車(chē)床-C616數(shù)控車(chē)床改造
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1 緒論
1.1 數(shù)控設(shè)備與技術(shù)現(xiàn)狀[1]
1.1.1 數(shù)控設(shè)備
近年來(lái)我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開(kāi)始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。
2001年，我國(guó)機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39億美元，僅次于美國(guó)的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24.06億美元，比上年增長(zhǎng)27.3%。
近年來(lái)我國(guó)出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車(chē)床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等，出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。
1.1.2 數(shù)控技術(shù)
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，有什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)” 。制造技術(shù)和裝備就是人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用的數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：（1）機(jī)械制造技術(shù)；（2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；（3）自動(dòng)控制技術(shù)；（4）伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；（5）傳感器技術(shù)；（6）軟件技術(shù)等。
1.1.3 對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
一 、戰(zhàn)略考慮
我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。我們以資源。環(huán)境、市場(chǎng)為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國(guó)際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。
我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來(lái)重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定；其次從國(guó)防安全看，西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì)，多我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。
二 、發(fā)展戰(zhàn)略
從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(jī)（如量大面廣的數(shù)控技術(shù)、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問(wèn)題。沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品；沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)格低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品；當(dāng)然，沒(méi)有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、買(mǎi)得掉”為目標(biāo)，按國(guó)家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國(guó)家之急需。
在競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
1.2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況[2]
1949年，美國(guó)帕森公司與美國(guó)空軍合作，研制了一種計(jì)算裝置，用于滿足日益復(fù)雜的飛機(jī)葉片的自動(dòng)加工，于是，帕森公司首先提出了機(jī)床數(shù)字控制的概念。在半個(gè)世紀(jì)里，數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了電子管數(shù)控系統(tǒng)、晶體管數(shù)控系統(tǒng)、集成電路數(shù)控系統(tǒng)到微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）四個(gè)階段。
現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的機(jī)床控制新技術(shù)，它綜合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的核心。而采用數(shù)控技術(shù)的典型產(chǎn)品——數(shù)控機(jī)床是機(jī)電工業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，是汽車(chē)、石化、電子等支柱產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要手段。
從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在引進(jìn)、消化國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)工作，到1995年底，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的可供品種已超過(guò)300種，其中數(shù)控車(chē)床占40%以上。
1.2.1 數(shù)控機(jī)床的一般原理
一 、數(shù)字控制的基本概念
數(shù)字控制（Numerical Control——NC），簡(jiǎn)稱(chēng)為數(shù)控，是一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)控制對(duì)象加以控制的一種方法。數(shù)字控制是相對(duì)于模擬控制而言的，數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制信息是數(shù)字量，而模擬控制系統(tǒng)中的控制量是模擬量。數(shù)字控制與模擬控制相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如可用不同的字長(zhǎng)表示不同精度的信息，可對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算等復(fù)雜的信息處理工作，特別是可用軟件來(lái)改變信息處理的方式或過(guò)程，而不用改動(dòng)電路或機(jī)械機(jī)構(gòu)，從而使機(jī)械設(shè)備具有很大的“柔性”。因此數(shù)字控制已被廣泛用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的軌跡控制和機(jī)械系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量控制，如機(jī)床的控制、機(jī)器人的控制等。
數(shù)字控制的對(duì)象是多種多樣的，但數(shù)控機(jī)床是最早應(yīng)用數(shù)控技術(shù)的控制對(duì)象，也是最典型的數(shù)控化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國(guó)際信息處理聯(lián)盟（International Federation of Information Processing——IFIP）第五技術(shù)委員會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床作了如下定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號(hào)碼或其它符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。
