C6132車床數(shù)控化改造及縱向進給機構設計【說明書+CAD】

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The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed. Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw 目錄 一、前言 …………………………………………………………………… 1 二、設計任務 ………………………………………………………………1 三．總體方案的確定 ……………………………………………………1 四、機械傳動方案的分析與計算 ………………………………………1 （一）脈沖當量的確定 ………………………………………………………1 （二）切削力的計算 …………………………………………………………2 （三）縱傳動系統(tǒng)的分析與計算（Z軸方向） ……………………………2 1.滾珠絲杠螺母副的計算與選型（縱向） ……………………………… 2 2、減速箱的設計（縱向）………………………………………………… 4 3、步進電動機的計算與選型（縱向） …………………………………… 6 4、同步帶傳送功率的校核（縱向） ……………………………………… 9 （四）縱向傳動系統(tǒng)的分析與計算（X軸方向） ………………… 10 1、滾珠絲杠螺母副的計算與選型（橫向） ……………………………… 10 2、減速箱的設計（橫向） ……………………………………………… 12 3、步進電動機的計算與選型（橫向）…………………………………… 12 第一章 前言 數(shù)字控制機床（Numerical Control Machine Tools）簡稱數(shù)控機床，這是一種將數(shù)字計算機技術應用于機床的控制技術。它把機械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置，經(jīng)運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性、高效能的自動化機床，是典型的機電一體化產品。 數(shù)控機床一般由下列幾個部分組成： 1）主機，它是數(shù)控機床的主題，包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件，是用于完成各種切削加工的機械部件。 2）數(shù)控裝置，是數(shù)控機床的核心，相當于人的大腦，它包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。 3）驅動裝置，它是數(shù)控機床執(zhí)行機構的驅動部件，包括主軸驅動系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)、主軸電機及伺服電機等。它在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進給驅動。當幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線以及曲面的加工。 4）輔助裝置，指數(shù)控機床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。 5） 編程及其他附屬設備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。 與普通機床相比，數(shù)控機床有如下特點： 1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量； 2）可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件； 3）加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產準備時間； 4）機床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產率高（一般為普通機床的3-5倍）； 5）機床自動化程度高，可以減輕勞動強度； 6）對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高。 數(shù)控機床的優(yōu)點： 1） 數(shù)控機床能縮短生產準備時間，增加切屑加工時間的比率； 2） 使用數(shù)控機床進行生產，加工的零件精度高，產品質量穩(wěn)定,從而有效的提高了產品在市場上的競爭力； 3） 數(shù)控機床具有廣泛的適應性和較大的靈活性，因此能夠完成很多普通機床很難完成或者根本不能加工的、具有復雜型面、要求高精度的零件的加工； 4） 許多數(shù)控機床如加工中心具有自動換刀功能，使零件一次裝夾之后就能夠完成多個加工部位的加工，實現(xiàn)了一機多用，大大節(jié)省了設備和廠房面積； 5） 生產者可以對生產成本進行預算，并對生產進度進行合理的安排，以達到提高經(jīng)濟效益的目的； 6） 應用數(shù)控機床進行生產，減輕了工人的勞動強度，提高了工人工作的環(huán)境質量，增加了工人的生產積極性，促進了生產，提高了生產效率。 隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展，機械產品日趨精密復雜，且需頻繁改型，普通機床已不能適應這些要求，數(shù)控機床應運而生。這種新型機床具有適應性強、加工精度高、加工質量穩(wěn)定和生產效率高等優(yōu)點。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。 一、數(shù)控機床的產生 數(shù)控機床最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數(shù)控機床的初始設想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到20世紀50年代末，由于價格和技術原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術不斷的擴展應用范圍。 二、數(shù)控機床的發(fā)展 自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。 第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構成的專用數(shù)控裝置。 