車床-CA6140車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
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CA 6140 型臥式車床的數(shù)控化改造 常州大學(xué)城機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 模具技術(shù)系 陳秀珍 摘 要 本文主要介紹了 CA 6140 型臥式車床數(shù)控改造的系統(tǒng)配置及主要技術(shù)規(guī)格 , 闡述了車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給 傳動(dòng)系統(tǒng)及輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)控化改造的改造部位和方法。改造后的數(shù)控車床的加工能力、自動(dòng)化水平和加工精度明顯 提高。 關(guān)鍵詞 CA 6140 車床 工作原理 數(shù)控改造 數(shù)控化加工是機(jī)械加工行業(yè)朝高質(zhì)量、高精度、高成品率、 高效率發(fā)展的趨勢(shì)。結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情 , 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是我國(guó) 從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺(tái)階。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù) 控系統(tǒng)對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行改造 , 尤其適合我國(guó)機(jī)床擁有量大 , 生產(chǎn) 規(guī)模小的具體國(guó)情。我校為適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和教學(xué) , 對(duì) CA 6140 車床進(jìn)行了數(shù)控化改造。投入使用后 , 加工零件精度高、尺寸一 致性好、自動(dòng)化程度高 , 不僅增添了數(shù)控實(shí)習(xí)設(shè)備 , 改善了教學(xué) 條件 , 而且使用方便 , 改造費(fèi)用低。現(xiàn)將改造思路、方法介紹如 下 , 為普通車床的數(shù)控改造提供參考。 一、數(shù)控改造的系統(tǒng)配置及主要技術(shù)規(guī)格 綜合考慮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試維修方便、工作可靠、成本低、易改 裝成功等因素 , 我們選用 S INUM ER IK 802S 數(shù)控系統(tǒng) , 該系統(tǒng) 標(biāo)準(zhǔn)配置包具備了所有的必要組成單元 : N C, PL C, 操作面板 , 機(jī)床控制面板 , 輸入 輸出單元及系統(tǒng)軟件。操作編程極其簡(jiǎn)便、 性能價(jià)格比高 , 是專門為低端 CN C 機(jī)床市場(chǎng)而開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型 CN C 控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)主要技術(shù)性能和參數(shù)如下 : 1、系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng) , 伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要 是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出 的進(jìn)給指令脈沖 , 經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后 , 使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng) , 通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。其控制系統(tǒng)框圖如 圖 1 所示。 2、系統(tǒng)軟件具有若干指令。其中加工指令有直線、斜線、螺 紋、錐螺紋和圓弧等 5 條指令 , 可實(shí)現(xiàn)車削外圓、端面、臺(tái)階、割 槽、錐度、倒角、螺紋、順圓弧和逆圓弧等操作??刂浦噶钣薪Y(jié)束 循環(huán)、暫停、延時(shí)、延時(shí)換刀、編碼換刀、通訊等 , 與加工指令配 合 , 可加工出各種較復(fù)雜的零件。 3、在規(guī)定的存取權(quán)限下可以通過 R S232 接口讀入 讀出相 應(yīng)的文件。在存取權(quán)限允許的情況下可以傳送以下的數(shù)據(jù) : 選件 參數(shù)、機(jī)床數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)、刀具補(bǔ)償、零點(diǎn)偏移等數(shù)據(jù) ; 零件程 序 ; 開機(jī)調(diào)試數(shù)據(jù) ; 螺距誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù) ; 標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)等。 4、改造后的機(jī)床要求具有直線和圓弧插補(bǔ)功能 , 縱向脈沖 當(dāng)量為 0. 01, 橫向脈沖當(dāng)量為 0. 005, 改造后機(jī)床能完成一般車 削及加工任意錐面、球面、螺紋等 , 并具有刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位及其他 輔助功能。 5、系統(tǒng)環(huán)境工作條件。溫度 - 10 + 40 ; 濕度為 40% 80%。 6、輸入電網(wǎng)電壓。交流 (220 22)V ; 頻率為 50H z; 電流為 115A。 7、步進(jìn)電機(jī)。 110BF003 型電機(jī)兩臺(tái) , 驅(qū)動(dòng)電壓為 110V ; 相 電流為 215A ; 步距角為 0. 75 步 ; 靜力矩為 12N m。 二、主傳動(dòng)的數(shù)控化改造 在數(shù)控機(jī)床中 , 其主軸是最關(guān)鍵的部件 , 對(duì)機(jī)床精度起著至 關(guān)重要的作用。由于數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中 , 并不需要在整個(gè)變 速范圍內(nèi)均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動(dòng) , 在 低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。為了確保數(shù)控機(jī)床主軸低速時(shí)有較大的 轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大 , 將原機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)保留。 考慮到加工過程中當(dāng)電網(wǎng)電壓和切削力矩發(fā)生變化時(shí) , 電機(jī)的 轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之波動(dòng) , 直接影響加工零件的表面粗糙度。因此為提 高加工精度 , 實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)無級(jí)變速 , 在主軸上增加了交流異步 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) , 從而不需進(jìn)行機(jī)械換檔。 改造后的數(shù)控車床為了加工螺紋 , 在主軸后端安裝一個(gè)主 軸脈沖編碼器 , 為避免同軸安裝時(shí)的加工零件不能穿出車床主 軸孔缺點(diǎn) , 此次改造采用異軸安裝。作為主軸位置的信號(hào)反饋元 件 , 異軸安裝時(shí)應(yīng)注意主軸脈沖編碼器的引出軸與車床主軸按 1: 1 無間隙柔性聯(lián)接傳動(dòng) , 可采用同步齒型帶來聯(lián)接。