普通机床数控化改造研究.pdf

第 2 9卷第 2期 2 o 0 8 年 2 月 煤矿机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y V 0 1 ． 2 9 No ． 2 F e b． 2 0 08 普通机床数控化 改造研究 唐锐 攀枝花学 院 机 电工程学院 ，四川 攀枝花 6 1 7 0 0 0 摘要 对普通机床进行数控化改造是 中小型机械加工企业技 术革新的重要 途径 ， 介绍 了普 通机床数控化改造的总体方案设计 ， 并以 C A 6 1 4 0型车床为例 阐述数控改造的总体 方案， 机械部分 改造 ， 数控 系统设计等内容， 对普通机床的数控改造具有实际的指导作用。 关键词普通机床 ；数控化改造设计 中图分类号 T G 5 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 8 0 2 ． 0 1 4 7 ． 0 3 Re s e a r c h o f Nu me r i c a l c o n t r o l Tr a n s f o r ma t i o n 0 n M a c h i n e To o l s T ANG Ru i C o l l e g e o f M e c h a nic a l a n d E l e c t r o n i c a l E n g i n e e r i n g ， P a n z h i h u a U n i v e r s i t y ， P a n z h i h u a 6 1 7 0 0 0 ， C h in a Abs t r a c t T o s ma l l a n d me d i u m s i z e d ma c hi n i n g e n t e r p r i s e s ， i t i s a n i mp o r t a n t t e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o n f o r ma c h i n e t o o l s o f NC t r an s f o r ma t i o n．Pr o p o s e d t h e o v e r all d e s i g n p l an f _o r NC i mp rov e me n t o n ma c h i n e t o o l s ． t a ki n g CA61 4 0 e n g i n e l a the a s an e x a mp l e，i n t r o d u c e s the d e s i gn o f i mp rov e me n t o n o v e r a l l d e s i g n p l an ，p a r t s o f the l a t h e ma c h i n e r y an d CNC s y s t e m，wh i c h wi l l h a v e p r a c t i c al g u i d i n g f u n c t i o n for t h e NC t r an s f o r ma t i o n o f ma c h i n e t o o l s ． Ke y wo r d s ma c h i n e t o o l ；NC t r a n s for ma t i o n；d e s i gn 0引言 机械制造业是为国民经济建设提供装备的重要 基础产业 ， 机床是发展机械制造业必不可少的生产 工具。我国机械制造业与发达国家相比总体水平较 低 ， 通过提升制造业的装备水平 ， 特别是机床数控化 率 ， 能够有效地提高加工产 品的质量 、 降低产品成 本 ， 增强市场竞争力 。以机 电一体化技术为支撑 的 数控机床集计算机技术 、 信息技术、 自动化技术于一 体 ， 在零件加工精度 ， 加工效率 、 加工表面的复杂性 以及加工柔性的适应性等方面比传统的普通机床具 有无可比拟的优越性。 目前 ， 中小型机械加工企业 中有大量的普通机 床 ， 其突出矛盾是生产效率低 、 劳动强度大、 加工精 度低 、 不能加工复杂零件 ， 要满足提高生产效率和加 工精度 ， 适应小批量 、 多品种复杂零件 的加工需求 ， 完全通过购置新 的数控机床来替换 ， 因成本太高而 不现实 ， 而且替代下来的普通机床闲置起来又会造 成很大的浪费。