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。