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1 目錄 前言 1 摘要 5 ABSTRACT 6 第一章 緒論 7 一 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢 7 一 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 7 二 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 7 三 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 10 二 普通機床數(shù)控改造的必要性 11 一 微觀看改造的必要性 11 二 宏觀看改造的必要性 12 三 數(shù)控改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點 12 一 國外改造業(yè)的興起 12 二 數(shù)控化改造的內(nèi)容 13 三 機床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點 13 四 數(shù)控機床機構(gòu)組成 特點及分類 14 一 數(shù)控機床的組成 14 二 數(shù)控機床機構(gòu)的特點 16 三 數(shù)控機床的分類 19 五 普通機床數(shù)控化改造市場 22 一 改造的市場 22 二 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 22 第二章 C6140 普通車床數(shù)改的總體方案 24 一 總體方案 24 一 主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造 24 二 主軸脈沖發(fā)生器 25 三 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 26 第三章 數(shù)改 C6140 車床傳動裝置設(shè)計 27 2 一 滾珠絲杠螺母副 27 一 滾珠絲杠副的工作原理 特點及類型 28 二 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) 29 二 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 32 一 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 32 二 滾珠絲杠設(shè)計計算 34 三 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計算 39 三 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 42 一 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 43 二 滾珠絲杠設(shè)計計算 44 三 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算 46 四 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法 47 五 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) 50 一 支承結(jié)構(gòu) 50 六 進(jìn)給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 51 一 采用減速箱的目的及注意事項 51 二 減少或消除空程的必要性和方法 51 第四章 數(shù)改 C6140 自動刀架設(shè)計 53 一 自動刀架的分類 53 二 自動刀架的設(shè)計 53 第五章 數(shù)改 6140 步進(jìn)電機的設(shè)計 56 一 步進(jìn)電機的工作方式 56 二 步進(jìn)電機的選擇 56 一 步進(jìn)電機選用的基本原則 56 二 數(shù)改 C6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機的確定 58 三 數(shù)改 C6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機的確定 58 第六章 數(shù)改 6140 車床導(dǎo)軌設(shè)計 60 一 導(dǎo)軌的作用 60 二 塑料導(dǎo)軌軟帶 60 第七章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 63 3 一 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 63 二 單板機控制系統(tǒng)的設(shè)計 64 第八章 CA6140 生產(chǎn)成本及經(jīng)濟技術(shù)分析 66 第九章 結(jié) 論 67 參考文獻(xiàn) 68 專題 70 高速切削的刀具材料及切削技術(shù)的應(yīng)用 70 附錄 外文文獻(xiàn) 79 Numerical Control 79 附錄 中文翻譯 92 數(shù)字控制 92 致 謝 104 4 摘要 我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家 但數(shù)控機床的產(chǎn)品競爭力在國際市場 中仍處于較低水平 即使在國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢 一方面國內(nèi)市場對 各類機床產(chǎn)品特別是數(shù)控機床有大量的需求 而另一方面卻有不少國產(chǎn)機床滯 銷積壓 國外機床產(chǎn)品充斥市場 嚴(yán)重影響我國數(shù)控機床自主發(fā)展的勢頭 這 種現(xiàn)象的出現(xiàn) 除了有經(jīng)營上 產(chǎn)品質(zhì)量上和促銷手段上等的原因外 一個最 主要的原因就是新產(chǎn)品 包括基型 變型和專用機床 的開發(fā)周期長 不能及 時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品 普通機床的數(shù)控化改造事業(yè)方興未艾 在我國目前形式下將大批故障機床 尤其是一大批閑置的普通機床進(jìn)行改造 升級 以較小的投入盡快使這批設(shè)備 在經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮效能 創(chuàng)造效益 的確是許多企業(yè)的一項不可忽視的課題 關(guān)鍵詞 脈沖發(fā)生器 滾珠絲杠 滾珠絲杠螺母副 自動刀架 塑料導(dǎo)軌軟帶 5 Abstract My national yes machine output mos statet state in the world the product competitive power at international market suffer still get off to inferiority level of the therefor numerically controlled machine granted that at home market too be faced with austere posture on the one hand domestic market versus all manner of tool product especially numerically controlled machine be covered with demand whereas on the other hand refuse have got not a little made in one s country tool dull sale overstock abroad tool product overflow market had a strong impact on me national numerically controlled machine independence extend momenta into show such phenomenal face except to have got manage upper product quality upper sum sales promotion instrument good cause besides the development cycle length of the both one upmost cause namely novelty include fundamental mode derivative and special machine be be incapable of in season aim at user s demand supply satisfied product General machine tool numerical control melt reclaim undertaking be in the ascendant from upratein our country for the moment form down move in bulk malfunction tool above all crowd idle general machine tool proceed rebuild up upgrade withal lesser project into as soon as possible gotten these batch EQUIPment at economic development exert EFFiciency create benefit the one term nonnegligible problem of the forsooth yes heap enterprise Keywords Impulse generator Ball screw Ball screw nut deputy Automatism knife rest Plastic rack soft strap 1 目錄 前言 1 摘要 5 ABSTRACT 6 第一章 緒論 7 一 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢 7 一 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 7 二 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 7 三 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 