【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 編程自動(dòng)化 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、修改帶來了極大的方便。并進(jìn)一步采用了前臺(tái)加工后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能，使數(shù)控機(jī)床的利用率得到更大的發(fā) 揮。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前 CAD被彈入圖形交互式自動(dòng)編程已 得到應(yīng)用，它是利用 CAD繪制的零件加工圖樣，自動(dòng)生成 NC零件加工程 序，實(shí)現(xiàn) CAD與 CAM的集成。隨著 CIMS技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了 CAD/CAPP/CAM集 成的全自動(dòng)編程方式，它與 CAD/CAM系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必有人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的 CAPP數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。另外，還出現(xiàn)了測(cè)量、編程、加工一體化系統(tǒng)。它是通過激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等對(duì)樣機(jī)零件進(jìn)行測(cè)量，并把所測(cè)得數(shù)據(jù)直接送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，一方面通過 CAD系統(tǒng)而獲得樣機(jī)零件圖樣，另一方面通過數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，將其處理生成 NC加工程序，然后通過通信 接口送入數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行控制自動(dòng)加工。 更高的可靠性 數(shù)控機(jī)床工作的可靠性是用戶最關(guān)注的主要指標(biāo)，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服 驅(qū)動(dòng)單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個(gè)方面采取措施。 (1) 提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量 .采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模 和超大規(guī)模的專用機(jī)混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，精簡(jiǎn)外部連 線和降低功耗，對(duì)元器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選，采用高質(zhì)量的多層印制電路板， 實(shí)行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過必要的老化、振動(dòng)等有關(guān)考機(jī)試驗(yàn)。 (2) 模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種 控制功能的要求，同時(shí)采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，既提高了 硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和 6 質(zhì)量把關(guān)。 (3) 增強(qiáng)故障自診斷、 自恢復(fù)和保護(hù)功能。通過自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)診斷、 在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種 外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。利用報(bào)警提示，及時(shí)排除故障 。利用容錯(cuò) 技術(shù)，對(duì)重要部件采取冗余設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)故障自恢復(fù) 。利用各種測(cè)試、監(jiān) 控技術(shù)，當(dāng)產(chǎn)生超程、刀損、干擾、斷電等各種意外事件時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行相 應(yīng)的保護(hù)。 機(jī) 床數(shù)控化改造的必要性 從微觀上看數(shù)控機(jī)床相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性。這些優(yōu)越性 均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的特性。 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床無法加工的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由 于計(jì)算機(jī)可以瞬 時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)量，就可以復(fù)合成復(fù)雜 的曲線和曲面。 (2) 可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，且是柔性自動(dòng)化，效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高 37倍。計(jì)算機(jī)可以將輸入的程序記憶和存儲(chǔ)，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。傳統(tǒng)機(jī)床可以靠凸輪或擋塊等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化， 稱之為剛性自動(dòng)化。但凸輪制造及調(diào)整比較費(fèi)時(shí)，只有進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)才經(jīng)濟(jì)合理。而數(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，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動(dòng)化，稱之為“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”。加工過程自動(dòng)化，不受人的情緒高低和疲勞因素的影響。計(jì)算機(jī)還 可以自動(dòng)進(jìn)行刀具壽命管理，不會(huì)因?yàn)榈毒吣p而影響工件精度和一致性。此外數(shù)控系統(tǒng)中增加了機(jī)床誤差、加工誤差修正補(bǔ)償?shù)墓δ?，使加?精度得到進(jìn)一步提高。 (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)是自動(dòng)化 帶來的效果 (可以自動(dòng)更換刀具 )。如加工中心在工件裝夾后，可實(shí)現(xiàn)鉆、 銑、鏗、攻絲、擴(kuò)孔等多工序的加工。現(xiàn)在己出現(xiàn)其他工序集中的機(jī)床、 如車削中心、車銑中心、 磨削中心等。 (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 無人加工。在配備多種傳感器條件下，工人只工作 8小時(shí)，而 機(jī)床可工作 24小時(shí)，勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)周期的縮短等效益是非常 明顯的。 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)。 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年代初己開始大規(guī)模應(yīng)用 7 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) )的技術(shù)改造，除采用數(shù)控機(jī)床外、還包括推行 CAD, CAE,CAM及 MIS(管理信息系統(tǒng) )、 CMS(計(jì)算機(jī)集成制造 系統(tǒng) )。以及在其產(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)，而我國(guó)在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā) 達(dá)國(guó)家落后約 20年，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上 說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。 從 20世紀(jì) 80年代開始，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在引進(jìn)、消化國(guó)外技術(shù)的基 礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，到 1995年底，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的可供品種己超過 300種，其中數(shù)控車床占 40%以上。但是大型臥式銼銑床由于其精 度高，加工零件曲線的不規(guī)則，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面要求都高， 目前國(guó)內(nèi)的大部分均采用昂貴的進(jìn)口設(shè)備。 8 第二章 機(jī)床改造的任務(wù)及總體思想 機(jī)床改造的總體任務(wù) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算：此部分為設(shè)計(jì)計(jì)算部分，用以確定脈沖當(dāng)量，進(jìn)給牽引力，選擇絲杠螺母副，計(jì)算傳動(dòng)效率，確定傳動(dòng)比，選擇伺服電機(jī)等，并繪制改造后機(jī)床的總裝配圖及箱體。 