【正文】 一、前言隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造水平的重要標(biāo)志。目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)在我國(guó)還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。用普通機(jī)床加工出來(lái)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(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)普通機(jī)床數(shù)控改造，尤其適合我國(guó)機(jī)床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國(guó)情?！峨姎鈺r(shí)代》、《機(jī)械工人》、《電氣應(yīng)用》等多家雜志為滿足廣大企業(yè)技術(shù)改造發(fā)展生產(chǎn)的需要，多次聯(lián)合舉辦學(xué)習(xí)班，為企業(yè)提供權(quán)威、經(jīng)濟(jì)、可行、實(shí)用的技術(shù)指導(dǎo)，改造費(fèi)用為新購(gòu)置費(fèi)用的四分之一到三分之一。 普通機(jī)床的數(shù)控改造有兩方面的意義： 微觀看改造的意義 　　從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。 （1）可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 （2）可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)，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。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，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“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”。 （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)。 （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(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。 （6）由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。 　　以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。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)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 宏觀看改造的意義 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開(kāi)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(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過(guò)程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。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(duì)國(guó)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(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后20年。如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）％，％，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(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。二、普通機(jī)床的數(shù)控改造方案的確定系統(tǒng)總體改造方案的確定目前，在機(jī)械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)床，如果改用微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的改造，會(huì)使機(jī)床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)雜零件的加工，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國(guó)國(guó)情。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制部件；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需要新設(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)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡(jiǎn)單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專用的控制程序組成開(kāi)環(huán)控制，如圖21所示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過(guò)程大多是由單片機(jī)按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，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、驅(qū)動(dòng)刀架、縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，可以讓單片機(jī)每完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時(shí)程序，由延時(shí)程序控制進(jìn)給速度。圖21 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖 機(jī)械系統(tǒng)的改造方案的確定在熟悉原機(jī)床的操作過(guò)程及傳動(dòng)系統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)改造方案。包括電機(jī)型號(hào)的選擇，減速比的確定，齒輪模數(shù)及齒輪的確定，原有絲杠及導(dǎo)軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時(shí)絲杠螺母副的型號(hào)及安裝形式如何確定，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方法等。對(duì)CA6140車床的縱向（Z向）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)控改造，此時(shí)可將開(kāi)合螺母合上，離合器脫開(kāi)，使主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)脫開(kāi)，此時(shí)，將脫落螺桿等橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)至空擋（脫開(kāi)）位置。若原刀架為自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，則可以由微機(jī)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換刀具，否則仍由手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其他適當(dāng)位置安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器來(lái)檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來(lái)保證主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的相互關(guān)系。這種改造方案成本較低。但是，為了保證加工精度，還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行檢修，才能保證控制精度。原有機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（包括導(dǎo)軌、絲杠副等）安裝質(zhì)量的好壞，直接影響阻力和阻力矩的大小，應(yīng)盡量減小阻力（力矩），以提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的效率。對(duì)絲杠及軸要提高其直線度，導(dǎo)軌壓板及螺母的預(yù)緊力都要調(diào)得合適。為減少導(dǎo)軌副的摩擦阻力可改換成滾動(dòng)導(dǎo)軌副或采用鑲塑料導(dǎo)軌。根據(jù)阻力（力矩），切削用量的大小及機(jī)床型號(hào)的不同，應(yīng)通過(guò)計(jì)算，選用與之相匹配的步進(jìn)電機(jī)。如果選用步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩過(guò)大，價(jià)格就貴，機(jī)電一體化改造的成本就高，且對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，在使用中，始終用不到那么大的驅(qū)動(dòng)能力，也是一個(gè)浪費(fèi)；如果選得過(guò)小，在使用中很可能因各種原因而使切削阻力突然增大，驅(qū)動(dòng)能力不夠，將會(huì)引起丟步現(xiàn)象的產(chǎn)生，造成加工誤差。因此，必須對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行匹配選擇。對(duì)加工精度較高的機(jī)床，其進(jìn)給絲杠應(yīng)換成滾珠絲杠副。微機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定（1）、微機(jī)控制系統(tǒng)的總體組成數(shù)控部分采用MCS51系列單片機(jī)控制，其典型代表有8038058075等，其中8031的價(jià)格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)，比較適用于一般機(jī)床的數(shù)控改造，但由于其無(wú)內(nèi)存，必須外接存儲(chǔ)及I/O擴(kuò)展芯片才可以成為一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。存儲(chǔ)芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長(zhǎng)，I/O擴(kuò)展芯片的個(gè)數(shù)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需要的I/O通道的個(gè)數(shù)來(lái)確定。（2） 、軟硬件任務(wù)合理分配 涉及軟、硬件任務(wù)分配的有：控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。 上述三個(gè)都可以用磚用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，也可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)，編程時(shí)比較簡(jiǎn)單，但同時(shí)增加了硬件成本及故障源。用軟件實(shí)現(xiàn)，可節(jié)省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)者的軟、硬件方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及能力。計(jì)算與說(shuō)明主要結(jié)果 三、機(jī)床傳動(dòng)部分的改造（一）系統(tǒng)負(fù)載的確定 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。~。 切削力計(jì)算用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主切削力對(duì)于車床的主切削力縱切：Fz=（N）Dmax——車床床身上加工最大直徑（mm） Fz==5360（N）按比例分別求出分力Fx和Fy,由Fz：Fx：Fy,=1：：Fx——走刀方向Fy——切深抗力得：Fx==1340（N）Fy==2144（N）作用在進(jìn)給拖板上的載荷可按下列式子求出：拖板上進(jìn)給方向載荷： 拖板上垂直方向載荷：拖板上橫向方向載荷：（二）滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型 計(jì)算進(jìn)給率引力Fm(最大工作載荷)Fm=K Fx+( +G)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，查表3—4《機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，選綜合型導(dǎo)軌，其K=, 摩擦系數(shù)f=, 工作臺(tái)重量G=800（N），則：Fm=+（5360+800）=（N） 計(jì)算最大動(dòng)載荷C=FwFHFm其中：L=；n為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,n=。Vs為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，取Vs=（m/min）。L0為絲杠的導(dǎo)程（mm）。T為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)車T=15000h。為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查表3—5《機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》取=；，為硬度系數(shù)，取=?？紤]到絲杠對(duì)加工精度和經(jīng)濟(jì)性的影響，L0應(yīng)優(yōu)先取8（mm）系列；（1）選基本導(dǎo)程L0=4mm,則： 絲杠轉(zhuǎn)速n===50 (r/min) 壽命L===45 最大動(dòng)載荷： =FwFHFm==15772（N）（2）選基本導(dǎo)程L0=6mm,則：絲杠轉(zhuǎn)速n===(r/min)壽命L===30最大動(dòng)載荷： =FwFHFm==13778（N）（3）選