C5225立式车床的数控化改造

C5225立式车床的数控化改造

摘要

C5225普通立式车床可以满足普通端面和外圆的切削，但不适应曲面类零件的加工。加工曲面类零件需先根据零件的要求设计制造工装，然后利用工装进行加工，因而存在生产成本高，产品适应性差，加工周期长等缺点。针对C5225立式车床的结构特点，经过技术上和经济上的可行性分析，本文提出了利用SIEMENSSINUMERIK 802D数控系统对机床进行数控化改造的方案，对机床主传动系统的全数字直流调速改造、左刀架进给系统的数控化改造以及数控电气控制系统的设计和调试三方面的内容进行了具体实现。

1、主传动系统的全数字直流调速改造采用英国欧陆590+全数字直流调速器，在保留原变速机构的基础上将机床原液压16级手工变速改造为液压4级无级调速。改造内容包括调速方案和电机的选择、主传动传动路线的调整以及直流调速器控制电路、PLC控制程序的设计；

2、左刀架进给系统的数控改造采用滚珠丝杠替换原滑动丝杠，半闭环控制。改造内容包括伺服进给系统控制方式的选择、进给系统机械部分改造方案的确定；滚珠丝杠副及伺服电机的的参数计算和选择；

3、SINUMERIK 802D数控系统有效实现了左刀架的x轴和z轴联动控制，数

控电气控制系统的设计内容主要包括数控电气控制系统的组成及连接、数控系统中PLC程序的设计及调试、数控系统的调试及系统基本参数的设定。

机床改造后，除可以满足普通端面和外圆的切削外，还可以加工出普通立车

无法加工的复杂曲面类零件，大大扩大了机床的加工范围，同时提高了生产效率和加工精度，并至少节省购买数控立车的大笔资金50万元，完全达到了改造的目的。

关键词：立式车床；数控改造；全数字直流调速；滚珠丝杠；数控系统

Numerical Control Transformation of C5225

Vertical Lathe

ABSTRACT

The traverse plane and top circle call be cut by the C5225 vertical lathe．by which the spherical surface work piece Call not be machined．The technics fumishment ,should be designed according to the actual request before machining the spherical surface work piece，causing high production cost，bad product applicability and long production cycle．A new alteration method about machine tool，basing on SIEMENS SUNUMERRIK 802D numerical control system，has been brought out in this paper．Concretely ,the full —number DC timing alteration ofmaster drive system，the numerical control alteration ofleft tool carriage as well as the design and debug ofthe numerical control electric system ,has been achieved．

The Eurptherm 590 full-number DC actiyator had been applied when alteriIlg the master drive system ,whose transmission has been kept down while hydraulic 16-classmanual speed control had been changed to 4-class stepless speed regulation．Theal teration plane comprised the choosing of timing plane and electromotor, the transmission route adjusting of the master drive ,the design of DC actiyator control circuit and PLC program． In the left tool carriage feed system，the sliding leadserew and the semi·closed loop control has been displaced by ball screw．The alteration comprised the choosing of control way to the scrvo feed system，the confirm of mechanism part alteration plane about the feed system．the parameter count and choosing of the ball screw pair as well as the servo motor．The coordinated movement about X and Z axis could be implemented by SINUERRIK 802D numerical system effectively．The design about numerical control electric system comprised the components of hardware，the connecting method，the design and debugging of the system PLC program，the debugging of numerical system and the set of system parameters． After the alteration，the complex spherical surface work piece，besides normal traverse plane and top circle，could be macllined．In this way ,the machining bound of the tool could be enlarged．the productivity as well as the precision could be improved highly and the cost of numerical control tool，500，000 yuan ,would be saved．This alteration was successful．

KEY WORDS：vertical lathe；numerical controI transformation；full—number DC speed adjusting；ball screw：numerical control system

目录

中文摘要---------------------------------------------------------- I Abstract---------------------------------------------------------- II 第一章绪论 ------------------------------------------------------- 1.1 国内外数控化改造的现状 -------------------------------------- 1.2 项目的来源及研究意义 ----------------------------------------