使用中車 床主軸轉(zhuǎn)速不允許超過主軸脈沖發(fā)生器的最高許用轉(zhuǎn)速。 脈沖編碼器聯(lián)接方式如圖 2 所示 : 交流主軸電動(dòng)機(jī)通過帶 輪把運(yùn)動(dòng)傳給主軸 , 主軸的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過同步帶輪 1 和同步帶輪 2 以及同步帶帶動(dòng)脈沖編碼器 , 使其與主軸同速運(yùn)轉(zhuǎn) , 脈沖編碼器 用螺釘固定在主軸箱體上。 三、進(jìn)給傳動(dòng)的數(shù)控化改造 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指 77 科技信息 高校理科研究 令 , 并經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。其 橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)是帶動(dòng)刀架作橫向 (X 軸 ) 移動(dòng)的裝置 , 它控 制工件的徑向尺寸 ; 縱向進(jìn)給裝置是帶動(dòng)刀架作軸向 (Z 軸 ) 運(yùn) 動(dòng)的裝置 , 它控制工件的軸向尺寸。 1、進(jìn)給傳動(dòng)鏈 在原車床床尾部裝上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及齒輪減速箱帶動(dòng)原縱向 絲杠使溜板箱作 Z 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng) , 而保留機(jī)床的進(jìn)給箱和溜板箱 等原有進(jìn)給系統(tǒng) , 必要時(shí)仍可作為普通機(jī)床使用。進(jìn)行數(shù)控加工 時(shí) , 要合上開合螺母 , 脫開進(jìn)給箱中的 M 5 離合器。橫向進(jìn)給 (即 X 向 )由裝在床鞍后方 (操作者對(duì)面 ) 的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其減速箱 傳動(dòng) , 數(shù)控加工時(shí)脫落蝸桿等橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給結(jié)構(gòu)要在空檔 (脫 開 )位置。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 3 所示 : 1縱向絲杠副 ; 2橫向絲 杠副 ; 3、 6步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ; 4、 5齒輪減速器 2、滾珠絲杠螺母副的選用 為保證數(shù)控機(jī)床高的加工精度 , 其進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)要求有高 的傳動(dòng)精度、高的靈敏度 (響應(yīng)速度快 )、工作穩(wěn)定、有高的構(gòu)件 剛度及使用壽命、小的摩擦及運(yùn)動(dòng)慣量 , 并能清除傳動(dòng)間隙。采 用滾珠絲杠副可以滿足上述要求 , 選用 W 1L 4006 外循環(huán)螺紋調(diào) 整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副 , 1 列 2. 5 圈 , 其額定動(dòng)負(fù)載為 16400N , 強(qiáng)度足夠用 , 精度等級(jí)選為 5 級(jí)。其幾何參數(shù)如下 : 公 稱直徑 D 0 = 40mm , 導(dǎo)程 L 0 = 6mm , 螺紋升角 C= arctg L oPdo = 2 44。 鋼球直徑 DW = 3. 969mm , 螺桿內(nèi)徑 d= 35. 984mm。 支撐滾珠絲杠的軸承為 8107 型推力球軸承 , 幾何參數(shù)為 : d1= 35mm , 滾動(dòng)體直徑 dQ = 6. 35mm , 滾動(dòng)體數(shù)量 ZQ = 18。 3、減速齒輪傳動(dòng)副設(shè)計(jì) 在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)副的目的 : 一是降速 , 將伺服電動(dòng)機(jī)的高速低轉(zhuǎn)矩輸出變?yōu)樨?fù)載要求的低速大轉(zhuǎn)矩 ; 二是使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在系統(tǒng)中占較小的比重 , 以保證精度。為了保證傳動(dòng)精度 , 數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等 級(jí)都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動(dòng) , 因而改造 時(shí) , 機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求 , 以保證機(jī)床加工精 度。 (1)縱向進(jìn)給系統(tǒng)減速齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)給定的縱向進(jìn) 給脈沖當(dāng)量 0. 001 mm , 滾珠絲杠導(dǎo)程 L 0= 6mm , 及初選的步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)步距角 0. 75可計(jì)算出傳動(dòng)比 i= 360 0. 010. 75 6 = 0. 8 選取齒輪齒數(shù)為 Z1= 32、 Z2= 40, 模數(shù) m = 2。 (2)橫向進(jìn)給減速齒輪系統(tǒng)減速齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 減速齒輪 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因 , 不使大齒輪直徑太大 , 以免影響到橫向溜 板的有效行程。故此處可采用兩級(jí)齒輪降速 : Z1= 24, Z2= 40, Z3 = 20, Z4= 25。 四、輔助機(jī)構(gòu)改造 1. 電動(dòng)卡盤 為了提高經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床的加工效率 , 還可考慮采用電動(dòng) 三爪自定心卡盤裝置 , 與數(shù)控裝置的控制電路相配合 , 能實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)夾緊 , 松開 , 提高加工過程的自動(dòng)化程度。 2. 床身 為了使改造后的機(jī)床有較高的開動(dòng)率和精度保持性 , 除盡 可能地減少電器和機(jī)械故障的同時(shí) , 應(yīng)充分考慮機(jī)床零件、部件 的耐磨性 , 尤其是機(jī)床導(dǎo)軌的耐磨性。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的 床身等大件多采用普通鑄鐵。而導(dǎo)軌則采用淬硬的合金鋼材料 , 其耐磨性比普通鑄鐵導(dǎo)軌高 5 至 10 倍。據(jù)此 , 在改造中利用舊 床身 , 采用 GCR 15 軸承鋼淬硬到 HRC56- 62 制成導(dǎo)軌 , 用螺釘 和粘劑固定在鑄鐵床身上。粘接前的導(dǎo)軌工作表面采用磨削加 工 , 表面粗糙度 R a0. 8mm , 以提高粘接強(qiáng)度。 3. 自動(dòng)換刀裝置 拆除原手動(dòng)刀架和小拖板 , 安裝由微機(jī)控制的四工位電動(dòng) 刀架。根據(jù)車床的型號(hào)及主軸中心高度 , 選用 LD 4 I型 4 工位 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。該刀架體積小 , 重復(fù)定位精度高 , 適用于強(qiáng)力車 削并安全可靠。安裝時(shí) , 去掉車床小拖板 , 置刀架于中拖板上 , 卸 掉電機(jī)風(fēng)罩 , 逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī) , 或轉(zhuǎn)動(dòng)軸承蓋處之內(nèi)六角螺 孔 , 使刀架轉(zhuǎn)動(dòng)到 45左右時(shí) , 裝上螺釘 , 然后固定刀架即可。 4. 