【文章內容簡介】 較典型的有南京大方的JWK系列。我國是機床生產大國，又是使用大國。數控機床是機械工業(yè)發(fā)展的關鍵產品，我國的數控機床在機床產品中的比例總體水平低。但是我國是發(fā)展中國家，許多企業(yè)財力薄弱，不可能花費大量的資金添置許多全新的數控機床，同時大量的通用機床不可能全部淘汰。因此，把普通機床改造為數控機床則不失為是一條提高數控化率的有效途徑，機床改造花費少，改造針對性強，時間短，改造后的機床大多能克服原機床的缺點和存在的問題，生產效率高。 數控機床發(fā)展趨勢高速、高效、高精度、高可靠性1) 高速、高效加工進入21世紀，機床向高速化方向發(fā)展，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質量和精度。上世紀90年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。2) 高精度、超精密化加工當前，機械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍，達到5um；精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加丁精度進入納米級()，，加工表面粗糙度Ra=。從精密加工發(fā)展到超精密加工(特高精度加工)，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(10nm)，其應用范圍日趨廣泛。高可靠性是指數控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設備的可靠性在一個數量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠。對于每天工作兩班的無人工廠而言．如果要求在16小時內連續(xù)正常工作，無故障率P(t)=99％以上的話，則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。當前國外數控裝置的MTBF值已達60000小時以上，驅動裝置達30000小時以上。模塊化、智能化、柔性化和集成化1）模塊化、專門化與個性化為了適應數控機床多品種、小批量的特點，機床結構模塊化，數控功能專門化，機床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。個性化是近幾年來特別明顯的發(fā)展趨勢。2）智能化在數控系統(tǒng)中智能化的內容包括：①為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如自適應控制，工藝參數自動生成；②為提高驅動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算等：③簡化編程、簡化操作方面的智能化；④智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容等。2）柔性化和集成化數控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、工廠自動化FA)、體(cIMS、分布式網絡集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發(fā)展。開放性為適應數控進線、聯(lián)網、普及型個性化、多品種、小批量、柔性化及數控迅速發(fā)展的要求，最重要的發(fā)展趨勢是體系結{每的開放性，設計生產開放式的數控系統(tǒng)，例如美國的OMAC、歐共體的OSACA及日本的OSEC發(fā)展開放式數控的計劃等。出現(xiàn)新一代數控加工工藝與裝備 機床數控化改造的優(yōu)越性 機床數控化改造的技術優(yōu)越性(1) 數控機床比傳統(tǒng)機床有突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數控系統(tǒng)中計算機的作用。(2) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。(3) 可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高3到7倍。傳統(tǒng)機床靠凸輪或擋等可實現(xiàn)“剛性自動化”，且只有進行大批量生產時，才經濟合算；而數控機床只要更換一個程序就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以白動化，故稱之為“柔性自動化”。(4) 加工的零件精度高，尺寸分散度小，裝配容易，不再需要“修配”。這是由于加工過程自動化，不受人的情緒和疲勞影響的結果。計算機還可以自動進行刀具壽命管理，不會因刀具磨損而影響工件精度和其一致性。數控系統(tǒng)中增加的機床誤差、加工誤差修正補償的功能，使加工精度得到進一步提高。(5) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床問的頻繁搬運。這是自動化帶來的效果(可以自換刀)，如加工中心，在工件裝夾好后，可實現(xiàn)鉆、銑、攻絲、擴孔等多工序的加工。這些多工序是在同一基面、同一次裝夾下實現(xiàn)的，提高了相關的加工精度?，F(xiàn)已出現(xiàn)其他工序集中的機床。如車削中心、車銑中心、磨削中心等。(6) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。(7) 數控加工降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力，減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，并可對市場需求做出快速反應。 