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1、第7章 普通機床的數(shù)控改造知識目標知識目標1.了解普通機床數(shù)控改造的內容及步驟2.掌握普通機床機械及電氣改造方法能力目標能力目標1.會安裝與調試進給機械傳動鏈2.能夠連接與調試機床電氣控制系統(tǒng)7.1 數(shù)控改造的優(yōu)點與內容7.1.1 數(shù)控改造的優(yōu)點利用先進工藝、先進技術對舊機床數(shù)控改造，優(yōu)點如下：(1)改造有針對性 機床的改造方案是針對原機床中存在的問題提出的，需要改哪些地方，改到什么程度，都應做到與生產(chǎn)緊密結合。但由于受到原來機械結構的限制，不宜做過大的改動。(2)充分利用資源 舊機床數(shù)控改造，大部分床身、立柱等主要基礎件和傳動部分不需更換，與新機床制造相比一般可以節(jié)省6080的費用。因此周期

2、短，費用低，特別適用于大型、專用機床的改造。(3)機床性能穩(wěn)定 改造后的機床性能更加穩(wěn)定，因為機床的大型結構件是鑄鐵，而鑄鐵件年代越久時效越充分，精度比新鑄件穩(wěn)定。機床改造時只需修復或更換若干中小型部件，就可獲得與新機床類似效果。(4)提高精度和效率 舊機床改造，可根據(jù)生產(chǎn)技術及科技水平，選擇先進的控制系統(tǒng)，從而提高機床的自動化水平和效率，提高機床質量和檔次。(5)調動人員積極性 技術人員、操作維修人員非常了解原機床的特性，所以，數(shù)控改造可以充分發(fā)揮現(xiàn)有技術力量，調動技術人員的積極性與創(chuàng)造性。(6)培養(yǎng)鍛煉隊伍 在機床改造過程中，多方人員共同參與，相互學習，通過拆解舊機床，裝配新部件，既鍛煉了

3、隊伍，又提高了技術水平。7.1.2 數(shù)控改造的內容與步驟1.普通機床改造主要內容1)機床的測繪(1)改造前，首先對機床的機械殘留價值進行評估，特別要注意導軌的磨損程度。磨損嚴重的機床應進行導軌磨削加工，恢復機床的幾何精度。(2)機床改造前對機床進行嚴謹、細致地測繪。測繪中要忠實于原設計，對原機床的結構、尺寸、潤滑等做好詳細記錄。2)數(shù)控系統(tǒng)選型(1)應考慮開放性、先進性、可靠性和可維護性。在機床改造中，數(shù)控系統(tǒng)選型，既不同于新機床設計也不同于機床維修，主要考慮在原機床的機械結構限制下，達到或超過原機床的功能，所以在選購數(shù)控系統(tǒng)時并非越貴越好。(2)數(shù)控系統(tǒng)控制方式的選擇，既要根據(jù)產(chǎn)品的加工要求

4、，又要考慮數(shù)控系統(tǒng)的性價比，合理選擇開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)的控制系統(tǒng)。開環(huán)控制為步進電動機驅動，成本較低，適用于精度要求不高的機床。閉環(huán)控制系統(tǒng)精度高，用在高精度機床上。(3)伺服驅動裝置與伺服電動機和數(shù)控系統(tǒng)相匹配，伺服電動機的額定轉矩對改造影響很大，若選得太小，不能實現(xiàn)慣量匹配，影響機床性能。若選得太大，造成浪費，增加改造成本。(4)對于外圍接口電路，可采取的方案有兩種：一種是保留外圍繼電器電路，新PLC不參與外圍電路控制，只處理CNC所需的指令信號。此方案設計與調試工作量較小。另一種是徹底改造，針對繼電器邏輯較復雜，故障率較高的機床，可用新CNC內置的PLC將外圍電路全部改造。此方案簡化了硬

5、件電路，提高了可靠性，但設計與調試工作量較大。3)機械部件的設計與改造(1)滑動導軌副 機床導軌除具有導向精度外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響。此外，還要有合理的防護和潤滑。一般采用貼塑方法對機床導軌進行改造。(2)進給滾珠絲杠副改造 在普通車床數(shù)控改造時，一般都是拆除走刀箱及溜板箱，用伺服進給傳動鏈代替。在進給軸的結構設計中，滾珠絲杠的軸向定位采用預拉伸結構，以獲得高剛性和高精度。(3)主軸箱的改造 普通機床主軸旋轉是由三相異步電動機經(jīng)變速箱驅動，利用電磁離合器或液壓操縱桿，實現(xiàn)主軸的有級變速和正反轉。而數(shù)控機床的主軸采用交、直流調速系統(tǒng)，實現(xiàn)主

