【文章內(nèi)容簡介】 技術(shù)人員的積極性；同時對工人技術(shù)水平要求不高。(6) 在改造期間，通過拆除舊機(jī)床，裝配新的零部件等改造過程，間接培養(yǎng)了數(shù)控人才，對機(jī)床特性有了詳細(xì)的了解，在操作使用和維護(hù)方面培訓(xùn)時間短，見效快。 通過車床數(shù)控化改造，可以使其與臥式車床相比有如下優(yōu)點：1） 可以加工臥式車床加工不了的曲線曲面等復(fù)雜零件。2） 可以實現(xiàn)加工柔性自動化，效率比靠凸輪或擋塊等實現(xiàn)自動化的機(jī)床高3~7倍。3） 加工精度高，尺寸分散小，易于裝配。4） 可實現(xiàn)多工序集中加工，提高了相關(guān)的加工精度，同時減少了被加工零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。5） 擁有自動補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，對于批量較大的，簡化了傳統(tǒng)機(jī)床加工工藝中的工序，機(jī)床利用率得以大幅度提高。6） 若購置一臺新的數(shù)控車床，國內(nèi)數(shù)控車床價格也要7萬~8萬，進(jìn)口設(shè)備有的近二十萬元；而對臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造也能滿足實際生產(chǎn)需求，改造的成本只有2萬~3萬。7） 由于采用了自動化加工技術(shù)，可以大大降低操作者的勞動強(qiáng)度，減少廢品的產(chǎn)生，提高工作效率。 車床數(shù)控化改造的基本步驟1. 總體改造方案的設(shè)計 數(shù)控機(jī)床由機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)及外圍設(shè)備三部分組成。臥式車床改造的目的是利用數(shù)控系統(tǒng)控制原有車床自動完成機(jī)械加工任務(wù)，提高車床的加工精度和生產(chǎn)率。在考慮經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造的具體方案時，所遵循的原則是，在滿足需要的前提下，對原有車床盡可能減少改動量，以降低改造成本。改造中需要解決的問題是：增加數(shù)控裝置，設(shè)計微機(jī)控制裝置或選用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)；將現(xiàn)有機(jī)械傳動的進(jìn)給控制裝置改造成數(shù)控控制的無級自動變速的進(jìn)給系統(tǒng)；將絲杠換成滾珠絲杠，提高船東精度；手動控制的刀架轉(zhuǎn)位裝置改造成數(shù)控裝置控制的自動轉(zhuǎn)位刀架；加裝脈沖編碼器，實現(xiàn)螺紋自動切削。若對改造后機(jī)床的要求較高，則要改造主軸，重新設(shè)計主軸箱，使用主軸伺服電動機(jī)或電主軸。2. 數(shù)控化改造項目（1） 控制系統(tǒng)的選定。目前市場上數(shù)控系統(tǒng)的類型比較多，選擇前首先應(yīng)對擬改造的臥式車床自身功能有一個充分的了解，可根據(jù)價格合理，技術(shù)先進(jìn)，服務(wù)方面的原則選擇微機(jī)系統(tǒng)或數(shù)控系統(tǒng)。若選擇微機(jī)系統(tǒng)，需完成軟硬件的設(shè)計，即要完成X，Z軸的進(jìn)給控制。分別完成X，Z向的插補(bǔ)運(yùn)動，可實現(xiàn)車削端面，外圓，任意錐度圓弧面，球面等加工。為了能夠加工螺紋，配用主軸同步脈沖傳感器，可加工導(dǎo)程在6mm以下的螺紋工件。整個系統(tǒng)屬于開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動力大，成本較低，抗干擾性能強(qiáng)，能很好的滿足生產(chǎn)要求，但是設(shè)計工作量大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高。另外，還可以根據(jù)實際情況選擇經(jīng)濟(jì)型車床的數(shù)控系統(tǒng)，調(diào)制安裝簡單，可靠性高，價格較貴。（2） 機(jī)械部分的改造1） 滑動導(dǎo)軌副。對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除有臥式車床導(dǎo)軌的精度和工藝性外，還要有良好的耐磨性，并減少因摩擦力而致的死區(qū)。同時還要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響；合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。一般臥式車床的導(dǎo)軌材料是HT200，機(jī)床改造時可在原床鞍下滑面經(jīng)機(jī)械加工后貼一層聚四氟乙烯軟帶。聚四氟乙烯帶與鑄鐵配合時，具有良好的減磨性能，動摩擦因素約為鑄鐵的1/8~1/3，有效地防止機(jī)床的爬行。此外，床鞍與床身，中滑板與小滑板應(yīng)接觸均勻，接觸面積不小于70%，接觸點數(shù)不應(yīng)小于10點/cm2，這是保證加工精度和尺寸一致性的關(guān)鍵之一。2） 絲杠傳動副。一般數(shù)控車床或數(shù)控系統(tǒng)要求采用滾珠絲杠副傳動，目的是提高機(jī)床的進(jìn)給精度，減小傳動副的摩擦阻力。為此，對滾珠絲杠和滑動絲杠做了一個比較。見表21，根據(jù)JB/T 2866——2008絲杠精度標(biāo)準(zhǔn)可知：滾珠絲杠分為1，2，3，4，5，6，7，8，9九級。