1.2.1 项目的来源 ----------------------------------------------

1.2.2 C5225车床的概述 -----------------------------------------

1.2.3 项目的研究意义 ------------------------------------------ 1.3 C5225立式车床数控改造的总体方案 ----------------------------- 1.3.1 国内立车数控改造的成功案例 ------------------------------ 1.3.2 数控系统及进给伺服驱动系统的选择 ------------------------ 1.3.3主轴改造方案的选择 -------------------------------------- 1.3.4 刀架改造方案的选择 -------------------------------------- 1.3.5 C5225立式车床数控改造的总体方案 ------------------------- 1.4 本文研究的主要内容 ------------------------------------------ 1.5 本章小结 ---------------------------------------------------- 第二章 C5225立式车床主传动变速系统的改造 -------------------------- 2.1 C5225立式车床主传动系统概述 --------------------------------- 2.2 主轴电动机的确定 -------------------------------------------- 2.2.1 调速方式的选择 ----------------------------------------- 2.2.2 直流电动机的选择 ---------------------------------------- 2.3 5225立式车床主传动系统传动路线的改造 ------------------------ 2.4 本章小结 ---------------------------------------------------- 第三章 C5225立式车床进给系统的改造 -------------------------------- 3.1 伺服进给系统概述 -------------------------------------------- 3.2 滚珠丝杠螺母副 ---------------------------------------------- 3.3 C5225立式车床进给系统的改造方案 ----------------------------- 3.4 伺服电机和滚珠丝杠副的参数计算与选用 ------------------------ 3.5 本章小结 ---------------------------------------------------- 第四章 C5225立式车床数控系统的选择 -------------------------------- 4.1 数控系统的工作原理和组成 ------------------------------------ 4.2 数控系统的选择 ---------------------------------------------- 4.3 SINUMERIK 802D数控系统简介 ---------------------------------- 4.4 本章小结 ---------------------------------------------------- 第五章结论 ------------------------------------------------------- 个人总结 ---------------------------------------------------------- 参考文献 ----------------------------------------------------------

第一章绪论

1.1 国内外数控改造的现状

工业发达国家在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。目前工

业化发达国家机床拥有量和数控化率有的已高达30％以上，我国仅为2．8％(包括以单板机和步进电机为特征的经济型数控机床)，和发达国家相比，差了一个数量级。无疑，每提高一个机床拥有量和数控化率的百分点，制造业的技术水平将会向前跨跃一大步。同时机床数控化也是推行CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。当前，衡量一个国家机械制造业现代化水平的一个重要指标是，机床拥有量中的数控化机床的比重(数控率)。在这方面，我国与发达国家存在着极大的差距。这正是我国机械工业在国际市场竞争中不如过国外对手的重要因素之一。

我国是一个传统的机械制造大国，装备落后，设备陈旧。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。但是我们要在拥有量的数控化率上赶上国外对手，仅仅依靠添置新的数控机床，是我们这样的发展中国家的财力所不能承受的。我国现有数以万计的陈旧落后的普通机床，大量进口的现已陈旧的数控机床包括一些进口的二手设备，为此投入少、收效大的机床数控化改造是提高机床数控化率的捷径和有效手段，符合中国的国情。

显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力。对于企业来说，只需花费购买相同新机床3096以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60％左右的价格。国外机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，在先进国家已经形成了一定的规模和市场。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工程公司、ayton机床公司、Devlieg—Bullavd(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。从事改造业的著名公司有：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。而在我国，这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件来衡量还相距甚远。相信不久的将来，通过努力，一批具备较强实力和较大规模的机床改造、翻新的专业化企业会发展壮大起来。

1．2项目的来源及研究意义

1.2.1 项目的来源

立式车床是生产水轮机的重要设备，电气设备较为复杂。浙江金轮有限公司一台87年由齐齐哈尔机床厂生产的2．5m立式车床(C5225)，原采用“继电器一接触器”控制系统，采用大量接触器、继电器来实现刀架、横梁等部件控制，主

轴和进给系统采用交流电机拖动，齿轮变速手工调速。随着近二十年的运行，产品适应性差、工作效率低下、机床操作与调整不方便、设备维护困难等一系列缺点逐步体现出来，影响了该机床运行的经济效益。

随着数控技术在生产中的应用越来越广泛，数控立式车床的生产优势也越来越明显，广大机加工用户都开始考虑对原有普通立式车床进行更新换代。由于数控立式车床的购置费用较高，一次性投入大，而利用原有普通立式车床进行数控化改造费用低、质量高，因此对普通立式车床进行数控化改造是机加工用户的一种理想选择。应厂方要求，对该立式车床进行数控化技术改造，使该机床能经济有效运行。