第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。 第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。 第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。 第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)。 目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。 近年來，微電子和計算機技術的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。 機床數(shù)控化改造的意義 制造技術和自動化水平的高低已成為一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志，而其中最具代表性的就是數(shù)控機床。目前，我國是機床生產大國，但不是機床制造強國，國產機床的發(fā)展仍然難以支撐國民經(jīng)濟和國防軍工的需要。與世界先進水平相比差距仍然十分明顯。因為一方面我國普通機床保有量大，要將普通機床淘汰掉是不經(jīng)濟的，也是不現(xiàn)實的；另一方面，從我國目前生產狀況來看，仍然以生產普通機床為主。然而，用普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、精度低、成本高、供貨期長等缺點，從而使產品在國際、國內市場上缺乏競爭力，這將直接影響一個企業(yè)的生產效益以及生存和發(fā)展。所以大力提高機床的數(shù)控化率已迫在眉睫，有很大的意義，而且普通機床的數(shù)控化改造將會長期存在，并會不斷的發(fā)展。 機床數(shù)控改造的意義： 1）節(jié)省資金。 機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。 2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。 3）提高生產效率。機床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產準備周期。 4）可以采用最新的控制技術?？梢愿鶕?jù)技術革新的發(fā)展速度及時地提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機床改造為具有當今水平的機床。 二、設計任務 題目：普通車床C6132數(shù)字控制改造 任務：將一臺C6132臥式車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。主要技術指標如下： （1）床身上最大加工直徑320mm； （2）最大加工長度750mm； （3）X方向（橫向）的脈沖當量δx=0.005mm/脈沖,Z方向（縱向）δz=0.01mm/脈沖； （4）X方向最快移動速度ｖxmax=2500mm/min,Z方向為ｖzmax=5000mm/min； （5）X方向最快工進速度v maxf=400mm/min,Z方向為v zmaxf=800mm/min; （6）已知要求：背吃刀量，進給量f=0.2mm/r （7）已知橫向移動部件重G=500N,縱向移動部件重為G=1000N. （8）安裝螺紋編碼器，可以車削米/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導程為24mm； （9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀； （10）自動控制主軸的正轉、反轉與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信號； （11）自動控制冷卻泵的起/停； （12）安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開； （13）縱、橫向安裝限位開關； 三、總體方案的確定 總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇以及進給傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。 （1）臥式車床數(shù)控系統(tǒng)化改造后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。 （2）臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應簡化結構，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)常采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)技術指標中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用MCS—51系列的8為單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS—51系列8為機具有功能多、速度快、 抗干擾能力強、性/價比搞等優(yōu)點。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展成雪存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等；還要選擇步進電動機的驅動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。 （5）為了達到技術指標中的速度和精度要求，縱、橫向的進給傳動應選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙、提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應有預緊機構等。 （6）計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速輪副，且應有削間隙機構。 （7）選擇四工位自動回轉刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。 四、機械傳動方案的分析與計算 為了提高傳動效率和產品的加工精度，縱、橫向傳動全部用滾珠絲杠。