【正文】 2) 我國工廠由于缺乏設(shè)計的科學(xué)分析工具 (如分析和評價軟件、整機結(jié)構(gòu)有限元分析方法以及機床性能測試裝置等 ),自行開發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗和類比設(shè)計 ,使設(shè)計一次成功的把握性降低 ,往往需要反復(fù)試制才能定型 ,從而可能錯過新產(chǎn)品推向市場的良機。 (3) 用戶根據(jù)使用需要 ,在訂貨時往往提出一些特殊要求 ,甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)時有的用戶臨時提出一些要求 ,這就需要迅速變型設(shè)計和修改相應(yīng)的圖紙及技術(shù)文件。在國外 ,這項修改工作在計算機的輔助下一般僅需數(shù)天至一周 ,而在我國機床廠用手工操作就至少需 1～ 2個月 ,且由于這些圖紙和文件涉及多個部門 ,常會出現(xiàn)漏改和失誤的現(xiàn)象 ,影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期。 (4) 現(xiàn)在我國工廠設(shè)計和工藝人員中青年占多數(shù) ,他們的專業(yè)知識和實際經(jīng)驗不足 , 又擔負著開發(fā)的重任。 (5)由于長期以來形成的設(shè)計、工藝和制造部門分立 ,缺乏有效的協(xié)同開發(fā)的模式 ,不能從制訂方案開始就融入各方面的正確意見 ,容易造成產(chǎn)品的反復(fù)修改 ,延長了開發(fā)的周期。 為解決這些問題 ,必須對產(chǎn)品開發(fā)的整個過程綜合應(yīng)用計算機技術(shù) ,發(fā)展優(yōu)化和仿真技術(shù) ,提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能 ,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使設(shè)計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產(chǎn)品虛擬開發(fā)環(huán)境 ,使用相應(yīng)的產(chǎn)品虛擬開發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產(chǎn)品開發(fā)的落后局面 ,使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟效益。 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 3 頁 機床數(shù)控化改造的必要性 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 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 ～ 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%，F(xiàn)MC/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）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?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，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機床改造成經(jīng)濟型數(shù)控機床，這種做法具有投資少、見效快的特點。事實證明 ：用較少的資金，將普通機床改造升級為數(shù)控機床，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 4 頁 第 2 章 總體設(shè)計方案的擬定 要求將 CA6140 臥式車床改造成用廣數(shù)系統(tǒng)控制的經(jīng)濟型數(shù)控機床，采用伺服電動機半閉環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓弧查補功能。要求該車床增配自動回轉(zhuǎn)刀架和主軸編碼器，具有螺紋切削的功能。系統(tǒng)橫向分辨率達 。 設(shè)計參數(shù) 1） 機床最大加工直徑：在床身上 400mm，在床鞍上 210mm。 2） 最大加工長度： 100mm。 3） 拖板及刀架重力：縱向： 1000N，橫向： 600N。 4） 刀架快移速度 maxv ：縱向： 2m/min，橫向： 1m/min。 5） 最大進給速度：縱向： ，橫向： 。 6） 定位精度： ? 。 7） 主軸電機功率： 。 8） 啟動加速時間： 30ms。 9） 最小分辨率：縱向： ，橫向： 。 總體方案的確定 （ 1）系統(tǒng)的運動方式和伺服控制系統(tǒng)的選擇。由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、米 /英制螺紋加工 等功能，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計要求，采用伺服電機半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 2）計算機 控制系統(tǒng)的 選擇。根據(jù)設(shè)計要求 控制系統(tǒng)采用 GSK980TA1系統(tǒng)。 GSK980TA1 是 GSK980 系列的最新產(chǎn)品之一，采用了 32位嵌入式 CPU和超大規(guī)模可編程器件 FPGA，運用實時多任務(wù)控制技術(shù)和硬件插補技術(shù)，實現(xiàn) μm 級精度的運動控制，確保高速、高效率加工。在保持 980 系列外形尺寸及接口不變的前提下，采用 7英寸彩色寬屏 LCD 及更友好的顯示界面，加工軌跡實時跟蹤顯示，增加了系統(tǒng)時鐘及報警日志。 