【正文】 S 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它對提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本非常重要。其快移速度與分辨率關(guān)系如下表 11。 (3)系統(tǒng)可在分辨率為 1nm 時工作，適用於控制超精機械。 (2)設(shè)備層通信網(wǎng)絡(luò)： 15㈠ 150i 采用 I／ 0 LINK(與日本標準 JPCN—1 相對應的一種現(xiàn)場總線。 (2)可采用存儲卡改變輸入輸出。 從 EMO2021 展會情況來看，高速加工中心進給速度可達 80m/min，甚至更高，空運行速度可達 100m/min左右。一般認為， 1 臺 5 軸聯(lián)動機床的效率可以等于 2 臺 3 軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時， 5 軸聯(lián)動加工可比 3 軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。目 前許多國 家 對 開 放 式 數(shù) 控 系 統(tǒng) 進 行 研 究 ， 如 美 國 的 NGC(The Next Generation WorkStation/Machine Control)、歐共體的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的 ONC(Open Numerical Control System)等。我國在 2021 年也開始進行中國的 ONC 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 目前，歐美國家非常重視 STEPNC 的研究，歐洲發(fā)起了 STEPNC 的 IMS 計劃( ～ ) 。第三階段是在國家的 “八五 ”的后期和 “九五 ”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。 (3)建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地認識到，我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。對我國數(shù)控技術(shù)應用水平及能力分析不夠。我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定 。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調(diào)產(chǎn)、學、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以 “做得出、用得上、賣得掉 ”為目標，按國家意志實施攻關(guān)，以解決國家之急需。 刀具補償量 0mm～ 進給傳動鏈間隙補償量 縱向 橫向 2． 2 總體方案的論證 普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體方案時應該遵循的基本原則為：在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改造盡可能少，以降低成本。 2）采用直流或交流伺服電機驅(qū)動的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間。開環(huán)控制多用于負載變化不大或要求不高的經(jīng)濟數(shù)控機床中。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計： 數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。 在自行設(shè)計的數(shù)控裝置中， CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇 CPU應考慮以下要素： a）、時鐘頻率和字長與被控裝置的運動速度和精度密切相關(guān) b）、可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能的強弱相關(guān) c）、指令系統(tǒng)功能強弱與靈敏性相關(guān) d）、 I/O 口擴展的能力與對外控制的 能力有關(guān) e）、開發(fā)手段，包支持開發(fā)的軟件和硬件電路，與開發(fā)周期，推廣應用有關(guān) 除此之外，還應根據(jù)系統(tǒng)應用場合，控制對象以及各種性能、參數(shù)、要求等，綜合起來考慮確定 CPU。為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器，為此采用主軸靠同步齒輪帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號。 保留原手動機構(gòu)，用于調(diào)整操作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留，步進電機、齒輪箱體安裝在中拖板的后側(cè)。 LD4B 系列電工刀架。 第四章 機械部分設(shè)計與計算 21 圖 42 縱向外圓及橫切端面切削離示意圖 拖板工作載荷的計算 在進行進給系統(tǒng)的傳動計算、選用步進電機時，都要用到切削力（機床的主要負載），車削切削力的計算方法可用以下簡單而實用的經(jīng)驗公式計算。 根據(jù)所選的型號，列出或計算出其主要參數(shù)的數(shù)值，計算傳動效率并驗算系數(shù)是否滿足要求。查資料選取滾珠絲桿的型號為 CLM3208——P3。絲桿軸承的軸向接觸形計算方法可參考機械設(shè)計手冊。133? 10 6? mm 177。 采用貼塑導軌，以減少導軌的摩擦力。 （ 2）滿足最大靜轉(zhuǎn)距的要求。 （ 3）壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲桿通常屬于軸向力的細長桿，若軸向工作負荷過大，使絲桿失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈服，即失穩(wěn)，失穩(wěn)的臨界載荷 Fk=f z? 2 EI / L2 （ N） 式中： E——絲桿材料彈性模量，對鋼 E=104 MPa，即（ 106 N/cm2 ） I——截面慣量距，對絲桿圓截面 I=? d1 4 /64 （ mm4 ）（ d1 為絲桿底直徑） 第四章 機械部分設(shè)計與計算 25 L——絲桿最大工作長度（ mm） fz——絲桿支承方式系數(shù)，在此選擇一端固定，一端簡支 fz= I = ? d1 4 /64 = ? / 64 = （ mm4 ） Fk=fz 2? EI / L2 =2 2? 106 / 3002 =106 N 臨界載荷 Fk與絲桿工作載荷 Fm之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果 nk大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) [nk] ，則絲桿不會失穩(wěn)，因此，滾珠壓桿的壓桿穩(wěn) 定條件為 nk=Fk /Fm≥[nk] nk =106 / =≥4 注：一般 [nk] 取 ~4，考慮到絲桿杠自重對水平滾珠的絲桿的影響可取 [nk] ≥4 。因此，只要滾珠絲桿支承的剛度設(shè)計好，軸承的軸向接觸變形在此可以不考慮。 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)的計算：（見下表）： 表 41 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 螺 紋 滾 道 名稱 符號 計算公式和結(jié)果 公稱直徑 Dm 32mm 螺距 Lo 8mm 接觸角 ? 45o 鋼球直徑 dq 4． 763mm 螺紋滾道直徑 R R== 偏心距 e e=(Rd/2)= 螺紋升角 ? 4176。 設(shè)計計算過程： 1）計算進給牽引力 Fm 作用在滾珠絲桿上的進給 牽引力主要包括切削時的走刀抗力和導軌摩擦力，其數(shù)值大小與導軌的類型有關(guān)。