1、 毕 业 设 计 (论 文 ) 题 目： 加工中心控制系统改造研究 院 （系）： 桂林电子科技大学机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 2010 年 3 月 30 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文） 摘 要 数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进装备。随着先进制造业的不断发展，对旧数控机床的数控化改造，特别是加工中心数控化改造工程研究已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。本文详细阐述了美国辛辛那提米拉克龙机床公司制造的 T40 加工中心数控化改造工程研究的 过程。在分析原加工中心的数控系统、伺服系统、逻辑控制、机械结构的基础之上，利用SIEMENS840 数控系统、
2、SIMODRIVE 611D 伺服驱动系统、 SIMATIC S7-300PLC 对其进行了改造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，改造后对企业的加工对象进行了批量加工，运行状态良好，获得了较好的经济效益和社会效益。 关键词 ： 数控；加工中心；改造；工程研究 桂林电子科技大学毕业设计（论文） - 2 - Abstract NC(numerical control) machine is the representative of advanced equipment to achieve mechatronics in current machine productio
3、n industry. With thedevelopment of advanced manufacturing industory， the NC reform of old NCmachine, especially the research of the NC reform of machining center has becomean urgent and arduous task before us. This paper describes the reconstruction process of CNC machine center which manufactured b
4、y CINCINNATI MILACRON T40 .On the basis of the analysis of the NC system, servo system, logic control and mechanical structure of the center, the SIEMENS 840D, SIMODRIVE 611D servo drive system and SIMATIC S7300PLC are utilized to make reform on it. After the correct settings and debug， the new cent
5、er is put into use in batch production of machining object and proved to run well and obtain a good economic benefits and social effect. Keywords： NC, Machining center, Reform, Engineering research 桂林电子科技大学毕业设计（论文） - 3 - 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 机床数控技术的发展概况 . 1 1.1.1 历史 . 1 1.1.2 现状 . 1 1.1.3 发展趋势 . 2
6、1.2 机床数控化改造的需求 . 3 1.2.1 市场需求 . 3 1.2.2 必要性和迫切性 . 4 1.2.3 可行性 . 4 1.2.4 数控化改造的内容 . 4 1.2.5 数控化改造的优点 . 5 1.3 课题来源和研究的意义 . 5 1.3.1 来源 . 5 1.3.2 设备现状 . 5 1.3.3 工作的意义 . 6 1.4 本文的工作 . 6 第 2 章 机床数控改造的整体方案设计和数控系统配置选择 . 8 2.1 加工中心结构分析 . 8 2.1.1 结构介绍与技术现状 . 8 2.1.2 欲改造部分 . 8 2.2 加工中心改造方案的设计和确定 . 8 2.2.1 改造整体
7、方案 . 8 2.2.2 改造后达到的技术功能、性能分析 . 10 2.3 数控系统的选择和功能分析 . 11 2.3.1 CNC 技术分析 . 11 2.3.2 840D 数控系统的功能 . 17 第 3 章 数控改造机电匹配接口设计和 PLC 控制 . 19 3.1 数 控机床 PLC 控制技术 . 19 3.2 加工中心的 PLC 功能 . 22 3.3 S7-300PLC 技术性能与程序调整 . 23 3.3.1 840D 数控系统的 S7-300 PLC 主要技术性能 . 23 3.3.2 S7-300PLC 基本程序调整 . 24 3.3.3 S7-300 组态 . 25 3.4
8、加工中心 PLC 程序设计和应用实例 . 25 3.4.1 手轮 PLC 控制 . 25 3.4.2 自动换刀控制 (ATC). 27 3.4.3 工作台托板自动交 换控制 . 29 3.4.4 主轴自动换档控制 . 31 第 4 章 数控进给伺服系统设计研究 . 34 桂林电子科技大学毕业设计（论文） - 4 - 4 1 伺服系统工作原理 . 34 4.1.1 开环、闭环伺服系统原理 . 34 4.1.2 交 、直流伺服系统特点分析 . 35 4.1.3 交流伺服系统的性能指标 . 35 4.1.4 数控机床对交流伺服系统的性能要求 . 36 4.2 加工中心交流伺服电动机的类型及其工作原理
9、 . 36 4.2.1 交流伺服电动机的类型 . 36 4.2.2 交流伺服电动机的工作原理 . 37 4.3 加工中心进给伺服系统设计分析 . 37 4.3.1 进给伺服系统的数学模型及其定性分析 . 37 4.3.2 加工中心数据计算、分析 . 45 4.3.3 交流伺服系 统选择 . 47 第 5 章 系统的调试与运行 . 48 5.1 系统调试 . 48 5.2 系统试运行 . 48 5.3 机床数据的调整 . 48 5.3.1 840D 进给轴数据设定 . 48 5.3.2 轴软、硬限位参数设定 . 50 5.3.3 机床参考点参数设定 . 51 5.4 数据备份 . 52 5.5
10、用户报警 . 52 5.6 螺距补偿 . 52 结 论 . 53 参考文献 . 54 致 谢 . 55 桂林电子科技大学毕业设计（论文） 第 1 章 绪 论 1.1 机床数控技术的发展概况 1.1.1 历史 数控机床是机电综合技术在机械加工领域中的典型产品，它是将计算机、自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术集中于一体的自动化设备，具有高精度、高效率和高适应性的特点。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动 化的多功能数控机床。采用数控机床提高机械加工效率，是当前我国机械制造行业技术改造、技术更新的发展之路。新型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 (
