2044C616臥式車床數(shù)控化改造(含全套畢業(yè)說明書和機(jī)械CAD圖紙)

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1、C616 臥式車床數(shù)控化改造 、緒論 （ 一 ） 數(shù)控設(shè)備與技術(shù)現(xiàn)狀 1. 數(shù)控設(shè)備 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)己有較多的使 用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量 機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用 效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 1 年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(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，僅次于美國的 53.67 億美元 [1] ，消費(fèi)額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場 的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，

2、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 27.3%。 近年來我國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)控成形折彎機(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。國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 1. 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位 例如 : 全長 33 公里的上海磁懸浮快速列車線，是“十五”期間國家重點(diǎn)建 設(shè)項(xiàng)目，其中組成列車線的 2550 根軌道梁是整個(gè)工程的最關(guān)鍵部分，對加工軌 道梁的精度提出了相當(dāng)高的要求。去年

3、年初，沈陽機(jī)床集團(tuán)機(jī)床股份有限公司 中捷友誼廠以工期 6 個(gè)月、標(biāo)的 6200 萬元在磁懸浮軌道專用數(shù)控機(jī)床項(xiàng)目公開 招標(biāo)中折桂，并于 8 月底將一次性驗(yàn)收合格的 8 臺數(shù)控鏗銑床組成的軌道梁生 產(chǎn)線一次試車成功，目前這套銃 M加工中心已加工出軌道梁1100根，確保了軌 道梁的加工精度和速度，為實(shí)現(xiàn)今年年底試車打下了良好的基礎(chǔ)。 2. 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高 2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá) 1.8 萬臺，比上年增長 28.5%.金切機(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%[2]。 3. 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)

4、品有了突破 近年來通過政府的支持，數(shù)控機(jī)床配套生產(chǎn)得到了快速發(fā)展。如北京航天 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺 ; 煙臺第二機(jī)床附件廠開發(fā)了為數(shù)控機(jī)床配套的多種動力卡盤和過濾排屑裝置 ; 濟(jì) 南第二機(jī)床集團(tuán)公司的數(shù)控龍門幢銑床、數(shù)控落地鏗銑床及數(shù)控鍛壓設(shè)備等 30 多個(gè)系列 100 多個(gè)品種的數(shù)控配套產(chǎn)品。 2. 國外數(shù)控機(jī)床狀況分析 1. 國際機(jī)床市場的消費(fèi)主流是數(shù)控機(jī)床 1998 年世界機(jī)床進(jìn)口額中大部分是數(shù)控機(jī)床，美國進(jìn)口機(jī)床的數(shù)控化率達(dá) 70%，我國為 60%。目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)趨勢已從初期以數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù) 控車床、數(shù)控銑床

5、為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機(jī)床、成套設(shè)備為主。 2. 國外數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化 己成為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造工廠的車間只是時(shí)間的問題。從另 一角度來看，目前流行的 ERP 即工廠信息化對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常 的管理部門 （ 人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷 ） 或設(shè)計(jì)、開發(fā)等等上層部分的信息化是 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工廠、車間的最底層加工設(shè)備—數(shù)控機(jī)床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信息 化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的 ERP就比較“虛”沒有能 夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問題。所以，對于面臨日益全球化競爭的現(xiàn)

6、代制造工廠來說，第一是要大大提高機(jī)床的數(shù)控化率，即數(shù)控機(jī)床必須達(dá)到起 碼的數(shù)量或比例 ; 第二就是所擁有的數(shù)控機(jī)床必須具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功 能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無 阻。 以FANUCffi西門子為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng)絡(luò) 功能的數(shù)控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的 RS232接口外，還備有以太網(wǎng)接 口，為數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機(jī)床的 網(wǎng)絡(luò)接口功能被定義為用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷。 3. 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展預(yù)測 1. 數(shù)控機(jī)床推廣應(yīng)用逐步由經(jīng)濟(jì)型為主向普及型為主轉(zhuǎn)變 據(jù)預(yù)測分析， 到

7、2005 年我國機(jī)床的數(shù)控化率為 9.5%-10.36%，到 2010 年將達(dá)到 16.5%- 19.27%。經(jīng)濟(jì)型所占比重繼續(xù)減少，普及型所占比重繼續(xù)增長，高級型的需求 緩慢增長。 2. 數(shù)控金切機(jī)床的構(gòu)成比逐漸趨于合理 數(shù)控機(jī)床工序集中的加工特點(diǎn)，將使具有復(fù)合功能的高效數(shù)控機(jī)床的需求 增長，這將導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床擁有量和市場消費(fèi)量中各類數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成比不同于 傳統(tǒng)的機(jī)床構(gòu)成比。 3. 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用由單機(jī)向單元 （ 系統(tǒng) ） 方向發(fā)展 目前歐、美、日等國應(yīng)用 DNC己很普遍，柔性制造單元己占數(shù)控機(jī)床銷售 量的30犯上。而我國FMC, FMSffi FML的擁有量不足50套，相當(dāng)于日

8、本80年 代的水平，占數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額不到 5%。 4. 出口前景良好 1998 年及前幾年我國機(jī)床工具的出口額徘徊在 5 億美元左右， 2000 年上升 到 7.85 億美元，隨著東南亞經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和我國出口多極化市場的形成和鞏固，以 及我國加入 WTO今后幾年我國機(jī)床出口將實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長。預(yù)計(jì)到 2005 年出口創(chuàng)匯可達(dá)到 12 億美元 [3] 。 4. 入世對中國機(jī)械工業(yè)的結(jié)構(gòu)性沖擊 加入WTOI,外資對我國機(jī)械工業(yè)的結(jié)構(gòu)性沖擊主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)： 1. 部分行業(yè)發(fā)展主導(dǎo)權(quán)有可能受到?jīng)_擊 在以下行業(yè)將表現(xiàn)得更為突出 :一 是在國內(nèi)處于市場成長期、外方掌握專有技術(shù)并處于壟斷地