安全防護(hù) 高效必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采 取相應(yīng)的措施 , 切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件 , 工作時(shí)要 嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加 整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好 , 絕 對(duì)防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌。 結(jié)束語 : 改造后的機(jī)床 , 其數(shù)控加工能力、自動(dòng)化水平和加工精度明 顯提高 , 定位準(zhǔn)確、可靠 , 操作簡(jiǎn)便。投入實(shí)習(xí)工廠運(yùn)行兩年多 來 , 沒有出現(xiàn)過較大故障。它不僅承擔(dān)學(xué)生的數(shù)控實(shí)訓(xùn) , 承擔(dān)生 產(chǎn)任務(wù) , 更重要的是把技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性有機(jī)結(jié)合。 參考文獻(xiàn) 1 梁曉斌 . 機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) . 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1990. 2 畢承恩 . 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床 . 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1991. 3 高曉康 . 幾何精度設(shè)計(jì)和檢測(cè) . 上海交通大學(xué)出版社 , 2002. 4 張進(jìn)生 , 房曉東 . 機(jī)械工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) . 機(jī)械工業(yè) 出版社 , 2003. 5 中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì) . 數(shù)控技術(shù) . 機(jī)械工業(yè)出版社 , 2004. 87 科技信息 高校理科研究 1 緒論1.1 數(shù)控設(shè)備與技術(shù)現(xiàn)狀11.1.1 數(shù)控設(shè)備近年來我國(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%。近年來我國(guó)出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、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)說過“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?,大力發(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)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題,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)模問題。沒有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(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21949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?,F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的機(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、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300種,其中數(shù)控車床占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 ControlNC),簡(jiǎn)稱為數(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,特別是可用軟件來改變信息處理的方式或過程,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 ProcessingIFIP)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)可完全由軟件來確定數(shù)字信息的處理過程,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、磁盤等,并通過相應(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將加工信息直接輸入,或通過竄行口將計(jì)算機(jī)上編寫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、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,工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與分度和冷卻泵的開、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,熱變形較小;(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、冷卻液開關(guān)等)。計(jì)算機(jī)依靠譯碼程序來識(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)的問題。加工速度的確定也是一個(gè)工藝問題。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)功能主要由軟件來實(shí)現(xiàn),目前主要有兩類插補(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)的分類機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的種類很多,為了便于了解和研究,可以從不同的角度對(duì)其分類??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。一般地,按伺服系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行分類。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。1.開環(huán)控制系統(tǒng)(Open Loop Control System)典型的開環(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1.5),再經(jīng)減速齒輪帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn),并通過絲杠螺母副傳東工作臺(tái)的移動(dòng)。可以看出工作臺(tái)的移動(dòng)量與進(jìn)給脈沖的數(shù)量成正比。顯然這種開環(huán)系統(tǒng)的精度完全依賴于步進(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)展過程中占有一定的重要地位,現(xiàn)在仍普遍采用。圖1-2 開環(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(開環(huán)),故稱為半閉環(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)11.新產(chǎn)品開發(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線,是“十五”期間國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目,其中組成列車線的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6200萬元在磁懸浮軌道專用數(shù)控機(jī)床項(xiàng)目公開招標(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)品有了突破今年來通過政府的支持,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)的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái);煙臺(tái)第二機(jī)床附件廠開發(fā)了為數(shù)控龍門鏜銑床、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11.