从发达国家的制造业与发展进程来 看， 应走普通机床数控化改造之路 ， 尤其对 中小型机 械加工企业而言更是如此。 1 普通机床数控化改造前提 普通机床的数控化改造是建立在充分利用原有 机床部件的基础上， 对基础部件作一定的改装 ， 并配 上经济型数控装 置或标准型数控系统 ， 使原机床具 有数控加工功能。改造 中主要应注意的是 增加数 控系统和对原机床部件的翻新。对普通机床进行数 控化改造在技术上是可行的， 但并不是所有 的机床 都适合改装成数控机床 ， 是否适宜改装应进行技术 经济分析和论证。 1 机床基础零部件要有足够的刚度。 数控机床属于高精度机床 ， 工件定位精度和刀 具重复定位精度要求很高 ， 一般在 0 ． 0 0 1 ～0 ． 0 1 I B l n ， 较高的定位精度要求机床基础部件应具有较高的静 刚度和运动刚度 ， 基础部件稳定性不好 ， 受力后易变 形的机床不适宜作数控化改造 。 2 数控化改造要有合理的经济性 机床数控化改造包含两部分 ①维修和改造机 械部分 ； ②用新的数控系统代替旧机床的控制系统 ， 如果全部改造费用仅为同类规格数控新机床价格的 4 0 ％以内， 就具有较好 的技术经济性 。一般说来 ， 大 中型机床， 尤其是重型机床 、 专用机床最适宜数控化 改造 。 2 普通机床数控化改造的总体方案 1 选定数控系统和伺服驱动系统 数控系统是机床数控化改造的核心。数控改造 的目的是要求机床稳定可靠 ， 运转故 障率低 。数控 系统 的选择应依据价格合理， 技术先进 、 服务方便的 原则 ， 不应单纯追求高性 能指标。可采用进 口的数 控系统如 13 本的 F A N U C系统 ， 德国的 S i e m e n s 系统 ， 国产 的主要有华 中数控、 广州数控等， 也可综合机床 实际， 自行设计研制数控系统， 改造成本会更低。 伺服驱动系统的选取有闭环 、 半闭环 、 开环 3种 一 1 47 维普资讯 V o 1 ． 2 9 N o ． 2 普通机床数控化改造研究唐锐 第 2 9卷第 2 期 方式 。前 2 种控制方式为实现高精度的伺服控制提 供了可能， 但由于在系统中增加了位置控制， 反馈及 伺服放大等环节 ， 安装调试更复杂， 同时要实现系统 良好的动态性能难度较大 ， 由于开环伺服系统不存 在位置检测与反馈控制等环节。故一般经济型数控 化改造多采用微机控制的步进电机开环伺服系统 ， 具有较好的技术经济性。 2 丝杆螺母副的改造 为保证进给伺服系统的传动精度 、 运转平稳性 和机床加工精度 ， 取消原机床的滑动丝杆螺母副， 选 用摩擦小 、 传动效率高的滚珠丝杆螺母副 ， 并应用预 紧机构 ， 以提高传动刚度和消除间隙。 3 步进电机的选用 机床经济型数控改造一般是拆除原机床的机械 传动机构， 用步进电机经齿轮机构减速驱动滚珠丝 杆 ， 带动刀架纵 向或横 向运动。在步进 电机转矩足 够大 ， 构件许可时 ， 可以不用减速驱动机构 ， 由步进 电机直接与丝杆副相连 。 4 自动刀架设计 刀架改造是数控改造的重要内容 ， 通过将原机 床的手动转位刀架替换成 自动转位刀架来实现换刀 切削， 自动转位刀架最常见 的形式是螺旋型 四工位 刀架 ， 由数控系统直接控制 ， 效率高 ， 工艺性能可靠。 5 主轴脉冲编码器 加工螺纹时为保证步进电机与主轴旋转配合 ， 切削出固定螺距 ， 固定起点 ， 多头螺纹等量分度的螺 纹 ， 通常在主轴尾部安装脉冲编码器 ， 它将主轴旋转 的角位移以电脉冲的形式输入计算机 ， 控制车刀的 进给运动和工件的旋转运动， 确保正确的运动关 系。 6 导轨和主轴变速机构 当机床加工精度要求不是很高 ， 尤其是对于开 环控制系统 ， 一般不作导轨改造和主轴交流异步电 机调整改造 ， 可大为降低改造成本 。 3 改造实例 本文以 C A 6 1 4 0型普通车床数控化改造为例 ， 介 绍其总体方案设计 ， 机械改造设计和数控系统设计 ， 根据数控车床的性能要求 ， 确定进给运动的快速定 位速度 Z轴为 3 m ／ ra i n ； 轴为 1 m ／ ra i n ； 脉冲当量 Z向为 0 ． 0 1 m m ／ 脉冲； 向为 0 ． 0 0 5 m m ／ 脉冲。 3 ． 1 总体 方案设 计 数控系统 自行研制， 基于 8 0 3 1 单片机为控制核 心， 以步进 电机为伺服驱动装置 ， 以工作台和刀架为 执行部件构成一个开环控制系统。