【正文】 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 摘 要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展 ， 中 國(guó)已成為世界加工工廠，產(chǎn)品暢銷(xiāo)世界各國(guó)。但是隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的整體提升，人們 的生活水平進(jìn)一步提高，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量，美觀以及價(jià)格提出了更高的要求。我國(guó)擁有龐大的制造業(yè)，但是制造業(yè)相對(duì)比較落后。機(jī)械設(shè)備落后陳舊， 自動(dòng)化程度低嚴(yán)重制約著我國(guó)制造加工業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)水平。 我國(guó)目前擁有大量超期服役和技 術(shù)陳舊的機(jī)床急待更新的情況下，對(duì)機(jī)床進(jìn)行機(jī)電一體 化改造 已迫在眉睫。機(jī)電一體化改造 是一條節(jié)約資金、快速有效的途徑。 本文對(duì) 普通車(chē)床 C6132 進(jìn)行機(jī)電一體化改造 。 包括 對(duì)機(jī)床關(guān)鍵部件參數(shù)的計(jì)算、對(duì) 機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、對(duì)機(jī)床改造方案優(yōu)化選擇、選擇合適的機(jī)床伺服系統(tǒng)、導(dǎo)軌以及刀架的改造 。 改造 后的車(chē)床提高了原機(jī)床的使用價(jià)值，降低了成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。 關(guān)鍵詞 :普通車(chē)床， 改造，步進(jìn)電機(jī) 。 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 第一章 緒論 數(shù)控機(jī)床的歷史和現(xiàn)狀 采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想，最早是 40年代初提出的。當(dāng)時(shí)，美國(guó)北密執(zhí)安的一個(gè)小型飛機(jī)承包商派爾遜斯公司在制造飛機(jī)框架和直升飛機(jī)的機(jī)翼葉片時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)葉片輪廓的加工路徑進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理， 并考慮了刀具半徑對(duì)加工路徑的影響，使得加工精度達(dá) 到 81mm，這在當(dāng)時(shí)水平是相當(dāng)高的。 1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院成功地研制出一臺(tái) 3坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的試驗(yàn)型 數(shù)控銑床，這是公認(rèn)的世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，當(dāng)時(shí)的電子元件是電子管。 1959年，開(kāi)始采用晶體管元件和印制線路板，出現(xiàn)了帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為加工中心 . 從 1960年開(kāi)始，其他一些工業(yè)國(guó)家，比如德國(guó)、日本等也陸續(xù)開(kāi)發(fā) 生產(chǎn)出了數(shù)控機(jī)床。 1965年，數(shù)控裝置開(kāi)始采用小規(guī)模集成電路，使數(shù)控裝置的體積減 小，功耗降低，可靠性提高 .但仍然是硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng) 。 1967年，英國(guó)首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這 就是最初的柔性制造單元。 1970年，在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了用小型計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床。這是第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床。 1974年，微處理器直接用于數(shù)控系統(tǒng)，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用 和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。 80年代初，國(guó)際上出現(xiàn)了以加工中心為主體，再配上工件自動(dòng)裝卸和監(jiān)控檢測(cè)裝置的柔性制造單元。柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元被認(rèn)為是 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。 我國(guó)從 1958年開(kāi)始研究數(shù)控技術(shù)，直到 60年代中期處于研制 、開(kāi)發(fā) 階段。 1965年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。 60年代初到 70年代初研 制成功 X53K1G數(shù)控銑床、 CJK18數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。從 70年代開(kāi)始，數(shù)控技術(shù)在車(chē)、 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 銑、鉆、銼、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開(kāi)，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的 質(zhì)量和制造工藝水平低，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問(wèn)題沒(méi)有得到解 決，因此未能廣泛推廣。這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，在模具加工中得到了推廣。 80年代我國(guó)先后從日本、 美國(guó)等國(guó)家引進(jìn)了部分?jǐn)?shù)控裝置和伺服系統(tǒng)技術(shù) ，并于 1981年在我國(guó)開(kāi)始批量生產(chǎn)。在此期間，我國(guó)在引進(jìn)、消化吸收的基礎(chǔ)上，跟蹤國(guó)外先進(jìn) 技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)出了一些高檔的數(shù)控系統(tǒng)，如多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、分辨 率為 的高精度數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字仿形系統(tǒng)、為柔性單元配套的數(shù)控 系統(tǒng)等。為了適應(yīng)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)不同層次的需要，我國(guó)開(kāi)發(fā)出了多種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，我國(guó)已經(jīng)建立了中、低檔數(shù)控機(jī) 床為主的產(chǎn)業(yè)體系， 90年代主要發(fā)展高檔數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了 更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)、機(jī)床及結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)。