【正文】 機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造已是個(gè) “ 永恒 ” 的課題。 我國(guó)的機(jī)床改造業(yè)，也 是 從老的行業(yè)進(jìn) 入 到以數(shù)控技術(shù)為主 的 新行業(yè)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值： （ 1）節(jié)省資金。機(jī)床的數(shù)控 化 改造同購(gòu)置新機(jī)床相比一般可節(jié)省 60％左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購(gòu)置費(fèi)的 1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改 造升級(jí)也只需花費(fèi)購(gòu)買新機(jī)床 60％的費(fèi)用，并可以有效地利用現(xiàn)有地基。 （ 2）機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，但結(jié)構(gòu)受限 。 所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來(lái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。 （ 3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3～ 5 倍。對(duì)復(fù)雜零件而言 ， 難度越高功效 就 提高得越多。且可以不 用 或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用，而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。 （ 4） 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修 。 購(gòu) 買新設(shè)備時(shí)，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(jì)算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對(duì)機(jī)床的特性早已熟悉了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見(jiàn)效快。改造的機(jī)床， — 安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造 業(yè) 技術(shù)的核心技術(shù)，它的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的水平和綜合國(guó)力的強(qiáng)弱，具有超越其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的戰(zhàn)略物資地位。目前我國(guó)企業(yè)機(jī)械制造整體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距。由于我國(guó)企業(yè)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，企業(yè)承受不了巨額 購(gòu)置費(fèi)，且易受國(guó)外的控制，另外 我國(guó) 數(shù)控機(jī)械設(shè)備維修力量薄弱，進(jìn)口的備件維修成本高，設(shè)備完好率低，目前大部分進(jìn)口的早期機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)崩潰，有的甚至在進(jìn)口后還沒(méi)有使用就已因?yàn)楦鞣矫嬖蚨鴪?bào)廢不能使用了，不得不重復(fù)引進(jìn)。因此目前我國(guó)企業(yè)機(jī)床數(shù)控化比例極低，不到 5％，各企業(yè)使用的 機(jī)械加工 設(shè)備絕大部分仍為傳統(tǒng) 的 老式機(jī)床，很難滿足企業(yè)高技術(shù)產(chǎn)品北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 3 的生產(chǎn)質(zhì)量保證和生產(chǎn)效率要求。 為節(jié)約資金、降低成本，最大限度地充分發(fā)揮老式傳統(tǒng)機(jī)床的功效和潛在價(jià)值，將大批傳統(tǒng)老式機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床無(wú)疑是機(jī)床設(shè)備更新?lián)Q代的一種必要途徑和企業(yè) 升級(jí)發(fā)展、上檔次創(chuàng)品牌的必然趨勢(shì)。 北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 4 第 2 章 機(jī)床 數(shù)控 化 的機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 機(jī)床 數(shù)控 化 改造方案的種類 利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的 數(shù)控 化改造通常有兩種方法：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制系統(tǒng) ； 另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需要重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)控制系統(tǒng)，比較簡(jiǎn)單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)控制系統(tǒng)通常采用單片機(jī)或 PC 機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及專用控制程序組成的開(kāi)環(huán)控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過(guò)程一般 是由單片機(jī)或PC 機(jī)按照輸入的加工程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制（或插補(bǔ)運(yùn)算），由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大后，驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)、縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 因此在本文中選用第二種改造方案。 圖 21 數(shù)控系統(tǒng)的總體框架配置圖 如圖 21 所示為 機(jī) 床 數(shù)控 化 改造方案框架配置圖。其方案說(shuō)明如下： （ 1） PC 機(jī)可采用工控 PC 機(jī)，以滿足該控制系統(tǒng)的控制要求。 （ 2）運(yùn)動(dòng)控制卡。采用 PCL 運(yùn)動(dòng)控制卡。該卡是一種高速三軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，它有 16 位的數(shù)字輸入 /輸出口，可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)。因此，它可以滿足 機(jī) 床 X，Z 軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線，圓弧插補(bǔ)。 （ 3）光電耦合電路自行設(shè)計(jì)，它的作用是能夠隔離外部干擾信號(hào)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡鍵盤 鼠標(biāo) 其他文件 輸入設(shè)備 PC 機(jī) 光電耦合電路 X 軸步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 Z 軸步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 主軸變頻器 編碼器 運(yùn)動(dòng)控制卡 X 軸絲杠 Z 軸絲杠 機(jī)床主軸 機(jī)床主軸 減速開(kāi)關(guān) 零位開(kāi)關(guān) 限位開(kāi)關(guān) 北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 5 的信號(hào)沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （ 4） 機(jī) 床本體是由 普通 機(jī) 床改造而來(lái)，拆除原來(lái)的絲杠，溜板箱，變速箱等，保留原來(lái)的三爪卡盤等。 （ 5）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器足采用 外購(gòu)的 定型產(chǎn)品。驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓為 45V，考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和絲杠的螺距，本系統(tǒng) X 軸的脈沖當(dāng)量是 mm， Z 軸的脈沖當(dāng)量是 mm。完全能夠達(dá)到 的加工精度要求。 （ 6）各種限位開(kāi)關(guān)，減速開(kāi)關(guān)，回零開(kāi)關(guān)均安裝在機(jī)床本體上，限位開(kāi)關(guān)是起工件加工時(shí)的行程限位保護(hù)作用，當(dāng) 機(jī) 床加工工件超出加工范圍時(shí)， 機(jī) 床自動(dòng)停止加工。減速及回零開(kāi)關(guān)的作用是當(dāng) 機(jī) 床刀架回零并走到 機(jī) 床零點(diǎn)附近時(shí)，減速及回零 開(kāi)關(guān)被開(kāi)啟并控制 機(jī) 床減速走到零位置，保證回零精度要求。 我國(guó)作為機(jī)床大國(guó)，如果把絕大多數(shù)傳統(tǒng)的落后機(jī)床，都改用先進(jìn)的微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化改造，將會(huì)適應(yīng)多品種，小批量、復(fù)雜零件加工的需求，不但能提高機(jī)加精度和生產(chǎn)率，而且 會(huì)減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，特別適合于我國(guó)國(guó)情。采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)如圖 22 所示，這是一種實(shí)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造方案。 圖 22 機(jī)床 數(shù)控 化 的改造方案組成框圖 數(shù)控 化 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇 數(shù)控 化 系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)類型，改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體需求情況進(jìn)行選擇。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、功率步進(jìn)電動(dòng)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)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 6 通過(guò)齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部 件。只要控制指令脈沖的數(shù)量，頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移量、速度和運(yùn)動(dòng)方向。這種系統(tǒng)不需要將所測(cè)得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移精度，齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。 該系統(tǒng)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。 光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對(duì)環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度、更快的速度、驅(qū)動(dòng)功率更大的特性指標(biāo)?？筛鶕?jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。 編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測(cè)元件安裝在中間傳動(dòng)件上，間接測(cè)量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。在將角位移檢 測(cè)元件與速度檢測(cè)元件和伺服電動(dòng)機(jī) 做 成一個(gè)整體時(shí)則無(wú)需考慮位置檢測(cè)裝置的安裝問(wèn)題。 當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國(guó)外著名公司如德國(guó) SIEMENS 公司、日本FANUC 公司；國(guó)內(nèi)公司如中國(guó)珠峰數(shù)控公司、北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司、武漢華中數(shù)控股份有限公司和沈陽(yáng)高檔數(shù)控國(guó)家工程研究中心等。 選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率和用戶的需求。 數(shù)控 化 改造必須首先對(duì)機(jī)床機(jī)械主體部分進(jìn)行再設(shè)計(jì)再制造，使其達(dá)到數(shù)控化的要求。一般要做如下工作：用滾珠絲杠更換原梯形絲杠，提高精度，減 少摩擦；修磨刮研并貼塑或采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌；精化主軸系，提高主軸精度；設(shè)計(jì)自動(dòng)冷卻排屑系統(tǒng)，提高機(jī)床自動(dòng)化程度；必要時(shí)增加換刀機(jī)構(gòu)一刀庫(kù)機(jī)械手；制造自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)等。 因此在本文中采用的是第一種方案（即 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng) ）設(shè)計(jì)。 機(jī)床 數(shù)控 化 的性能和精度的選擇 并不是所有的舊機(jī)床都可以進(jìn)行數(shù)控改造，機(jī)床的改造主要具備兩個(gè)條件： 第一，機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛性。 