數(shù)控化改造的技術(shù)方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案.doc

1摘要現(xiàn)代數(shù)控機床是未來工廠自動化的基礎(chǔ)。舊機床數(shù)控化改造范圍大、潛力大、投資少、見效快，已經(jīng)成為適合我國國情，促進制造業(yè)技術(shù)進步的重要手段。因此，數(shù)控系統(tǒng)改造車床的研究具有重要意義。本文在敘述了數(shù)控技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過對舊機床的分析，結(jié)合機床改造的總體思想，提出了數(shù)控化改造的技術(shù)方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案；針對舊機床的要求，進行了傳動系統(tǒng)的重新設(shè)計，提高了傳動的精度.本機床改造后將會展示出強大的功能、穩(wěn)定的性能，將完全符合機床的技術(shù)規(guī)格和精度標準，加工出合格的零件，大大提高了車床的性能，是一次有益的嘗試。關(guān)鍵詞：CA6160A；機床；改造。2目錄第一章緒論31.1數(shù)控機床的歷史和現(xiàn)狀31.2數(shù)控機床的發(fā)展趨勢和研究方向41.2.1高速度、高精度化.41.2.2多功能化.61.2.3智能化.71.2.4數(shù)控系統(tǒng)小型化.71.2.5數(shù)控編程自動化.81.2.6更高的可靠性.81.3床數(shù)控化改造的必要性.9第二章機床改造的任務(wù)及總體思想2.1機床改造的總體任務(wù).102.2運動系統(tǒng)方案確定.102.3傳動方式的選擇.10第三章進給伺服系統(tǒng)傳動計算3.1確定系統(tǒng)脈沖當量113.2縱向切削力的確定113.3縱向滾珠絲杠設(shè)計計算113.4縱向傳動鏈與轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算133.5縱向步進電機的計算和選用163.6橫向切削力的確定.173.7橫向滾珠絲杠設(shè)計計算.173.8橫向傳動鏈與轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算203.9橫向步進電機的計算和選用.21參考文獻:23致謝243第一章緒論1.1數(shù)控機床的歷史和現(xiàn)狀采用數(shù)字控制技術(shù)進行機械加工的思想，最早是40年代初提出的。當時，美國北密執(zhí)安的一個小型飛機承包商派爾遜斯公司在制造飛機框架和直升飛機的機翼葉片時，利用全數(shù)字電子計算機對葉片輪廓的加工路徑進行了數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具半徑對加工路徑的影響，使得加工精度達到10.0381mm，這在當時水平是相當高的。1952年美國麻省理工學院成功地研制出一臺3坐標聯(lián)動的試驗型數(shù)控銑床，這是公認的世界上第一臺數(shù)控機床，當時的電子元件是電子管。1959年，開始采用晶體管元件和印制線路板，出現(xiàn)了帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為加工中心.從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，比如德國、日本等也陸續(xù)開發(fā)生產(chǎn)出了數(shù)控機床。1965年，數(shù)控裝置開始采用小規(guī)模集成電路，使數(shù)控裝置的體積減小，功耗降低，可靠性提高.但仍然是硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)。1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的柔性制造單元。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了用小型計算機控制的數(shù)控機床。這是第一臺計算機控制的數(shù)控機床。1974年，微處理器直接用于數(shù)控系統(tǒng)，促進了數(shù)控機床的普及應用和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。80年代初，國際上出現(xiàn)了以加工中心為主體，再配上工件自動裝卸和監(jiān)控檢測裝置的柔性制造單元。柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元被認為是實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。我國從1958年開始研究數(shù)控技術(shù)，直到60年代中期處于研制、開發(fā)階段。1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。60年代初到70年代初研制成功X53K-1G數(shù)控銑床、CJK-18數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控非圓齒輪插齒機。從70年代開始，數(shù)控技術(shù)在4車、銑、鉆、銼、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平低，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問題沒有得到解決，因此未能廣泛推廣。這一時期，數(shù)控線切割機床由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了推廣。