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卧式数控加工中心数控系统改造设计及实现摘 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，是机电综合技术在机械 加工领域中的典型产品，它是将计算机技术、自动控制、电气传动、测量技术、精密制造等多 项技术集中于一体的自动化设备，具有高精度、高效率、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。该文详细阐述了加工中心数控化设计及实现工程的过程。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,采用FANUC OiMB数控系统来替换原有的MAHO CNC432数控系统；采用FANUC交流数字伺服单元和伺服电机来替换原有的直流伺服单元和 伺服电机；采用FANUC交流数字主轴驱动模块和主轴电机来替换原有的直流伺服单元和直流 主轴电机；采用海德汉封闭式的光栅尺替代原有菲利普光栅尺；更换X、Y、Z轴滚珠丝杠；订 制保留直流电机的碳刷。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，并实现了工程应用。本机床数控系统的设计主要完成的工作是:数控系统及伺服系统的选型、控制系统连接的设 计，外围接口电路的设计、PMC程序的设计，数控系统参数的设定，机械、电气部分的安装，机械、液压部分的修理和调整，整机的机械、电气的调试，机床的验收，资料归档等。在完成 以上工作后，该机床的性能和精度完全能够满足我厂零件加工的高精度、高效率、高可靠性的 要求。使用该数控系统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：卧式加工中心；数控系统；PMC控制；设计及实现卧式数控加工中心数控系统改造设计及实现AbstractCNC machine manufacturing industry in todays representation of mechanical and electrical integration of advanced equipment,electromechanical integrated technology in the field of mechanical processing of typical products,it is computer technology,automatic control,electrical drives,measurement technology,precision manufacturing,and other The technology focuses on one of the automation equipment,with high precision,high efficiency,high automation,high-cost and high adaptability features.With the continuous development of advanced manufacturing,CNC machining centers for CNC system design and engineering to achieve a fresh,in front of us has become a pressing and arduous task.This paper describes in detail the design and CNC machining centers to achieve the project process.In the analysis of the original machining center CNC system,servo systems,logic control,based on the mechanical structure,the use of FANUC OiMB numerical control system to replace the original MAHO CNC432 numerical control system;using FANUC Digital Servo unit and a servo motor to replace the original DC servo unit and a servo motor;using FANUC AC Digital Spindle and spindle motor drive module to replace the original unit and DC servo spindle motor;closed by HEIDENHAIN Philip substitute the original grating grating;replace the X,Y,Z axis ball screws;custom brushless DC motors reserved.Its a new design and the specific configuration of the machine and requirements of machine tool parameters are set correctly and debugging,and implementation of engineering applications.The design of the CNC system is the major work