10 二 普通機床數(shù)控改造的必要性 11 一 微觀看改造的必要性 11 二 宏觀看改造的必要性 12 三 數(shù)控改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點 12 一 國外改造業(yè)的興起 12 二 數(shù)控化改造的內(nèi)容 13 三 機床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點 13 四 數(shù)控機床機構(gòu)組成 特點及分類 14 一 數(shù)控機床的組成 14 二 數(shù)控機床機構(gòu)的特點 16 三 數(shù)控機床的分類 19 五 普通機床數(shù)控化改造市場 22 一 改造的市場 22 二 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 22 第二章 C6140 普通車床數(shù)改的總體方案 24 一 總體方案 24 一 主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造 24 二 主軸脈沖發(fā)生器 25 三 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 26 第三章 數(shù)改 C6140 車床傳動裝置設(shè)計 27 2 一 滾珠絲杠螺母副 27 一 滾珠絲杠副的工作原理 特點及類型 28 二 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) 29 二 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 32 一 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 32 二 滾珠絲杠設(shè)計計算 34 三 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計算 39 三 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 42 一 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 43 二 滾珠絲杠設(shè)計計算 44 三 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算 46 四 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法 47 五 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) 50 一 支承結(jié)構(gòu) 50 六 進(jìn)給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 51 一 采用減速箱的目的及注意事項 51 二 減少或消除空程的必要性和方法 51 第四章 數(shù)改 C6140 自動刀架設(shè)計 53 一 自動刀架的分類 53 二 自動刀架的設(shè)計 53 第五章 數(shù)改 6140 步進(jìn)電機的設(shè)計 56 一 步進(jìn)電機的工作方式 56 二 步進(jìn)電機的選擇 56 一 步進(jìn)電機選用的基本原則 56 二 數(shù)改 C6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機的確定 58 三 數(shù)改 C6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機的確定 58 第六章 數(shù)改 6140 車床導(dǎo)軌設(shè)計 60 一 導(dǎo)軌的作用 60 二 塑料導(dǎo)軌軟帶 60 第七章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 63 3 一 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 63 二 單板機控制系統(tǒng)的設(shè)計 64 第八章 CA6140 生產(chǎn)成本及經(jīng)濟技術(shù)分析 66 第九章 結(jié) 論 67 參考文獻(xiàn) 68 專題 70 高速切削的刀具材料及切削技術(shù)的應(yīng)用 70 附錄 外文文獻(xiàn) 79 Numerical Control 79 附錄 中文翻譯 92 數(shù)字控制 92 致 謝 104 4 摘要 我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家 但數(shù)控機床的產(chǎn)品競爭力在國際市場 中仍處于較低水平 即使在國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢 一方面國內(nèi)市場對 各類機床產(chǎn)品特別是數(shù)控機床有大量的需求 而另一方面卻有不少國產(chǎn)機床滯 銷積壓 國外機床產(chǎn)品充斥市場 嚴(yán)重影響我國數(shù)控機床自主發(fā)展的勢頭 這 種現(xiàn)象的出現(xiàn) 除了有經(jīng)營上 產(chǎn)品質(zhì)量上和促銷手段上等的原因外 一個最 主要的原因就是新產(chǎn)品 包括基型 變型和專用機床 的開發(fā)周期長 不能及 時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品 普通機床的數(shù)控化改造事業(yè)方興未艾 在我國目前形式下將大批故障機床 尤其是一大批閑置的普通機床進(jìn)行改造 升級 以較小的投入盡快使這批設(shè)備 在經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮效能 創(chuàng)造效益 的確是許多企業(yè)的一項不可忽視的課題 關(guān)鍵詞 脈沖發(fā)生器 滾珠絲杠 滾珠絲杠螺母副 自動刀架 塑料導(dǎo)軌軟帶 5 Abstract My national yes machine output mos statet state in the world the product competitive power at international market suffer still get off to inferiority level of the therefor numerically controlled machine granted that at home market too be faced with austere posture on the one hand domestic market versus all manner of tool product especially numerically controlled machine be covered with demand whereas on the other hand refuse have got not a little made in one s country tool dull sale overstock abroad tool product overflow market had a strong impact on me national numerically controlled machine independence extend momenta into show such phenomenal face except to have got manage upper product quality upper sum sales promotion instrument good cause besides the development cycle length of the both one upmost cause namely novelty include fundamental mode derivative and special machine be be incapable of in season aim at user s demand supply satisfied product General machine tool numerical control melt reclaim undertaking be in the ascendant from upratein our country for the moment form down move in bulk malfunction tool above all crowd idle general machine tool proceed rebuild up upgrade withal lesser project into as soon as possible gotten these batch EQUIPment at economic development exert EFFiciency create benefit the one term nonnegligible problem of the forsooth yes heap enterprise Keywords Impulse generator Ball screw Ball screw nut deputy Automatism knife rest Plastic rack soft strap 6 第一章 緒論 一 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢 一 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展 傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革 各工業(yè)發(fā) 達(dá)國家投入巨資 對現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā) 提出了全新的制造模式 在 現(xiàn)代制造系統(tǒng)中 數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù) 它集微電子 計算機 信息處理 自 動檢測 自動控制等高新技術(shù)于一體 具有高精度 高效率 柔性自動化等特 點 對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化 集成化 智能化起著舉足輕重的作用 目前 數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革 