定義中所提的程序控制系統(tǒng)，就是數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)輸入載體上事先給定數(shù)字量，并將其譯碼，在進(jìn)行必要的信息處理和運(yùn)算后，控制機(jī)床動(dòng)作和加工零件。最初的數(shù)控系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的專(zhuān)用硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)已逐漸被淘汰，取而代之的是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical Control）簡(jiǎn)稱(chēng)CNC。CNC系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)承擔(dān)數(shù)控中的命令發(fā)生器和控制器的數(shù)控系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)可完全由軟件來(lái)確定數(shù)字信息的處理過(guò)程，從而具有真正的“柔性”，并可以處理硬件邏輯電路難以處理的復(fù)雜信息，使數(shù)字控制系統(tǒng)的性能大大提高。
二、 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成，如圖1-1所示
圖1-1 數(shù)控機(jī)床的組成
1. 信息載體
信息載體又稱(chēng)控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床加工一個(gè)零件所必需的各種信息，如零件加工位置數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)等，以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械加工。常用的信息載體有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤(pán)等，并通過(guò)相應(yīng)的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機(jī)床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤(pán)將加工信息直接輸入，或通過(guò)竄行口將計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級(jí)的數(shù)控系統(tǒng)可能還包括一套自動(dòng)編程機(jī)或者CAD/CAM系統(tǒng)。由這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)編制程序、輸入程序、輸入數(shù)據(jù)以及顯示、模擬顯示、存儲(chǔ)和打印等功能。
2. 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來(lái)的加工信息，經(jīng)計(jì)算和處理后去控制機(jī)床的動(dòng)作。它由硬件和軟件組成。硬件除計(jì)算機(jī)外，其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)、CRT、鍵盤(pán)、棉板、機(jī)床接口等。光電閱讀機(jī)是輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序；CRT供顯示和監(jiān)控用；鍵盤(pán)用于輸入操作命令及編輯、修改程序段，也可輸入零件加工程序；操作面板可供操作人員改變操作方式、輸入整定數(shù)據(jù)、啟停加工等；機(jī)床接口是計(jì)算機(jī)和機(jī)床之間聯(lián)系的橋梁，機(jī)床接口包括伺服驅(qū)動(dòng)接口及機(jī)床輸入/輸出接口。伺服驅(qū)動(dòng)接口主要是進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)化，以及對(duì)反饋元件的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理并記錄，以供計(jì)算機(jī)采樣；機(jī)床輸入/輸出接口是用于處理輔助功能。軟件由管理軟件和控制軟件組成。管理軟件主要包括輸入輸出、顯示、診斷等程序；控制軟件包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度控制、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等部分組成。數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作可概括為：
（1）機(jī)床主運(yùn)動(dòng)，包括主軸的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向和速度選擇等 ；
（2）機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如點(diǎn)位、直線、圓弧、循環(huán)進(jìn)給的選擇，坐標(biāo)方向進(jìn)給速度的選擇等；
（3）刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償（長(zhǎng)度、半徑）；
（4）其它輔助運(yùn)動(dòng)，如各種輔助操作，工作臺(tái)的鎖緊和松開(kāi)，工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與分度和冷卻泵的開(kāi)、停等。
3. 伺服系統(tǒng)
它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動(dòng)部件，它接受數(shù)控裝置發(fā)來(lái)的各種動(dòng)作命令，驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、電液馬達(dá)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。
4. 機(jī)床
它是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，但也做了很多改進(jìn)和提高，它的主要特點(diǎn)是：
（1）由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸和伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，因此數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短；
（2）為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)地自動(dòng)化加工，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較?。?
（3）更多的采用高效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等；
（4）不少數(shù)控技術(shù)還采用了刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置以提高機(jī)床各種效率。
三、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理
1.輸入 輸入給數(shù)控系統(tǒng)的有零件加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)等。
2.譯碼 輸入的程序段含有零件的輪廓信息（起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線還是圓弧等）、要求的加工速度以及其它的輔助信息（換刀、換檔、冷卻液開(kāi)關(guān)等）。計(jì)算機(jī)依靠譯碼程序來(lái)識(shí)別這些符號(hào)，將加工程序翻譯成計(jì)算機(jī)內(nèi)部能識(shí)別的語(yǔ)言。
