2044 C616臥式車床數(shù)控化改造,c616,臥式,車床,數(shù)控,改造 C616 臥式車床數(shù)控化改造一、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)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。1 年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第 5 名，機床消費額在世界排名上升到第 3 位，達 47.39 億美元，僅次于美國的 53.67 億美元 [1]，消費額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001 年進口機床躍升至世界第 2 位，達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)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。國內(nèi)數(shù)控機床的特點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”期間國家重點建設(shè)項目，其中組成列車線的 2550 根軌道梁是整個工程的最關(guān)鍵部分，對加工軌道梁的精度提出了相當高的要求。去年年初，沈陽機床集團機床股份有限公司中捷友誼廠以工期 6 個月、標的 6200 萬元在磁懸浮軌道專用數(shù)控機床項目公開招標中折桂，并于 8 月底將一次性驗收合格的 8 臺數(shù)控鏗銑床組成的軌道梁生產(chǎn)線一次試車成功，目前這套銑 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，為實現(xiàn)今年年底試車打下了良好的基礎(chǔ)。2.數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達 1.8 萬臺，比上年增長 28.5%.金切機床行業(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)控機床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破近年來通過政府的支持，數(shù)控機床配套生產(chǎn)得到了快速發(fā)展。如北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團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;煙臺第二機床附件廠開發(fā)了為數(shù)控機床配套的多種動力卡盤和過濾排屑裝置;濟南第二機床集團公司的數(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多個系列 100 多個品種的數(shù)控配套產(chǎn)品。2.國外數(shù)控機床狀況分析1.國際機床市場的消費主流是數(shù)控機床1998 年世界機床進口額中大部分是數(shù)控機床，美國進口機床的數(shù)控化率達70%，我國為 60%。目前世界數(shù)控機床消費趨勢已從初期以數(shù)控電加工機床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機床、成套設(shè)備為主。2.國外數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運用，數(shù)控機床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化己成為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網(wǎng)進入制造工廠的車間只是時間的問題。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、物、產(chǎn)、供、銷)或設(shè)計、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠遠不夠的，工廠、車間的最底層加工設(shè)備—數(shù)控機床不能夠連成網(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)代制造工廠來說，第一是要大大提高機床的數(shù)控化率，即數(shù)控機床必須達到起碼的數(shù)量或比例;第二就是所擁有的數(shù)控機床必須具有雙向、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 FANUC 和西門子為代表的數(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)控機床的網(wǎng)絡(luò)接口功能被定義為用于遠程監(jiān)控、遠程診斷。3.數(shù)控機床的發(fā)展預測1.數(shù)控機床推廣應(yīng)用逐步由經(jīng)濟型為主向普及型為主轉(zhuǎn)變 據(jù)預測分析，到 2005 年我國機床的數(shù)控化率為 9.5%-10.36%，到 2010 年將達到 16.5%-19.27%。經(jīng)濟型所占比重繼續(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)控金切機床的構(gòu)成比逐漸趨于合理數(shù)控機床工序集中的加工特點，將使具有復合功能的高效數(shù)控機床的需求增長，這將導致數(shù)控機床擁有量和市場消費量中各類數(shù)控機床的構(gòu)成比不同于傳統(tǒng)的機床構(gòu)成比。3.數(shù)控機床的應(yīng)用由單機向單元(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)控機床銷售量的 30%以上。而我國 FMC, FMS 和 FML 的擁有量不足 50 套，相當于日本 80 年代的水平，占數(shù)控機床消費額不到 5%。4.出口前景良好1998 年及前幾年我國機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)濟復蘇和我國出口多極化市場的形成和鞏固，以及我國加入 WTO，今后幾年我國機床出口將實現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長。預計到 2005年出口創(chuàng)匯可達到 12 億美元 [3]。4.入世對中國機械工業(yè)的結(jié)構(gòu)性沖擊加入 WTO 后，外資對我國機械工業(yè)的結(jié)構(gòu)性沖擊主要表現(xiàn)在以下幾點：1.