1.2.2 C5225立式车床概述。

C5225立式车床由立柱、横梁、滑座、滑枕、刀架、圆形工作台等组成如图1-1所示。

机床最大加工工件直径2500mm，最大加工工件高度1600mm，最大加工工件重量lO吨，工作台直径2250mm，工作台转速16级，工作台转速范围2～63r／min，工作台的最大扭矩M=61740N．m ，交流主电机功率为55kW，刀架水平行程1400mm，刀架垂直行程1000mm。该机床系属万能性双立柱立式车床，可以车削圆柱、圆锥和平面，镗圆柱与圆锥孔，供铸铁、钢及有色金属零件的粗精加工之用。机床操纵皆集中在悬挂操纵箱上进行。

随着产品的变化和发展，普通立车的功能已不能满足新市场、新产品的要求。主要表现在：

1、无法完成或很难完成具有复杂曲面零件的加工。

2、产品的适应性差，生产效率低。对不同零件的加工，需要先根据零件的实际要求设计工装设备，然后再进行实际加工。因而生产成本高，供货周期长，

已跟不上市场的要求。

1.2.3 项目研究的意义

立式车床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机床机械部分相对比较稳定，使立式车床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。传统的普通立式车床其机械部分刚性好，精度较高，一般其基本性能可达到现代同类机械的水平，但其电气控制和驱动部分则显得不同程度的老化，与先进制造技术相比显得较为落后，这对加工性能及成本有很大的影响，甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用，本文通过对原系统以及C5225立式车床加工运行性能和要求进行分析研究，设计一套低成本高性能的数控化改造方案，最大限度发挥机床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对C5225立式车床加工性能的提高和使用有很大的实际意义。

C5225立式车床加工存在质量差，精度低，成本高，供货周期长等问题。由于数控立车的成本较高，重新购买新设备，至少需要资金80～150万元，企业难以承受。将普通立车改造成数控立车有以下好处：

1、减少投资额。同购置新机床比，可节省大笔费用，而且可根据企业产品的要求进行局部或单项功能的改造。通过对床的数控化改造，在节省资金的前提下，有效提高了机床的精度和效率，实现了原有设备的技术升级。

2、解决复杂零件的加工精度控制。改造后的数控立车除可以满足普通端面和外圆的切削外，还可以加工出普通立车无法加工出来的复杂曲面类零件，大大扩大了机床的加工范围。

3、自动化程度高，提高生产效率。可以实现加工自动化，而且是柔性自动化，从而使生产效率比普通立车有效提高，对复杂零件生产效率的提高则更为明显。

4、提高产品质量。加工出来的零件精度高、尺寸一致性好、废品率低。

5、节约工装费用，降低成本。改造后的数控立车可以不用工装或少用工装，有效降低工人的劳动强度，减少劳动力，从而降低生产成本。

6、适合于多品种、小批量生产的自动化加工，对产品的适应性强。对不同零件的加工，只需要改变不同的加工程序和刀具即可，有效缩短新产品的试制周期，提高企业对市场的应变能力。

1.3 C5225立式车床数控改造的总体方案

1.3.1 国内立车数控改造的成功案例

武汉东方电机厂的一台6.3mm普通立车，手工操作进行加工。手工操作一是劳动强度大，时间长，二是精度无法得到保证。为适应较为复杂型面工件的加，提高了生产效率，保证加工精度对6.3mm普通立车进行数控改造。保留原右刀机械部分也相应地做了改动，更换了减速箱。采用HZCNC一1T华中数控系统，采

用了德国AMK公司的65N．m交流伺服驱动和电机。机床改造后，可加工内外球面和各种流线型回转面等。依据伺服电机输出的转矩以及传动比的调整，切削用量可较以前得以提高。多道工序编程后可一次完成加工，测量、对刀与找正等辅助时间减到最少。定位精度和加工精度要好于机床改造前。提高了产品的技术含量和附加值，并节省下购买大型数控机床的大笔投资。

洛阳中重设备工具公司一台C5250普通立车采用“继电器一接触器”控制系

统，为满足加工大型球面瓦的全部工艺要求，全面提高机床性能．满足高效加工各类工件的工艺要求和降低设备故障率，用 NUMl 040T CNC数字控制系统与NUMDRIVE数字驱动系统对左右两个刀架进行数控改造，原普通丝杠更换为滚珠丝杠；利用NUM POWER 1040T PLC的远程输入／输出模拟量模块实现双刀架的自动与手动功能结合。对公司的产品扩大加工范围、加工斜面、球面等起到了必要的保证。为公司拓展市场打下了坚实的基础。