由于本次改造的是經(jīng)濟型數(shù)控機床，其結構簡單、價格便宜，調試、維護方便，一般用于精度不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床，并且本次改造的機床主要用于粗加工及半精加工。為降低改造成本，決定采用伺服半閉環(huán)控制方式對X軸（橫向）和Z軸（縱向）進給系統(tǒng)進行改造。采用伺服電機經(jīng)齒輪減速再傳動給X軸和Z軸絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。 1、縱向進給系統(tǒng)的設計 經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造一般是伺服電動機減速驅動絲桿，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。伺服電機的布置，可放在絲桿的任意一端，對車床的改造來說，外觀不必象產品設計要求的那么高，而從改造方便，實用方面考慮，一般都把步進電機放在縱向絲桿的右端。 2、縱向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件： 工作臺重量W=800N，加速時間常數(shù)t=25ms，滾珠絲杠基本導程L=6mm，快速進給速度V=2m/min。切削力計算由《機床設計手冊》可知，切削功率式中 Pc=NηK P------電機功率，由條件我們選 P=4 KW η----主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.75～0.85,取η=0.8; K------進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96 則： Pc =4×0.8×0.96=3.072kW 切削功率應按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力(或轉距)和最大切削轉速(或轉速)來計算,即 Pc =×10 或 Pc= 式中 F---主主切削力(N); ν----切削速度（m/min） T----切削轉距(N.m) n----主軸轉速(r/min) 設按最大切削速度來計算，取ν=100m/min，則主切削力 Fz==（N）=1843.2（N） 從《機床設計手冊》中可得知，在一般外圓車削時： Fx=(0.1～0.6)Fz Fz=(0.15～0.7)Fz Fx=0.5Fz=0.5×1843.2＝921.6N Fy=0.6Fz=0.6×1843.2=1105.92N (2)滾珠絲桿設計計算 滾珠絲杠副已經(jīng)標準化，因此，滾珠絲杠副的設計歸為滾珠絲杠副型號的選擇。 1）計算作用在絲杠上的最大動負荷 ：首先根據(jù)切削力和運動部件的重量引起的進給抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命值計算出絲杠副應能承受的最大動載荷。 式中 —工作負載(N)指數(shù)控機床工作時實際作用在滾珠絲桿上的軸向力; —運轉系數(shù)，一般運轉系數(shù)取1.2~1.5，有沖擊的運轉取1.5~2.5； —硬度系數(shù)，為60HRC時，為1；為<60HRC時，>1; G —壽命(以轉為單位1，如1.5則為150萬轉)。 壽命G可按下式計算： G= 式中 n—滾珠絲杠的轉速(r/min); T—使用壽命時間(h),數(shù)控機床T取15000h。 工作負載的數(shù)值可用《機床設計手冊》中進給牽引力的實驗公式計算，對于三角形或綜合導軌 =k+(+W) 式中 、—切削分力； W—移動部件的重力(800N)； k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，k=1.15； —導軌上的因數(shù)，=0.15~0.18，取=0.16。 則 =[1.15×921.6+0.16(184302+800)]N=1482.752N 當機床以線速度v=100m/min,進給兩=0.3mm/r,車削直徑D=80mm的外圓時，絲杠的轉速 n=×=×r/min 則G==萬轉=17.91萬轉 根工作負載、壽命G，取=12，=1，計算出滾珠絲桿副承受的最大動負荷 ==×1.2×1×1482.752N=4655.3N 由F查滾珠絲杠的產品樣本或《機床設計手冊》,選擇絲杠的型號.現(xiàn)在我們參照江蘇天安機械有限公司的滾珠絲杠的產品樣本,選擇滾珠絲杠的直徑為32mm，型號為CDM3206-2.5-P3，其額定動載荷是14022N，強度足夠用。 參數(shù)技術: 2）效率計算：根據(jù)機械原理，絲杠螺母副的傳動效率為 式中 —螺紋的螺旋升角，該絲杠為325 —摩擦角，約等于。 則==0.953 3)剛度驗算：滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用，將引起基本導程L的變化，因滾珠絲杠扭時引起的導程變化量很小，可忽略不計，故工作負載引起的導程變化量L為 L= 式中 E—彈性模量，對于鋼，E=20.6×10N/c； S—滾珠絲杠截面積（按絲杠螺紋底徑確定d，若d=2.77cm），則S==6.03c。 其中，“+”用于拉伸時，“－”用于壓縮時。 則L== 絲杠1m長度上導程變形總量誤差為 ==11.78 因3級精度絲杠允許的螺距誤差為15，故此絲杠的精度足夠。 （3）確定齒輪傳動比 根據(jù)系統(tǒng)的脈沖當量，選步進電動機的步距角，則 取齒輪齒數(shù),齒輪模數(shù)m=2m m,齒輪傳動時效率 （4）佩服電機的選擇 1）負載傳動慣量估算 折算到伺服電機軸上的傳動慣量可按下式估算 式中 --折算到電動機軸上的轉動慣量（ 齒輪的轉動慣量（） 齒輪的轉動慣量（） 絲杠的轉動慣量（） 估算參數(shù)。 對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉動慣量可按下式估算 式中 D—圓柱零件的直徑（cm） L--_零件軸向長度（cm） 所以， 負載轉動慣量 2）負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇 根據(jù)能量守恒定律，電動機等效負載轉矩 若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩 取安全系數(shù)為0.3，則 因為數(shù)控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最大靜轉矩時應滿足快速空載起動時所需轉矩T的要求。 