【正文】 、 性 能 上 居 世 界 前 列 。 日 本 政 府 對(duì) 機(jī) 床 工 業(yè) 之 發(fā) 展 異 常 重 視 ， 通 過(guò) 規(guī) 劃 、 法 規(guī) （ 如 “機(jī) 振 法 ”、“機(jī) 電 法 ”、 “機(jī) 信 法 ”等 ） 引 導(dǎo) 發(fā) 展 。 日 本 FANUC 公 司 戰(zhàn) 略 正 確 ， 仿 創(chuàng) 結(jié) 合 ， 針 對(duì) 性 地 發(fā) 展 市 場(chǎng) 所 需 各 種 低中 高 檔 數(shù) 控 系 統(tǒng) ， 在 技 術(shù) 上 領(lǐng) 先 ， 在 產(chǎn) 量 上 居 世 界 第 一 。 2022 年 ， 金 切 機(jī) 床 制 造 廠 約 358 家（ 萬(wàn) 人 ） ， 成 形 機(jī) 床 制 造 廠 191 家 （ 約 萬(wàn) 人 ） ， 共 計(jì) 549 家 （ 萬(wàn) 人 ） 。中 國(guó) 于 1958 年 研 制 出 第 一 臺(tái) 數(shù) 控 機(jī) 床 ， 發(fā) 展 過(guò) 程 大 致 可 分 為 兩 大 階 段 。 通 過(guò) 合 作 生產(chǎn) 先 進(jìn) 數(shù) 控 機(jī) 床 ， 使 設(shè) 計(jì) 、 制 造 、 使 用 水 平 大 大 提 高 ， 縮 小 了 與 世 界 先 進(jìn) 技 術(shù)的 差 距 ； 通 過(guò) 利 用 國(guó) 外 先 進(jìn) 元 部 件 、 數(shù) 控 系 統(tǒng) 配 套 ， 開(kāi) 始 能 自 行 設(shè) 計(jì) 及 制 造 高速 、 高 性 能 、 五 面 或 五 軸 聯(lián) 動(dòng) 加 工 的 數(shù) 控 機(jī) 床 ， 供 應(yīng) 國(guó) 內(nèi) 市 場(chǎng) 的 需 求 ， 由于 數(shù) 控 化 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 薄 弱 ， 至 今 許 多 重 要 功 能 部 件 、 自 動(dòng) 化 刀 具 、 數(shù) 控 系 統(tǒng) 依靠 國(guó) 外 技 術(shù) 支 撐 ， 基 本 上 處 于 從 仿 制 走 向 自 行 開(kāi) 發(fā) 階 段 ， 與 日 本 數(shù) 控 機(jī) 床 的 水平 差 距 很 大 。 國(guó) 內(nèi) 企 業(yè) 對(duì) 數(shù) 控 機(jī) 床 檔 次 上 的 要 求 存 在 著 很 大 差 異 ， 特 別 是 那 些 中 小型 企 業(yè) ， 如 果 購(gòu) 買(mǎi) 成 套 的 數(shù) 控 裝 置 ， 不 但 經(jīng) 濟(jì) 上 不 能 承 擔(dān) ， 而 且 對(duì) 于 只 進(jìn) 行 小批 量 ， 簡(jiǎn) 單 零 件 生 產(chǎn) 企 業(yè) 來(lái) 說(shuō) 無(wú) 疑 是 大 材 小 用 ， 浪 費(fèi) 成 本 。數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 出 現(xiàn) ,其 發(fā) 展 經(jīng) 過(guò) 以 下 幾 代 ：第 一 代 數(shù) 控 系 統(tǒng) :1952 年 由 Parson 公 司 和 麻 省 理 工 學(xué) 院 聯(lián) 合 開(kāi) 發(fā) 研 究 的第 一 臺(tái) 電 子 管 數(shù) 控 系 統(tǒng) 。第 三 代 數(shù) 控 系 統(tǒng) ： 1965 年 開(kāi) 始 ,采 用 集 成 電 路 。第 五 代 數(shù) 控 系 統(tǒng) ： 1974 年 開(kāi) 始 ,采 用 微 處 理 機(jī) 和 微 型 計(jì) 算 機(jī) 。