由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式 實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展 在集成化基礎(chǔ)上 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型 超 小型化 在智能化基礎(chǔ)上 綜合了計算機 多媒體 模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多 學(xué)科技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速 高精 高效控制 加工過程中可以自動修正 調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù) 實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理 在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上 CAD CAM 與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體 機床聯(lián)網(wǎng) 實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工 長期以來 我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu) CNC 只能作為非智 能的機床運動控制器 加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定 加工 程序在實際加工前用手工方式或通過 CAD CAM 及自動編程系統(tǒng)進(jìn)行編制 CAD CAM 和 CNC 之間沒有反饋控制環(huán)節(jié) 整個制造過程中 CNC 只是一個封閉式 的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu) 在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下 加工過程中的刀具組合 工件 材料 主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給速率 刀具軌跡 切削深度 步長 加工余量等加工參 數(shù) 無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整 更無法通過反 饋控制環(huán)節(jié)隨機修正 CAD CAM 中的設(shè)定量 因而影響 CNC 的工作效率和產(chǎn)品加 工質(zhì)量 由此可見 傳統(tǒng) CNC 系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu) 限制了 CNC 向多變量智能化控制發(fā)展 已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程 因此 對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行 7 二 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 1 性能發(fā)展方向 1 高速高精高效化 速度 精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo) 由于采用了高速 CPU 芯片 RISC 芯片 多 CPU 控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù) 字伺服系統(tǒng) 同時采取了改善機床動態(tài) 靜態(tài)特性等有效措施 機床的高速高 精高效化已大大提高 2 柔性化 包含兩方面 數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性 數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計 功能覆蓋 面大 可裁剪性強 便于滿足不同用戶的需求 群控系統(tǒng)的柔性 同一群控系 統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求 使物料流和信息流自動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整 從而最 大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能 3 工藝復(fù)合性和多軸化 以減少工序 輔助時間為主要目的的復(fù)合加工 正朝著多軸 多系列控制 功能方向發(fā)展 數(shù)控機床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后 通 過自動換刀 旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施 完成多工序 多表面的復(fù)合加工 數(shù)控技術(shù)軸 西門子 880 系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá) 24 軸 4 實時智能化 早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境 其作用是如何調(diào)度任務(wù) 以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成 而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種 智能行為 科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天 實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合 人工智能正 向著具有實時響應(yīng)的 更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展 而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的 更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展 由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域 在數(shù)控技術(shù)領(lǐng) 域 實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展 自適應(yīng)控制 模糊 控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 專家控制 學(xué)習(xí)控制 前饋控制等 例如在數(shù)控系統(tǒng)中 配備編程專家系統(tǒng) 故障診斷專家系統(tǒng) 參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償 等自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能 動態(tài)前饋功能 在壓力 溫度 位置 速度控制等方面采用模糊控制 使數(shù)控 系統(tǒng)的控制性能大大提高 從而達(dá)到最佳控制的目的 2 功能發(fā)展方向 8 1 用戶界面圖形化 用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口 由于不同用戶對界面的要 求不同 因而開發(fā)用戶界面的工作量極大 用戶界面成為計算機軟件研制中最 困難的部分之一 當(dāng)前 INTERNET 虛擬現(xiàn)實 科學(xué)計算可視化及多媒體等技 術(shù)也對用戶界面提出了更高要求 圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使 用 人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作 便于藍(lán)圖編程和快速編程 三維彩色 立體動態(tài)圖形顯示 圖形模擬 圖形動態(tài)跟蹤和仿真 不同方向的視圖和局部 顯示比例縮放功能的實現(xiàn) 2 科學(xué)計算可視化 科學(xué)計算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù) 使信息交流不再局限于 用文字和語言表達(dá) 而可以直接使用圖形 圖像 動畫等可視信息 可視化技 術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合 進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域 如無圖紙設(shè)計 虛擬樣機 技術(shù)等 這對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期 提高產(chǎn)品質(zhì)量 降低產(chǎn)品成本具有重要意義 在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域 可視化技術(shù)可用于 CAD CAM 如自動編程設(shè)計 參數(shù)自動設(shè) 定 刀具補償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演 示等 3 插補和補償方式多樣化 多種插補方式如直線插補 圓弧插補 圓柱插補 空間橢圓曲面插補 螺 紋插補 極坐標(biāo)插補 2D 2 螺旋插補 NANO 插補 NURBS 插補 非均勻有理 B 樣條插補 樣條插補 A B C 樣條 多項式插補等 多種補償功能如間隙 補償 垂直度補償 象限誤差補償 螺距和測量系統(tǒng)誤差補償 與速度相關(guān)的 前饋補償 溫度補償 帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償?shù)?4 內(nèi)裝高性能 PLC 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能 PLC 控制模塊 可直接用梯形圖或高級語言編程 具 有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能 編程工具中包含用于車床銑床的標(biāo)準(zhǔn) PLC 用戶程序?qū)嵗?