【正文】 前臺加工后臺編輯的前后臺功能，使數(shù)控機(jī)床的利用率得到更大的發(fā) 揮。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前 CAD被彈入圖形交互式自動(dòng)編程已 得到應(yīng)用，它是利用 CAD繪制的零件加工圖樣，自動(dòng)生成 NC零件加工程 序，實(shí)現(xiàn) CAD與 CAM的集成。隨著 CIMS技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了 CAD/CAPP/CAM集成的全自動(dòng)編程方式，它與 CAD/CAM系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必有人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得。另外，還出現(xiàn)了測量、編程、加工一體化系統(tǒng)。 它是通過激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標(biāo)測量機(jī)等對樣機(jī)零件進(jìn)行測量，并把所測得數(shù)據(jù)直接送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，一方面通過 CAD系統(tǒng)而獲得樣機(jī)零件圖樣，另一方面通過數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，將其處理生成 NC加工程序，然后通過通信 接口送入數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行控制自動(dòng)加工。 更高的可靠性 數(shù)控機(jī)床工作的可靠性是用戶最關(guān)注的主要指標(biāo)，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動(dòng)單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個(gè)方面采取措施。 (1) 提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量 .采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模 和超大規(guī)模的專用機(jī)混合式集成電路，以減少元器件 的數(shù)量，精簡外部連 線和降低功耗，對元器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選，采用高質(zhì)量的多層印制電路板， 實(shí)行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過必要的老化、振動(dòng)等有關(guān)考機(jī)試驗(yàn)。 (2) 模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種 控制功能的要求，同時(shí)采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，既提高了 硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。 (3) 增強(qiáng)故障自診斷、自恢復(fù)和保護(hù)功能。通過自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)診斷、 在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種 外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。利用報(bào)警提示，及時(shí)排除故障 。利用容錯(cuò) 技術(shù)， 對重要部件采取冗余設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)故障自恢復(fù) 。利用各種測試、監(jiān) 控技術(shù)，當(dāng)產(chǎn)生超程、刀損、干擾、斷電等各種意外事件時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行相 應(yīng)的保護(hù)。 機(jī) 床數(shù)控化改造的必要性 從微觀上看數(shù)控機(jī)床相對傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性。這些優(yōu)越性 均來自 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的特性。 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床無法加工的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由 于計(jì)算機(jī)可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)量，就可以復(fù)合成復(fù)雜 的曲線和曲面。 (2) 可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，且是柔性自動(dòng)化，效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高 37倍。計(jì)算機(jī)可以將輸入的程序記憶和存儲， 然后按程序規(guī)定的順序 自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。傳統(tǒng)機(jī)床可以靠凸輪或擋塊等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化， 稱之為剛性自動(dòng)化。但凸輪制造及調(diào)整比較費(fèi)時(shí)，只有進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)才經(jīng)濟(jì)合理。而數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng) 化，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動(dòng)化，稱之為“柔性自動(dòng)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”。加工過程自動(dòng)化，不受人的情緒高低和疲勞因素的影響。計(jì)算機(jī)還 可以自動(dòng)進(jìn)行刀具壽命管理，不會(huì)因?yàn)榈毒吣p而影響工件精度和一致性。此外數(shù)控系統(tǒng)中增加了機(jī)床誤差、加工誤差修正補(bǔ) 償?shù)墓δ?，使加?精度得到進(jìn)一步提高。 (4) 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)是自動(dòng)化 帶來的效果 (可以自動(dòng)更換刀具 )。如加工中心在工件裝夾后，可實(shí)現(xiàn)鉆、 銑、鏗、攻絲、擴(kuò)孔等多工序的加工。現(xiàn)在己出現(xiàn)其他工序集中的機(jī)床、 如車削中心、車銑中心、磨削中心等。 (5) 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可 實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人加工。在配備多種傳感器條件下，工人只工作 8小時(shí)，而 機(jī)床可工作 24小時(shí)，勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)周期的縮短等效益是非常 明顯的。 