隨著 FMS的迅速發(fā)展和 CMS的不斷成熟，又將對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性、通訊功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出了更高的要求。隨著微電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日益完善，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 日益擴(kuò)大。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正在不斷采用最新技術(shù)成就，朝著高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。 高速度、高精度化 速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工 效率和產(chǎn) 品的質(zhì)量，特別是在超高速切削、超精密加工技術(shù)的實(shí)施中，它對(duì)機(jī)床各 坐標(biāo)軸位移速度和定位精度提出了更高的要求 :另外，這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)又是互相制約的，也就是說(shuō)要求位移速度越高，定位精度就越難提高?，F(xiàn)代 數(shù)控機(jī)床配備了高性能的數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)，分辨率可達(dá)到 lum, 。為實(shí)現(xiàn)更高速度、更高精度的指標(biāo)，自前主要在下述幾方面采取措施和進(jìn)行研究。 （ 1） 數(shù)控系統(tǒng)。采用位數(shù)、頻率更高的微處理器，以提高系統(tǒng)的基 本運(yùn)算速度。目前己由 8位 CPU過(guò)渡到 16位和 32位 CPU，并向 64位 CPU發(fā)展，頻率已由 原來(lái) 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 的 5MHz提高到 16MHz, 20MHz和 32MHzo同時(shí)也采用 了超大規(guī)模的集成電路和多種微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。 (2) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。隨著超高速切削、超精密加工等先進(jìn)工藝的提 出，使得在旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)加滾珠絲杠的傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)給機(jī)構(gòu)已無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)的零傳動(dòng)直線伺服進(jìn)給方式，將極大地提高機(jī)床直線進(jìn)給的各項(xiàng)伺服性能指標(biāo)， 特別是高速度和動(dòng)態(tài)響 應(yīng)特性是以往任何伺服機(jī)構(gòu)無(wú)法比較的。 (3) 前饋控制技術(shù)。過(guò)去的伺服系統(tǒng)是將位置指令值與所檢 測(cè)到的實(shí)際值比較，所得的差乘以位置環(huán)的增益，其積再作為速度指令去控制電動(dòng)機(jī)。由于這種控制方式總是存在著位置跟蹤滯后誤差，即當(dāng)進(jìn)給速度為 F時(shí)，其伺服系統(tǒng)的最終滯后位 F/G，這使得在加工拐角及圓弧切削時(shí)加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來(lái)的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣將使位置跟蹤滯后誤差大大減小，以改善拐角切削加工精度。 (4) 機(jī)床動(dòng)、靜摩擦的非線性補(bǔ)償控制技術(shù)。機(jī)床動(dòng)、靜摩擦的非 線性會(huì)導(dǎo)致機(jī)床爬行。除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采取措施降低靜摩擦外，新型的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)、靜摩擦非線性的控制 功能。 (5) 伺服系統(tǒng)的速度環(huán)和位置環(huán)均采用軟件控制。由于采用軟件控制具有較高的柔性，適應(yīng)不同類(lèi)型的機(jī)床對(duì)不同精度及速度的要求，進(jìn)行加、減速性能的調(diào)整，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，以滿足高性能控制的要 求。 (6) 采用高分辨率的位置檢測(cè)裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi) 裝微處理器組成的細(xì)分電路，使得分辨率大大提高。 (7〕補(bǔ)償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件補(bǔ)償功能對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行多種補(bǔ)償，以提高機(jī)床的位置精度和 動(dòng)態(tài)伺服性能，如軸向運(yùn)動(dòng)定點(diǎn)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、齒輪間隙 補(bǔ)償、熱 變形補(bǔ)償和空間誤差補(bǔ)償?shù)取? (8) 高速大功率電主軸的應(yīng)用。由于在超高速加工中 .對(duì)機(jī)床主軸 轉(zhuǎn)速提出了極高的要求，傳統(tǒng)的齒輪變速主傳動(dòng)系統(tǒng)已不能適應(yīng)其要求。為此，采用了所謂內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)主軸，簡(jiǎn)稱電主軸。它是采用主軸電動(dòng)機(jī) 與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，即采用外殼電動(dòng)機(jī)，將其空心轉(zhuǎn)子直接 套裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，即機(jī)床主軸單元的殼體就是電動(dòng)機(jī)座。實(shí)現(xiàn)了變頻電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸一體化， 以適應(yīng)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。 (9) 超高速切削刀具的應(yīng)用。為適應(yīng)超高速加工要求， 目前陶瓷刀 具和金剛石 涂層刀具已開(kāi)始得到應(yīng)用。 (10) 配 置 高 速 、 強(qiáng) 功 能 的 內(nèi) 裝 式 可 編 程 控 制 器 (ProgrammableL ogicController，簡(jiǎn)稱 PLC)。以提高 PLC的運(yùn)行速度，滿足數(shù)控機(jī)床高速加 工的要求。新型的 PLC具有專(zhuān)用的 CPU，基本指令執(zhí)行時(shí)間達(dá) 0. 2us/步， 可編程步數(shù)可擴(kuò)大到 16000步以上。利用 PLC的高速處理功能，將 CNC與 PLC之間有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，能夠滿足數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中的各種實(shí)時(shí)控制要 求。 多功能化 (1) 數(shù)控機(jī)床采用一機(jī)多能，提高了設(shè)備利用率。