9、位的技術(shù)密集型行 業(yè)，如燃?xì)廨啓C(jī)、直流輸關(guān)鍵設(shè)備、半喂入式水稻聯(lián)合收割機(jī)、機(jī)電一體化的 汽車發(fā)動機(jī)附配件等 ; 二是單靠有限市場難以發(fā)揮企業(yè)生產(chǎn)能力、迫切需要全球 市場支撐的行業(yè)，如高壓開關(guān)、大型變壓器、高檔科學(xué)儀器、高檔數(shù)控系統(tǒng)、 智能化工業(yè)控制系統(tǒng)等 ; 三是國內(nèi)外制造成本相差較大、外方享有明顯的品牌優(yōu) 勢、在華設(shè)廠可以在世界市場獲取豐厚利潤的勞動密集型或易于流通的裝配型 產(chǎn)品行業(yè)，如照相機(jī)、復(fù)印機(jī)、部分工業(yè)和民用儀表、高品質(zhì)低壓電器等。 2. 工程成套行業(yè)將面臨更嚴(yán)峻的競爭 隨著服務(wù)貿(mào)易領(lǐng)域?qū)ν忾_放，實(shí)力雄厚的國外公司可能更積極地到國內(nèi)舉 辦由其控制的、以工程承包為主要

10、業(yè)務(wù)的工程公司，以其母公司產(chǎn)品為后盾， 以熟悉國內(nèi)情況的中方雇員為業(yè)務(wù)骨干，與我內(nèi)資企業(yè)展開激烈的競爭。 3. 我國機(jī)械工業(yè)自主技術(shù)創(chuàng)新的積極性有可能被抑制 由于外資在華機(jī)械企業(yè)主要承擔(dān)制造車間的角色，技術(shù)來源主要依靠其母 公司，而原本就實(shí)力有限的內(nèi)資企業(yè)在完全開放的市場競爭中堅(jiān)持自行研制開 發(fā)將冒很大風(fēng)險(xiǎn)，為了節(jié)省投入，提高產(chǎn)品的形象，多數(shù)內(nèi)資企業(yè)將盡可能與 外方合作，采用國際同行的技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。 4. 處于幼稚期的自主產(chǎn)業(yè)的成長環(huán)境趨于嚴(yán)峻 由于國外企業(yè)將更加不愿轉(zhuǎn)讓技術(shù)，更愿意通過在華舉辦由他們控制的企 業(yè)來與內(nèi)資機(jī)械企業(yè)爭奪中國用戶的訂單，國內(nèi)用戶也有了更多的便利采購

11、外 資產(chǎn)品，從而部分處于成長初期的重要產(chǎn)品自主產(chǎn)業(yè)的培育壯大將更困難。 ( 二 ) 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)，用什么勞動資料生產(chǎn)” 。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(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 制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多

12、變市場的適 應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為 國家的戰(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)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策?？傊罅? 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)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、 提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(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)

13、;(3) 自動控制技術(shù) ;(4) 伺服驅(qū)動技術(shù) ;(5) 傳 感器技術(shù) ;(6) 軟件技術(shù)等。 1. 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 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，他對國計(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 為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢 [4] 。從目前世界上數(shù)控技術(shù) 及其裝備發(fā)展的趨勢來看，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 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

14、 率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先 端技術(shù)研究會將其列為 5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會 （CIRP）將其 確定為 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

15、的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加 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 CINCINNATI 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)速己達(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銃床加工需 3h,在普通 銃床加工需 8h;德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度

16、及加速度分別達(dá) 12000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已 由100um提高到51um精密級加工中心則從 3-5um,提高到1-1.5um,并且超 精密加工精度已開始進(jìn)入納米級 （O.O1um）。 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的 MTBF值已達(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。 2.5 軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動對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

17、度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為， 1 臺 5 軸聯(lián)動機(jī)床的效率 可以等于 2 臺 3 軸聯(lián)動機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料 銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)， 5 軸聯(lián)動加工可比 3 軸聯(lián)動加工發(fā)揮更 高的效益。但過去因 5 軸聯(lián)動數(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)動機(jī)床的發(fā) 展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡 化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù) 合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床 （ 含 5 面加工機(jī)床 ） 的發(fā)展。新

18、日本 工機(jī)的 5 面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)垂直平面的加工和任意角度 的加工，使得 5 面加工和 5 軸加工可在同一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和 倒錐孔的加工。德國DM蟲司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下 5面加工和5軸聯(lián)動加工，可由CNC（統(tǒng)控制或CAD/CAM1接或間接控制［5］。 3. 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 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)自動生成 ; 為提高驅(qū)動性能及使用連

19、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、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等 ; 簡化 編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、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。 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)存在的問題。 目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國的 NGC歐共體的OSACA日 本的OSEC中國的ON*。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所 謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上，面向機(jī)床廠 家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 （ 數(shù)控功能 ） ，形成系

20、列化，并 可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制。 系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明 個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(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、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(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。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新 概 念 和 樣 機(jī) ， 如 在 EM02001 展 中 ， 日 本 山 崎 馬 扎 克 (Mazak) 公 司

21、 展 出 的 “ CyberProduction Center"( 智能生產(chǎn)控制中心，簡稱 CPC)[6] ; 日本大限(Okuma)M床公司展出“ IT plaza”(信息技術(shù)廣場，簡稱IT廣場); 德國西門子 (Siemens) 公司展出的。 4. 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 (1) 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用 性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì) 劃，并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范 (OMAC, OSACA, OSEC)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)

22、示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)新的變革時(shí)期的來臨。我國在 2000 年也開始進(jìn)行中國的 ONO控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 (2) 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。 數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于工 S06983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G, M 代碼描述如何 (how) 加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他己越來越不能 滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的 CNCK統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)IS014649 (STEP-NC)[7],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 程，乃至各個(gè)工業(yè)

