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普通車床的自動(dòng)化改造
摘 要
隨著當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對(duì)精密程度的要求越來越高，加工設(shè)備的機(jī)械加工設(shè)備的加工的精密程度也要求越來越高。而在中國(guó)的機(jī)械加工設(shè)備的車床中普通車床占了很大比例。這已經(jīng)越來越制約著當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展。而數(shù)控機(jī)床由于價(jià)格昂貴，且需要較高技術(shù)的加工工人。所以對(duì)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化改造很是必要。本篇論文是在對(duì)普通臥式車床C6150的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化改造。
作者在搜索、查閱研究大量有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床自動(dòng)化改造技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和分析，并描述了機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。整個(gè)改造過程主要對(duì)車床縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造，選用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，由脈沖發(fā)生器來加工所需要的螺紋。整個(gè)控制系統(tǒng)以8031型號(hào)的單片機(jī)為中心，通過編程對(duì)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制以達(dá)到所需要的加工程度。
關(guān)鍵詞：
機(jī)床改造； 自動(dòng)化機(jī)床； 控制系統(tǒng)
ABSTRACT
With the development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restrict the development of industrial nowadays. But the CN lathe is more expensive, and needed workers with higher technically. So it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic. This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather C6150 and modified it to Lathes automatic.
The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. The main to modify the lathe is to modify the portrait, horizontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. The whole control system with the CPU of 8031 is to control the machine for center, through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree.
Key words:
Machinery Tool Reform； Lathes automatic； Servo system
普通車床的自動(dòng)化改造
目 錄
第1章 緒論 1
1.1數(shù)控機(jī)床與數(shù)控技術(shù) 1
1.1.1數(shù)控機(jī)床與發(fā)展趨勢(shì) 1
1.1.2數(shù)控技術(shù) 2
1.1.3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 4
1.1.4數(shù)控機(jī)床目前在工業(yè)中的地位 6
1.2數(shù)控改造的必要性 6
1.2.1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場(chǎng) 7
1.2.2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 7
1.3數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺 8
1.4對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 10
1.4.1形勢(shì)考慮 10
1.4.2發(fā)展策略 10
1.5本文的選題及主要研究?jī)?nèi)容 11
1.5.1本文的選題 11
1.5.2主要研究?jī)?nèi)容 11
第2章 數(shù)控車床總體改造方案及機(jī)械部分設(shè)計(jì) 13
2.1設(shè)計(jì)要求 13
2.1.1設(shè)計(jì)基本思路 13
2.1.2改造方案的確定 13
2.1.3設(shè)計(jì)目的 13
2.1.4總體方案設(shè)計(jì) 15
2.2滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用 15
2.2.1滾珠絲杠 15
2.2.2縱向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算 16
2.2.3橫向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算 24
2.2.4滾珠絲杠的安裝與使用 32
2.3電機(jī)與滾珠絲杠連接用一級(jí)減速齒輪的設(shè)計(jì)與校核 34
2.3.1齒輪傳動(dòng) 34
2.3.2縱向減速齒輪的設(shè)計(jì)與校核 35
2.3.3橫向減速齒輪的設(shè)計(jì)與校核 39
2.4進(jìn)給系統(tǒng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選擇 42
2.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 42
2.4.2縱向電機(jī)的計(jì)算與選擇 44
2.4.3橫向電機(jī)的計(jì)算與選擇 47
2.5電動(dòng)刀架選擇與介紹 50
第3章 主軸脈沖發(fā)生器介紹與選型 52
3.1光電編碼器原理 52
3.2主軸脈沖發(fā)生器的安裝 53
3.3主軸脈沖發(fā)生器的選擇 53
第4章 普通車床自動(dòng)化改造的單片機(jī)控制 56
4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì) 56
4.2用單片機(jī)控制系統(tǒng)電路 58
4.2.1存儲(chǔ)器擴(kuò)張電路 58
4.2.2面板操作鍵和功能選擇開關(guān) 61
4.2.3功能選擇開關(guān) 62
4.2.4鍵盤、顯示器接口電路 63
4.2.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 64
4.2.6 M.S.T接口 67
4.2.7輔助電路設(shè)計(jì) 67
第5章 小結(jié) 69
參考文獻(xiàn) 70
英文原文 71
中文譯文 76
致 謝 81
72
第1章 緒論
1.1數(shù)控機(jī)床與數(shù)控技術(shù)
1.1.1數(shù)控機(jī)床與發(fā)展趨勢(shì)
（1）數(shù)控機(jī)床：1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。
6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。
①數(shù)控（NC）階段（1952～1970年）
早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代--電子管；1959年的第二代--晶體管；1965年的第三代--小規(guī)模集成電路。
②計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的"通用"兩個(gè)字省略了）。到1971年，美國(guó)INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件--運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡(jiǎn)稱CPU）。
到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控?！ ?