部分行業(yè)發(fā)展主導權(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)并處于壟斷地位的技術(shù)密集型行業(yè)，如燃氣輪機、直流輸關(guān)鍵設(shè)備、半喂入式水稻聯(lián)合收割機、機電一體化的汽車發(fā)動機附配件等;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、復印機、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)將面臨更嚴峻的競爭隨著服務(wù)貿(mào)易領(lǐng)域?qū)ν忾_放，實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械企業(yè)主要承擔制造車間的角色，技術(shù)來源主要依靠其母公司，而原本就實力有限的內(nèi)資企業(yè)在完全開放的市場競爭中堅持自行研制開發(fā)將冒很大風險，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國民經(jīng)濟的水平和現(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)濟時代的區(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)又是當今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當今世界各國制造業(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)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(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)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(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)機械制造技術(shù);(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù);(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)域的擴大，他對國計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，其主要研究熱點有以下幾個方面。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)工程學會(CIRP)將其確定為 21 世紀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”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個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給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達 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)線部分替代組合機床。美國 CINCINNATI 公司的 HyperMach 機床進給速度最大達60m/min，快速為 100m/min，加速度達 2g，主軸轉(zhuǎn)速己達 60000r/min。加工一薄壁飛機零件，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 DMG 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12000r/mm 和 1g。在加工精度方面，近 10 年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由 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入納米級(O.O1um)。在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的 MTBF 值已達 6 OOOh 以上，伺服系統(tǒng)的MTBF 值達到 30000h 以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。2.5 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(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行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1 臺 5 軸聯(lián)動機床的效率可以等于 2 臺 3 軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，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)、主機結(jié)構(gòu)復雜等原因，其價格要比 3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結(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)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機床和復合加工機床(含 5 面加工機床)的發(fā)展。新日本工機的 5 面加工機床采用復合主軸頭，可實現(xiàn) 4 個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床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國 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)動加工，可由 CNC 系統(tǒng)控制或 CAD/CAM 直接或間接控制 [5]。3.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21 世紀的數(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)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、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)進行研究，如美國的 NGC 歐共體的 OSACA、日本的 OSEC，中國的 ONC 等。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)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，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，如在 EM02001 展中，日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center"(智能生產(chǎn)控制中心，簡稱 CPC)[6] ;日本大限(Okuma)機床公司展出“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)標準、規(guī)范的建立(1)關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(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、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC, OSACA, OSEC)的研究和制定，世界3 個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在 2000 年也開始進行中國的 ONC 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。