【正文】 。對機床的控制過程一般 是由單片機或PC 機按照輸入的加工程序進(jìn)行運動控制（或插補運算），由軟件或硬件實現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大后，驅(qū)動機床主軸電動機、縱橫軸運動的步進(jìn)電動機或伺服電動機來實現(xiàn)。 圖 21 數(shù)控系統(tǒng)的總體框架配置圖 如圖 21 所示為 機 床 數(shù)控 化 改造方案框架配置圖。 （ 2）運動控制卡。該卡是一種高速三軸步進(jìn)電動機運動控制卡，它有 16 位的數(shù)字輸入 /輸出口，可實現(xiàn)三軸聯(lián)動。 （ 3）光電耦合電路自行設(shè)計，它的作用是能夠隔離外部干擾信號對運動控制卡鍵盤 鼠標(biāo) 其他文件 輸入設(shè)備 PC 機 光電耦合電路 X 軸步進(jìn)電動驅(qū)動器 Z 軸步進(jìn)電動驅(qū)動器 主軸變頻器 編碼器 運動控制卡 X 軸絲杠 Z 軸絲杠 機床主軸 機床主軸 減速開關(guān) 零位開關(guān) 限位開關(guān) 北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 5 的信號沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （ 5）步進(jìn)電動機及其驅(qū)動器足采用 外購的 定型產(chǎn)品。完全能夠達(dá)到 的加工精度要求。減速及回零開關(guān)的作用是當(dāng) 機 床刀架回零并走到 機 床零點附近時，減速及回零 開關(guān)被開啟并控制 機 床減速走到零位置，保證回零精度要求。采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電動機數(shù)字控制系統(tǒng)如圖 22 所示，這是一種實用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床改造方案。 步進(jìn)電動機拖動的開環(huán)系統(tǒng) 該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電動機、功率步進(jìn)電動機、電液脈沖馬達(dá)等。只要控制指令脈沖的數(shù)量，頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度、更快的速度、驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)。 編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。在將角位移檢 測元件與速度檢測元件和伺服電動機 做 成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。 選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動電動機的功率和用戶的需求。一般要做如下工作：用滾珠絲杠更換原梯形絲杠，提高精度，減 少摩擦；修磨刮研并貼塑或采用直線滾動導(dǎo)軌；精化主軸系，提高主軸精度；設(shè)計自動冷卻排屑系統(tǒng)，提高機床自動化程度；必要時增加換刀機構(gòu)一刀庫機械手；制造自動潤滑系統(tǒng)等。 機床 數(shù)控 化 的性能和精度的選擇 并不是所有的舊機床都可以進(jìn)行數(shù)控改造，機床的改造主要具備兩個條件： 第一，機床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛性。 如 機 床 數(shù)控 化 改造，在改裝前，要對 機 床的性能指標(biāo)做出決定。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍決定于機床本身原有水平。 、級數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍、功率以及是否需要數(shù)控制動停車等。 （ 2） 快速移動 ： Z 向（通常為 ~4m/min）； X 向（通常為 ~3m/min）。 （ 4） 加工螺 距范圍：包括能加工螺距類型（公制、英制，模數(shù)、徑節(jié)和錐螺紋等），一般螺距在 l0mm 以內(nèi)都不難達(dá)到。 （ 6） 進(jìn)給運動傳動是否需要改裝成滾珠絲杠傳動。 （ 8） 插補功能：車床加工需具備直線和圓弧插補功能。 （ 10） 診斷功能 ： 為防止操作者輸入的程序有錯和隨之出現(xiàn)的 錯誤動作，可在數(shù)控改造系統(tǒng)設(shè)計時加入必要的器件和軟件，使其能指示出機床出現(xiàn)故障或者功能失效的部分等，實現(xiàn)有限的診斷功能。 機床 數(shù)控 化 改造的特點 機 床 數(shù)控 化 的改造包含主傳動部分改造、進(jìn)給傳動部分改造和輔助部件改裝（如電動刀架、電動尾架、液壓卡盤、防護(hù)罩等）三部分。這 一部分改造直接影響改造后加工的幾何精度與運動精度。 （ 2）進(jìn)給驅(qū)動電動機的選擇、傳動鏈的布置（是否使用同步帶或無間隙齒輪減速、選用何種型號的滾珠絲杠副），均會影響改造后的運動性能與精度。 （ 4）滾珠絲杠副的精度是機床重復(fù)定位精度、定長移動精度 的重要基礎(chǔ)，須對其選型、安裝和調(diào)試特別重視。 北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 8 機床 數(shù)控 化 改造的主要步驟 改造方案的確定 改造的可行性分析通過以后，就可以針對某臺或某幾臺機床的現(xiàn)況確定改造方案，一般包括： （ 1）機械修理與電氣改造相結(jié)合。