卧式加工中心数控系统设计及实现

哈尔滨工程大学硕士学位论文 卧式加工中心数控系统设计及实现 姓名:郭鑫 申请学位级别:硕士 专业:控制工程 指导教师:朱齐丹 2012-06-12 卧式加lt}一心数控系统设计及实现 数控机床是数字控制机床(Computernumericalcontrolmachinetools)的简称,是拥有一套 数字程序控制系统的N-N自动化机床。彩客彩票_[官网首页]数字程序控制系统能够运用逻辑处理方式,控制编码和 指令规定,使程序译码,从而使机床运动完成数控加工零件【lJ。具有高精度、高效率、高自动 化、高经济效益和高适应性的特点。随着先进制造业的不断发展,对数控加工中心的数控系统 进行全新设计及工程实现,已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。 本论文详细介绍了MAH01600S加工中心工程数控化的设计、运用实现的过程。对原加工 中心的机械结构、数控系统、伺服系统等准确分析的基础上,对电控单元模块进行改进,更换 陈旧的MAHOCNC432数控系统,取而代之的是FANUC0i数控系统;采用FANUC公司生产 的数字式交流伺服电机及伺服放大驱动器,取代现有各伺服轴x、Y、z、B及主轴的交流模拟 量伺服电机和伺服驱动控制单元;更换ATC刀库机构及自动换刀机械手、APC工作台自动交 换装置与各类信号传感器元件。对其进行了全新设计并根据机床的具体配置和要求,对机床参 数进行正确设置和调试,延长其使用寿命,进一步提高数控加工的能力,并实现了工程应用。彩客彩票_[官网首页] 本机床数控系统的设计主要完成的工作是对FANUC0iMB数控系统及伺服系统进行选型、 更新电控单元模块、检查修理相应备件、更换陈旧磨损备件、整机的机械与电气的调试满足各 项性能指标、机床交付验收、资料归档等。完成设计实现新型加工中心后,该机床的机械与电 气性能、加工精度完全能够达到我厂航天制造加工零件的高精度、高质量、高效率、高可靠性 的要求。对该加工中心进行设计实现后,通过批量试切零件,在原有基础上,其机械性能、电 器控制性能、数控系统、伺服系统的稳定性和可靠I生、数控程序的编辑功能等综合|生能得到改 善和提高,保证了航天机加制造产品的质量。彩客彩票_[官网首页] 关键词:加工中心;数控系统;PMC控制;设计及实现 f喻尔滨l:榉人学硕十。学位论文 Abstract Computer numericalcontrolmachinetoolsin today’Srepresentation ofmechanicalandelectrical integration ofadvanced equipment,electromechanicalintegratedtechnology inthefieldofmechanical processing computertechnology,automaticcontrol,electricaldrives, measurement technology,precisionmanufacturing,andotherThetechnology focusesononeofthe automation cqmpmem,惦thhighprecision,hiIghefficiency,highautomation,high-cost highadaptability features.Witllthecontinuous development ofadvanced manufacturing,CNCmachining centersforCNC systemdesign engineeringtoachieveafresh,infrontofushasbecomea pressing andarduoustask. This paper describesindetailthe design andCNC machining centerstoachievethe project process.In analysisofthe耐西11almachiningcenterCNC system,servosystems,logic control, basedOnthemechanicalsmlcture,theuseofFANUC0iMBnumericalcontrol system originalMAHOCNC432numericalcontrol system;using FANUC Dig砌Servo unitandaservo motorto replace ongillialDCservounitandaservo motor;using FANUCAC DigitalSpindle spindlemotordrivemoduleto