总体方案设计结 构如图 1 所示。 彗 骨 I ／ 0 8 0 3 盟 僵M 片 T 机 ‘ 一 图 1 总体设计方案结构 图 3 ． 2机械 部 分改造设 计 根据 C A 6 1 4 0车床的实际 ， 本着对车床的改动尽 可能少 ， 改造成本低 的原则， 机械部分改造方案如 下 1 保留车床主轴旋转主运动。 2 纵横 向运动的改造均是卸掉拖板上的手轮 或手柄 ， 通过 1 对齿轮副组成减速装置， 然后与相应 的步进电机相连接。 3 设计一 四工位 电动转位刀架 ， 由 1 个三相 异步电机带动。 4 自行研制基于 8 0 3 1 单片机的控制系统。 5 在刀架的纵横向运动 中， 设 置安全超程限 位保护装置。 3 ． 3 微 机数 控 系统设计 1 硬件设计 采用 8 0 3 1 单片机数控系统如图 2 所示 ， 外接一 片 2 7 2 5 6 3 2 K8 E P R O M存储系统软件 ， 一片 6 2 2 5 6 3 2 K8 静态 R A M存放加工程序和数据 ， 采用扩展 的 8 2 5 5和 8 1 5 5接 口芯片处理键盘 、 显示器和步进 电机的驱动刀架控制及满足插补要求。 图 2 数 控系统硬件组成框 图 2 软件设计 根据硬件框图， 结合系统功能要求 ， 可编制函数 控制器数控系统软件 ， 软件系统包括系统初始化程 序 、 键处理及显示程序 、 输人数控处理程序 、 插补计 算程序、 步进电机输 出控制程序和管理程序等。其 中插补程序 的实时性强 ， 根据 Gl 、 G 2 、 G 3等插 补指 令进行计算 ，分别向 、 Z轴发出进给脉冲， 步进电 一 l 48 维普资讯 第 2 9 卷第 2 期 2 O O 8年 2月 煤矿机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo 】 ． 2 9 ． 2 F e b．20 08 眄 使用 维修 聊 大 倾 角综放 工作 面几个 关键 问题 研 究 宁桂峰 ，王保银 1 ． 煤炭科学研究总院，北京 1 0 0 0 1 3 ；2 ． 山东里能集团有限公司，山东 济宁 2 7 3 5 1 7 摘要 分析 了大倾 角综采特点 ， 指出了大倾角综采工作面配套 中注意的问题 ， 比较 了大倾角 综采工作面的异同， 改进 了大倾角综放支架的几个关键结构。 关键词 大倾角煤层 ；综采；综放 中图分类号 T D 2 6 3 ． 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 8 0 2 ． 0 1 4 9 ． 0 2 Re s e a r c h o n El e me nt s o f Eq u i p me n ts M a t c h e d t h Ti rf a c i fit i e s i n Fu l lm e c h a n i z e d S t e e p S e a ms Ca v i n g M i n i n g Fa c e N I NG Gu i f e l ，WANG Ba o一 1 ． C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j in g 1 0 0 0 1 3 ， C hina； 2 ． S h a n d o n g L i n e n g G r o u p C o m p ， L t d ． ， J i m n g 2 7 3 5 1 7 ， C h in a Ab s t r a c t Co n c e n t r a t e s mo s t l y o n t h e o f f u l l me c h a n i z e d mi n i n g f a c e wi t h b i g an g l e，a l s o i n t r o d u c e s t h e r u l e s o f e q u i p me n t ma t c h e d wi t h t i r f a c i fit i e s i n f u l l me c h a n i z e d mi n i n g f a c e wi t h b i g an g l e，i mp rov e s k e y c o n t i g u r a t i o n s o f h y d r a u l i c p o we r s u p po r t i n mi n i n g f a c e wit h b i g an g l e． Ke y wo r d s s t e e p c o a l s e a ms ；f u 1 1 一mech an i z e d mi n i n g f a c e；f u l l me c h an i z e d c a v i n g mi n i n g f a c e 1 大倾角综采特点 煤层倾角 2 5 o 以下为缓倾斜煤层 ， 大于 2 5 。 