ZL50裝載機(jī)總體及工作裝置設(shè)計

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桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯譯文 第19頁 共18頁 編號： 畢業(yè)設(shè)計(論文)外文翻譯 （譯文） 學(xué) 院： 國防生學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 李卓霖 學(xué) 號： 1000110106 指導(dǎo)教師單位： 桂林電子科技大學(xué) 姓 名： 曹泰山 職 稱： 講師 2014 年 3 月 09 日 高架起重機(jī)橋架的建模與有限元分析 C. Alkin, C. E. Imrak, H. Kocabas 摘 要 該論文以35噸級，13米跨度橋式起重機(jī)的兩個箱式梁為研究對象進(jìn)行設(shè)計研究。在該論文中，提出了常規(guī)設(shè)計計算f E.M規(guī)則和DIN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了驗證應(yīng)力和撓度水平。起重機(jī)設(shè)計同時使用立方體和平面。有限元網(wǎng)格劃分使用四個節(jié)點,用正四面體與四邊形單元組成實體殼模型,再分別通過有限元分析進(jìn)行比較，在正常計算下，結(jié)合已有的起重機(jī)性能，二次殼單元有限元分析是最接近實際結(jié)果的。研究結(jié)果表明，該高架起重機(jī)的設(shè)計是可行的。 關(guān)鍵詞：高架起重機(jī)，有限元分析法，建模，箱式梁。 注釋 兩個側(cè)板間的距離 下模版的寬度 導(dǎo)軌的靜負(fù)載 裝載后負(fù)載 主梁末端高度 側(cè)板高度 滾輪間距 起重梁跨度 相鄰支撐結(jié)構(gòu)間距 平臺重量 維護(hù)平臺重量 均勻分布的橋架單元質(zhì)量 上下夾板的厚度 側(cè)板厚度 左側(cè)板中心到起重機(jī)重心距離 導(dǎo)軌中心到起重機(jī)重心距離 導(dǎo)軌中心到中軸距離 上板到起重機(jī)重心距離 上板到中軸距離 X軸上的主要阻力 Y軸上的主要阻力 放大系數(shù) Ψ 動態(tài)系數(shù) 1 引言 起重機(jī)是讓超重貨物在建筑里輕松移動的最好方式之一。高架起重機(jī)是物料運輸系統(tǒng)中運送重物最重要的部分。起重機(jī)的主要任務(wù)就是載重后從一個位置移動到另一個位置。因此經(jīng)常被用與汽車工廠和船塢[1，2]。根據(jù)它們的主要用途有許多設(shè)計特征上的變化，例如：起重機(jī)的運動部件結(jié)構(gòu)，工作載荷，起重機(jī)的位置，幾何特征和環(huán)境條件。這些部分使起重機(jī)的設(shè)計規(guī)程高度標(biāo)準(zhǔn)化，大部分的時間花費在對現(xiàn)有的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行和說明[3]。 有很多關(guān)于結(jié)構(gòu)和受力組成的研究，在靜態(tài)和動態(tài)負(fù)載的起重機(jī)上安全進(jìn)行[5-16]。Demirsoy已經(jīng)進(jìn)行了的關(guān)于橋的結(jié)構(gòu)建模和有限元分析，研究其位移和應(yīng)力測試值[17]。建模技術(shù)來源于公路橋結(jié)構(gòu)，同時提供研究分析的有限元模型[18]。在該研究中，力和位移用F.E.M90軟件分析。橋式起重機(jī)模型不同點的加載和有限元分析方法的應(yīng)用由Celiktas完成[19]。她為高架起重機(jī)提供了有限元分析的結(jié)果。 DIN標(biāo)準(zhǔn)和F.E.M（歐洲聯(lián)合會）算法提供了被廣泛接受的設(shè)計與驗證方法和公式。DIN標(biāo)準(zhǔn)第44和185條收集了關(guān)于起重機(jī)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。DIN標(biāo)準(zhǔn)廣泛規(guī)定了設(shè)計參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。F.E.M算法主要收集了起重機(jī)設(shè)計的規(guī)則指引。它包含了關(guān)于如何選擇不同載荷方式下的起重機(jī)元件。 在這項研究中，計算部分套用F.E.M算法和DIN標(biāo)準(zhǔn)，用于橋式起重機(jī)的箱梁。箱梁的計算使用CESAN有限公司的標(biāo)準(zhǔn)橋接器。橋式起重機(jī)的模型產(chǎn)生了同等規(guī)模的計算結(jié)果。使用有限元分析法執(zhí)行靜態(tài)分析。在開始解決方案之前，臨界情況已經(jīng)應(yīng)用到實踐。 2 雙箱式梁高架起重機(jī) 雙箱式梁高架起重機(jī)不僅僅只是提升重物，還要攜帶重物在其范圍內(nèi)移動。在雙重梁高架起重機(jī)橋架上建造有可移動吊運車，橋架在導(dǎo)軌上運動，吊運車在橋架上升高或降低貨物，橋架在導(dǎo)軌上運送貨物。因此，執(zhí)行了三個垂直正交的運動。如圖一，貨物用鋼索固定在橋架上[21，22]。 雙箱梁同時受到水平和垂直方向的吊車重量，工作負(fù)載（吊鉤）和動力載荷。關(guān)于雙箱梁的制造，吊運車需要在梁之間或上面運行。圖2說明了合適的建造要求和梁的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。 圖1：高架起重機(jī)的總視圖 圖2：箱形主梁的制造要求。 3 高架起重機(jī)的有限元分析及應(yīng)用 在數(shù)字技術(shù)之中，有限元分析法被廣泛使用得益與有很多實用和易于操作的商業(yè)軟件。有限元分析法可以分析任何幾何學(xué)，解決力學(xué)和位移問題[23]。有限元分析法幾乎解決了研究中的全部或部分的有限元節(jié)點問題。該近似解明確表達(dá)了每個基礎(chǔ)元素和之后整體裝配獲得的剛性矩陣，位移量和力矢量問題。在該論文中的有限元模型是用Cosmos Works和MSC商業(yè)版完成的。用Patran（有限元分析軟件）和四面體單元與四邊形殼單元為該高架起重機(jī)橋架建模。 四面體單元是最簡單的三維空間單元，應(yīng)用于固體應(yīng)力問題分析如支架的應(yīng)力分析。該單元有四個節(jié)點，每個節(jié)點都有三個移動副和能在x，y，z軸上旋轉(zhuǎn)的自由度。關(guān)于殼單元的定義，是指允許在平面和曲面上都能擁有長度的單元。它的寬度只能用于3D仿真。四面體殼單元因為裝配彎曲元件而獲得了一定的自由度。這充分表明殼單元的偏差必須在預(yù)先定義的殼厚度內(nèi)，否則整個系統(tǒng)會在一個過大的偏差內(nèi)運行。 典型的四面體單元和四邊形殼單元與它們的坐標(biāo)系在圖3中說明[24]。