80年代我國先后從日本、美國等國家引進了部分數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)技術(shù)，并于1981年在我國開始批量生產(chǎn)。在此期間，我國在引進、消化吸收的基礎(chǔ)上，跟蹤國外先進技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出了一些高檔的數(shù)控系統(tǒng)，如多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、分辨率為0.02um的高精度數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字仿形系統(tǒng)、為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)等。為了適應機械工業(yè)生產(chǎn)不同層次的需要，我國開發(fā)出了多種經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并得到了廣泛應用?，F(xiàn)在，我國已經(jīng)建立了中、低檔數(shù)控機床為主的產(chǎn)業(yè)體系，90年代主要發(fā)展高檔數(shù)控機床。1.2數(shù)控機床的發(fā)展趨勢和研究方向隨著科學技術(shù)的發(fā)展，世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動、機床及結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標。隨著FMS的迅速發(fā)展和CMS的不斷成熟，又將對數(shù)控機床的可靠性、通訊功能、人工智能和自適應控制等技術(shù)提出了更高的要求。隨著微電子計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日益完善，數(shù)控技術(shù)應用領(lǐng)域日益擴大。當今數(shù)控機床正在不斷采用最新技術(shù)成就，朝著高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。1.2.1高速度、高精度化速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是在超高速切削、超精密加工技術(shù)的實施中，它對機床各坐標軸位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，這兩項技術(shù)指標又是互相制約的，也就是說要求位移速度越高，定位精度就越難提高?，F(xiàn)代數(shù)控機床配備了高性能的數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)，分辨率可達到lum,0.lum,0.0lum。為實現(xiàn)更高速度、更高精度的指標，自前主要在下述幾方面采取措施和進行研究。（1）數(shù)控系統(tǒng)。采用位數(shù)、頻率更高的微處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度。目前己由8位CPU過渡到16位和32位CPU，并向64位CPU發(fā)展，頻率已由原5來的5MHz提高到16MHz,20MHz和32MHzo同時也采用了超大規(guī)模的集成電路和多種微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補運算的速度和精度。(2)伺服驅(qū)動系統(tǒng)。隨著超高速切削、超精密加工等先進工藝的提出，使得在旋轉(zhuǎn)伺服電動機加滾珠絲杠的傳統(tǒng)機械進給機構(gòu)已無法實現(xiàn)。為此采用直線電動機直接驅(qū)動機床工作臺的零傳動直線伺服進給方式，將極大地提高機床直線進給的各項伺服性能指標，特別是高速度和動態(tài)響應特性是以往任何伺服機構(gòu)無法比較的。(3)前饋控制技術(shù)。過去的伺服系統(tǒng)是將位置指令值與所檢測到的實際值比較，所得的差乘以位置環(huán)的增益，其積再作為速度指令去控制電動機。由于這種控制方式總是存在著位置跟蹤滯后誤差，即當進給速度為F時，其伺服系統(tǒng)的最終滯后位F/G，這使得在加工拐角及圓弧切削時加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣將使位置跟蹤滯后誤差大大減小，以改善拐角切削加工精度。(4)機床動、靜摩擦的非線性補償控制技術(shù)。機床動、靜摩擦的非線性會導致機床爬行。除了在機械結(jié)構(gòu)上采取措施降低靜摩擦外，新型的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有自動補償機械系統(tǒng)動、靜摩擦非線性的控制功能。(5)伺服系統(tǒng)的速度環(huán)和位置環(huán)均采用軟件控制。由于采用軟件控制具有較高的柔性，適應不同類型的機床對不同精度及速度的要求，進行加、減速性能的調(diào)整，并能實現(xiàn)復雜的控制算法，以滿足高性能控制的要求。(6)采用高分辨率的位置檢測裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)裝微處理器組成的細分電路，使得分辨率大大提高。(7補償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應用?