哈尔滨汽轮机厂一台罗马尼亚的2．2m数控立车数控设备运行十几年后出现数控系统老化、系统运行稳定性差及故障率高的问题，通过使用西门子840D

数控系统及611D驱动对一台罗马尼亚的2．2m立车进行了改造，选用西门子主轴电机1PH7186—2NE03一0AAl替换原主轴电机，选用西门子进给电动机lFT6086—8AF71—1AHl 替换原进给电动机，机械部件进行大修，使这台停产两年的机床重新运转起来。

1.3.2数控系统及进给伺服驱动系统的选择

一、数控系统的选择

数控装置的选择是数控改造的关键，性能过高，功能过多，会造成改造成本的增加，反之如果性能较低，功能较少，则不一定能够满足加工需要，因此，需要结合机床的性能要求进行合理选用。另外数控系统的使用和维护也是数控改造需要考虑的重要内容之一。

结合国内立车改造的成功案例, 并且为了保证数控系统使用和维护的方便性，本次数控改造选用SIEMENS公司中属于中低档系统但基本上已是标准数控系统的SINUMERIK 802D系统。

西安飞机国际航空制造有限公司一台SKIQl6 CNC B数控立式车削中心是捷克HULIN公司于上世纪90年代制造，采用FANUC—BASK 6T数控系统。由于该机床已经使用10余年，加之数控系统更新换代，FANUC-BASK 6T数控系统早已停产，系统板件老化，备件昂贵。采用新型数控系统对该机床进行改造势在必行。该机床原有功能齐全，包括主轴(工作台)和铣磨轴的旋转运动、X、Z轴坐标运动、15个刀位的刀库系统，还有诸如冷却系统、液压系统、润滑系统、排屑系统等机床功能。主轴和铣磨轴采用直流电动机及直流调速器。X、Z轴坐标也采用直流伺服电机及直流伺服调速器。刀库采用普通三相异步交流电动机，由5位二进制凸轮定位。该机床的机械部分各方面机械性能良好稳定、精度尚可、液压系统工作正常，在数控改造中上述部分基本保持不变。数控改造更换数控系统和电气控制部分，采用SIEMENS SINUMERIK 802D数控系统。x、z轴和刀库伺服驱动系统采用SIIMOORIVE 611UE变频驱动系统和1FK7伺服电机，选用脉冲编码器作为位置检测元件，达到数字伺服驱动系统闭环控制。主轴和铣磨轴驱动系统采用英Eurotherm 公司的590+系列直流电动机调速装置。通过数控化改造，极大地拓

二、伺服驱动系统的选择

数控机床的进给伺服驱动常用的有步进电动机一开环控制、直流或交流伺服电动机一半闭环控制和直流或交流伺服电动机一闭环控制。

选用步进电动机，须相应地降低机床的某些性能，主要是快速性。由于步进电动机在低速工作时有明显的冲动，易自激振荡，而且其激振频率很可能落入立车车削加工所用的进给速度范围内，这对加工极为不利，造成工件超差。此外，由于步进电动机没有过载能力，高速时转矩下降很多，容易丢步，大功率步进电动机的驱动较困难。立车为大功率、大转矩加工机床，因此选用步进电动机不适

合立车改造。

采用直流或交流伺服电动机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难得多，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中。由于所改造数控立车工件的加工精度不很高，采用闭环系统的必要性不大。

采用直流或交流伺服电动机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。由于其调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电动机的开环控制。其反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，比闭环容易实现。

综合以上分析本次改造采用西门子SINUMERIK 802D数控系统的半闭环控制。

1.3.3 主轴改造方案的选择

一、交流调速和直流调速的选择

数控机床的主运动广泛采用无级变速，这不仅能使其在一定的调速范围内选择合理的切削速度，而且还能在运转中自动变速。无级调速有机械、液压和电气等多种形式数控机床一般都采用由直流或交流调速电机作为驱动源的电气无级调速。

对于交流主轴电机，采用变频调速控制。其特点是调速和起制动性能好，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。，采用变频器变频的最大优点是可以采用机床原来的主轴普通电机，方便的进行转速调控，因而改造成本较低；缺点是交流电机通过变频在较低转速运行时，运行稳定性较差，不利于提高零件的加工精度，因此，采用此种方法进行主轴变速时不能设定太低的转速。如果零件加工确实需要在低转速情况下进行，且加工精度有一定要求，则应将主轴电机更换为专用变频电机。

