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1、1引言随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。目前，机械加工对机床不仅要求具有高的精度和生产率，而且还要具备柔性，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。数控机床很好的解决了形状复杂、精密、多变的零件加工问题。它具有适应性强、较高的加工精度、稳定的加工质量和高生产效率的优点。数控机床在机械制造业中的地位越来越重要。数控机床是以数控技术为代表的高新技术，应用于传统制造业和新型制造业形成的机电一体化产业，是现代工业的数字化装备。是一种高度的自动化机床，利用数字信息对机械运动和工作过程进行控制，灵活而高效，技术复杂，成本较高。随着电子技术、自动化控制、计算机技术、数字
2、信息技术、电动机技术的发展和电子产品成本的降低，特别是现代计算机控制技术和精密测试等技术的飞速发展，数控技术也随着迅速向前发展，推动了数控设备更快的更新换代和不断地扩展使用范围，数控机床在机械制造业中被广泛使用。许多老式通用机床已不能胜任现代加工业的技术要求，旧式数控机床也由于受到当时科学技术的限制，系统分辨率不高，机床精度也达不到要求，甚至由于使用年限较久，电器元件老化而使系统不能正常工作，面临淘汰。由于购买新型数控机床花费较高，许多机械制造公司都在试图通过将老式通用机床改造为数控机床，将旧式数控机床升级改造为新式数控机床来提高机床的技术性能。2第一章 改造方案分析1.1 选择数控系统我公司
3、瑞士生产 SIP 740 龙门式铣床，原数控系统采用 BOSCH MICRO 8 系统，伺服系统采用直流调速系统驱动四个进给轴直流电机，采用感应同步器作为位置检测。该机床已使用二十多年，原数控系统和电气控制系统元器件已老化不稳定，故障频繁无法正常工作而耽误生产，而机床的机械性能还基本良好。于是 2008 年决定利用日本 FANUC 0i MD 数控系统对其电气控制系统进行技术升级改造。1.1.1 日本 FANUC-0iMD 数控系统的特点FANUC 0i MD 是 BEIJING-FANUC 公司的新一代通用型 FANUC 数控系统产品，数控系统在电气结构上主要有： CNCComputer N
4、umerical Control 即计算机数字控制系统 内置 PMCProgrammable Machine Control 及接口电路。 主轴及伺服驱动装置。其 CNC 系统平台及软件完全由 FANUC 公司开发，没有 Windows 界面，整个数控系统由 CNC、伺服及主轴驱动、内置 PMC（programmable machine tools control）软件及 I/O 电路组成和外围开关组成。硬件采用 SMT表面贴装，有较完善的保护措施。FANUC 对自身的系统采用比较好的保护电路。系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维
5、修、更换。驱动采用及 及 i 系列 及 i 系列全数字伺服装置，特别是 i 系列伺服控制器,CNC 至伺服采用 FSSB（Fanuc Serial Servo BusFANUC 串行伺服总线）结构，反馈装置采用高分辨率编码器，分辨率可达 100 万/转。各伺服轴挂在 FSSB 总线上，实现总线控制结构。光缆传输，具有 HRV1HRV4High Response Vector（高精度矢量控制）功能，大大提高伺服控制的刚性和跟踪精度，可以实现高速高精度轮廓加工，FANUC 0i MD 最多可控制 5 个伺服轴，可同时控制 4 个伺服轴（四轴联动） 。主轴控制也引入 HRV 技术，实现高响应矢量控制
6、，提高主轴速度和位置控制精度。其目的是对交流电机矢量控制从硬件和软件方面进行优化，以实现伺服装置的高性能化，从而使数控机床的加工达到高速和高精度。主轴电机同样采用全数字指令控制技术，基于伺服电机的主轴控制，最多可控制 2 个主轴，全数字主轴电机可以实现双轴同步，C 轴定位（实现位置控制） ，而主轴装置的HRV 控制特点：设置 HRV 滤波器，减少机械谐振影响，加大速度增益，提高3系统稳定性。精调加减速，提高同步性。降低高速时绕组温升。FANUC 0i MD 数控系统具有很强的 DNC 功能，具有标准嵌入式以太网和提供串行 RS232C 传输接口，使通用计算机 PC 和机床之间的数据传输能方便、
7、可靠地进行，从而实现高速的 DNC 操作。FANUC 系统提供大量丰富的 PMC 信号和PMC 功能指令，这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧 PMC 控制程序，而且增加了编程的灵活性。提供丰富的维修报警和诊断功能,维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。FANUC 系统运行可靠,调试容易, 并且具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为 045，相对湿度为75。这对于生产环境相对较恶劣的机械加工行业尤为重要。因为其具备上述优点，所以在国内外得到了广泛应用。图 1-1 为 FANUC 0i MD 系统外观
8、图，图1-2 为 FANUC i 系列主轴与伺服模块以及主轴与伺服电机。图 1-3 为内置 PMC的梯形图画面，图 1-4 为 I/O 单元（接口电路）外观图。图 1-1 FANUC 0i MD 系统 图 1-2 FANUCi 系列主轴与伺服图 1-3 内置 PMC 图 1-4 I/O 单元（接口电路）1.1.2 改造方案1 数控系统部分： 采用日本 FANUC-0iMD 数控系统实现机床的手动自动操作功能。基本配4置：显示器采用 10.4 寸 LCD，配置外挂手摇脉冲发生器可实现快速对刀。 采用四套 FANUC i 系列交流伺服放大器代替原 X、Y、Z、W 轴伺服单元。 采用四台 FANUC
