【正文】 完成指令規(guī)定的開關(guān)量動作。這些控制包括主軸運(yùn)動部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟動停止，工件和機(jī)床部件的松開 、夾緊，分度工作臺轉(zhuǎn)位分度等開關(guān)輔助動作 驅(qū)動裝置和位置檢測裝置 驅(qū)動裝置接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動機(jī)床移動部件，以加工出符合圖樣要求的零件。因此，它的伺服精度和動態(tài)響應(yīng)性能是影響數(shù)控機(jī)床加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。驅(qū)動裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 位置檢測裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測出來，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行 比較，控制驅(qū)動裝置按照指令設(shè)定值運(yùn)動。 由于可編程邏輯控制器（ PLC）具有響應(yīng)快，性能可靠，易于使用、編程和修改程序并可直接啟動機(jī)床開關(guān)等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用作數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置。 數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體與傳統(tǒng)機(jī)床相似，由主軸傳動裝置、進(jìn)給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運(yùn)動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。但數(shù)控機(jī)床在整體布局、外觀造型、傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及操作機(jī)構(gòu)等方面都已發(fā)生了很大的變化。這種變化的目的是為了滿足數(shù)控機(jī)床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 眾所周知，制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，是推動國家技術(shù)進(jìn)步的主要力量。加入 WTO 之后，我國制造業(yè)正面臨極大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。我國制造業(yè) 水平與發(fā)達(dá)國家相比，總體水平偏低，這直接影響到我國工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提高和制造成本的降低，影響到我國工業(yè)產(chǎn)品的國際市場競爭力。為改變這種落后狀況，必須提高制造業(yè)的裝備水平，特別是機(jī)床的數(shù)控化率。購置數(shù)控機(jī)床是提高機(jī)床數(shù)控化率的途徑；對舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，也是提高機(jī)床數(shù)控化率的重要途徑之一。 我國機(jī)電行業(yè)（包括機(jī)械、電子、汽車、航空、航天、輕工、紡織、 冶金、煤炭、郵電、船舶等）擁有的機(jī)床結(jié)構(gòu)比較陳舊，操作系統(tǒng)復(fù)雜，控制系統(tǒng)落后，生產(chǎn)效率低下，如果靠購置新的數(shù)控機(jī)床取而代之，顯然耗資巨大，不符合國情。因此，采用數(shù)控技術(shù)對現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行改造，符合國家的產(chǎn)業(yè)政策。另外，從市場容量來講，不管是汽車制造業(yè)、模具制造業(yè)，還是軍工企業(yè)，機(jī)床數(shù)控化改造都蘊(yùn)藏著無限商機(jī)。 近年來，美國、日本、德國、英國、等發(fā)達(dá)國家，在制造大量數(shù)控機(jī)床的同時，也非常重視對普通機(jī)床的數(shù)控化改造，機(jī)床的技術(shù)改造市場十分活躍。在美國，機(jī)床改造業(yè)被稱為機(jī)床再生業(yè)；在日本，機(jī)床改造業(yè)被稱為機(jī)床改裝業(yè) 。機(jī)床改造業(yè)正逐步從機(jī)床制造業(yè)中分化處理，形成了用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)和領(lǐng)域。 