第二，改造的費(fèi)用要合適，經(jīng)濟(jì)性好。 如 機(jī) 床 數(shù)控 化 改造，在改裝前，要對(duì) 機(jī) 床的性能指標(biāo)做出決定。改裝后的 機(jī) 床能加工工件的最大回轉(zhuǎn)直徑以及最大長(zhǎng)度 、主電動(dòng)機(jī)功率等一般都不會(huì)改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍決定于機(jī)床本身原有水平。主要有北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 7 下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。 、級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍、功率以及是否需要數(shù)控制動(dòng)停車等。 ： （ 1） 進(jìn)給速度： Z 向（通常為 8~400mm/min）； X 向（通常為 2~100mm/min）。 （ 2） 快速移動(dòng) ： Z 向（通常為 ~4m/min）； X 向（通常為 ~3m/min）。 （ 3） 脈沖當(dāng)量：在 ~ 內(nèi)選取，通常 Z 向?yàn)?X 向的 2 倍。 （ 4） 加工螺 距范圍：包括能加工螺距類型（公制、英制，模數(shù)、徑節(jié)和錐螺紋等），一般螺距在 l0mm 以內(nèi)都不難達(dá)到。 （ 5） 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式（一般都選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）。 （ 6） 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)是否需要改裝成滾珠絲杠傳動(dòng)。 （ 7） 刀架是否需要配置自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，若配置需要確定工位數(shù)。 （ 8） 插補(bǔ)功能：車床加工需具備直線和圓弧插補(bǔ)功能。 （ 9） 顯示：采用數(shù)碼管還是液晶或者顯示器顯示，顯示的位數(shù)多少等問(wèn)題要根據(jù) 機(jī) 床加工功能實(shí)際需要確定，一般來(lái)說(shuō)，顯示越簡(jiǎn)單成本越低，也容易實(shí)現(xiàn)。 （ 10） 診斷功能 ： 為防止操作者輸入的程序有錯(cuò)和隨之出現(xiàn)的 錯(cuò)誤動(dòng)作，可在數(shù)控改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)加入必要的器件和軟件，使其能指示出機(jī)床出現(xiàn)故障或者功能失效的部分等，實(shí)現(xiàn)有限的診斷功能。 以上是 機(jī) 床數(shù)控改造時(shí)需要考慮的一些通用性能指標(biāo)，有的 機(jī) 床改造根據(jù)需要還會(huì)有些專門的要求，如車削大螺距螺紋、在惡劣的環(huán)境下工作的防塵干擾、 刀具 高精度對(duì)刀等，這個(gè)時(shí)候就應(yīng)有針對(duì)性的專門設(shè)計(jì)。 機(jī)床 數(shù)控 化 改造的特點(diǎn) 機(jī) 床 數(shù)控 化 的改造包含主傳動(dòng)部分改造、進(jìn)給傳動(dòng)部分改造和輔助部件改裝（如電動(dòng)刀架、電動(dòng)尾架、液壓卡盤、防護(hù)罩等）三部分。對(duì)于經(jīng)濟(jì)型 機(jī) 床 數(shù)控 化 ，最重要的是進(jìn)給傳動(dòng)部分的改造。這 一部分改造直接影響改造后加工的幾何精度與運(yùn)動(dòng)精度。 （ 1）大溜板相對(duì)于床身中軸線的不平行度，中溜板相對(duì)于床身中軸線的不垂直度，在改造前如不進(jìn)行精度恢復(fù)，則無(wú)法在改造后用其他方法消除其引發(fā)的誤差。 （ 2）進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇、傳動(dòng)鏈的布置（是否使用同步帶或無(wú)間隙齒輪減速、選用何種型號(hào)的滾珠絲杠副），均會(huì)影響改造后的運(yùn)動(dòng)性能與精度。 （ 3）進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作扭矩，制約了機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的最大速度；驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上配的光電編碼器的光柵線數(shù)，制約了機(jī)床的控制分辨率。 （ 4）滾珠絲杠副的精度是機(jī)床重復(fù)定位精度、定長(zhǎng)移動(dòng)精度 的重要基礎(chǔ)，須對(duì)其選型、安裝和調(diào)試特別重視。為確保運(yùn)動(dòng)性能與使用壽命，有必要選擇大直徑、大節(jié)距的滾珠絲杠副，并采用兩端固定支承，安裝時(shí)預(yù)加較大的預(yù)緊力，以克服溫度造成的尺寸變化。 北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 8 機(jī)床 數(shù)控 化 改造的主要步驟 改造方案的確定 改造的可行性分析通過(guò)以后，就可以針對(duì)某臺(tái)或某幾臺(tái)機(jī)床的現(xiàn)況確定改造方案，一般包括： （ 1）機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合。一般來(lái)說(shuō)，需進(jìn)行電氣改造的機(jī)床，都需進(jìn)行機(jī)械修理。要確定修理的要求、范圍、內(nèi)容；也要確定因電氣改造而需進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改造的要求、內(nèi)容；還要確定電氣改造與機(jī)械修 理、改造之間的交錯(cuò)時(shí)間要求。機(jī)械性能的完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。 （ 2）先易后難、先局部后全局。確定改造步驟時(shí)，應(yīng)把整個(gè)電氣部分改造先分成若干個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行，如數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、主釉、進(jìn)給系統(tǒng)、 面 板控制與強(qiáng)電部分等，待各系統(tǒng)基本成型后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作。這樣可使改造工作減少遺漏和差錯(cuò)。在每個(gè)子系統(tǒng)工作中，應(yīng)先做技術(shù)性較低的、工作量較大的工作，然后做技術(shù)性高的、要求精細(xì)的工作，使人的注意力能集中到關(guān)鍵地方。 （ 3）根據(jù)使用條件選擇系統(tǒng)。針對(duì)某臺(tái)或某幾臺(tái)機(jī)床，確定它的環(huán)境、溫度、濕度、灰塵、電源，光線，甚至有 否鼠害等外界使用條件，這對(duì)選擇電氣系統(tǒng)的防護(hù)性能、抗干擾性能、自冷卻性能、空氣過(guò)濾性能等可提供正確的依據(jù)，使改造后的電氣系統(tǒng)有了可靠的便用保證。當(dāng)然，電氣系統(tǒng)的選擇必須考慮成熟產(chǎn)品，性能合理、實(shí)用，有備件及維修支持