在操作編程方 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 5 頁 面，采用 ISO 國際標準數(shù) 控 G代碼，同時兼容日本發(fā)那科（ FANUC）數(shù)控系統(tǒng)，國內(nèi)主流的編程方式，方便操作者更快、更容易使用本系統(tǒng)。 GSK980TA1 以最高的集成度、簡易的操作、簡單的編程命令，實現(xiàn)高速、高精及高可靠性，可匹配手脈（電子手輪）及手持單元、伺服主軸、六鑫刀架（帶就近換刀）等，具有中高性能數(shù)控系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的價格，是經(jīng)濟型數(shù)控車床的最佳選擇。 其特點如下： ① 程序預(yù)讀功能實現(xiàn)了切削速度最佳的加 /減速控制 系統(tǒng)預(yù)測控制可預(yù)讀多個加工程序段，實現(xiàn)了切削速度最佳的加 /減速控制，從而有效 地減少了工件形狀的轉(zhuǎn)角處或小半徑圓弧的伺服跟蹤誤差，并有效地提高加工速度和加工精度。 ② 彩色寬屏 LCD 有更大的視覺范圍，更豐富的顯示內(nèi)容 車載視頻彩色 LCD的采用，使顯示界面更豐富、更友好，視覺范圍更大，在較強光線的環(huán)境下仍能清晰看到系統(tǒng)顯示的內(nèi)容。 ③ 倒角 /倒圓角 在程序中直接指令倒角長度或倒圓角的半徑等尺寸，簡化了部件加工程序的編制。 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 6 頁 ④ 具有輔助軸功能，可控制伺服電機進行定位 匹配伺服主軸 GSK DAP03 時通過速度或位置模式的轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)及對主軸的精確定位與分度。 ⑤ 加工 軌跡圖形顯示功能 反映工件坐標和刀具補償?shù)牡都廛壽E，進行跟蹤顯示。 ⑥ 超大容量存儲器 。 超大容量存儲器， 26M的存儲空間，最大 500 個加工程序，滿足多品種、多規(guī)格產(chǎn)品的加工需求。（一般數(shù)控系統(tǒng)的存儲空間≤100K ，程序數(shù)量 ≤100 個。） 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 7 頁 （ 3）機械傳 動方式。為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用齒輪絲杠的減速方法；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副取代原車床絲杠；為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)；齒輪傳動也采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟型數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示： 圖 21 經(jīng)濟型數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)框圖 改造后機床的特點 (1)具有與原機床一致的剛度與強度 . (2)具有與原機床一致的加工范圍。 (3)縱向進給直線度與原機床一樣，其運動精度則有數(shù)控 系統(tǒng)和縱向電機、滾珠絲杠的精度保證。 (4)橫向進給的直線度和運動精度全部有改造部分的制造和裝配精度保證。 (5)可充分利用機床床身部分的已加工表面作為改造部分的定位和測量基準。 (6)改造后的機床外型將類似于國產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控車床，整體較美觀、大方。 光電 隔離 功率 放大 光電 隔離 功率 放大 微 機 伺服 電動機 Z 向 伺服 電動機 X 向 床鞍及拖板 中滑板 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 8 頁 第 3 章 數(shù)控系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計 由于本車床經(jīng)改造后成為一臺專用數(shù)控車床，專用于加工車削軸類、盤類零件，因而用廣數(shù) GSK980TA1 控制系統(tǒng)實現(xiàn)本數(shù)控系統(tǒng)功能。 數(shù)控系統(tǒng)的特點 機床數(shù)控系統(tǒng) (CNC 系統(tǒng) )是數(shù)控機床的控制核心，隨著機床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進 步，提高了 數(shù)控機床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著 。 現(xiàn)在，數(shù)控機床已在機械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 目前市場上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如 FANUC、西門子、 GSK980 等都配置有車床數(shù)控系統(tǒng)，能夠勝任車、削加工的大部分工作，并具有價格低廉、可靠性強、功能強大等特點。在對多家數(shù)控系統(tǒng)進行比較后 。 選擇了 GSK980TA1型數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機床應(yīng)能長期連續(xù)加工，其數(shù)控系統(tǒng)必須能夠長期無故降連續(xù)運行。為保證機床長期可靠地運行，數(shù)控系統(tǒng)必須有抵抗惡劣環(huán)境的高可靠運行特性。 常年的工作考臉證明 GSK980TA1 系統(tǒng)是可靠的數(shù)控系統(tǒng)之一，它能在一般車間環(huán)境下運行。