3.數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計(jì)算是解決該加工數(shù)據(jù)段以什么樣的速度運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。加工速度的確定也是一個(gè)工藝問(wèn)題。數(shù)控系統(tǒng)僅僅是保證這個(gè)編程速度的可靠實(shí)現(xiàn)。另外，輔助功能如換刀、換檔等亦在這個(gè)程序中實(shí)現(xiàn)。
4.插補(bǔ) 即根據(jù)給定的曲線類(lèi)型（如直線、圓弧或高次曲線）、起點(diǎn)、終點(diǎn)以及速度，在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)功能主要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前主要有兩類(lèi)插補(bǔ)方法：一是脈沖增量插補(bǔ)，它的特點(diǎn)是每次插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)給脈沖；二是數(shù)字增量插補(bǔ)，它的特點(diǎn)是插補(bǔ)運(yùn)算在每個(gè)插補(bǔ)周期進(jìn)行一次，根據(jù)指令進(jìn)行速度計(jì)算出一個(gè)微小的直線數(shù)據(jù)段。
5.伺服控制 將計(jì)算機(jī)送出的位置進(jìn)給脈沖或進(jìn)給速度指令，經(jīng)變換和放大后轉(zhuǎn)化為伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)或交、直流伺服電機(jī)）的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。
6.管理程序 當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)段開(kāi)始插補(bǔ)時(shí)，功能程序即著手準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)段的讀入、譯碼、數(shù)據(jù)處理。即由它調(diào)用各個(gè)功能子程序，且保證一個(gè)數(shù)據(jù)段加工過(guò)程中將下一個(gè)程序段準(zhǔn)備就緒。一旦本數(shù)據(jù)段加工完成，即開(kāi)始下一個(gè)數(shù)據(jù)段的插補(bǔ)加工。整個(gè)零件加工就是在這種周而復(fù)始的工程中完成。
1.2.2 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類(lèi)
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的種類(lèi)很多，為了便于了解和研究，可以從不同的角度對(duì)其分類(lèi)?？梢园此欧到y(tǒng)的控制方式，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡，數(shù)控系統(tǒng)功能水平分類(lèi)。一般地，按伺服系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行分類(lèi)。
伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動(dòng)部件，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，按其控制原理可分為以下三類(lèi)。
1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop Control System）
典型的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)如圖1-2所示，是采用步進(jìn)電機(jī)的伺服系統(tǒng)。對(duì)于數(shù)控裝置發(fā)來(lái)的每一個(gè)進(jìn)給脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)線路放大并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距（即一個(gè)固定的角度，如1.5o），再經(jīng)減速齒輪帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)絲杠螺母副傳東工作臺(tái)的移動(dòng)?？梢钥闯龉ぷ髋_(tái)的移動(dòng)量與進(jìn)給脈沖的數(shù)量成正比。顯然這種開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度完全依賴(lài)于步進(jìn)電機(jī)的步距精度及齒輪、絲杠的傳動(dòng)精度。它沒(méi)有測(cè)量反饋矯正措施，所以對(duì)高精度的數(shù)控機(jī)床往往不能滿足要求，但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試容易、造價(jià)低，在數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過(guò)程中占有一定的重要地位，現(xiàn)在仍普遍采用。
圖1-2 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖
2. 半閉環(huán)控制系統(tǒng)（Semi-closed Loop Control System）
如圖1-3所示，采用裝在絲杠上的角位測(cè)量絲杠或電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)量間接地測(cè)量工作臺(tái)的移動(dòng)量。它的優(yōu)點(diǎn)就是不論工作臺(tái)位移的長(zhǎng)短，角位移測(cè)量元件制成可循環(huán)使用。
圖1-3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖
半閉環(huán)的意思就是用絲杠（或電機(jī)軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)量與數(shù)控裝置的命令相比較（閉環(huán)），而另一部分絲杠螺母工作臺(tái)的位移量不受閉環(huán)控制（開(kāi)環(huán)），故稱(chēng)為半閉環(huán)。顯然，從理論上講，半閉環(huán)的精度低于閉環(huán)，但半閉環(huán)調(diào)試方便，穩(wěn)定性好，角位移的測(cè)量元件簡(jiǎn)單、價(jià)廉，所以配備傳動(dòng)精度較高的齒輪、絲杠的半閉環(huán)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。
3.閉環(huán)控制系統(tǒng)（Closed Control System）
如圖1-4所示，采用直線位移測(cè)量元件，測(cè)量機(jī)床移動(dòng)部件工作臺(tái)（主軸箱）的位置并將測(cè)量結(jié)果送回與數(shù)控裝置命令的移動(dòng)量相比較，二者不相等而有差值時(shí)，將此差值放大外控制伺服電機(jī)帶工作太繼續(xù)移動(dòng)；直至測(cè)量值與命令值相等差值為零或接近于零時(shí)停止移動(dòng)。從理論上講，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度取決于測(cè)量工作臺(tái)的精度，但實(shí)際上機(jī)床的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)裝置以及傳動(dòng)間隙等非線形因素都會(huì)影響精度，嚴(yán)重的還會(huì)使閉環(huán)伺服系統(tǒng)的品質(zhì)下降甚至引起振蕩。
圖1-4 閉環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖
1.2.3 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)[1]
1.新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位