要確定修理的要求、范圍、內(nèi)容；也要確定因電氣改造而需進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)改造的要求、內(nèi)容；還要確定電氣改造與機械修 理、改造之間的交錯時間要求。 （ 2）先易后難、先局部后全局。這樣可使改造工作減少遺漏和差錯。 （ 3）根據(jù)使用條件選擇系統(tǒng)。當(dāng)然，電氣系統(tǒng)的選擇必須考慮成熟產(chǎn)品，性能合理、實用，有備件及維修支持，功能滿足當(dāng)前和今后若干年內(nèi)的發(fā)展要求等。改造是一個系統(tǒng)工程，人員配備十分重要。人員太少不利于開展工作，人員太多也容易引起混亂。如果項目 采用對外合作形式，更需在目標(biāo)明確的前提下，界定分工，確定技術(shù)協(xié)調(diào)人。有時數(shù)控機床電氣系統(tǒng)改造，并不一定包含該機床全部電氣系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)科學(xué)的測定和分析決定其改造范圍。 改造前的技術(shù)準(zhǔn)備 改造前的技術(shù)準(zhǔn)備充分與否，很大程度上決定著改造能否取得成功。為配合電氣改造而需進(jìn)行的機械大修改造的測量、計算、設(shè)計、繪圖、零件制作等應(yīng)先期完成。 （ 2） 新系統(tǒng)電氣資料消化。要有充裕的時間來對上述資料進(jìn)行翻譯（進(jìn)口系統(tǒng)），消化、整理、核對，做到思路清晰，層次分明。根據(jù)每臺設(shè)備改造范圍不同，需事先設(shè)計接口部分轉(zhuǎn)換，若全部改造的，應(yīng) 設(shè) 計機電轉(zhuǎn)換接口、操作而板控制 與配置、互聯(lián)部分接點、參數(shù)測量點、維修位置等，要求操作與維修方便、合理，線路走向通順、中間連接點少，強弱電干擾最小，備有適當(dāng)裕量等。 （ 4）操作、編程人員的技術(shù)培訓(xùn)。因此提前對操作人員和編程人員進(jìn)行新系統(tǒng)知識培訓(xùn)十分重要，否則將影響改造后的機床迅速投入生產(chǎn)。重點是弄懂、弄通操作說明書和編程說明書。新的電氣系統(tǒng)改造完以后，怎樣進(jìn)行調(diào)試以及確定合理的驗收標(biāo)準(zhǔn)，也是技術(shù)準(zhǔn)備工作的重要一環(huán)。調(diào)試步驟可從簡到繁，從小到大，從里到外進(jìn)行，也可先局部后全局，先子系統(tǒng)后整系統(tǒng)進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)一旦確定下來，不能輕易修改，因為它牽涉到整個 改造工作的各個環(huán)節(jié)。實施階段內(nèi)容按時間順序分為： （ 1）原機床的全面保養(yǎng)。其次，應(yīng)對機床作一次改造前的幾何精度、尺寸精度測量，記錄在案。 （ 2）保留的電氣部分最佳化調(diào)整。如強電部分的零件更換，電動機的保養(yǎng)，變壓器的烘干絕緣，污 染的清潔，通風(fēng)冷卻裝置的清洗，伺服驅(qū)動裝置的最 大 化調(diào)整，老化電線電纜的更新，連接件的緊固等。 （ 3）原系統(tǒng)拆除。在拆的過程中也會發(fā)現(xiàn)一些新系統(tǒng)設(shè)計中的欠缺之處，應(yīng)及時補充與修正，拆下的系統(tǒng)及零件應(yīng)分門別類，妥善保管，以備萬一改造不成功或局部失敗時恢復(fù)使用。切忌大手大腳，亂扔亂放。根據(jù)新系統(tǒng)設(shè)計圖紙，合理進(jìn)行新系統(tǒng)配置，包括箱體固定、面板安放、線路走向和固定、調(diào)整元器件位置、密封及必要裝飾等。 （ 5）調(diào)試。調(diào)試人員應(yīng)頭腦冷靜，隨時記錄，以便發(fā)現(xiàn)和解決問題。調(diào)試現(xiàn)場必須清理干凈，無多余物品；各運動坐標(biāo)拖板處于全行程中心位置；能空載試驗的，先空載后加載；能模擬試驗的，先模擬后實動；能手動的，先手動后自動。改造的后期工作也很重要，它有利于項口技術(shù)水平的提高和使設(shè)備盡早投產(chǎn)。經(jīng)過機械修理和改造以及全面保養(yǎng)，機床的各項機械性能應(yīng)達(dá)到要求，幾何精度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。電氣控制的各項功能必須達(dá)到動作正常，靈敏可靠。同時還應(yīng) 與改造前機床的各項功能和精度做出對比。 （ 3）試件切削驗收。試件切削可驗收機床剛度、切削力，噪聲、運動軌跡，關(guān)聯(lián)動作等，一般不宜采用產(chǎn)品零件作試件使用。機床改造完后，應(yīng)及時將圖紙（包括原理圖、配置圖、接線圖、梯形圖等）、資料（包括各類說明書）、改造檔案（包括改造前、后的各種記錄）匯總、整理、移交入檔。 （ 5）總結(jié)、提高 。 機床 數(shù)控 化 主要機械部件的改造 一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達(dá)到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大：便于操作和維修。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機床的要求，還應(yīng)對北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 11 主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。為了保證傳動精度，數(shù)控機床上使用的 齒輪精度等級都比普通機床高。 進(jìn)給軸的改造 普通機床的 X 軸和 Z 軸均由同一電動機驅(qū)動，走刀運動經(jīng)走刀箱傳動絲杠及溜板箱，獲得不同的工件螺距即 Z 軸運動；走刀運動經(jīng)走刀箱傳動光桿及溜板箱，獲得不同的進(jìn)刀量即 X 軸運動。 