replace 069inalunit andDCservo spindlemotorclosedby HEIDENHAIN Philip substitutethe origill{algratinggrating;replace theX,Y,Zaxisball screws; custombrushlessDCmotorsreserved.Itsanew design andthe specificconfiguration Of位machine requirementsofmachinetoolparameters areset correctly engineeringapplications.The design oftheCNC system isthemajorworkdone:CNC system andservo system selection, thecontrol system design,extemalinterfacecircuit,PMC programdesign,numerical control systemparametersetting,mechanical,electricalpartsInstallation,mechanical,hydraulicpart adjustment,thewholeofthemechanical,electrical testing,inspection machines, data archiving.Aftercompletion ofabovework,themachine’S performance accuracycan satisfy 0111"plant forthemanufacture ofhighprecision,hi曲efficiency,hi曲reliabilityrequirements.The me oftheCNC machining businessafterthebatch processingofobjects,running goodcondition,getabettereconomicandsocialbenefits. Keywords:processingcenter;NCsystem;PMCControl:designing fulfilling第卜蕈绪论 绪论1.1研究课题的背景及意义 1.1.1课题来源 MAH0 1600S加工中心为我厂80年代术期设备引进项目之一,于1990年从德国 MAHO公司引进,数控系统为MAHOCNC432,MAH01600S为四坐标X、Y、Z、B 四轴加工中心,同时具备双工位工作台自动交换功能(即APC功能),刀库刀具自动 交换功能(即ATC),加工精度和效率比较高,为此,在3DM工程立项中被列为AMS 系统直接上线设备。自1991年投入生产运行后,在型号生产线上一直承担着关重件的 数控加工,被列为我厂的关键设备,在航天机加零件DH-r:中起重要作用。 1.1.2研究意义 MAH01600S加工中心是我厂制造航天机加零件的重要设备之一,该加工中心的功 能较齐全,主要机械精度的保持性较好、刚度要求到达,因此对该加工中心实施新型技 术设计与实现是形式所趋,性价比高。在对原加工中心的性能、技术状态、机械结构等 进行仔细分析后,制订了如下新型数控系统设计及实现:对电控单元模块进行改进,更 换陈旧的MAHOCNC432数控系统,取而代之的是FANUC0i数控系统:采用FANUC 公司生产的数字式交流伺服电机及伺服放大驱动器,取代现有各伺服轴X、Y、Z、B及 主轴的交流模拟量伺服电机和伺服驱动控制单元:更换ATC刀库机构及自动换刀机械 手、APC工作台自动交换装置与各类信号传感器元件。本加工中心实施设计实现工作具 体为:数控系统的选型、伺服系统的选型、设计实现新型控制系统连接,设计实现新型 外围接口电路、设定相之匹配的数控系统参数、设计新PMC程序、安装更新后的电气 部分,修理和调整更新后的机械、液压部分、调试匹配后整机的机械、电气、最后数控 加工中心的验收、相关资料归挡。在完成以上更改设定、实现设计后,该数控加工中心 从性能上大幅度的提高,加工精度也已经大大超过改造前的加工中。tl,完全能够满足我 厂同趋生产任务的不断增加,保证我厂机加零件高精度、高可靠性的要求,与同级别进 口加工中心相比,性价比很高。 哈尔滨I.f、!人’了:顸卜;::何论文 1.2数控加工中心的历史和发展趋势 1.2.1历史 数控加工中心在机械加工领域、电气技术方面是一套综合型的机电一体化产品,它 包括了计算机与微电子、信息处理、自动控制与检测、电动机与牵引,电缆、精密测量、 气液压及现代机械制造技术等多种先进技术,具有精度高,效率高、可靠性强、适应性 强、柔性化、多轴化、软硬件开放化、实时智能化的特点。