式中—空載快速起動時所需的轉矩（N; —克服摩擦所需轉矩（）; ---絲杠預緊所引起的折算到電動機軸上的附加轉矩（）。 當工作臺快速移動時，電動機的轉速 由動力學可知 T=Jε 式中 ε----角加速度，計算公式為ε=。 則 T= Jε=8.687×10×=1.516 ==0.0175 T==0.406 式中 F----預加載荷, 一般為最大軸向載荷的1/3,即F/3 則T= T++ T=(1.516+0.0175+0.406) =1.940 3)伺服電機的最高工作頻率 Hz=55.56Hz 根據(jù)計算綜合考慮,查表選用Star系列130ST-M06025H型伺服電機。 （5）橫向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件：工作臺重量W=300N，時間常數(shù)t=25ms,滾珠絲杠基本導程L=4mm（左旋），快速進給速度=1m/min。由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算與縱向類似，故計算過程略。 選擇滾珠絲杠型號CDM2004LH-2.5-P3;減速齒輪Z=18, Z=30;伺服電機型號為110ST-M0403H. 結　論 本課題結合目前國內外數(shù)控車床進給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種桌面型數(shù)控車床的設計開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下： 1、數(shù)控車床結構方案的確定。分析了數(shù)控車床的特點，確定了數(shù)控車床基本結構，并確定其基本尺寸。 2、確定了數(shù)控車床技術指標及參數(shù)。對該數(shù)控車床的各向切削力進行了計算。 3、選擇了數(shù)控車床系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。采用了東達電控的電控箱。 4、數(shù)控車床本體結構設計。對數(shù)控車床各大功能組件進行詳細的模塊化設計，確定零件結構，繪制零件圖和裝配圖，并利用三維軟件對數(shù)控車床進行了三維建模與運動仿真。 5、零件的剛度和壽命計算與校核。對各個已設計零件進行剛度和壽命計算，確保滿足使用要求，使該數(shù)控車床有足夠的可靠性。 參考文獻 [1] 陳嬋娟.數(shù)控車床設計[M].化學工業(yè)出版社，2006：1-160. 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到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應有的"通用"兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件--運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。 到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。 到了1990年，PC機（個人計算機，國內習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。 總之，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代--小型計算機；1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC（國外稱為PC-BASED）。 還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數(shù)控（NC）。所以我們日常講的"數(shù)控"，實質上已是指"計算機數(shù)控"了。 1.3、數(shù)控未來發(fā)展的趨勢 1.3.1　繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展 這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 1.3.3向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 （1）應用自適應控制技術 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 （2）引入專家系統(tǒng)指導加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 （3）引入故障診斷專家系統(tǒng) （4）智能化數(shù)字伺服驅動裝置 可以通過自動識別負載，而自動調整參數(shù)，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。 二、機床數(shù)控化改造的必要性 2.1、微觀看改造的必要性 從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 2.1.1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 2.1.2 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。 由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。 2.1.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。 2.1.4 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。 2.1.5 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 2.1.6 由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。 2.2、宏觀看改造的必要性 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。 三、機床與生產線數(shù)控化改造的市場 3.1、機床數(shù)控化改造的市場 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數(shù)控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 3.2、進口設備和生產線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。 