選擇的四面體單元每個節(jié)點有六個自由度：x，y，z方向上的平移和繞x，y，z軸自由旋轉(zhuǎn)。用正四面體殼單元為高架起重機(jī)梁建模，r 和s表示固有坐標(biāo)系，δ是單元體的厚度。 該體系沒有任何水平力。軸向位移和總體的旋轉(zhuǎn)整體來看都近似為零。此外節(jié)點的橫向唯一整體來看也為零。 對系統(tǒng)起作用的外力大部分來自于起重機(jī)的主梁質(zhì)量（分布載荷）和作用在吊車滑輪沿起重機(jī)的力（有效載荷）。吊車滑輪上的力是因為吊車的質(zhì)量，來自提升負(fù)載物和在起重機(jī)上移動。 四節(jié)點四面體單元 四節(jié)點二次殼單元 圖3：為高架起重機(jī)梁建模的單元體 4 高架橋起重機(jī)立體有限元模型 有限元分析法是一種可以用于為工程學(xué)內(nèi)各種問題提供解決辦法的計算方案。穩(wěn)定的，瞬時的，線性的，非線性的應(yīng)力分析問題,熱傳遞，流量問題也可以用有限元方法解決。有限元分析法的基本步驟如下：預(yù)處理，解決方案，后處理。 真實的起重機(jī)數(shù)據(jù)從CESAN有限公司收集來，一個土耳其公司引進(jìn)了該高架起重機(jī)的大量生產(chǎn)。首先，起重機(jī)橋架是模擬成面。橋架幾何體是適合于此方法的，長和薄的部分也同樣被模擬成面。隨后，一個網(wǎng)格建立成功。在研究中，使用二次單元模式。立體建模是為了計算起重機(jī)橋架，該立體模型展示在圖4中[20]。 起重機(jī)橋架立體模型 起重機(jī)橋架的框架視圖 圖4：起重機(jī)橋架模型 5 高架起重機(jī)的數(shù)值算例 研究對象為13T級高架起重機(jī)其總長13米總重22.5噸。該起重機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。該高架起重機(jī)組成部分包括兩個大梁和兩個連接它們的底座，一個可在軸向移動的起重機(jī)空中吊運車和滑輪驅(qū)動裝置安裝在其中一個大梁上。起重機(jī)支撐在兩條軌道上，軌道梁安裝在建筑中。 為了計算結(jié)構(gòu)的受力，使用有限元分析法1.001。橋架分析的設(shè)計理念來自F.E.M和DIN標(biāo)準(zhǔn)被列在表1中。 表1：橋架屬性值 裝卸量 : =35 ton 吊車重量 : =3 ton 橋長度 : =13 m 吊車兩輪間距 : =2m 吊車速率 : =20 m/min. 起重機(jī)速率 : =15 m/min. 起吊速率 : =2.7 m/min 總使用壽命 : U4 工作級別 : Q3 設(shè)備組 : A5 裝載型號 : H (main load) 動態(tài)系數(shù) :ψ=1.15 放大系數(shù) := 1.11 用有限元分析法先計算最大和最小應(yīng)力然后計算剪切應(yīng)力。使用有限元分析法考慮主梁，我們得到了壓力值。我們由于固有重量而得到了靜態(tài)負(fù)載，負(fù)載來自于工作載荷乘以動態(tài)系數(shù)，是水平方向上最不利的兩個因素，不包括緩沖力。 最大的應(yīng)力來自于橋身固有重量的壓力和吊車的固有重量，提升載荷的力，慣力和吊車收縮力。最小應(yīng)力包括橋身固有重量和吊車固有重量的力。最大和最小應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)來自F.E.M規(guī)則[20]如下 和 動態(tài)系數(shù)ψ的意義是來自于工作負(fù)載的載荷。放大系數(shù)的意義依賴應(yīng)用級別組，其中維護(hù)臺的重量為零。[25]。 假設(shè)主負(fù)載（372780 N）作用于導(dǎo)軌的中點，而且每個主梁平均分擔(dān)總負(fù)載。這個負(fù)載通過系統(tǒng)中兩個吊車輪的接觸點求得，因此每個點的作用力是93195 N。系統(tǒng)總負(fù)載的求解，最大應(yīng)力值等于（1）143.90 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點，最小應(yīng)力值等于（2）47.33 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點。 根據(jù)圖5，切變的許用應(yīng)力包括剪應(yīng)力和車輪力，定義如下:[20] 最大剪應(yīng)力值等于24.82 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點（5）。帶入等式（1）-（3）可得到等效應(yīng)力。等效應(yīng)力值為150.18 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點。 圖5：箱形梁中的慣力和阻力 6 四面體單元的梁模型結(jié)果 為高架橋起重機(jī)梁用四面體單元建模，用Cosmoswork 軟件進(jìn)行有限元分析，用SolidWork 2003為梁生成立體模型。彈性模量（E）為2.1x105 N/mm2 ，泊松比（）為0.3進(jìn)行有限元分析。側(cè)板的最大應(yīng)力值為12.07 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點，底板的最大應(yīng)力值為15.08 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點，如圖6[20]。 高架橋起重機(jī)模型的位移量來自于CosmosWorks，在圖7中說明。梁的最大位移值大概為2.2 mm。 圖6：高架起重機(jī)梁的四面體單元受力情況 圖7：高架起重機(jī)梁的四面體單元位移量 7 四節(jié)點二次殼單元的梁模型結(jié)果 為高架橋起重機(jī)梁用四節(jié)點二次殼單元建模，用MSC Patran 軟件進(jìn)行有限元分析，早期系數(shù)（E）為2.1x10 N/mm2 ，泊松比（）為0.3進(jìn)行有限元分析。側(cè)板的最大應(yīng)力值為35.40 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點，底板的最大應(yīng)力值為49.30 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點如圖8[20]。 高架橋起重機(jī)梁模型的位移量獲得自MSC Patran如圖9。梁的最大位移量約為3.89mm。 根據(jù)式（1）最大應(yīng)力值計算得143.90 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點。起重機(jī)的安全系數(shù)設(shè)計為2到3?？紤]到四面體單元的安全系數(shù)，側(cè)板的最大應(yīng)力在24.14到36.21 N/mm2之間精確到兩位小數(shù)點。底板的最大應(yīng)力值在30.16到45.24 N/mm2 之間精確到兩位小數(shù)點。 