数控机床的使用,是今后我 国工厂自动化的基础。新的数控机床和加工中心已成为柔性制造单元(FMC)、柔性制 造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)的无人自动工厂(FA)一项不可缺少 的基本设备。 随着科技的发展、电子技术的提高,20世纪中期,自动化技术新概念的引入,带来 了电子计算机、自动信息处理、数据处理的出现,运用数字化信号对机床运动、机械加 工过程运动进行数字化控制,对普通机床数控化起到了推动作用。数控系统控制装置的 发展开始于40年代美国,点位控制的数控机床在60年代末期迅速发展。60年代末期, 英国研制出具有柔性的加工系统数控机床,这就是所谓的柔性制造系统(Flexible ManufacturingSystem&mdash--FMS)之后,欧美、日等国家也纷纷进行开发及应用。彩客彩票_[官网首页] 70年代中期,科技技术迅速发展,微电子技术广泛应用,数控机床使用微处理器,加强 了数控的软件功能,发展成为计算机数字控制机床(简称为CNC机床),使得数控机 床在全球普及应用,并在欧美日等发达国家中得到了大力发展。90年代时期,PC机基 于模块化、可重构、可扩展的开放式数控系统已得到快速发展。目前,柔性制造系统正 从机械加工向板材剪裁、锻压、焊接、装配等广泛领域扩展,从单件产品加工、小批量 加工产品逐步转向到大批量加工方向发展。 1.2.2国内研究现状 数控加工中心是最初的普通机床而改进发展变化而来。它是由计算机控制,数字控 制模式,普通机床上联系各坐标方向复杂齿轮传动链运动,由各个坐标方向的运动伺服 电动机驱动取代。彩客彩票_[官网首页]它的工作原理是几何信息和程序编译过程的信息处理,输入设备送入 计算机,计算机信息处理和插值运算,根据组件的坐标轴的驱动电路,经过转换后,放 大去驱动伺服电机,驱动各运动轴,反馈控制轴,精确到所需的位置。 数控加工中心扩展到各个机械行业,从生产方式的演变、基础管理的增强、产业结 构的变化来看,其利益产业链条、扩展范围的能力是不可预计的。中国目前共有超过500 绪论余力.普通机眯,数控力工中总数也达剑20/J,我因数控化普及率还没仃达剑4%。近 20年来,在中}目的数控机床年均产量约1—3/,J‘台,所产生的经济效益达到约30亿元。 我国机床超驯服役问题显露,平均年龄在20年以上的占80%,10年以下的机床中,都 不到30%的自动/半自动机床,柔性制造系统和柔性制造单元自动化生产线更是缺少, 但与国外相比,德国和同本的自动、半自动机床比例已经达到80%以上。 1.2.3国外研究现状 八十年代术、九十年代初大规模的数控加工中心,已经广泛应用于工业发达国家的 军、民用机械行业中,其实质是利用信息技术向传统产业(包括军用、民用机械行业) 开展技术改造与设计实现。在德国和FI本等发达国家,与机床设计作为一个新的经济增 长的行业,企业发展的黄金时代。数控机床和科学技术的不断发展,新型设计多功能数 控机床迫在眉睫。中国机床工业转型从旧到新的数字技术产业。机床,数控技术改造和 生产线在美国,日本,德国,拥有广阔的市场,形成了一个数控机床生产线、新产业。 改造和设计数控机床在美国称为机床再制造行业。作为外国军队在使用它,深入改造的 民用机械工业(称为信息技术),并最终使自己的产品在竞争激烈的国际军事和民用市 场大大增强。如拥有中国的数控机床,该比例的数控机床(数控率)在1905个只有1.9%, 而1994年同本达到20.8%,所以每年大量出口机电产品。 1.2.4数控加工中心的发展趋势 数控加工中心在机械加工领域、电气技术方面是一套综合型的机电一体化产品,它 包括了计算机与微电子、信息处理、自动控制与检测、电动机与牵引,电缆、精密测量、 气液压及现代机械制造技术等多种先进技术。随着柔性制造生产技术的大大发展,数控 加工中心正往具有精度高,效率高、可靠性强、适应性强、柔性化、多轴化、软硬件开 放化、实时智能化的特点方向发展 1、精度高,效率高、速度高的特点 由于配备了新型的数控系统和伺服系统,数控机床的主轴转速,进给速度和分辨率 都有很大的提高,极大地提高了数控加工的生产效率、加工质量和加工精度。 现代数控机床的数控系统,不仅具有原有的数控补偿功能,也使用了传感器的温度 补偿,空间误差补偿功能及相应的软件,大大提高了机床定位精度。近20年,数控机 床定位精度已达到5至lgm,重复定位精度0.5v.m。普通数控机床加工精度已经提高, 从+59m提高至iJ士29m;精密数控加工中,LDH工精度显著提高,从土2提高到土0.51am。 哈尔浜|.梅人。予:帧tj。’j::{i7论文2、可靠性高的特点 数控系统的高可靠性决定了数控加工中心的可靠性。现代数控机床数控系统,采用 模块化的硬件结构。根据功能需要,各种数控机床,选择不同的功能模块组合。