臥式車床使用的是7級精度的滑動絲杠，通過將3級精度的滾珠絲杠與7級精度的滑動絲杠相比較，從精度來講，二者的差異并不大，傳動速度快，反應(yīng)靈敏，精度較高，所需轉(zhuǎn)矩小。3） 拖板系統(tǒng)。托板的運(yùn)動式數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對象，不論是點位控制還是連續(xù)控制，被加工零件的最后坐標(biāo)精度將受托板運(yùn)動精度，靈敏度和穩(wěn)定性的影響，尤其是對于步進(jìn)電動機(jī)作為拖動元件的開環(huán)系統(tǒng)。因為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使托板運(yùn)動，而沒有位置檢測和反饋，故實際移動值和系統(tǒng)指令值的差別造成加工誤差。因此，除了床鞍，中滑板（小滑板已被取消）配合精度要求較高外，在傳動裝置的布局上還應(yīng)采用減速齒輪來提高運(yùn)動轉(zhuǎn)矩和傳動精度（）傳動比計算公式為4） 主軸同步傳感器的的安裝。主軸同步傳感器的作用就是傳遞信息給數(shù)控裝置，保持主軸的速度和刀架進(jìn)給量一致。安裝時要求主軸旋轉(zhuǎn)一圈，傳感器也要旋轉(zhuǎn)一圈，這樣才能保證發(fā)給數(shù)控裝置的信號準(zhǔn)確，車削螺紋時不亂扣。5） 車刀刀架的改造。機(jī)床數(shù)控化改造后，將原來的小滑板拆掉，改用四刀位的自動回轉(zhuǎn)刀架或盤式回轉(zhuǎn)刀架，數(shù)控系統(tǒng)通過刀位控制最多能控制4~12把車刀可順時針連續(xù)換刀。 CA6140臥式車床的數(shù)控化改造 本例為應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對CA6140臥式車床進(jìn)行自動化和精密化的改造，經(jīng)改造后的機(jī)床完全能實現(xiàn)外圓，錐度，螺紋，端面等加工的自動控制，提高了原機(jī)床生產(chǎn)效率，降低了勞動強(qiáng)度。 本數(shù)控化改造主要圍繞在車床上增設(shè)數(shù)控裝置和執(zhí)行元件，選擇合適的機(jī)床伺服系統(tǒng)等方面進(jìn)行。 總體設(shè)計方案的擬定 要求將CA6140臥式車床改造成用MCS——51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，縱向和橫向均有直線和圓弧插補(bǔ)功能。要求該車床增配自動回轉(zhuǎn)刀架和主軸編碼器，具有螺紋切削的功能。1. 設(shè)計參數(shù)1） 機(jī)床做大加工直徑：在床身上400mm，在床鞍上210mm。2） 最大加工長度：100mm。3） 拖板及刀架重力：縱向：1000N，橫向600N。4） 刀架快移速度V max：縱向2m/min，橫向1m/min。5） 最大進(jìn)給速度：。6） 定位精度：177。7） 主電動機(jī)功率：。8） 啟動加速時間：30ms。9） 脈沖當(dāng)量：。10） 最小分辨率：。2 總體方案確定（1） 系統(tǒng)的運(yùn)動方式和伺服系統(tǒng)的選擇。由于改造后的數(shù)控車床應(yīng)具有定位，直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工，米/英制螺紋加工等功能，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計要求，采用步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。（2） 計算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行方式，可以采用8位微機(jī)。由于MCS——51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性價比等特點，故采用MCS——51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由微機(jī)部分，鍵盤及顯示器，I/O接口及光電隔離電路，步進(jìn)電動機(jī)功率放大器組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用雙排數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)信息。（3） 機(jī)械傳動方式。為實現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用齒輪絲杠的減速方式；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副取代原車床絲杠；為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加荷載的結(jié)構(gòu)；齒輪傳動也采用消除側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：微機(jī)光電隔離光電隔離功率放大功率放大步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計由于本車床改造后成為一臺專用數(shù)控機(jī)床，專用于車削軸類，盤類零件，因而用微機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)本數(shù)控系統(tǒng)的功能。1. 