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 從宏觀上看，在 20 世紀(jì) 70 年代末、 80 年代初，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，已開始大規(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)進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床， FMC、 FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD、 CAE、 CAM、虛擬制造，在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)）、 CIMS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(jī)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)品在國際軍用品和民用品的市場上競爭了大為增強(qiáng)。而我國在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家落后約 20 年。如在我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 %，而日本在 1994 年已達(dá) %。隨著我國現(xiàn)代化制造的不斷推進(jìn)，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。 從微觀上看，數(shù)控機(jī)床本身是高科技產(chǎn)品，它比傳統(tǒng)機(jī)床有很多突出的優(yōu)越性，這些優(yōu)越性的發(fā)揮，是數(shù)控機(jī)床的性能有了質(zhì)的提高，打了推動 了制造也的發(fā)展。傳統(tǒng)機(jī)床經(jīng)過改造后，得到了近似于數(shù)控機(jī)床的性能，也意味著我國制造業(yè)整體水平的提高。 第二章 銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計 介紹 根據(jù)我國國情，八十年代在普通機(jī)床的改造方面，出現(xiàn)了以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，尤其是普車、普銑數(shù)控化改造的熱潮，并逐步形成了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控產(chǎn)業(yè)?！鞍宋濉焙笃诤汀熬盼濉?，國家把舊設(shè)備的改造列入企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，工藝更新的一個重要途徑，很多工廠把普通機(jī)床的數(shù)控化改造列入企業(yè)的發(fā)展計劃，作為企業(yè)適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)、提高產(chǎn)品市場占有率的一項(xiàng)措施。普通銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造 ，除了選擇可靠性高、性能穩(wěn)定的數(shù)控系統(tǒng)外，對銑床自身的改造也是一個很重要的環(huán)節(jié)。普通銑床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造包括兩個方面，即機(jī)床電氣的數(shù)控化改造和機(jī)床本體的數(shù)控化改造。 數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn) 數(shù)控銑床作為一種高速、高效和高精度的自動化加工設(shè)備，由于其控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，使機(jī)床的性能得到大大提高。部分機(jī)械日趨簡化，新的結(jié)構(gòu)，功能不僅不斷涌現(xiàn)，使得其機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的機(jī)床相比，有了明顯的改進(jìn)和變化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、自動化程度高 數(shù)控銑床需要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，自 動完成對進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速、刀具運(yùn)動軌跡以及其它機(jī)床輔助機(jī)能（如：自動換刀、自動冷卻等）的控制。它必須利用伺服進(jìn)給系統(tǒng)代替普通機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，并可以通過主軸調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸自動變速，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，數(shù)控機(jī)床的主軸箱、進(jìn)給變速箱結(jié)構(gòu)一般都非常簡單；齒輪、軸類零件、軸承的數(shù)量大為減少；電動機(jī)可以直接聯(lián)接主軸和滾珠絲杠，不用齒輪。在使用直線電動機(jī)、電主軸的場合，甚至可以不用絲杠、主軸箱。在操作上，它不像普通機(jī)床那樣，需要操作者通過手柄進(jìn)行調(diào)整和變速，操作結(jié)構(gòu)比普通機(jī)床要簡單得多，許多機(jī)床甚至沒有手動機(jī)械操作機(jī)構(gòu) 。此外，由于數(shù)控機(jī)床的大部分輔助動作都可以通過數(shù)控系統(tǒng)的輔助機(jī)能，因此，常用的操作按鈕也較普通機(jī)床少，操作更方便、更簡單。 