(2)關(guān)于數(shù)控標準數(shù)控標準是制造業(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 標準，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CNC 系統(tǒng)標準 IS014649 (STEP-NC)[7]，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。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)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。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計算機上。而在新標準下，NC 以及歐洲 OSACA-NC 數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。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)展歷程大致可分為 3 個階段: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步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在 “九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50%，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)(普及型)也達到了 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 5 年計劃的攻關(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、專機及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進行商品化開發(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。蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產(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步，但我們也要清醒地認識到，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(1)技術(shù)水平上，與國外先進水平大約落后 10^15 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;相關(guān)標準規(guī)范的研究、制定滯后。3.存在差距的主要原因(1)認識方面對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性、復雜性和長期性的特點認識不足;對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足;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)化問題的時候少;沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。(3)機制方面不良機制造成人才流失，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)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。(4)技術(shù)方面企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術(shù)的工程化能力不強。機床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。(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)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術(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)將進一步“空芯” 。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“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，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。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，因為制造業(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)，對我國實現(xiàn)禁運和限制， “東芝事件”和“考克斯報告” [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)濟的市場需求為導向，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，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導 21 世紀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，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強調(diào)市場需求為導向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(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、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)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當然，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，要強調(diào)產(chǎn)、學、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，以解決國家之急需。