此外，機(jī)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) )等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。 從宏觀上看工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)在 70年代末、 80年代初己開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)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(jī)械工業(yè) )的技術(shù)改造，除采用數(shù)控機(jī)床外、還包括推行 CAD, CAE,CAM及 MIS(管理信息系統(tǒng) )、 CMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) )。以及在其產(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(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造 (稱之為信息化 )，最終使得產(chǎn)品在國際軍品和 民品的市場上競爭力大為增強(qiáng) ，而我國在信息 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā) 達(dá)國家落后約 20年，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上 說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。 從 20世紀(jì) 80年代開始，我國的數(shù)控機(jī)床在引進(jìn)、消化國外技術(shù)的基 礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，到 1995年底，我國數(shù)控機(jī)床的可供品種己超過 300種，其中數(shù)控車床占 40%以上。但是大型臥式銼銑床由于其精度高，加工零件曲線的不規(guī)則，對數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面要求都高， 目前國內(nèi)的大部分均采用昂貴的進(jìn)口設(shè)備。 本文所研究的主要內(nèi)容 1）根據(jù)數(shù)控化改造后車床所具備的功能， 制訂了車床總體改造方案，并繪制了改造后車床總體布置圖； 2）為使改造后的車床主軸能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等功能，本次改造采用了變頻器驅(qū)動(dòng)主電機(jī)的方式，本文對主軸變頻器的選用做了相應(yīng)的說明； 3）為使改造后的車床能夠加工螺紋，改造時(shí)，拆除原來的掛輪架部分，在機(jī)床Ⅹ軸伸出端安裝主軸脈沖編碼器，本文對脈沖編碼器的安裝方法作了簡要論述； 4）在電氣改造方面，設(shè)計(jì)了車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路圖，橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型也作了詳細(xì)闡述； 5）在機(jī)械改造方面，對縱橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)，特別是滾珠絲杠螺母副作了詳 細(xì)設(shè)計(jì)研究，并對數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架的安裝和選用作了介紹； 6）在軟件設(shè)計(jì)方面，對 MCS51 單片機(jī)做了簡要的介紹，并在 8031 單片機(jī)的基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的程序。 第二章 機(jī)床改造的任務(wù)及總體思想 機(jī)床改造的總體任務(wù) 將一臺 C61432 普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下： （ 1）床身上最大加工直徑 320mm； （ 2）最大加工長度 1000mm； （ 3） X 方向（橫行）的脈沖當(dāng)量 ,Z 方向（縱向）的脈沖當(dāng)量 沖； （ 4） X 方向最快移動(dòng)速度 vmax3000mm∕ min， Z 方向?yàn)?vmax6000mm∕ min； （ 5） X 方向最快工進(jìn)速度 vmax400mm∕ min， Z 方向?yàn)?vmax800mm∕ min； （ 6） X 方向定位精度 177。 ， Z 方向定位精度 177。 ； 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) （ 7）可以車削柱面，平面，錐面與球面等； （ 8）安裝螺紋編碼器，可以車削公 /英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程為 24mm； （ 9）主動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無極變速信號； （ 10）安裝四工位立式電動(dòng)刀架，系統(tǒng)自動(dòng)控制選刀； （ 11）自動(dòng)控制冷卻泵的起與停； （ 12）安裝電動(dòng)卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊 與松開； （ 13）縱，橫安裝限位開關(guān)； （ 14）數(shù)控系統(tǒng)可與 PC 機(jī)串行通信； （ 15）顯示界面采用 LED 數(shù)碼管，編程采用 ISO 數(shù)控代碼。 機(jī)床改造的總體任務(wù) 總 體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行方式，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型，數(shù)控系CPU 的 選 擇 ， 以 及 進(jìn) 給 傳 動(dòng) 方 式 和 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 選 擇 等 。 （ 1） 普通數(shù)控車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)，圓弧 插 補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 （ 2）普通數(shù)控 車床數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)系統(tǒng)。 （ 3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸，最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用 MCS51 系列的 8 位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。 MCS51系列 8 位機(jī)具有功能多，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性 /價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn) （ 4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路， I∕ O 接口電路， D∕ A 轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流 變頻器。 （ 5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱，橫向進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選擇摩擦力小，傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) （ 6）計(jì)算選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。 （ 7）選擇四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架與電動(dòng)卡盤，選擇螺紋編碼器等。 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定 伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)： 開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置的控制 指令直接通過驅(qū)動(dòng)裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成刀架或工作臺的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋校正，位移精度一般不高，但其控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜。 閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測裝置安裝在機(jī)床刀架或工作臺等執(zhí)行部件上，用以直接檢測這些執(zhí)行部件的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），并將其與 CNC 裝置的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行控制。但是，由于很多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)包含在閉環(huán)控制的環(huán)路中，各部件的摩擦性，剛性等都是非線性量，直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)速都有很大難 度。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度要求高的場合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電機(jī)或者絲杠的端頭，通過測量伺服電機(jī)的角位移間接計(jì)算出機(jī)床工作臺等執(zhí)行部件的實(shí)際位置（或位移），然后進(jìn)行反饋控制。由于將絲杠螺母副及機(jī)床工作臺等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補(bǔ)償他們的運(yùn)動(dòng)誤差，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調(diào)試比較方便、價(jià)格也較全閉環(huán)系統(tǒng)便宜。 本次改造由于使用步進(jìn)電機(jī)，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng)。 主軸無級變速的實(shí)現(xiàn) C6132車床的主軸變速為手動(dòng)、有 級變速?？紤]到數(shù)控車床在自動(dòng)加工的過程中負(fù)載切削力隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，為了保證工件表面加工質(zhì)量的一致性、提高工件加工質(zhì)量，主軸要能實(shí)現(xiàn)恒切削速度切削。這就要求主軸能實(shí)現(xiàn)無級變速。目前實(shí)現(xiàn)無級變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式，同時(shí)保留原 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 有的主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣既保留了車床的原有功能，又減少了改造量；其二是用雙速或者是四速電動(dòng)機(jī)替代原有車床的主電動(dòng)機(jī)。由于多速電機(jī)的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以要選擇功率較大一些的電動(dòng)機(jī)，隨之電動(dòng)機(jī)的尺寸也變大了，機(jī)床改造相對較麻煩，另外在這種改造方 式下，主傳動(dòng)系統(tǒng)也要拆除并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這樣可以得到加工精度和穩(wěn)定性更高的車床，但是加大了改造成本。 考慮到改造的成本，我決定采用第一種方式，這樣可以利用原車床的三相異步電動(dòng)機(jī)。即由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸無級變速。 交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率，電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù) nfp以及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系式為： ? ?sp fn ?? 160 對于 C6132，電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率是定值，因此利用變頻器改變電源頻率 fn即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 另外，變頻器能方便地與數(shù)控系統(tǒng)連接，控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止。 變頻器的控制方式主要有 U／ f恒定控制方式、無反饋矢量控制方式和有反饋矢量控制方式。數(shù)控車床除了在車削毛坯時(shí)，負(fù)荷大小有較大變化外，以后的車削過程中，負(fù)荷的變化通常是很小的。因此，就切削精度而言，選擇 U／ f恒定控制方式是能夠滿足要求的。但在低速切削時(shí)，需要預(yù)置較大的 U／ f，在負(fù)載較輕的情況下，電動(dòng)機(jī)的磁路常處于飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流較大。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。數(shù)控車床屬于高精度、快響應(yīng)的恒功率負(fù)載加工設(shè)備，應(yīng)盡可能選用矢量控制高性能型 通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。有反饋矢量控制方式雖然是運(yùn)行性能最為完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，不但增加了費(fèi)用，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對加工精度有特殊要求，一般沒有必要選擇此種控制方式。 目前，無反饋矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在 0． 5Hz時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。所以，完全可以滿足主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的要求。而且無反饋矢量控制方式能夠克服 U／ f控制方式的缺點(diǎn)，因此可以說，是一種最佳選擇。