6、軸的無級調速。普通機床在數(shù)控改造時，一般保留原主軸箱，不做改動或少做改動。2.數(shù)控機床改造前技術準備1)機械部分準備 為配合電氣改造而進行的機械設計等應先期進行，考慮施工工期，對停機后需拆、改、加的部分做好周密計劃，提出明確目標要求，與整個改造工作銜接得當。2)新系統(tǒng)資料消化 新系統(tǒng)有許多新功能和新要求，改造前應熟悉技術資料，包括系統(tǒng)操作使用手冊、編程手冊、安裝調試說明、PLC梯形圖等。要有充足的時間去消化、整理、核對，做到思路清晰，層次分明。3)新舊系統(tǒng)接口的設計 根據(jù)每臺設備改造范圍不同，要有針對性進行接口的設計。4)人員的技術培訓 提前對操作人員和編程人員進行新系統(tǒng)知識培訓，否則將影響改

7、造后機床的迅速投入生產(chǎn)。培訓內容有新系統(tǒng)操作使用方法、新舊系統(tǒng)的差別、維護保養(yǎng)知識等。重點內容是操作說明書和編程說明書。5)調試步驟與驗收標準的確定 調試步驟可從簡到繁，先局部后全局。驗收標準是對新系統(tǒng)的考核，制定時必須實事求是，不能過高也不能過低。3.數(shù)控機床改造的實施1)原機床的全面保養(yǎng) 機床經(jīng)長期使用后，在機械、液壓、潤滑等方面存在某些缺陷，所以首先要進行全面保養(yǎng)。其次，應對機床精度詳細測量，全面記錄。2)優(yōu)化調整保留的電氣部分 電氣系統(tǒng)若作局部改造，則應對保留電氣部分進行保養(yǎng)和優(yōu)化調整。如元器件更換，電動機的保養(yǎng)，變壓器的烘干增加絕緣處理，通風冷卻裝置的清洗，伺服驅動裝置的最佳化調整，

8、電纜線的更新，連接件的緊固等。3)原系統(tǒng)拆除 原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙仔細進行，及時做出標記，防止遺漏或過拆(局部改造情況下)。拆下的零部件應分類放置，妥善保管，以備萬一改造不成功或局部失敗時恢復使用。切忌大手大腳，亂扔亂放。4)新系統(tǒng)固定及布線 根據(jù)設計圖紙，合理進行配置，包括箱體固定、面板安放、元器件安裝等。布線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、美觀可靠。5)調試 調試必須按事先確定的步驟和要求進行，調試人員應頭腦冷靜，隨時記錄。調試中首先測試安全保護系統(tǒng)靈敏度，防止人身、設備事故發(fā)生。然后按照先空載后加載、先模擬后實動、先手動后自動的原則調試。7.2 機械系統(tǒng)的改造7.2.1 CA6140

9、臥式車床的數(shù)控改造1.導軌副 常采用貼塑導軌，即在原來導軌上粘貼聚四氟乙烯導軌軟帶，這樣機床大部分零部件不需要更換與加工，改裝工作量小、周期短、費用少。2.進給傳動鏈 普通車床的傳動鏈有X、Z兩個軸。Z坐標軸為縱向伺服(步進)電動機聯(lián)軸器(減速箱)縱向滾珠絲杠大拖板，使縱向獲得不同的位移和速度。X坐標軸為橫向伺服(步進)電動機減速箱橫向滾珠絲杠橫滑板，使橫向獲得不同的移移和速度。絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度，絲杠的選用主要取決于加工工件的精度和滿足拖動轉矩的要求。當被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差等，滑動絲杠應不低于6級，若螺母間隙過大則應

10、更換。滾珠絲杠傳動效率高，且精度高，壽命長，可滿足較高精度零件加工要求。改造后，原橫向進給傳動鏈中的絲杠和光桿由滾珠絲杠取代，Z軸伺服電動機和滾珠絲杠之間可采用同步齒形帶聯(lián)接，如圖7.1所示。由于同步齒形帶的柔性，可克服由于電動機軸和絲杠不平行而引起的振動。X軸滾珠絲杠采用一端支承的方式。圖7.1 伺服電動機與滾珠絲杠的安裝1伺服電動機 2同步齒型帶 3減速箱體 4連軸器 5滾珠絲杠螺母副 6支承座3.主傳動改造后數(shù)控系統(tǒng)可控制主軸的正反轉和停止。在加工螺紋時，為保證主軸每轉一轉，刀具準確移動一個導程，需配置編碼器作為主軸位置信號的反饋元件。編碼器可以通過彈性聯(lián)軸器與主軸同軸聯(lián)接，也可以安裝在