对于直流主轴电机，一般采用全数字直流调速装置进行调速系统。特点是全数字控制装置，体积小、结构紧凑，本身有参数设定单元，不需其它的任何附加设备即可完成参数的设定，并且所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器做到精确控制的，尽管目前的变频调速具有矢量控制，运用现代控制理论，通过矢量转换，将交流电机中耦合的电枢电流和励磁电流解开，从而对其进行控制，也来实现。直流调速控制力度和精度比交流变频调速要好，调速性能更稳定一些原因很简单，直流调速的电枢和励磁不是耦合的，是分开的，这样对电枢电流和励磁电流能够做到精确控制。而交流调速，电枢电流和励磁电流是耦合的，是无法就是仿真直流调速的原理。但是要做到直流调速的控制特性目前是很困难的。

立车为大功率、大转矩加工机床，若主轴采用交流变频调速为保证低速时的运行稳定性和加工精度，需采用专用变频电机和大功率变频器，相对直流调速反而成本较高，经济不合算。对于55kW的主轴控制采用交流变频调速成本在7～8 万元，而采用直流数字化调速成本在5万元左右。再考虑到直流调速的优点，本次改造我们选用了直流电机和英国欧陆590+直流数字化调速系统。

二、主轴电气控制方案的选择

主轴电气控制方案有三种：一是保留原继电器电气控制系统不变；二是由数控系统来控制主轴的工作；三是将继电器电气控制系统进行PLC控制改造。第一种方案虽然成本低，但是机床工作十几年后，电气系统已老化，故障几率高，工作不稳定，而且排故困难。若更换新的继电器电气控制系统控制柜内部的安装、

接线工作量极大，改造的工期长，费用高，而且控制方式相对落后。第二种方案将主轴电气进行数控化改造，通过程序便可控制主轴的速度，性能先进，而且可充分利用数控装置的控制功能。但是对于只对一个刀架进行数控化改造的情况还要考虑到横梁和常规刀架的工作。若主轴控制数控化，当数控系统发生故障时，主轴无法工作，常规刀架也就无法进行常规加工。第三种方案将主轴电气进行PLC 改造，有以下好处：

1、可靠性高，硬接线少，PLC具有掉电保护、监控、报警、故障检测等功能，能够及时发现和排除故障。

2、柔性好，采用程序控制方式，PLC模块式结构具有扩展的灵活性。

3、功能强大，使用方便。

4、可以同时将横梁和常规刀架进行PLC改造，不仅可以降低机床改造的成本，同时可以简化机床电气控制线路，提高机床的工作性能。

综合以上分析本次改造主轴电气控制方案为PLC控制，保留主轴的手动加工操作功能。在对主轴PLC改造的同时将横梁和常规刀架进行PLC改造，采用日本三菱FX2N-80MR PLC来进行控制。

三、主轴传动系统的改造方案

由于数控机床主运动的调速范围较宽，一般情况下单靠调速电动机无法满足；另一方面调速电机的功率和转矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求完全匹配。因此，需要在无级调速时机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。

考虑到改造的成本和加工需要，将原来四轴16级变速的机械有级主轴传动改造为采用全数字直流调速装置进行无级调速的直流主轴电机串联二轴4级变速的主轴传动。

1.3.4 刀架改造方案的选择

常用的方法有两种：一是左右两个刀架都进行数控化改造，二是只对其中一个刀架进行数控化改造。

左右两个刀架都进行数控化改造这种改造方案成本较高，改造的工作量大，改造的周期相对要长些，而且改造以后两个刀架的数控功能未必能得到充分的发挥，普通刀架的功能优势又被丧失。所以立车数控化改造采用对左右两个刀架都进行数控化改造的情况较少。

只对其中一个刀架进行数控化改造这种改造方案成本相对较低，改造的工作量相对较少，改造周期短。数控刀架可进行数控加工，可以完成复杂曲面零件的加工，可满足在不断开发新产品时，实现多品种、单件和小批量生产的要求。普通刀架保留手动加工操作功能，作常规加工之用，能保证以往产品的加工工艺路线不致有较大变化，符合传统生产习惯。在加工安排上可以合理安排两个刀架的使用，使性能得到充分发挥。