數(shù)控系統(tǒng)的特點本系統(tǒng)是自行設(shè)計制造的數(shù)控系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計。整個系統(tǒng)有三個相對獨立的子系統(tǒng)組成，即CPU板，I/O板，鍵盤/顯示板，借鑒PC/104總線的層疊方式，以提高連接的可靠性。 系統(tǒng)設(shè)計緊緊圍繞提高可靠性，方便使用，降低成本的指導(dǎo)思想，主要特點有：（1） 液晶顯示。采用202帶背光字符點陣液晶顯示模板作為顯示界面，摒棄了傳統(tǒng)的數(shù)碼顯示，顯示靈活，自帶控制器，可減少CPU負(fù)擔(dān)。（2） 菜單驅(qū)動。全程菜單驅(qū)動，人機(jī)界面友好，操作直觀，簡明，容錯性高。（3） 全屏幕編輯。借用PC機(jī)中全屏幕編程軟件的基本思想設(shè)計或在操作和功能上與主機(jī)類似的編輯模塊，使系統(tǒng)編輯加工程序靈活，方便，不易出錯。（4） 可靠性高。軟硬件中兩個方面都采取了面向工業(yè)的抗干擾設(shè)計措施，因此具有高可靠性。2. 硬件設(shè)計（1） 單片機(jī)的選擇?？紤]到通用性以及普遍性，選擇MCS——51系列中的8031芯片。8031芯片屬于8位單片機(jī)。它是集CPU，I/O口及部分RAM等為一體的控制器，價格低，但功能全，編程靈活性大，硬件資源豐富。（2） 存儲芯片的選擇3. 軟件設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)是一系列能完成各種功能的程序的集合。程序采用模塊化設(shè)計方法，主要包括監(jiān)控模塊（包括系統(tǒng)初始化，命令處理循環(huán)，零件加工程序的輸入，零件加工程序的的編輯修改，指令分析與執(zhí)行，系統(tǒng)自檢等），插補(bǔ)計算模塊，步進(jìn)電動機(jī)控制模塊，誤差補(bǔ)償模塊等。 （1） 監(jiān)控模塊。系統(tǒng)初始化后即進(jìn)入命令處理程序，對于一般單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)通常采用循環(huán)處理邏輯作為系統(tǒng)主程序。在循環(huán)程序中，程序不斷掃描鍵盤及操作面板，對此操作進(jìn)行分析后即根據(jù)相應(yīng)的操作命令轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序模塊。 對于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，零件加工程序通常從鍵盤輸入。輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑤斎氲氖M(jìn)制數(shù)與指令轉(zhuǎn)換成BCD碼存于規(guī)定緩沖區(qū)，即源程序區(qū)。而編輯零件程序可看作一個鍵盤命令處理程序，和鍵盤輸入可合為一體，既用于從鍵盤輸入新的零件加工源程序，也可在編輯狀態(tài)下，對已輸入的零件加工程序中的命令，數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和修改。 數(shù)控系統(tǒng)要對輸入的指令進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。診斷程序用于檢測軟硬件功能的正確性，找出系統(tǒng)故障的位置，并指出故障類型。（2） 插補(bǔ)計算模塊。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)工件加工程序中提供的數(shù)據(jù)，如曲線的種類，起點，終點等進(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，分別向坐標(biāo)軸發(fā)出進(jìn)給脈沖這個過程稱為插補(bǔ)運(yùn)算。進(jìn)給脈沖通過伺服工作臺或刀具作相應(yīng)的運(yùn)動，完成程序的加工任務(wù)。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)一邊進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，一邊進(jìn)行加工，是一種典型的實時控制方式。所以，插補(bǔ)運(yùn)算的快慢直接影響機(jī)床的進(jìn)給精度，因此應(yīng)經(jīng)可能縮短運(yùn)算時間，這是編制插補(bǔ)運(yùn)算程序的關(guān)鍵。（3） 步進(jìn)電動機(jī)控制模塊?？刂撇竭M(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動程序，不僅可用程序代替可變頻率脈沖源和環(huán)形分配器等配件，而且還很容易用程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)升降速控制功能。（4）誤差補(bǔ)償模塊。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工誤差是必然存在的，但只要對引起加工誤差的各個環(huán)節(jié)的定量關(guān)系清楚，就可以在編程中引入修正值，調(diào)整進(jìn)給脈沖，達(dá)到調(diào)整和消除部分誤差的作用，這就是誤差的軟件補(bǔ)償。（5） 系統(tǒng)軟件的抗干擾設(shè)計。為了防止工作現(xiàn)場的各種干擾引起程序的“跑飛”，系統(tǒng)軟件在設(shè)計中必須采取相應(yīng)的措施。具體地說有以下幾個方面：1）系統(tǒng)上電自診。