在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強調(diào)創(chuàng)新，強調(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)備改造方面的報道比較多，其方法多種多樣，具體表現(xiàn)在: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)要求可以進行經(jīng)濟性數(shù)控化改造，也可以進行智能化數(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行控制電路設(shè)計，沒有對系統(tǒng)進行深入的分析研究，不能結(jié)合實際應(yīng)用解決當前同類設(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，當限位保護電路，如發(fā)生電路開路或接觸不良時，不會立即報警，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)過仔細的研究和分析系統(tǒng)特性，在改造設(shè)備時所有限位保護電路均采用負邏輯，如發(fā)生電路開路或接觸不良時會立即報警，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 個要素，采用傳統(tǒng)的非數(shù)控生產(chǎn)方式只有達到一定閉值的大批量的規(guī)模生產(chǎn)才能取得上述 4 個方面的統(tǒng)一。但在當前激烈的市場競爭環(huán)境下，以生產(chǎn)為中心，企業(yè)為主導的賣方市場已轉(zhuǎn)向以市場需求為中心,用戶為主導的買方市場，產(chǎn)品需求呈現(xiàn)多樣化和個性化，且產(chǎn)品經(jīng)濟壽命大大縮短，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)的柔性化是指當產(chǎn)品的品種的需求發(fā)生變化時，它們?nèi)阅茉跐M足經(jīng)濟性的前提下，實現(xiàn)及時轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的適應(yīng)能力。同時，持續(xù)地提高經(jīng)濟加工精度也是適應(yīng)市場競爭的另一個主要目標。因而作為評定數(shù)控機床及系統(tǒng)效能的基本指標也將由傳統(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。如何達到上述要求，進一步提高其生產(chǎn)的柔性化，達到操作的簡便易行，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。同時采用無級變速方式，使其轉(zhuǎn)速提高到2000r/min，實現(xiàn)了高速化。(五)本文的選題及主要研究內(nèi)容對已報廢的兩臺 C616 普通廢舊車床進行數(shù)控化改造。通過改造，其目的就是要創(chuàng)新一些技術(shù)，以便進行推廣。課題組接到任務(wù)后，認真仔細的研究改造方案，分析現(xiàn)在經(jīng)濟型數(shù)控車床容易出現(xiàn)安全性故障的原因，經(jīng)過反復的論證，在設(shè)計過程中，所有限位保護電路均采用負邏輯，如發(fā)生電路開路或接觸不良時會立即報警，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)計控制系統(tǒng)，利用原機床的電機作為主電機，節(jié)約了購買電機的費用。要求改進后的設(shè)備能提高精度達到數(shù)控行業(yè)標準(JB2670-82) [10]，同時滿足操作方便，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)控化改造總體機械部件設(shè)計。2.主要部件的設(shè)計和選用。3.創(chuàng)新設(shè)計數(shù)控機床限位保護裝置。使設(shè)備發(fā)生電路開路或接觸不良時，應(yīng)立即報警，防止意外事故發(fā)生，提高設(shè)備使用的安全性。4.設(shè)計雙限位保護開關(guān)，使刀架在特定的位置不能換刀。5.滿足設(shè)備的各項性能指標。6.對完成改造后的機床進行安裝、調(diào)試，使其達到用戶使用要求。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)濟型機床數(shù)控系統(tǒng)。它采用 32 位的微處理器(AM486DE2 )、集成 PLC，分離式小尺寸操作面板、液晶顯示器和機床控制面板。802S 可以控制 2-3 個步進電機驅(qū)動的進給軸和一個主軸。802S 數(shù)控系統(tǒng)的基本功能如下:1.線性插補軸最多 3 軸(開環(huán))。2.一個變頻器驅(qū)動的主軸，具有主軸編碼器反饋接口 [11]。3.PLC 模塊具有 16 個輸入點和 16 個輸出點，經(jīng)擴展可以達到 64 個輸入點和 64 個輸出點。4.支持中/英文轉(zhuǎn)換。5.螺距補償和間隙補償。6.具有故障報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.刀具補償功能。9.螺旋插補功能。10.用戶程序存儲器 256K.11.可以擴展兩個電子手輪。12.通過特定的參數(shù)設(shè)置可以獲得示教功能。(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)過嚴格的分析計算，確定系統(tǒng)配置如下:1.按照用戶的要求，選用 802SSNC 系統(tǒng)，含顯示和操作面板。2.根據(jù) Z 軸的進給功率要求，通過計算，選擇 12N.M 的步進電機。3.X 軸和 Z 軸驅(qū)動器，選用 SETP DRIVE C 型驅(qū)動器。4.主軸變頻器采用 ATV 28HU90N4 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)電源采用 24V/4. 5A 電源。8.主電機仍采用原來舊機床的電機。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 含顯示、操作面板2 步進電機 9N.m 1 X 軸 3 步進電機 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)電源隔離變壓器 1 OOVA 1 9 系統(tǒng)電源 24V/4.5A 1 要求無關(guān)機蕩機 10 主軸電機 1 11 油泵電機 1 12 電動刀架 1 三、 控制電路設(shè)計(一)電路設(shè)計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實現(xiàn)主軸無級調(diào)速，去除機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—lOV為主軸正轉(zhuǎn)速度控制(執(zhí)行 M3 指令)，0—-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—+lOV，其正/反轉(zhuǎn)由變頻器的 1/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，將導致變頻器不能識別反轉(zhuǎn)控制電壓而不能實現(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行轉(zhuǎn)換，保證變頻器的速度控制電壓在反轉(zhuǎn)時也為 0-+1 OV。