【正文】 強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應等等。 (5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 (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。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。(2) 引入專家系統(tǒng)指導加工　　將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。 (3) 數(shù)控機床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。金切機床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率 %%。 國內(nèi)數(shù)控機床的特點出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，消費額比上一年增長25%。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。6年后，即在1952年，計算機技術(shù)應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。1 概 論 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史　　1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，%。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。： (1) 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導地位。 (2) 數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。 ，%。 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢、基于PC的第六代方向發(fā)展基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。(1)應用自適應控制技術(shù)　　數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。(3) 引入故障診斷專家系統(tǒng)(4) 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。(1) 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。 (2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。數(shù)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(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了柔性自動化。 (4) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (6) 由以上五條派生的好處。 　　從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落20年。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。由于機床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進步，機床改造是一個永恒的課題。近10年來，～，年產(chǎn)值約為18億元。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。 (2) 進口設備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場　　我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造?！　∵@些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設發(fā)揮了應有的作用。一些設備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設備故障不能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術(shù)更新?！　∵@些不能使用的設備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。這也是一個極大的改造市場。b) 機械的穩(wěn)定性可靠 機床的床身，立柱等基礎件都是重而堅固的鑄鐵構(gòu)件，而鑄件越久自然失效充分，內(nèi)應力的消除使得比新的鑄件更穩(wěn)定，這些鑄件的使用又可以節(jié)約社會資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時對環(huán)境的污染。d) 可以充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有的地基，不必像購新機時重新構(gòu)筑新基，同時工夾具、樣板和外設備也可以在利用。而采用改造方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法再某些部件設計改造成專用的數(shù)控機床。2 普通車床數(shù)控改造的可行性論證對于普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設計方案時，應遵循的原則是：在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能的少，以降低成本。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關(guān)等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合要求的零件。本設計任務是對C6163臥式車床進行數(shù)控化改造，實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制。 數(shù)控部分的設計改造(1) 數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。(2)伺服進給系統(tǒng)的設計改造 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。但他結(jié)構(gòu)復雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價高。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復雜，設計上也要有其自身的特點，技術(shù)難度較大。經(jīng)過上序比較，由于所改造的C6163車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)控裝置的設計方案通常有：a) 可以全部自己設計制作b) 可以采用單板機或STD模塊或工控機改制c) 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應化改動跟據(jù)本次設計的要求采用第一種設計方案。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構(gòu)。(2) 進給機構(gòu)的改造將原機床的掛輪機構(gòu)、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除。 可行性論證 根據(jù)《自動化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術(shù)和經(jīng)濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù)。根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標，改造的基礎條件、目標、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結(jié)論等。本改造設計是對普通車床C6136進行經(jīng)濟型數(shù)控改造。這樣設備改造費用和舊設備費用總計不會超過8萬元。它具有一定的典型性和實用性。考慮到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。由于MCS—51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，決定采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。為了保證一定的傳動精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結(jié)構(gòu)。 運動方式的確定數(shù)按系統(tǒng)運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 機構(gòu)傳動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。例如采用隙齒輪等?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。例如采用預加負載導軌和滾珠絲杠副等。 總體方案框圖 圖31 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核實例 計算切削力橫切端面 查《綜合作業(yè)指導書》P13頁式中——車床床身上加工最大直徑橫切端面時主切削力可取縱切時的 式中 ——走刀方向的切削力（N） ——垂直走刀方向的切削力（N） 桿螺母副的設計、計算與選型(1) 計算牽引力橫向進給選為三角型或綜合導軌 參考《》； 查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁 式中：，——切削分力（Ｎ） G——移動部件的重量（N） 表11查得橫向溜板及刀架重力500N ——滑動導軌摩擦系數(shù)，隨導軌形式而不同 取= K——考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù) 取K=(2) 計算最大動負載C 選用滾珠絲桿導軌 參考《》P185P210 查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁 式中：L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位 n——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min） ——為最大切削條件下進給速度，可取最高進給速度的1/21/3 取 ——絲桿導程（mm） 初選=6mm T——為使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h ——運轉(zhuǎn)系數(shù)，(3) 螺母副的選型查閱《綜合作業(yè)指導書》附表Ａ2，可采用WD3006外循環(huán)墊片調(diào)整緊的雙螺母滾珠絲桿副，其額定動負載為9700N,精度等級按表317選為３級?！D32計算如下:a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)b) 查閱《綜合作業(yè)指導書》圖34,根據(jù)＝,D=30mm查出 可算出：　　　c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量　　　　　　　因進行了預緊d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形　　采用推力球軸承5204查閱《》,d=20mm,滾動體直徑=,數(shù)量Z=13綜合以上幾項變形量之和：〈定位精度(6) 穩(wěn)定性校核計算臨界負載(N) 式中:E——材料彈性模量() I——截面慣性矩() L——絲桿兩軸承端距離(cm) ——絲桿支承方式系數(shù)，一端固定， 一般=,所以此滾珠絲桿不會產(chǎn)生失穩(wěn)。因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)````取2，有關(guān)參數(shù)參照表2表2: 傳動齒輪幾何參數(shù)齒數(shù) Z18452032分度圓d=mz36904064齒頂圓40944468齒根圓31853559齒寬(610)m20中心距6352 橫向步進電機的計算，校核和選型(1) 初選步進電機a) 計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩 查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁式中: ——脈沖當量，取 ——進給牽引力(N) ——步距角，初選雙拍制為 ——電機—絲桿傳動效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為 b) 估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩() c) 計算最大靜轉(zhuǎn)矩查表322如取五相十拍，則d) 計算步進電機運行頻率和最高啟動頻率 式中:——最大切削進給速度 ——最大快移速度 ——脈沖當量，取 可以滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床有可能使用較大的切削用量，應該選用稍大轉(zhuǎn)矩的步進電機，以留有一定余量，另一方面與國內(nèi)同類型機床進行類比的要求。(2) 校核步進電機轉(zhuǎn)矩前面所述初選步進電機的轉(zhuǎn)矩計算，均為估算，初選后，應該進行校核計算。c) 電機轉(zhuǎn)矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算: 快速空載起動轉(zhuǎn)矩在快速空載起動階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計算如下： 式中: ——快速空載起動轉(zhuǎn)矩 ——空載起動時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ——折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ——由于絲桿預緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 在