到了1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。
總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代--小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC（國(guó)外稱為PC-BASED）。
還要指出的是，雖然國(guó)外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國(guó)仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實(shí)質(zhì)上已是指"計(jì)算機(jī)數(shù)控"了。
1.1.2數(shù)控技術(shù)
隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息、自動(dòng)控制、精密檢測(cè)及機(jī)械制造技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)床數(shù)控技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。近幾年一些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如刀具及新材料的發(fā)展，主軸伺服和進(jìn)給伺服、超高速切削等技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高等，加速了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床正朝著高速度、高精度、高工序集中度、高復(fù)合化和高可靠性等方向發(fā)展。世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
① 高速高效高精度
高生產(chǎn)率。由于數(shù)控裝置及伺服系統(tǒng)功能的改進(jìn)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度大大提高，減少了切削時(shí)間和非切削時(shí)間。加工中心的進(jìn)給速度已達(dá)到80m/min～120m/min，進(jìn)給加速度達(dá)9.8m/s2～19.6m/s2，換刀時(shí)間小于1s。高加工精度。以前汽車零件精度的數(shù)量級(jí)通常為10 μm，對(duì)精密零件要求為1 μm，隨著精密產(chǎn)品的出現(xiàn)，對(duì)精度要求提高到0.1 μm，有些零件甚至已達(dá)到0.01 μm，高精密零件要求提高機(jī)床加工精度，包括采用溫度補(bǔ)償?shù)?。微機(jī)電加工，其加工零件尺寸大小一般在1mm 以下，表面粗糙度為納米數(shù)量級(jí)，要求數(shù)控系統(tǒng)能直接控制納米機(jī)床。
②柔性化
柔性化包括兩個(gè)方面的柔性：一是數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能覆蓋面大，便于不同用戶的需求；二是DNC 系統(tǒng)的柔性，同一DNC系統(tǒng)能夠依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮DNC 系統(tǒng)的效能。
③工藝復(fù)合化和多軸化
數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化，是指工件在一臺(tái)機(jī)床上裝夾后，通過自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。已經(jīng)出現(xiàn)了集鉆、鏜、銑功能于一身的數(shù)控機(jī)床，可完成鉆、鏜、銑、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋等多工序的復(fù)合數(shù)控加工中心，以及車削加工中心，鉆削、磨削加工中心，電火花加工中心等。此外數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步也提供了多軸控制和多軸聯(lián)動(dòng)控制功能。
④ 實(shí)時(shí)智能化
早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。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?？茖W(xué)發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統(tǒng)與人工智能已實(shí)現(xiàn)相互結(jié)合，人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng)的更加復(fù)雜的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。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，如自適應(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。例如，在數(shù)控系統(tǒng)中配置編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定和刀具自動(dòng)管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；在高速加工時(shí)的綜合運(yùn)動(dòng)控制中引入提前預(yù)測(cè)和預(yù)算功能、動(dòng)態(tài)前饋功能；在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達(dá)到最佳控制的目的。
⑤ 結(jié)構(gòu)新型化
20 世紀(jì)90 年代一種完全不同于原來數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的新型數(shù)控機(jī)床被開發(fā)成功。這種新型數(shù)控機(jī)床被稱為“6條腿”的加工中心或稱虛擬軸機(jī)床(有的還稱為并聯(lián)機(jī)床)，它能在沒有任何導(dǎo)軌和滑臺(tái)的情況下，采用能夠伸縮的“6條腿”(伺服軸)支撐并聯(lián)，并與安裝主軸頭的上平臺(tái)和安裝工件的下平臺(tái)相連。它可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度、加工效率較普通加工中心高2～10 倍。這種數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)將給數(shù)控機(jī)床技術(shù)帶來重大變革和創(chuàng)新。
⑥ 編程技術(shù)自動(dòng)化
隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)備類型的增多，零件品種的增加以及零件形狀的日益復(fù)雜，迫切需要速度快、精度高的編程，以便于對(duì)加工過程的直觀檢查。為彌補(bǔ)手工編程和NC 語言編程的不足，近年來開發(fā)出多種自動(dòng)編程系統(tǒng)，如圖形交互式編程系統(tǒng)、數(shù)字化自動(dòng)編程系統(tǒng)、會(huì)話式自動(dòng)編程系統(tǒng)、語音數(shù)控編程系統(tǒng)等，其中圖形交互式編程系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。圖形交互式編程系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件為基礎(chǔ)，首先形成零件的圖形文件，然后再調(diào)用數(shù)控編程模塊，自動(dòng)編制加工程序，同時(shí)可動(dòng)態(tài)顯示刀具的加工軌跡。其特點(diǎn)是速度快、精度高、直觀性好、使用簡(jiǎn)便，已成為國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的CAD/CAM 軟件所采用的數(shù)控編程方法。目前常用的圖形交互式軟件有Master CAM、Cimatron、Pro/E、UG、CAXA、Solid Works、CATIA等。
⑦ 集成化