设计和 制造这些功能模块进行优化,通用,标准化的原则指导下进行,从而大大提高可靠性的 数控产品。 在丰富的数控软件支持下,现代数控机床具有较完善的数控功能。除了直接用于加 工的功能外,包括人机对话功能、自动识别负载的功能,自动编程功能、机器保护功能、 刀具管理功能、自动选择功能、自仃馈控制、机床故障诊断和维护功能、电气参数的自适 应计算能力、工艺参数自动生成功能。具备这些特点,既减少了复杂的设备的使用与维 护,而且还大大提高可靠性。例如,当机床中遇到的加工工具折断导致处理中断,数控 系统将刀具位置存储后,在重新输入新刀数据后,自动返回到『F确位置的处理继续进行 处理,避免错误。 3、柔性化、智能化特点 柔性化将是数控加工中心发展趋势。逐步发展向数控加工中心,FA,FMC,FMS, FTL,FML,CIMS,分布式网络集成制造系统,与此同时性价比也大大提高‘21。智能化 也是数控机床发展方向,其构成柔性制造系统与CAD、CAPP、CAM、MTS联合发展, 信息集成发展【3J。 4、软硬开放化 总体结构开放化设计是曰后发展趋势,软硬件的开放性随之迅速发展,满足品种多、 批量小、灵活性和控制的快速的要求欧,现今欧美同有开放式数控系统的设计和生产【21。 5、开发新型数控加工工艺 为了适应机械制造自动化的发展,制造系统不仅完成了普通的处理功能,而且还具 有自动控制、自动测量、自动诊断、自动上下料、自动换刀、自动误差补偿、自动更换 主轴头(有时带坐标变换)、进线和联网功能【41,如工件误差,加工越位,操作失误、 刀具磨损或破损等都能及时予以提示、报警或治疗,可实现无人管理处理。 为满足柔性制造系统(FMS)、柔性制造单元(FMC)、计算机集成制造系统(CIMS), 数控系统配各了现代化的数控机床配备高速远程串口,即RS一232,RS一242[5]。根据所用 机床的要求,同一级别的各种计算机数据交换。高档数控系统通讯接口,可以实现数据 通信在几台数控机床之间,您也可以直接在机器上的控制。 第1章绪论1.3生产现状 近几年来,随着厂内型号研制及其批生产任务的不断增加,该加工中心在生产线上 一直峰持两班或二班超负荷运行,设备的故障率明显增加,威胁到我厂航天机加零件生 产效率,更严重的威胁到产品的质量。其主要存在的问题如下: 1、长时I’白J得超负荷运行,加工中心控制系统部分元器件老化、可靠性降低,数控 系统的PCB板故障率升高。 2、对于MAH01600S加工中心,从机械角度看,机械零件磨损、失效,机床导轨 副存在间隙和磨损,液压系统问题增多。为此,完全具备进行新型设计的必要性。 3、MAH01600S加工中心由于具备APC装置,在3DM工程立项中被列入AMS系 统直接上线设备,但根据3DM工程队AMS生产线相关计算机信息网络集成的基本技术 要求,该加工中一tlMAHOCNC432数控系统从设计上根本就不具备与AMS系统进行计 算机信息网络集成功能,为了满足3DM工程需要,必须对其电控系统进行新系统的设 计及实现。 4、其他:老产品的维修配件性价比不高,如果出现问题,更换周期长,且相应的 参数不全。 1.4数控系统设计的必要性 1.4.1市场需求 l、新型数控加工形式趋势 企业生产过程中,一些制造行业的加工设备与大多数传统生产作业方式,一半以上 用的是老旧设备和落后的机加工序。这些老旧设备加工出产品,难以保证质量的要求, 生产任务到达不少规定时间,产品单一落后且性价比不高。直接影响着航天部门的企业 形象、影响着航天产品的质量进度、更影响我国航天产业的发展,所以新型数控加工中 的普及率要大大增加。 2、数控化设计理念进入市场化 中国的改革开放已经30多年了,国外的先进理念已经步入我国许多企业,从新型 设备的引进、新型工艺技术的开展、作业生产线的技术改造,都在中国日益发展的经济 建设中发挥其功能。因为欧美对中国的制约,一些新技术的引进还不是很到位,正常运 行的设备或生产线出现老化现象,严重影响了航天高精尖之技术的发展【引。即使高精端 设备进入,但保养不当,备件不全,引入功能达到不了预期效果;有的只是对新型设备 的引进,lm忽视了设备中的软件、工艺技术的更新,导致不完整的项日,没有发挥其应有的作用16J。 ‘些加工生产线,产品产销两吐,但由于设备故障,【If以达到生产量,却 无法完成: ‘螳较长时间引进的设备,新技术急需更新。 1.4.2数控系统设计的必要性和迫切性 数控机床比传统机床优势显著,这些优势是从数控系统所包含的计算机的能力。它 可以加工出复杂零件,而传统机床难以处理。利用计算机具有超高的运算能力,迅速、 精确地计算出每个坐标轴运动的瞬间变化量,准确有效地绘制复杂的复合曲线和曲面。 它可以实现柔性自动化处理,从而来提高工作效率到达6—1O倍。由于计算机有记忆和 存储能力,可以输入和存储过程记下来,然后按照程序自动执行命令,从而实现了自动 化。