【正文】 GSK980TD 系統(tǒng)采用了許多由富士通公司制造的高度集成的專(zhuān)用功能芯片。其工作場(chǎng)地的室溫為 045℃，相對(duì)濕度 75%短時(shí)可達(dá) 95%,抗震為 ，電網(wǎng)電壓波動(dòng)為 10%15%,經(jīng)對(duì)使用中系統(tǒng)的實(shí)際統(tǒng)計(jì)， GSK980TD系統(tǒng)的故障率為 ，比較好地滿足了我國(guó)市場(chǎng)的要求。為保證機(jī)床長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，數(shù)控系統(tǒng)必須有抵抗惡劣環(huán)境的高可靠運(yùn)行特性。在對(duì)多 家數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行比較后 !我們選擇了 GSK980TD 型數(shù)控系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng) (CNC 系統(tǒng) )是數(shù)控機(jī)床的控制核心，隨著機(jī)床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，提高了數(shù)控機(jī)床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著，現(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床已在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 15 三． 主要結(jié)構(gòu)的數(shù)控改造方法 數(shù)控系統(tǒng) 的改造 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的靈魂，其性能的穩(wěn)定性直接影響零件的加工的尺寸精度、位置精度 及操作工人的人身安全。 利用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)輸入的加工程序進(jìn)行運(yùn)算處理，發(fā)出的進(jìn)給指令通過(guò) I/O接口輸出給 X 軸和 Z 軸步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，由螺母帶動(dòng)刀架直線移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的自動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在考慮經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造具體方案時(shí)，所遵循的原則是在滿足需要的前提下，對(duì)原有車(chē)床盡可能減少改動(dòng)，以降低改成本。 數(shù)控機(jī)床由機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和外圍技術(shù)三部分組成。 改造方案的確定 CA6140A 車(chē)床主要用于對(duì)中小型軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)及螺紋零件的加工，加工這些零件工藝上要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有：能夠控制主軸正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn) 不同切削速度的主軸變速；刀架能夠?qū)崿F(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并具有在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位完成選擇刀具的功能；加工螺紋時(shí)，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動(dòng)一個(gè)加工螺紋的螺距或?qū)С?。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是 8031 單片機(jī)。在我國(guó)，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的 14 是 Z80CPU 和 MCS51 系列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋?，普及性、通用性?qiáng)，制造 和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。 ③數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。由于要求 CA6140 車(chē)床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)控制系統(tǒng)。 改造 方案的論證 對(duì)于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng) 應(yīng)盡可能少，以降低成本。 13 改造 任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì) CA6140 普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控改造。通過(guò)控制縱、橫進(jìn)給系統(tǒng)，保證改造后的車(chē)床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停等功能。數(shù)控改造主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械改造和數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)。事實(shí)證明：用較少的資金，將普通機(jī)床改造升級(jí)為數(shù)控機(jī)床，可以為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、 實(shí)用性和穩(wěn)定性。用這種裝備加工出來(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。我國(guó)機(jī)床役齡 10 年以上的占 60%以上； 10 年以下的機(jī)床中，自動(dòng) /半自動(dòng)機(jī)床不到 20%， FMC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60%以上）。近 10 年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 ～ 萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為 18 億元。實(shí)際操作起來(lái)以前兩種最多，也最易操作。半防護(hù)是在局部防護(hù)的基礎(chǔ)上增加切削的保護(hù)，即增加擋屑裝置。 