隨 著 微 電 子 技 術(shù) 和 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 現(xiàn) 在 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 性 能 日 臻 完 善 ， 數(shù)控 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 日 益 擴(kuò) 大 。 各 生 產(chǎn) 部門(mén) 加 工 要 求 的 不 斷 提 高 又 從 另 一 個(gè) 方 面 促 進(jìn) 了 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 。 數(shù) 控 技 術(shù) 的 進(jìn) 步 突 出 表 現(xiàn) 在 高 精 度 、 高 效 率 ， 具 有 聯(lián)網(wǎng) 通 信 功 能 等 方 面 ?？?之 ， 當(dāng) 今 數(shù) 控 系 統(tǒng) 正 不 斷 吸 收 最 新 技 術(shù) 成 就 ， 朝 著 高 速 度 化 、 高 精 度 化 ， 高 功 能 、 智 能 化 、 小 型 化 、 系 統(tǒng) 化 、 高 可 靠 性 以 及 開(kāi) 放 性 等 方 向 發(fā) 展 。 現(xiàn) 代 國(guó) 防 、 工 業(yè) 裝 備 的 制 造 ， 都 離 不 開(kāi) 數(shù) 控技 術(shù) 。 因 此 ， 為 了 增 強(qiáng) 我 國(guó) 國(guó) 防 實(shí) 力 和 綜 合 國(guó) 力 ， 必 須 將 發(fā) 展 數(shù) 控 技 術(shù) 和數(shù) 控 機(jī) 床 提 高 到 戰(zhàn) 略 高 度 來(lái) 對(duì) 待 。 要 提 高 我 國(guó) 機(jī) 床 數(shù) 控 化 率 ， 靠 大 量 引 進(jìn) 國(guó) 外 的 數(shù) 控 機(jī) 床 是 行 不 通 的 。 從 滿 足 企業(yè) 加 工 需 求 來(lái) 看 ， 對(duì) 那 些 精 度 等 級(jí) 要 求 高 的 零 部 件 加 工 ， 可 適 當(dāng) 引 進(jìn) 一 些 數(shù) 控機(jī) 床 ， 而 對(duì) 于 那 些 大 量 的 半 精 加 工 和 粗 加 工 ， 普 通 機(jī) 床 數(shù) 控 化 改 造 后 ， 是 完 全可 以 勝 任 的 。 經(jīng) 過(guò) 幾 十 年 來(lái) 的發(fā) 展 ， 國(guó) 產(chǎn) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 可 靠 性 已 大 為 提 高 。9 / 41總 之 ， 對(duì) 普 通 機(jī) 床 進(jìn) 行 數(shù) 控 化 改 造 ， 既 解 決 了 舊 機(jī) 床 大 量 閑 置 的 問(wèn) 題 ，做 到 了 物 盡 其 材 ， 為 企 業(yè) 節(jié) 省 了 成 本 ， 帶 來(lái) 了 明 顯 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 。本 文 主 要 是 結(jié) 合 我 國(guó) 國(guó) 情 ,源 于 生 產(chǎn) 實(shí) 際 的 需 要 ,利 用 大 量 閑 置 的 舊CA6140 車(chē) 床 ， 對(duì) 其 進(jìn) 行 數(shù) 控 化 改 造 ,本 改 造 主 要 對(duì) CA6140 車(chē) 床 的 控 制 系 統(tǒng)進(jìn) 行 數(shù) 控 改 造 ， 將 用 單 片 機(jī) ， 存 儲(chǔ) 器 等 組 成 的 數(shù) 控 控 制 系 統(tǒng) 取 代 傳 統(tǒng) 的 控 制裝 置 ， 改 造 成 為 可 以 實(shí) 現(xiàn) 平 面 兩 坐 標(biāo) 聯(lián) 動(dòng) 的 數(shù) 控 車(chē) 床 。該 論 文 的 主 要 內(nèi) 容 是 :(1)從 總 體 上 給 出 了 一 套 數(shù) 控 改 造 車(chē) 床 C6140 的 思 路 和 框 架 。(3)數(shù)字控制部分給出了總體設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)后硬件的控制電路原理圖。 