【正文】 點(diǎn)： (1)電動(dòng)機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速、環(huán)境條件受到限制； (2)換向器、電刷維護(hù)不方便。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 1971 年，德國(guó)西門子的 Blaschke 發(fā)明了交流異步機(jī)的矢量控制法； 1980 年，德國(guó)人 Leonhard 為首的研究小組在應(yīng)用微理器的矢量控制的研究中取得進(jìn)展，使矢量控制實(shí)用化。數(shù)控機(jī)床逐漸采用異步電機(jī)為主軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這種電機(jī)具有良好的伺服性能。為了實(shí)現(xiàn)更高的加工精度和速度，90 年代，許多公司又研制了直線電機(jī)。但由于它的推力還不夠大，發(fā)熱，漏磁及造價(jià)也影響了它的廣 —泛應(yīng)用。這兩種突破的結(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給和主軸裝置。這些技術(shù)的突破，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強(qiáng)。 第 一 章 緒論 7 3 CNC 系統(tǒng)的連網(wǎng) 數(shù)控系統(tǒng)從控制單臺(tái)機(jī)床到控制多臺(tái)機(jī)床的分級(jí)式控制需要網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是進(jìn)行通信，共享信息。一般由以太網(wǎng)組成。一般由 DNC 功能進(jìn)行控制。更高檔次的 DNC 還可以對(duì) CAD／ CAM/CAPP 以及 CNC 的程序進(jìn)行傳送和分級(jí)管理。 (3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)。同時(shí)也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)大多是基于 PLC 的分布式系統(tǒng)。所謂 I／ 0 接線方式為傳遞 4—20ma(模擬量信息 )或 24VDC(開(kāi)關(guān)量信息 )?，F(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總 線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要特點(diǎn)為：它是數(shù)控系統(tǒng)通信向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的延伸、數(shù)字化通信取代 4—20ma 模擬信號(hào)、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化 (可編程或可參數(shù)化 )：它集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體：由于現(xiàn)場(chǎng)總線具有開(kāi)放性、互操作性、互換性、可集成性，因此是實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備層信息集成的關(guān)鍵技術(shù)。目前在工業(yè)上采用的現(xiàn)場(chǎng)總線有 ProfibusDP， SERCOS， JPCN1， Devico， CAN， hterbus—S， Marco 等。目前比較活躍的是 Prof 主 busDP，為了允許更快的數(shù)據(jù)傳送速度，它由 0S 工的七層結(jié)構(gòu)省去 37 層構(gòu)成。 4 功能不斷發(fā)展和擴(kuò)大 NC 技術(shù)經(jīng)過(guò) 50 年的發(fā)展，已經(jīng)成為制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。這是一臺(tái)具有開(kāi)放性， 4 通道、最多控制軸數(shù)為 24 軸、最多聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為 24 軸、最多可控制 4 個(gè)主軸的 CNC 系統(tǒng)。 CA6136 車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 表 11 快移速度與分辨率 快速移動(dòng)速度 m／ min 分辨率 L1m 240 1 100 0． 1 10 0． 01 l 0． 001 它的技術(shù)特點(diǎn)反映了現(xiàn)代 NC 發(fā)展的特點(diǎn)： a . 開(kāi)放性： 系統(tǒng)可通過(guò)光纖與 PC 機(jī)連接，采用 Window 兼容軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境。特別適合於加工航空機(jī)械零件，汽車及家電的高精零件，各種模具和復(fù)雜的需 5 軸加工的零件。當(dāng) 分辨率為 時(shí)，快速可達(dá) 240m/min 速度；系統(tǒng)還具有高速高精加工的智能控制功能： (1)預(yù)計(jì)算出多程序段刀具軌跡，并進(jìn)行預(yù)處理。以便降低加工時(shí)間，提高效率，同時(shí)提高加工精度。 b . 高級(jí)復(fù)雜的功能： 15i／ 150i 可進(jìn)行各種數(shù)學(xué)的插補(bǔ)，如直線、圓弧、螺旋線、漸開(kāi)線、螺旋漸開(kāi)線、樣條等插補(bǔ)。采用 NURBS 插補(bǔ)可以人人減少 NC 程序的數(shù)據(jù)輸入量，減少加工時(shí)間，特別適用模具加工。 c . 強(qiáng)力的聯(lián)網(wǎng)通信功能。 （ 1）工廠干線或控制層通信網(wǎng)絡(luò)：由 PC 機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)控制多臺(tái) 15i／ 150i 組成的加工單元，可以傳送數(shù)據(jù)、參數(shù)等。（ 3）通過(guò) RS—485 接口傳送 I／ 0 信號(hào)：或且也可采用 Prellbus—DP(符合歐洲 1 標(biāo)準(zhǔn) EN50170)以 12Mbps 進(jìn)行高速通信。 (2)基本 PMC 指令執(zhí)行時(shí)間為： 0． 085ps；最大步數(shù)： 32， 000 步。 (4)可在 PC 機(jī)上進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。 (1)具有觸摸面板，容 易操作。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（ IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn) 30 萬(wàn)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(diǎn)問(wèn)題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。目前世界上許多汽車廠，包括我國(guó)的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。加工一薄壁飛機(jī)零件， 只用 30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需 3h，在普通銑床加工需 8h；德國(guó) DMG 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá) 12021r/mm和 1g。 在可靠性方面，國(guó)外數(shù)控裝置的 MTBF 值已達(dá) 6000h 以上，伺服系統(tǒng)的 MTBF 值達(dá)到 30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。 2. 5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 CA6136 車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 采用 5 軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。但過(guò)去因 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比 3 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含 5 面加工機(jī)床）的發(fā)展。德國(guó) DMG 公司展出 DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下 5 面加工和 5 軸聯(lián)動(dòng)加工，可由 CNC 系統(tǒng)控制或 CAD/CAM 直接或間接控制。 