考慮到四節(jié)點二次殼單元的安全系數(shù)，其側(cè)板的最大應(yīng)力在70.8到106.2 N/mm2 之間精確到兩位小數(shù)點。底板的最大應(yīng)力值在98.60到147.90 N/mm2 之間精確到兩位小數(shù)點。 根據(jù)F.E.M規(guī)則梁的允許位移為13mm。通過四面體單元有限元模型獲得的值在4.40到6.60之間，安全系數(shù)已考慮。通過四節(jié)點二次殼單元有限元模型獲得的值在7.78到11.67mm之間，安全系數(shù)已考慮。 圖8：高架起重機(jī)梁二次殼單元的受力值 圖9：高架起重機(jī)四節(jié)點二次殼單元的位移量 8 結(jié)論 在該研究中，不像其他論文照搬原有理論，高架箱型梁的殼單元有限元模型已被驗證。為了展示出殼單元的用處，給出了一個高架起重機(jī)橋架的實例。根據(jù)F.E.M算法和有限元分析法計算得，四面體單元的最大應(yīng)力值是143.90 N/mm2 和45.24 N/mm2，四節(jié)點二次殼單元的最大應(yīng)力值為147.9 N/mm2。等效應(yīng)力為150.18 N/mm2 精確到兩位小數(shù)點。通過MSC Patran考慮到安全系數(shù)，應(yīng)力值應(yīng)該在97-145.5N/mm2之間變化。 高架起重機(jī)箱式梁的長厚比高于20.因此，為了展示高架起重機(jī)橋架分析的精確度，用四節(jié)點二次殼單元代替四面體單元進(jìn)行有限元分析。 數(shù)控機(jī)床的改造 1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢 1946年誕生了世界上第一臺電子計算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 1.1 數(shù)控（NC）階段（1952～1970年） 早期計算機(jī)的運算速度低，對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機(jī)床專用計算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(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。 1.2 計算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在） 到1970年，通用小型計算機(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)入了計算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（把計算機(jī)前面應(yīng)有的"通用"兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機(jī)的兩個最核心的部件--運算器和控制器，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（簡稱CPU）。 到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時曾用于控制多臺機(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算機(jī)的核心部件，故仍稱為計算機(jī)數(shù)控。 到了1990年，PC機(jī)（個人計算機(jī)，國內(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--小型計算機(jī)；1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC（國外稱為PC-BASED）。 還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實質(zhì)上已是指"計算機(jī)數(shù)控"了。 1.3 數(shù)控未來發(fā)展的趨勢 1.3.1繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。 1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展 這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 1.3.3向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 （1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 （2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 （3）引入故障診斷專家系統(tǒng) （4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置 可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。 2 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 2.1 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)所包含的計算機(jī)的威力。 2.1.1 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。 由于計算機(jī)有高超的運算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 2.1.2可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。 由于計算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，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。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。 2.1.3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"。 2.1.4可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運。 2.1.5擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 2.1.6由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(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)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 2.2 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、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)對國外軍、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)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(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。 