done:CNC system and servo system selection,the control system for design,external interface circuit,PMC program design,numerical control system parameter setting,mechanical,electrical parts Installation,mechanical,hydraulic part of the repair and adjustment,the whole of the mechanical,electrical testing,inspection machines,data archiving.After completion of above work,the machines performance and accuracy can satisfy our plant for the manufacture of high precision,high efficiency,high reliability requirements.The use of the CNC machining business after the batch processing of objects,running in good condition,get a better economic and social benefits.Keywords：Horizontal processing center；NC system；PMC Control；designing and fulfilling卧式数控加工中心数控系统改造设计及实现目 录摘 要.1Abstract.2目 录.3第1章绪论.11.1 课题研究的背景和意义.11.1.1 课题来源.1LL2研究意义.11.2 数控机床的历史和发展趋势.11.2.1 历史.1122国内研究现状.21.2.3 国外研究现状.2124数控机末的发碘势.31.3 生产现状.4L4数控系统设计的必要性.51.4.1 市场需求.51.4.2 数控系统设计的必要性和迫切性.5143数控系统设计的内容.6L4.4数控系统设计的优点.61.5 本文章节安排.71.6 本章小结.错误！未定义书签。第2章总体系统的设计.82.1 加工中心结构分析.82.1.1 结构介绍.82.1.2 卧式加工中心控制系统的组成.112.2 数控系统的设计.112.3 伺服系统的设计.122.3.1 伺服系统工作原理.122.3.2 加工中心伺服系统的类型.132.4 接口连接设计.142.4.1 NC模块与其他部件的连接.142.4.2 其他部件的连接.14卧式数控加工中心数控系统改造设计及实现2.5 数控加工中心设计的可靠性与可行性.212.5.1 数控加工中心设计的可靠性.212.5.2 数控加工中心设计的可行性.21第3章 控制系统的设计.233.1 SETTING参数的设定.253.2 轴参数的设定.253.3 行程极限的参数的设定.263.4 度的参数设定.263.5 力口减速控制的参数.263.6 伺服参数的设定.273.6.1 先进行伺服初始化设定.27362相关伺服参数设定.283.7 主轴相关控制参数的设定.29第4章软件的设计.304.1 FANUC可编程机床控制器简介.304.1.1 PMC控制程序数据区地址的分布.324.2 PMC的程序编制.34421点数的确定及地址分配.344.22 PMe程序的设计.37第5章机床的调试与分析.605.1 机械部分的调整.605.2 数字伺服系统的调试.615.2.1 增加N脉冲抑制功能.615.2.2 250ps力口速度反馈功能.635.2.3 机械速度反馈功能.63524象限过冲的调试.645.3 系统调试.74总结.77设计实施技术工作.77数控系统设计.77小结与展望.78参考文献.79攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果.错误！未定义书签。致 谢.错误！未定义书签。第1章绪论第1章绪论1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 课题来源MAHO 600卧式加工中心是我厂99年从国外引进的一台二手数控加工设备，为德 国MAHO公司(现与其他公司合并为DMG公司)八十年代初期的产品，具有四个全闭环 控制的坐标融X、Y、Z、B和两个交换工作台以及一个容量为24把刀的刀库，一次装 夹能完成多面加工，加工精度和效率比较高，被列为我厂的关键设备，在航天元件加工 中起重要作用。1.1.2 研究意义由于卧式加工中心在航天机加工艺中的独特地位，同时考虑到该机床的功能较齐 全，主要功能部件完好，刚度高、机械精度的保持性较好，因此对该机床实施技术改造 比报废更新一台同等规格的卧式加工中心更为经济合理。在对原机床的技术状态进行仔 细分析后,制订了以下改造方案:采用先进FANUC OiMB数控系统来改造原有的MAHO CNC 432数控系统：采用FANUC交流数字伺服单元和伺服电机来替换原有的直流伺服 单元和伺服电机；采用FANUC交流数字主轴驱动模块和主轴电机来替换原有的直流伺 服单元和直流主轴电机；采用海德汉封闭式的光栅尺替代原有菲利普光栅尺；更换X、Y、Z轴滚珠丝杠；订制保留直流电机的碳刷。本机床技术改造的主要完成工作是：数 控系统及伺服系统的选型、控制系统连接的设计，外围接口电路的设计、PMC程序的 设计，数控系统参数的设定，机械、电气部分的安装，机械、液压部分的修理和调整，整机的机械、电气的调试，机床的验收，资料归挡等。