【正文】 成為機(jī)加行業(yè)的主導(dǎo)力量。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(diǎn)有以下幾個(gè)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。在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級()。為了實(shí)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(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。一般認(rèn)為，一臺五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于二臺三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，五軸聯(lián)動(dòng)加工可比三軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；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。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國的NGC（The Next Generation WorkStation/Machine Control）、歐盟的OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems）、日本的OSEC（Open System Environment for Controller），中國的ONC（Open Numerical Control System）等。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，美國、歐盟和日本等國紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個(gè)最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)新的變革時(shí)期的來臨。數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。首先，STEPNC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個(gè)計(jì)算機(jī)上。其次，STEPNC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時(shí)間（約35％）和加工時(shí)間（約50％）。參加這項(xiàng)計(jì)劃的有來自歐洲和日本的20個(gè)CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACANC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。本次設(shè)計(jì)的CKA6140數(shù)控車床采用FANUC 0iMATE數(shù)控裝置；FANUC通用變頻器主軸變速；SVM120進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置等數(shù)控系統(tǒng)。特別適合于軍工、汽車、拖拉機(jī)、冶金等行業(yè)的機(jī)械加工?？杉庸?nèi)、外圓柱面、錐面、車削螺紋、鏜孔、鉸孔以及各種曲線回轉(zhuǎn)體，可對工件可進(jìn)行多次重復(fù)循環(huán)加工。 （2）主傳動(dòng)采用變頻電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)三檔，檔內(nèi)無級調(diào)速。定位準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高。 （5）配有獨(dú)立的集中潤滑器對床鞍及機(jī)床滑板進(jìn)行自動(dòng)潤滑。 （6）機(jī)床配有獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)。 （8）大孔徑主軸，其主軸通孔直徑Φ60，能通過較大直徑的棒料。 （9）獨(dú)立放置的操縱箱可縱向滑移，便于操作者就近對刀，操縱箱面板采用觸摸式按鍵，美觀可靠。 （11）床鞍及滑板導(dǎo)軌結(jié)合面采用“貼塑”處理，移動(dòng)部件可實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，防止爬行。如下圖是數(shù)控車床的組成框圖。但數(shù)控機(jī)床在整體布局、外觀造型、傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及操作機(jī)構(gòu)等方面都已發(fā)生了很大的變化，這種變化的目的是為了滿足數(shù)控機(jī)床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。CNC單元接受數(shù)字化信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進(jìn)行譯碼、插補(bǔ)、邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現(xiàn)已淘汰，后發(fā)展成盒式磁帶，再發(fā)展成鍵盤、磁盤等便攜式硬件，極大方便了信息輸入工作，現(xiàn)通用DNC網(wǎng)絡(luò)通訊串行通信的方式輸入。⑷伺服單元伺服單元由驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，并與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。對于步進(jìn)電機(jī)來說，每一個(gè)脈沖信號使電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件移動(dòng)一個(gè)微小距離。⑸驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置把經(jīng)放大的指令信號變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)，通過簡單的機(jī)械連接部件驅(qū)動(dòng)機(jī)床，使工作臺精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對運(yùn)動(dòng)， 最后加工出圖紙所要求的零件。伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置可合稱為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是機(jī)床工作的動(dòng)力裝置，CNC裝置的指令要靠伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)付諸實(shí)施，所以，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。