11、FMS)、乃至计算机集成制造系统 (CIMS)和无人自动工厂 (FA)中不可缺少的基础设备。 电子技术和计算机技术的发展，极大地推动了数控技术的发展。机床数控装置的研制开始于四十年代的美国麻省理工学院，五十年代出现了采用电子管及继电器的数控技术，六十年代以后，随着半导体技术的发展，晶体管代替了电子管，出现了小规模的集成电路数控装置，但 是机构仍然十分庞大，可靠性差，并且费用高。新型数控技术是 20 世纪 70 年代发展起来的机床控制新技术。小型计算机用于数控技术，使数控技术进入了计算机数控 (CNC Computer Numerical Control)阶段，它综合运用了计算机技术、测量技术、
12、信息处理技术和机械制造等最新成果。加工精度越来越高，加工效率也有了很大提高。到 20世纪 90 年代基于 PC 的模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统得到迅速发展，以适应当今市场越来越需求适合中小批量加工、具有良好柔性和多种加工功能的制造系统的发展趋势。 数控机床是 由普通机床演变而来的。它的控制采用计算机数字控制方式，它各个坐标方向的运动均采用单独的伺服电动机驱动，取代了普通机床上联系各坐标方向运动的复杂齿轮传动链。其工作原理是将加工零件的几何信息和工艺信息编制成程序，由输入装置送入计算机，经过计算机的信息处理和插补运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转化、放大去驱动伺服电动机，
13、带动各轴运动，并进行反馈控制，使各轴精确地走到所要求的位置。 1.1.2 现状 我国目前机床总量 400 余万台，而其中数控机床总数只有 12 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 0.8-1.0 万台，年产值约为 20 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 (美国和日本自动和半自动机床占 60%以上 )。 桂林电子科技大学毕业设计（论文） - 2 - 1.1.3 发展趋势 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现
14、代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势川主要体现在以下几个方面 : 1、高速、高效、高精度、高可靠性 要提高加工效率，首先必须 提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间 ;要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。 1)高速、高效 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。 新一代数控机床 (含加工中心 )只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代
15、高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。高速主轴单元 (电主轴， 转速 15000- 1 00000r/min )、高速且高加 /减速度的进给运动部件 (快移速度 60-120m/min，切削进给速度高达 60m/min )、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 2)高精度 从精密加工发展到超精密加工 (特高精度加工 )，其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级 (1Onm )，其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削 (车、铣 )、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工 (三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等 )。
16、近 10 多年来，普通级数控机床的加工精度己由 1Oum 提高到 5um，精密级加工中心的加工精度则从 3 5um，提高到 1 1.5um。 3)高可靠性 是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16小时内连续正常工作，无故障率 P(t) = 99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间 MTBF 就必须大于 3000 小时。MTBF 大于 3000 小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言， 如主机与数控系统的失效率之比为 10: 1 的话(数控的可靠比主机高一个数量级 )。此时数控
17、系统的 MTBF 就要大于 33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的 MTBF 就必须大于 10 万小时。 2、模块化、智能化、柔性化和集成化 1)模块化、专门化与个性化 机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。 2)智能化 为追求加工效 率、加工质量、驱动性能、使用连接方便、简化编程操作、诊断、监控的智能化，数控系统中应具备自适应控制、工艺参数自动生成、前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整
18、定、自动编程、系统的诊断及维修等功能。 桂林电子科技大学毕业设计（论文） - 3 - 3)柔性化和集成化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是 :从点 (数控单机、加工中心和数控复合加工机床 )、线 (FMC, FMS, FTL, FML)向面 (工段车间独立制造岛、 FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统 )的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。 CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展 ;数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD, CAM, CAPP, MTS 联结，向信息集成方向发展 ;网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 3、开放性 为适应数控进线、联网、