3.變頻器故障報警輸出變頻器的故障報警輸出作為系統(tǒng)的報警輸入，如果主軸出現(xiàn)過流、短路、過熱等故障時均可及時停止系統(tǒng)的運行，并發(fā)出報警信號。(二)X、Z 軸限位和參考點返回電路1.x、z 軸的限位輸入端設(shè)置為負邏輯經(jīng)過分析現(xiàn)有數(shù)控機床的限位控制電路的缺陷，研制出一種新的限位控制方式，即負邏輯控制。其基本思路是:使用限位行程開關(guān)的常閉觸點，當限位開關(guān)沒有壓下時 I/0 點與 24V 接通，當限位開關(guān)被壓下 1/O 點與 24V 斷開，機床限位。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。限位輸入端采用負邏輯需對系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行修改。采用負邏輯輸入的方法，這樣有利于提高數(shù)控機床的可靠性和安全性。如果機床的電路采用傳統(tǒng)的繼電器、接觸器等元件實現(xiàn)邏輯功能則不宜采用負邏輯，因為他會導致部分繼電器、接觸器處于始終通電狀態(tài)。這會造成損耗大、元件升溫、壽命縮短等問題，并且元件間機械接觸，還會因為震動等因素造成誤動作?，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)，實現(xiàn)負邏輯輸入要軟件、硬件兩方面配合才能實現(xiàn)。硬件連接數(shù)控機床中 PLC 的輸入點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:當機床運動超程時壓下行程開關(guān) SQ1, SQI 閉合 PLC 內(nèi)的光電藕合器件得電，PLC 認為該點的邏輯值為“1"，信號有效，PLC 執(zhí)行相關(guān)操作。這種方法的缺點在于當從+24V 端子到 PLC 輸入點之間的線路接觸不良或開路則會造成 SQI 無效 (即使 SQI 被壓下閉合)，而導致機床出現(xiàn)重大事故 [12]。圖 3-1 負邏輯輸入 圖 3-2 正邏輯輸入（1）圖 3-1 所示的是負邏輯輸入的連接方法，信號輸入使用行程開關(guān)的常閉觸點在正常情況下 SQI 是閉合的，該輸入點的邏輯值為“1"，當 SQI 被壓下斷開時輸入點邏輯值為“0"。這時要求通過數(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 的輸入點之間的線路出現(xiàn)開路或接觸不良時，該點被認為有效，機床會立即報警，必須在電路連接良好的情況下機床才能正常運行。這種方法排除了因限位電路開路而造成故障的可能性，機床的安全性得到提高。軟件設(shè)置負邏輯需要把邏輯“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 編程時通過程序?qū)崿F(xiàn)。第二，通過設(shè)定機床參數(shù)實現(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)進行修改的功能。西門子的 SINUMERIK 802S 數(shù)控系統(tǒng)具有此功能。本次改造對限位等影響機床安全的輸入點采用負邏輯就是采用的第 2 種方法。(3)采用負邏輯存在的問題及對對策數(shù)控機床的 PLC 輸入點采用負邏輯輸入的方法使輸入電路中的光電禍合器的發(fā)光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床來說可以忽略不計，同時發(fā)光二極管是冷光源，也不會導致系統(tǒng)發(fā)熱。光電藕合器的工作壽命大于 10 萬小時，以每臺機床每天連續(xù)工作 12 小時計，可以保證機床正常工作 20 多年，對機床的壽命也不會造成影響。2.參考點返回采用雙開關(guān)方式用行程開關(guān)做參考點返回減速開關(guān)，用接近開關(guān)作為參考點檢測開關(guān)。在各軸返回參考點時，先高速運動到參考點返回減速開關(guān)，將其壓下后反向慢速逼近參考點，到參考點檢測開關(guān)后完成參考點返回。由于這種方法使各軸在達到參考點前速度較低(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。圖 3-3 刀架電路4.驅(qū)動器與步進電機的連接線路驅(qū)動器與步進電機的連接如圖 3-4 所示，連接電纜采用數(shù)控系統(tǒng)配置的專用動力電纜。圖 3-4 驅(qū)動器與步進電機的連接圖為保證步進電機的相序準確，必須按照系統(tǒng)說明書的要求連接，否則步進電機不能正常運轉(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，為克服步進電機起動時大電流的沖擊，驅(qū)動變壓器必須有足夠的功率余量，實際改造中選用的是 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)電源接地和步進電機驅(qū)動系統(tǒng)接地。分別如圖 3-5 ,圖 3-6所示。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 1Omm2的接地線直接與接地排相連，地線排再通過 16mm2的接地線與電源系統(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、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的描述。圖 3-6 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)接地(三)機床參數(shù)設(shè)置1.通用機床數(shù)據(jù)根據(jù)機床使用要求和電路設(shè)計情況，進行機床參數(shù)設(shè)置。(四)控制元件清單根據(jù)設(shè)計要求，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、操作面板、驅(qū)動單 元、步進電機2 航空插件 16P 43 28P 84 10P 強電5 繼電器 兩組觸點 206 空氣開關(guān) DZ47-380V/20A 2 3P7 DZ47-380/15A 2 3P8 DZ47-380/2A 6 3P9 DZ47-380/10A 2 1P10 DZ47-380/8A 2 1P11 DZ47-380/5A 4 1P12 DZ47-380/20A 2 1P13 接觸器 CJT1-380V/20A 2 主電源14 CJT1-380V/10A 6 刀架及冷卻15 起停按鈕 紅色、綠色 416 急停開關(guān) 紅色 417 小按鈕 紅色、綠色 418 三相吸收器 619 變壓器 220V/85V 1.5KW 2 步進驅(qū)動器電源20 380V/24V 100W 2 照明21 導線 黑色26m25m22 黃綠相間1010m 接地線23 藍色21 圈24 藍色m1 圈25 電纜 4 芯 210m26 4 芯 15m27 15 芯 屏蔽2.0線 3m28 30 芯 2.m25m29 風扇 /35W30?2 強電阻散熱30 風扇 /35W152 操作柜散熱31 熱縮管32 線號管33 電源指示燈 紅色 234 蜂鳴器 2 聲音報警35 線槽 、m650?1220m36 卡軌 L:600mm 5 固定元件(五)控制電路安裝接線圖機床外部控制電路的安裝和接線是一個重要的環(huán)節(jié)，要保障外部干擾小。