例如：全長(zhǎng)33公里的上海磁懸浮快速列車(chē)線，是“十五”期間國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，其中組成列車(chē)線的2550根軌道梁是整個(gè)工程的最關(guān)鍵部分，對(duì)加工軌道梁的精度提出了相當(dāng)高的要求。前年年初，沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)機(jī)床股份有限公司中捷友誼廠以工期6個(gè)月、標(biāo)的6200萬(wàn)元在磁懸浮軌道專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床項(xiàng)目公開(kāi)招標(biāo)中折掛，并于8月低將一次性驗(yàn)收合格的8臺(tái)數(shù)控鏜銑床組成的軌道梁生產(chǎn)線一次試車(chē)成功，目前這套銑鏜加工中心已加工出軌道梁1100根，確保了軌道梁的加工精度和速度，為實(shí)現(xiàn)今年年底試車(chē)打下了良好了基礎(chǔ)。
2. 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長(zhǎng)，數(shù)控化率顯著提高
2001年國(guó)內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá)1.8萬(wàn)臺(tái)，比上年增長(zhǎng)28.5%。金切機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。
3. 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破
今年來(lái)通過(guò)政府的支持，數(shù)控機(jī)床配套生產(chǎn)得到了快速發(fā)展，如北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)；煙臺(tái)第二機(jī)床附件廠開(kāi)發(fā)了為數(shù)控龍門(mén)鏜銑床、數(shù)控落地鏜銑床及數(shù)控鍛壓設(shè)備等30多個(gè)系列100多個(gè)品種的數(shù)控配套產(chǎn)品。
1.2.4 國(guó)外數(shù)控機(jī)床狀況分析[1]
1.國(guó)際機(jī)床市場(chǎng)的消費(fèi)主流是數(shù)控機(jī)床
1998年世界機(jī)床進(jìn)口額中大部分是數(shù)控機(jī)床，美國(guó)進(jìn)口機(jī)床的數(shù)控化率達(dá)70%，我國(guó)為60%。目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額趨勢(shì)已從初期以數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床、成套設(shè)備為主。
2.國(guó)外數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已為必然的趨勢(shì)和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造工廠的車(chē)間只是時(shí)間的問(wèn)題。從另一角度來(lái)看，目前流行的ERP即工廠信息化對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，僅僅局限于通常的管理部門(mén)（人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷(xiāo)）或設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)等等上層部分的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工廠、車(chē)間的最底層加工設(shè)備——數(shù)控機(jī)床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的ERP就比較“虛”沒(méi)有能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問(wèn)題。所以，對(duì)于面臨日益全球化競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)代制造工廠來(lái)說(shuō)，第一是要大大提高機(jī)床的數(shù)控化率，即數(shù)控機(jī)床必須達(dá)到起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機(jī)床必須具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在工廠、車(chē)間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無(wú)阻。
以FANUC和SIEMENS為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS232接口外，還備有以太網(wǎng)，為數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國(guó)外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)接口功能被定義為用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷。
1.2.5 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展預(yù)測(cè)[1]
1. 數(shù)控機(jī)床推廣應(yīng)用逐步由經(jīng)濟(jì)型為主普及型為主轉(zhuǎn)變
據(jù)預(yù)測(cè)分析，到2006年我國(guó)機(jī)床的數(shù)控化率為9.5%～10.36%，到2010年將達(dá)到16.5%～19.27%。經(jīng)濟(jì)型所占比重繼續(xù)減少，普及型所占比重繼續(xù)增長(zhǎng)，高級(jí)型的需求緩慢增長(zhǎng)。
2. 數(shù)控金切機(jī)床的構(gòu)成比逐漸趨于合理
數(shù)控機(jī)床工序集中的加工特點(diǎn)，將使具有復(fù)合功能的高效數(shù)控機(jī)床的需求增長(zhǎng)，這將導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床擁有量和市場(chǎng)消費(fèi)量中各類(lèi)數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成比不同于傳統(tǒng)的機(jī)床構(gòu)成比。
3. 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用由單機(jī)向單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展
目前歐、美、日等國(guó)應(yīng)用DNC已很普遍，柔性制造單元已占數(shù)控機(jī)床銷(xiāo)售量的30%以上。而我國(guó)FMC、FMS和FML的擁有量不足50套，相當(dāng)于日本80年代的水平，占數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額不到5%。
4. 出口前景良好
1998年及前幾年我國(guó)機(jī)床工具的出口額徘徊在5億美元左右，2000年上升到7.85億美元，隨著東南亞經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和我國(guó)出口多極化市場(chǎng)的形成和鞏固，以及我國(guó)加入WTO，今后幾年我國(guó)機(jī)床出口將實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2006年出口創(chuàng)匯可達(dá)到12億美元。
1.3 本文的選題及主要研究?jī)?nèi)容
1.3.1 本文的選題
對(duì)C616型車(chē)床進(jìn)行數(shù)控化改造
1.3.2 主要研究?jī)?nèi)容
1.機(jī)械部分改造
2.電氣部分改造
3.軟件設(shè)計(jì)（編程）
2 機(jī)械部分改造
2.1 設(shè)計(jì)方案的確定
利用數(shù)控裝置對(duì)縱橫進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，對(duì)C616普通車(chē)床進(jìn)行技術(shù)改造就可以組成一個(gè)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制下的自動(dòng)加工。改造后的車(chē)床把車(chē)床的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)來(lái)。主電機(jī)的作用僅僅是帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，而刀架的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則是由步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)車(chē)床的縱橫絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。其改造后結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖2-1所示。
