【正文】 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(guò)程，因此，對(duì)數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢(shì)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(duì)式檢測(cè)元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)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(shí)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(jì)算模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個(gè)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。 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(guò)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(píng)價(jià)根據(jù)對(duì)市場(chǎng)的調(diào)研，目前新的經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床， 萬(wàn)/臺(tái)，普通新車床 CA6140，售價(jià) 萬(wàn)/臺(tái)，使用壽命 810 年，而已使用了 68 年的舊車床 CA6140，估價(jià) 萬(wàn)/臺(tái)，通過(guò)改造還可使用 46 年。因此需要對(duì)普通車床的數(shù)控化改造進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。 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(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力?！　∮捎谟?jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工?！　∫陨线@些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)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(duì)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?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后 20 年。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。近 10 年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 ～ 萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為 18 億元。我國(guó)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(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到 20％，F(xiàn)MC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60％以上） 。用這種裝備加工出來(lái)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(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益。 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場(chǎng)我國(guó)自改革開放以來(lái)，很多企業(yè)從國(guó)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(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國(guó)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(guó)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(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)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(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)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?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母?、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長(zhǎng)時(shí)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(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。（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(bǔ)、圓弧插補(bǔ)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(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)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(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)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(bǔ)功能。設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(diǎn)比較法輸入方式 增量值、絕對(duì)值通用控制坐標(biāo)數(shù) 2最小指令值縱向 橫行 刀具補(bǔ)償量 0~進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量縱向 橫行 自動(dòng)升降速性能 有 主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造CA6140 型普通車床的主傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分離開。同時(shí)，為了提高機(jī)床的精度和效率，用滾珠絲杠來(lái)代替原機(jī)床的光杠，并且采用單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)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(duì)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(dòng)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。所以，必須要換成數(shù)控自動(dòng)刀架。主軸與脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號(hào)：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)和一個(gè)同步信號(hào)，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(gè)條兩組。單條紋的一組產(chǎn)生同步脈沖，每轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)脈沖；1024 條紋的一組通過(guò)光欄上兩個(gè)相位差 π/4 間距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn) 1024個(gè)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(gè)脈沖中均勻地取出 F 個(gè)脈沖，作為中斷信號(hào)控制插補(bǔ)速度，實(shí)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(dòng)軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。溜板箱部分：全部拆除，在原來(lái)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(dòng)回轉(zhuǎn)四方刀架總成。計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖所示：圖 縱向進(jìn)給圖 進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指一個(gè)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(gè)基本參數(shù)。對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，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(hào)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?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件。因此，滾珠絲杠副既是傳動(dòng)元件，也是直線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(shí)便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。 ②摩擦力小：主要是用滾珠的滾動(dòng)代替了普通絲桿螺母副的滑動(dòng)。經(jīng)預(yù)緊后可消除間隙。1）最大工作荷載計(jì)算滾珠絲杠的工作載荷 （N）是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)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(jì)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(shí)總切削力的分解縱切外圓時(shí)，車床的主切削力 可以用下式計(jì)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?yàn)檐嚨堆b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(shí)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(duì)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(yùn)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?？紤]到簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)改裝，所以采用外循環(huán)。1 絲杠的拉壓變形量 1? （36）mFlEA??? =177。3）壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)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(jiǎn)支zF 由 且 =, E= Mpa, ,L=2800mm 為絲2zkfEIL??zf ?44()6ldIm??杠的長(zhǎng)度由于 I=519614mm ? =276276 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(lái)，以保證其同軸度，提高傳動(dòng)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(tái)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(jì)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(shí)：；...? 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌：；()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(dòng)比： ；??pi??由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動(dòng)則： 。 N???根據(jù)最大負(fù)載 Q 值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào),外循環(huán)插管埋入式雙螺母預(yù)緊式的滾珠絲杠，型號(hào)為 2022——3 左，其中額定動(dòng)載荷為 14200N，所以強(qiáng)度夠用。()()tgt???????(3) 剛度驗(yàn)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(lái)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(yàn)算。20d14ad64ad8(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；????????????????????絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；4 kgcm???齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；4 ??? ；2 kc?電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算；max052383./min4VnrL????????；01./in343tfin rD?主； cm?????00 . Nii????????2 kgcmi ????????????????2 ...2YtFLMNcmi Nm???????????所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩： c??????切削時(shí)需力矩： ??快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：。滾珠絲杠副的軸向間隙直接影響其傳動(dòng)剛度和傳動(dòng)精度，尤其是反向傳動(dòng)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(jiǎn)單可靠、剛性好，但調(diào)整費(fèi)時(shí)，且不能在工作中隨意調(diào)整。用兩個(gè)鎖緊螺帽2 能使螺母相對(duì)絲杠作軸向移動(dòng)。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(gè)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(duì)位置發(fā)生變化從而實(shí)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(guò) n 個(gè)齒時(shí)，其兩螺母間相對(duì)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)雜，但調(diào)整準(zhǔn)確可靠，um精度較高。 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除 采用減速箱的目的及注意事項(xiàng)為了保證步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)性能，要特別考慮負(fù)載慣性矩。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中我們采用減速齒輪來(lái)聯(lián)結(jié)滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)，以達(dá)到