23、領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。 STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng) 域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首 先，STEP-NC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。而在新標(biāo)準(zhǔn)下，NC以及歐洲OSACA-N嗷控系統(tǒng)的原型樣 機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。 5. 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，由于其自動化程度高，所以對其安全性 和可操作性有了更高的要求。 2. 對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì) 1. 我國在數(shù)控技術(shù)方面所取得的成績 我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年，近 50 年的發(fā)展歷程大致可分

24、為 3 個(gè)階段 : 第 一階段從 1958 年到 1979 年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術(shù) 封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家 的“六五” 、 “七五”期間以及“八五”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步 建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開 發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方 面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期 間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備 的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在 “九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控

25、機(jī)床的國內(nèi)市場占有 率達(dá) 50%，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng) ( 普及型 ) 也達(dá)到了 10%?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年 的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過 4 個(gè) 5 年計(jì)劃的攻關(guān)，總體來看取得了以下成績 [8] 。 (1) 奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)我國現(xiàn)在己 基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機(jī)、專機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)， 其中大部分技術(shù)已具備進(jìn)行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。 (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。蘭州 電機(jī)廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電

26、機(jī)生產(chǎn)廠以及北京第一機(jī)床廠、濟(jì) 南第一機(jī)床廠等若干數(shù)控主機(jī)生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè) 基地。 (3) 建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊(duì)伍雖然在數(shù)控技術(shù)的研 究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進(jìn)步，但我們也要清醒地認(rèn)識到，我國高 端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實(shí)需 求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比 ( 與國外對比 ) 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。 2. 從國際上來看，對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計(jì) (1)技術(shù)水平上，與國

27、外先進(jìn)水平大約落后 10A15年，在高精尖技術(shù)方面則 更大。 (2) 產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn) ; 功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低 ; 外觀質(zhì)量相對差 ; 可靠 l 性不高，商 品化程度不足 ; 國產(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。 (3) 可持續(xù)發(fā)展的能力上，對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱 數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強(qiáng) ; 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后。 3. 存在差距的主要原因 (1) 認(rèn)識方面對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進(jìn)程艱巨性、復(fù)雜性和長期性的特點(diǎn)認(rèn)識不足 對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計(jì)不足 ;

28、對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng) 用水平及能力分析不夠。 (2) 體系方面從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時(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)化問題的時(shí)候少 ; 沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體 系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。 (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。 (4) 技術(shù)方面企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，核心技術(shù)的工程化能力不 強(qiáng)。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。 ( 三 ) 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 1. 戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中

29、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)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè) 將進(jìn)一步“空芯” 。我們以資源、環(huán)境、市場為代價(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，這樣將會嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。 我們應(yīng)站在國家安全戰(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 安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國就業(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，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定 ; 其次從國防安全 看，西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實(shí)現(xiàn)

30、禁運(yùn) 和限制， “東芝事件”和“考克斯報(bào)告” [9] 就是最好的例證。 2. 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為 導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(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)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(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 （

31、 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)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品 ; 沒有規(guī)模就不會有價(jià)格低廉而富有競爭力的 產(chǎn)品 ; 當(dāng)然，沒有規(guī)模中國的數(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)，以解決國家之急需。在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào) 研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(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)。 （ 四 ） 設(shè)備數(shù)控化改造的現(xiàn)狀 目前，關(guān)于設(shè)備改造方面的報(bào)道比較多，其方法多種多樣，具體表現(xiàn)在

32、 : 1 .根據(jù)用戶的需求可以選擇不同的數(shù)控系統(tǒng)。 2 . 根據(jù)要求可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性數(shù)控化改造，也可以進(jìn)行智能化數(shù)控設(shè)備改 造。 不管哪種形式的數(shù)控改造，最基本的思路是要滿足用戶的基本使用需求。 但目前對車床的數(shù)控化改造，主要是經(jīng)濟(jì)性數(shù)控化改造。在改造過程中，主要 沿用系統(tǒng)供應(yīng)商提供的外部接線要求進(jìn)行控制電路設(shè)計(jì)，沒有對系統(tǒng)進(jìn)行深入 的分析研究，不能結(jié)合實(shí)際應(yīng)用解決當(dāng)前同類設(shè)備存在的問題，比如 : 現(xiàn)在的設(shè) 備普遍采用正邏輯控制，當(dāng)限位保護(hù)電路，如發(fā)生電路開路或接觸不良時(shí)，不 會立即報(bào)警，容易造成事故。針對目前同類數(shù)控設(shè)備使用中存在的問題，經(jīng)過 仔細(xì)的研究和分析系統(tǒng)特性，在改

33、造設(shè)備時(shí)所有限位保護(hù)電路均采用負(fù)邏輯， 如發(fā)生電路開路或接觸不良時(shí)會立即報(bào)警，防止意外事故發(fā)生 ; 設(shè)定了特殊的限 位控制裝置，使刀架在特定的位置不能換刀，保證了生產(chǎn)安全。這一技術(shù)已經(jīng) 申請了國家發(fā)明專利。另外，我們知道車床加工的主要任務(wù)是承擔(dān)軸類、套 類、盤類等零件的加工。成本、質(zhì)量、生產(chǎn)率和產(chǎn)量、交貨期是衡量企業(yè)生產(chǎn) 能力和市場競爭能力的 4 個(gè)要素，采用傳統(tǒng)的非數(shù)控生產(chǎn)方式只有達(dá)到一定閉 值的大批量的規(guī)模生產(chǎn)才能取得上述 4 個(gè)方面的統(tǒng)一。但在當(dāng)前激烈的市場競 爭環(huán)境下，以生產(chǎn)為中心，企業(yè)為主導(dǎo)的賣方市場已轉(zhuǎn)向以市場需求為中心 , 用 戶為主導(dǎo)的買方市場，產(chǎn)品需求呈現(xiàn)多樣