數(shù)控系統(tǒng)采用高度集成化芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟、硬件運(yùn)行速度，應(yīng)用平板顯示技術(shù)可提高顯示器性能。平板顯示器(FPD)具有科技含量高、質(zhì)量小、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模顯示，成為與CRT 顯示器抗衡的新興顯示器，是21 世紀(jì)顯示器主流。它應(yīng)用先進(jìn)封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融于一體,通過提高集成電路密度，減小互連長(zhǎng)度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價(jià)格、改進(jìn)性能、減小組件尺寸、提高系統(tǒng)的可靠性。
⑧ 開放式閉環(huán)控制模式
采用通用計(jì)算機(jī)組成的總線式、模塊化、開放、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁減、擴(kuò)展和升級(jí)，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個(gè)有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程，包括諸如加工尺寸、形狀、振動(dòng)、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實(shí)現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實(shí)時(shí)加工過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整加工過程變量。在加工過程中采用開放式通用型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。
1.1.3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
（1）數(shù)控技術(shù)裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)(如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè))的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域:(1)機(jī)械制造技術(shù);(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù);(3)自動(dòng)控制技術(shù);(4)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù):(5)傳感器技術(shù):(6)軟件技術(shù)等。
（2）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)。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。
①高速、高精加工技術(shù)是裝備的新趨勢(shì)
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。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。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)將其確定21世紀(jì)的中心研究方向之一。
在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(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。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
目前高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國(guó)的上海通用汽車公司，己經(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。美國(guó)CINCINNAT工公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá)2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60000r/min。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)
12000r/mm和lgo
在加工精度方面，近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由l0um提高到5} m，精密級(jí)加工中心則從3}5um，提高到1一1.5}m，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0. O1 u動(dòng)。
在可靠性方面，國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF值己達(dá)6 OOOh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。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到
了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
②智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等;簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
③數(shù)控設(shè)備更注重安全性、操作性
數(shù)控設(shè)備是集機(jī)電一體化的產(chǎn)品，由于其自動(dòng)化程度高，所以對(duì)其安全性和可操作性有了更高的要求。
1.1.4數(shù)控機(jī)床目前在工業(yè)中的地位
近年來我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多
的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。
2001年國(guó)內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá)1. 8萬臺(tái)，比上年增長(zhǎng)28. 5%，機(jī)床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率從2000年的17. 4%提高到2001年的22. 7%。
2001年，我國(guó)機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值己進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界
排名上升到第3位，達(dá)47. 39億美元，僅次于美國(guó)的53. 67億美元，消費(fèi)
額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24. 06億美元，比上年增長(zhǎng)27％。
近年來我國(guó)出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。
1.2數(shù)控改造的必要性
1.2.1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場(chǎng)
（1）機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)
我國(guó)目前機(jī)床總量380余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。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）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。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(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，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。
（2）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，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。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1979～1988年10年間，全國(guó)引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有18446項(xiàng)，大約165.8億美元。