由于最初研制這種裝置的目的是為了解決生產(chǎn)設(shè)備的邏輯及開關(guān)控制， 故把稱它為可編程邏輯控制器( PLC， Programmable Logic Controller)。PLC己成為數(shù)控機(jī)床不可缺少的控制裝置。⑺測量反饋裝置測量裝置也稱反饋元件，包括光柵、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光測距儀、磁柵等。 數(shù)控車床工作原理使用數(shù)控機(jī)床時(shí)，首先要將被加工零件圖紙的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序。CK6140數(shù)控車床的技術(shù)參數(shù)：床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑:Φ400mm。最大工件長度: 1000mm。主軸轉(zhuǎn)速范圍(變頻): 40～1800r/min可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速及恒線速切削。 X向行程： 220mm，Z向行程：1000mm。主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)數(shù)控車床的主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的兩端部件是主電動(dòng)機(jī)與主軸，它的功能是把動(dòng)力源（電動(dòng)機(jī)）的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力傳遞給主軸，使主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)，并滿足數(shù)控車床主軸變速和換向的要求。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)是指機(jī)床上驅(qū)動(dòng)刀架實(shí)現(xiàn)縱向（Z向）和橫向（X向）運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給傳動(dòng)，在CK6140車床上，各軸都由交流流伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。刀架運(yùn)動(dòng)是由換刀交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。液壓系統(tǒng)CK6140數(shù)控車床液壓系統(tǒng)主要進(jìn)行主軸變速換擋，中心跟刀架電機(jī)排屑器潤滑系統(tǒng)CK6140數(shù)控車床中的潤滑系統(tǒng)為對機(jī)床導(dǎo)軌、滾珠絲杠等的潤滑。尾座 數(shù)控車床尾座一般是在加工時(shí)對工件起輔助支撐作用，它由尾座體和尾座套筒兩部分組成。尾座套筒前安裝頂針，套筒可以自動(dòng)伸出和縮回，實(shí)現(xiàn)頂尖對工件的支撐作用。CNC主控制裝置以及伺服驅(qū)動(dòng)裝置，采用日本FANUC公司的產(chǎn)品，使機(jī)床性能價(jià)格比十分優(yōu)越；主軸系統(tǒng)采用日本FANUC變頻器主軸變速，方便靈活。 圖21 CK6140數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)框圖(1)機(jī)床電氣容量及要求 電源總?cè)萘浚?4KVA 滿載電流：34A 電源總?cè)蹟嚯娏鳎?0A 防護(hù)等級：IP54 (2)機(jī)床電氣主要技術(shù)要求 機(jī)床供電電源要求采用三相四線制，380V 50Hz交流電。供電電源的電纜或電線的截面積應(yīng)采用不小于6mm2導(dǎo)電率高的銅線。如有三相五線制的用戶，應(yīng)把供電電源引接在端子上，將接線板上的PE和N的連線分開，分別接在五線制中的PE和N端子上。10%) 電網(wǎng)頻率：50Hz（177。時(shí)80% （3）機(jī)床電氣的構(gòu)成 1）數(shù)控系統(tǒng)CNC 日本FANUC公司：FANUC Oi MATE 2）伺服驅(qū)動(dòng)裝置及伺服電動(dòng)機(jī)X軸：βSVM120伺服驅(qū)動(dòng)裝置 aC12/2000 伺服電動(dòng)機(jī)Z軸：βSVM120伺服驅(qū)動(dòng)裝置 aC12/2000 伺服電動(dòng)機(jī)本伺服電動(dòng)機(jī)配有絕對值編碼器，在加工過程中有斷電保護(hù)功能X軸：理論最大進(jìn)給速度6000m/min。3）強(qiáng)電控制單元主軸電動(dòng)機(jī)M1： 1000r/min 變頻電動(dòng)機(jī)刀臺電動(dòng)機(jī)M2： 1500r/min潤滑電動(dòng)機(jī)M3： 1400r/min冷卻電動(dòng)機(jī)M4： 2900r/min控制變壓器TC1：交流380V/220V/24V/26V/28V 630VA。控制變壓器TC2：交流380V/220V 2200VA。穩(wěn)壓電源GS2：主要為CNC裝置、LCD/MDI、I/O LINK、PLC I/O、伺服驅(qū)動(dòng)裝置等提供24V穩(wěn)定的直流電源。5）保護(hù)接地 本車床接地系統(tǒng)如圖22所示。 第三章 CK6140數(shù)控車床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括主軸驅(qū)動(dòng)裝置和主軸電動(dòng)機(jī)。目前數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)多采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即交流主軸電動(dòng)機(jī)配備變頻器或主軸伺服驅(qū)動(dòng)控制的方式。主軸驅(qū)動(dòng)部分是數(shù)控機(jī)床的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)（CNC）的S代碼速度指令及M代碼輔助功能指令，驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行切削加工。主運(yùn)動(dòng)的最高與最低轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速范圍、傳遞功率和動(dòng)力特性，決定了數(shù)控機(jī)床的切削加工效率和加工工藝能力。：一般要求，主軸必須具有一定的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)選用合理的切削用量，從而獲得最佳切削效率、加工精度和表面質(zhì)量。，能在整個(gè)速度范圍內(nèi)均能提供切削所需的功率或轉(zhuǎn)矩，特別是滿足機(jī)床強(qiáng)力切削時(shí)的要求。即要求在大力矩、強(qiáng)過載能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬范圍無級變速。