用戶可在標(biāo)準(zhǔn) PLC 用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯修改 從而方便地 建立自己的應(yīng)用程序 5 多媒體技術(shù)應(yīng)用 多媒體技術(shù)集計算機 聲像和通信技術(shù)于一體 使計算機具有綜合處理聲 音 文字 圖像和視頻信息的能力 在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域 應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做 到信息處理綜合化 智能化 在實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷 生 產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應(yīng)用價值 3 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 9 1 集成化 采用高度集成化 CPU RISC 芯片和大規(guī)模可編程集成電路 FPGA EPLD CPLD 以及專用集成電路 ASIC 芯片 可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和 軟硬件運行速度 應(yīng)用 FPD 平板顯示技術(shù) 可提高顯示器性能 平板顯示器具 有科技含量高 重量輕 體積小 功耗低 便于攜帶等優(yōu)點 可實現(xiàn)超大尺寸 顯示 成為和 CRT 抗衡的新興顯示技術(shù) 是 21 世紀(jì)顯示技術(shù)的主流 應(yīng)用先 進(jìn)封裝和互連技術(shù) 將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融為一體 通過提高集成電路密 度 減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價格 改進(jìn)性能 減小組件尺寸 提高系 統(tǒng)的可靠性 2 模塊化 硬件模塊化易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化 根據(jù)不同的功能需求 將基本模塊 如 CPU 存儲器 位置伺服 PLC 輸入輸出接口 通訊等模塊 作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品 通過積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減 構(gòu)成 不同檔次的數(shù)控系統(tǒng) 3 網(wǎng)絡(luò)化 機床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人化操作 通過機床聯(lián)網(wǎng) 可在任何一臺機 床上對其它機床進(jìn)行編程 設(shè)定 操作 運行 不同機床的畫面可同時顯示在 每一臺機床的屏幕上 4 通用型開放式閉環(huán)控制模式 采用通用計算機組成總線式 模塊化 開放式 嵌入式體系結(jié)構(gòu) 便于裁 剪 擴展和升級 可組成不同檔次 不同類型 不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng) 閉 環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機封閉式開環(huán)控制模式提出 的 由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程 包 含諸如加工尺寸 形狀 振動 噪聲 溫度和熱變形等各種變化因素 因此 要實現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化 必須采用多變量的閉環(huán)控制 在實時加工過程 中動態(tài)調(diào)整加工過程變量 加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制 模式 易于將計算機實時智能技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 多媒體技術(shù) CAD CAM 伺服 控制 自適應(yīng)控制 動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償 動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于 一體 構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系 從而實現(xiàn)集成化 智能化 網(wǎng)絡(luò)化 三 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 10 當(dāng)前開發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過程的 具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的 智能化 新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)將計算機智能技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) CAD CAM 伺 服控制 自適應(yīng)控制 動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償 動態(tài)仿真等高新技術(shù)融 于一體 形成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系 二 普通機床數(shù)控改造的必要性 一 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 1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線 曲面等復(fù)雜的零件 由于計算機有高超的運算能力 可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng) 該運動的運動量 因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面 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(chǎn)得以自動化 故被稱 為實現(xiàn)了 柔性自動化 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 4 可實現(xiàn)多工序的集中 減少零件在機床間的頻繁搬運 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 由以上五條派生的優(yōu)點 1 降低了工人的勞動強度 2 節(jié)省了勞動力 一個人可以看管多臺機床 3 減少了工裝 縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期 11 4 可對市場需求作出快速反應(yīng)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(chǔ) 數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為 制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù) 二 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看 工業(yè)發(fā)達(dá)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(yīng)用數(shù)控機床 其本質(zhì)是 采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 包括軍 民機械工業(yè) 進(jìn)行技術(shù)改造 除在制造過程中采用數(shù)控機床 FMC FMS 外 還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD CAE CAM 虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推 行 MIS 管理信息系統(tǒng) CIMS 等等 以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù) 包括人工智能等的含量 由于采用信息技術(shù)對國外軍 民機械工業(yè)進(jìn)行深入改 造 稱之為信息化 最終使得他們的產(chǎn)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(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)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(dá) 20 8 因此每年都有大量機電產(chǎn)品進(jìn)口 這也就從宏觀上 說明了機床數(shù)控化改造的必要性 三 數(shù)控改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點 一 國外改造業(yè)的興起 在美國 日本和德國等發(fā)達(dá)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(shù)的不斷進(jìn)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(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新 的行業(yè) 在美國 日本 德國 用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場 已形成了機床和生產(chǎn)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 12 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(wù)集團(tuán) US 設(shè)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(tuán) 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 二 數(shù)控化改造的內(nèi)容 機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點 1 是恢復(fù)原功能 