【正文】 低水平 ， 即 國內(nèi)市場也面臨著嚴峻的形勢 ,一方面國內(nèi)市場對各類機床產(chǎn)品特別是數(shù)控機床有大量的需求 ,而另一方面卻有不少國產(chǎn)機床滯銷積壓 ,國外機床產(chǎn)品充斥市場。嚴重影響我國數(shù)控機床自主發(fā)展的勢頭。具體地說 ,這個問題反映在下列五個方面 : (1) 我國機床廠目前開發(fā)基型產(chǎn)品的周期約為 15～ 18 個月 ,其中設(shè)計時間約為 5～ 8 個月 ,占總周期的 40%左右。因此無論是產(chǎn)品開發(fā)的總周期還是設(shè)計所占的時間比例均與國外先進 水平有很大的差距。 (3) 用戶根據(jù)使用需要 ,在訂貨時往往提出一些特殊要求 ,甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)時有的用戶臨時提出一些要求 ,這就需要迅速變型設(shè)計和修改相應(yīng)的圖紙及技術(shù)文件。 (4) 現(xiàn)在我國工廠設(shè)計和工藝人員中青年占多數(shù) ,他們的專業(yè)知識和實際經(jīng)驗不足 , 又擔負著開發(fā)的重任。 為解決這些問題 ,必須對產(chǎn)品開發(fā)的整個過程綜合應(yīng)用計算機技術(shù) ,發(fā)展優(yōu)化和仿真技術(shù) ,提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能 ,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使設(shè)計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產(chǎn)品虛擬開發(fā)環(huán)境 ,使用相應(yīng)的產(chǎn)品虛擬開發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產(chǎn)品開發(fā)的落后局面 ,使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟效益。近 10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 ～ 萬臺，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。 經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。事實證明 ：用較少的資金，將普通機床改造升級為數(shù)控機床，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。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。 設(shè)計參數(shù) 1） 機床最大加工直徑：在床身上 400mm，在床鞍上 210mm。 3） 拖板及刀架重力：縱向： 1000N，橫向： 600N。 5） 最大進給速度：縱向： ，橫向： 。 7） 主軸電機功率： 。 9） 最小分辨率：縱向： ，橫向： 。由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補、圓弧插補、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)。 （ 2）計算機 控制系統(tǒng)的 選擇。 GSK980TA1 是 GSK980 系列的最新產(chǎn)品之一，采用了 32位嵌入式 CPU和超大規(guī)?？删幊唐骷?FPGA，運用實時多任務(wù)控制技術(shù)和硬件插補技術(shù)，實現(xiàn) μm 級精度的運動控制，確保高速、高效率加工。 在操作編程方 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 5 頁 面，采用 ISO 國際標準數(shù) 控 G代碼，同時兼容日本發(fā)那科（ FANUC）數(shù)控系統(tǒng)，國內(nèi)主流的編程方式，方便操作者更快、更容易使用本系統(tǒng)。 其特點如下： ① 程序預讀功能實現(xiàn)了切削速度最佳的加 /減速控制 系統(tǒng)預測控制可預讀多個加工程序段，實現(xiàn)了切削速度最佳的加 /減速控制，從而有效 地減少了工件形狀的轉(zhuǎn)角處或小半徑圓弧的伺服跟蹤誤差，并有效地提高加工速度和加工精度。 ③ 倒角 /倒圓角 在程序中直接指令倒角長度或倒圓角的半徑等尺寸，簡化了部件加工程序的編制。 ⑤ 加工 軌跡圖形顯示功能 反映工件坐標和刀具補償?shù)牡都廛壽E，進行跟蹤顯示。 超大容量存儲器， 26M的存儲空間，最大 500 個加工程序，滿足多品種、多規(guī)格產(chǎn)品的加工需求。） 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 7 頁 （ 3）機械傳 動方式。經(jīng)濟型數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示： 圖 21 經(jīng)濟型數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)框圖 改造后機床的特點 (1)具有與原機床一致的剛度與強度 . (2)具有與原機床一致的加工范圍。 (4)橫向進給的直線度和運動精度全部有改造部分的制造和裝配精度保證。 (6)改造后的機床外型將類似于國產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控車床，整體較美觀、大方。 數(shù)控系統(tǒng)的特點 機床數(shù)控系統(tǒng) (CNC 系統(tǒng) )是數(shù)控機床的控制核心，隨著機床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進 步，提高了 數(shù)控機床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著 。 目前市場上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如 FANUC、西門子、 GSK980 等都配置有車床數(shù)控系統(tǒng)，能夠勝任車、削加工的大部分工作，并具有價格低廉、可靠性強、功能強大等特點。 選擇了 GSK980TA1型數(shù)控系統(tǒng)。為保證機床長期可靠地運行，數(shù)控系統(tǒng)必須有抵抗惡劣環(huán)境的高可靠運行特性。其工作場地的室溫為 0～ 45℃ ，相對濕度 75%短時可達 95%,抗震為 ，電網(wǎng)電壓波動為 10%～ 15%,經(jīng)對使用中系統(tǒng)的實際統(tǒng)計， GSK980TA1 系統(tǒng)的故障率為 ，比較好地滿足了我國市場的要求。 (2)大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片： GSK980TA1系統(tǒng)采用了許多由富士通公司制 造的高度集成的專用功能芯片。所以產(chǎn)品的一致性好，增加了可靠性。 (5)數(shù)字式進給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動：數(shù)字控制、數(shù)據(jù)的串行傳輸大大提高了運行的可靠性。 硬件設(shè)計 采用 CISC（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的 GSP主板，主板上連接可插接 (分離的 )小模板。用戶可以把 +24V 穩(wěn)壓電源放在電氣柜內(nèi)，從而大大提高了整個數(shù)控系統(tǒng)的可命性能。隨著大規(guī)棋集成電路芯片的發(fā)展， GSK980TA1 系統(tǒng)的破件結(jié)構(gòu)已經(jīng)改進過多次。 GSK980TA1 系統(tǒng)的 CNC 單元為大板結(jié)構(gòu)。各板插在主板上，與 CPU 的總線相連。主 CPU 用于系統(tǒng)主控，原來用 80386，從 1998 年起改用 80486/DX2。 (2)存儲 器板 該板上有： ① 系統(tǒng)的控制軟件 ROM(共 5 片 )。不同類型的機床控制軟件不同； ② 伺服控制軟件 ROM 1 片； ③ PMCL的 ROM 芯片 2 片 ， 用于存儲機床的強電控制邏輯程序； ④ RAM 芯片，用于寄存 CPU 的中間運算數(shù)據(jù)，根據(jù)需安裝； ⑤ COMSRAM，用于存儲系統(tǒng)和機床參數(shù)、零件加工程序，根據(jù)用戶要求配置，最大可為 128K 字節(jié)。 (3)I/O 板 該板是 CNC 單元與機床強電柜的接口，接收或輸出 24V 直流信號，由 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 10 頁 PMC 實施輸入 /輸出控制 ， I/O 點數(shù)可根據(jù)機床的復雜程度選擇，標準配置為 104 個輸入點， 72個輸出點。其控制板裝在 CNC 單元內(nèi)，插在主板上，即 CNC 單元與進給伺服為一體化設(shè)計。每個 CPU控制 2個軸，一塊板可控制4 個軸。 的脈寬調(diào)制信號 (每軸 )，加于各軸的伺服驅(qū)動的功率放大器上。 (5)電源 主要有 5V 直流電，用于各板的供電。除上述這些板外，還有圖形控制板、 PMCM板、遠程緩沖器 (REMOTE BUFFER)板，這些板用戶可根據(jù)自身要求選訂。這就提高了整個機床的可靠性。光纖技術(shù)的通訊，可以擴展 PLC 輸入輸出點，通過光纖進行連接，簡化和線路的連接。提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，如果機床的軸有問題，可以直接把軸模塊上的插頭相對換，就能很快的查出問 題 所在 (系統(tǒng)內(nèi)部或外部 )。定義的固定循環(huán)并使用戶很方便地根據(jù)其加工特性進行編寫自己的固定循環(huán)，用戶集成的 G 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 11 頁 代碼功能 。強大的通訊功能 (RS232IRS4221RS485) ，邊加工邊傳輸功能。完善的絲杠螺距補償。并且沒有固定的距離和補償值的限制。梯形圖 PLC 程序在屏幕上的動態(tài)顯示，方便了最終用戶的維修。 (3)強大的編程軟件 GSKCC 軟件。簡便的通訊能力 (PCIONC 間為主從關(guān)系，所有操作均在 PC 側(cè)完成 )，動態(tài)的 PLC程序顯示 (PC 側(cè) )。調(diào)整 NC 的機床參數(shù)和伺服系統(tǒng)，圖形的動態(tài)響應(yīng)，強大的優(yōu)化功能，方便地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。 GSK980TA1 系統(tǒng)有圖形顯示功能： ① 對編制的加工程序進行加工前的圖形模擬，模擬刀尖的軌跡或加工件的三維實體形狀 :② 在加工過程中顯示刀尖的軌跡，使操作員能夠監(jiān)視切削過程。顯示圖形必須用圖形控制板，該板為專用微機， CPU 用 80186。 GSK980TA1系統(tǒng)的 PMC 只有 47 條指令〔基本指令有 12 條，功能指令有 35 條 )。 GSK980TD 系統(tǒng)用梯形圖編制 PMC順序邏輯程序。 梯形圖可用下述兩種方法編制： ① 用專用的編輯卡利用 LCD 液晶顯示畫 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 12 頁 面在系統(tǒng)上現(xiàn)場編制。調(diào)試好的程序要用寫入器寫入EPROM。 PMCL 的處理機與主機共用，其處理時間為 6 /步，最大步數(shù)為 5000 步。 2種 PMC 的掃描周期均為 I6ms。根據(jù)其負載特性和快速性分為 :a(標準型 )、 am(高加速特性 )、 ac(經(jīng)濟型 )和aL(低慣量型 )。 0C配 a型 。 am 加速特性好，從 0至最高轉(zhuǎn)速的啟動過程為 24ms，故用于高速加工。這種位置反饋，是間接測量工作臺的直線位移，所以稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。除此之外，還可接成雙位置反饋，即同時具有上述 2 個閉環(huán)。 進給伺服單元的控制用前述的軸控制板，該板輸出控制指令信號到功率放大器。 LSI 是專用位置控制大規(guī)模集成電路芯片。此外，還有許多非線性補償與控制，如單脈沖抑制、超調(diào)抑制、反向間隙加速補償、機床的速度反饋等。由于有這些控制，使 GSK980TA1 系統(tǒng)運行可靠、快速、平穩(wěn)、精度高。模擬控制指令 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 13 頁 是 0～ 10V 的直流電壓。