CA6140 數(shù) 控 改 造 后 的 功 能該 車(chē) 床 經(jīng) 過(guò) 數(shù) 控 化 改 造 后 ， 能 夠 實(shí) 現(xiàn) 兩 軸 聯(lián) 動(dòng) ， 自 動(dòng) 換 刀 ， 直 線 和 圓 弧 的插 補(bǔ) ； 工 件 在 一 次 安 裝 后 ， 完 成 多 道 工 序 的 加 工 ， 通 過(guò) 編 寫(xiě) 不 同 的 程 序 完 成各 種 較 為 復(fù) 雜 零 件 的 加 工 ； 提 高 了 加 工 范 圍 和 加 工 精 度 。 改 造 機(jī) 械 部 分主 傳 動(dòng) 的 機(jī) 械 部 分 的 改 造 主 要 是 在 主 軸 上 加 裝 編 碼 器 ， 實(shí) 現(xiàn) 反 饋 主 軸 轉(zhuǎn) 速 ，保 證 主 軸 轉(zhuǎn) 一 轉(zhuǎn) ， 刀 架 能 移 動(dòng) 一 個(gè) 被 加 工 螺 紋 的 導(dǎo) 程 。 增 加 數(shù) 控 控 制 系 統(tǒng)機(jī) 械 部 分 改 造 完 成 后 ， 配 上 由 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 及 應(yīng) 用 程 序 構(gòu) 成 的 開(kāi) 環(huán) 數(shù) 字 控 制系 統(tǒng) ， 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 作 為 進(jìn) 給 軸 動(dòng) 力 ， 直 接 或 經(jīng) 過(guò) 一 級(jí) 減 速 齒 輪 驅(qū) 動(dòng) X、 Z 軸的 運(yùn) 動(dòng) 。 該 車(chē) 床 的 主 要 組 成 部 件 有 ：主 軸 箱 、 進(jìn) 給 箱 、 溜 板 箱 、 刀 架 部 件 、 尾 座 、 和 床 身 等 。 其 電 氣 控制 原 理 圖 , 如 圖 所 示 ：11 / 41圖 電 路 分 析電 源 由 漏 電 保 護(hù) 斷 路 器 引 入 。 M1 為 主 軸 電動(dòng) 機(jī) ， 用 來(lái) 帶 動(dòng) 主 軸 旋 轉(zhuǎn) 和 刀 架 作 進(jìn) 給 運(yùn) 動(dòng) ， 它 的 運(yùn) 轉(zhuǎn) 和 停 止接 觸 器 KM1 的 三 個(gè) 常 開(kāi) 主 觸 點(diǎn) 的 接 通 和 斷 開(kāi) 來(lái) 控 制 。 熱 繼 電 器 FR1 作 過(guò) 載 保 護(hù) 。 它 的 運(yùn) 轉(zhuǎn) 和 停 止 由 接 觸 器 KM2 的 三 個(gè) 常 開(kāi) 主 觸 點(diǎn) 的接 通 和 斷 開(kāi) 來(lái) 控 制 ， 熱 繼 電 器 FR2 作 過(guò) 載 保 護(hù) 。 它 的 運(yùn) 轉(zhuǎn) 和 停 止 由 接 觸 器 KM3 的 三 個(gè) 常 開(kāi)主 觸 點(diǎn) 來(lái) 控 制 。對(duì) 線 路 圖 進(jìn) 行 照 明 燈 和 信 號(hào) 燈 的 電 路 分 析 可 知 ,控 制 變 壓 器 TC 的 二 次 側(cè)分 別 輸 出 24v 和 6v 電 壓 ， 作 為 機(jī) 床 照 明 燈 和 信 號(hào) 燈 的 電 源 。 熔 斷 器 FU4 是 照 明 電 路 的 短 路 保 護(hù) 。 熔 斷 器 FU3 是 信 號(hào) 指 示 電 路 的 短 路 保 護(hù) 。 二 次 側(cè) 輸 出 110v 交 流 電 壓 作 為 控 制 回 路 的 電 源 。 同 時(shí) ， KM1 的 一 個(gè) 常 開(kāi) 輔 助 觸 點(diǎn) 也 閉 合 ， 進(jìn) 行 自 鎖 保 證 主軸 電 動(dòng) 機(jī) M1 在 松 開(kāi) 起 動(dòng) 按 鈕 后 能 連 續(xù) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。