對機床 生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù) 2 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 3 是翻新 為提高精度 效率和自動化程度 對機械 電氣部分進(jìn)行 翻新 對機械部分重新裝配加工 恢復(fù)原精度 對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進(jìn)行更新 4 是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新 為提高性能或檔次 或為了使用新工藝 新技術(shù) 在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新 較大幅度地提高 水平和檔次的更新改造 三 機床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點 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 2 機械性能穩(wěn)定可靠 結(jié)構(gòu)受限 所利用的床身 立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件 而不是那種焊接 構(gòu)件 改造后的機床性能高 質(zhì)量好 可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年 但是受 13 到原來機械結(jié)構(gòu)的限制 不宜做突破性的改造 3 熟悉了解設(shè)備 便于操作維修 購買新設(shè)備時 不了解新設(shè)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(xùn)時間短 見效快 改造的機床一安裝好 就可以實現(xiàn)全負(fù)荷運轉(zhuǎn) 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(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基 5 可以采用最新的控制技術(shù) 可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度 及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率 提高設(shè)備質(zhì)量和檔次 將舊機床改成當(dāng)今水平的機床 四 數(shù)控機床機構(gòu)組成 特點及分類 一 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床外形一般分為五部分 組成框圖如圖 1 1 所示 圖 1 數(shù) 控 機 床 組 成 框 圖編 程 機 等附 屬 機 構(gòu) 驅(qū)動裝置 數(shù) 字 控 制 系 統(tǒng)機 床 主 機 輔助裝置 14 1 機床主機 機床主機是數(shù)控機床的主體 它包括床身 主柱 主軸 進(jìn)給機構(gòu)等機械 部件 2 數(shù)字控制系統(tǒng) 是數(shù)控機床的核心 當(dāng)前一般采用計算機數(shù)控 Computered Numerical Control 簡稱 CNC 系統(tǒng) 它是一臺專用控制計算機 包括硬件 印制電路板 顯示器 鍵盤 閱讀機等 項控制功能 現(xiàn)代數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)都具有下面一些功能 1 多坐標(biāo)控制 多軸聯(lián)動 2 實現(xiàn)多種函數(shù)的插補運算 直線 圓弧 拋物線 正弦線等 3 代碼轉(zhuǎn)換 EIA ISO 轉(zhuǎn)換 英制 公制轉(zhuǎn)換 二 十進(jìn)制轉(zhuǎn)換 絕對值 增 量值轉(zhuǎn)換等 4 人機對話 手動數(shù)據(jù)輸入 加工程序輸入 編輯及修改等 5 加工選擇 各種加工循環(huán) 重復(fù)加工 凹 凸 模加工 鏡象加工等 6 實現(xiàn)各種補償功能 進(jìn)行刀具半徑 刀具長度 傳動間隙 螺距誤差 的補償 7 實現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷 8 屏幕顯示 實現(xiàn)圖形 軌跡 字符顯示 9 聯(lián)網(wǎng)及通信功能 3 驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置是數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件 一般通用機床的主軸和進(jìn)給系 統(tǒng)是由電動機驅(qū)動主軸箱中轉(zhuǎn)動齒輪來實現(xiàn)速度變換和加工運動 4 輔助裝置 15 輔助裝置是保證數(shù)控機床的功能得以充分發(fā)揮的配套部件 它包括的面很 廣 有電器 液壓 氣壓等器件及系統(tǒng) 冷卻 潤滑 輸送等裝置 由于它們 對發(fā)揮數(shù)控機床功能起重要作用 因此受到重視 發(fā)展極為迅速 5 其它附屬設(shè)備 為了提高數(shù)控機床工作效率 常常還配置一些附屬設(shè)備 如自動編程機 機外對刀儀等 二 數(shù)控機床機構(gòu)的特點 在數(shù)控機床發(fā)展的最初階段 其機械結(jié)構(gòu)與通用機床相比沒有多大的變化 只是在自動變速 刀架和工作臺自動轉(zhuǎn)位和手柄操作等方面作些改變 隨著數(shù) 控技術(shù)的發(fā)展 考慮到它的控制方式和使用特點 才對機床的生產(chǎn)率 加工精 度和壽命提出了更高的要求 數(shù)控機床的主體機構(gòu)有以下特點 1 由于采用了高性能的無級變速主軸及伺服傳動系統(tǒng) 數(shù)控機床的極 限傳動結(jié)構(gòu)大為簡化 傳動鏈也大大縮短 2 為適應(yīng)連續(xù)的自動化加工和提高加工生產(chǎn)率 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)具 有較高的靜 動態(tài)剛度和阻尼精度 以及較高的耐磨性 而且熱變形小 3 為減小摩擦 消除傳動間隙和獲得更高的加工精度 更多地采用了 高效傳動部件 如滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌 消隙齒輪傳動副等 4 為了改善勞動條件 減少輔助時間 改善操作性 提高勞動生產(chǎn)率 采用了刀具自動夾緊裝置 刀庫與自動換刀裝置及自動排屑裝置等輔助裝置 根據(jù)數(shù)控機床的適用場合和機構(gòu)特點 對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)因提出以下要求 1 較高的機床靜 動剛度 數(shù)控機床是按照數(shù)控編程或手動輸入數(shù)據(jù)方式提供的指令自動進(jìn)行加工的 由于機械結(jié)構(gòu) 如機床床身 導(dǎo)軌 工作臺 刀架和主軸箱等 的幾何精度與 變形產(chǎn)生的定位誤差在加工過程中不能人為地調(diào)整與補償 因此 必須把各處 機械結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的彈性變形控制在最小限度內(nèi) 以保證所要求的加工精度與 表面質(zhì)量 為了提高數(shù)控機床主軸的剛度 不但經(jīng)常采用三支撐結(jié)構(gòu) 而且選用鋼性 很好的雙列短圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承鉸接出相信忒力軸承 以 16 減小主軸的徑向和軸向變形 為了提高機床大件的剛度 采用封閉界面的床身 并采用液力平衡減少移動部件因位置變動造成的機床變形 為了提高機床各部 件的接觸剛度 增加機床的承載能力 采用刮研的方法增加單位面積上的接觸 點 并在結(jié)合面之間施加足夠大的預(yù)加載荷 以增加接觸面積 這些措施都能 有效地提高接觸剛度 為了充分發(fā)揮數(shù)控機床的高效加工能力 并能進(jìn)行穩(wěn)定切削 在保證靜態(tài) 剛度的前提下 還必須提高動態(tài)剛度 常用的措施主要有提高系統(tǒng)的剛度 增 加阻尼以及調(diào)整構(gòu)件的自振頻率等 試驗表明 提高阻尼系數(shù)是改善抗振性的 有效方法 鋼板的焊接結(jié)構(gòu)既可以增加靜剛度 減輕結(jié)構(gòu)重量 又可以增加構(gòu) 件本身的阻尼 因此 近年來在數(shù)控機床上采用了鋼板焊接結(jié)構(gòu)的床身 立柱 橫梁和工作臺 封砂鑄件也有利于振動衰減 對提高抗振性也有較好的效果 2 減少機床的熱變形 在內(nèi)外熱源的影響下 機床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形 使工件與刀 具之間的相對運動關(guān)系遭到破環(huán) 也是機床季度下降 對于數(shù)控機床來說 因 為全部加工過程是計算的指令控制的 熱變形的影響就更為嚴(yán)重 為了減少熱 變形 在數(shù)控機床結(jié)構(gòu)中通常采用以下措施 1 減少發(fā)熱 機床內(nèi)部發(fā)熱時產(chǎn)生熱變形的主要熱源 應(yīng)當(dāng)盡可能地將熱源從主機中分 離出去 2 控制溫升 在采取了一系列減少熱源的措施后 熱變形的情況將有所改善 但要完全 消除機床的內(nèi)外熱源通常是十分困難的 甚至是不可能的 所以必須通過良好 的散熱和冷卻來控制溫升 以減少熱源的影響 其中部較有效的方法是在機床 的發(fā)熱部位強制冷卻 也可以在機床低溫部分通過加熱的方法 使機床各點的 溫度趨于一致 這樣可以減少由于溫差造成的翹曲變形 3 改善機床機構(gòu) 在同樣發(fā)熱條件下 機床機構(gòu)對熱變形也有很大影響 如數(shù)控機床過去采 用的單立柱機構(gòu)有可能被雙柱機構(gòu)所代替 由于左右對稱 雙立柱機構(gòu)受熱后 的主軸線除產(chǎn)生垂直方向的平移外 其它方向的變形很小 而垂直方向的軸線 移動可以方便地用一個坐標(biāo)的修正量進(jìn)行補償 對于數(shù)控車床的主軸箱 應(yīng)盡量使主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方 向上 這就可以使主軸熱變形對加工直徑的影響降低到最小限度 在結(jié)構(gòu)上還 17 應(yīng)盡可能減小主軸中心與主軸向地面的距離 以減少熱變形的總量 同時應(yīng)使 主軸箱的前后溫升一致 避免主軸變形后出現(xiàn)傾斜 數(shù)控機床中的滾珠絲杠常在預(yù)計載荷大 