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。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。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)槟芎母摺a(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。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。
這些不能使用的設(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。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。
1.2.2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性
（1）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(jì)算機(jī)的威力。
可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計(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。
可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。
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，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。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動(dòng)化"。
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"。
可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
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)間無人看管加工。
由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。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)。
（2）宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。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。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。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。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。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。如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。
1.3數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺
（1）國(guó)外改造業(yè)的興起
在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)"永恒"的課題。我國(guó)的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國(guó)、日本、德國(guó)，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司已在中國(guó)開辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。
（2）數(shù)控化改造的內(nèi)容
機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：
其一是恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；
其二是NC化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機(jī)床、CNC機(jī)床；
其三是翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新；
其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。
（3）數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討
一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計(jì)上要達(dá)到：有高的靜動(dòng)態(tài)剛度；運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時(shí)應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對(duì)主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。
①滑動(dòng)導(dǎo)軌副
對(duì)數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時(shí)要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對(duì)加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤(rùn)滑。
②齒輪副
一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動(dòng)精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級(jí)都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動(dòng)，因而改造時(shí)，機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度。
③滑動(dòng)絲杠與滾珠絲杠
絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動(dòng)扭矩要求。被加工件精度要求不高時(shí)可采用滑動(dòng)絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計(jì)誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動(dòng)絲杠應(yīng)不低于6級(jí)，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動(dòng)絲杠相對(duì)滾珠絲杠價(jià)格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。
滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動(dòng)效率可在90%以上；精度高，壽命長(zhǎng)；啟動(dòng)力矩和運(yùn)動(dòng)時(shí)力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動(dòng)力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。
④安全防護(hù)
必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時(shí)要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對(duì)防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌。
1.4對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解
1.4.1形勢(shì)考慮
我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。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。