2. 廣泛采用高效、無間隙傳動裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品 數(shù)控銑床進(jìn)行的是高速、高精度加工，在簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動裝置和元件在數(shù)控銑床上得到廣泛的應(yīng)用。如滾珠絲杠副、塑料滑動導(dǎo)軌、 靜壓導(dǎo)軌、直線滾動導(dǎo)軌等高效執(zhí)行部件，不僅可以減少進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦阻力，提高傳動效率，而且還可以使運(yùn)動平穩(wěn)并獲得較高的定位精度。 近年來，隨著新材料、新工藝的普及、應(yīng)用、高速加工已經(jīng)成為目前數(shù)控銑床的 發(fā)展方向之一?？爝M(jìn)速度達(dá)到了每分鐘數(shù)十米，甚至上百米。主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到了每分鐘上萬轉(zhuǎn)，甚至十幾萬轉(zhuǎn)，采用電主軸、直線電動機(jī)、直線滾動導(dǎo)軌新產(chǎn)品，新技術(shù)勢在必行。 3. 具有適應(yīng)無人化、柔性化加工的特殊部件 “工藝復(fù)合化”和“功能集成化”是無人化，柔性化加工的基本要求，也是數(shù)控機(jī)床的最顯著的特點(diǎn)和當(dāng)前的發(fā)展方向。因此，自動換刀裝置、動力刀架、自動排屑裝置、自動潤滑裝置等特殊機(jī)械部件是必不可少的，有的機(jī)床還帶有自動工作臺交換裝置（ APC）。 “功能集成化”是當(dāng)前數(shù)控銑床的另一重要發(fā)展方向，隨著數(shù)控銑床向無人化、柔性 化加工發(fā)展，功能集成化更多體現(xiàn)在工件的自動裝卸、自動定位；刀具的自動對刀、破損檢測、壽命管理；工件的自動測量與自動補(bǔ)償?shù)裙δ苌稀? 4. 對機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件的要求高 高速、高效、高精度的加工要求，無人化的管理以及工藝復(fù)合化、功能集成化一方面可以大大提高生產(chǎn)率，同時，也必然會使機(jī)床的開機(jī)時間、工作負(fù)載隨之增加，機(jī)床必須在高負(fù)載下，長時間可靠工作。因此，對組成機(jī)床的各種零部件和控制系統(tǒng)的可靠性要求很高。 數(shù)控銑床對機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求 1. 具有較高的靜、動剛度和良好的抗振性 銑床的剛度反映了機(jī)床結(jié) 構(gòu)抵抗變形的能力。銑床變形所產(chǎn)生的誤差，通常很難通過調(diào)整和補(bǔ)償?shù)霓k法予以解決。為了滿足數(shù)控銑床高效，高精度、高可靠性以及自動化的要求、與普通銑床相比，數(shù)控銑床應(yīng)具有更高的靜剛度。此外，為了充分發(fā)揮機(jī)床的效率，加大切削用量，還必須提高機(jī)床的抗振性，避免切削是的共振和顫振，而提高結(jié)構(gòu)的動剛度是提高機(jī)床抗振性的基本途徑。 2. 具有良好的熱穩(wěn)定性 銑床的熱變形是影響銑床加工精度的主要因素之一。由于數(shù)控銑床的主軸轉(zhuǎn)速、快進(jìn)速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通銑床，機(jī)床又長時間處于連續(xù)工作狀態(tài)，電動機(jī)、絲杠、軸承和導(dǎo)軌的發(fā)熱都比較嚴(yán)重 ，加上高速切削產(chǎn)生的切屑影響，使得數(shù)控機(jī)床的熱變形影響比普通銑床要嚴(yán)重的多，雖然在先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)中具有熱變形補(bǔ)償功能，但是它并不能完成消除熱變形對于加工精度的影響。因此，在數(shù)控銑床上還應(yīng)采取必要的措施，盡可能減少機(jī)床的熱變形。 3. 具有較高的運(yùn)動精度與良好的低速穩(wěn)定性 利用伺服系統(tǒng)代替普通銑床的進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控銑床的主要特點(diǎn)。伺服系統(tǒng)的最小移動量（脈沖當(dāng)量），一般只有 ，甚至更小，最低進(jìn)給速度，一般只有 1mm/min，甚至更低，這就要求進(jìn)給系統(tǒng)具有較高的運(yùn)動精度，良好的跟蹤性能低速穩(wěn)定性，才能對 數(shù)控系統(tǒng)的位置指令作出準(zhǔn)確的響應(yīng)，從而得到要求的定位精度。 傳動裝置的間隙直接影響銑床的定位精度，雖然在數(shù)控中可以通過采取間隙補(bǔ)償、單向定位等措施減小這一影響，但不能完全消除，特別是對于非均勻間隙，必須采用機(jī)械消除間隙措施，問題才能得到較好地解決。 4. 具有良好的操作、安全防護(hù)性能 方便、舒適的操作性能，是操作者普遍關(guān)心的問題。在大部分?jǐn)?shù)控銑床上，刀具和工件的裝卸、刀具和夾具的調(diào)整等還需要操作者完成；機(jī)床的維修更不可能離開人。而且由于加工效率的提高，數(shù)控機(jī)床的工件裝卸可能比普通機(jī)床更加頻繁。因此，良好的操 作性能是數(shù)控機(jī)床設(shè)計時必須考慮的問題。 