【正文】 專 用型 封 閉式開環(huán) 控制 模式提 出的。在加工過程中采用 開 放 式 通用型實時動 態(tài) 全 閉環(huán) 控制 模式 ， 易 于將計算機實時 智 能技術(shù)、多 媒 體技術(shù)、 網(wǎng) 絡(luò) 技術(shù)、 CAD/CAM、伺服控制、自 適應(yīng)控制、動 態(tài) 數(shù)據(jù) 管 理及動 態(tài) 刀具補 償 、動 態(tài) 仿真 等 高 新 技術(shù) 融 于一體，構(gòu)成 嚴(yán) 密的制造過程 閉環(huán) 控制體系，從而實 現(xiàn) 集成化、 智 能化、 網(wǎng) 絡(luò) 化。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動資料生產(chǎn)”。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力?？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。(2)信息處理、加工、傳輸技普通車床的自動化改造 4 術(shù) 。(4)伺服驅(qū)動技術(shù) :(5)傳感器技術(shù) :(6)軟件技術(shù)等。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面。高速、高精加工技術(shù)可極大地提 高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。 在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒 /輛，而且多品種 加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一 。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強度、剛度和可靠性得到提高。 目前高速加工中心進給速度可達 80m/min，甚至更高，空運行速度可 達 100m/min 左右。美國 CINCINNAT 工公司的 HyperMach 機床進給速度最大達 60m/min，快速為 100m/min，加速度達 2g，主軸轉(zhuǎn)速已達 60000r/min。德國 DMG 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速 度分別達 12022r/mm 和 lgo 在加工精度方面，近 10 年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由 l0um 提高到 5} m，精密級加工中心則從 3}5um，提高到 1 一 }m，并且超 精密加工精度已開始進入納米級(0. O1 u 動。 為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到 了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。為提高驅(qū)動性能及使用連接 方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等 。還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方 便系統(tǒng)的診斷及維修等。 數(shù)控機床目前在工業(yè)中的地位 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。 2022 年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值己進入世界第 5 名，機床消費額在世界 排名上升到第 3 位，達 47. 39 億美元，僅次于美國的 53. 67 億美元，消費 額比上一年增長 25%。 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。 數(shù)控改造的必要性 機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 （ 1） 機床數(shù)控化改造的市場 我國目前機床總量 380 余萬臺，而其中 數(shù)控機床總數(shù)只有 萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到 3％。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6％?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。據(jù)不完全統(tǒng)計，從 1979～ 1988 年 10 年間，全國引進技術(shù)改造項目就有 18446 項，大約 億美元。但是有的引進項目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困 境。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。普通車床的自動化改造 6 只要找出主要的技 術(shù)難點，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。 機床數(shù)控化改造的必要性 （ 1） 微觀看改造的必要性 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。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 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。 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 。 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。 如：降低了工人的勞動強度，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(yīng)等等。此外，機床數(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（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。 （ 2） 宏觀看改造的必要性 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(yīng)用數(shù)控機床。除在制造過程中采用數(shù)控機床、 FMC、 FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD、CAE、 CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)）、 CIMS 等等。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 ％，而日本在 1994年已達 ％，因此 每年都有大量機電產(chǎn)品進口。 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺 （ 1） 國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（ Remanufacturing）業(yè)。美國得寶公司已在中國開辦公司。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 （ 3） 數(shù)控改造中主要機械部件改裝探討 一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達到：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。不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應(yīng)對主要部件進行相應(yīng)的改造使其達到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。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)軌防護和潤滑。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。 ③ 滑動絲杠與滾珠絲杠 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。在機床改造中要根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 普通車床的自動化改造 8 形勢考慮 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的 轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整 中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先 從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定 。 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場 需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo) 21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān) 鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。重點解決 數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部 件 (數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 )的可 靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不 會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品 。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié) 合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo)，按國家意志實施攻關(guān)，以解決國家之急需。 本文的選題及主要研究內(nèi)容 本文的選題 在我簽約的徐州華東機械廠建材機械分廠內(nèi)，共有臥式車床兩臺，建材廠主要生產(chǎn)大型建材設(shè)備，所以要常常加工好多小的零件，如螺釘，小型的軸套等。因為零件太多，像墊片之類，有時就是加工好了這個又缺少另一個，而用普通臥式車床去加工有時一個人加工的東西都會誤差很大，這樣給所造設(shè)備帶來很多的小問題。 所以設(shè)想決定對其數(shù)控改造，改造的同時讓操作人員一直在旁邊學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)怎么改裝，怎么安裝，并講解如何使用。 主要研究內(nèi)容 1. C6150 車床數(shù)控化改造總體機械部件設(shè)計。 包括了進給滾珠絲杠的設(shè)計與選用，消隙減速齒輪系的設(shè)計計算與校核，進給用步進電機的選擇與校核。選用 8031 型號的單片機控制進給系統(tǒng)與刀架，并把脈沖發(fā)生器的數(shù)據(jù)通過單片機來加工螺紋。帶之以滾珠絲杠和步進電機，用單片機系統(tǒng)來驅(qū)動各軸的運動。 改造方 案的確定 C6150 車床主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有 :控制主軸正反轉(zhuǎn)和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速 。冷卻泵、潤滑泵的啟停 :加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或?qū)С獭２炜?C6150 車床及有關(guān)資料，并且參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗，確定總體改造方案為 :①對機床的改造部位是 :拆掉手動刀架和小拖板裝上數(shù)控刀架 。主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用由于改造設(shè)計的是簡易型經(jīng)濟數(shù)控，所以在考慮具體方一案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減小改動量，以降低成本。 對該機床進行機械修理以便恢復(fù)機械精度要求，修理的主要目的是恢復(fù)機床導(dǎo)軌、主軸、拖板的精度，撤除機床主軸箱和溜板箱內(nèi)的傳動部件以及傳動絲杠，只保留導(dǎo)軌、主軸、溜板、尾座。 設(shè)計目的 利用數(shù)控系統(tǒng)對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱 向脈沖當(dāng)量為 ，橫向脈沖為 ，驅(qū)動元件采用步進電動機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架，主軸采用變頻器控制。根據(jù) C616 車床有關(guān)資料，總體方案的確定如圖 22 所示 :采用單片機 8031 控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理。主軸變速采用變頻器調(diào)速控 制。 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。 1)與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動 ,所以能得到較高的運動效率。在省電方面很有幫助。 濕度進行了嚴(yán)格的控制 ,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 4)無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓 ,由于予壓力可使軸向間隙達到負值 ,進而得到較高的剛性 (滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力 ,在實際用于機械裝置等時 ,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強 )。 縱向滾珠絲杠的設(shè)計與計算 已知條件： 工作臺重量 1W =80KG=800N 工件及夾具 最大重量 2W =200N 工作臺最大行程LK =950mm 工作臺導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 u= 快速進給速度 maxV =4m/min 定位精度為20um/300mm,全行程 25um,重復(fù)定位精度為 10um 要求壽命為 10000 小時（單班制工作十年）。 1/ 3()aFkk c? ck ：《現(xiàn)代機床設(shè)計手冊》上的剛度 39。各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時間比例 q 及其他見下表 表二切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時間比例 q 切削方式 縱向切削力 Pxi(N) 垂向切削力 Pzi(N) 進給速度 Vi(m/min) 工作時間百分比 % 絲杠軸向載荷 (N) 絲杠轉(zhuǎn)速 r/min 強力切削 2022 1200 10 2920 60 一般切削 1000 500 30 1850 80 精切削 500 200 1 50 1320 100 普通車床的自動化改造 19 快速進給 0 0 2 ５ 800 1500 1） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 max* maxVPh in?———— maxV ：工作臺最高移動速度； maxn ：電機最高轉(zhuǎn)速 I ：傳動比 電機與絲杠間為齒輪連接式 i=4（取一級減速齒輪） 由上表查得 maxV =2m/min， maxn =1500r/min 代入得 Ph? 查《現(xiàn)代機床設(shè)計手冊》取 Ph? 5mm 2） 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷 （ 1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速 Vini ph? 由上表查的 1v =,2v =,3v =1,4v =2 代入得 1n? 120， 2n? 160， 3n? 200， 4n? 40