在完成以上改造后，该机床的性 能和精度达到或超过原机床，完全能够满足我厂航天机加零件高精度、高效率、高可靠 性的要求，而且改造总费用控制在同档次进口机床价格的四分之一以内。1.2 数控机床的历史和发展趋势1.2.1 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)、柔性制造系统第1章绪论(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、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。1.2.2 国内研究现状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，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。它的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，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。数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率的重要手段，它的广泛使用给机械制造 业的生产方式、产业结构、管理模式带来深刻变化，它的关联效益和辐射能力更是难以 估计。而我国目前机床总量400余万台，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0.81.0万台，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)。1.2.3 国外研究现状工业发达国家的军、民机械工业，在20世纪70年代末、80年代初已开始大规模应 用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改 造。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 2第1章绪论新行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。由于采用信息技术 对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军 品和民品市场上的竞争力大为增强。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家约 落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1905年只有.1.9%,而 日本在1994年已达20.8%,因此每年都有大量机电产品进口。1.2.4 数控机床的发展趋势数控机床是在微电子、计算机、自动控制、自动检测及精密机械制造等技术的基础 上发展起来的新型机床。它是现代机械制造业实现和发展柔性自动化生产的基础装备。随着柔性生产技术的进一步发展，数控机床正朝着高速、高效、高精度、高可靠性的方 向发展。1、高速、高效、高精度现代数控机床，由于配备了新型的数控系统及伺服系统，其主轴转速，进给速度和 分辨率都有很大的提高，从而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，不仅具有原来的数控补偿功能，还采用了具有热补偿、空间误差补偿功能的传感器件及相应的软件，从而显著地提高了机床的定位精度。近10 多年来，普通级数控机床的加工精度己由10um提高到5um精密级加工中心的加 工精度则从35 口 m。提高到11.5um,数控机床的定位精度已达5 1 P m,重复定位精度达到0.5 R mo2、高可靠性数控机床的可靠性主要取决于数控系统的可靠性。现代数控机床的数控系统，采用 模块化硬件结构形式。根据不同机床的数控功能的需要，可选择不同功能的模块进行组 合。这些功能模块的设计与制造，是在优化、通用化、标准化的原则指导下进行的，因 而大大地提高了数控产品的可靠性。现代数控机床，在丰富的数控软件支持下，具有较完善的数控功能。其中除了直接 用于加工的功能外，还包括人机对话功能、机床故障自诊断及维修功能、机床保护功能、工艺参数自动生成功能、前馈控制功能、电机参数的自适应运算功能、自动识别负载、自动选定模型功能、自动编程功能、刀具管理功能等。这些功能的配备，既降低了机床 使用与维修方面的复杂性，又极大地提高了机床使用的可靠性。例如，当机床在加工中 遇到刀具折断导致加工中断时，数控系统能将刀具位置储存起来，在更换刀具并重新输 入新刀的有关数据后，刀具即能自动地回到正确的加工位置上继续进行加工，避免因换 刀后可能出现的失误。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 3第1章绪论加工机床）、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。4、开放性为适应数控进线、联网、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、欧共同体及日本相继设计生产 开放式的数控系统。5、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、自动监控、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，对诸如工件误差，刀具磨损或破损，加工越位，操作失误等都能及时予以提示、报警或处理，以至可以实现无人管理下的加工。