，F(xiàn)代數(shù)控機床利用計算機控制系統(tǒng)的軟件補償功能對伺服系統(tǒng)進行多種補償，以提高機床的位置精度和動態(tài)伺服性能，如軸向運動定點誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒輪間隙補償、熱變形補償和空間誤差補償?shù)取?8)高速大功率電主軸的應用。由于在超高速加工中.對機床主軸轉(zhuǎn)速提出了極高的要求，傳統(tǒng)的齒輪變速主傳動系統(tǒng)已不能適應其要求。為此，采用了所謂內(nèi)裝式電動機主軸，簡稱電主軸。它是采用主軸電動機與機床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，即采用外殼電動機，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的6定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，即機床主軸單元的殼體就是電動機座。實現(xiàn)了變頻電動機與機床主軸一體化，以適應主軸高速運轉(zhuǎn)的要求。(9)超高速切削刀具的應用。為適應超高速加工要求，目前陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應用。(10)配置高速、強功能的內(nèi)裝式可編程控制器(ProgrammableLogicController，簡稱PLC)。以提高PLC的運行速度，滿足數(shù)控機床高速加工的要求。新型的PLC具有專用的CPU，基本指令執(zhí)行時間達0.2us/步，可編程步數(shù)可擴大到16000步以上。利用PLC的高速處理功能，將CNC與PLC之間有機地結(jié)合起來，能夠滿足數(shù)控機床運行中的各種實時控制要求。1.2.2多功能化(1)數(shù)控機床采用一機多能，提高了設(shè)備利用率。配有自動換刀機構(gòu)的各類加工中心，能在同一臺機床上同時實現(xiàn)銑削、銼削、鉆削、車削、鉸孔、擴孔、攻螺紋，甚至磨削等多種工序的加工。工件一經(jīng)裝夾，各種工序和工藝加工過程集中到同一臺設(shè)備上完成，從而避免了工件多次裝夾所造成的定位誤差，確保零件的形位公差，減少裝夾輔助時間，減少設(shè)備臺數(shù)和占地面積。為了進一步提高工效，現(xiàn)代數(shù)控機床采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。(2)前臺加工、后臺編輯的前后臺功能?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用了多CPU結(jié)構(gòu)和分級中斷控制方式，可以在一臺機床上同時進行零件加工和程序編制，實現(xiàn)所謂的前臺加工后臺編輯.即操作者可在機床進入自動循環(huán)加工的空余期間，同時利用數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤和CRT進行零件加工的編制，并利用CRT進行動態(tài)圖形模擬顯示及所編程序的加工軌跡，進行程序的調(diào)試和修改，以充分提高工作效益和機床利用率。(3)具有更高的通信功能。為了適應FMC,FMS以及進一步聯(lián)網(wǎng)組成CIMS的要求，一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有RS-232C和RS-422高速遠距離串行接口，可以按照用戶級的格式要求，同上一級計算機進行多種數(shù)據(jù)交換。高檔的數(shù)控系統(tǒng)應有的DNC接口，可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對幾臺數(shù)控機床進行控制?，F(xiàn)代數(shù)控機床，為了適應自動化技術(shù)的進一步發(fā)展，滿足工廠自動化規(guī)模越來越大的要求，滿足不同廠家不同類型數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)的需要，采用了MAP7工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了MAP3.0版本，為現(xiàn)代數(shù)控機床進入FMS和C工MS創(chuàng)造了條件。1.2.3智能化應控制技術(shù)。自適應控制的目的是要求在隨機變化的加工過程中，通過自動調(diào)節(jié)加工過程中所測得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數(shù)，己達到或接近最佳工作狀態(tài)。由于在實際加工過程中，大約有30余種變量直接和間接影響加工效果，如工件毛坯余量不勻、材料硬度不一致、刀具磨損、工件變形、機床熱變形、化學親和力的大小、切削液的粘度等，難以用最佳參數(shù)進行切削。而自適應控制系統(tǒng)則能根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，如伺服進給參數(shù)、切削用量等，使加工保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。(2)故障自診斷、自修復功能。主要是利用CNC系統(tǒng)的內(nèi)裝程序?qū)崿F(xiàn)在線診斷，即在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進行自動診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障時，立即采用停機等措施，并通過了CRT進行故障報警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用冗余技術(shù)，自動使故障模塊脫機，而接通備用模塊，以確保在無人化工作環(huán)境的要求。