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定 伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)： 開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置 的控制指令直接通過驅(qū)動(dòng)裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成刀架或工作臺(tái)的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒有檢測(cè)反饋校正，位移精度一般不高，但其控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。 閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床刀架或工作臺(tái)等執(zhí)行部件上，用以直接檢測(cè)這些執(zhí)行部件的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），并將其與 CNC 裝置的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行控制。但是，由于很多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)包含在閉環(huán)控制的環(huán)路中，各部件的摩擦性，剛性等都是非線性量，直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)速都有 很大難度。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度要求高的場(chǎng)合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測(cè)元件裝在電機(jī)或者絲杠的端頭，通過測(cè)量伺服電機(jī)的角位移間接計(jì)算出機(jī)床工作臺(tái)等執(zhí)行部件的實(shí)際位置（或位移），然后進(jìn)行反饋控制。由于將絲杠螺母副及機(jī)床工作臺(tái)等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補(bǔ)償他們的運(yùn)動(dòng)誤差，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調(diào)試比較方便、價(jià)格也較全閉環(huán)系統(tǒng)便宜。 本次改造由于使用步進(jìn)電機(jī)，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng)。 傳動(dòng)方式的選擇 為保證改造后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度及工作臺(tái)的平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)床的傳動(dòng) 系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)努力保證傳動(dòng)系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。因此在傳動(dòng)系統(tǒng)中注意以下幾點(diǎn)： (1) 用低摩擦高精度的傳動(dòng)元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動(dòng)導(dǎo)軌。 (2) 采 用消隙齒輪減小傳動(dòng)間隙。 9 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計(jì) 為了使數(shù)控系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期、可靠、方便地在工業(yè)環(huán)鏡中運(yùn)行，在制定 數(shù)控系統(tǒng)總體方案時(shí)必須重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。 (1) 加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的因素很多，硬件規(guī)模 和硬件的制造工藝水平往往是影響可靠性的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)選用高性 能的 CPU作為系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，并盡量用軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù) 控系統(tǒng)的功 能。在系統(tǒng)的具體硬件構(gòu)成上，選用可靠性高的工控 PC作為數(shù)控系統(tǒng)硬 件平臺(tái)，減少自制硬件數(shù)量。此外，在軟件設(shè)計(jì)、電源選用、接插件設(shè)計(jì) 與選用、接地與屏蔽設(shè)計(jì)等方面采用強(qiáng)抗干擾、高可靠性的設(shè)計(jì)，從而全 面提高系統(tǒng)的可靠性。 (2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。數(shù)控系統(tǒng)的控制精度是保證機(jī)床加 工精度的關(guān)鍵。因此，它在數(shù)控系統(tǒng)中處于重要位置。如提高數(shù)控系統(tǒng)的 最小分辨率，使用高精度的步進(jìn)電機(jī)，采用高速高精度插補(bǔ)算法，提高軌跡生成精度 。增強(qiáng)位置環(huán)控制能力 。增加補(bǔ)償功能等。 (3) 提高使用方便性。提高數(shù)控編程的方便性，是 提高數(shù)控系統(tǒng)使 用方便性的關(guān)鍵。因此，數(shù)控系統(tǒng)除提供全屏幕編輯進(jìn)行手工編程外，還 應(yīng)該配置自動(dòng)編程系統(tǒng)，從而大大提高數(shù)控編程的速度和智能化程度，大大方便普通用戶的使用。另外，因?yàn)楝F(xiàn)代工人都比較熟悉個(gè)人計(jì)算機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)在操作方面應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)鍵盤或與其兼容的薄膜鍵盤等輸入設(shè)備，也可用軟盤、移動(dòng)磁盤、串行通訊、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等輸入零件程序。此外，數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置仿真功能，便于用戶在加工前檢查零件程序的正 確性。 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)由工控 PC硬件平臺(tái)、數(shù)控操作面板 (包括 LCD顯示器，鍵盤 )、數(shù)控接口板卡 (工 /0板 ， D/A板 )和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。 PC硬件平臺(tái)包括工控電源、無源母板、工控 PC主板和軟盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤 驅(qū)動(dòng)器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計(jì)算機(jī)與外部執(zhí)行裝置間進(jìn)行信息交換和轉(zhuǎn)換的通道，對(duì)內(nèi)通過無源母板 與工控 PC主板相連，對(duì)外通過屏蔽電纜與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置相連接。 該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)包括四個(gè)子系統(tǒng) :進(jìn)給軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng) 。主軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng) 。開關(guān)量控制系統(tǒng)。 主軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的功能包括兩方面 :主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制，以 滿足寬范圍切削速度的要求 。主軸轉(zhuǎn)角的精確控制，以滿足加工螺紋時(shí)的 主軸與進(jìn)給軸的聯(lián)動(dòng)控制和換刀時(shí)的主軸精確定位控制要求。 10 開關(guān)量控制系統(tǒng)完成機(jī)床的邏輯順序運(yùn)動(dòng)控制，如主軸起?？刂啤⒌毒呓粨Q、工件裝夾、冷卻開關(guān)、行程保護(hù)等任務(wù)。開關(guān)量控制系統(tǒng)與其它 模塊相配合，共同完成機(jī)床工作過程的控制。 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)軟件為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務(wù)在數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)進(jìn)行。 (1) 數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對(duì) 系統(tǒng)中的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)各任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的高效 運(yùn)行，并輔助完成各任務(wù)間的通訊和信息交換。 (2) 信息預(yù)處 理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補(bǔ)前的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和刀補(bǔ)運(yùn)算。 (3) 軌跡插補(bǔ)。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)是根據(jù)信息預(yù)處理給出的希望軌跡和從檢測(cè)裝置獲得的實(shí)際軌跡信息，實(shí)時(shí)生成機(jī)床各坐 標(biāo)軸的移動(dòng)指令，并完成機(jī)床運(yùn)動(dòng)的加減速控制。 (4) 運(yùn)動(dòng)控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補(bǔ)運(yùn) 算結(jié)果，通過高速算法對(duì)機(jī)