为了满足柔性制造单元（FMC）,柔性制造系统（FMS）,以及进一步联网组成计 算机集成制造系统（CIMS）的需要，现代数控机床配备的数控系统都设有高速远距离 串行接口（RS-232,RS-242）。可以根据机床使用的格式要求，同级计算机进行多种数据 交换。高档的数控系统具有DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，还可 以直接对数台机床进行控制。1.3 生产现状山于该加工中心已使用近二十年，电气、机械等方面都存在一定的老化和磨损，导 致设备的故障率、停机率不断升高，严重威胁到我厂航天机加零件生产的质量和进度。其主要存在的问题如下：电气元件老化：继电器、接触器等元件动作可靠性降低，数控系统的PCB板故 障率升高。控制系统相对落后：元件的集成度较低，功能相对较少。机械零件磨损、失效：Y轴滚珠丝杠副损坏，机床导轨副存在磨损和间隙，液 压系统状况不良等。其他：维修配件订货周期较长，且价格昂贵，技术资料不全等。4第1章绪论1.4 数控系统设计的必要性1.4.1 市场需求1、机床数控化改造的市场需求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，因而在国际、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设计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。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。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有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含 的计算机的能力。它可以加工出传统机床加工不出来的杂的零件。由于计算机有高超的 运算能力，可以快速准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成 复杂的曲线或曲面。它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37倍.由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就 可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔 性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可 实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。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工。由以上五条派生出其它的好处。如：降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短 了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。5第1章绪论机床数控化设计同购置新机床相比，一般可以节省60%80%的费用，设计费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床设计，只花新机床购置费用的1/3,交 货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费 钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。机床数控 改造所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，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，机械性能稳定可靠，可以 充分利用现有地基，不必像购入新设备，需重新构筑地基。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；其次，由 于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效 快；改造的机床安装好，就可以实现全负荷运转。机床数控设计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。最后，机床数 控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）。因此，对我国来说数 控机床的数控化设计，尤其是加工中心的数控化设计具有明显的经济效益与社会效益，非常迫切。1.4.3 数控系统设计的内容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，对机床进行数控化设计；3、为提高精度、高效率和自动化程度，根据设计改造需要对机械、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。1.4.4 数控系统设计的优点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，只需 半年多时间，而购买一台新机床大约需要一年时间才能到货。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固的铸造构件，而不是那种焊接构件，而 且床身、立柱等基础件已经过长时间的时效处理，不会再发生应力变形，影响机床精度,改造后的机床性能高、质量好，比新机床更稳定，而且在机床设计上也不存在风险，可 以作为新设备继续使用多年。