圖2-1 C616型車(chē)床的數(shù)控化改造結(jié)構(gòu)原理圖
操作時(shí)，根據(jù)零件的加工工藝，按數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)定的方式編制零件的加工程序，通過(guò)數(shù)控裝置上的鍵盤(pán)輸入微機(jī)，微機(jī)對(duì)加工程序處理后發(fā)出一系列脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，按規(guī)定的方向、速度和位移量，完成刀架縱橫兩個(gè)方向的進(jìn)給，使車(chē)刀實(shí)現(xiàn)直線或圓弧的切削。在加工螺紋時(shí)，通過(guò)主軸脈沖發(fā)生器發(fā)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而加工出各種標(biāo)準(zhǔn)螺紋。換刀時(shí)，微機(jī)發(fā)出換刀信號(hào)，刀架控制箱繼電器動(dòng)作，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，將上刀體上升至一定位置，帶動(dòng)刀體旋轉(zhuǎn)到所選刀位，然后定位，完成換刀動(dòng)作。[20]
2.2機(jī)械部分改造[4]
2.2.1縱向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)
1. 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。對(duì)車(chē)床改造來(lái)說(shuō)，外觀不必像產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的那么高，而從改造方便，實(shí)用方面來(lái)考慮。一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向絲杠的右端，如圖2-2所示。
圖2-2 數(shù)控改造的總體方案示意圖
2. 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知條件：
工作臺(tái)重量： W=750N
時(shí)間常數(shù)： T=28ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =8mm
行程： S =700mm
脈沖當(dāng)量: δp=0.02mm/step
步距角： =0.75o/step
快速進(jìn)給速度： =2.5m/min
(1) 切削力計(jì)算 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，切削功率
（2-1）
式中 N——電機(jī)功率，查機(jī)床說(shuō)明書(shū)，N=4kW；
——主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為0.6～0.7取
K——進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96。
則： =4×0.65×0.96=2.496 kW
又因?yàn)? （2-2）
所以
式中 v——切削線速度，取v=100m/min。
主切削力 =6120×2.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N）
由《金屬切削原理》可知，主切削力
（2-3）
查表得： =188kgf/㎡=1880MPa
=1 =0.75 =1
則可計(jì)算如表2-1所示：
表2-1 計(jì)算結(jié)果
2
2
2
3
3
3
f（mm）
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
1125
1524
1891
1687
2287
2837
當(dāng)=1520N時(shí)，切削深度=2mm，走刀量=0.3mm，以此參數(shù)作為下面計(jì)算的依據(jù)。
從《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可得知，在一般外圓車(chē)削時(shí)：
=（0.1～0.6） =（0.15～0.7） （2-4）
?。? =0.5Fz=0.5×1527.6=763.8N
=0.6Fz=0.6×1527.6=916.5N
(2) 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
A.滾珠絲杠副傳動(dòng)的特點(diǎn)：
1)傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副傳動(dòng)的效率為=0.92～0.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高3～4倍（滑動(dòng)絲杠效率為0.2～0.4）。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的1/4～1/3。
2)給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好。
3) 啟動(dòng)力矩小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高，同步性好。
4) 有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主傳動(dòng)。
5)磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持好。
6) 不能自鎖。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于重力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。
B.滾珠絲杠副的精度與代號(hào)
根據(jù)機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)《滾珠絲杠副精度》的規(guī)定，滾珠絲杠副按其使用范圍及要求分為六個(gè)等級(jí)，即C,D,E,F,G,H級(jí)，C級(jí)精度最高，其余一次逐級(jí)降低
各種類(lèi)型數(shù)控機(jī)床對(duì)滾珠絲杠副精度的要求如表2-2
表2-2 滾珠絲杠 副精度要求表
機(jī) 床 種 類(lèi)
坐 標(biāo) 方 向
X
Y
Z
W
開(kāi)
環(huán)
系
統(tǒng)
數(shù)控壓力機(jī)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
數(shù)控繪圖機(jī)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
數(shù)控車(chē)床
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
精密級(jí)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
數(shù)控磨機(jī)
精密級(jí)
精密級(jí)
數(shù)控線切割機(jī)
精密級(jí)
精密級(jí)
數(shù)控鉆床
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
普通級(jí)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
數(shù)控銑床
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
數(shù)控鏜床
精密級(jí)
精密級(jí)
精密級(jí)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
數(shù)控坐標(biāo)鏜床
精密級(jí)
超精密級(jí)
精密級(jí)
超精密級(jí)
精密級(jí)
超精密級(jí)
精密級(jí)
自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床
精密級(jí)
超精密級(jí)
精密級(jí)