，調(diào)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。查機(jī)電一體化手冊車削功率在58kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動(dòng)鏈的總效率η估算,即P=。數(shù)控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力PC=KW主切削力的切向分力，N；切削速度N??；查金屬切削手冊知，以硬質(zhì)合金刀具車削合金結(jié)構(gòu)鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90—250r/min，則知道 PC=2500120/60000=5kwP==考慮到空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動(dòng)件在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的摩損功耗，傳動(dòng)件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動(dòng)載荷的摩擦損耗等。 FANUC 0i Mate主軸驅(qū)動(dòng)裝置 主軸系統(tǒng)主要由主軸驅(qū)動(dòng)裝置及主軸電動(dòng)機(jī)組成。當(dāng)用戶選擇模擬主軸時(shí)，一般選用通用變頻器作為主軸驅(qū)動(dòng)裝置；當(dāng)用戶選擇串行主軸時(shí)，F(xiàn)ANUC 0i Mate數(shù)控系統(tǒng)提供了SPM系列專用主軸驅(qū)動(dòng)裝置。（1）變頻器的工作原理：變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。（2）變頻器的調(diào)速：基于調(diào)速方便、節(jié)能、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，變頻調(diào)速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速方式。ABB公司的ACS600系列是第一代采用DTC技術(shù)的變頻器，它能夠用開環(huán)方式對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制，而且動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)已優(yōu)于PWM閉環(huán)控制指標(biāo)。該模型每隔25μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進(jìn)行比較，以確定最佳開關(guān)位置。 設(shè)備的選型方法 根據(jù)負(fù)載特性選擇變頻器。選擇變頻器時(shí)應(yīng)以實(shí)際電機(jī)電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，電機(jī)的額定功率只能作為參考。因此，用變頻器給電動(dòng)機(jī)供電與用工頻電網(wǎng)供電相比較，電動(dòng)機(jī)的電流會(huì)增加10％而溫升會(huì)增加20％左右。變頻器若要長電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)應(yīng)該采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不夠。當(dāng)變頻器用于控制并聯(lián)的幾臺電機(jī)時(shí)，一定要考慮變頻器到電動(dòng)機(jī)的電纜的長度總和在變頻器的容許范圍內(nèi)。另外在此種情況下，變頻器的控制方式只能為V/F 控制方式，并且變頻器無法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過流、過載保護(hù)，此時(shí)需在每臺電動(dòng)機(jī)側(cè)加熔斷器來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。使用變頻器控制高速電機(jī)時(shí)，由于高速電動(dòng)機(jī)的電抗小，會(huì)產(chǎn)生較多的高次諧波。因此，選擇用于高速電動(dòng)機(jī)的變頻器時(shí)，應(yīng)比普通電動(dòng)機(jī)的變頻器稍大一些。另外，在運(yùn)行中進(jìn)行極數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)先停止電動(dòng)機(jī)工作，否則會(huì)造成電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，惡劣時(shí)會(huì)造成變頻器損壞。使用變頻器驅(qū)動(dòng)齒輪減速電動(dòng)機(jī)時(shí)，使用范圍受到齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)部分潤滑方式的制約。因此，不要超過最高轉(zhuǎn)速容許值。1 變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，與工頻電源相比，會(huì)降低輸出容量10％～20％，變頻器的連續(xù)輸出電流要大于同步電動(dòng)機(jī)額定電流與同步牽入電流的標(biāo)幺值的乘積。1當(dāng)變頻器控制羅茨風(fēng)機(jī)或特種風(fēng)機(jī)時(shí)，由于其起動(dòng)電流很大，所以選擇變頻器時(shí)一定要注意變頻器的容量是否足夠大。否則現(xiàn)場的灰塵、水汽會(huì)影響變頻器的長久運(yùn)行。 FANUC通用變頻器本機(jī)床采用通用FANUC通用變頻器作為主軸驅(qū)動(dòng)裝置。圖31 FANUC通用變頻器接線端子說明變頻器控制端子說明： STF：正轉(zhuǎn)啟動(dòng)。 STR：反轉(zhuǎn)啟動(dòng)。 RH、RM、RL：多段數(shù)選擇。根據(jù)輸入端子功能的選擇（—）可改變端子的功能。10：頻率設(shè)定用電源，DC5V，允許負(fù)荷電流為10mA。輸入DC0~5V（0~10V）時(shí)，輸出成比例：輸入5V（10V）時(shí)，輸出為最高頻率。5：頻率設(shè)定公共輸入端。變頻器根據(jù)輸入的速度指令和運(yùn)行狀態(tài)指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電壓，控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與機(jī)床進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分組成。位置控制系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動(dòng)器中的位置控制模塊、速度控制模塊、位置檢測及反饋控制等各部分組成。位置控制反饋能夠精確地控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，