系統(tǒng)冷啟動時CPU，EPROM，RAM等自診確認(rèn)正常方可投入運(yùn)行。2）指令亢余。在輸入，輸出信號間隔一定時間重復(fù)進(jìn)行兩次，以跳過瞬間干擾引起的誤判或誤動作。3) 設(shè)置軟件陷阱。在很多情況下，程序跑飛后很多系統(tǒng)會進(jìn)入死循環(huán)而導(dǎo)致死機(jī)。這是，應(yīng)采取有效措施引導(dǎo)跑飛的程序盡快退出死循環(huán)冰迅速復(fù)位。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計技算 1. 縱向機(jī)械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算（1）切削力計算（2）滾珠絲杠的設(shè)計計算①螺紋滾道型面的選擇：單圓弧形面，雙圓弧型面；要求：經(jīng)濟(jì)，易調(diào)試，穩(wěn)定。方案：選用雙圓弧型面。原因：雙圓弧型面接觸角不變，雙圓弧交接處尚有小空隙可容納一些贓物，這對滾珠絲杠有利而不致堵塞。②滾珠循環(huán)模式：內(nèi)模式，外模式。方案:選用外循環(huán)；原因：結(jié)構(gòu)簡單，公藝性優(yōu)良，適合成批生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)實用，適用于重載荷傳動，高速驅(qū)動及精密定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。③軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊力的選擇：墊片式，螺紋式，齒差式。要求：經(jīng)濟(jì)可靠，易拆裝，剛度高；方案：選用雙螺母墊圈式預(yù)緊；原因：結(jié)構(gòu)簡單；裝卸方便，剛度高；（3） 計算進(jìn)給牽引力。（4） 計算最大荷載。（5） 選滾珠絲杠螺母副。查《機(jī)械零件設(shè)計手冊》，根據(jù)C＜Ca（Ca是絲杠的額定負(fù)載）的原則，是選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。有上面初選絲杠導(dǎo)程及計算所得最大動載荷，選取滾珠絲杠型號為CDM4006——5，其表示外循環(huán)插管式，雙螺母墊圈預(yù)緊，導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為40mm，導(dǎo)程為6mm，右旋螺紋，載荷鋼球為5圈，精度3級的定位滾珠絲杠副。其額定動載荷為28771N＞，故強(qiáng)度足夠。（6） 滾珠絲杠的驗算1） 傳動效率計算。2） 剛度計算。滾珠絲杠工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起導(dǎo)程的變化，因滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時引起的導(dǎo)程變化很小，可忽略不計。3） 穩(wěn)定性校核。（7） 確定齒輪比。（8） 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選擇。（1） 負(fù)載轉(zhuǎn)矩及最大靜轉(zhuǎn)矩的計算（2） 初選電動機(jī)型號（3） 各種工況下轉(zhuǎn)矩計算。2. 橫向機(jī)械傳動部分的數(shù)控化改造和設(shè)計計算（1） 切削力的計算（2） 滾珠絲杠設(shè)計計算滾珠絲杠選型方案可參照縱向機(jī)械傳動部分?jǐn)?shù)控化改造和設(shè)計計算中的選型方案及選擇原因選擇。1） 螺紋滾道型選用雙圓弧面；2） 滾珠循環(huán)方式選用外循環(huán)；3） 軸向間隙調(diào)整及預(yù)緊力選用雙螺母墊圈式預(yù)緊。（3） 計算進(jìn)給牽引力（4） 計算最大動載荷（5） 選擇滾珠絲杠螺母副。同縱向機(jī)械傳動部分?jǐn)?shù)控化改造和設(shè)計計算中的方案。（9） 滾珠絲杠的驗算4） 傳動效率計算。5） 剛度計算。滾珠絲杠工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起導(dǎo)程的變化，因滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時引起的導(dǎo)程變化很小，可忽略不計。6） 穩(wěn)定性校核。（10） 確定齒輪比。（11） 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選擇。（4） 負(fù)載轉(zhuǎn)矩及最大靜轉(zhuǎn)矩的計算（5） 初選電動機(jī)型號（6） 各種工況下轉(zhuǎn)矩計算 主軸脈沖發(fā)生器的安裝（1）主軸脈沖發(fā)生器是為了加工螺紋而安裝的主軸檢測裝置，他與主軸轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步。微機(jī)從主軸脈沖發(fā)生器中取出與螺距相應(yīng)的脈沖數(shù)，使主軸旋轉(zhuǎn)角度與進(jìn)給量保持一定關(guān)系，確保螺距的正確性。螺紋切削時的傳動路線為：主軸——齒輪副——脈沖發(fā)生器——數(shù)控裝置——步進(jìn)電動機(jī)——縱橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu) (2)找到與主軸同步的輸出軸，根據(jù)實際空間大小，現(xiàn)場配作主軸發(fā)生器。 （3）主軸脈沖發(fā)生器選用1200線即可。 自動回轉(zhuǎn)刀架