超精密級(jí)
精密級(jí)
超精密級(jí)
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)
坐標(biāo)鏜床、螺紋磨床
精密級(jí)
超精密級(jí)
精密級(jí)
超精密級(jí)
精密級(jí)
超精密級(jí)
精密級(jí)
普通機(jī)床、通用機(jī)床
普通級(jí)
普通級(jí)
普通級(jí)
滾珠絲杠副的精度包括各元件的精度和裝配后的綜合精度，其中包括導(dǎo)程誤差，絲杠大徑對(duì)螺紋軸線的徑向圓跳動(dòng)，絲杠和螺母表面粗糙度，由預(yù)加載荷時(shí)螺母安裝端面對(duì)絲杠螺紋軸線的圓跳動(dòng)，有預(yù)加載荷時(shí)螺母安裝端面對(duì)絲杠螺紋軸線的徑向圓跳動(dòng)以及滾珠絲杠公稱(chēng)直徑尺寸變動(dòng)量等。
在開(kāi)環(huán)數(shù)控機(jī)床和其他精度機(jī)床中，滾珠絲杠的精度直接影響定位精度和隨動(dòng)精度。對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，絲杠的制造誤差使得它在工作時(shí)負(fù)載分布不均勻，從而降低承載能力和接觸剛度，并使預(yù)緊力和驅(qū)動(dòng)力矩不穩(wěn)定，因此傳動(dòng)精度始終是滾珠絲杠的最重要的質(zhì)量指標(biāo)。
C.綜合導(dǎo)軌車(chē)床絲杠的軸向力：
（2-5）
式中 K=1.15， =0.15～0.18，取為0.16。
則 P=1.15×763.8+0.16（1527.6+800）
=1250.8N
1) 強(qiáng)度計(jì)算：
壽命值
（2-6）
（2-7）
取工件直徑 D=80mm，查表得 =15000h
則：
=1000×100×0.3/3.14×80×6=20r/min
=60×20×15000/=18
最大動(dòng)負(fù)載 Q= （2-8）
查表得： 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) =1.2 硬度系數(shù) =1
則 Q=×1.2×1×1250.8=3933.6N
根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。例如，滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取FB系列，滾珠絲杠直徑選為Φ32mm，型號(hào)為FB32×6-5-，其額定動(dòng)載荷是10689N，所以強(qiáng)度足夠用。
2) 效率計(jì)算： 根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：
（2-9）
式中 摩擦角=10ˊ 螺旋升角=3o25ˊ
則 =0.953
3) 剛度驗(yàn)算： 滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量
（2-10）
式中 =6mm=0.6cm；
E=20.6×
滾珠絲杠截面積
則
滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，即：。所以：
導(dǎo)程變形總誤差Δ為
查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m長(zhǎng)）為15μm/m，故剛度足夠。
4）穩(wěn)定性驗(yàn)算： 由于機(jī)床原絲杠直徑為φ32mm，支承方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問(wèn)題，不在驗(yàn)算。
(3) 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算
1) 有關(guān)齒輪計(jì)算
傳動(dòng)比
故取 =32 =40
m=2mm b=20mm =20o
2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。
因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
=
3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算：
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
++
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
+++
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
+
式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
（2-11）
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)
=12.408×24.88×/9.6×0.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cm
當(dāng)=0.8 =0.16時(shí)
=1.223=12.23
當(dāng)=0.9時(shí)預(yù)加載荷Po=1/3則：
=
=76.3×0.6/2×3.14×0.8×1.25=7.297kgf.cm=72.97N.cm
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
=21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm
切削時(shí)所需力矩：
=1.286+1.223+0.462+7.297
=10.268kgf.cm=102.68N.cm
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
=1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm
由以上分析計(jì)算可知：
所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)，
2.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)
1. 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤(pán)將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來(lái)，以保證其同軸度，提高轉(zhuǎn)動(dòng)精度，如圖2-2所示。
2. 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與縱向類(lèi)似，所用到的公式不在詳細(xì)說(shuō)明，只計(jì)算結(jié)果。
已知條件：
工作臺(tái)重量： W=30kgf=300N
時(shí)間常數(shù)： T=25ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =4mm左旋
行程： S =190mm
脈沖當(dāng)量: δp=0.005mm/step
步距角： =0.75o/step
快速進(jìn)給速度： =1m/min
(1) 切削力計(jì)算 橫向進(jìn)給量為縱向的1/2～1/3，取1/2，則切削力約為縱向的1/2。
=1/2×152.76=76.38kgf=763.8N
在切斷工件時(shí)：
（2）滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
1)強(qiáng)度計(jì)算： 對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌：
（2-12）
取K=1.4 =0.2
則 P=1.4×38.19+0.2（76.38+30）
=74.74kgf=747.4N
壽命值
最大動(dòng)負(fù)載
Q=根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。例如，滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取系列，滾珠絲杠公稱(chēng)直徑為φ20mm，型號(hào)為20×4-5-E2左，其額定動(dòng)負(fù)荷為5393N，所以強(qiáng)度足夠用。
2) 效率計(jì)算： 螺旋升角=3o38ˊ，摩擦角=10ˊ
則傳動(dòng)效率由公式（2-9）得
3) 剛度驗(yàn)算：由公式（2-10）得滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量 =74.74×10×0.4×4/3.14×20.6××=5.96×cm
滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，即：所以，導(dǎo)程變形總誤差為
Δ=100ΔL/Lo=100×5.96×/0.4=14.9μm/m
查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m長(zhǎng)）為15μm/m，故剛度足夠。
4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算： 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。
(3) 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算
1)有關(guān)齒輪計(jì)算
傳動(dòng)比
故取
α=20o
2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此，總的慣量
3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩
=2.23+0.287+0.116=2.633kgf.cm=26.33N.cm
切削時(shí)所需力矩：
=0.1774+0.287+0.116+1.824
=2.40kgf.cm=24.04N.cm
快速進(jìn)給時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：
=0.287+0.116=0.403kgf.cm=4.03N.cm
以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)
3 電氣部分改造
3.1步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則[4]
合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過(guò)分析后才能正確選擇。現(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下：
1.步矩角α 步矩角應(yīng)滿足：
式中 ——傳動(dòng)比；
——系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角。
2.精度 步進(jìn)電機(jī)的精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實(shí)用。所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足
式中 ——步進(jìn)電機(jī)的積累誤差；
——系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。
3.轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步），正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮：
1）啟動(dòng)力矩 一般啟動(dòng)力矩選取為：
式中 ——電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩；
——電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩。
根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動(dòng)力矩選取如表1-2所示。為步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。
在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。
4.啟動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足：
——極限啟動(dòng)頻率
——要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率。
3.2步進(jìn)電機(jī)的選擇[4]
3.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定
為滿足最小步矩要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知： 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。
3.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定
仍選用三相六拍工作方式，查表知：
所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
為了便于設(shè)計(jì)和采購(gòu)，仍選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。
3.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
3.3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 [4]
任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來(lái)由以下四部分組成。
1.中央處理單元CPU。
2.總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。
3.存貯器。包括只讀可編程存貯器和隨機(jī)讀寫(xiě)存貯器。
4.I/O輸入/輸出接口電路。
其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€則是CPU與存貯器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖3-1所示。
存儲(chǔ)器RAM
ROM
CPU
I/O
接口
信號(hào)
變換
控制
對(duì)象
外設(shè)
圖3-1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖
由于Z80CPU以及MCS-51系列單片機(jī)在我國(guó)機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價(jià)廉，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床改造的需要。C616數(shù)控改造以Z80CPU組成的單板機(jī)作為數(shù)控控制系統(tǒng)。也可直接購(gòu)買(mǎi)國(guó)內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做作為數(shù)控裝置，如南京大方數(shù)控設(shè)備公司生產(chǎn)的JWK系列數(shù)控產(chǎn)品。
3.3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[11]
考慮到通用性及普遍性，選擇MCS-51系列中的8031芯片。如圖所示為用8031單片機(jī)控制的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框圖。該系統(tǒng)主要由中央處理器8031單片機(jī)、一片只讀存貯器2764（8K×8），一片靜態(tài)存貯器6264（8K×8）、一片可編程接口芯片8155、一片可編程鍵盤(pán)/顯示器接口芯片8279、一片地址鎖存器74LS373和兩片譯碼器74LS138等組成。
1. 單片機(jī)的選擇
8031屬8位單片機(jī)，它是集CPU、I/O端口及部分RAM等為一體的控制器，具有價(jià)格低、功能全、體積小、編程靈活性大、開(kāi)發(fā)手段齊全、硬件資源豐富等特點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中多數(shù)使用8031單片機(jī)。
8031芯便內(nèi)部具有128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器RAM，內(nèi)部地址為00H～7FH，CPU對(duì)片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器有很豐富的操作指令，通過(guò)直接尋址或間接尋址方式進(jìn)行訪問(wèn)。這128個(gè)字節(jié)單元可作為數(shù)據(jù)緩沖器、堆棧和工作寄存器。但應(yīng)用片內(nèi)的RAM往往不夠，故外接6264芯便來(lái)擴(kuò)展8031的RAM存貯器。8031是一個(gè)無(wú)ROM/EPROM的單片機(jī)，必須擴(kuò)展程序存貯器，存放控制程序，所以外接了一片2764芯片。8031本身提供給用戶使用的輸入、輸出口線不夠，只有口和部分口線用來(lái)與外部設(shè)備連接，但若處設(shè)較多時(shí)，不能滿足需要，所以在該應(yīng)用系統(tǒng)中還要在8031外接一片8155芯片以擴(kuò)展I/O口。