34、化和個(gè)性化，且產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)壽命大大縮 短，這首先將形成以多品種變批量的生產(chǎn)方式為主流的生產(chǎn)環(huán)境 ; 其次，衡量企 業(yè)競爭力的首位因素也由成本轉(zhuǎn)為交貨期。為此，發(fā)展柔性結(jié)構(gòu)體系的數(shù)控制 造裝備及制造系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)在快速多變的市場環(huán)境中對用戶驅(qū)動的市場需求作出 靈活、快速響應(yīng)的關(guān)鍵。所謂制造裝備及制造系統(tǒng)的柔性化是指當(dāng)產(chǎn)品的品種 的需求發(fā)生變化時(shí)，它們?nèi)阅茉跐M足經(jīng)濟(jì)性的前提下，實(shí)現(xiàn)及時(shí)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的適 應(yīng)能力。同時(shí)，持續(xù)地提高經(jīng)濟(jì)加工精度也是適應(yīng)市場競爭的另一個(gè)主要目 標(biāo)。因而作為評定數(shù)控機(jī)床及系統(tǒng)效能的基本指標(biāo)也將由傳統(tǒng)的工作精度和切 削能力改為用高效柔性和高精化的程度來衡量。 高效柔性化

35、和高精化分別反映了制造業(yè)在競爭激烈的市場環(huán)境下的兩個(gè)最 主要的要求，即產(chǎn)品生產(chǎn)變換的靈捷性和產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提高。如何達(dá)到上述 要求，進(jìn)一步提高其生產(chǎn)的柔性化，達(dá)到操作的簡便易行，在改造過程中利用 成組技術(shù)，來把單件多品種生產(chǎn)轉(zhuǎn)變成變品種的批量生產(chǎn)，設(shè)計(jì)共用化的程序 存入系統(tǒng)，減少編程的麻煩，提高了加工效率。這一創(chuàng)新思路是目前市場上沒 有的，該技術(shù)己申請專利。同時(shí)采用無級變速方式，使其轉(zhuǎn)速提高到 2000r/min ，實(shí)現(xiàn)了高速化。 ( 五 ) 本文的選題及主要研究內(nèi)容 對已報(bào)廢的兩臺 C616 普通廢舊車床進(jìn)行數(shù)控化改造。通過改造，其目的就 是要創(chuàng)新一些技術(shù)，以便進(jìn)行推廣。課題

36、組接到任務(wù)后，認(rèn)真仔細(xì)的研究改造 方案，分析現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床容易出現(xiàn)安全性故障的原因，經(jīng)過反復(fù)的論 證，在設(shè)計(jì)過程中，所有限位保護(hù)電路均采用負(fù)邏輯，如發(fā)生電路開路或接觸 不良時(shí)會立即報(bào)警，防止意外事故發(fā)生 ; 設(shè)定了特殊的限位控制裝置，使刀架在 特定的位置不能換刀，保證了生產(chǎn)安全。 合理的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，利用原機(jī)床的電機(jī)作為主電機(jī)，節(jié)約了購買電機(jī)的 費(fèi)用。要求改進(jìn)后的設(shè)備能提高精度達(dá)到數(shù)控行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (JB2670-82) [10] ，同時(shí)滿 足操作方便，對使用人員要求不高的要求。 1. 主要研究內(nèi)容 1. C616 車床數(shù)控化改造總體機(jī)械部件設(shè)計(jì)。 2. 主要部件的設(shè)計(jì)和選

37、用。 3. 創(chuàng)新設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床限位保護(hù)裝置。使設(shè)備發(fā)生電路開路或接觸不良時(shí)， 應(yīng)立即報(bào)警，防止意外事故發(fā)生，提高設(shè)備使用的安全性。 4. 設(shè)計(jì)雙限位保護(hù)開關(guān)，使刀架在特定的位置不能換刀。 5. 滿足設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 6. 對完成改造后的機(jī)床進(jìn)行安裝、調(diào)試，使其達(dá)到用戶使用要求。 二、 西門子 802S 數(shù)控系統(tǒng)介紹 （ 一 ） 西門子 802S 數(shù)控系統(tǒng)的基本功能 德國西門子公司生產(chǎn)的802S數(shù)控系統(tǒng)是一種專門針對中國市場開發(fā)的經(jīng)濟(jì) 型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。它采用 32位的微處理器（AM486DE2卜集成PLC,分離式小 尺寸操作面板、液晶顯示器和機(jī)床控制面板。 802S 可以控制 2

38、-3 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動的進(jìn)給軸和一個(gè)主軸。 802S數(shù)控系統(tǒng)的基本功能如下： 1. 線性插補(bǔ)軸最多 3軸（開環(huán) ） 。 2. 一個(gè)變頻器驅(qū)動的主軸，具有主軸編碼器反饋接口 [11] 。 3. PLC模塊具有16個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，經(jīng)擴(kuò)展可以達(dá)到64個(gè)輸入點(diǎn) 和 64 個(gè)輸出點(diǎn)。 4. 支持中 / 英文轉(zhuǎn)換。 5. 螺距補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償。 6. 具有故障報(bào)警信息顯示和診斷數(shù)據(jù)顯示。 7. 支持車削循環(huán)和銑削循環(huán)。 8. 刀具補(bǔ)償功能。 9. 螺旋插補(bǔ)功能。 10. 用戶程序存儲器 256K. 11. 可以擴(kuò)展兩個(gè)電子手輪。 12. 通過特定的參數(shù)設(shè)置可以獲得示教功能。