熱 繼 電 器 FR1 的 常 閉 觸 點(diǎn) 串 聯(lián) 在 KM1 線 圈 的 電 路 中 ， 當(dāng) 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) M1過(guò) 載 時(shí) ， FR1 的 常 閉 觸 點(diǎn) 斷 開(kāi) ， KM1 因 線 圈 斷 電 而 釋 放 ， 電 動(dòng) 機(jī) M1 便 停 止 。該 電 路 也 有 欠 電 壓 保 護(hù) ， 當(dāng) 電 源 電 壓 太 低 時(shí) ， 接 觸 器 KM1 因 電 磁 吸 力 不足 而 自 動(dòng) 釋 放 ． 電 動(dòng) 機(jī) M1 自 行 停 止 ， 以 避 免 欠 電 壓 時(shí) 電 動(dòng) 機(jī) M1 回 電 流 過(guò)大 而 燒 壞 。當(dāng) 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 停 車(chē) 時(shí) ， 接 觸 器 KM1 釋 放 ， 其 常 開(kāi) 觸 點(diǎn) 斷 開(kāi) ， 冷 卻 泵 電 動(dòng)機(jī) M2 也 同 時(shí) 停 止 。 熱 繼 電 器 FR2 的 常 閉 觸 點(diǎn) 串 聯(lián) 在 KM2 線 圈 的 電 路 中 ， 所 以 當(dāng) 冷 卻 泵 電 動(dòng)機(jī) 過(guò) 載 時(shí) ， FR2 的 常 閉 觸 點(diǎn) 斷 開(kāi) ， 接 觸 器 KM2 因 線 圈 斷 電 而 釋 放 ， 電 動(dòng) 機(jī)M2 便 停 止 ， 實(shí) 現(xiàn) 過(guò) 載 保 護(hù) 。刀 架 快 速 移 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) M3 的 控 制 ： 刀 架 快 速 移 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) M3 的 起 動(dòng) 是 由 安裝 在 進(jìn) 給 操 縱 手 柄 頂 端 的 按 鈕 開(kāi) 關(guān) SB3 來(lái) 控 制 ， 它 與 交 流 接 觸 器 KM3 組 成13 / 41點(diǎn) 動(dòng) 控 制 環(huán) 節(jié) 。聯(lián) 鎖 保 護(hù) ： 鑰 匙 式 電 源 開(kāi) 關(guān) SA2 的 觸 點(diǎn) （ WZI—13） 與 行 程 開(kāi) 關(guān) SQ2 的常 閉 觸 點(diǎn) 并 聯(lián) 后 與 檢 漏 電 阻 R 串 聯(lián) 。 只 有 在 這 種 情 況 下 ， 檢 漏 電 阻 不 通 電 ． 漏 電保 護(hù) 開(kāi) 關(guān) QF 才 能 合 得 上 ， 以 保 證 安 全 。 當(dāng) 裝好 掛 輪 架 罩 時(shí) ， SQ1 的 常 開(kāi) 觸 點(diǎn) 閉 合 ， 控 制 電 路 才 有 電 ， 電 動(dòng) 機(jī) 才 可 能 起 動(dòng) 。 采 用 直 流 或 交 流 無(wú) 級(jí) 調(diào) 速 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 床 ， 使 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 的 變 速 箱 變的 十 分 簡(jiǎn) 單 ， 簡(jiǎn) 化 了 機(jī) 床 結(jié) 構(gòu) ． 提 高 了 效 率 和 剛 度 ， 也 提 高 了 精 度 。 電 氣 控 制 線 路 一 般 應(yīng) 由 電 源 電 路 ， 主 電 路 、 控 制 電 路 和輔 助 電 路 （ 保 護(hù) 、 顯 示 和 報(bào) 警 電 路 ） 四 大 部 分 構(gòu) 成 。