配有自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的各類(lèi)加工中心，能在同 一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)實(shí)現(xiàn)銑削、銼削、鉆削、車(chē)削、鉸孔、擴(kuò)孔、攻螺紋，甚至磨削等多種工序的加工。工件一經(jīng)裝夾，各種工序和工藝加工過(guò)程集中到同一臺(tái)設(shè)備上完成，從而避免了工件多次裝夾所造成的定位誤差，確保零件的形位公差，減少裝夾輔助時(shí)間，減少設(shè)備 臺(tái)數(shù)和占地面積。為了進(jìn)一步提高工效，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用了多主軸、多 面體切削，即同時(shí)對(duì)一個(gè)零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工，如各 類(lèi)五面體加工中心。 (2) 前臺(tái)加工、后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用了多 CPU結(jié)構(gòu)和分級(jí)中斷控制方式，可以在一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)進(jìn)行零件加工和程序編 制，實(shí)現(xiàn)所謂的前臺(tái)加工后臺(tái)編輯 .即操作者可在機(jī)床進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)加工 的空余期間，同時(shí)利用數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤(pán)和 CRT進(jìn)行零件加工的編制，并利用 CRT進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖形模擬顯示及所編程序的加工軌跡，進(jìn)行程序的調(diào)試和修改，以充分提高工作效益和機(jī)床利用率。 (3) 具有更高的通信功能。為了適應(yīng) FMC,F MS以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成 CIMS的要求，一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有 RS232C和 RS422高速遠(yuǎn)距離串行接口，可以按照用戶級(jí)的格式要求，同上一級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行多種數(shù)據(jù)交換。高檔的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)有的 DNC接口，可以實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通 信，也可以直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。 現(xiàn) 代 數(shù) 控機(jī)床，為了適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足工廠自動(dòng)化規(guī)模越來(lái)越大的要求，滿足不同廠家不同類(lèi)型數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的需要，采用 了 MAP工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 版本，為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)入 FMS和 C工 MS 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 創(chuàng)造了條件。 智能化 (1) 引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)。自適應(yīng)控制的目的是要求在隨機(jī)變化的加工過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過(guò)程中所測(cè)得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)自動(dòng)校正自身的工作參數(shù)，己達(dá)到或接近最佳工作狀態(tài)。由 于在實(shí)際加工過(guò)程中，大約有 30余 種變量直接和間接影響加工效果，如 工件毛坯余量不勻、材料硬度不一致、刀具磨損、工件變形、機(jī)床熱變形、 化學(xué)親和力的大小、切削液的粘度等，難以用最佳參數(shù)進(jìn)行切削。而自適 應(yīng)控制系統(tǒng)則能根據(jù)切削條件的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作參數(shù)，如伺服進(jìn)給參數(shù)、切削用量等，使加工保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和 較小的表面粗糙度，同時(shí)也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。 (2) 故障自診斷、自修復(fù)功能。主要是利用 CNC系統(tǒng)的內(nèi)裝程序?qū)?現(xiàn)在線診斷，即在整個(gè)工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時(shí)對(duì) CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)診斷、檢 查。一旦出現(xiàn)故障時(shí)，立即采用停機(jī)等措施，并通過(guò)了 CRT進(jìn)行故障報(bào)警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用冗余技術(shù)，自動(dòng)使故障模塊脫機(jī)，而接通備用模塊，以確保在無(wú)人化工作環(huán)境的要求。為實(shí)現(xiàn)更高的故障診斷要求，最近又提出了人工智能專(zhuān)家診斷系統(tǒng)，它主要由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和人機(jī)控制器三部分組成。 (3) 刀具壽命自動(dòng)檢測(cè)更換。利用紅外、聲發(fā)射、激光等各種檢測(cè)手段，對(duì)刀具和工件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，進(jìn)行及 時(shí)報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。 (4) 進(jìn)行模式識(shí)別技術(shù)。應(yīng)用圖像識(shí)別和聲控技術(shù)， 使機(jī)器自己辨認(rèn)圖樣，按照自然語(yǔ)音命令進(jìn)行加工。 數(shù)控系統(tǒng)小型化 數(shù)控系統(tǒng)體積小型化便于將機(jī)、電裝置融合為一體。目前主要采用超 大規(guī)模集成元件、多層印制電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得 以高密度的安裝，可以較大的縮小了系統(tǒng)的占有空間。此外，用新型的 TFT彩色液晶薄膜型顯示器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陰極射線管 CRT，即可使數(shù)控操 作系統(tǒng)進(jìn)一步小型化。這樣可更方便地將它安裝在機(jī)床設(shè)備上，更便于對(duì) 數(shù)控機(jī)床的操作使用。 數(shù)控編程自動(dòng)化 合肥工業(yè)大學(xué)論文設(shè)計(jì) 由于微處理機(jī)的應(yīng)用，使數(shù)控編程從脫機(jī)編程發(fā)展到在線編程，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話， 給程序編輯、調(diào)試、修改帶來(lái)了極大的方便。并進(jìn)一步采用了