機床數控化改造的客觀優(yōu)越性(1) 費用低，經濟性好，改造周期短可滿足生產急需，同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60%～80%的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1/3，以大型的龍門加工中心為例，進口新的需要10005000萬元，而升級改造只需要100～500萬元，僅占成本的1/10，且交貨期短。(2) 改造后的機床機械性能穩(wěn)定可靠、功能增強、質量好、效率高，可作為新設備繼續(xù)使用多年。(3) 降低了對操作者的技術要求，更易提高管理水平，操作者只需編程、裝夾工件和按開關，加工全部由電腦控制自動完成，即使再復雜的工件也能快速完成，省去了對技術要求的煩惱，同時提高了定額管理水平。(4) 可以采用雖新的控制技術，可根據技術革新的速度，及時地提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機床改成具有當今水平的機床。 機床數控化改造的現(xiàn)實意義與市場前景目前在我國400余萬臺機床擁有量中，機床數控化率不到3%，而陳舊普通機床占到60％之多。這些舊裝備(機床)大部分結構陳舊，操作系統(tǒng)復雜，控制系統(tǒng)落后。用這種舊裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。如果購置新機床全部去取代舊機床，顯然義會導致舊機床的閑置和巨大浪費，也不現(xiàn)實：況且購買一臺數控機床動輒十幾萬、幾十萬，甚至上百萬，在我國一些企業(yè)是很難承受的。因此如何用較少的費用，獲得具有數控功能的機床就成為一個值得探討的問題。普通機床數控化升級改造不失為一種行之有效的方法，并可為企業(yè)節(jié)約大量資金，具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的市場前景。如：國防科技工業(yè)完成了3000多臺普通機床數控化改造，改造后生產效率提高約3倍，加工精度提高20%，與新購設備相比可節(jié)約資金50％以上。 X5032數控銑床改造設計總體要求和內容 數控銑床改造設計總體要求數控銑床改造設計主要考慮以下四方面因素：(1) 經濟性既然是用于普通銑床的數控化改造，因此，必須充分考慮系統(tǒng)的成本，這是保證達到系統(tǒng)設計目的關鍵。這里的成本包括數控系統(tǒng)，主傳動系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)及機械傳動系統(tǒng)等。(2) 方便性數控系統(tǒng)的方便性主要反映在系統(tǒng)的人機界面。人機界面應當對用戶友好，對此系統(tǒng)應從以下幾個途徑來體現(xiàn)： 漢化按鍵，方便各種層次的操作者使用。輸入、檢索、修改盡量一體化。即輸入時可以檢索、修改，檢索時可以修改、輸入，并且自動顯示程序段號?？焖贆z索，即能對程序進行上下翻頁顯示。(3) 實用性經濟型數控系統(tǒng)的設計不應追求功能的大而全，應以實用為原則。一般的機械加工只要能具有以下功能即可滿足需要：直線、圓弧插補。插補速度要充分考慮被改造機床本身的內在素質，如剛性、抗震性、耐磨性等，不宜過高。速度銜接技術，即速度升/降速控制。速度銜接技術可以保證系統(tǒng)在加工過程中實現(xiàn)2段程序問的速度平滑連接，從而避免造成加工刀痕，保證精度。變頻調速。加工程序的掉電保護能力。(4) 可靠性由于數控系統(tǒng)工作環(huán)境十分惡劣，必須有足夠的可靠性才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 數控銑床改造設計內容(1) 主傳動系統(tǒng)設計拆除機床主軸，重新設計主軸。為了保證主軸在運動時有準確的定位，安裝主傳動的定位檢測裝置。采用電氣式主軸準停裝置，利用磁力傳感器檢測定位。只要數控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準確的定位。這種磁力傳感器的工作原理是，在主軸上裝上永磁鐵和主軸一起旋轉，在距離磁鐵l2mm的旋轉軌跡外，固定一個磁傳感器，當傳感器發(fā)出信號后經過放大，由定向電路使電動機準確的停止在規(guī)定的周向位置上。將主傳動改為采用變頻交流電動機無級調速。低檔轉速為2701500r/min，高檔轉速為15004500r/min，在各檔內可以實現(xiàn)無級調速。與原立式銑床的機械結構相比比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，主傳動系統(tǒng)是一個開環(huán)控制的交流變頻調速系統(tǒng)，通過軟件來實現(xiàn)它的調速。(2) 進給傳動系統(tǒng)設計縱向、橫向、垂向進給箱齒輪全部拆除，拆除縱向、橫向、垂向進給手柄，在該處將手輪軸通過一對減速齒輪和縱向、橫向及垂向步進電機相連。絲杠拆去，換上滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，使改造后的機床的機械傳動部分具有高靜態(tài)、動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦因數小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。，其定位精度為177。，重復定位精度為177。0．005mm。X、Y電機能夠拖動工作臺以63200r／min的切削進給速度進行x向、Y向運動，Z向電機能使主軸箱獲得31600r／min的進給速度。(3) 數控系統(tǒng)的設計采用AT89C58單片機控制系統(tǒng)。采用模塊化設計方案，從總體上分為人機界面模塊、坐標進給模塊、變頻調速控制模塊、串行通信模塊、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及基于89C58單片機的主控模塊。