刀架数控化机床的机械部分要相应地做改动，需将原来的普通T形丝杠替换为滚珠丝杠并更换减速箱。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90％以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。对于大型机床，由于刀架比较重，惯性大，若采用伺服电机直接与丝杆相连，伺服系统的驱动功率要求很大。虽然这样可以提高进给速度，但系统的成本将会非常高。对于大型回转体加工，进给速度一般要求比较低，因此，机床进给轴采用一定速比的机械降速传动，以降低进给轴伺

服电机驱动力矩的要求，从而降低改造成本。

综合以上分析本次刀架改造方案为：对左刀架进行数控化改造，将原来的T 形丝杠替换为滚珠丝杠；除去左刀架减速箱，将原有的齿轮传动系统改造为一对减速齿轮，右刀架原机械结构和操作功能保留不变。

1.4 本文研究的主要内容

设计、制造各类用途的数控机床是提高我国机床数控化率途径之一，而对现有机床进行有目的的、有针对性的数控化开发，更是一条多、快、好、省的，符合我国国情和产业政策的重要途径。本文根据C5225立式车床的功能特点，结构以及用户的要求对C5225立式车床的数控改造进行了较为详细的论述，具体内容如下：

1、主传动系统的直流数字化调速改造。主要是直流电机的功率计算和型号选择、主传动传动路线与变速液压系统电磁铁工作状态的调整以及直流调速器控制电路、PLC控制程序的设计。

2、进给系统的数控化改造。主要是伺服进给系统控制方式的选择、进给系统机械部分改造方案的确定；滚珠丝杠副及伺服电机的参数计算与选用；X轴和z 轴滚珠丝杠副零件图的设计。

3、C5225立式车床数控电气控制系统的设计。主要是数控电气控制系统的组成及连接、数控系统中的PLC程序设计及调试、数控系统的调试步骤及系统基本参数的设定。

4、结论。机床改造后扩大了机床的加工范围，提高了生产效率和加工精度，机床的可操作性和可维修性得到提高，并节省下购买大型数控机床的大笔投资。本次改造的成功也为今后的机床改造工作积累了经验。

1.5本章小结

数控机床在加工精度、自动化程度、生产效率、劳动强度等诸方面都有普通

机床无法比拟的优势，但购买新的数控机床特别是大型数控机床费用很高。机床数控化改造不仅实用性能良好、周期短，而且可以节约大量资金。通过对C5225 立式车床的数控化改造，可以加工原来无法加工的具有复杂曲面的零件，节约工装费用，降低生产成本。在本章节主要介绍了机床数控化改造的必然性及国内外机床数控化改造的现状；介绍了C5225立式车床存在的不足及改造的目的意义；介绍了C5225立式车床数控化改造方案的确定及可行性分析；最后介绍了本次改造的主要内容。

第二章 C5225立式车床主传动变速系统的改造

主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速(速度) 和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

在数控机床的主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统，可以大大简化机械机构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速。为扩大调速范围，适应低速大扭矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。

2．1 C5225立式车床主传动系统概述

C5225立式车床主传动采用交流电机，液压变速16级，采用停车手工变档方式，图2-1是它的主传动系统简图。

其传动路线表达式是：

机床通过液压缸，活塞杆带动I、II和VV双联滑移齿轮来获得不同的传递路线，重而获得16级变速。图2-2为C5225立式车床主传动系统的转速图。机床变速机构的液压控制回路如图2-3所示，转速与电磁铁工作状态的对应关系表如图2-4所示。

2.2 主轴电动机的确定

2．2．1调速方式的选择

无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。C5225立式车床主轴变速为液压变速16级，采用停车手工变档方式，比较费时繁琐，生产效率低，并且影响加工精度。本次机床改造将原手工变速改造为无级调速以利于提高生产效率和加工质量。

机床上常用的无级变速机构为直流或交流调速电动机。直流调速和交流调速都属于变流调速，两种调速方式随着元器件的开发及电机技术的发展而发展，各有千秋。交流电机体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，磨损和故障也少，在中、小功率领域应用广泛。缺点是交流电机通过变频在较低转速运行时，运行稳定性较差，不利于提高零件的加工精度。直流电机具有良好的启动、制动性能和调速性能，可以方便地在很宽的范围内平滑调速，但尺寸大，价格高，炭刷、换向器易磨损。直流调速在控制力度和精度上比交流变频调速要好，在大功率和低速工作场合，调速性能更稳定一些。考虑到立车为大功率、大转矩加工机床，常在低速下运行，故本次改造选择直流无级调速。