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)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(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)入制造工廠的車間只是時(shí)間的問題。從另一角度來看,目前流行的ERP即工廠信息化對(duì)于制造業(yè)來說,僅僅局限于通常的管理部門(人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷)或設(shè)計(jì)、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,工廠、車間的最底層加工設(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”沒有能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問題。所以,對(duì)于面臨日益全球化競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)代制造工廠來說,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、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。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)11. 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)控車床,實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制下的自動(dòng)加工。改造后的車床把車床的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離開來。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)車床的縱橫絲杠來實(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,通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機(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,使車刀實(shí)現(xiàn)直線或圓弧的切削。在加工螺紋時(shí),通過主軸脈沖發(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。202.2機(jī)械部分改造42.2.1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)車床改造來說,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: p=0.02mm/step 步距角: =0.75/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)床說明書,N=4kW; 主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率,一般為0.60.7取K進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù),取為K=0.96。 則: =40.650.96=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 =61202.496/100=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222333f(mm)0.20.30.40.20.30.4112515241891168722872837 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,在一般外圓車削時(shí): =(0.10.6) =(0.150.7) (2-4)?。?=0.5Fz=0.51527.6=763.8N =0.6Fz=0.61527.6=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=0.920.96,比常規(guī)的絲杠螺母副提高34倍(滑動(dòng)絲杠效率為0.20.4)。因此,功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的1/41/3。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 類坐 標(biāo) 方 向XYZW開環(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)以及滾珠絲杠公稱直徑尺寸變動(dòng)量等。在開環(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)軌車床絲杠的軸向力: (2-5)式中 K=1.15, =0.150.18,取為0.16。則 P=1.15763.8+0.16(1527.6+800) =1250.8N1) 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: =10001000.3/3.14806=20r/min =602015000/=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=1.211250.8=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32mm,型號(hào)為FB326-5-,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=10 螺旋升角=325則 =0.9533) 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)程變形總誤差為 查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差(1m長(zhǎng))為15m/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32mm,支承方式不變,所以穩(wěn)定性不存在問題,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 =40m=2mm b=20mm =20 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) =12.40824.88/9.60.025=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: =76.30.6/23.140.81.25=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,用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來,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)算與縱向類似,所用到的公式不在詳細(xì)說明,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: p=0.005mm/step 步距角: =0.75/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1/21/3,取1/2,則切削力約為縱向的1/2。