數(shù)控銑床是一種高度自動化的加工設(shè)備，動作復(fù)雜，高速運(yùn)動部件較多，對機(jī)床動作互鎖、安全防護(hù)性能等要求比普通銑床要高的多。同時，數(shù)控銑床一般都有高壓、大流量的冷卻系統(tǒng)，為了防止切屑，冷卻液的飛濺，數(shù)控銑床通常都應(yīng)采用封閉或半封閉的防護(hù)形式，增加防護(hù)性能。 銑床主傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造 主傳動系統(tǒng)的基本要求和變速方式 數(shù)控銑床和普通銑床一樣，主傳動系統(tǒng)也必須通過變速，才能使主軸獲得不同的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同的加工要求，在變速的同時，還要求傳遞一定的功率和足夠的扭矩，滿足切削的需要。數(shù)控銑床作為高度自動化的設(shè)備，它對主傳動系統(tǒng)的基本要求如下： （ 1） 為了達(dá)到最佳切削效果，一般都應(yīng)在最佳切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能自動實(shí)現(xiàn)無級變速。 （ 2） 要求機(jī)床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉(zhuǎn)速和足夠大的功率，以適應(yīng)高速、高效的加工需要。 （ 3） 為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動，主傳動系統(tǒng)應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，減少傳動件。 （ 4） 在加工中心上，還必須具有安裝刀具和刀具交換所需要的自動夾緊裝置，以及主軸定向準(zhǔn)停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫、機(jī)械手的正確嚙合。 （ 5） 為了擴(kuò)大 機(jī)床功能，實(shí)現(xiàn)對 C 軸位置（主軸回轉(zhuǎn)角度）的控制，主軸還需要安裝位置檢測裝置，以便實(shí)現(xiàn)對主軸位置的控制。 主傳動的無級變速通常有以下三種方法： （ 1） 采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級變速傳動，在早期的控制機(jī)床或大型數(shù)控機(jī)床（主軸功率超過 100kw）上，也有采用直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的情況。 （ 2） 在經(jīng)濟(jì)型、普及型數(shù)控機(jī)床上，為了降低成本，可以采用變頻器帶變頻電動機(jī)或普通交流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)無級變速的方式。 （ 3） 在高速加工機(jī)床上，廣泛使用主軸和電動機(jī)一體化的新穎功能部件 —— 電主軸。電主軸的電動機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸一體，無需任何 傳動件，可以使主軸達(dá)到數(shù)萬轉(zhuǎn)，甚至十幾萬轉(zhuǎn)的高速。 但是，不管采用任何型式，數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都要比普通機(jī)床簡單的多。 XA5032 型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)的設(shè)計 1． 主傳動 主傳動由 FANUC а 8 AC 驅(qū)動，經(jīng)一對減速為 1： 2的齒形帶輪和同步齒形帶傳到主軸（見圖 ） 機(jī)床主軸電機(jī) ，交流變頻調(diào)速，主軸具有恒轉(zhuǎn)矩，恒功率調(diào)速特性及失速防止、過流、過載保護(hù)等功能。 2． 主軸箱 主軸箱結(jié)構(gòu)見圖 ，箱體材料為 HT2040 鑄鐵件，主軸軸承采用前軸承軸向固定，后軸承可游動的 支承方式，前軸承用兩個角接觸向心球 D46118 軸承，后軸承用一個深溝球 E317 軸承。 主軸錐孔的錐度為 NO3（ 7： 24），用于安裝銑夾頭或鉆夾頭刀柄，并用二個端面鍵，傳遞銑削或鉆削扭矩，銑夾頭或鉆夾頭刀柄，用拉桿拉緊在主軸錐孔內(nèi)。 為保證主軸箱在伺服電機(jī)斷電后，不會因自重而下滑，在立柱內(nèi)腔設(shè)有與主軸箱相連結(jié)的鋼絲繩、滑輪、平衡塊等組成的平衡裝置。 圖 XA5032 型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)計算設(shè)計 主傳動中同步帶傳動設(shè) 計 （ 1）給出傳動要求 1）傳動的功率 Pw= 2）主動軸轉(zhuǎn)速 n1=1500r/min；傳動比 i=2； 3）中心距要求 300mm 左右； 4）電動機(jī) FANUC α 8 AC； 5）動轉(zhuǎn)時數(shù) 每天 16 小時； 6）其它 帶輪直徑不受限制； （ 2）選擇帶的型號和節(jié)距 1）計算設(shè)計功率 Pd 《實(shí)用電子機(jī)械設(shè)計手冊》，由表 661 得載荷 Ko=，因未使用張緊輪，又是減速運(yùn)動，故表的附加修正系數(shù)為零 。 Pd=Ko? Pm=179。 = 2）選擇帶的型號和節(jié)距