9、i 系列交流伺服电机代替原机床 X、Y、Z、W 轴直流伺服电机。 用 FANUCi 系列交流主轴放大器及电机代替原机床主轴伺服单元及电机。 更换伺服电机的动力电缆、反馈电缆,插头。 数控系统配置存储卡接口，实现程序、参数的双向传输。2 测量部分： 选用 FAGOR G 系列光栅尺作为三个直线坐标轴全闭环的位置检测，接入新的数控系统，使机床 X、Y、Z 坐标轴的位置控制实现全闭环控制。X 轴行程为 1540mm、Y 轴行程为 1000mm,Z 轴行程 300mm，数控系统控制分辨率达到0.001mm。 由于 W 轴的特殊性不适宜安装光栅尺，采用半闭环控制。 3 强电部分： 更换电气柜内伺服变压器
10、、控制变压器继电器，空气开关、接触器。 依据原操作方式，设计、制作机床操作面板；在原操作箱上重新布置操作面板、显示器。4 机械部分： 制作 X、Y、Z、W 轴各伺服电机以及主轴电机与机床传动联接的法兰盘，保持原传动方式；根据电机轴尺寸、丝杠尺寸安装新的联轴节。重新制作电机侧的同步带轮。 在改造过程中不改变机床本体结构。 为提高机床的定位精度和重复定位精度，改造完成后，使用双频激光干涉仪对 X、Y、Z、W 四个直线轴的坐标进行检测，并在数控系统上对滚珠丝杠的螺距误差补偿，使精度控制在 5m 以内。5 机床程序设计及调试： 根据原机床逻辑顺序，重新编制 PMC 电气逻辑控制程序，匹配调整机床参数，
11、数控电气控制系统。 完成对现场机床数控电气控制系统的整体安装连接调试。6 技术要求 保证新系统稳定可靠运行；系统具有四轴四联动功能，由于 W 轴的特殊性，决定其不参与联动，但参与坐标编程。 数控系统实现中文显示功能、实现梯形图动态诊断显示功能等先进的辅助维修、操作功能。7 电气控制部分机床电气控制部分从安装位置上可分为电气控制柜、吊挂操作箱、两部分。5电气控制柜在机床后侧，柜内分别安装有断路总开关、控制变压器、交流接触器和控制开关、主轴及进给伺服驱动单元等。吊挂操作箱上装有 0i-MD CNC 数控系统与 LCD 显示器、MDI 手动数据输入面板合为一体的单元、标准机床操作面板、标准操作子面板
12、和手动按钮小面板。第二章 机床运动控制说明和 PMC 程序设计要重新编制 PMC 电气逻辑控制程序，必须熟悉出原机床运动控制逻辑顺序。数控机床分为“NC 侧”和“MT 侧” （即机床侧）两大部分。 “NC 侧”包括 CNC系统的硬件和软件，与 CNC 系统连接的外围设备如显示器，MDI 面板等。 “MT 侧”则包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑等辅助装置、机床操作面板、继电器线路、机床强电线路等。PMC 处于 NC 与 MT 之间，对 NC 和 MT 的输入、输出信号进行处理。MT 侧顺序控制的最终对象随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大的差别。机床结构越复杂，辅助装置越多
13、，最终受控对象也越多。2.1 机床运动控制说明2.1.1 机床部分元件英汉对照机床电气机械和说明书为英文版，将部分元件英汉对照列于下面：Pressure switches 压力开关SP1 pressure max (hydraulic system) 液压系统最大压力SP2 pressure min (hydraulic system) 液压系统最小压力SP3 hydrostatic bearing (quill) 齿轮箱/套筒润滑油压报警SP4 air cooling of spindle motor 主轴冷却润滑报警SP5 air pressure survey 系统气压测量SP6 air
14、 pressure survey(cabinet) 平衡缸气压测量SP7 cross rail unclamping 横梁松开液压压力测量Control switches 控制开关SQ1-1 home W W 回零开关 SQ1-2 stop W+ +W 极限开关 SQ1-3 panic W+ +W 急停开关SQ2-1 stop W- -W 限位开关SQ2-2 panic W- -W 急停开关SQ5-1 home X 回零开关SQ5-2 stop X+ +W 极限开关6SQ5-3 panic X+ +W 急停开关 SQ6-1 stop X- -X 极限开关 SQ6-2 Panic X- -X 急
15、停开关 SQ7-1 Home Y Y 回零开关SQ7-2 Stop Y+ +Y 极限开关SQ7-3 Panic Y+ +Y 急停开关 SQ8-1 Stop Y- -Y 极限开关SQ8-2 Panic Y- -Y 急停开关SQ9-1 Stop Z+ +Z 极限开关SQ9-2 Home Z Z 回零开关 SQ10-1 Stop Z- -Z 极限开关SQ13 Indexed spindle stop 主轴定向SQ14 Selector fork position 变速拨叉位置 ISQ15 Selector fork position 变速拨叉位置(0+III)ISQ16 Selector fork position 变速拨叉位置(0+III) IISQ17 Selector fork position 变速拨叉位置 II SQ18 Motorised speed Z switched off 拉杆手动SQ19 Position of push pull level lock 推拉销闭锁 SQ28 slow down +Z 慢速SQ29 accurate indexing of