11、掛輪軸上，通過同步齒帶與主軸1:l傳動。同軸安裝方式結構簡單，如采用橡膠管柔性聯(lián)接，在實現(xiàn)角位移信號傳遞的同時，又能吸收車床主軸的部分振動，從而使編碼器運轉平穩(wěn)，但會妨礙主軸通孔的使用。編碼器安裝時，為防止損壞光碼盤，不能有較大的沖擊和振動。車床主軸的轉速必須小于編碼器最高允許轉速。圖7.2為同軸主軸脈沖編碼器的安裝示意圖。圖7.2 主軸編碼器的安裝1編碼器 2橡膠管 3主軸 4主軸箱4.刀架的改造對普通車床刀架的改造，采用電動轉位刀架取代原手動立式刀架。LD4系列電動立式刀架，如圖7.3所示。刀架的定位過程如下：系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(T信號)刀架電動機正轉刀臺上升并轉位刀架到位發(fā)出信號刀架電動機

12、反轉初定位精定位夾緊刀架電動機停轉換刀應答。刀具的到位信號由4個霍爾開關檢測，當?shù)杜_旋轉時，帶動永久磁鐵旋轉，霍爾開關輸出刀具到位信號。圖7.3 LD4系列電動刀架1罩殼 2刀架 3刀架座 4刀架電動機5霍爾開關 6永久磁鐵7.2.2 X62W立式銑床的數(shù)控改造圖7.4所示為數(shù)控改造后的X62W銑床傳動示意圖。保留原機床的主軸旋轉運動和原機床縱向(X軸)和橫向(Y軸)的手動進給部分。在手輪和進給機構中間加一離合器1.進給機械改造取消原工作臺縱向(X軸)、橫向(Y軸)及垂直方向(Z軸)絲杠進給機構，安裝滾珠絲杠。為了使改造后的機床外觀造型協(xié)調和均衡，伺服電動機不是直接裝在工作臺的滑鞍上，而是增加

13、了變速箱，采用二級傳動方案。同時為提高傳動進給精度，在橫向與縱向減速齒輪上采用雙片齒輪錯齒法消除間隙，在升降臺錐齒輪上用軸向壓簧調整法消除問隙。在錐齒輪一側安裝單向超越離合器及摩擦片式制動器，解決滾珠絲杠的自鎖問題。2.銑床導軌改造采用貼塑導軌，粘貼工藝簡單、易行。圖7.4 改造后銑床的傳動系統(tǒng)簡圖1主軸箱 2工作臺 3X Y Z軸伺服電動機 4主軸電動機 5床身 7.3 電氣控制系統(tǒng)7.3.1 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)以上海開通數(shù)控公司KT400-T數(shù)控系統(tǒng)與KT300驅動裝置聯(lián)接為例，介紹經(jīng)濟型車床數(shù)控系統(tǒng)的電氣控制。1.系統(tǒng)面板及功能1)KT400-T數(shù)控系統(tǒng)的操作面板，如圖7.5所示。(1)CRT

14、 顯示操作方式、執(zhí)行的程序和程序段、軸的坐標值、跟隨誤差、進給率、主軸轉速、刀具、報警等信息。(2)功能鍵 主要有操作方式、顯示方式、前后移動(和)、刪除、檢索、清除等鍵。(3)輸入鍵 將數(shù)據(jù)輸入到CNC存儲器內。(4)循環(huán)啟動鍵 按下循環(huán)啟動鍵，系統(tǒng)開始運行程序，機床進入自動加工狀態(tài)。(5)循環(huán)停止鍵 按下循環(huán)停止鍵，CNC停止執(zhí)行程序。(6)復位鍵 使CNC回到初始條件。(7)主軸速度修調鍵：用于修調主軸旋轉速度。(8)進給倍率修調鍵 用于修調已編入程序中的進給速度，以及在各種不同手動方式時的進給速度(連續(xù)、增量和手搖脈沖發(fā)生器)。(9)手動方向鍵 手動操作時移動X或Z軸的正、負方向。圖7