我們采用了機床電氣控制柜與主機分離，同時選用了屏蔽線連接，達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械部分設(shè)計(一)設(shè)計要求1.設(shè)計基本思路改造 C616 車床的基本思路是把原來的機床進行大修，只保留機床導軌、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電機，用數(shù)控系統(tǒng)來驅(qū)動各軸的運動。經(jīng)過嚴密的計算和論證，選擇絲杠和驅(qū)動電機，根據(jù)使用要求，選擇系統(tǒng)配置和設(shè)計控制電路，布置各傳感器。數(shù)控系統(tǒng)采用國際通用的 SIEMENS 系統(tǒng)，可靠性好，功能強大。并根據(jù)用戶的要求設(shè)計了新穎的外觀。該設(shè)備改造后取名“CK616A 數(shù)控車床” 。2.設(shè)備改造前后各項性能指標各項性能指標完全達到 JB2670-82 標準。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 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)刀架進給量范圍橫向 0.04-2.45mm縱向 0.06-3.34mmC616 改裝后的主要參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速:無級調(diào)速 10-2000r/min脈沖當量 X 軸 0.001 mmZ 軸 0.001 mm行程:X 軸 1 l ommZ 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床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有:控制主軸正反轉(zhuǎn)和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速;刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動，并具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具:冷卻泵、潤滑泵的啟停 ;加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個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，確定總體改造方案為:①對機床的改造部位是 :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 SIEMENS802S 數(shù)控系統(tǒng):③ 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。由于改造設(shè)計的是簡易型經(jīng)濟數(shù)控，所以在考慮具體方一案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減小改動量，以降低成本?？傮w改造如圖 4-1 所示。圖 4-1 總體改造方案對該機床進行機械修理以便恢復機械精度要求，修理的主要目的是恢復機床導軌、主軸、拖板的精度，撤除機床主軸箱和溜板箱內(nèi)的傳動部件以及傳動絲杠，只保留導軌、主軸、溜板、尾座。修理后己恢復其主要部件的精度。1.設(shè)計目的利用數(shù)控系統(tǒng)對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向脈沖當量為0.006mm/脈沖，橫向脈沖為 0.004mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電動機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，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)計由于是經(jīng)濟型數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機床的改動盡可能少，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)濟型數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理。步進電動機經(jīng)同步帶輪傳動或直接傳動后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動。主軸變速采用變頻器調(diào)速控制。(三)傳動系統(tǒng)改裝設(shè)計與計算1.縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計如圖 4-2圖 4-2 縱向進給系統(tǒng)裝配圖2.縱向進給系統(tǒng)的計算己知條件:工作臺重量:W = 80Kg=800N時間常數(shù):T=25ms滾珠絲杠導程:L=6mm行程:S=650mm脈沖當量: PmP06.??步距角: 3?快速進給速度:Vmax =2m/min1.切削力計算由>可知，切削功率為 KWKPC496.2.0654????又因為 Pc = FzV/6120所以 Fz =6120Pc/V 取 V=100M/min，則主切削力Fz=6120*2.496/100=152.76kg=1527.6N由>可知，主切削力 FZYXPFZKfaCz?查有關(guān)手冊得 Cfz=188kg/mm2=1880Mpa, Xfz=1 ,Yfz=0.75,Kfz=1從《機床設(shè)計手冊>>中可得知，在一般車削外圓時ZxF)6.0~1(?ZyF)7.0~15.(?取 x5Z6則 Nx 8.73.2.? Ny 5.916.2.??2.滾珠絲杠設(shè)計與計算綜合導軌車床絲杠的軸向工作負載采用下面公式計算)(WFfKPZx??N8.1250)6.1527(.0876315. ????1)強度計算(滾珠絲杠)壽命值 L=60nT/1000000DLvfLfn?/10/?主=1000*100*0. 3/ (3.14*80*6)=20r/minL=60*20*15000/1000000=18000000r最大動負載 PfLCw3?8.1250.8?N69選用 FCIB32X6-5-E2 滾珠絲杠，其額定動負荷為 10689N，與上面計算結(jié)果相比，強度足夠。2)效率計算根據(jù)機械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率為 953.0)1253()( ''0'0?????tgttg???3)剛度驗算滾珠絲杠在工作負載作用下的變形量??14.3)2/80.(206.815/01 ?????EFPLcm69.??因扭矩 M 引起的導程變形量△L2 很小，可忽略，即△L= Ll。所以?絲杠長度為 1000mm 時，導程變形總誤差為 mEL/8.960.51010???????