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1、文献综述普通车床简易数控电气部分改造的实践与研究1刖亏数控车床作为机电一体化的典型产品，是机械制造业中使用量最大、覆盖面最广 的一种数控机床，主要用于加工各种轴类、盘类等切转体零件。其可以很好地解决现 代制造中的复杂形状回转类零件的加工问题，能稳定加工质量，提高劳动生产率。但 其价格较昂贵、一次性投资大，往往使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，数 控化的道路漫长，对普通车床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。普 通车床的数控化改造具有针对性强、大大节约原材料和资金以及扩大机床应用范围等 优点，因此，走改造之路不失为上策普通车床改造成数控车床是指对普通车床某些部位机械结构做一定的改
2、造，加上 数控装置，从而使普通车床具有数控加工能力。从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥车床的原有功能和改造后的新增功 能，提高机床的使用价值；数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。数控改造费 用仅为新购一台数控车床费用的15%。25%,同购置新车床相比，一般可以节省75% 85%的费用；增强了功能，如圆弧加工、锥度加工，这是传统加工方法难以实现的； 交货期短，可满足生产急需。机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到 3%o用普通车床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货 期长。社会拥有大量的普通车床，把这种车床改造为数控车床，会收到良好
3、的经济效 益。还有许多学校的实习工厂，如果把普通车床改造为数控机床，在降低成本的同时, 又方便了教学和培训的各环节。我国*前经济型数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。1步进电机拖动的开环系统。该系统的伺服驱动装置主要是、功率步进电机、电液 脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步 进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频 率以及通电顺序和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入 端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮 丝杠等传动元件的节距精度。所以系统的
4、位移精度较低，其定位精度一般可达 +0.02mm.如采取螺距误差及传动间隙补偿，定位精度可提高到+0.01mm. 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。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个”永恒”的课题。我国的机床 改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，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。从事再生业的著名 公司有：Bertsche T.程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bul
5、lavd (得宝)服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装 (Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代 田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等.我国H前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床 数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18 亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄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(美国 和日本自动
6、和半自动机床占60%以上)。可见我们的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。用这种装 备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国 际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生 存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很 多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。 事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的 经济效益。二主题 车床主要结构及
7、运动形式1主要结构进绘籍2运动形式1) 主运动：工件的旋转主轴电机一-主轴箱一- 三爪卡盘一-工件2) 进给运动：刀架的纵向与横向直线运动主轴箱一- 挂轮箱一-进给箱一- 光杠/丝杠一- 溜板箱一- 刀具2车床数控技术的基本概念数控技术，简称数控(NumcricalControl)o它是利用数字化的信息对机床运动及加 工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系 统的机床称为数控机床。在普通的漏电断路器上增加判断处理单元。要实现对机床的控制，需要用儿何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺 信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速度、主轴转速、主轴正
8、反 转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工程序，通过数控系统的 译码，从而使机床准确地动作和加工出优质的零件。3数控机床的组成和分类数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组 成(1) 输入输出设备输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印。(2) 数控装置数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的 要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。(3) 伺服系统伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服 电路和伺服电机组成。-般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快
9、速响应性能，能 灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。(4) 测量反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反 馈给数控装置，构成闭环控制系统。(5) 机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。1.3.2数控机床的分类按伺服系统的控制原理可分为：开环控制的数控机床、半闭环控制的数控机床和闭 环控制的数控机床。(1) 开环控制的数控机床这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置将零件程序处理后，输出数字信号给 伺服系统.驱动机床运动。指令信号的流程是单向的。如图12所示。开环控制的数控机床(2) 闭环控制的数控机床这类机床带有检测装
10、置。它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈信号，将其与 数控装置发来的指令位置信号相比较，由其差值控制进给轴运动，直到差值为零，进 给轴停止运动。闭环控制的数控机床闭环控制可以消除包括工作台传动链带在内的误差，从而定位精度高、速度调节快, 但由于工作台惯量大，给系统的设计和调整带来很大的困难，主要是系统的稳定性受 到不利影响。(3) 半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床与闭环控制得到数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自 工作台。而是来自电动机端或丝杠端连接的测量元件。半闭环控制的数控机床实际位置的反馈是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因-而控制精度没 有闭环高，但机床工作的稳定
11、性却由于大惯盆工作台被排除在控制环外，调试方便， 因而广泛用于数控机床中。4伺服电气控制系统伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速 度及动力输出的自动控制系统。如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程，它是 以空中的目标为输入指令要求，雷达天线要一直跟踪H标，为地面炮台提供目标方位; 加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传 送给计算机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。 绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机 构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。制
12、系统伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速 度及动力输出的自动控制系统。如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程，它是 以空中的目标为输入指令要求，雷达天线要一直跟踪目标，为地面炮台提供目标方位;加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传 送给计算机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。 绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机 构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。一伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析,
13、伺服控制系统一般包括控制器、被控对象如图6-1给出了系统组成原理框图。1比较环节是将输入的指令信号与统的反馈信号进行比较，以获得输出与输 的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算 机来实现。2控制器 通常是计算机或PID控制电图6-1伺服系统组成原理框图路，主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动 作。3执行元件 作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械 能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动 伺服机构等。4、被控对象 是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。一般包 括传动系统、执行装置和负载。5检测环
14、节 是指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装 置。一般包括传感器和转换电路。在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能儿个环 节在一个硬件中，如测速直流电机即是执行无件乂是检测元件。二伺服系统的分类伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有：1按被控量参数特性分类 按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、 力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统2按驱动元件的类型分类按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系 统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同乂可分为直流伺服系统、交流 伺服系统和步进电机控制伺服系统。
15、3按控制原理分类 按自动控制原理，伺服系统乂可分为开环控制伺服系统、闭 环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维护，但由于没有检测环节，系统 精度低、抗干扰能力差。闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根据输出与输 入的偏差，实时调整执行过程，因此系统精度高，但成本也大幅提高。半闭环控制伺 服系统的检测反馈环节位于执行机构的中间输出上，因此一定程度上提高了系统的性 能。如位移控制伺服系统中，为了提高系统的动态性能，增设的电机速度检测和控制 就属于半闭环控制环节。5主轴变频部分主要的参数和性能指标：(1) 3.0kw数控车床电动机参数：额定功率：3.0kw;额定频率:50hz;额定电压:380v;额定电流：7.8a;额定转速:970r/min;机械传动比加工材料：45#钢；实际测试性能指标：主轴转速:200r/min (变频器运行频率15hz左右)的进刀性能及速度。(2) 5.5kw数控车床电动机参数:额定功率：5.5kw;额定频率：50hz;额定电压:380v;额定电流:13a;额定转速:1400r/min;机械传动比加工材料：45#钢；实际测试性能指标：主轴转速:200r/min（变频器运行频率910hz）;主轴转速:450r/min（变频器运行频率22hz左右）的进刀性能及速度。4 g9系列变频器