X 軸：橫向電動機 ─ 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。 絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。被加工件精度要求不高時可 采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。因此可滿足較高精度零件加工要求。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于 6 級，螺母間隙過大則更換螺母。 滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在 90％以上；精度高，壽命長；起動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電動機起動力矩。 普通 機 床大多采用的是 T 型絲杠等滑動絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 12 傳動效率低，不能適應(yīng)于高速運動。滾珠絲杠副有以下一些特點：摩擦損失小，傳動效率高；若使用的絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度；摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關(guān)，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小，壽命長、精度保持性好。 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。由于雙螺母不僅裝配、預(yù)緊調(diào)整等比單螺母方便，而且其傳動剛性比單螺母也好，所以只要結(jié)構(gòu)和機床空間滿足要求，在普通機床數(shù)控化改造中多選內(nèi)循環(huán)式雙螺母結(jié)構(gòu)。絲杠導(dǎo)程在滿足機床改造后性能的前提下越小，對機床的傳動精度 越有利。 因此本文中采用的是內(nèi)循環(huán)式 的回珠器 和 雙螺母的結(jié)構(gòu)形式 。同時要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。因此在對其進(jìn)行數(shù)控化改造的同時必須針對機床導(dǎo)軌狀況進(jìn)行必要的檢修處理，對于磨損較嚴(yán)重的更要進(jìn)行大修，即進(jìn)行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保證其精度。一般對于小型 機 床，由于空間尺寸有限，特別是 X 軸，電機與絲杠副不能直連，多采用齒輪副或同步帶輪來傳動；無論是采用齒輪還是同步帶輪來傳動， 其傳動間隙的消除是比較關(guān)鍵的。 北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 13 主軸部分的改造 機 床主軸帶動工件以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)是車削加工中的主運動，消耗機床大部分動力。 普通 機 床在數(shù)控化改造時大部分情況下保留原主軸箱，不做改動或少做改動。 如不需要原有機械變速換擋時，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)焊死以免因為誤操作出現(xiàn)事故。 數(shù)控改造時，通常在主軸末端或掛輪架處增裝一光電編碼器，其轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速一致，主軸轉(zhuǎn)一周，光電碼 盤轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，通過反饋給系統(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。根據(jù)光電碼盤上刻線條數(shù)可分為 1024 線、 2048 線等，常用的為 1024 線即可滿足要求。老式傳統(tǒng) 機 床刀架多為手動、液壓驅(qū)動或少部分的電動，改造時可以根據(jù)需要對其加以更換。 立式電動刀架有 四工位（或六工位），其中每一種刀架又有抬刀刀架（兩端齒盤）和免抬刀刀架（三端齒盤）之分。 潤滑部分的改造 老式傳統(tǒng) 機 床除主軸箱外，導(dǎo)軌、絲杠副、光桿等多用油槍定期注油潤滑和油脂潤滑，這對機床的導(dǎo)軌、絲杠副等的精度保持很不利，在同等驅(qū)動下機床運動的穩(wěn)定性、靈活性也差 — 些。 絲杠支承軸承一般采用油脂潤滑，如特殊需要和供油充分的條件下也可采用稀油北京廣播電視大學(xué) 2020 秋級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 14 潤盾。 局部防護(hù)只對絲杠副、電動機、走線等采取防護(hù)措施。 全防護(hù) 是 在局部防護(hù)的基礎(chǔ)上對整個機床加以封閉，此種防護(hù)最難處理，考慮的因素也很多，諸如安裝 位置 、防水，美觀等。 效率高必須以安全為前提。滾珠絲 杠副是精密元件，工作時要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動面損傷導(dǎo)軌。 在機檢測系統(tǒng)對工件質(zhì)量的保證 隨著現(xiàn)代化制造工業(yè)的蓬勃發(fā)展和大規(guī)模生產(chǎn)的需要，要求零部件具備高精度、高互換性，對零部件的尺寸和形位公差提出了嚴(yán)格的要求，在加工設(shè)備提高工效、自動化程度更強的基礎(chǔ)上，計量檢測手段不但要精準(zhǔn)，而且要高效，普通的專用或手動的工量具已無法滿足現(xiàn)