我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定;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，“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。
1.4.2發(fā)展策略
從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
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。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件(數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等)的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)格低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品;當(dāng)然，沒有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo)，按國(guó)家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國(guó)家之急需。
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)。
1.5本文的選題及主要研究?jī)?nèi)容
1.5.1本文的選題
在我簽約的徐州華東機(jī)械廠建材機(jī)械分廠內(nèi)，共有臥式車床兩臺(tái)，建材廠主要生產(chǎn)大型建材設(shè)備，所以要常常加工好多小的零件，如螺釘，小型的軸套等。由于這是常年生產(chǎn)建材設(shè)備，所以所要加工的零件也需要很多。因?yàn)榱慵?，像墊片之類，有時(shí)就是加工好了這個(gè)又缺少另一個(gè)，而用普通臥式車床去加工有時(shí)一個(gè)人加工的東西都會(huì)誤差很大，這樣給所造設(shè)備帶來很多的小問題。而如果要新買一臺(tái)新的數(shù)控車床，一是總體成本太高，因?yàn)樾詢r(jià)比不是太高，容易浪費(fèi)資源，二是建材廠沒有工人精通數(shù)控車床，所以要培訓(xùn)工人一定又要花費(fèi)很多時(shí)間影響生產(chǎn)進(jìn)度。
所以設(shè)想決定對(duì)其數(shù)控改造，改造的同時(shí)讓操作人員一直在旁邊學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)怎么改裝，怎么安裝，并講解如何使用。
把所要加工的零件程序輸入到存儲(chǔ)器中，用到時(shí)直接調(diào)用即可，這樣一個(gè)人即可操作兩臺(tái)機(jī)床，而且效率提高了好大，精度也會(huì)提高很高，會(huì)為廠帶來很大經(jīng)濟(jì)利益。
1.5.2主要研究?jī)?nèi)容
1. C6150車床數(shù)控化改造總體機(jī)械部件設(shè)計(jì)。
2.進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選用。包括了進(jìn)給滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與選用，消隙減速齒輪系的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，進(jìn)給用步進(jìn)電機(jī)的選擇與校核。
3．主軸脈沖發(fā)生器的安裝
4．刀架的選用
5.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。選用8031型號(hào)的單片機(jī)控制進(jìn)給系統(tǒng)與刀架，并把脈沖發(fā)生器的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)來加工螺紋。
第2章 數(shù)控車床總體改造方案及機(jī)械部分設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
2.1.1設(shè)計(jì)基本思路
改造C6150車床的基本思路是把原來的機(jī)床進(jìn)行大修，只保留機(jī)床導(dǎo)軌、主軸、溜板、尾座等部件，其余的全部撤除。帶之以滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)，用單片機(jī)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)各軸的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過嚴(yán)密的計(jì)算和論證，選擇絲杠和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，根據(jù)使用要求，選擇系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)控制電路。
2.1.2改造方案的確定
C6150車床主要用于對(duì)中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有:控制主軸正反轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速;刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并具備在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位完成選擇刀具;冷卻泵、潤(rùn)滑泵的啟停:加工螺紋時(shí)，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動(dòng)一個(gè)被加工螺紋的螺距或?qū)С獭＿@些工作內(nèi)容，就是數(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對(duì)象。察看C6150車床及有關(guān)資料，并且參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗(yàn)，確定總體改造方案為:①對(duì)機(jī)床的改造部位是:拆掉手動(dòng)刀架和小拖板裝上數(shù)控刀架;拆掉普通絲桿、光桿進(jìn)給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副;主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用由于改造設(shè)計(jì)的是簡(jiǎn)易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控，所以在考慮具體方一案時(shí)，基本原則是在滿足需要的前提下，對(duì)于機(jī)床盡可能減小改動(dòng)量，以降低成本?？傮w改造如下圖所示。
對(duì)該機(jī)床進(jìn)行機(jī)械修理以便恢復(fù)機(jī)械精度要求，修理的主要目的是恢復(fù)機(jī)床導(dǎo)軌、主軸、拖板的精度，撤除機(jī)床主軸箱和溜板箱內(nèi)的傳動(dòng)部件以及傳動(dòng)絲杠，只保留導(dǎo)軌、主軸、溜板、尾座。修理后已恢復(fù)其主要部件的精度。
2.1.3設(shè)計(jì)目的
利用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，橫向脈沖為0.005mm/脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，主軸采用變頻器控制。
圖一 C6150改造后系統(tǒng)傳動(dòng)圖
2.1.4總體方案設(shè)計(jì)
由于是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。根據(jù)C616車床有關(guān)資料，總體方案的確定如圖22所示:采用單片機(jī)8031控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步帶輪傳動(dòng)或直接傳動(dòng)后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)
，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。主軸變速采用變頻器調(diào)速控制。
2.2滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用
2.2.1滾珠絲杠
滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。
滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。
滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。
1)與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
2)高精度的保證
滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度·濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
3)微進(jìn)給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。
4)無側(cè)隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。
5)高速進(jìn)給可能
滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。
2.2.2縱向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算
已知條件：
工作臺(tái)重量=80KG=800N 工件及夾具最大重量=200N 工作臺(tái)最大行程=950mm工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為u=0.1 快速進(jìn)給速度=4m/min 定位精度為20um/300mm,全行程25um,重復(fù)定位精度為10um 要求壽命為10000小時(shí)（單班制工作十年）。各種切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q及其他見下表
表一各種切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q
切削方式
縱向切削力
Pxi(N)
垂向切削力
Pzi(N)
進(jìn)給速度
Vi(m/min)
工作時(shí)間百分比
%
絲杠軸向載荷
(N)
絲杠轉(zhuǎn)速
r/min
強(qiáng)力切削
2000
1200
0.6
10
2200
60
一般切削
1000
500
0.8
30
1150
80
精切削
500
200
1
50
620
100
快速進(jìn)給
0
0
４
５
1000
375
圖二 進(jìn)給用滾珠絲杠裝配圖
1） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度
：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；
I ：傳動(dòng)比
電機(jī)與絲杠間為齒輪連接式，i=4（取一級(jí)減速齒輪）
由上表查得=4m/min，=1500r/min
代入得0.67mm
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》取5mm
2） 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷
（1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速
由上表查的=0.6,=0.8,=1,=4
代入得120，160，200，800
（2） 各種切削方式下，絲杠軸向載荷
：絲杠軸向載荷，：縱向切削力，：垂向切削力
由上表得(i=1,2,3,4)分別為2000 N,1000N,500N,0N
(i=1,2,3,4)分別為1200N,500N,200N,0N
已知＝800 N，＝200 N
代入得(i=1,2,3,4)分別為2200N，1150N，620N，1000N
（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速
/100+/100+/100+/100
數(shù)據(jù)代入得240r/min
（4） 當(dāng)量載荷
帶入數(shù)據(jù)得＝1057N
3） 初選滾珠絲杠副
由公式《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》（3.7－24）知
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表（3.7－51）—表（3.7－54）
得＝1，＝1，＝1，＝0.53，=1.3，＝10000h
代入數(shù)據(jù)可求得＝13589N=13.58KN
4)確定允許的最小螺紋底徑
（1）估算絲杠允許的最大軸向變形量
①（1/3—1/4）重復(fù)定位精度
②(1/4—1/5 )定位精度
：最大軸向變形量
已知重復(fù)定位精度10
定位精度25
①＝3，②＝6
取兩種結(jié)果最小值＝3
（2）估算最小螺紋底徑
絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式
：最小螺紋底徑mm
L＝（1.1—1.2）行程+(10—14)
靜摩擦力=
已知行程950mm，＝800N, =0.2
代入數(shù)據(jù)得L=1110mm，＝160N, =9.5mm
5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào)
（5） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式
（6） 由計(jì)算出的，，在《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4005-5
=5,=22000N>=13589N
6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
=
其中＝2200
＝733N
7)行程補(bǔ)償值與拉伸力
（1）行程補(bǔ)償值C=11.8
式中＝
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》＝950
＝110，＝（2—4）＝15
溫差取
代入數(shù)據(jù)得C=32
(2)預(yù)拉伸力
＝1.95
代入得＝4807N
8）確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號(hào)，規(guī)格
（1）軸承所承受得最大軸向載荷
＝4807＋2200＝7007
（2）軸承類型
兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60角接觸推力球軸承
（7） 軸承內(nèi)徑
d略小于＝40，=，取d＝30
帶入數(shù)據(jù)得＝2336N
（8） 軸承預(yù)緊力：預(yù)力負(fù)荷
（9） 按《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取軸承型號(hào)規(guī)格
當(dāng)d＝30mm，預(yù)加負(fù)荷為：
所以送7602030TVP軸承
d＝30，預(yù)加負(fù)荷為2900>＝2336N
9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)
(1)絲杠螺紋長(zhǎng)度
由表查得余程
（2）兩固定支承距離，絲杠L
(3)行程起點(diǎn)離固定支承距離
＝1290，＝1350
＝1410，＝30
10）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
（1）絲杠抗壓剛度
1）絲杠最小抗壓剛度
＝6.6
:絲杠底徑
：固定支承距離
代入數(shù)據(jù)＝782N/
2）絲杠最大抗壓剛度
＝6 .6
代入數(shù)據(jù)得9000 N/
（2）支承軸承組合剛度
1）一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度
：滾珠直徑mm， Z：滾珠數(shù)
：最大軸向工作載荷N
：軸承接觸角
由《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得
7602030TVP軸承是預(yù)加載荷得3倍
＝8700N/ =375 N/
2）支承軸承組合剛度
＝750 N/
3)滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度
：《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》上的剛度
＝2150 N/, =2200N, =733N
代入數(shù)據(jù)得＝1491 N/
11）剛度驗(yàn)算及精度選擇
=3.5，Z＝17， ＝
（1）
代入前面所算數(shù)據(jù)得＝
代入前面所算數(shù)據(jù)得
已知＝800N, =0.2, =160N
:靜摩擦力，：靜摩擦系數(shù)，：正壓力
（2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
＝；已知反向差值或重復(fù)定位精度為10
＝30>25.6