2.2.2直流电动机的选择

机床主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系，称为机床主轴的功率或转矩特性，如图2—5所示，主轴从最高转速n max一到某一转速n j问，能传递运动源的全部功率，在这个区域内，主轴的最大输出转矩应随转速的降低而加大，称之

图2-5 功率转矩特性曲线

以下直到最低转速n min，这个区域内的各级转速并不传递全

为恒功率区，从n

j

时的转矩不变。

n

j

是主轴能传递全功率的最低转速，所能传递的功率，则随转速的降低而降低。n

j

称为主轴的计算转速。

C5225立式车床主轴的最高转速为63r/min ， 最低转速为2r/min ，则计算 转速

n j =n min (min

max n n )25.0=2x(63/2)25.0 =4.73(r/min) 工作台在作旋转运动时: M n =9550

t n N (3-1) 其中：M n —工作台的额定扭矩，已知工作台的最大扭矩M=61740N ．111

n i —工作台传递功率的最低转速(r/min)

N 一传递额定扭矩所需的理论功率(kW)

则：N=9550j

n n M ?=9550

73.461740?=30.6（Kw ） N = N d ?η

式中：N d 一直流电机所需的功率(kw)

η一直流电机至工作台的总传动效率，考虑到齿轮的传动效率，轴承的传动效率，以及工作台环形导轨的传动效率等因素，取η=0．7。

则： N d = ηN

=30.6÷0.7=43.7(kw)

为保证右刀架的常规加工及参考原交流电机功率，选择低速大扭矩直流电机：型号：z4--200-31，额定功率55kW ，额定转速1000r/min ，最高转速2000 r/min ，电机转速工作范围400--1800r/min 。

2.3 C5225立式车床主传动系统传动路线的改造

在改造主传动系统时，要考虑电动机与机床主轴功率特性的匹配问题。由于 主轴要求的恒功率变速范围R np 远大于电动机的恒功率变速范围R dp 却，所以电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率变速范围，以满足低速大转矩切削时对电动机的输出功率的要求。

C5225立式车床主轴的主轴最高转速为63r/min ，最低转速为2r/min ，计算 转速为4.73 r/min ，直流电机额定转速为1000 r/min ，最高转速为2000r/in 。 主轴要求的恒功率变速范围R np =63/4.73=13.3

电动机的恒功率变速范围R dp =2000/1000=2

主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围，故必须配以分级变速箱。

取变速箱的公比?= R dp =2

则由于无级变速时R np =?

1-z f R dp =?f z 故变速箱的变速级数Z=f ?lg

R lg np =2

lg 3.13lg =3.73 取Z=4。如果重新设计变速箱，除更换变速箱外，还需重新更换液压系统， 这样就会使改造周期变长，改造成本变高。为减少改造的工作量，降低改造成本， 经计算和分析，可以保留原变速箱机构，将液压变速16级改造为液压变速4级， 转速图如图，传动路线如下：

Ⅳ档传动路线：

电机-Ⅰ—4724-Ⅱ－4327-Ⅲ--35

35—Ⅳ—6024—Ⅴ—2460-Ⅵ—3220-Ⅵ—13822—主轴 传动比i =4724?4327?3535?6024?2460?3220?138

22 =0.0319 当电机转速由2000r/min 降至1000r/min(恒功率区)，主轴转速由64r/min 降至32r/min 。

Ⅲ档传动路线：

电机-Ⅰ—4328-Ⅱ－4327-Ⅲ--5020—Ⅳ—6024—Ⅴ—2460-Ⅵ—3220-Ⅵ—138

22—主轴 传动比i=4328?4327?5020?2460?3220?6024?138

22 =0.0163 当电机转速由2000r/min 降至1000r/min(恒功率区)，主轴转速由32r/min 降至16r/min 。

Ⅱ档传动路线：

电机-Ⅰ—4724-Ⅱ－3535-Ⅲ--35

35—Ⅳ—6024—Ⅴ—4518-Ⅵ—3220-Ⅵ—13822—主轴 传动比i=4724??3535?3535?6024?4518?3220?138

22 =0.00814 当电机转速由2000r/min 降至1000r/min(恒功率区)，主轴转速由16r/min 降至8r/mjn 。

Ⅰ档传动路线：

电机-Ⅰ—4328-Ⅱ－35

35-Ⅲ--5020—Ⅳ—6024—Ⅴ—4518-Ⅵ—3220-Ⅵ—13822—主轴 传动比i=4328?3535?5020?2460?3220?4518?138