其工作場地的室溫為 0～ 45℃ ，相對濕度 75%短時可達 95%,抗震為 ，電網(wǎng)電壓波動為 10%～ 15%,經(jīng)對使用中系統(tǒng)的實際統(tǒng)計， GSK980TA1 系統(tǒng)的故障率為 ，比較好地滿足了我國市場的要求。 GSK980TA1 系統(tǒng)之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素： (1)可靠的高質(zhì)量的元器件及良好的老化篩選工藝。 (2)大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片： GSK980TA1系統(tǒng)采用了許多由富士通公司制 造的高度集成的專用功能芯片。 (3)全自動化工廠生產(chǎn)制造：多層印刷板的制板、元件的插裝、焊接、印刷板的檢查、系統(tǒng)的組裝、電機投料、沖片、精鑄、機械加工、裝配、成品的包裝出廠全部為自動化，這就使得在生產(chǎn)過程中避免了外界 (人 )的不穩(wěn)定因素的干預(yù)。所以產(chǎn)品的一致性好，增加了可靠性。 (4)良好的控制軟件設(shè)計： GSK980TA1系統(tǒng)經(jīng)過在國內(nèi)各地數(shù)年的運行，積累了豐富的數(shù)據(jù)，因此在軟件設(shè)計時考慮了可能出現(xiàn)的各種故障情況，加 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 9 頁 入了許多保護和提高可靠性的措施，如開機和狀態(tài)切換時的層層檢側(cè)、過壓、過流、反饋斷線等報警，使得 機床運行中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能及時處理，從而 避免 了元部件的損壞。 (5)數(shù)字式進給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動：數(shù)字控制、數(shù)據(jù)的串行傳輸大大提高了運行的可靠性。主軸控制信號的傳送使用光纜，使信號 減少 受外界 來的 干擾。 硬件設(shè)計 采用 CISC（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的 GSP主板，主板上連接可插接 (分離的 )小模板。對于數(shù)控系統(tǒng)，由于其是弱電電路，如果采用 +24VDC 為電源輸入，可以大大降低其熱源和不穩(wěn)定因素。用戶可以把 +24V 穩(wěn)壓電源放在電氣柜內(nèi)，從而大大提高了整個數(shù)控系統(tǒng)的可命性能。 GSK980TA1 系統(tǒng)的可靠性 好，性能 /價格比高，在全國各地己銷售 10余萬臺。隨著大規(guī)棋集成電路芯片的發(fā)展， GSK980TA1 系統(tǒng)的破件結(jié)構(gòu)已經(jīng)改進過多次。目前銷售的 TA1和 TD，其硬件結(jié)構(gòu)基本一樣，只是控制軸數(shù)不同，所配置的進給軸驅(qū)動電機不同。 GSK980TA1 系統(tǒng)的 CNC 單元為大板結(jié)構(gòu)?；九渲糜兄靼?、存儲器板、I/O 板、伺服軸控制板和電源。各板插在主板上，與 CPU 的總線相連。 (1)主板 主 CPU 在該板上。主 CPU 用于系統(tǒng)主控，原來用 80386，從 1998 年起改用 80486/DX2。此外，顯示的 CRT 控制也在該板上。 (2)存儲 器板 該板上有： ① 系統(tǒng)的控制軟件 ROM(共 5 片 )。 GSK980TA1系統(tǒng)可控制車床。不同類型的機床控制軟件不同； ② 伺服控制軟件 ROM 1 片； ③ PMCL的 ROM 芯片 2 片 ， 用于存儲機床的強電控制邏輯程序； ④ RAM 芯片，用于寄存 CPU 的中間運算數(shù)據(jù)，根據(jù)需安裝； ⑤ COMSRAM，用于存儲系統(tǒng)和機床參數(shù)、零件加工程序，根據(jù)用戶要求配置，最大可為 128K 字節(jié)。 CMOSRAM 與 電池相連，關(guān)機時保存信息。 (3)I/O 板 該板是 CNC 單元與機床強電柜的接口，接收或輸出 24V 直流信號，由 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 10 頁 PMC 實施輸入 /輸出控制 ， I/O 點數(shù)可根據(jù)機床的復(fù)雜程度選擇，標準配置為 104 個輸入點， 72個輸出點。 (4)進給伺服控制板 GSK980TA1 系統(tǒng)全部用數(shù)字式交流伺服控制。其控制板裝在 CNC 單元內(nèi)，插在主板上，即 CNC 單元與進給伺服為一體化設(shè)計。伺服板上有 2 個CPU(TMS320)，用于伺服的數(shù)字控制。每個 CPU控制 2個軸，一塊板可控制4 個軸。該板接受主 CPU 分配的伺服控制指令，輸出 6 個相位各差 60176。 的脈寬調(diào)制信號 (每軸 )，加于各軸的伺服驅(qū)動的功率放大器上。 TD 系統(tǒng)為 4軸 (最大配里 )控制， 2軸聯(lián)動，只用一塊伺服板。 (5)電源 主要有 5V 直流電，用于各板的供電。 24V直流電，用于單元內(nèi)各繼電器控制。除上述這些板外，還有圖形控制板、 PMCM板、遠程緩沖器 (REMOTE BUFFER)板，這些板用戶可根據(jù)自身要求選訂。 (6)PLC 功能的內(nèi)部集成 PLC功能的內(nèi)部集成化，提高了 PLC 和 CNC的內(nèi)部通訊能力，增強了機床的邏輯控制， PLC 的 32 輸入和 24輸出模塊，可以和外圍的電路相連接，而這種模塊，通過陽 M 提供的電纜和剛 M 數(shù)控系統(tǒng)連接。這就提高了整個機床的可靠性。同時又提高了數(shù)控系統(tǒng)的保護 (如果有間題，只能損壞這種模塊，不會對數(shù)控系