15、.5 KT400-T系統(tǒng)操作面板1CRT 2數(shù)字 3字母 4輸入 5功能 6循環(huán)停止 7復位 8循環(huán)啟動 9進給倍率 10主軸倍率 11手動2)接口 圖7.6為KT400-T系統(tǒng)背面接口示意圖。(1)A1端口 X軸指令輸出，9芯連接器。(2)A3端口 Z軸指令輸出，9芯連接器。(3)A4端口 主軸編碼器和手搖脈沖發(fā)生器信號輸入，15芯連接器。(4)I/O1端口 強電箱的輸入和輸出信號，37芯連接器。(5)I/O2端口 強電箱的輸入和輸出信號，25芯連接器。(6)A5端口 RS232C通信接口，9芯連接器。圖7.6 KT400-T系統(tǒng)背面接口示意圖1A1端口 2、3I/O1 I/O2端口 4、5

16、、6A3、A4、A5端口 2.進給驅動及步進電動機步進電動機采用110BYG550系列，五相步進電動機步距角為0.36/0.72，Z軸步進電動機轉矩為12Nm，X軸為9Nm。步進驅動裝置為KT300，該裝置采用環(huán)形分配集成電路、MOSFET功放器件、恒流斬波技術。數(shù)控系統(tǒng)KT400-T和步進驅動裝置KT300及步進電動機的連接關系，如圖7.7所示。系統(tǒng)中A1和A3端口與驅動裝置的信號連接有單雙脈沖兩種工作方式，即雙脈沖正轉(CW、)、反轉(CCW、)或單脈沖(CW、)加方向信號(DIR、)。主軸脈沖反饋信號有六脈沖輸出，即辨向脈沖A、，B、和零標志C、，其它有電源0V和5V、屏蔽FRAME。3

17、.電氣控制1)I/O信號 圖7.8中a)、b)分別為I/O1、I/O2的輸入、輸出信號定義。圖7.8 I/O接口信號定義a)I/O1 b)I/O22)主軸及刀架控制圖7.9 主軸及刀架控制a)控制電路 b)主電路7.3.2 半閉環(huán)電氣控制系統(tǒng)1.數(shù)控系統(tǒng)機床采用的MELDAS 50數(shù)控系統(tǒng)具有如下特點：(1)采用32bit RISC(精簡指令微處理器)的超小型數(shù)控裝置。(2)利用高速串行方式與高性能的伺服系統(tǒng)連接，實現(xiàn)了全數(shù)字式的控制最多控制四個進給伺服軸及兩個主軸。(3)通過高速串行連接，實現(xiàn)與I/O裝置的配置，并可在數(shù)控系統(tǒng)的MDI(手動數(shù)據(jù)輸入)面板上，直接進行梯形圖開發(fā)，無需專用梯形圖

18、編程器。2.伺服系統(tǒng) MDS-A-SVJ交流伺服驅動單元與MELDAS 50CNC組成全數(shù)字式的伺服控制。伺服驅動單元通過串行通信的方式，接受系統(tǒng)的指令脈沖，完成位置控制和速度控制。伺服驅動采用IGBT功率晶體管及SPWM控制技術。圖7.10為數(shù)控系統(tǒng)與MDS-A-SVJ交流伺服驅動的連接示意圖。CNC與驅動單元通過總線進行通信。CNC將處理結果通過SEVRO端口輸出位置控制指令至第l軸驅動單元的CNlA 端口，伺服電動機上的脈沖編碼器將位置檢測信號反饋至驅動單元的CN2端口，在驅動單元中完成位置控制。由于總線通信，第2軸的位置控制信號由第1軸驅動單元上的CNlB端口輸出至第2軸驅動單元上的C

19、NlA口。第3軸的位置控制信號由第2軸驅動單元上的CN1B端口輸出至第3軸驅動單元上的CN1A口。3.機床電源 數(shù)控機床根據(jù)不同的負載性質和要求，提供不同容量的交、直流電壓，分別輸送到數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)、輸入/輸出接口、機床強電控制系統(tǒng)等電路。圖7.11是ELDAS 50系列CNC裝置及伺服驅動的電源配置。主電源開關QF1實現(xiàn)自動過載和短路保護，在驅動部分，由斷路器QF2和變壓器TC1，將三相交流380V變換為三相交流200V。TC1是隔離變壓器，其作用一是變換交流電壓，滿足主軸和進給伺服驅動單元電源電壓等級要求；二是進行電源隔離，防止高頻信號干擾。在直流電源部分，考慮整流器容量以及避免干擾對I/O信號的影響，將直流+24V電源分兩路輸出，整流器VC1輸出的直流電壓作為機床操作面板指示燈顯示電源。整流器VC2輸出的直流電壓提供給中間繼電器線圈、接近開關、各類按鈕和行程開關。圖7.11 MELDAS 50及伺服系統(tǒng)電源配置