39、 （ 二 ） 系統(tǒng)配置方案研究 1 .西門子802S數(shù)控系統(tǒng)配置 802S數(shù)控系統(tǒng)配置和連接圖如圖2-1所示。 圖2-1數(shù)控系統(tǒng)配置和連接 2 .系統(tǒng)配置方案研究 根據(jù)用戶使用要求，經(jīng)過嚴(yán)格的分析計(jì)算，確定系統(tǒng)配置如下 ： 1 .按照用戶的要求，選用802SSNC（統(tǒng)，含顯示和操作面板。 2 .根據(jù)Z軸的進(jìn)給功率要求，通過計(jì)算，選擇 12N.M的步進(jìn)電機(jī) 3 .X軸和Z軸驅(qū)動器，選用SETP DRIVE C驅(qū)動器。 4 .主軸變頻器采用 ATV 28HU90N變頻器。 5 .主軸編碼器采用1024線變頻器。 6 .采用100VA的系統(tǒng)電源隔離變壓器。 7 .系統(tǒng)

40、電源采用24V/4. 5A電源。 8 .主電機(jī)仍采用原來舊機(jī)床的電機(jī)。 9 .選用LD4-CK6132電動刀架。 具體情況如表2-1所示 表2-1系統(tǒng)配置 序名稱 型號 數(shù)備注 1 NC 802S I含顯小、操作回板 2步進(jìn)電機(jī) 9N.m 1 X軸 3步進(jìn)電機(jī) 12N.m 1 Z軸 4驅(qū)動器 SETP DRIVE C 1 5驅(qū)動器 SUP DRIVE C 1 6變頻器 TV 28HU90N4 I 7主軸編碼器 1024 線 1 8系統(tǒng)電源隔 1 OOVA 1 9系統(tǒng)電源 24V/4.5A 1要求無關(guān)機(jī)蕩機(jī) 10主軸電機(jī)

41、 1 11油泵電機(jī) 1 12電動刀架 1 三、 控制電路設(shè)計(jì) （ 一 ） 電路設(shè)計(jì) 1. 主軸電路 C616 數(shù)控車床主軸采用變頻器驅(qū)動三相交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸無級調(diào)速， 去除機(jī)床原有的主軸變速箱，可以獲得更好的操作性能和切削性能。 1. 變頻器 采用德國 Schneider Electric 公司的 Altivar 28 通用變頻器，型號為 ATV 28HU90N4 功率 5.5KW 2.802S 數(shù)控系統(tǒng)的主軸速度模擬量控制電壓 802S數(shù)控系統(tǒng)的主軸速度模擬量控制電壓為‘DC-1OV-1OV其中0—1OV 為主軸正轉(zhuǎn)速度控制（執(zhí)行M3指令），0—-

42、10V為主軸反轉(zhuǎn)速度控制（執(zhí)行M4指 令）。而變頻器的速度控制電壓為 0—+1OV,其正/反轉(zhuǎn)由變頻器的I/O端口輸 入的狀態(tài)控制。如果直接把數(shù)控系統(tǒng)的速度控制模擬電壓輸出端直接與變頻器 連接，將導(dǎo)致變頻器不能識別反轉(zhuǎn)控制電壓而不能實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。電路 KA 1, KA2 用于控制變頻器的正反轉(zhuǎn)， KA3 用于對速度控制電壓的極性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保證變 頻器的速度控制電壓在反轉(zhuǎn)時(shí)也為 0-+1 OV 。 3. 變頻器故障報(bào)警輸出 變頻器的故障報(bào)警輸出作為系統(tǒng)的報(bào)警輸入，如果主軸出現(xiàn)過流、短 路、過熱等故障時(shí)均可及時(shí)停止系統(tǒng)的運(yùn)行，并發(fā)出報(bào)警信號。 （二）X、Z軸限位和參考點(diǎn)返回電路 1 .

43、x 、 z 軸的限位輸入端設(shè)置為負(fù)邏輯 經(jīng)過分析現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位控制電路的缺陷，研制出一種新的限位控制 方式，即負(fù)邏輯控制。其基本思路是 : 使用限位行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，當(dāng)限位開 關(guān)沒有壓下時(shí)I/O點(diǎn)與24V接通，當(dāng)限位開關(guān)被壓下I/O點(diǎn)與24V斷開，機(jī)床 限位。這種接法消除因線路開路而產(chǎn)生限位失靈現(xiàn)象，提高了限位電路的可靠 性。限位輸入端采用負(fù)邏輯需對系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。 采用負(fù)邏輯輸入的方法，這樣有利于提高數(shù)控機(jī)床的可靠性和安全性。如 果機(jī)床的電路采用傳統(tǒng)的繼電器、接觸器等元件實(shí)現(xiàn)邏輯功能則不宜采用負(fù)邏 輯，因?yàn)樗麜?dǎo)致部分繼電器、接觸器處于始終通電狀態(tài)。這會造成損耗大、

44、 元件升溫、壽命縮短等問題，并且元件間機(jī)械接觸，還會因?yàn)檎饎拥纫蛩卦斐?誤動作?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)其控制邏輯由邏輯電子線路實(shí)現(xiàn)，不會出現(xiàn)以上問題。 本次數(shù)控改造使用的數(shù)控系統(tǒng)為西門子 802S數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)邏輯輸入要軟 件、硬件兩方面配合才能實(shí)現(xiàn)。硬件連接數(shù)控機(jī)床中 PLC的輸入點(diǎn)有以下兩種 連接方法，其中圖3-2所示的連接方法是正邏輯輸入，其原理是：當(dāng)機(jī)床運(yùn)動超 程時(shí)壓下行程開關(guān)SQ1, SQI閉合PLC內(nèi)的光電藕合器件得電，PLC認(rèn)為該點(diǎn)的 邏輯值為" 1”,信號有效，PLC執(zhí)行相關(guān)操作。這種方法的缺點(diǎn)在于當(dāng)從 +24V 端子到PLC輸入點(diǎn)之間的線路接觸不良或開路則會造成 SQI無效(即