如上圖所示，車削作業(yè)時作用在進給拖板上的載荷 Fl、 Fv 和 Fc 與車刀 所受的車削力有對應的關(guān)系。 LD4 系列立式電動刀架采用蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動，上下齒盤嚙合螺桿鎖緊的工作原理。當負載較大時， 彈簧彈力顯得小，起不到自動消除間隙的作用；當負載較小時，彈簧彈力又顯得大，則加速齒輪的磨損。 圖 22 CA6136 車床數(shù)控改造總體方案示意圖 CA6136 車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計 18 第三章 主軸箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計 由于主軸箱不需要改造，因而可查關(guān)于 CA6136 車床主軸箱結(jié)構(gòu)的相關(guān)書籍參考設(shè)計。在我國，普通機床數(shù)控改造方面應用較普遍的是 Z80CPU和 MCS51 系列單片機，主要因為它們第二章 總體方案的確定 17 的配套芯片價廉，普及性、通用性強，制造和維修方便。有了硬件，軟件才可有效運行。執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定縱向進給結(jié)構(gòu)的改造：拆去原機床的溜板箱，光桿與絲桿以及安裝座，配上滾珠絲桿及其相應的安裝裝置。由于反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機械傳動元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)和穩(wěn)定性較易保證。由于 CA6136 車床加工復雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控（ MNC）系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 CA6136 車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計 14 第二章 總體方案的確定 2． 1 設(shè)計要求 CA6136 臥式車床 （圖 21） 改造的基本思路是在原來的機床進行修改， 拆掉手動刀架和小拖板裝上數(shù)控刀架；拆掉普通絲桿、光桿進給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用； 經(jīng)過嚴密的計算和論證，選擇絲杠和驅(qū)動電機，根據(jù)使用要求，選擇系統(tǒng)配置和設(shè)計控制電路，布置各 傳感器。 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。 ，對我國數(shù)控技術(shù)水平和 產(chǎn)業(yè)化水平估計 (1)技術(shù)水平上，與國外先進水平大約落后 10 至 15 年，在高精尖技術(shù)方面則更大。在 “九五 ”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達 50， 配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng) (普及型 )也達到了 10%。美國的 STEP Tools 公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 ISO6983 標準，即采用 G， M代碼描述如何（ how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。 當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得 實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。美國 CINCINNATI 公司的HyperMach 機床進給速度最大達 60m/min，快速為 100m/min，加速度達 2g，主軸轉(zhuǎn)速已達 60000r/min。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面： 1. 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。 d. 具有高速內(nèi)裝的 PMC(有的廠商稱為 PLC)， 以減少加工的循環(huán)的時間： (1)梯形圖和順序程序由專用的 PMC 處理器控制，這種結(jié)構(gòu)可進行快速大規(guī)模順序控制。也可以進行 NURBS(Non uniform rat 主 ona!B spline)插補。功能以高速、超精為核心，并具有智能控制。有的公司還有自己的總線，比如 FANUC 的 FSSB， I／ OLINK(相當于 JPCN—1)， YASKAW^的 MOTIONLINK 等。其主要特點是現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一，即一個 I/0 點對設(shè)備的一個測控點。通過 DNC 功能形成網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對零件程序的上傳或讀、寫 CNC 的數(shù)據(jù)： PLC 數(shù)據(jù)的傳送；存貯器操作控制；系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠程控制等。由于電力電子技術(shù)及控制理論、微處理器等微電子 技術(shù)的快速發(fā)展，軟件運算及處理能力的提高，特別是 DSP 的應用，使系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。如果把直流電機進行 “里翻外 ”的處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置，這就構(gòu)成了永磁無刷電機。 (4)容易做成 ASIC 電路。為了增加開放性，主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往采用 (1)方案，即在不變化原系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一塊 PC 板，提供鍵盤使用戶能把 PC 和 CNC 聯(lián)系在一起，大大提高了人機界面的功能比較典型的如 FANUC 的 150/160／ 180／ 210 系統(tǒng)。機床制造商可以在該開放系統(tǒng)的平臺上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。 我國機械工業(yè)自主技術(shù)創(chuàng)新的積極性有可能被抑制 由于外資在華機械企業(yè)主要承擔制造車間的角色，技術(shù)來源主要依靠其母公司，而原本就實力有限的內(nèi)資企業(yè)在完全開放的市場競爭中堅持自行研制開發(fā)將冒很大風險，為了節(jié)省投入，提高產(chǎn)品的形象，多數(shù)內(nèi)資企業(yè)將盡可能與外方合作，采用國際同行的技術(shù)進行生產(chǎn)。 1. 2. 1. 4 國外數(shù)控機床的特點 一是利用二進制數(shù)學方式輸入， 加工過程可任意編程，主軸及進給速度可按加工工藝需要變化，且能實現(xiàn)多坐標聯(lián)動，易加工雜曲面。如北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺 。 但值得注意的是高檔數(shù)控機床仍大量進口。 2021 年國產(chǎn)金屬切削機床年產(chǎn)量達到 萬臺 、數(shù)控機床產(chǎn)量 萬臺； 2021 年前三季度，我國金屬切削機床和數(shù)控機床產(chǎn)量分別達到 萬臺和 萬臺。 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動