機(jī)床防護(hù) 機(jī)床改造后整個(gè)防護(hù)分局部防護(hù)、半防護(hù)和全防護(hù)三種 。 在對(duì)這些機(jī)床改造時(shí)一般都要對(duì)其潤(rùn)滑部分進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，采用稀油集中定量、定時(shí)供油潤(rùn)滑的方式，可分為手控潤(rùn)滑和編程自動(dòng)潤(rùn)化兩種，在機(jī)床導(dǎo)軌、絲杠副布置好油路后可根據(jù)需要任選一種。臥式轉(zhuǎn)塔刀架價(jià)格相對(duì)較貴，改造中常用立式四工位電動(dòng)刀架。老式傳統(tǒng)車(chē)床刀架多為手動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)或少部分的電動(dòng)，改造時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)其加以更換。根據(jù)光電碼盤(pán)上刻線條數(shù)可分為 1024 線、 2048 線等，我們常用的為 1024 線即可滿足要求。我們通常在主軸末端或掛輪架處增裝一光電編碼器，其轉(zhuǎn)速與主軸 11 轉(zhuǎn)速一致，主軸轉(zhuǎn)一周，光電碼盤(pán)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，通過(guò)反饋給系統(tǒng)控制進(jìn)給軸與主軸的同步性，從而加工出理想螺距的螺紋。 如不需要原有機(jī)械變速換擋時(shí)，則需將主軸箱內(nèi)齒輪組固定在一恒定的速度鏈上，摩擦片也應(yīng)焊死以免因?yàn)檎`操作出現(xiàn)事故。普通車(chē)床在數(shù)控化改造時(shí)大部分情況下保留原主軸箱，不做改動(dòng)或少做改動(dòng)。 主軸部分的改造 車(chē)床主軸帶動(dòng)工件以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)是車(chē)削加工中的主運(yùn)動(dòng)，消耗機(jī)床大部分動(dòng)力。無(wú)論是采用齒輪還是同步帶論來(lái)傳動(dòng)，其傳動(dòng)間隙的消除是比較關(guān)鍵的。 (3）電機(jī)與絲杠的聯(lián)接 在滿足機(jī)床要求的前提下，為減少中間環(huán)節(jié)帶來(lái)的傳動(dòng)誤差，我們多將電機(jī)與絲杠副通過(guò)聯(lián)軸器直接聯(lián)接，這要根據(jù)改造中實(shí)際情況來(lái)定。 (2） 機(jī)床導(dǎo)軌 普通車(chē)床導(dǎo)軌大多采用的是滑動(dòng)導(dǎo)軌，其動(dòng)、靜摩擦系數(shù)大，在使用一段時(shí) 10 間后都會(huì)有不同程度的磨損，對(duì)機(jī) 床傳動(dòng)精度和其保持性帶來(lái)很大的影響。這種布置方式絲杠副得支承剛性最好，通過(guò)軸承的預(yù)緊力預(yù)拉伸絲杠，以減少絲杠熱變形的影響。這種安裝方式多在絲杠較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，在 受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承得數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應(yīng)于短絲杠，如數(shù)控機(jī)床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銑床的垂直坐標(biāo)中。絲杠副軸承常見(jiàn)的布置形式根據(jù)不同的需要可以分為以下幾種，如圖 1。絲杠導(dǎo)程在滿足機(jī)床改造后性能的前提下越小，對(duì)機(jī)床的傳動(dòng)精度越有利。由于雙螺母不僅裝配、預(yù)緊調(diào)整等比單螺母方便，而且其傳動(dòng)剛性比單螺母也好，所以只要結(jié)構(gòu)和機(jī)床空間滿足要求，在普通機(jī)床數(shù)控化改造中多選內(nèi)循環(huán)式雙螺母結(jié)構(gòu)。 滾珠絲杠副根據(jù)其滾珠的回轉(zhuǎn)方式可以分 為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種，根據(jù)螺母的結(jié)構(gòu)形式又可以分為雙螺母和單螺母。滾珠絲杠副有以下一些特點(diǎn)：摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可達(dá) ～ ；若使用的絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動(dòng)剛度；摩擦阻力小，幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，動(dòng)靜摩擦力之差極小，能保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長(zhǎng)、精度保持性好。 (1） 滾珠絲杠副的選擇和布置結(jié)構(gòu)形式 普通車(chē)床大多采用的是 T 型絲杠等滑動(dòng)絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動(dòng)效率低，不能適應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)。 X 軸：橫向電機(jī)→減速箱（或聯(lián)軸器）→橫向滾珠絲杠→橫滑板，橫向按數(shù)控指令獲得不同的走刀量。 數(shù)控化改造的內(nèi)容 車(chē)床數(shù)控化改造的主要內(nèi)容和主要結(jié)構(gòu)形式如下： 進(jìn)給軸的改造 普通車(chē)床的 X 軸和 Z 軸均由同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，走刀運(yùn)動(dòng)經(jīng)走刀箱傳動(dòng)絲杠及 溜 8 板箱，獲得不同的工件螺距即 Z 軸運(yùn)動(dòng)；走刀運(yùn)動(dòng)經(jīng)走刀箱傳動(dòng)光桿及溜板箱，獲得不同的進(jìn)刀量即 X 軸運(yùn)動(dòng)?？梢灶A(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。 1984 年，我國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系 統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。許多工廠一面購(gòu)置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、 PC 技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 隨著數(shù)控機(jī)床越來(lái)越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺(tái)機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。