统称 为大倾角煤层。大倾 角煤层煤层倾角大 ， 煤层厚度 变化大 ， 构造复杂， 作业环境恶劣 、 生产安全隐患多 ， 综采难度大， 对机械设备适应性要求特别高。特别 是液压支架 ， 受力状态复杂 ， 所受侧 向力非常大 ， 在 非支撑状态或 自由状态时， 自身会失去稳定性。当 工作面来压时 ， 由于顶 、 底板的运动 ， 也易产生失稳 、 倒架现象 ， 或出现非正常工作状态 ， 由于工作面上部 煤壁受 向下倾斜分力较大， 易造成漏顶或煤壁片帮。 特别是大倾角综放工作面， 在放煤过程中支架有短 时顶空现象 ， 管理难度加大 ， 人员作业环境恶劣， 观 察 、 操作设备动作困难。因此 ， 综采工作面设备必须 要有完善的防倒 、 防滑机构和安全防护装置。 2 大倾角工作面应该注意几个重要问题 在选用综采设备时， 应根据煤层地质条件和生 产条件 ， 作适当针对性调整 ， 包括架型、 参数和配套 ， 必须适应矿井实际情况 ， 才能在生产 中发挥积极作 用 ， 在工作面“ 三机” 配套 中处理好三机布置方式与 运输回风巷的空问关系 ， 特别是在顶底板条件不理 想的情况下 ， 克服“ 破底” 或“ 破顶” 带来 的影响， 充分 考虑大倾角带来的影响 ， 保证输送机相对转载机足 够的卸载高度， 适当地处理巷道断面形式， 保证采煤 机有足够的卧底量 ， 使得“ 三角煤” 能够截透 ， 通过工 机输出控制程序用来控制 、 z向步进 电机 的脉冲 分配 ， 管理程序负责对微机数控系统软件 的各个程 序和任务进行调度管理， 以及对操作键 、 编辑键等引 起 的中断进行处理。 4结语 普通车床经数控改造后 ， 既可加工常见的轴类 、 盘类等简单零件， 又适合加工复杂形状的零件 ， 同时 能用于批量生产 ， 延长了普通机床的使用寿命 ， 提升 了产品性能。针对攀枝花学院实习工厂有一定数量 的 C A 6 1 4 0车床的实 际， 通过技术革新和数控改造 ， 与实践教学结合 ， 以科研立项的方式来组织实施改 造 ， 既能够充分发挥旧机床的功能 ， 又能培养具有创 新意识和实践动手能力的应用型人才。 参考文献 [ 1 ] 张立新 ， 王卫兵 ， 吴杰 ． 将 C 6 1 5普通车床改造 成教学型数控 车床 的实践 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 1 1 9 09 1 ． [ 2 ] 明兴祖 ． 数控加工技术E M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 杨俊廉 ． 机床数控系统课程设计指导书 M] ． 北京 中国科学技术 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 4 ] 李恩林 ． 插补原理 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 4． [ 5 ] 张兴义 ． 经济型数控 机床 系统设计 [ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 9 4． [ 6 ] 邓晓春 ， 肖寿 仁． C A 6 1 4 0普通 车床数 控改 造[ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 O 6 1 1 1 2 3 1 2 5 ． 作者简介唐锐 1 9 7 4一 ， 四川南充人 ， 工程硕士 ， 攀枝 花学 院 机电工程学院讲师 ， 1 9 9 7 年毕业于原甘肃工业大学机械 设计及制造 专业 ， 现研究方 向 数控加工和机 电控 制技 术 ， 发表论文 l O余篇 ， 电 话 0 8 1 23 3 7 2 0 8 1 ， 电子信 箱p z h u t r 1 6 3 ． c o n． 一 1 49 ～ 收稿 日期 2 0 0 7 ． 0 9 ． 1 0 维普资讯