简单的一个过程的更换,使数控机床可以实现小批量工件的生产自动化,也被称为 “柔性自动化”的实现。零件加工尺寸精度高,表面粗糙度高,装配简单,重修率极低。 自动化过程可以实现更集中的一部分,以减少频繁搬运带来的耗时耗力,还拥有无人自 动监控功能、问题自动报警功能、刀具自动补偿功能等,可实现无入化管理的生产作业。 以上好处直接体现了: 1、人力资源的节约(自动化流程可使一人负责多台设备) 2、工装设备的节约 3、生产任务周期减少 4、新型设备带来的新产品迎合了市场需求 开发新产品与收购旧数控加工中心相比,一般可以节省70%至90%的成本,设计 成本低。而且原先加工中心的基础件,如本体、立柱等都是坚固厚重的铸造体构件,而 且经过长时间的时效处理,发生应力变形而影响机床精度的可能性几乎没有,改造后的 加工中心性能良好、质量可靠,比购置的新加工中心系统更为稳定,而且设计实现上风 险性也很低,当做新设备又可继续使用多年。操作者熟悉设备性能结构,加之简单培训 即可上岗操作。 1.4.3数控系统设计的内容 1、满足3DM工程需要,对加工中心进行电控系统的技术设计; 2、采用国外先进数控系统,取代原有数控系统,进行新型系统设计; 3、对磨损机械、陈旧电气部分进行更换,并重新调配、调整,满足自动化程序与 高精度要求; 第1覃绪论4、提高性能采取技术殳新,进行较大规模的技术更新,使用新工艺、新技术,较 大幅度地提高水平的更新设计。 1.4.4数控系统设计的优点 1、性价比高、周期短 引进高精端设备耗时耗力,造价昂贵,而设计实现新型数控系统能节约gO%的精力 和费用,性价比很高。短时I'HJ内交付,只需半年多时问,而购买一台新机床大约需要一 年时间才能到货‘71。 2、机械结构可靠稳定 原先加工中心的基础件,如本体、立柱等都是坚固厚重的铸造体构件,而且经过长 时问的时效处理,发生应力变形而影响机床精度的可能性几乎没有,改造后的加工中心 性能良好、质量可靠,比购置的新加工中心系统更为稳定,而且设计实现上风险性也很 低,当做新设备又可继续使用多年。 3、熟悉设备性能结构 设计改造的实现,充分掌握了设备的性能,提交设备的加工功能。操作者熟悉设备 性能结构,加之简单培训即可上岗操作。 4、新型数控技术成熟 新型数控技术的成熟,选用新型数控系统能提高生产设备的自动化水平、质量加工 有保障、效率高,提高设备档次【81。 1.5本文章节安排 本文章节安排如下: 第一章介绍本课题来源以及研究方向意义,了解数控机床的历史和发展趋势。总 体介绍了数控机床在我厂应用的价值,设计更新新型数控系统的趋势和必要性。 第二章介绍数控加工中心数控系统总体设计方案。从硬件结构设计、伺服系统的 选用、接口连接的匹配这三方面进行设计实现。 第三章实现数控加工中心的硬件设计,设定控制系统中相应参数。 第四章实现数控加工中心的软件设计,可编程计算机控制器的程序编制。 第五章对机械部分进行调整,伺服系统的调试,最后系统验证。 第六章结论 控制系统的总体设计2.1加工中心结构分析 2.1.1结构介绍 MAH0 1600S加工中心为我厂80年代末期设备引进项目之一,于1990年从德国 MAHO公司引进,数控系统为MAHOCNC432,MAH01600S为四坐标X、Y、Z、B 四轴加工中心,同时具备双工位工作台自动交换功能(即APC功能),刀库刀具自动 交换功能(即ATC),加工精度和效率比较高,为此,在3DM工程立项中被列为AMS 系统直接上线设备。白1991年投入生产运行后,在型号生产线上一直承担着关重件的 数控加工,在航天机加零件加工中起重要作用。 |Is 18 {.主轴电机2。主轴自动变速齿轮籍3主辘4.立牲5.Z轴进给饲服电规6.Y轴进给伺服电机7,X轴迸给伺服电枫8.立式夹紧工作台9.复合滑座,O,机座”.控制匿板 12,C辩e装置'3.控铷柜14.NC回转铣潮工作台 1s.换刀装置 憾刀库17.托盘交换装暨 ,8.托盘19.捧屑器 2D.防护翠 图2.1 加:T:中心整体结构 加工中心整体结构为图2.1,该加工中心具有:一个主轴、四个闭环的进给轴、一 控制系统的总体设计个工作台交换装胃、一个刀库、和一个排屑器。j£。}l四个闭环的进给轴为: i个直线坐 标轴x轴、Y轴、z轴,一个环绕Y轴所回转的B轴(如2.2图所示)。7tJll:l:[{,心通过 四个坐标轴的加T进行插补。各坐标轴行程为X=1600mm、Y=790mm、Z=790mm、B 轴为3600回转。 图2.2 JJH_-I中心运动结构 X、Y、Z轴传动方式见流程图2.3 图2.3 X、Y、Z轴传动方式 X轴、Y轴是螺母不动丝杠旋转,Z轴是螺母旋转丝杠不动。三根丝杠的安装支承 方式都为一端自卜h端、另一端为固定端(称为双推一自由方式)【91。