但是，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國(guó)家的同類(lèi)產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國(guó)家建設(shè)的需要。 數(shù) 控機(jī)床已成為我國(guó)市場(chǎng)需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。 7 (12) 編程及其他附屬設(shè)備，可用來(lái)在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲(chǔ)等。 (11)輔助裝置，指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤(rùn)滑、照明、監(jiān)測(cè)等。他在數(shù)控裝置的控制下通過(guò)電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。 (9) 數(shù)控裝置，是數(shù)控機(jī)床的核心，包括硬件（印刷電路板、 CRT 顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。數(shù)控機(jī)床一般由下列幾個(gè)部 分組成： (8) 主機(jī)，他是數(shù)控機(jī)床的主題，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)： (1) 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單 件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時(shí)，只需重新編制新工件的加工程序，就能實(shí)現(xiàn)新工件加工。數(shù) 控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開(kāi)創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類(lèi)提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過(guò)程自動(dòng)化的理想手段。因此，利用數(shù)控技術(shù)改造舊設(shè)備已成為我國(guó)推廣全功能數(shù)控機(jī)床的過(guò)渡手段 。 車(chē)床數(shù)控化改造的意義 我國(guó)現(xiàn)在擁有數(shù)量多達(dá) 300 多萬(wàn)臺(tái)的通用機(jī)床，其中大部分機(jī)床的加工精度、生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度與先進(jìn)設(shè)備相比不高，要想在幾年內(nèi)大量地用數(shù)控機(jī)床來(lái)更新，無(wú)論在資金上還是技術(shù)力量上都是難以實(shí)現(xiàn)的。 5 (5)由于長(zhǎng)期以來(lái)形成的設(shè)計(jì)、工藝和制造部門(mén)分立 ,缺乏有效的協(xié)同開(kāi)發(fā)的模式 ,不能從制訂方案開(kāi)始就融入各方面的正確意見(jiàn) ,容易造成產(chǎn)品的反復(fù)修改 ,延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)的周期。在國(guó)外 ,這項(xiàng)修改工作在計(jì)算機(jī)的輔助下一般僅需數(shù)天至一周 ,而在我國(guó)機(jī)床廠用手工操作就至少 需 1～ 2 個(gè)月 ,且由于這些圖紙和文件涉及多個(gè)部門(mén) ,常會(huì)出現(xiàn)漏改和失誤的現(xiàn)象 ,影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期。 (2) 我國(guó)工廠由于缺乏設(shè)計(jì)的科學(xué)分析工具 (如分析和評(píng)價(jià)軟件、整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析方法以及機(jī)床性能測(cè)試裝置等 ),自行開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗(yàn)和類(lèi)比設(shè)計(jì) ,使設(shè)計(jì)一次成功的把握性降低 ,往往需要反復(fù)試制才能定型 ,從而可能錯(cuò)過(guò)新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的良機(jī)。而國(guó)外一些先進(jìn)機(jī)床廠同類(lèi)基型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期為 6～ 9 個(gè)月 ,其中設(shè)計(jì)約 ～ 2 個(gè)月 ,只占 25%。 這種現(xiàn)象的出現(xiàn) ,除了有經(jīng)營(yíng)上、產(chǎn)品制造質(zhì)量上和促銷(xiāo)手段上等原因外 ,一個(gè)主要的原因是我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床品種、性能和結(jié)構(gòu)不夠先進(jìn) ,新產(chǎn)品 (包括基型、變型和專(zhuān)用機(jī)床 )的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng) ,從而不能及時(shí)針對(duì)用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。 90 年國(guó)外數(shù)控機(jī)床在我國(guó)市場(chǎng)的占有率僅達(dá) 15%左右 ,而 95 年已達(dá) 77%。因?yàn)橐环矫嫖覈?guó)普通車(chē)床保有量大，要將普通車(chē)床淘汰掉是不經(jīng)濟(jì)、也不現(xiàn) 實(shí)的做法；另一方面，從我國(guó)目前生產(chǎn)狀況來(lái)看，仍然以生產(chǎn)普通車(chē)床為主，普通車(chē)床的數(shù)控化改造將會(huì)長(zhǎng)期存在，并會(huì)不斷的發(fā)展。我國(guó)現(xiàn)正處于從以勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)為主向以技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)為主的發(fā)展階段，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的需求會(huì)越來(lái)越大、越來(lái)越積極。我國(guó)是一個(gè)機(jī)床擁有量極大的國(guó)家，但大部分機(jī)床服役齡較 長(zhǎng)，采取對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行改造來(lái)提高設(shè)備的先