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，