=1/2152.76=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=1.438.19+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,滾珠絲杠公稱直徑為20mm,型號(hào)為204-5-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=338,摩擦角=10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 =74.74100.44/3.1420.6=5.96cm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=100L/Lo=1005.96/0.4=14.9m/m 查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差(1m長(zhǎng))為15m/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 =20 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)過分析后才能正確選擇?,F(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 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)子從任意位置開始,經(jīng)過任意步后,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43.2.1 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RAMROMCPUI/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(8K8),一片靜態(tài)存貯器6264(8K8)、一片可編程接口芯片8155、一片可編程鍵盤/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00H7FH,CPU對(duì)片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器有很豐富的操作指令,通過直接尋址或間接尋址方式進(jìn)行訪問。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芯便來擴(kuò)展8031的RAM存貯器。8031是一個(gè)無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)行讀寫操作的數(shù)據(jù)就不可靠。為解決時(shí)間匹配問題,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8KB8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8KB8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8KB8,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、顯示接口器件,單個(gè)芯片就能完成鍵盤掃描輸入和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VD, V1為繞組L4供電,提供所需的額定電流。通過調(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1/31/4。改造C616車床充分考慮到其實(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。參考文獻(xiàn):1 王道宏.數(shù)控編程技術(shù)M.北京:人民郵電出版社,2005.2 張倫玠.數(shù)控系統(tǒng)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.3 楊興.數(shù)控機(jī)床電氣控制M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.4 范超毅,趙天嬋.數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)M.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2007.5(1)5 余英良.數(shù)控工藝與編程技術(shù)M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.6 余英良.機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.7 張建剛,胡大澤. 數(shù)控技術(shù)M.武漢:華中科技大學(xué)出版社.20008 華茂發(fā). 數(shù)控機(jī)床加工工藝M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.20009 李峻勤,費(fèi)仁元. 數(shù)控機(jī)床及其使用與維修M. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社.199910 朱志宏. 金屬切削機(jī)床M. 南京:東南大學(xué)出版社.199911 萬勝前. 單片機(jī)在機(jī)床數(shù)控化改造中的應(yīng)用. 鄂州大學(xué)學(xué)報(bào),2001.10(4):45-47 12 周喜忠. 數(shù)控機(jī)床的編程與操作M. 沈陽:東北大學(xué)出版社.200413 吳祖育, 秦鵬飛. 數(shù)控機(jī)床M. 上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社.198914李清新.伺服系統(tǒng)與機(jī)床電氣控制M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社.199415 畢承恩. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床(上、下)M. 北京機(jī)械工業(yè)出版社.199116 范俊廣. 數(shù)控機(jī)床及應(yīng)用M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社.199417 關(guān)美華. 數(shù)控技術(shù)-原理及現(xiàn)代控制系統(tǒng)M. 西南交通大學(xué)出版社.200318 白恩遠(yuǎn),王俊元.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測(cè)技術(shù)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社.200219 胡黃卿 . 金屬切削原理與機(jī)床M .北京:化學(xué)工業(yè)出版社.200420尹立云. C616普通車床的數(shù)控化改造J.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2000,4 (6):14-15附 錄5 軟件編程一 、如圖4-1所示編寫零件加工程序。圖4-1(1) 絕對(duì)編程N(yùn)01 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=18N04 G01 Z35 F300 ;B C N05 G01 X120 Z15 ;C DN06 G26 M02 ;D A, 返回參考點(diǎn),程序結(jié)束(2)增量編程N(yùn)01 G00 F2500 N02 G92 X48 Z560N03 G00 U-30 ;A BN04 G01 W-25 F300 ;B CN05 G01 U2 W-20 F150 ;C DN06 G26 M02 ;D A返回參考點(diǎn),程序結(jié)束二、如圖4-2所示編寫零件加工程序。圖4-2加工路線 A B C D E F計(jì)算每次的坐標(biāo)值A(chǔ)(80,15) D(25,-28)B(20, 2) E(25,-36)C(20,-10) F(32,-36)(1)絕對(duì)值編程N(yùn)10 G90 ;絕對(duì)值方式N20 G92 X80 Z15 ;刀具起點(diǎn)AN30 M03 S800 T1 ;主軸正轉(zhuǎn)800r/minN40 G00 X20 Z2 F1000 ;A BN50 G01 Z-10 F200 ;B C在外圓N60 G01 X25 Z-28 F50 ;在錐面C DN070 G01 Z-36 F100 ;在外圓D FN80 G01 X32 ;在平面E FN90 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N(yùn)10 G91 ;增量方
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