【正文】 饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中 CNC 只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由此可見，傳統(tǒng) CNC 系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了 CNC 向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行。由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機(jī)床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。 (3) 工藝復(fù)合性和多軸化 以減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控技術(shù)軸，西門子 880 系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá) 24 軸。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。8 / 42 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 當(dāng)前開發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。 普通機(jī)床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評價根據(jù)對市場的調(diào)研，目前新的經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床， 萬/臺，普通新車床 CA6140，售價 萬/臺，使用壽命 810 年，而已使用了 68 年的舊車床 CA6140，估價 萬/臺，通過改造還可使用 46 年。因此需要對普通車床的數(shù)控化改造進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價。 微觀看改造的必要性從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)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(jī)的威力。　　由于計算機(jī)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(jī)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。 (3) 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。 (5) 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。9 / 42　　以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。近 10 年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 ～ 萬臺，年產(chǎn)值約為 18 億元。我國機(jī)床役齡 10 年以上的占60％以上；10 年以下的機(jī)床中，自動/半自動機(jī)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(jī)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。 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)10 / 42揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長時間，需要進(jìn)行技術(shù)更新?！　∵@些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。這也是一個極大的改造市場。（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用 8 位微機(jī)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴(kuò)展程序存儲器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器、I/O 接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。 （6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。 （8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。 （10）機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。要求該車床具有切削螺紋的功能，縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。設(shè)計參數(shù)如下：最大加工直徑：在床面上 400mm在床鞍上 210mm最大加工長度： 1000mm快進(jìn)速度縱向 橫行 最大切削進(jìn)給速度縱向 橫行 代碼制 ISO脈沖分配方式 逐點比較法輸入方式 增量值、絕對值通用控制坐標(biāo)數(shù) 2最小指令值縱向 橫行 刀具補償量 0~進(jìn)給傳動鏈間隙補償量縱向 橫行 自動升降速性能 有12 / 42 主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造CA6140 型普通車床的主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)都由主軸電機(jī)控制，而改造后的車床則把主傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的運動分離開。同時，為了提高機(jī)床的精度和效率，用滾珠絲杠來代替原機(jī)床的光杠，并且采用單獨的步進(jìn)電機(jī)來控制。1. 機(jī)械部分的改造首先拆去進(jìn)給箱、溜板箱；還要對車床的床鞍進(jìn)行部分的改造，拆去縱向小拖板、 橫向拖板，將絲杠換成滾珠絲杠，并且由一端驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)來控制。所以，必須要換成數(shù)控自動刀架。主軸與脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電路以及 I/O 接口送給數(shù)控裝置（CNC） ，脈沖發(fā)生器及光柵編碼器安裝位置如圖光柵編碼器安裝位置主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理:脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤、光闌板、光敏管及其光電整形放大電路組成。在光柵盤上刻有明暗條紋，有單條和 1024 個條兩組。單條紋的一組產(chǎn)生同步脈沖，每轉(zhuǎn)發(fā)一個脈沖；1024 條紋的一組通過光欄上兩個相位差 π/4 間距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn) 1024個脈沖組相差為 π/4 的脈沖序列，供給微機(jī)處理，借以判斷主軸正、反轉(zhuǎn)，且可以從 1024 個脈沖中均勻地取出 F 個脈沖，作為中斷信號控制插補速度，實現(xiàn) F 進(jìn)給控制的目的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。