3 機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 3.1 機(jī)床數(shù)控化改造的市場 我國目前機(jī)床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，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/半自動機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(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，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、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。 3.2 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進(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，從1979～1988年10年間，全國引進(jìn)技術(shù)改造項目就有18446項，大約165.8億美元。 這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(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)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，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，但是因為設(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長時間，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)造財富，反而消耗著財富。 這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，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)，爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 4 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺 4.1 國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個"永恒"的課題。我國的機(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、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，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，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。美國得寶公司已在中國開辦公司。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。 4.2 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： 其一是恢復(fù)原功能，對機(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、效率和自動化程度，對機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(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，或為了使用新工藝、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。 4.3 數(shù)控化改造的優(yōu)缺 4.3.1 減少投資額、交貨期短 同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60％～80％的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投資50％左右。 4.3.2 機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限 所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。 4.3.3 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修 購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實現(xiàn)全負(fù)荷運轉(zhuǎn)。 4.3.4 可充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。 4.3.5 可以采用最新的控制技術(shù) 可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。 5 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 5.1 步進(jìn)電機(jī)拖動的開環(huán)系統(tǒng) 該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。 5.2 異步電動機(jī)或直流電機(jī)拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)?？筛鶕?jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。 5.3 交/直流伺服電機(jī)拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機(jī)作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。 當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司；國內(nèi)公司如中國珠峰公司、北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心。 