CNC 系 統(tǒng) 根 據(jù) 輸 入 的 程 序 或 指 令 ， 由 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 插 補(bǔ) 運(yùn) 算 ， 形 成 理 想 的 運(yùn)動(dòng) 軌 跡 ， 插 補(bǔ) 計(jì) 算 出 的 位 置 數(shù) 據(jù) 輸 出 到 伺 服 單 元 ， 控 制 電 機(jī) 帶 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) ， 加工 出 所 需 的 零 件 。 CNC 系 統(tǒng) 是 由 程 序 、 輸 入 輸 出 設(shè)備 。 圖 為 CNC 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 框 圖 ： 圖 數(shù) 控 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 按 有 無(wú) 反 饋 檢 測(cè) 元 件 分 為 開(kāi) 環(huán) 、 半 閉 環(huán) 和 閉 環(huán) 三 種類(lèi) 型 。通 常 ,執(zhí) 行 元 件 選 用 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) ,因 系 統(tǒng) 不 對(duì) 輸 出 進(jìn) 行 檢 測(cè) ,所 以 執(zhí) 行 元 件 對(duì)系 統(tǒng) 的 特 性 具 有 重 要 的 影 響 。 雖 然 半 閉 環(huán) 控 制 將 運(yùn) 動(dòng)部 件 的 機(jī) 械 傳 動(dòng) 鏈 不 包 括 在 閉 環(huán) 內(nèi) ， 但 目 前 廣 泛 采 用 的 滾 珠 絲 杠 螺 母 機(jī) 構(gòu) 精 度和 精 度 保 持 性 ， 而 且 采 取 了 可 靠 的 消 除 反 向 運(yùn) 動(dòng) 間 隙 機(jī) 構(gòu) ， 完 全 可 以 滿 足 絕 大部 分 機(jī) 床 用 戶 的 需 要 。15 / 41圖 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 是 在 機(jī) 床 最 終 的 運(yùn) 動(dòng) 部 件 的 相 應(yīng) 位 置 直 接 安 裝 直 線 或 回 轉(zhuǎn) 式檢 測(cè) 裝 置 ， 將 直 接 測(cè) 量 到 的 位 移 或 角 位 移 反 饋 到 數(shù) 控 裝 置 的 比 較 器 中 與 輸 入 指令 位 移 進(jìn) 行 比 較 ， 用 差 值 控 制 運(yùn) 動(dòng) 部 件 ， 使 運(yùn) 動(dòng) 部 件 嚴(yán) 格 按 照 實(shí) 際 需 要 的 位 移量 進(jìn) 行 運(yùn) 動(dòng) 。 圖 所 示 是 閉 環(huán) 控制 示 意 圖 。 從 價(jià) 格 ， 功 能和 使 用 性 能 指 標(biāo) 考 慮 ， 可 分 為 經(jīng) 濟(jì) 型 ， 標(biāo) 準(zhǔn) 型 和 高 檔 型 三 類(lèi) 數(shù) 控 裝 置 ； 按16 / 41CNC 裝 置 中 微 處 理 器 的 數(shù) 目 可 以 分 為 單 微 處 理 機(jī) 和 多 微 處 理 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 兩 大 類(lèi) ； 從硬 件 結(jié) 構(gòu) 上 可 分 為 大 板 式 結(jié) 構(gòu) 和 模 塊 化 結(jié) 構(gòu) ； 按 CNC 裝 置 硬 件 的 設(shè) 計(jì) 與 制 造方 式 可 分 為 專(zhuān) 用 型 和 通 用 型 ， 通 用 型 又 稱(chēng) 為 開(kāi) 放 式 體 系 結(jié) 構(gòu) 數(shù) 控 系 統(tǒng) ， 主 要 是基 于 通 用 個(gè) 人 計(jì) 算 機(jī) 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 。 圖 是 數(shù) 控 裝 置 的硬 件 結(jié) 構(gòu) 圖 ：圖 微 處 理 器 是 數(shù) 控 裝 置 的 核 心 ； 存 儲(chǔ) 器 用 于 存 儲(chǔ) 數(shù) 據(jù) 、 參