19、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，美国、欧共体及日本相继设计生产开放式的数控系统。 4、出现新一代数控加工工艺与装备 为适应制造自动化的发展，向 FMC, FMS 和 CIMS 提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能， 而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头 (有时带坐标变换 )、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统 ;由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，机械加工向虚拟制造的方向发展。 1.2 机床数控化改造的需求 1.2.1 市场需求 1、
20、机床数控化改造的市场 大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，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。 2、进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。
21、一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良 ;有的引进时只注意引进设备、仪器、生 产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥 ;有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用 ;有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标 ;有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损 ;有的己引进较长时间，需要进行技术更新。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 桂林电子科技大
22、学毕业设计（论文） - 4 - 1.2.2 必要性和迫切性 1、数控机床对比传 统机床有以下突出的优越性。 1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。这是由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以加工复杂的曲线和曲面。 2)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化。从而效率可比传统机床提高三到七倍。 3)加工出零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。多工序是在同一基面、同一次装夹下实现。 5)拥有自动报警、自动监控、自动 补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加
23、工。因此劳动生产率提高和生产周期缩短，效益非常明显。 2、利用少量资金进行数控化改造可以发挥明显效益 我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后 20 年。因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。上世纪 80 年代，陆续从国外引进了很多中高档数控机床，有的服役期满，有的不能正常工作，处于闲置，造成巨大资源浪费。这些机床共同之处在于机械部分基本完好，精度较高，主要是由于数控系统出现问题而又难以购置配件，不能满足正常生产的 需要和现代高精度、高速度和高可靠性的加工要求。如果利用进口数控系统对现有数控设备进行数控化改造，只需几十万元就能发挥现有设备的作用，
24、而购置一台新的同性能的数控机床则需要几百万甚至上千万的资金，因此，对我国来说数控机床的数控化改造，尤其是加工中心的数控化改造具有明显的经济效益与社会效益，非常迫切。 1.2.3 可行性 1、数控系统日趋成熟，特别是 SIEMENS 系统、 FANUC 系统功能齐全、性能稳定； 2、机床功能模块化技术已经成熟，更换方便； 3、经过若干年的锻炼，培养出一批掌握现代数 控机床改造的队伍； 4、原有机床机械基础较好； 综上所述，数控机床的数控化改造具有可行性。 1.2.4 数控化改造的内容 1、恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复 ; 2、利用国外先进数控系统，对机床进行数控化改造 ; 3、
25、翻新，为提高精度、效率和自动化程度，根据改造需要对机械、电气部分元器件进行更换，对机械部分重新修配调整，恢复原精度 ; 4、技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平 和档次的更新改造。 桂林电子科技大学毕业设计（论文） - 5 - 1.2.5 数控化改造的优点 1、减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省 60%-80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3,交货期短。 2、机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚
26、固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。 3、熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要 求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力 ;另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早己了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。 4、可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 5、可以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 1.3 课题来源和研究的意义 1.3.1 来源 上世纪 80
27、 年代初，我国先后从日本、德国、美国等国家引进一些先进的 CNC装置和伺服系统的生产技术，并陆续投入了机床生产，配置并且引进了大量当时先进昂贵的数控机床。由于国外数控系统、驱动系统厂家的产品更新加快，原有产品早已停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在 8-15 年。针对桂林机床股份有限公司引进的 T40 数控加工中心进行数控化改造，既可节省大量资金，又可充分发挥设备作用，具有重要的现实意义。 1.3.2 设备现状 辛辛那提米拉克龙机床公司产 T40 卧式加工中心是桂林机床股份有限公司从美国购买的二手设备，购置后一直未能正常使用，处于闲置，现需要对 其进行改造，完成后投入生产。 T40 数控加工中心由机床主体、数控系统、伺服系统、主轴控制系统、辅助控制系统等五部分组成。机床主要功能及组成 : 1、坐标轴 坐标 : X, Y, Z, B(工作台 )、 C(主轴 )、 W(刀库 )。 原配系统 : ACRAMATIC 950MC 系统。 驱动 : 直流伺服电机。 位置检测 : X, Y, Z 轴采用感应同步器， B, W 轴采用圆光栅。 行程 : X710mm, Y650mm, Z650mm;