轉(zhuǎn)速高以及散熱差的條件下工作 因此絲杠容易發(fā)熱 滾珠絲杠熱生產(chǎn)造成的后果是嚴(yán)重的 尤其是在開環(huán)系統(tǒng) 中 它會使進(jìn)給系統(tǒng)喪失定位精度 目前某些機床用預(yù)拉的方法減少絲杠的熱 變形 對于采取了上述措施仍不能消除的熱變形 可以根據(jù)測量結(jié)果由數(shù)控系 統(tǒng)發(fā)出補償脈沖加以修正 3 減少運動間的摩擦和消除傳動間隙 數(shù)控機床工作臺 或拖板 的位移量十一脈中當(dāng)量為最小單位的 通常又 要求能以基地的速度運動 為了使工作臺能對數(shù)控裝置的指令作出準(zhǔn)確響應(yīng) 就必須采取相應(yīng)的措施 目前常用的滑動導(dǎo)軌 滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌在摩擦阻 尼特性方面存在著明顯的差別 在進(jìn)給系統(tǒng)中用滾珠絲杠代替滑動絲杠也可以 收到同樣的效果 目前 數(shù)控機床幾乎無一例外地采用滾珠絲杠傳動 數(shù)控機床 尤其是開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機床 的加工精度在很大程度上取決于 進(jìn)給傳動鏈的精度 除了減少傳動齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外 另一個重 要措施是采用無間隙傳動副 對于滾珠絲杠螺距的累積誤差 通常采用脈沖補 償裝置進(jìn)行螺距補償 4 提高機床的壽命和精度保持性 為了提高機床的壽命和精度保持性 在設(shè)計時應(yīng)充分考慮數(shù)控機場零部件 的耐磨性 尤其是機床導(dǎo)軌 進(jìn)給伺港機主軸部件等影響進(jìn)度的主要零件的耐 磨性 在使用過程中 應(yīng)保證數(shù)控機床各部件潤滑良好 5 減少輔助時間和改善操作性能 在數(shù)控機床的單件加工中 輔助時間 非切屑時間 占有較大的比重 要 進(jìn)一步提高機床的生產(chǎn)率 就必須采取促使最大限度地壓縮輔助時間 目前已 經(jīng)有很多數(shù)控機床采用了多主軸 多刀架 以及帶刀庫的自動換刀裝置等 以 減少換刀時間 對于切屑用量加大的數(shù)控機床 床身機構(gòu)必須有利于排屑 三 數(shù)控機床的分類 18 目前 數(shù)控機床品種已經(jīng)基本齊全 規(guī)格繁多 據(jù)不完全統(tǒng)計已有 400 多 個品種規(guī)格 可以按照多種原則來進(jìn)行分類 但歸納起來 常見的是以下面三 種方法來分析類 1 按工藝用途分類 1 一般數(shù)控機床 這類機床和傳統(tǒng)的通用機床品種一樣 有數(shù)控車 銑 鏜 鉆 磨等 而 且每一類又有很多品種 例如數(shù)控銑床中就有立銑 臥銑 龍門銑等 這類機 床的工藝可能性和通用機床相似 所不同的是它能加工復(fù)雜形狀的零件 2 數(shù)控加工中心機床 這類機床是在一般數(shù)控機床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 它是一般數(shù)控機床上加 裝一個刀庫 可容納 10 100 多把刀具 和自動換刀裝置而構(gòu)成的一種帶自動 換刀裝置的數(shù)控機床 又稱多工序數(shù)控機床 這使數(shù)控機床更進(jìn)一步地向自 動化和高效化方向發(fā)展 它和一般數(shù)控機床的區(qū)別是 工件經(jīng)一次裝夾后 數(shù)控裝置就能控制機床自動地更換刀具 連續(xù)地對工件各加工面自動地完成銑 鏜 鉆 鉸及攻絲等多工序加工 這類機床大多是以鏜銑為主 主要用來加工 箱體零件 3 多坐標(biāo)數(shù)控機床 有些復(fù)雜形狀的零件 用三坐標(biāo)的數(shù)控機床還是無法加工 如螺旋架 飛 機曲面零件的加工等 需要三個以上坐標(biāo)的合成運動才能加工出所需的形狀 于是出現(xiàn)了多坐標(biāo)的數(shù)控機床 其特點是數(shù)控裝置控制的軸數(shù)較多 機床結(jié)構(gòu) 也比較復(fù)雜 其坐標(biāo)軸數(shù)通常取決于加工零件的工藝要求 現(xiàn)在常用的是 4 6 坐標(biāo)的數(shù)控機床 最多可達(dá) 24 坐標(biāo) 4 計算機群控 計算機群控也稱為直接數(shù)控 DNC 系統(tǒng) 它是一臺大型通用計算機直 接控制一群數(shù)控機床的系統(tǒng) 2 按運動方式分類 19圖 1 3半 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 框 圖指 令 位 置 比較 電 路 速 度 控制 電 路 BA工 作 臺 圖 1 2 開 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 框輸 入 步 進(jìn)電 機數(shù) 控裝 置指 令 機 床 工 作臺 1 點位控制數(shù)控機床這類機床的數(shù)控裝置只能控制機床移動部件從一個裝置 點 精確地移動到另一個位置 點 在移動過程中不進(jìn)行任何切削加工 至于相關(guān)點之間的移動速度及路線則取決于生產(chǎn)率 2 點位直線控制數(shù)控機床這類機床工作時 不僅要控制兩相關(guān)點之間位置 還要控制兩相關(guān)點之間的移動速度和路線 即軌跡 3 輪廓控制數(shù)控機床這種機床的控制裝置能夠同時對兩個或兩個以上的坐標(biāo)軸進(jìn)行連續(xù)控制 3 按控制方式分類 1 開環(huán)控制數(shù)控機床 在開環(huán)控制中 機床沒有檢測反饋裝置 如圖 1 2 所示 數(shù)控裝置發(fā)出信號 的流程是單向的 所以不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題 也正是由于信號的單向流程 它對機床移動部件的實際位置不作檢測 所以機床加工精度不高 其精度主要 取決于伺服系統(tǒng)的性能 其工作過程是 輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)控裝置運算分配出 指令脈沖 通過伺服機構(gòu) 伺服元件常為步進(jìn)電機 使被控工作臺移動 這種 機床工作比較穩(wěn)定 反應(yīng)迅速 調(diào)試方便 維修簡單 但其控制精度受到限制 它適用于一般要求的中 小型數(shù)控機床 2 半閉環(huán)控制數(shù)控機床 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的組成框圖如圖 1 3 所示 這種控制方式對工作臺的 20 圖 1 4 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 框 圖速 度 反 饋位 置 反 饋指 令 位 置 比較 電 路 速 度 控制 電 路 A伺 服電 機 C實際位置進(jìn)行檢查測量 而是通過與伺服電機有聯(lián)系的測量元件 如測速發(fā)電機 A 和光電編碼盤 B 等間接檢測出伺服電機的轉(zhuǎn)角 推算出工作臺的實際位置量 用此值與指令值進(jìn)行比較 用差值來實現(xiàn)控制 由于工作臺沒有完全包括在控制回路內(nèi) 因而稱之為半閉環(huán)控制 這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間 精度沒有閉環(huán)高 高度卻比閉環(huán)方便 3 閉環(huán)控制數(shù)控機床 由于開環(huán)控制精度達(dá)不到精密機床和大型機床的要求 所以必須檢測它的 實際工作位置 為此 在開環(huán)控制數(shù)控機床上增加檢測反饋裝置 在加工 中時刻檢測機床移動部件的位置 使之和數(shù)控裝置所要求的位置相符合 以期 達(dá)到很高的加工精度 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖 1 4 所示 圖中 A 為速度測量 元件 C 為位置測量元件 五 普通機床數(shù)控化改造市場 21 一 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(chǎn)量約為 0 6 0 8 萬臺 年產(chǎn)值約為 18 億元 機床的年產(chǎn)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 FMC FMS 等自動化生產(chǎn)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(chǎn) 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(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差 品種少 檔次低 成本高 供貨期長 從而在國際 國內(nèi)市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品 市場 效益 所以必須大 力提高機床的數(shù)控化率 二 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)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(jìn)技術(shù) 設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù) 改造 據(jù)不完全統(tǒng)計 從 1979 1988 年 10 年間 全國引進(jìn)技術(shù)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(shè)發(fā) 揮了應(yīng)有的作用 但是有的引進(jìn)項目由于種種原因 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運 轉(zhuǎn) 甚至癱瘓 使企業(yè)的效益受到影響 嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境 一些設(shè)備 生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后 有的消化吸收不好 備件不全 維護(hù)不當(dāng) 結(jié)果運轉(zhuǎn) 不良 有的引進(jìn)時只注意引進(jìn)設(shè)備 儀器 生產(chǎn)線 忽視軟件 工藝 管理等 造成項目不完整 設(shè)備潛力不能發(fā)揮 有的甚至不能啟動運行 沒有發(fā)揮應(yīng)有 的作用 有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好 