選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動電機(jī)的功率和用戶的要求。 6 數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討 一臺新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計上要達(dá)到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時應(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)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。 6.1 滑動導(dǎo)軌副 對數(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)。同時要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。 6.2 齒輪副 一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動，因而改造時，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。 6.3 滑動絲杠與滾珠絲杠 絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，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，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。 6.4 安全防護(hù) 效率必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實際情況采取相應(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。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動面損傷導(dǎo)軌。 7 機(jī)床數(shù)控改造主要步驟 7.1 改造方案的確定 改造的可行性分析通過以后，就可以針對某臺或某幾臺機(jī)床的現(xiàn)況確定改造方案，一般包括： 7.1.1機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合 一般來說，需進(jìn)行電氣改造的機(jī)床，都需進(jìn)行機(jī)械修理。要確定修理的要求、范圍、內(nèi)容；也要確定因電氣改造而需進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改造的要求、內(nèi)容；還要確定電氣改造與機(jī)械修理、改造之間的交錯時間要求。機(jī)械性能的完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。 7.1.2先易后難、先局部后全局 原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙，仔細(xì)進(jìn)行，及時在圖紙上作出標(biāo)記，防止遺漏或過拆(局部改造情況下)。在拆的過程中也會發(fā)現(xiàn)一些新系統(tǒng)設(shè)計中的欠缺之處，應(yīng)及時補(bǔ)充與修正，拆下的系統(tǒng)及零件應(yīng)分門別類，妥善保管，以備萬一改造不成功或局部失敗時恢復(fù)使用。還有一定使用價值的，可作其他機(jī)床備件用。切忌大手大腳，亂扔亂放。 7.2 合理安排新系統(tǒng)位置及布線 根據(jù)新系統(tǒng)設(shè)計圖紙，合理進(jìn)行新系統(tǒng)配置，包括箱體固定、面板安放、線路走向和固定、調(diào)整元器件位置、密封及必要裝飾等。連線工作必須分工明確，有人復(fù)查檢驗，以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。 7.3 調(diào)試 調(diào)試必須按事先確定的步驟和要求進(jìn)行。調(diào)試人員應(yīng)頭腦冷靜，隨時記錄，以便發(fā)現(xiàn)和解決問題。調(diào)試中首先試安全保護(hù)系統(tǒng)靈敏度，防止人身、設(shè)備事故發(fā)生。調(diào)試現(xiàn)場必須清理干凈，無多余物品；各運動坐標(biāo)拖板處于全行程中心位置；能空載試驗的，先空載后加載；能模擬試驗的，先模擬后實動；能手動的，先手動后自動。 7.4 驗收及后期工作 驗收工作應(yīng)聘請有關(guān)的人員共同參加，并按已制定的驗收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。改造的后期工作也很重要，它有利于項目技術(shù)水平的提高和使設(shè)備盡早投產(chǎn)。驗收及后期工作包括： 7.4.1機(jī)床機(jī)械性能驗收 經(jīng)過機(jī)械修理和改造以及全面保養(yǎng)，機(jī)床的各項機(jī)械性能應(yīng)達(dá)到要求，幾何精度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。 7.4.2電氣控制功能和控制精度驗收 電氣控制的各項功能必須達(dá)到動作正常，靈敏可靠?？刂凭葢?yīng)用系統(tǒng)本身的功能(如步進(jìn)尺寸等)與標(biāo)準(zhǔn)計量器具(如激光干涉儀、坐標(biāo)測量儀等)對照檢查，達(dá)到精度范圍之內(nèi)。同時還應(yīng)與改造前機(jī)床的各項功能和精度作出對比，獲得量化的指標(biāo)差。 7.4.3試件切削驗收 可以參照國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控機(jī)床切削試件標(biāo)準(zhǔn)，在有資格的操作工、編程人員配合下進(jìn)行試切削。試件切削可驗收機(jī)床剛度、切削力、噪聲、運動軌跡、關(guān)聯(lián)動作等，一般不宜采用產(chǎn)品零件作試件使用。 7.4.4圖紙、資料驗收 機(jī)床改造完后，應(yīng)及時將圖紙(包括原理圖、配置圖、接線圖、梯形圖等)、資料(包括各類說明書)、改造檔案(包括改造前、后的各種記錄)匯總、整理、移交入檔。保持資料的完整、有效、連續(xù)，這對該設(shè)備的今后穩(wěn)定運行是十分重要的。 7.4.5總結(jié)、提高 每次改造結(jié)束后應(yīng)及時總結(jié)，既有利于提高技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平，也有利于整個企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。