為實現(xiàn)更高的故障診斷要求，最近又提出了人工智能專家診斷系統(tǒng)，它主要由知識庫、推理機和人機控制器三部分組成。(3)刀具壽命自動檢測更換。利用紅外、聲發(fā)射、激光等各種檢測手段，對刀具和工件進行監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，進行及時報警、自動補償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。(4)進行模式識別技術(shù)。應用圖像識別和聲控技術(shù)，使機器自己辨認圖樣，按照自然語音命令進行加工。1.2.4數(shù)控系統(tǒng)小型化數(shù)控系統(tǒng)體積小型化便于將機、電裝置融合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印制電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度的安裝，可以較大的縮小了系統(tǒng)的占有空間。此外，用新型的TFT彩色液晶薄膜型顯示器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陰極射線管CRT，即可使數(shù)控操作系統(tǒng)進一步小型化。這樣可更方便地將它安裝在機床設(shè)備上，更便于對數(shù)控機床的操作使用。81.2.5數(shù)控編程自動化由于微處理機的應用，使數(shù)控編程從脫機編程發(fā)展到在線編程，實現(xiàn)了人機對話，給程序編輯、調(diào)試、修改帶來了極大的方便。并進一步采用了前臺加工后臺編輯的前后臺功能，使數(shù)控機床的利用率得到更大的發(fā)揮。隨著計算機應用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD被彈入圖形交互式自動編程已得到應用，它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，自動生成NC零件加工程序，實現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，它與CAD/CAM系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必有人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得。另外，還出現(xiàn)了測量、編程、加工一體化系統(tǒng)。它是通過激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標測量機等對樣機零件進行測量，并把所測得數(shù)據(jù)直接送入計算機內(nèi)，一方面通過CAD系統(tǒng)而獲得樣機零件圖樣，另一方面通過數(shù)控自動編程系統(tǒng)，將其處理生成NC加工程序，然后通過通信接口送入數(shù)控機床，進行控制自動加工。1.2.6更高的可靠性數(shù)控機床工作的可靠性是用戶最關(guān)注的主要指標，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個方面采取措施。(1)提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量.采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模和超大規(guī)模的專用機混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，精簡外部連線和降低功耗，對元器件進行嚴格篩選，采用高質(zhì)量的多層印制電路板，實行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過必要的老化、振動等有關(guān)考機試驗。(2)模塊化、標準化和通用化。通過硬件功能軟件化，以適應各種控制功能的要求，同時采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標準化和通用化，既提高了硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。(3)增強故障自診斷、自恢復和保護功能。通過自動運行啟動診斷、在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進行故障診斷和報警。利用報警提示，及時排除故障；利用容錯技術(shù)，對重要部件采取冗余設(shè)計，以實現(xiàn)故障自恢復；利用各種測試、監(jiān)控技術(shù)，當產(chǎn)生超程、刀損、干擾、斷電等各種意外事件時，自動進行相應的保護。1.3床數(shù)控化改造的必要性9從微觀上看數(shù)控機床相對傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性。這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的特性。(1)可以加工出傳統(tǒng)機床無法加工的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機可以瞬時準確地計算出每個坐標軸的運動量，就可以復合成復雜的曲線和曲面。(2)可實現(xiàn)加工的自動化，且是柔性自動化，效率比傳統(tǒng)機床提高3-7倍。計算機可以將輸入的程序記憶和存儲，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。傳統(tǒng)機床可以靠凸輪或擋塊等實現(xiàn)自動化，稱之為剛性自動化