6第1章绪论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。1.5 本文章节安排本文章节安排如下：第一章绪论第二章总体系统的设计第三章控制系统的设计第四章软件的设计第五章系统调试与分析总结7第2章 总体系统的设计第2章总体系统的设计2.1 加工中心结构分析2.1.1 结构介绍MAHO 600双工位卧式加工中心是我厂的99年从国外引进的一台二手数控加工设 备，为德国MAHO公司八十年代初期的产品，具有四个全闭环的坐标轴X、Y、Z、B 和两个交换工作台以及一个容量为24把刀的刀库，一次装夹能完成多面加工，加工精 度和效率比较高，被列为我厂的关键设备，在航天机加零件加工中起重要作用。图2.11.主轴电机2.主轴自动变速齿轮箱3.主轴4.立柱5.Z轴进给伺服电机6.Y轴进给 伺服电机7.X轴进给伺服电机8.立式夹紧工作台9.复合滑座10.机座11.控制面板 12.CNC装置13.控制柜14.NC回转铳削工作台15.换刀装置16.刀库17.托盘交换装置 18.托盘19.排屑器20.防护罩该加工中心的整体结构如图2.1o它有四个闭环的进给轴、一个主轴、一个容量为8第2章 总体系统的设计24把刀的刀库、一个工作台交换装置、和一个排屑器。四个闭环的进给轴分别为三个直 线坐标轴X、Y、Z和一个绕Y轴回转的B轴（如图2.2）机床通过这四个坐标轴进行 插补加工。X、Y、Z轴的行程分别为:600、450、500；B轴为360回转。图2.2X、Y、Z轴传动为：直流伺服电机一同步齿形带一滚珠丝杠螺母副一滑动部件，其带轮的传动比分别为：1：1.33、1：1.33、1.3：lo Z轴是螺母旋转丝杠不动，而X、Y轴是螺母不动丝杠旋转。三根丝杠的安装支承方式均为一端固定一端自由（双推一自 山方式）。Y轴为垂直移动轴，滚珠丝杠没有自锁功能，为防止机床断电时回转工作台 下落，故Y轴的直流伺服电机尾部增加了一个电磁抱间；为防止Y轴传动同步齿形带 的断裂而出现工作台自由下落，在丝杠带轮旁安装了安全刹车装置。在丝杠的自由端方 向安装了机械挡块，以防止移动部件离开极限位置。B轴为回转轴，直流伺服电机一同步齿形带一多级齿轮传动副一回转工作台。多级 齿轮副的传动比1：297,依靠液压锁紧。回转工作台用于托盘的支撑、定位、夹紧。主轴的传动（见图2.3）：直流主轴电机一多楔带一主轴变速箱一主轴。主轴变速 箱可四档自动和手动调速。主轴定向位置由感应开关来反馈，由液压驱动的销钉来锁定 定位。主轴的松、抓刀是由液压来驱动爪头来实现的。具有主轴吹气功能，不具备刚性 攻丝功能。9第2章 总体系统的设计3730204 S44 1580 5015带轮带径135图2.3刀库为鼓轮式、径向取刀方式网。传动为直流减速电机带动拨片，拨片拨动刀库旋 转。随机选刀方式。换刀机械手为单臂双手式，前退、旋转、抓松刀均为液压驱动。工作台交换装置是双速交流电机通过链传动来拖动工作台交换叉进行工作的。润滑系统由中心润滑单元、油管、分配器等组成，中心润滑单元按设定的周期泵出 润滑油，为机床导轨和丝杠提供润滑。液压系统由电机、液压泵、压力表、蓄能器、溢流阀、电磁换向阀、单向阀、截止 阀、压力传开关、管路、执行元件等组成，用来实现托盘的夹紧和放松、回转工作台的 夹紧和放松、抓刀、机械手的进退、机械手的旋转、机械手抓刀、主轴定向。气动系统由气源、FRL单元、节流阀、电磁换向阀、汽缸等组成，用来实现机床托 盘交换时门的开关以及主轴换刀时的吹气和回转工作台托盘交换时的吹气。10第2章 总体系统的设计冷却液循环系统由冷却液箱、电机、冷却液泵、管路和喷嘴组成，用来完成加工时 刀具、工件的冷却。2.1.2卧式加工中心控制系统的组成1、数控装置2 MAHO 432数控系统由显示模块、主模块、存储器模块、主轴控制 模块、X,Y双轴控制模块、Z,B双轴控制模块、I/O模块、测试模块和电源模块等组 成。该系统在机床上实现的主要功能：完成对四个坐标轴的控制，其中三个轴可以联动,可实现圆弧插补（无3D插补）、直线插补等插补功能；机床的辅助功能，孔加工的循环 加工功能；公制/英制转换、刀具补偿等；自动选刀、自动换刀、自动交换托盘等辅助功 能以及一些手动功能；机床参数只有一百多个，选择功能比较少，未提供螺距补偿等功 能。2、进给伺服系统及主轴系统支直流伺服系统，NC到伺服驱动器的速度指令为土 10V的模拟信号，电机的测速发电机向伺服系统反馈速度信号，光栅向NC反馈位置信 号，NC内置EXE电路。X、Y、Z、B坐标轴直流伺服电机扭矩分别为：16NM、24NM、16NM、3.7NM；主轴功率：8.4KW,主轴转速：50-5000转/分；坐标快速：10米/分坐 标最大进给速度：4米/分。2.2 数控系统的设计为了实现该卧式加工中心的功能，对所选的数控装置提出以下主要要求：控制轴数和联动轴数。数控装置控制的轴数为四个，实现任意三个坐标轴联动 控制。准备功能。具备ISO标准中规定的准备功能中的绝大部分功能。主轴功能。实现主轴转速505000RPM的编程控制；由于本机床有自动换刀功 能，所以所选装置具有主轴定向功能。进给功能。切削进给速度满足1 mm/min10m/min；快速移动速度满足10m/min；进给倍率在。120%o 补偿功能.具备刀具补偿功能，工艺量的补偿、坐标轴的反向间隙补偿、丝杠 的螺距补偿功能。固定循环加工功能。包括钻孔、功丝、撞孔、钻深孔等循环功能。字符图形显示功能。编程功能。具有手动编程和后台编程功能。输入、输出和通讯功能。能实现和磁盘机、计算机之间的数据传输，具有网络 通讯功能，为以后数控设备的联网提供支持。自诊断功能。11第2章 总体系统的设计除满足以上主要功能外，还要重点考虑的是系统的可靠性和稳定性，因为该设备是 航天机加关键零件加工的设备之一，而航天机加零件高精度要求以及高价值就决定了使 用机床的精度、高稳定性和可靠性；另外，操作、维修人员的习惯以及性价比也应当予 以考虑。