計算簡圖如下圖所示：圖 縱向進(jìn)給圖 進(jìn)給系統(tǒng)計算簡圖 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指一個進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量,它是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本參數(shù)。對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來說，常采用的脈沖當(dāng)量為 ,在 CA6140 的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量 為 。pf 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇與校核步驟（1）滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。因此，滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換的元件。 工作原理：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。回珠管兩端還起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。 ②摩擦力?。褐饕怯脻L珠的滾動代替了普通絲桿螺母副的滑動。經(jīng)預(yù)緊后可消除間隙。1）最大工作荷載計算滾珠絲杠的工作載荷 （N）是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承mF受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。由于原普通 CA6140 車床的縱向?qū)к壥侨切螌?dǎo)軌，則用公式 21 計算工作載荷的大小。切深抗力 與縱向進(jìn)給垂直，y影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。切削時總切削力的分解縱切外圓時，車床的主切削力 可以用下式計算：zF （32） zz zxFynpCafVK? =5360(N) 由《金屬切削原理》知：=1:: （33） :zxyF 得 =1340(N)xF =2144(N)y因為車刀裝夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上，車削作業(yè)時作用在進(jìn)給托板的載荷 ﹑ 和 與車刀所受到的車削抗力有對應(yīng)關(guān)系。n 為絲杠轉(zhuǎn)速（r／min）,n=1000v／L 0。L0 為絲杠的基本導(dǎo)程，查資料得 L0=12mm。因此有Ca＞C=11740N另外例如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考慮其另一種失效形式滾珠接觸面上的塑性變形。考慮到簡易經(jīng)濟(jì)改裝，所以采用外循環(huán)。18 / 421 絲杠的拉壓變形量 1? （36）mFlEA??? =177。3）壓桿穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。方式 兩端端自由 一端固定一端自由兩端固定 兩端簡支zF 由 且 =, E= Mpa, ,L=2800mm 為絲2zkfEIL??zf ?44()6ldIm??杠的長度由于 I=519614mm ? =27627619 / 42 27614985kN???所以絲杠很穩(wěn)定。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。電機(jī)初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進(jìn)給速度 =2 。4hPm?已知條件如下：工作臺重量： ； 30WN 脈沖當(dāng)量： ；.5/step??步距角： ；7a? 進(jìn)給速度： ；mx2/inV 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： ；04L滾珠絲杠行程： ；65S?(1) 削力計算橫向進(jìn)給量為縱向的 ，取 ，則切削力約為縱向的 ：1~2312 ；??在切斷工件時：；...? 滾珠絲杠設(shè)計計算(1) 強(qiáng)度計算對于燕尾型導(dǎo)軌：20 / 42；()yZPKFfW???取 K=， =；f?則： ；?????壽命值： ；6iinTL?由以上條件，可以確定步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠齒輪傳動比： ；??pi??由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動則： 。 N???根據(jù)最大負(fù)載 Q 值，可選擇滾珠絲杠的型號,外循環(huán)插管埋入式雙螺母預(yù)緊式的滾珠絲杠，型號為 2022——3 左，其中額定動載荷為 14200N，所以強(qiáng)度夠用。()()tgt???????(3) 剛度驗算滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量：；..(96)L cmEF????????滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小，即： 。/m?(4) 穩(wěn)定性由于選用的滾珠絲杠的直徑與絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗算。20d14ad64ad8(2) 轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量： ；????????????????????絲杠轉(zhuǎn)動慣量： ；4 kgcm???齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： ；4 ??? ；2 kc?電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此轉(zhuǎn)動慣量為：(3) 所需轉(zhuǎn)動力矩計算；max052383./min4VnrL????????；01./in343tfin rD?主； cm?????00 . Nii????????2 kgcmi ????????????22 / 42????2 ...2YtFLMNcmi Nm???????????所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩： c??????切削時需力矩： ??快速進(jìn)給時所需力矩：。滾珠絲杠副的軸向間隙直接影響其傳動剛度和傳動精度，尤其是反向傳動精度。滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊，通常采用雙螺母預(yù)緊方式，其結(jié)構(gòu)型式有三種。1．墊片調(diào)隙式 圖 3—5 所示結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)簡單可靠、剛性好，但調(diào)整費時，且不能在工作中隨意調(diào)整。用兩個鎖緊螺帽2 能使螺母相對絲杠作軸向移動。但調(diào)整位移量不易精確控制。但調(diào)整位移量不易精確控制，因此，預(yù)緊力也不能準(zhǔn)確控制。在兩個螺母的凸緣上分別有齒數(shù)為 ZZ 2 的齒輪，而且 ZZ 2 與相應(yīng)的內(nèi)齒圈相嚙合。兩螺線的軸向相對位置發(fā)生變化從而實現(xiàn)間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力。如兩齒輪沿同方向各轉(zhuǎn)1ns?過 n 個齒時，其兩螺母間相對軸向位移量 （Z 2 為另??2112hhPsnZ??????????一齒輪齒數(shù)）或 。這種調(diào)整方式的結(jié)構(gòu)復(fù)