利用變頻調速的原理，設計主軸的無級變頻調速系統(tǒng)；通過插補算法，實現(xiàn)步進電機的準確定位以便達到工件的精確度；通過鍵盤和顯示模塊，實現(xiàn)程序的編輯和顯示；通過其他輔助系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)機床功能的完善化。1—雙聯(lián)齒輪 2—雙聯(lián)齒輪 3—齒輪軸 4—主軸電機 5—齒輪 6—主軸齒輪 7—主軸齒輪 8—縱向滾珠絲杠 9—薄片齒輪 10—縱向步進電機 11—橫向步進電機12—薄片齒輪 13—橫向滾珠絲杠 14—垂直步進電機 15—薄片齒輪16—圓錐齒輪 17—垂直進給絲杠 X5032銑床傳動示意圖 改造后的數控銑床功能分析 根據設計要求，改造后的數控銑床應具有以下功能：以實現(xiàn)程序的存儲和編輯功能；以實現(xiàn)主傳動系統(tǒng)電機正、反轉，轉速分為兩檔，并在各檔內可以實現(xiàn)無級調速；可以在平面或空間范圍內按設定曲線(直線、圓弧等)恒速或變速運行；以實現(xiàn)數值的任意設定并顯示；以實現(xiàn)輔助控制系統(tǒng)的任意起停和故障報警；以實現(xiàn)與上位機的通訊。2 數控機床及控制方式 數控機床的組成及工作原理數控機床是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統(tǒng)的機床。國際信息處聯(lián)盟(International Federation of Information Processing，IFIP)第五技術委員會，對數控機床作了如下定義：數控機床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號碼或其它符號指令規(guī)定的程序。 數控機床的組成數控機床通常由程序載體(控制介質)、輸入裝置、數控裝置、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)和機床本體組成，如圖21所示。其中實線部分為開環(huán)控制數控機床框圖，上述系統(tǒng)再加上虛線部分，就構成具有測量反饋功能的閉環(huán)控制數控機床框圖。(1) 控制介質(信息載體)數控機床加工時，為了得到圖樣上所規(guī)定的零件形狀和加工精度，在加工過程中，機床所需要的全部操作動作和刀具相對于工件的運動軌跡，都是由我們按著一定的要求和順序編成控制指令即加工程序，并把它存放在一種存儲物上。此存儲物就是在人和機床之間建立聯(lián)系的媒介物，也就是控制介質或稱信息載體?？刂平橘|可以是穿孔紙帶，磁帶、磁盤或其他可存儲物質。(2) 數控裝置數控裝置是數控機床的中心環(huán)節(jié)，它接受控制介質輸入的信息，經過處理與運算去控制機床動作。數控裝置由輸入裝置、存儲器、控制器及一套處理數控加工的相關軟件、運算器和輸出裝置組成。(3) 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)(英文Servo的音譯)是數控裝置與機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它把來自數控裝置的指令轉變?yōu)闄C床部件的運動，使工作臺和主軸按規(guī)定的動作運動，加工出合格產品。 數控機床的工作原理在使用數控機床進行數控加工時，把零件的加工信息(如零件尺寸、形狀和技術條件)編出工件加工程序，將加工工件時刀具相對于工件的位置和機床全部動作順序，按規(guī)定格式和代碼記錄在信息載體上；把信息載體(控制介質)即工件加工程序輸入計算機數控裝置；控裝置接收由穿孔帶、閱讀機、磁盤、鍵盤等送入的代碼信息，經過識別與譯碼之后送到指定存儲區(qū)，作為控制與運算的原始數據；伺服驅動系統(tǒng)把來自數控裝置的運動指令轉變成機床移動部件的運動，使工作臺按規(guī)定軌跡移動或定位，加工出符合圖樣要求的工件；輔助裝置把計算機送來的輔助控制指令，經機床接口電路轉換成強電信號，用來控制機床主軸電機的啟動停車，主軸轉速調整，冷卻泵啟停以及轉位換刀；反饋系統(tǒng)將機床移動的實際位置，速度參數檢測出來。轉換成電信號。并反饋到計算機中，使計算機隨時判斷機床的實際位置、速度是否與指令一致，并發(fā)出相應指令，糾正所產生的誤差。零件在機床上加工過程如圖21所示，當改變加工工件時，在數控機床上只需改變加工程序即可進行新零件加工。 數控機床控制方式選擇 位置控制方式分類伺服系統(tǒng)是位置控制系統(tǒng)，是數控裝置與機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，位置控制按其結構分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。(1) 開環(huán)控制形式如圖22是典型的開環(huán)數控系統(tǒng)，其中沒有位置檢測反饋裝置，指令是單方向傳送的，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要使用步進電機。插補器進行插補，發(fā)出指令脈沖，經驅動放大電路放大后，驅動步進電機轉動，一個進給脈沖使步進電機轉動一個角度，通過齒輪減速，絲杠傳動使工作臺移動一定距離，因此，工作臺的位移量與步進電機的轉角成正比，即與進給脈沖數目成正比。改變進給脈沖數目和頻率，可以控制工作臺的移動量和速度。開環(huán)控制結構簡單，調試方便，容易維修，成本較低，但控制精度不高，適宜于經濟型數控機床及數控改造。 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖(2) 閉環(huán)控制形式安裝在工作臺上的檢測元件將工作臺的實際位移量反饋到計算機中，與所要求的位移量相比較，用比較的差值進行控制，直到差值消除為止，從而使精度大大