但是因為設(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo) 有的 因為能耗高 產(chǎn)品合格率低而造成虧損 有的已引進(jìn)較長時間 需要進(jìn)行技術(shù) 更新 種種原因使有的設(shè)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(shè)備 生產(chǎn)線是個包袱 也是一批很大的存量資產(chǎn) 修好 了就是財富 只要找出主要的技術(shù)難點 解決關(guān)鍵技術(shù)問題 就可以最小的投 資盤活最大的存量資產(chǎn) 爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益 這也是一個極大 22 的改造市場 第二章 C6140 普通車床數(shù)改的總體方案 23 加 工 工 件 圖 紙 圖 2 1數(shù) 改 60B車 床 總 體 方 案 示 意 圖步 進(jìn) 電 機變 速 箱步 進(jìn) 電 機車 床數(shù) 控 程 序編 程 手 工輸 入 或變 速 箱 功 率 放 大 器控 制 計 算 機計 算 機 磁 帶一 總體方案 由于是經(jīng)濟型數(shù)控改造 所以在考慮具體方案時 基本原則是滿足使用要求的前提下 對機床的改動盡可能少 以降低成本 根據(jù) C6140 車床有關(guān)資料以及數(shù)控車床的改造經(jīng)驗 確定總體方案為 采用微機對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理 由 I O 接口輸出步進(jìn)脈沖 經(jīng)一級齒輪減速后 帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 從而實現(xiàn)縱向 橫向進(jìn)給運動 如圖 2 1 所示 一 主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造 C6140 型普通車床的主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)都由主軸電機控制 而改造后 的車床則把主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的運動分離開 分別由各自的步進(jìn)電機來控 制 但是為保證車床在車螺紋時主傳動運動與進(jìn)給運動之間的聯(lián)系 所以在拆 掉進(jìn)給系統(tǒng)的同時 必須在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器 來實現(xiàn)主軸傳動和進(jìn) 給運動之間的聯(lián)系 同時 為了提高機床的精度和效率 用滾珠絲杠來代替原 機床的光杠 并且采用單獨的步進(jìn)電機來控制 這樣不僅提高了機床的性能和 精度 還提高了機床的使用性能 圖 2 1 數(shù)改 C6140 車床總體方案示意圖 24 齒 輪圖 2 車 螺 紋 及 控 制 電 路806PID光電隔離電路 主 軸 脈 沖發(fā) 生 器 主 軸1 機械部分的改造首先拆去進(jìn)給箱 溜板箱 還要對車床的床鞍進(jìn)行部分的改造 拆去縱向小拖板 橫向拖板的絲杠換成滾珠絲杠 并且由一端驅(qū)動的步進(jìn)電機來控制 2 刀架的改造C6140 普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求 所以 必須要換成數(shù)控自動刀架 二 主軸脈沖發(fā)生器 由于 C6140 普通車床的主傳動系統(tǒng)的精度及其靈活性基本滿足數(shù)改后車床精度的要求 改造后的車床既需要考慮一定的技術(shù)要求 以實現(xiàn)造價低廉 經(jīng)濟方便的要求 所以在改造時 仍然保留原有的主傳動系統(tǒng) 只是為了在車 螺紋時保證主運動與進(jìn)給運動的聯(lián)系 在原床頭 X 軸輸出端上安裝一個脈沖 發(fā)生器 發(fā)生脈沖以使步進(jìn)電機準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運動 從而 完成車削螺紋的動作 其車螺紋的控制電路如圖 2 2 所示 C6140 普通車床 在加工螺紋時 為了得到符合加工要求的螺距 就必須保證主軸和進(jìn)給之間的 聯(lián)系 但是 在數(shù)改后的車床上 由于主軸的運動與進(jìn)給運動之間沒有機構(gòu)上 的直接聯(lián)系 為了變成這些功能 就設(shè)置了主軸脈沖發(fā)生器 發(fā)出脈沖以使步 進(jìn)電機準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運動 這樣既可以解決了主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn) 車刀進(jìn)給一個螺距的動作的問題 進(jìn)而在單片機系統(tǒng)的控制下 保證這種聯(lián)系 25 的順利完成 三 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 圖 2 3 a 所示是脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖 圖 2 3 主軸脈沖發(fā)生器示意圖 脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈 聚光鏡 光柵盤 光闌板 光敏管及 其光電整形放大電路組成 光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成 玻璃表面經(jīng)過 研磨拋光后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層 透光條及用照相腐蝕法制成 在 光柵盤上刻有明暗條紋 有單條和 1024 個條兩組 當(dāng)平行光束經(jīng)過光柵盤時 在光柵盤的另一面就產(chǎn)生明暗光帶 這光帶通過一個光闌狹縫 照在對應(yīng)的光 敏管上 從而產(chǎn)生光電脈沖信號 經(jīng)斯密特電路整形后輸出 單條紋的一組產(chǎn) 生同步脈沖 每轉(zhuǎn)發(fā)一個脈沖 1024 條紋的一組通過光欄上兩個相位差 4 間距的狹縫 產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn) 1024 個脈沖組相差為 4 的脈沖序列 供給微機 處理 借以判斷主軸正 反轉(zhuǎn) 且可以從 1024 個脈沖中均勻地取出 F 個脈沖 作為中斷信號控制插補速度 實現(xiàn) F 進(jìn)給控制的目的 第三章 數(shù)改 C6140 車床傳動裝置設(shè)計 26 數(shù)控機床的傳動裝置是指將電動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整 個機械傳動鏈及其附屬機構(gòu) 包括齒輪減速器 絲杠螺母副 導(dǎo)軌 工作臺等 在數(shù)控機床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域 傳動裝置是伺機服系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié) 因 此 數(shù)控機床的傳動裝置與普通機床中傳動裝置在概念上有重要差別 故它的 設(shè)計也與普通機床傳動裝置的設(shè)計不同 數(shù)控機床傳動的設(shè)計要求除了具有較 高的定位精度外 還應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性 即系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng) 要快 穩(wěn)定性要好 為確保數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性 在設(shè) 計機械傳動裝置時 通常提出了無間隙 低磨擦 低慣量 高剛度 高諧振頻 率能及有適宜的阻尼比的要求 為了達(dá)到這些要求 采取主要措施如下 1 盡量采用低摩擦的傳動 如采用靜壓導(dǎo)軌 滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠等 以減少摩擦力 2 選用最佳的降速比 以達(dá)到提高機床分辨率 使工作臺盡可能大地 加速 以達(dá)到跟蹤指令 系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)動慣量盡量小的要求 3 縮短傳動鏈以及預(yù)緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度 如采用大扭矩寬 調(diào)速的直流電機與絲杠直接聯(lián)接 應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠副 絲 杠支承設(shè)計成兩端軸向固定的 并可用預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等辦法來提高傳動系統(tǒng)的 剛度 4 盡量消除傳動間隙 減少反向死區(qū)誤差 如采用消除間隙的聯(lián)軸器 如用加錐銷固定的聯(lián)軸套 用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓 性聯(lián)軸器等 采用有消除間隙措施的傳動副等 一 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件 滾珠絲杠 副的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖 3 1 所示 它可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動 或者 將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動 因此 滾珠絲杠副既是傳動元件 也是直線運動 與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換的元件 27 3 1 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)原理圖 一 滾珠絲杠副的工作原理 特點及類型 弧形的螺旋槽 當(dāng)它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道 螺母上有 滾珠回路管道 b 將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道 滾道 內(nèi)裝滿滾珠 