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)定性驗算由于機床原絲杠直徑為 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.齒輪及轉(zhuǎn)矩的計算采用同步帶輪1)有關(guān)帶輪計算傳動比 163.0/.36/360????Lip??取 (帶輪壁厚)21?Z2mb28Dd.4.5.94.2)轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 WJ21)80(????80)75.1436.2??2.7cmNckg?絲杠的轉(zhuǎn)動慣量: 244 .1789.02.318.7108. cmkgLDJS ????2.9c?帶輪的轉(zhuǎn)動慣量: 244421 .9578.260.18.7108.7 cNLJZ ???????電動機轉(zhuǎn)動慣量很小，忽略不計?？偟霓D(zhuǎn)動慣量 J 為 )957.2.81()(2122 ?????iJZS.59.0495cmkgcN 3)所需轉(zhuǎn)動力距計算快速空載啟動時所需力距 M=Mamax+Mf+Mo最大切削負載時所需力距 M=Mat+Mf+Mo+Mt快速進給時所需力距 M=Mf 十 Mo式中 Mamax 一空載啟動時折算到電動機軸上的加速度力矩;Mf 一折算到電動機軸上的摩擦力距;M。一由于絲杠預緊所引起，折算到電動機軸上的附加摩擦力矩Mat 一切削時折算到電動機軸上的加速度力矩;Mt 一折算到電動機軸上的切削負載力矩。 TJnla6.9?則min3.120mx rLiV?? cmkgM .1923.)05.69(5.. 4aa ????當 n= 時( 為切削時電動機轉(zhuǎn)速)，Ma= Mat 又因為tnt in.)16804.3(1)14.3(0 riLDvfLift ????主則 at cmkgNTJn .78.0.)25.9(10.596.0441 ??????cmkgiwLfM .21.8.).32(.8.20' ???? ckgP .57.0.5014.9016.73)1( )0 ?????? cNiFxt 92.(8.0快速空載啟動時所需力距M=Mamax+Mf+Mo=13.1923+1.528+0.5777=15.298kg.cm最大切削負載時所需力距M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.787+1.528+0.5777+9.122=12.0147kg.cm快速進給時所需力距M=Mf+Mo=1.528+0.5777=2.1057kg.cm由以上分析計算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時:Mmax=15.298kg.cm=152.98N.cm3.橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算1 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計(如圖 4-3) 圖 4-3 橫向進給系統(tǒng)圖2 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算己知條件:工作臺重量 W =3Okg=300N時間常數(shù) T=25ms滾珠絲杠導程 L=4mm 左旋,行程 S=200mm脈沖當量: =0.004mm/PP?步距角: 036.??快速進給速度:Vmax= lm/min3.切削力計算橫向進給量為縱向的 1/2 ,1/3，取 1/2，則切削力約為縱向的 1/20Fz=1/2*152.76=76.38kg=763.8N在切斷工件時:Fy=0.5 Fz=0.5*76.38=38.19kg=381.9N4.滾珠絲杠設(shè)計計算1)強度計算對于燕尾型導軌P=KFY +f(Fz+W) =1 .4*38. 19+0. 2 (76.38+30) =74.74kg=747.7N壽命值:L=60NT/1000000=60*15}15000/1000000=13500000r最大動負載:NkgPfLCw 5.213.74.12.533 ???根據(jù)最大動負載 C 的值，可選擇滾珠絲杠型號為 FC1B20 4-E2D 左，?其額定動負荷為 5393N，所以強度足夠用。2)效率計算 956.0)38()( ''0'0?????tgttg???3)剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程變化量??14.3)2/7.1(24.71 ?????EFPLcm609.5???因扭矩 M 引起的導程變形量△L2 很小，可忽略，即 。所以1L??導程變形總誤差為:mL/9.14096.5110???????查表知 E 級精度絲杠允許螺距(1 米長)為 151 m/m，故剛度足夠。4)穩(wěn)定性驗算 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?、一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，故不再驗算。5)轉(zhuǎn)矩計算A.轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量WJpl 2)180(????30)75.143.2??2.08.cmkg絲杠的轉(zhuǎn)動慣量:244 .6.052108.71.7 cmkgLDJS ???????電動機轉(zhuǎn)動慣量很小，忽略不計。電動機轉(zhuǎn)動慣量很小忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動慣量2.65.024.08. ckgJSl ???B.所需轉(zhuǎn)動力距計算= Vmax/Li=1000/4*1=250r/minmaxn025.6912506..91044ax ???????TJM =0.0679N.m=0.693kg.cm當 n= 時( 為切削時電動機轉(zhuǎn)速)，Ma= Mat 又因為tnt主t?f/Li=1000vf/(3.14*D*L*i)= 1000*100*0.15/(3. 14*60*4*1) =19. 9 r/min則: NmTJnMat 054.)2.69()10.652.0(.9144 ????????=0. 055kg. cmMf= =(0.2 x 30 x 0.4 x 1) /(2 x 3.14 x 0.8) =0. 478kg. ??20'iWLfcm=0. 0468N. m ??)8.01432()9.01(4.9382)1(00 ????????iLFMy=0.193kg.cm=0.0189N.m cmkgiyt .)8.2().01(0 ??=0.298N. m快速空載啟動時所需力距M=Mmax+Mf+Mo=0.693+0.478+0.193=1.364kg.cm最大切削負載時所需力距M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.055+0.478+0.193+3.04=3.766kg. cm快速進給時所需力距M=Mf+Mo=0.478+0.193=0.671 kg. cm由以上分析計算可知，所需最大力矩發(fā)生在最大切削負載時:Mmax=3.766kg.cm=36.91N.cm(四)步進電動機的選擇1.縱向進給系統(tǒng)步進電動機的確定 一般啟動力距選取為Mq 取 Mq = /0.4)5.0~3(0ML?0ML= Mmax=152.9