Y轴是垂直移动轴, 在其尾部增加了电磁制动器,以防止机床功率转台下降;安全刹车装置安装在丝杠带轮 旁,以防止工作台自由下落;机械挡块安装在丝杠的自由端方向,以防止移动部件离开 极限位置【91。 B轴在加工中心中为回转轴见流程图2.4,液压锁紧方式,回转工作台用于托盘的 支撑、定位、央紧‘91。 哈尔滨r稃人学硕十学位论文图2.4 B轴在加l:中心中为同转轴 主轴传动方式见2.5流程图,2.6原理图 图2.5主轴传动方式 ’43S4511 Vl101 '35 图2.6传动原理图 主轴变速箱分别可以四档自动调速和人工手动调速‘10】。感应开关反馈主轴的定向位 置,锁定定位用液压驱动的销钉来进行。液压来驱动爪头以实现主轴的松、抓刀。此外 还具有主轴吹气功能,但不具备刚性攻丝功能。 10 控制系统的总体波汁f互流减迷IL!.机带动拨片进行传动,刀库旋转由拨片拨动。,J库是鼓轮式、径向耿刀 方式, 叮按照4i同要求随机选刀方式。 6可退、旋转、抓松刀均是液压驱动,换刀机械手是单臂双于式。 T作台交换叉进行工作是由双速交流电机通过链传动来拖动为工作台交换装置【lo】。 电机、液压泵、管路、电磁换向阀、溢流阀、单向阀、截止阀、压力表、蓄能器、 压力传丌关、执行元件等组成液压系统,用来实现主轴定向、抓刀、机械手的旋转、机 械手的进退、机械手抓刀、托盘的放松和央紧、回转工作台的放松和夹裂m】。 气源、汽缸、节流阀、电磁换向阀、FRL单元等组成气动系统,用来实现主轴换刀 时的吹气、机床托盘交换时门的丌关、回转工作台托盘交换时的吹气。 中心润滑单元、分配器、油管等组成了润滑系统,为机床导轨和丝杠提供润滑。中 心润滑单元是按照设定好的周期泵出润滑油。 冷却液循环系统是电机、管路、冷却液泵、冷却液箱和喷嘴组成,冷却加工时工件 和刀具所产生的热量。 2.1.2加工中心控制系统的组成 l、数控装置。 主模块、显示模块、主轴控制模块、存储器模块、I/O模块、X,Y双轴控制模块、 Z,B双轴控制模块、电源模块、测试模块等组成了MAHO432数控系统‘针。 表2.1 MAHO432数控系统功能 序号 系统装置 实现功能 控制四个坐标轴的运动,三个轴可以联动,实现直线、圆弧插补 MAHO432数控系统循环加J:功能(针对孔) 自动选刀、换刀、交换托盘辅助功能以及一些手动功能2、进给伺服系统及主轴系统。 直流伺服系统,NC到伺服驱动器的速度指令是:t:10V的模拟信号,光栅向NC反馈 位置信号,电机的测速发电机向伺服系统反馈速度信号,NC内置EXE电路。 主轴调速范围:50—3000转/分;各伺服坐标轴的进给率0.10000mm/分,各坐标轴行 程为X=1600mm、Y=790mm、Z=790mm、B轴为3600回转。 2.2数控系统的设计数控装置具备相应要求,/4一能实现该加工【|J心的功能,以下要求见表喁1: 表2.2新型数控装置功能 序号 实现要求 实现功能 控制轴数和联动轴数数控装置控制轴数为四个,实现任意三个坐标轴联动控制 准备功能绝大部分功能要具备ISO标准中规定的准备功能 由于本加l:中心有门动换刀功能,所以所选装置具有主轴定向功 主轴功能能,实现主轴转速50~3000RPM的编程控制 切削进给速度达到0mm/min~10m/min,快速移动速度到达 进给功能10m/min,进给倍率住0~120% 具备刀具补偿功能、坐标轴的反向间隙补偿、工艺量的补偿、丝 补偿功能杠的螺距补偿功能 固定循环加Ii功能钻孔、功丝、撞孔、钻深孔等循环功能 字符图形显示功能可显示字符图像 编程功能支持后台编程,具备有手动编程功能 具有网络通讯功能,实现和磁盘机、计算机之间的数据传输,为 输入、输出和通讯功能数控设备的联网提供支持 10 自诊断功能 出现问题故障时,具备自动诊断功能 主要功能以外,系统的可靠性、稳定性也是实现设计的一个重要因素,航天机加零 件高精度要求,促使数控加工中心必须是高精度、高稳定性和可靠性‘91。最后,操作者 的技能培iJIl矛I维修保养常识也是别不可少的。 根据MAHO1600S加工中心的结构特点以及以上功能实现要求,结合当前数控系 统发展趋势与产品加工方向,经过调研、工艺要求、技术参数等对比,经厂内研究讨论, 数控系统最终选定为高速度、高精度、高可靠性、价格适中的FANUC0IMB系统。 高性能/价格比的0i系列:整体软件功能包,高速、高精度加工,并具有网络功能。 Oi—MB用于加工中心和铣床,具备X、Y、Z、B四轴联动,适用于各类机床和生产机 械的特点,在市场的占有率远远超过其他的数控系统,主要体现在以下几个方面: 1、便于拆装、维修与更换:系统在设计中大量采用模块化结构,各个控制板高度 集成,很大提高可靠性。 2、具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为0~'45,相对湿度为 75%。 3、有较完善的保护措施。保护电路较好。 4、系统软件的基本功能和选项功能较齐全。