22 =0.00415 当电机转速由2000r/min 降至1000r/min(恒功率区)，主轴转速由8r/min 降至4r/mjn 。

当电机转速由1000r/min 降至400r/min(恒转矩区)，主轴转速由4r/min 降至

1.6r/min 。

图2-6为C5225立式车床主传动系统传动路线改造后的转速图，转速与液压回路电磁铁工作状态的对应关系表如图2-7所示。

2．4本章小节

在保留原变速箱机构基础上，将C5225立式车床液压16级手工变速改造为液压4级无级变速，缩短了改造周期，减少了改造的工作量，降低了改造成本。无级变速传动可以使C5225立式车床在加工中得到最有利的切削速度；能在运转中变速；能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。本章节介绍了C5225立式车床原主传动变速机构的传动路线和液压回路的工作状态；介绍了通过对直流调速和交流调速两者特点的比较确定机床调速方案；介绍了直流电动机的功率计算和型号选择；介绍了直流电动机与机床主轴功率特性的匹配计算；介绍了主传动系统传动路线和液压回路工作状态的改造。

第三章 C5225立式车床进给系统的改造

3.1 伺服进给系统概述

数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电动机，功率步进电动机，电液脉冲马达等)和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给和快速运动。

数控机床进给系统要求具有较高的定位精度，还有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为了确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，要求进给系统达到无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率以及有适宜的阻尼等。

伺服进给系统的控制方式有以下三种：

1)采用步进电机的开环系统，系统中没有反馈电路,不带检测装置，控制指令单向传递，系统对工作台的实际偏差不能修正，控制精度取决于步进电机的步进精度和传动机构的精度，其控制精度不高。

2)采用伺服电机的半闭环系统,检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部(一般是集成在伺服电机内)，通过测量电机轴或丝杠轴的角位移、角速度来间接测量移动部件的位置。系统的控制环内不包括机械传动环节，因此传动机构的传动误差仍会影响移动部件的位移精度。

3)采用伺服电机的闭环系统,闭环系统在移动部件位置上直接装有直线位移检测装置，通过直接测量移到部件的位移实现高精度的反馈控制，但这种测量装置的安装与调整都比较复杂且不易保养。

闭环伺服系统结构复杂，设计难度大，成本高，尤其是机械系统的动态性能难以提高，系统稳定性难以保证。半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间，调速范围宽，过载能力强，性能远优于步进电动机的开环控制。其反馈环节不包括大部分机械传动元件，虽然控制精度较闭环低，但调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，比闭环容易实现。故本次改造采用半闭环控制。

3.2 滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副又称为滚珠螺旋传动机构，其结构如图3-4，在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构

成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成

无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延

长工作寿命，可设置润滑件和密封件。

滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运

动副相比，有下列特点：

(1)传动效率高滚珠丝杠传动系统的传动效率高达

90％～98％，为传统的滑动丝杠系统的2～4倍，耗费能

量仅为滑动丝杆

的1／3，所以能以较小的扭矩得到较大的推力。

(2)运动平稳滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，

工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度，因此可精密地控制微量进给。

(3)工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度(HRC58--62)、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的4~10倍以上。

(4)定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、

无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。

(5)同步性好由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。

(6)可靠性高与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。

(7)不能自锁用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。

3.3 C5225立式车床进给系统的改造方案

根据用户要求，在保留左滑座体、左刀架体和左滑枕的基础上对左刀架作简易数控化改造，改造时拆除原机床的进给箱及T形丝杠，将伺服电机减速齿轮箱

图3-5 C5225立式车床进给系统简图

安装在原机床的尾端，采用一级齿轮减速。将原来的T形丝杠替换为滚珠丝杠，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置如图3—5所示。滚珠丝杠由西门子1FT7交流伺服电机驱动。

滚珠丝杠的支承方式采用“单推一单推”式，如图3—6。它的优点是可对丝杠进行预拉伸安装。预拉伸的好处有：(1)减少丝杠因自重引起的弯曲；(2)在推力轴承预紧力大于丝杠最大轴向载荷1/3的条件下，丝杠拉压刚度可提高四倍；

图3-6单推一单推

改造后的横向、纵向进给系统如图3—7，图3—8所示。