為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問(wèn)題。數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)之 路。目前開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開(kāi)發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集 成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。 4. 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 如前所述，開(kāi)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(guó)、歐共體和日本等國(guó)紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行開(kāi)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(lái)臨。 b. 關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè) 信息化發(fā)展的一種趨勢(shì)。為此，國(guó)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(guò)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(lái) 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。 在此階段，由于國(guó)外的技術(shù)封鎖和我國(guó)的基CA6136 車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。在此階段，由于改革開(kāi)放和國(guó)家的重視，以及研究開(kāi)發(fā)環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的改善，我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)以及在產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在此階段，我國(guó)國(guó) 產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。 縱觀我國(guó)數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過(guò) 4 個(gè) 5 年計(jì)劃的攻關(guān)，總體來(lái)看取得了以下成績(jī)。 (2)初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國(guó)的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。雖然從縱向看我國(guó)的發(fā)展速度很快，但橫向比 (與國(guó)外對(duì)比 )不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)大趨勢(shì)。 (2)產(chǎn)業(yè)化水平上，市場(chǎng)占有率低，品種覆蓋率小，還沒(méi)有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對(duì)差；可靠性不高，商品化程度不足；國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后。對(duì)市場(chǎng)的不規(guī)范、國(guó)外的封鎖加扼殺、體制等困難估計(jì)不足 。 (2)體系方面從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題的時(shí)候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題的時(shí)候少 。 第 一 章 緒論 13 (3)機(jī)制方面不良機(jī)制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實(shí)施，往往規(guī)劃理想，實(shí)施困難。機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標(biāo) 準(zhǔn)研究不夠。我們以資源、環(huán)境、市場(chǎng)為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國(guó)際 “加工中心 ”和 “組裝中心 ”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。其次從國(guó)防安全看，西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制 。 強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn) 品為主，以整機(jī) (如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 )帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品 。當(dāng)然，沒(méi)有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。 在競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控 技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 數(shù)控系統(tǒng)采用國(guó)際通用的 DTM SYSTEM 5T 系統(tǒng) ，可靠性好，功能強(qiáng)大。該機(jī)床改造后取名 “CK6136A數(shù)控車床 ”。設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 最大加工直徑 在床面上 360mm 在床鞍上 180mm 最大加工長(zhǎng)度 750mm 快進(jìn)速度 縱向 2m/min 第二章 總體方案的確定 15 橫向 1 m/min 最大切削進(jìn)給速度 縱向 橫向 溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N 主電機(jī)功率 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)系 2 最小指令值（脈沖當(dāng)量） 橫 向 縱 向 機(jī)床定位精度 177。 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的確定 按運(yùn)動(dòng)方式數(shù)控系統(tǒng)可以分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)：數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)。但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大。由于所造成的 CA6136 促車床的目標(biāo)加工精度不很高，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的必要性不大。由于調(diào)速范圍寬，過(guò)載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制。所以比閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn) 。本設(shè)計(jì)要求不高，為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，通常情況下均采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制。缺點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有過(guò)載能力啟動(dòng)頻率低，工作頻率也不高等。 通過(guò)比較，決定采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 縱向驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安裝在車床床尾，并不占據(jù)絲桿空間。橫向進(jìn)給結(jié)構(gòu)的改造：由于原橫向進(jìn)給的絲桿空間有限，一種方法是拆除橫