对于一般的机床来说完全能满足使用 要求。 12 5、增加了编程的灵活性。具仃l:寓的PMC信号与PMC功能指令。 6、具有高速的DNC功能。通过串行RS232C传输接71,能方便、可靠地进行通用 计算机和机床之间的数据传输。 7、FANUC维修手册提供丰富的维修报警和诊断功能,并且以不同的类别进行分类。 2.3伺服系统的设计 2.3.1工作原理 伺服系统的工作原理为执行CNC装置发出的位置和速度指令信号,并由伺服驱动 电路作一定的转换和放大后,经过伺服电动机和机械传动机构来驱动机床工作台等运动 部件实现运动。因此它是以机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 进给伺服系统按有无位置检测和反馈以及检测装置的安装位置的不同分为开环控 制、半闭环和闭环控制系统。 此次选择闭环控制系统:闭环控Dl(ClosedLoopContr01)的数控机床将位置检测反馈 装置安装于机床工作台上检测比较机床工作台的实际运行位置与CNC装置指令的位 置,对其差值进行控制。其控制框图如图2.7。此类数控机床的特点是精度高,但调试 与维修较困难,因此在设计与调试时应重视系统稳定性。 图2.7闭环控制2.3.2加工中心伺服系统的类型 伺服系统的选择:FANUC0i系列伺服系统 主轴电机选择:电机型号选择的参数如表2.3 哈匀:滨I:H:人学硕__}j学位论文 表2.3电机型号 a22/3000ia30/3000i a22/3000i a4/4000; a8/8000i 额定抓矩(NM) 22 30 22 最人转数(RPM)3000 3000 3000 4000 连续额定功率(KW) 轴向伺服放大器的选择:X轴、Y轴、Z轴、B轴所选择的伺服电机参数分别为:X轴:27Nm、4000r.P.m; Y轴:27Nm、4000r.P.m; Z轴:13Nm、4000r.P.m; B轴:6Nm、4000r.P.m; 主轴单独用一个驱动器:主轴:15KW/22.5KW(100%/44%)95.5Nm 电源模块的选择:按照FANUC系统提供的选型进行选择,电源模块的额定输出容 里一---Z主轴电机连续工作的输出功率1.15+Z伺服电机连续工作的输出功率0. 6:7.5x1.15+0.6x(2x4.0+7.0+1.4)=18.5KW[131。选择电源模块为额定输出功率为26KW, 峰值功率为66KW的PSM.26i模块。 位置检测器件的选择‘9】:本机床丝杠的支承安装方式是一端固定而一端自由,并且 丝杠没有预紧和冷却装置,若采取半闭环控制方式,会影响丝杠刚度与温度的变化以及 传动链的间隙对机床的精度。因此需采用位置检测装置,使机床构成闭环控制。根据机 床的定位精度的要求进行精度选择,其中光栅分辨率为11.tM,其中长光栅型号为LS467, 圆光栅型号为ROD271。 2.4接口连接设计 FANUC0iMB数控系统包括两部分,一部分是传统的NC,另一部分为PMC,它可 实现的功能有:主轴与四个坐标轴位置的闭环控制;与计算机通讯; 电子手轮对各坐标轴的手动控制;手动数据输入及画面的显示;对机床辅助功能的控制。 如图2.8。依据以上的要求对控制系统进行总体设计,完成系统的总体设计后,依 据相关资料”纠进行设计各模块问的连接。 14 第27,控制系统的总体殴计 2.4.1 NC模块与其他部件的连接 表2.4 NC模块与其他部件的连接 序号 NC模块j,其他部f'l:的连接 功能实现 实现指令与反馈等信号的沟通,通过电缆K27,即FANUC 迮接伺服放人器串行伺服总线FSSB,迎接NC的COPl0A接口与FANUC ai数字伺服放人器上的COPl0B接口,如幽2.9。 通过COP20A接口经光缆连接NC与MDT/LCD单元,如 连接MDT/I。CD图2.10。 连接RS232通过JD5A接口连接NC与RS232接口【纠,0NI茎t2.10。 通过JDIA(1/oLlNK)接口连接NC与主操作面板JDlA 连接主操作面板JDIA接口,如图2.10。 通过JA3B接口连接NC与电子手轮(MPG)接口,如图 连接电子手轮(MPG)2.10。 通过PMC内置I/O接口,即CBl04与CBl05,连接PMC 连接机床电器柜的I/0端子与机床电器柜的110端子板上TBI与TB2[91,如图2.10 2.4.2其他部件的连接 1、电源模块、伺服放大器与主轴放大器之间的连接,如图2.9、图2.11:具有三种 连接形式,分别是与DC300V母线、控制电源、FANUC串行伺服总线FSSB(光缆) 的连接。电源模块为主轴与伺服放大器模块一同提供控制电源与DC300V的直流电源 ‘14】,控制电源通过电缆K69把各轴模块的接口,即CXA2A与CXA2B进行连接供电。 各放大器是由C300V的直流电通过两根直流母线提供驱动电源。