芯D型针式插座
3X6主轴接口SPINDLE15芯D型孔式插座用于连接一个主轴增量式编码器RS422
4X7驱动接口AXIS50芯D型针式插座用于连接具有包括主轴在内最多4个模拟驱动的功率模块
5X10手轮接口MPG10芯针式端子排用于连接最多2个电子手轮
6X20高速输入接口BERO10芯针式端子排用于连接NC．READY继电器和BERO接近开关
2DI／O部分
1X100到X105各为10芯插头用于数字输入
2X200到X201各为lO芯插头用于数字输出
comPLC输入输出接口定义
SINUMERIK802Sbaseline在出厂时已经预装了SAMPLE·PTP集成PLC实例应用程序我们在定义系统输入输出接口的时候可以与厂家提供的PLC实例程序中的接口定义保持一致这样在改造的过程中我们就无需自编PLC程序只需利用厂家提供的SAMPLE·PTP"PLC实例程序就可以了所要做的工作只是设定一下PLC机床参数本次改造的输入输出接口定义如表22所示
图21数控系统接线图
com 接口连接
1电源端子的连接X1
表22PLC输入输出接口定义
系统工作电源为直流24V电源接到接线端子X1上其CNC一侧端子分配如表21所示
2通讯接口RS232的连接X2
在使用外部PC／PG与802Sbaseline进行数据通讯WinPCIN或编写PLC程序时使用RS232接口各引脚如图2－2所示其引脚1为屏蔽其它引脚功能参见信号说明
3主轴测量系统的连接X6
X6作为主轴编码器接口使用用于把主轴的旋转角度反馈给802Sbaseline其引脚分配如表2-3所示所连接的编码器应为5V增量式编码器
4步进及主轴驱动器与CNC控制器的连接X7
X7用于将步进驱动器及主轴驱动器同CNC控制器相连接口分配见表24所示
图2-2通讯接口RS232与CNC的连接
信号说明RXD数据接收TxD数据发送RTS发送请求
CTS发送使能DTR备用输出DSR备用输入M接地
表2-1电源端子X1端子分配
端子号信号名说明1PE保护地2M0V3P24直流24V
表23插座X6的引脚分配
图2-3数控系统接口布置图
表24X7接口
图2－4步进驱动连接图
5手轮接口X10
通过手轮接口X10可以在外部连接两个电子手轮X10有10个接线端子引脚说明见表2-5
表2-5手轮接口X10
6高速输入接口X20
通过接线端子X20可以连接3个接近开关其引脚说明见表2-6
表2-6高速输入借口X20
第3章可编程控制器PLC
31数控机床上的两类控制信息
第一类信息由CNC控制机床进给运动坐标轴的位置信息即数字量信息称为数字控制对于三坐标数控机床是控制XYZ轴的移动距离同时还有各轴运动之间的关系插补补偿等的控制
第二类信息由PLCProgrammableLogicController完成的开关量信号顺序控制数控机床运行过程中以CNC系统内部机床上各行程开关传感器按钮继电器等的开关量的信号为条件并按着预先规定的逻辑顺序对主轴的开停正反转换向工件的夹紧松开液压冷却润滑系统的运行控制
SINUMERIK802Sbaseline数控系统的PLC控制技术
数控机床上所用PLC分为两种内装型BuiltinTypePLC和独立型Stand-aloneTypePLC内装型PLC是专为实现数控机床的顺序动作控制而设计的从属CNC系统PLC与CNC之间的信息传递是在CNC系统内部而实现的而独立型PLC有规范的输入输出IO信号接口技术IO点数程序存储量以及运算机控制功能均满足数控机床的要求
comCNCPLC及MT之间的信息交换
SINUMERIK802Sbaseline系统中的PLC属于内装型其同样从属于CNCPLC与NC间的信号传递在CNC装置内实现PLC与MT即机床侧通过CNCIO接口电路信号传送实现CNCPLC与MT三者之间信息输入输出IO有四个部分组成
1CNC－PLCCNC送到PLC的信息可由开关量输出信号完成也可由CNC直接送入PLC的寄存器其主要信息包括MST等功能代码手动自动方式信息如机床的开关功能M03M04正反转冷却液开停M08M09等这些功能的处理都是由PLC将译码处理后的MST等指令作必要的交换输送给机床用以控制机床上的相应电器开关或其他执行元件
2．PLC－MTPLC通过IO接口向机床侧传递的信息主要是控制机床的执行元件如电磁阀继电器接触器以及确保机床各运动部件状态的信息和故障提示等
3．MT－PLC机床侧的开关量信号可通过PLC的开关量输入接口送入PLC中主要信息有机床操作面板上各开关按钮等信息
4PLC－CNCPLC从机床侧获得开关量经PLC逻辑处理通过IO接口传向CNC接口所有PLC送到CNC的地址与含义由系统生产厂家确定PLC编程者只可以使用不可以更改主要是MST功能的应答信息及各坐标轴对应的机床参考点信息等
comSINUMERIK802Sbaseline系统内装型PLC的特点
1内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能一般是作为基本的功能提供给用户
2在系统结构上内装型PLC可与CNC共用CPU也可单独使用一个CPU内装型PLC一般单独制成一块附加板插装到CNC主板座上不单独配备IO接口而使用CNC本身的接口PLC控制部分及部分IO电路所用电源由CNC提供不再单配电源
3系统硬件软件整体结构十分紧凑PLC所具有的功能针对性强技术指标较合理使用较适用于单台数控机床及加工中心
4．采用内装型PLC结构CNC系统可以有某些高级控制功能如梯形图编辑和传送功能等
comPLC电气原理设计
1主轴正反转的PLC控制技术
主轴正反转的PLC控制IO设备及分配IO表
表3－1IO设备及分配IO表
图3－1PLC输入输出接口电路
2主轴及冷却泵PLC控制设计
在改造主轴的控制中主要控制主轴的正反转启动和停车以及冷却泵的启停如图3－2所示铣床电气改造原理图
图3－2铣床电气改造原理图1
图3－2铣床电气改造原理图2
主轴启停和正反转冷却液的开关均通过系统控制KAIKA2KA3KA4四
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