（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起得定位誤差
＝（－），代入＝5
（4）確定精度
：任意300mm內(nèi)行程變動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)而言
0.8×定位精度－
定位精度為20/300
<14.3,絲杠精度取為3級(jí)
＝12<14.3
（5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào)
已確定得型號(hào)：FFZD
公稱直徑：40，導(dǎo)程：5
螺紋長(zhǎng)度1290，絲杠長(zhǎng)度1410
P類3級(jí)精度
所選規(guī)格型號(hào)：FFZD4005-3-P3/1410×1290
12）驗(yàn)算臨界壓縮載荷
絲杠所受大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力F
不用驗(yàn)算
13）驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速
：臨界轉(zhuǎn)速n/min
f：與支承形式有關(guān)的系數(shù)
：絲杠底徑
：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度mm
由《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得f＝21.9, =40, =
可得＝5028>=1500
2.2.3橫向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算
已知條件：
工作臺(tái)重量=80KG=800N 工件及夾具最大重量=200N 工作臺(tái)最大行程=950mm工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為u=0.1 快速進(jìn)給速度=2m/min 定位精度為20um/300mm,全行程25um,重復(fù)定位精度為10um 要求壽命為10000小時(shí)（單班制工作十年）。各種切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q及其他見下表
表二切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q
切削方式
縱向切削力
Pxi(N)
垂向切削力
Pzi(N)
進(jìn)給速度
Vi(m/min)
工作時(shí)間百分比
%
絲杠軸向載荷
(N)
絲杠轉(zhuǎn)速
r/min
強(qiáng)力切削
2000
1200
0.6
10
2920
60
一般切削
1000
500
0.8
30
1850
80
精切削
500
200
1
50
1320
100
快速進(jìn)給
0
0
2
５
800
1500
1） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
————：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度；
：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速
I ：傳動(dòng)比
電機(jī)與絲杠間為齒輪連接式
i=4（取一級(jí)減速齒輪）
由上表查得=2m/min，=1500r/min
代入得0.33mm
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》取5mm
2） 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷
（1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速
由上表查的=0.6,=0.8,=1,=2
代入得120，160，200，400
（2） 各種切削方式下，絲杠軸向載荷
：絲杠軸向載荷，：縱向切削力，：垂向切削力
由上表得(i=1,2,3,4)分別為2000 N,1000N,500N,0N
(i=1,2,3,4)分別為1200N,500N,200N,0N
已知＝800 N，＝200 N
代入得(i=1,2,3,4)分別為2200N，1150N，620N，1000N
（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速
/100+/100+/100+/100
數(shù)據(jù)代入得200r/min
（4） 當(dāng)量載荷
帶入數(shù)據(jù)得＝1097N
3） 初選滾珠絲杠副，由公式《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》（3.7－24）知
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表（3.7－51）—表（3.7－54）
得＝1，＝1，＝1，＝0.53，=1.3，＝10000h
代入數(shù)據(jù)可求得＝13272N=13.27KN
4)確定允許的最小螺紋底徑
（1）估算絲杠允許的最大軸向變形量
①（1/3—1/4）重復(fù)定位精度
②(1/4—1/5 )定位精度
：最大軸向變形量
已知重復(fù)定位精度10，定位精度25，
①＝3
②＝6
取兩種結(jié)果最小值＝3
（2）估算最小螺紋底徑
絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式
：最小螺紋底徑mm
L＝（1.1—1.2）行程+(10—14)
靜摩擦力=
已知行程950mm，＝800N, =0.2
代入數(shù)據(jù)得L=1110mm，＝160N, =9.5mm
5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào)
（1） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式
（2） 由計(jì)算出的，，在《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4005-5
=5,=22000N>=13272N
6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
= 其中＝2200
＝733N
7)行程補(bǔ)償值與拉伸力
（1）行程補(bǔ)償值C=11.8，式中＝
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》
＝950，＝110，＝（2—4）＝15
溫差取
代入數(shù)據(jù)得C=32
(2)預(yù)拉伸力
＝1.95
代入得＝4807N
8）確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號(hào)，規(guī)格
（1）軸承所承受得最大軸向載荷
＝4807＋2200＝7007
（2）軸承類型
兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60角接觸推力球軸承
（3） 軸承內(nèi)徑
d略小于＝40，=，取d＝30
帶入數(shù)據(jù)得＝2336N
（4） 軸承預(yù)緊力：預(yù)力負(fù)荷
（5） 按《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取軸承型號(hào)規(guī)格
當(dāng)d＝30mm，預(yù)加負(fù)荷為：
所以送7602030TVP軸承
d＝30，預(yù)加負(fù)荷為2900>＝2336N
9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)
(1)絲杠螺紋長(zhǎng)度
由表查得余程
（2）兩固定支承距離，絲杠L
(3)行程起點(diǎn)離固定支承距離
＝1290，＝1350，＝1410，＝30
10）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
（1）絲杠抗壓剛度
1）絲杠最小抗壓剛度
＝6 .6
:絲杠底徑
：固定支承距離
代入數(shù)據(jù)＝782N/
2）絲杠最大抗壓剛度
＝6 .6
代入數(shù)據(jù)得9000 N/
（2）支承軸承組合剛度
1）一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度
：滾珠直徑mm
Z：滾珠數(shù)，
：最大軸向工作載荷N
：軸承接觸角
由《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得7602030TVP軸承
是預(yù)加載荷得3倍
＝8700N/ =375 N/
2）支承軸承組合剛度
＝750 N/
3)滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度