光缆通过COPl0A与 COPl0B接口连接f15】。 2、伺服放大器经过电缆(K21)连接电机,另一端经过脉冲编码器反馈电缆(K22) 连接电机。放大器模块的L端子进行连接功率较小的伺服电机,如图2.9,而M端子则 进行连接功率较大的伺服电机,见图2.11。 3、光栅的连接:伺服放大器模块SVMBZ与分离检测器接151单元进行连接,如图 2.12。 电源模块的外部电源输入分为3相200VAG电源与单相200VAC电源,提供主轴放 大器与伺服放大器用3相200VAG电源转换300V直流:主轴放大器SPM与SVM的控 制电源为单相200VAC电源。 2.5本章小结 本章节主要为总体系统的设计。从硬件结构设计、伺服系统的选用、接口连接的匹 配这三方面进行设计实现,选用相应技术参数的设备。 15 见图2.8系统总体连接示意 16 第2章控制系统的总体设计 图2.9系统迮接图 17 伺服电机Mx 伺服电机MY 图2.10系统连接图 18 第2章控制系统的总体设计 图2.11系统连接图 19 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2.12系统连接图 20 数控机床的参数设定数控机床『F常工作是由机床参数决定,要合理设置参数,正确执行用户编写的指令 连接不同部件,控制机床精度,了解机床功能。FANUC 0IMB系统根据使用目的,制定 了44个大类参数如下: 表3.1机床参数 序号 参数类别 轴控制、没定单位的参数10. 与程序编制的参数 11. 主轴控制的参数 12. 加减控制的参数 13. 刀具补偿的参数 14. 距误差补偿的参数 15. 显示和编辑的参数螺 16. 17.1司定循环的参数 18. 缩放l坐标系旋转的参数 19. 数据输入、输出的参数 20. 手动、自动运行的参数 21. 单方向定位的参数 22. 顺序号校对停止的参数 23. 分度台分度的参数 24. 刀具长度自动补偿的参数 25. 基本功能的参数 26. 图形显示的参数 27. 极坐标插补的参数外部 28. 刀具寿命管理的参数 29. 位置开关功能的参数 30. 图案数据输入的参数 31. 显示运转时间、零件数的参数 32. 跳步功能的参数 33. 手轮进给、中断的参数 34. 软操作面板的参数 35. JL}j户宏程序的参数 36. PMC轴的参数 37. 法线方向控制的参数 38. 多边形加r:的参数 (续表)39. 选择功能的参数 40. 挡块失参考点没定的参数 41. 维修的参数 42. 程序再开始、加j】:返同、再开始的参数 43. 简易同步控制的参数 44. 其他参数 机床参数在这44个参数类中,秘密级参数是FANUC有关选择功能的参数为: N9900-N9990,根据用户选定的功能进行数控系统出厂‘设定,是不需要在系统上修改的; 伺服参数是对伺服初始化设置后,系统自动预制,参数为:N2000.N2211。主轴控制参 数是对主轴电机初始化设置后,系统自动预制,参数为:N4000-N4351。对于极坐标插 补、多边形切削、圆弧形等用不到的功能参数,不需设定参数;对于轴位置开关功能、 跳步功能等没有用到的功能,不需设定参数;由于未安装主轴编码器,所以本加工中心 不具备刚性攻丝功能,与刚性攻丝有关的参数也不需设定。 这些参数的数据形式见表3.2。对于位轴型和位型参数,由8位组成每个数据号, 每一位号有其不同的意义。每个轴分别设定轴型参数,每个轴可以设定不同的值。参数 输入时,不能使用小数点、特殊字符等。 表3.2数据形式 类型 范围 说明 字节型.128—127 字节轴型 0—255 有些参数中不适用符号 字型 一32768—32767 O一65535双字型 .99999999—99999999 双字轴型 3.1 SETTING参数的设定 表3.3 SETTING参数 参数 N0000SEQ INI ISo TVC 表3.4数据形式 数据形式 EIAISO 数据输出格式 不进行TVC 是否进行TV检查 进行第3章数控机床的参数设定 (续表) 公制INI 输入单何 玎:进行SEQ 是否进行顺序号的白动输入 进行参数设定值设定N0000=00000010(数据输出为ISO码,其他位为缺省设置)。 设定N0002=l0000000(手动返回参考点时利用减速挡块进行参考点返回)。其他SETTING参数为缺省设置。 3.2轴参数的设定

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汽车/机械/制造 --  机械理论及资料
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数控 加工 卧式 设计

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