這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。 這些不能使用的設備、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 四、數(shù)控化改造的內容及優(yōu)缺 4.1、國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 4.2、數(shù)控化改造的內容 機床與生產線的數(shù)控化改造主要內容有以下幾點： 其一是恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復；其二是NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；其四是技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。 4.3、數(shù)控化改造的優(yōu)缺 4.3.1　減少投資額、交貨期短 同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60％～80％的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50％左右。 4.3.2　機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限 所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是那種焊接構件，改造后的機床性能高、質量好，可以作為新設備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結構的限制，不宜做突破性的改造。 4.3.3　熟悉了解設備、便于操作維修 購買新設備時，不了解新設備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓時間短，見效快。改造的機床一安裝好，就可以實現(xiàn)全負荷運轉。 4.3.4　可充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基。 4.3.5　可以采用最新的控制技術 可根據(jù)技術革新的發(fā)展速度，及時地提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。 五、數(shù)控系統(tǒng)的選擇 數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應根據(jù)具體情況進行選擇。 5.1、步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng) 該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。 該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。 5.2、異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅動執(zhí)行機構，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設計和調試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性指標。可根據(jù)產品技術要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。 5.3、交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結構與調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。 當前生產數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司；國內公司如中國珠峰公司、北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心。 選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機床要達到的各種精度、驅動電機的功率和用戶的要求。 六、數(shù)控改造中主要機械部件改裝探討 一臺新的數(shù)控機床，在設計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數(shù)控改造時應盡量達到上述要求。不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造目的。 6.1、滑動導軌副 對數(shù)控車床來說，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。 6.2、齒輪副 一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。在結構上要能達到無間隙傳動，因而改造時，機床主要齒輪必須滿足數(shù)控機床的要求，以保證機床加工精度。 6.3、滑動絲杠與滾珠絲杠 絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。 滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。 6.4、安全防護 效率必須以安全為前提。在機床改造中要根據(jù)實際情況采取相應的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。 七、機床數(shù)控改造主要步驟 7.1、改造方案的確定 改造的可行性分析通過以后，就可以針對某臺或某幾臺機床的現(xiàn)況確定改造方案，一般包括： 7.1.1 機械修理與電氣改造相結合 一般來說，需進行電氣改造的機床，都需進行機械修理。要確定修理的要求、范圍、內容；也要確定因電氣改造而需進行機械結構改造的要求、內容；還要確定電氣改造與機械修理、改造之間的交錯時間要求。機械性能的完好是電氣改造成功的基礎。 7.1.2 先易后難、先局部后全局 原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙，仔細進行，及時在圖紙上作出標記，防止遺漏或過拆(局部改造情況下)。