45、使SQI被 壓下閉合)，而導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)重大事故［12］。 T T KI ： ! 乜 PLC輸入點(diǎn)I— PLC輸入點(diǎn) 圖3-1負(fù)邏輯輸入 圖3-2正邏輯輸入 (1)圖3-1所示的是負(fù)邏輯輸入的連接方法，信號輸入使用行程開關(guān)的常 閉觸點(diǎn)在正常情況下 SQI是閉合的，該輸入點(diǎn)的邏輯值為" 1”,當(dāng)SQI被壓下 斷開時(shí)輸入點(diǎn)邏輯值為“ 0”。這時(shí)要求通過數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置或修改 PLC程 序把該點(diǎn)邏輯值“ 1”設(shè)定為無效狀態(tài)，而邏輯值“ 0”設(shè)定為有效狀態(tài)。如果 從+24V端子到PLC的輸入點(diǎn)之間的線路出現(xiàn)開路或接觸不良時(shí)，該點(diǎn)被認(rèn)為有 效，機(jī)床會立即報(bào)警，必須在電路連接良好的情況下

46、機(jī)床才能正常運(yùn)行。這種 方法排除了因限位電路開路而造成故障的可能性，機(jī)床的安全性得到提高。 軟件設(shè)置負(fù)邏輯需要把邏輯“ 1”改為無效狀態(tài)而邏輯“ 0”為有效狀態(tài)， 其方法有兩種： 第一，在PLC編程時(shí)通過程序?qū)崿F(xiàn)。 第二，通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)實(shí)現(xiàn)。 (2)在兩種方法中，要求數(shù)控系統(tǒng)具有可以對其 PLC輸入、輸出端口的邏 輯有效狀態(tài)進(jìn)行修改的功能。西門子的 SINUMERIK 802強(qiáng)控系統(tǒng)具有此功能。 本次改造對限位等影響機(jī)床安全的輸入點(diǎn)采用負(fù)邏輯就是采用的第 2種方法。 （3）采用負(fù)邏輯存在的問題及對對策數(shù)控機(jī)床的 PLC俞入點(diǎn)采用負(fù) 邏輯輸入的方法使輸入電路中的光電禍合器的發(fā)光

47、二極管長期處于通電狀 態(tài)。但是由于該發(fā)光二極管的工作電流很小 （只有幾毫安，輸入電路只消耗幾十 毫瓦），因此系統(tǒng)的功耗的增加對功率幾千瓦的機(jī)床來說可以忽略不計(jì)，同時(shí)發(fā) 光二極管是冷光源，也不會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱。光電藕合器的工作壽命大于 10萬小 時(shí)，以每臺機(jī)床每天連續(xù)工作 12小時(shí)計(jì)，可以保證機(jī)床正常工作 20多年，對 機(jī)床的壽命也不會造成影響。 2 .參考點(diǎn)返回采用雙開關(guān)方式 用行程開關(guān)做參考點(diǎn)返回減速開關(guān)，用接近開關(guān)作為參考點(diǎn)檢測開關(guān)。在 各軸返回參考點(diǎn)時(shí)，先高速運(yùn)動到參考點(diǎn)返回減速開關(guān)，將其壓下后反向慢速 逼近參考點(diǎn)，到參考點(diǎn)檢測開關(guān)后完成參考點(diǎn)返回。由于這種方法使各軸在達(dá) 到參考點(diǎn)

48、前速度較低（可通過參數(shù)設(shè)定改變），所以精度較高并且可以消除絲杠 的反向間隙。 3 .電動刀架控制電路 電動刀架的刀位檢測霍爾元件為輸出電路為集電極開路輸出方式，不能與 數(shù)控系統(tǒng)直接相連，需要在各刀位檢測電路輸出端添加集電極上拉電阻。如圖 3-3所示。 T1 刀架 T2 T3 T4 接系統(tǒng)I/O 圖3-3刀架電路 4 .驅(qū)動器與步進(jìn)電機(jī)的連接線路 驅(qū)動器與步進(jìn)電機(jī)的連接如圖 用動力電纜。 3-4所示，連接電纜采用數(shù)控系統(tǒng)配置的專 -乜百 5 fTl / 1 5 JJ ,制 VL- —IT SL- 『 格 R r FC L二』「-二 O8

49、O8OOOOC 一 Qoooooooooc * 2P F- a 0OOOOOOOOOO-- 圖3-4驅(qū)動器與步進(jìn)電機(jī)的連接圖 為保證步進(jìn)電機(jī)的相序準(zhǔn)確，必須按照系統(tǒng)說明書的要求連接，否則步進(jìn) 電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動器所使用的 85V交流電源由380V交流電驅(qū)動變壓器壓 降壓產(chǎn)生，為克服步進(jìn)電機(jī)起動時(shí)大電流的沖擊，驅(qū)動變壓器必須有足夠的功 率余量，實(shí)際改造中選用的是 1.5KVA的變壓器。為防止電源干擾，在驅(qū)動變壓 器原邊與副邊之間繞有屏蔽層并接地。驅(qū)動器與數(shù)控系統(tǒng)之間的連接電纜由于 深入強(qiáng)電柜，因此要求有良好的抗電磁干擾性能，一般采用西門子系統(tǒng)廠商提 供的

50、屏蔽多芯雙絞電纜，但其長度不能滿足要求，換用了同規(guī)格的自購電纜也 可以滿足要求。 5 .系統(tǒng)接地電路 接地包括系統(tǒng)電源接地和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)接地。分別如圖 3-5 ,圖3-6 所示。 控制變壓 圖3-5系統(tǒng)電源接地 良好合理的接地是系統(tǒng)可靠工作的重要保證。為提高系統(tǒng)抗干擾能力各須 接地的設(shè)備均通過10mmi勺接地線直接與接地排相連，地線排再通過 16mm勺接 地線與電源系統(tǒng)的地線相連接。這種接地方法可以抑制各設(shè)備間的共態(tài)干擾。 圖3-5、圖3-6是系統(tǒng)主機(jī)、驅(qū)動的接地示意圖，其他各部分的接地在電路圖 中有詳細(xì)的描述。 圖3-6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)接地 （三）