8031為40引腳的雙列直插式器件，有4個(gè)雙向8位I/O口。口和作為地址總線使用。16位地址總線由口經(jīng)地址鎖存器74LS373提供低8位（）。高8位（）由口直接提供。8位數(shù)據(jù)總線由口提供。這樣數(shù)據(jù)總線與地址總線共用，SLE為地址鎖存允許，當(dāng)送低8位地址時(shí)，使ALE有效并鎖存到74LS373，當(dāng)送數(shù)據(jù)時(shí)使ALE無(wú)效。
圖3-2 8031控制的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖
2. 存儲(chǔ)器芯片的選擇
在選擇存儲(chǔ)器時(shí)，要考慮到CPU與存儲(chǔ)器的時(shí)序匹配，若不匹配，進(jìn)行讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)就不可靠。為解決時(shí)間匹配問(wèn)題，應(yīng)盡量選用高速存儲(chǔ)器芯片。另外，還要考慮最大的讀取速度、工作溫度及存儲(chǔ)容量。
2764芯片是一種高速、容量為8KB×8的EPROM存儲(chǔ)器電路，讀取時(shí)間為250ns，而8031選用晶振頻率為6MHz，則讀取時(shí)間為480ns，都滿足要求。2764為28腳器件，其中，為13位地址線，為8位數(shù)據(jù)線。CE為片選信號(hào)，低電平有效。
6264芯片是8KB×8的RAM存儲(chǔ)器，集成度很高，讀芯片讀取時(shí)間為200ns，也為28腳器件，其中為13位地址線，為8位數(shù)據(jù)線。
由于2764和6264芯片都是8KB×8，需要13根地址線。低8位接任何硬件邏輯，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的一種芯片，其中A口作為控制縱橫向步進(jìn)電機(jī)接口，B口控制主軸正反轉(zhuǎn)、進(jìn)給速度調(diào)整，C口控制回轉(zhuǎn)刀架等。
8279芯片是一種可編程的鍵盤(pán)、顯示接口器件，單個(gè)芯片就能完成鍵盤(pán)掃描輸入和LED顯示控制兩種功能，能對(duì)顯示器自動(dòng)掃描，能識(shí)別鍵盤(pán)上按下鍵的鍵號(hào)，這樣可充分提高CPU的工作效率，大大減少軟件工作量。
3.4光電隔離電路[4]
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將輸出信號(hào)與功率放大器直接相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常工作，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路損壞，所以一般在接口電路與功率驅(qū)動(dòng)器之間都要接上隔離電路，光
電耦合電路如圖3-3所示：
圖3-3 光電耦合電路
3.5 功率放大電路[4]
功率放大電路分為單電源和雙電源型.單電源型線路簡(jiǎn)單,但效率不高,所以選用雙電源型.雙電源型采用高低壓供電電路,如圖3-4所示
圖3-4 功率放大電路
在功率放大器導(dǎo)通初始,V1,V3,V4全導(dǎo)通,并使脈沖變壓器B的副邊產(chǎn)生一定寬的脈沖電流,使V2導(dǎo)通,高壓電源通過(guò)V2, V1為步進(jìn)電機(jī)某一相繞組供電,使其電上升沿變陡,同時(shí)VD處于反向偏置,將低壓Ea與繞組L4切斷。經(jīng)過(guò)時(shí)間后脈沖電流消失,使V2截止,高壓電源與繞組之間被切斷 。通過(guò)VD, V1為繞組L4供電,提供所需的額定電流。通過(guò)調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和R4可改變高壓供電的時(shí)間寬度。以上只是從原理上分析說(shuō)明,由于我國(guó)目前步進(jìn)電機(jī)的功率放大器已由生產(chǎn)廠家出系列化產(chǎn)品,在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床控制電路時(shí)只需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的容量大小進(jìn)行選擇,所以不再進(jìn)行計(jì)算。
4 總結(jié)
數(shù)控機(jī)床是自動(dòng)化加工必不可少的組成部分,根據(jù)我國(guó)的國(guó)情對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造不失為一條經(jīng)濟(jì)有效的途徑。我國(guó)擁有機(jī)床300萬(wàn)臺(tái),其中大部分為通用機(jī)床,特別是地方中小型企業(yè),普通設(shè)備擁有量巨大,數(shù)控改造的前景相當(dāng)大。在對(duì)C616車(chē)床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)中,用單片機(jī)作為中央微處理器較好。改造后大大提高原有機(jī)床的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)率,其成本僅為全功能數(shù)控機(jī)床的1/3~1/4。
改造C616車(chē)床充分考慮到其實(shí)用性，操作方便，技術(shù)參數(shù)設(shè)置合理，極大地提高了加工效率。另外，該技術(shù)也可以用于其它車(chē)床，只需要根據(jù)相應(yīng)機(jī)床的切削功率的大小，改變相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，就可以用于其它不同型號(hào)的普通車(chē)床，所以具有很好的推廣前景。
本次畢業(yè)論文，在指導(dǎo)教師的精心指導(dǎo)下，掌握了設(shè)備數(shù)控化改造的主要技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)控設(shè)備、數(shù)控技術(shù)有了更進(jìn)一步的了解和掌握，了解了數(shù)控設(shè)備、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，指明了以后的發(fā)展方向，必將為以后的學(xué)習(xí)和工作起到了很大的作用。
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附 錄
5 軟件編程
一 、如圖4-1所示編寫(xiě)零件加工程序。
圖4-1
（1） 絕對(duì)編程
N01 G00 F2500 ； 快速定位
N02 G92 X48 Z60 ； 建立工件坐標(biāo)系
N03 G00 X18 ；A B 直徑變成2X=18
N04 G01 Z35 F300 ；B C
N05 G01 X120 Z15 ；C D
N06 G26 M02 ；D A, 返回參考點(diǎn)，程序結(jié)束
（2）增量編程
N01 G00 F2500
N02 G92 X48 Z560
N03 G00 U-30 ；A B
N04 G01 W-25 F300 ；B C
N05 G01 U2 W-20 F150 ；C D
N06 G26 M02 ；D A返回參考點(diǎn)，程序結(jié)束
二、如圖4-2所示編寫(xiě)零件加工程序。
圖4-2
加工路線 A B C D E F
計(jì)算每次的坐標(biāo)值
A(80,15) D(25,-28)
B(20, 2) E(25,-36)
C(20,-10) F(32,-36)
(1)絕對(duì)值編程
N10 G90 ；絕對(duì)值方式
N20 G92 X80 Z15 ；刀具起點(diǎn)A
N30 M03 S800 T1 ；主軸正轉(zhuǎn)800r/min
N40 G00 X20 Z2 F1000 ；A B
N50 G01 Z-10 F200 ；B C在外圓
N60 G01 X25 Z-28 F50 ；在錐面C D
N070 G01 Z-36 F100 ；在外圓D F
N80 G01 X32 ；在平面E F
N90 G00 X80 Z15 ；刀具快速返回?fù)Q刀點(diǎn)
N100 M05 ；主軸停止
N110 M02 ；程序結(jié)束
(2)增量編程
N10 G91 ；增量方
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