有以下品種 。 aP：恒功率寬調(diào)速范圍型 (8:1)。aT：與主軸直連型。 主軸驅(qū)動有速度控制和位置控制 2 種工作方式，普通加工為速度控制。位置控制用于主軸同步、主軸定向、剛性攻絲、 Cs軸輪廓控制。此時需在機床的主軸上裝位置編碼器，位置編碼器有光電式和磁性傳感器。 主軸控制用單獨的 CPU控制，處理器為 TMS320。 RS232C 口及數(shù)據(jù)通訊 GSK980TA1 系統(tǒng)有 2 個串口 (RS232C)，分 4 個通道，用于系統(tǒng)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。與計算機相連時，計算機內(nèi)必須裝有數(shù)據(jù)傳送軟件。 除上述的信息交換外，利用 串行通訊還可實現(xiàn)下列方式的在線加工與機床的 DNC 管理 : (1)紙帶方式的加工 :加工復雜零件時，加工程序非常長， CNC 的內(nèi)存容量不夠用，可將程序存于外設(shè)，如計算機的軟盤。此后加工一段讀入一段，直至結(jié)束。對于小程序段、快速加工，走刀有停頓現(xiàn)象，為此，開發(fā)了 REMOTEBUFFER 功能。緩沖器接受后變?yōu)?2 進制，然后送到 CNC 執(zhí)行。緩沖器收到后不經(jīng)轉(zhuǎn)換即送往 CNC 執(zhí)行。 (3)DNC2:它可使 8 臺 CNC 機床與主計算機遠程相連，實現(xiàn)多臺機床的加工監(jiān)控與管理。 CNC 與主 計算機交換的信息除了系統(tǒng)和機床的參數(shù)、加工程序、加工的設(shè)定值外，還可傳送機床的工作狀態(tài)，如自動加工啟動、停止、加工中暫停、報警等。主計算機必須根據(jù)這些指令格式編制相應(yīng)的處理程序，編程語言用 C。 調(diào)機、維護與故障診斷 (1)伺服參數(shù)設(shè)定與調(diào)整 :為了方便調(diào)機，系統(tǒng)的 CRT 有進給伺服參數(shù)設(shè)定畫面和調(diào)整畫面。其中的柔性變速比可設(shè)定電機與滾珠絲杠及位置 反饋傳感器 (脈沖編碼器 )之間的齒輪傳動比。在伺服調(diào)整畫面上可以定量地讀出機床工作臺移動時各軸的伺服增益、伺服誤差及其變動情況。有故降時該畫面還顯示伺服的報警。主軸運行有監(jiān)視畫面，在該畫面上可讀出主軸電機的轉(zhuǎn)速、負載百分比及主軸的轉(zhuǎn)速，從而可以省去通常的轉(zhuǎn)速表和負載表。根據(jù)報警號可由說明書中查出錯誤原因，報警表是多年經(jīng)驗的積累，幾乎所有的編程錯誤都可從該表中查出。 GSK980TA1系統(tǒng)對這 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 15 頁 些故障有較好的保護。 (5)I/O 信號診斷。 CRT 還有診斷畫面，通過該畫面，根據(jù)信號的地址檢查 0/1 狀態(tài)變化，可判斷其是否正常工作。 ② 剛性攻絲 :Z 軸進給與主軸轉(zhuǎn)動同步，不用彈簧卡頭實現(xiàn)攻絲，從而提高了螺紋的加工精度。 0C系統(tǒng) PMC 可控制 2 個進給軸。 ⑤ 分辨率 :系統(tǒng)分辨率標準設(shè)定為1urn。 ⑦ 菜單編程。有工藝參數(shù)語句。 CNC是本系統(tǒng)的核心部分，用以完成人機對話與通訊，解釋機械加工語言，分配加工任務(wù)，以及協(xié)調(diào)各功能模 塊的工作等 。同時在主軸箱內(nèi)安裝編碼器，以構(gòu)成加工螺紋所需的主輸系統(tǒng) (c 軸 )。 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 16 頁 第 4 章 機床的電氣改造 數(shù)控系統(tǒng)電氣控制線的連接 原機床已有一個電控柜，里面放置了開關(guān)、繼電器、接觸器等。 GSK980TA1 數(shù)控系統(tǒng)外圍接口棋塊如下 : (1)RS232 通訊接口。 (3)編碼器反饋信號接口 :用于與主軸電機的編碼器的連接，編碼器的作用是將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，從而實現(xiàn)了對主軸轉(zhuǎn)速的檢測，這在螺紋加工的時候是不可缺少的。