51、機(jī)床參數(shù)設(shè)置 1.通用機(jī)床數(shù)據(jù) 根據(jù)機(jī)床使用要求和電路設(shè)計(jì)情況，進(jìn)行機(jī)床參數(shù)設(shè)置。 （四）控制元件清單 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所采用的控制元件清單如表 3-1所示 表3-1元件清單 序 號 元件名稱 規(guī)格 數(shù)量 備注 1 802S數(shù)控系 統(tǒng) X 軸 9N.M,Z 軸 12N.M 2套 主機(jī)、操作面板、驅(qū)動單 元、步進(jìn)電機(jī) 2 航空插件 16P 4 3 28P 8 4 10P 強(qiáng)電 5 繼電器 兩組觸點(diǎn) 20 6 空氣外天 DZ47-380V/20A 2 3P 7 DZ47-380/15A 2 3P

52、 8 DZ47-380/2A 6 3P  9 DZ47-380/10A 2 1P 10 DZ47-380/8A 2 1P 11 DZ47-380/5A 4 1P 12 DZ47-380/20A 2 1P 13 接觸器 CJT1-380V/20 A 2 主電源 14 CJT1-380V/10A 6 力架及冷卻 15 起停按鈕 紅色、綠色 4 16 急停開大 紅色 4 17 小按鈕 紅色、綠色 4 18 三相吸收器 6 19 變壓器 220V/85V 1.5

53、KW 2 步進(jìn)驅(qū)動器電源 20 380V/24V 100W 2 照明 21 導(dǎo)線 6mm2黑色 25m 22 10mm2黃綠相間 10m 接地線 23 1mm2藍(lán)色 1圈 24 2mm2藍(lán)色 1圈 25 電纜 4 芯 4mm2 10m 26 4 芯 2mm2 15m 27 15芯0.2mm2屏敝 線 3m 28 30 芯 0.2mm2 25m 29 風(fēng)扇 6300mm/35W 2 強(qiáng)電阻散熱 30 風(fēng)扇 6 150mm/35W 2 操作柜散熱  3

54、1 熱縮管 32 線號管 33 電源指示燈 紅色 2 34 蜂鳴器 2 聲音報(bào)警 35 線槽 50mmM 65mm、 25mmM 15mm 20m 36 卡軌 L:600mm 5 固定元件 （五）控制電路安裝接線圖 機(jī)床外部控制電路的安裝和接線是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，要保障外部干擾小。 我們采用了機(jī)床電氣控制柜與主機(jī)分離，同時(shí)選用了屏蔽線連接，達(dá)到了很好 的屏蔽效果。各電路安裝連接線圖在此不再提供。 四、 數(shù)控車床總體改造方案及機(jī)械部分設(shè)計(jì) （ 一 ） 設(shè)計(jì)要求 1. 設(shè)計(jì)基本思路 改造 C616 車床的基

55、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)，用數(shù) 控系統(tǒng)來驅(qū)動各軸的運(yùn)動。經(jīng)過嚴(yán)密的計(jì)算和論證，選擇絲杠和驅(qū)動電機(jī)，根 據(jù)使用要求，選擇系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)控制電路，布置各傳感器。 數(shù)控系統(tǒng)采用國際通用的 SIEMEN繇統(tǒng)，可靠性好，功能強(qiáng)大。并根據(jù)用 戶的要求設(shè)計(jì)了新穎的外觀。該設(shè)備改造后取名“ CK616Ats車床”。 2. 設(shè)備改造前后各項(xiàng)性能指標(biāo) 各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到JB2670-82標(biāo)準(zhǔn)。 改造前后的設(shè)備情況如下 : C616 改裝前的主要參數(shù) : 床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 320mm 最大工件長度

56、750mm 刀架以上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 175mm 主軸轉(zhuǎn)速種數(shù)正反轉(zhuǎn)各 12 種 主軸轉(zhuǎn)速范圍 45-1980 轉(zhuǎn)/ 分 主軸每轉(zhuǎn)刀架進(jìn)給量范圍橫向 0.04-2.45mm 縱向 0.06-3.34mm C616 改裝后的主要參數(shù) : 主軸轉(zhuǎn)速 : 無級調(diào)速 10-2000r/min 脈沖當(dāng)量X軸0.001 mm Z 軸 0.001 mm 行程 :X 軸 1 l omm Z 軸 650mm 最大工件直徑 :200mm 最大工件長度 :500mm （二）改造方案的確定 C616車床主要用于對中小型軸類、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)

57、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，并具備在換刀點(diǎn)自動改變四個(gè)刀 位完成選擇刀具：冷卻泵、潤滑泵的啟停；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)控制的對象。察看C616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對機(jī)床的改造部位是：拆掉手動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；②數(shù)控系統(tǒng)選用德國西門子公司生 產(chǎn)的SIEMENS802數(shù)控系統(tǒng)：③驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)

58、計(jì)。由于改造設(shè)計(jì)的是簡易型經(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，對于機(jī)床 盡可能減小改動量，以降低成本?？傮w改造如圖 4-1所示。 界3及 電機(jī) 圖4-1總體改造方案 對該機(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)的傳動部件以及傳動 絲杠，只保留導(dǎo)軌、主軸、溜板、尾座。修理后己恢復(fù)其主要部件的精度。 1 .設(shè)計(jì)目的 利用數(shù)控系統(tǒng)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量為 0.006mm/ft沖，橫向脈沖為 0.004mm/1永沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電動機(jī)，傳動系 統(tǒng)采用滾珠絲杠