在拆的過程中也會發(fā)現(xiàn)一些新系統(tǒng)設計中的欠缺之處，應及時補充與修正，拆下的系統(tǒng)及零件應分門別類，妥善保管，以備萬一改造不成功或局部失敗時恢復使用。還有一定使用價值的，可作其他機床備件用。切忌大手大腳，亂扔亂放。 7.2 合理安排新系統(tǒng)位置及布線 根據(jù)新系統(tǒng)設計圖紙，合理進行新系統(tǒng)配置，包括箱體固定、面板安放、線路走向和固定、調整元器件位置、密封及必要裝飾等。連線工作必須分工明確，有人復查檢驗，以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。 7.3 調試 調試必須按事先確定的步驟和要求進行。調試人員應頭腦冷靜，隨時記錄，以便發(fā)現(xiàn)和解決問題。調試中首先試安全保護系統(tǒng)靈敏度，防止人身、設備事故發(fā)生。調試現(xiàn)場必須清理干凈，無多余物品；各運動坐標拖板處于全行程中心位置；能空載試驗的，先空載后加載；能模擬試驗的，先模擬后實動；能手動的，先手動后自動。 7.4、驗收及后期工作 驗收工作應聘請有關的人員共同參加，并按已制定的驗收標準進行。改造的后期工作也很重要，它有利于項目技術水平的提高和使設備盡早投產。驗收及后期工作包括： 7.4.1 機床機械性能驗收 經(jīng)過機械修理和改造以及全面保養(yǎng)，機床的各項機械性能應達到要求，幾何精度應在規(guī)定的范圍內。 7.4.2 電氣控制功能和控制精度驗收 電氣控制的各項功能必須達到動作正常，靈敏可靠?？刂凭葢孟到y(tǒng)本身的功能(如步進尺寸等)與標準計量器具(如激光干涉儀、坐標測量儀等)對照檢查，達到精度范圍之內。同時還應與改造前機床的各項功能和精度作出對比，獲得量化的指標差。 7.4.3 試件切削驗收 可以參照國內外有關數(shù)控機床切削試件標準，在有資格的操作工、編程人員配合下進行試切削。試件切削可驗收機床剛度、切削力、噪聲、運動軌跡、關聯(lián)動作等，一般不宜采用產品零件作試件使用。 7.4.4 圖紙、資料驗收 機床改造完后，應及時將圖紙(包括原理圖、配置圖、接線圖、梯形圖等)、資料(包括各類說明書)、改造檔案(包括改造前、后的各種記錄)匯總、整理、移交入檔。保持資料的完整、有效、連續(xù)，這對該設備的今后穩(wěn)定運行是十分重要的。 7.4.5 總結、提高 每次改造結束后應及時總結，既有利于提高技術人員的業(yè)務水平，也有利于整個企業(yè)的技術進步。 八、數(shù)控改造幾個實例 1、用SIEMENS 810M改造X53銑床 1998年，公司投入20萬元，用德國西門子810M數(shù)控系統(tǒng)、611A交流伺服驅動系統(tǒng)對公司的一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、PLC程序的編制與調試、機床大修，最后是整機的安裝和調試。銑床改造后，加工有效行程X/Y/Z軸分別為880/270/280 mm；最大速度X/Y/Z軸分別為5000/1500/800 mm/min；手動速度X/Y/Z軸分別為3000/1000/500 mm/min；機床加工精度達到±0.001mm。機床的三坐標聯(lián)動可完成各種復雜曲線或曲面的加工。 2、用GSK980T和步進驅動系統(tǒng)改造C6140車床 1999年，公司投入了8萬元，采用廣州數(shù)控設備廠生產的GSK980T數(shù)控系統(tǒng)、DY3混合式步進驅動單元對公司的一臺加長C6140車床的X、Z兩軸進行改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的兩軸在機械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機床大修及整機的安裝和調試。車床改造后，加工有效行程X/Z軸分別為390/1400 mm；最大速度X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；手動速度為400mm/min；手動快速為X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；機床最小移動單位為0.001mm。 3、用GSK980T和交流伺服驅動系統(tǒng)改造C6140車床 2000年，用廣州數(shù)控設備廠生產的GSK980T數(shù)控系統(tǒng)、DA98交流伺服單元及4工位自動刀架對電機分廠的一臺C6140車床X、Z兩軸進行數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的兩軸在機械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機床大修及整機的安裝和調試。車床改造后，加工有效行程X/Z軸分別為390/730 mm；最大速度X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；手動速度為400mm/min；手動快速為X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；機床最小移動單位為0.001mm。 4、用SIEMENS 802S改造X53銑床 2000年，公司投入12萬元，用德國西門子802S數(shù)控系統(tǒng)、步進驅動系統(tǒng)對公司的另一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機床大修，最后是整機的安裝和調試。銑床改造后，加工有效行程X/Y/Z軸分別為630/240/280 mm；最大速度X/Y/Z軸分別為3000/1000/600 mm/min；手動進給速度X/Y/Z軸分別為2000/800/500 mm/min；最小移動單位為0.001mm。 九、數(shù)控改造中的問題和建議 通過幾臺機床的數(shù)控改造工作后，發(fā)現(xiàn)工作中也存在許多問題，主要表現(xiàn)在： 一是各部門、開發(fā)人員職責不明朗，組織混亂，嚴重影響了改造進度； 二是制定的工作進程和計劃大多只是憑經(jīng)驗制定，不太合理； 三是相關人員的培訓工作沒有到位，導致機床改造后工藝人員不會編程、操作人員對機床操作不熟練等問題。 綜合以上問題，有幾點建議： 一是負責改造的員工職責明確，獎罰分明，充分調動員工的積極性； 二是培養(yǎng)一批高素質的應用和維護人員，選派人員外出進修，學習先進技術； 三是要注重用戶使用、維護數(shù)控系統(tǒng)的技術培訓，建立國內外數(shù)控技術資源庫。 11