根据MAHO 600卧式加工中心的结构特点以及以上要求，结合当前先进的数控系 统的发展方向进行选型，经过比较，数控系统最终选定为具有高可靠性、功能先进、价 格适中的FANUC OiMB系统。2.3 伺服系统的设计2.3.1 伺服系统工作原理伺服系统是以机床运动部件(如工作台)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。它能准确地执行CNC装置发出的位置和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换 和放大后，经伺服电动机(步进电动机、交流或直流伺服电机等)和机械传动机构，驱动 机床工作台等运动部件实现工作进给、快速运动以及位置控制。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，可分为开环 控制、半闭环和闭环控制系统。开环控制(Open Loop Control)数控机床这类数控机床不带位置检测反馈装置，CNC 装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电机，再经传动机构带动工作台 移动，其控制框图如图(2.4)所示。开环控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试 方便，维修简单，但是控制精度比较低，这类数控机床多为经济型。工作台图2.4数控机床开环控制图闭环控制(Closed Loop Control)数控机床这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置 检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置 的指令位置进行比较，用差值进行控制。其控制框图如图(2.5)所示。之类数控机床的 精度高，但是调试和维修比较困难，设计和调试时还应该对系统稳定性给予足够的重视。12第2章 总体系统的设计半闭环控制（Semi-Closed Loop Control）数控机床这类数控机床将检测元件安装在 电机的端头或丝杠的端头。由于闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可获得 比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床，但控制系统的调试比较方 便。2.3.2 加工中心伺服系统的类型伺服、主轴电机的选择：FANUC ai系列伺服系统，电机型号选择，参数见表2 表2.1轴名XYZB主轴电机型号a22/3000ia30/3000ia22/3000ia4/4000ia8/8000i额定扭矩（NM）2230224最大转数（RPM）3000300030004000连续额定功率（KW）4741.48轴伺服放大器模块选择：X,Y轴伺服电机共用一个模块，Z.B轴伺服电机共用一 个模块，主轴单独一个驱动器。选择伺服放大器（200V输入系列）：X、Y双轴放大器 模块：SVM2-80/100i,B、Z双轴放大器模块：SVM2-40/80i；主轴放大器模块（200V 输入系列）：SPM-lli o电源模块的选择：按照FANUC提供的选型依据进行选择，电源模块的额定输出容 量=X主轴电机连续工作的额定输出功率XL15+E伺服电机连续工作的额定输出功率 X0.6=7.5X1.15+0.6X（2X4.0+7.0+1.4）=18.5KWO 选择电源模块为：PSM-26i,其额 定输出功率为26KW,峰值功率为：66KWO位置检测器件的选择：由于本机床丝杠的安装支承方式为一端固定一端自由，丝杠没有预紧及冷却装置，如果采取半闭环的控制方式，则丝杠刚度、温度的变化以及 传动链的间隙对机床的精度会产生很大的影响。因此要采用位置检测装置，使机床构成 位置的闭环控制。精度的选择是根据机床的定位精度的要求，选择光栅的分辨率为1口 M,长光栅的型号为LS467,圆光栅型号为：ROD271o13第2章 总体系统的设计2.4 接口连接设计FANUC OiMB数控系统在组成上包括传统的NC和PMC两部分，它在本机床上要 实现的功能有：四个坐标轴位置的闭环控制；主轴控制；手动数据输入以及画面的显示；与计算机实现通讯；电子手轮对各坐标轴的手动控制；对机床辅助功能的控制。根 据这些要求，对控制系统进行总体设计（见图2.6）根据要求完成系统的总体设计后，依据相关资料,对各模块（部件）间的连接进行 设计。2.4.1 NC模块与其他部件的连接 与伺服放大器的连接（见图2.7）：通过光缆K27（FANUC串行伺服总线FSSB）把NC的COP10A接口与FANUC ai数字伺服放大器上的COP10B接口连接起 来，实现指令、反馈等信号的沟通；与MDT/LCD单元连接（见图2.8）：通过COP20A接U经光缆把NC与MDT/LCD 单元进行连接；与RS232接口连接（见图2.8）：通过J D5A接口把NC与RS232接口联系起 来 与主操作面板J D1A接口连接（见图2.8）：通过J D1A（I/OLINK）接口把NC 与主操作面板J D1A接口联系起来；与电子手轮（MPG）接口连接（见图2.8）：通过J A3B接口把NC与电子手轮（MPG）接口联系起来；与机床电器柜的I/O端子连接（见图2.8）：通过PMC内置I/O接口 CB104、CB1O5把PMC与机床电器柜的I/O端子板TB1、TB2联系起夹。2.4.2 其他部件的连接电源模块、主轴放大器、伺服放大器间的连接（见图2.7、2.9）：它们间的连接有 三种