59、副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架，主軸采用變頻器控制。 2 .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，對機(jī)床的改動盡可能少，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：采用西門子經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 處理。步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)同步帶輪傳動或直接傳動后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí) 現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動。主軸變速采用變頻器調(diào)速控制。 （三）傳動系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)與計(jì)算 1 .縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖4-2 圖4-2縱向進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖 2 .縱向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 己知條件： 工作臺重

60、量：W = 80Kg=800N 時(shí)間常數(shù):T=25ms 滾珠絲杠導(dǎo)程：L=6mm 行程:S=650mm 脈沖當(dāng)量：C.P =0.006mm. P 步距角：:=360；P 快速進(jìn)給速度：Vmax =2m/min 1 .切削力計(jì)算 由 ＜卻1床設(shè)計(jì)手冊 ＞＞可知，切削功率為 PC =P K =4 0.65 0.96 =2.496KW 又因?yàn)?Pc = FzV/6120 所以Fz =6120Pc/V取V=100M/mi"則主切削力 Fz=6120*2.496/100=152.76kg=1527.6N 由＜＜金屬切削原理 ＞＞可知，主切削力FZ =CFZaXfzfYFZKFZ

61、 查有關(guān)手冊得 Cfz=188kg/mm2=1880Mpa, Xfz=1 ,Yfz=0.75, Kfz=1 從《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 ＞＞中可得知，在一般車削外圓時(shí) Fx =(0.1~0.6)FZ Fy =(0.15~0.7)FZ 取 Fx =0.5FZ Fy -0.6FZ 貝U Fx =0.5 1527.6N =763.8N Fv =0.6 1527.6N =916.5N x y 2. 滾珠絲杠設(shè)計(jì)與計(jì)算 綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向工作負(fù)載采用下面公式計(jì)算 P =KFx f(FZ W) = 1.15 763.8 0.16 (1 5 2.7 8 0)0 = 1 2 5.0N 1) 強(qiáng)

62、度計(jì)算(滾珠絲杠) 壽命值 L=60nT/1000000 n =n主 f / L =1000vf /nDL =1000*100*0. 3/ (3.14*80*6) =20r/min L=60*20*15000/1000000=18000000r 最大動負(fù)載C =3.LfwP = 3 18 1.2 1250.8 = 3933.6N 選用FCIB32X6-5-E2滾珠絲杠，其額定動負(fù)荷為 10689N,與上 面計(jì)算結(jié)果相比，強(qiáng)度足夠。 2)效率計(jì)算根據(jù)機(jī)械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率為 =tg =tg3 25 0 , , = 0 953 tg( ) tg (3 25

63、10 ). 3)剛度驗(yàn)算滾珠絲杠在工作負(fù)載作用下的變形量 L = PL /EF =1250.8 0.6 ? L1 0 / 20600000 (2.8031/2) 3.14 三：5.9 10-6cm 因扭矩M引起的導(dǎo)程變形量△ L2很小，可忽略，即4 L=ALl。所以 絲杠長度為1000mm寸，導(dǎo)程變形總誤差為 △ =100 .LL0 =100 5.9E -6 0.6 = 9.8」m/m 查有關(guān)手冊得知E級精度絲杠允許的螺距誤差為1511m/m故剛度足夠。 4）穩(wěn)定性驗(yàn)算由于機(jī)床原絲杠直徑為 30mm現(xiàn)選用的滾珠絲杠直徑為 32mm支承向式不變，所以穩(wěn)定性不存在問題。 3

64、.齒輪及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 采用同步帶輪 1）有關(guān)帶輪計(jì)算 傳動比 i =360、3 ： L =360 0.006/0.36 6 =1 p M Z1 =20 Z2 =20 汽=2C m = 3mm b = 28mm(帶輪壁厚) d 1 = d2 =DZ 一 3.14 -9.525 20 3.14 60.66mm 2)轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算 工作臺質(zhì)量折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量 J「(1808 1,)2W = (180 0.0006 3.14 0.75)2 80 2 2 = 0.73kg.cm =7.3N.cm 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： JS =7.8 10」D4L=7.8 104 3

65、.24 100 =8.1789kg.cm2 2 = 81.7 8 N.cm2 帶輪的轉(zhuǎn)動慣量： 一 工_4 _ -4__4___ _ 2 JZ1=JZ2=7.8 10 D L =7.8 10 60.60 2.8 = 2.957N.cm 電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小，忽略不計(jì)。 總的轉(zhuǎn)動慣量J為 J =i2(JS JZ2) JZ1 J1 =12 (81.79 2.957) 2 2 = 95.004N.cm = 9.5kg .cm 3）所需轉(zhuǎn)動力距計(jì)算 快速空載啟動時(shí)所需力距 M=Mamax+Mf+Mo 最大切削負(fù)載時(shí)所需力距M=Mat+Mf+Mo+Mt 快速進(jìn)給時(shí)所需力距M=M

66、f+ Mo 式中Mama空載啟動時(shí)折算到電動機(jī)軸上的加速度力矩； Mf一折算到電動機(jī)軸上的摩擦力距； M 一由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電動機(jī)軸上的附加摩擦力矩 Mat 一切削時(shí)折算到電動機(jī)軸上的加速度力矩； Mt 一折算到電動機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。 M a =Jnl . 9.6T nmax =Vmax/Li =2000/6*1 =333.33r/min 則 Mamax =Jnmax 9.6T =9.5 333.33 10“(9.6 0.025) =13.1923kg.cm 當(dāng)n=nt時(shí)(nt為切削時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)速)，Ma= Mat又因?yàn)? % =nZ=1000vf4^ 一「1000M0%。m -、= 19.9r/min Li (3.14 D L i) (3.14 80 6 1) 則 M at = Jn1 義10%6T =9.5父19.9父 10”/(9.6父 0.025) = 0.0787N.m = 0.787kg.cm M f = f wL%刈=0.16 煞 80煞 0.6父%2 M 314Mo 8) = L528kg.cm = 15.28N.cm