當(dāng)絲杠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動 因而迫使螺母 或絲 杠 軸向移動 滾珠絲杠副的特點是 1 磨擦損失小 傳動效率高 高達(dá) 0 92 0 96 滑動絲杠為 0 2 0 40 2 螺母之間預(yù)緊后 可以完全消除間隙 傳動精度高 剛性好 3 磨擦阻力小 且?guī)缀跖c運動速度無關(guān) 動靜磨擦力之差極小 不易 產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象 保證了運動的平穩(wěn)性 4 磨損小 壽命長 精度保持性好 5 不能自鎖 有可逆性 即能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動 也能將直 線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動 可滿足一些特殊要求的傳動場合 但當(dāng)立式使用時 28 應(yīng)增加制動裝置 6 工藝復(fù)雜 成本高 國產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠副分為兩類 定位滾珠絲杠副 P 類 即通過旋轉(zhuǎn) 角度和導(dǎo)程控制軸向位移量的滾珠絲杠副 傳動滾珠絲杠副 T 類 即與旋 轉(zhuǎn)角度無關(guān) 用于傳遞動力的滾珠絲杠副 此外 滾珠絲杠副通常還可根據(jù)其特征進(jìn)行分類 如按制造方法的不同分 為普通滾珠絲杠副和滾軋滾珠絲杠副 按螺母類型式分為單側(cè)法蘭盤單螺母型 雙法蘭盤雙螺母型 圓柱雙螺母型 圓柱單螺母型 簡易螺母型及方螺母型等 按螺旋滾道型面分為單圓弧面和雙圓弧面 按滾珠的循環(huán)方式分為 外循環(huán)和 內(nèi)循環(huán)式 二 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) 目前國內(nèi)外生產(chǎn)的滾珠絲杠副 盡管在結(jié)構(gòu)上各種各樣 其主要區(qū)別是在 螺旋滾道型面的形狀 滾珠的循環(huán)方式以及軸向間隙的調(diào)整和預(yù)加載的方法等 方面 1 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 螺旋滾道型面 即滾道法向截形 的形狀有多種 常見的截形有單圓弧面 和雙圓弧型面兩種 圖 3 2 為螺旋滾道型面的簡圖 圖中鋼球與滾道表面接 觸點處的公法線與螺紋軸線的垂線間的夾角稱為接觸角 理想接觸角 45 29 3 2 滾珠絲杠副螺旋滾道型面的形狀 a 單圓弧 b 雙圓弧 1 型面 如圖 3 2 a 所示 通常滾道半徑 rn 稍大于滾珠半徑 rw 通常 2rn 1 04 1 11 D w 對于單弧型面的螺紋滾道 接觸角 是隨軸向負(fù) 荷 F 的大小而變化 當(dāng) F 0 時 0 承載后 隨 F 的增大 的大小由接 觸變形的大小決定 當(dāng)接觸角 增大后 傳動效率 Ed 軸向剛度 Rc 以及承 載能力隨之增大 2 圓弧型面 如圖 3 2 b 所示 滾珠與滾道只在內(nèi)相切的兩點接 觸 接觸角 不變 兩圓弧交接處有一小空隙 可容納一些臟物 這對滾珠 的流動有利 單圓弧型面 接觸角 是隨負(fù)載的大小而變化 因而軸承剛度和承載能 力也隨之而變化 應(yīng)用較少 雙圓弧型面 接觸角選定后是不變的 應(yīng)用較廣 2 絲杠副的循環(huán)方式 常用的循環(huán)方式有兩種 滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外 循環(huán) 始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán) 30 圖 3 3 插管式外循環(huán)方式原理圖 1 壓板 2 彎管 回珠管 3 螺母 4 滾珠 1 外循環(huán) 外循環(huán)多用螺旋槽式和插管式 圖 3 3 所示為常用的插管 式 被壓板 1 壓住的彎管 2 的兩端插入螺母 3 上與螺紋滾道相切的兩個孔內(nèi) 引導(dǎo)滾珠 4 構(gòu)成循環(huán)回路 特點是結(jié)構(gòu)簡單 制造方便 但徑向尺寸較大 彎 管端部容易磨損 若不用彎管 在螺母 3 的兩個孔內(nèi)裝上反向器 引導(dǎo)滾珠通 過螺母外表面的螺旋凹槽形成滾珠循環(huán)回路 則稱為螺旋槽式 其徑向尺寸較 小 工藝也較簡單 外循環(huán)式使用較廣 其缺點是滾道接縫處很難做得平滑 影響滾珠滾動的平穩(wěn)性 2 內(nèi)循環(huán) 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán) 反向器有兩種型式 如圖 3 4 a 所示為圓柱凸鍵反向器 反向器的圓柱部分嵌入螺母內(nèi) 端部開 有反向器槽 2 反向槽靠圓柱外圓面及其上端的凸鍵 1 定位 以保證對準(zhǔn)螺紋 滾道方向 圖 3 4 b 為扁圓鑲塊反向器 反向器為一半圓頭平鍵形鑲塊 鑲 塊嵌入螺母的切槽中 其端部開有反向槽 3 用鑲塊的外廓定位 兩種反向器 比較 后者尺寸較小 從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸 但這種 反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高 31 圖 3 4 內(nèi)循環(huán)方式原理圖 1 凸鍵 2 3 反向器 內(nèi)循環(huán)反向器和外循環(huán)反向器相比 其結(jié)構(gòu)緊湊 定位可靠 剛性好 且 不易磨損 返回滾道短 不易發(fā)生滾珠堵塞 磨擦損失也小 其缺點是反向器 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 制造困難 且不能用于多頭螺紋傳動 由于滾珠在進(jìn)入和離開循環(huán)反向裝置時容易產(chǎn)生較大的阻力 而且滾珠在 反向通道中的運動多屬前珠扒后珠的滑移運動 很少有 滾動 因此滾珠在 反向裝置中的摩擦力矩 M 反 在整個滾珠絲杠的摩擦力矩 Mt 中所占比重較大 而不同的循環(huán)反向裝置由于回珠通道的動軌跡不同 以及曲率半徑的差異 因 而 M 反 Mt 值較小 二 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機經(jīng)減速驅(qū)動絲杠 螺母固定在溜板 箱上 帶動刀架左右移動 步進(jìn)電機的布置 可放在絲杠的任意一端 對車床 改造來說 外觀不必象產(chǎn)品設(shè)計要求的那么高 而從改造方便 實用方面來考 慮 一般都把步進(jìn)電機放在縱向滾珠絲杠的左端 一 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 電機初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r min 進(jìn)給速度 Vmax 4m min 根據(jù) 機械設(shè)計手冊 可知 32 hP maxin V 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 mm h Vmax 絲杠的最大移動速度 mm min nmax 絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速 r min i 傳動比 則 mPh13 250 14 所以根據(jù)滾珠絲杠基本導(dǎo)程的基本系列可在 機械設(shè)計手冊 中查到 Ph 選 Ph 6mm 已知條件 工作臺重量 W 95kgf 950N 步距角 0 75 setp 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L0 6mm 行程 S 1000mm 脈沖當(dāng)量 快速進(jìn)給速度 4m minmaxV 切削力計算 由 機床設(shè)計手冊 可知 切削功率 cNK 式中 N 電機功率 查機床說明書 N 7 5kw 主傳動系統(tǒng)總效率 一般為 0 6 0 7 取 0 65 K 進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù) 取為 K 0 96 則 7 5 0 65 0 96 4 68kwcN 1 pset 33 又因為 6120vFNzc cz 式中 切削線速度 取 150m min vv 主切削力 N 4 190568 120 zF 由 金屬切削原理 可知 主切削力 FZZYXZpCafK 式中 切削深度 mm 進(jìn)給量 mm r paf 總修正系數(shù) FZK 從 機床設(shè)計手冊 中可得知 在一般外圓車削時 0 1 6 XZF 0 15 7 YZF 取 0 5 1909 44 954 72N 5XZ 0 6 1909 44 1145 664N 0 6YF 二 滾珠絲杠設(shè)計計算 根據(jù) 經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計 可知 綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力 XZPKFfW 式中 為 X Z 方向上的切削力 XFZ 34 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) W 為工作臺的重量 f K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù) 其中 K 1 15 0 15 0 18 取為 0 16 f 則 P 1 15 954 72 0 16 1909 44 950 1555 45N 1 計算 壽命值 iL6 01inT 為滾珠絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速 使用壽命時間 h in i 由以上條件 可以確定步進(jìn)電機與滾珠絲杠齒輪之間的傳動比 1 25 p Li 360 75601 由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動 所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為 maxn 1i 電 機 5 min20 in 2rr 由 機械設(shè)計手冊 可知 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 在 之間變化時 iaxin與 maxin2in 取 為 1r min min 則 1206 5 ininr 取 600 in r 35 則 轉(zhuǎn) 6 0150Li 641 最大動負(fù)載 3iWHQLPf 其中 P 滾珠絲杠的軸向力 壽命值 i 運動系數(shù)