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題 目：
CA6150車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
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指導(dǎo)教師：
摘 要
摘 要
目前，我國(guó)擁有300多萬臺(tái)機(jī)床，是生產(chǎn)和使用機(jī)床最多的國(guó)家之一, 但現(xiàn)有機(jī)床大多數(shù)服役年齡較長(zhǎng).大都是多年來生產(chǎn)積累的通用機(jī)床，設(shè)備陳舊落后.柔性和自動(dòng)化程度低。要想在短時(shí)期內(nèi)大量地更新現(xiàn)有設(shè)備，無論從資金還是國(guó)內(nèi)機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都很難做到。對(duì)于機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造投資少，見效快，是機(jī)械制造廠挖掘技改的一條成功之路。 對(duì)CA6150車床進(jìn)行數(shù)控化改造，使其可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件?？梢詫?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。加工零件的精度高，尺寸分散度小，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。降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力，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。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。由于數(shù)控機(jī)床具有自動(dòng)化程度高加工精度高,質(zhì)量穩(wěn)定,便于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化等特點(diǎn).數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來越普及,也是制造業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì).如果全部淘汰舊機(jī)床而采用新的數(shù)控機(jī)床不僅所需資金太大,而且會(huì)造成原有設(shè)備的閑置和浪費(fèi). 我國(guó)的再制造技術(shù)研究起步較晚.迫切需要大力發(fā)展,即能充分利用原有的舊設(shè)備資源,減少浪費(fèi)又能夠以較小的代價(jià)獲得性能先進(jìn)的設(shè)備,滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求.
關(guān)鍵詞 流伺服電機(jī);精度修復(fù);潤(rùn)滑;數(shù)控系統(tǒng)
教務(wù)處 第 III 頁
Abstract
Abstract
At present, China has more than 300 million Taiwan machine tools, production and use of machine tools is one of the largest, but most of the existing machine tools serving older. Mostly for the production of generic machine tools accumulation, equipment outdated. Soft and low level of automation. If in a short period of time to update the existing equipment, whether from internal funds or machine tool factory capacity will be very difficult to achieve. Numerically controlled machine tools for the transformation of the investment, effective, and is a machinery factory excavation technological transformation on the road to success. CA6150 lathe for digital technology to transform so that it can not be processed by the processing of the curve of traditional machine tools, camber and other complex components. Automated processing can be achieved, but flexible automation to increase efficiency comparable traditional machine tools 3~7 times. High-precision processing components, small size dispersion degree, have automatic warning, automatic control, automatic compensation, and many other self-regulatory functions. Reduced labor intensity of the workers, labour savings, reducing suits, thus shortening the production cycle and new product testing cycle, rapid response to market demand, and so on. In the United States, Japan, Germany, and other developed countries, the transformation of their machine tools industry as a new economic growth, business vitality, are in a golden age. As machine tools, and technical progress, the transformation is a machine tool "eternal" issue. China's machine tool industry transformation, but also from old industries to digital access to the new technology-based industries. In the United States, Japan, Germany, using digital technology to transform machine tools and production lines will have broad market, has formed a numerically controlled machine tools and production lines of the new industries. In the United States, the machine tool industry as machine tools to transform renewable industry. There are well-known companies engaged in renewable industry : Bertsche Engineering, ayton Machine Tool Company, Devlieg-Bullavd (a treasure) service groups, U.S. equipment companies. Po companies in the United States to China for the company. In Japan, the machine tool industry as machine tools modified transformation industry. Modification of the famous companies in the industry : large cove engineering group, Post 3 Machinery Company, the plane section Tian companies, engineering companies wild Miyazaki, Hamada Engineering, the engineering company hill. The digital machine with a high degree of automation for processing high accuracy, quality stability, ease of production characteristics of modern management. Numerically controlled machine tools applications growing popularity is the inevitable trend of modern manufacturing. If all out of the old machine tools and the introduction of new digital machine is not only the necessary funds, but will also cause the original equipment idle and waste. My re-manufacturing technology research started rather late. the urgent need to develop, namely the old equipment to fully utilize existing resources, reduce waste and the costs can be advanced to the smaller equipment to meet the requirements of modern production.
Keywords Electrical exchange ；servo;Precision repair ；Lubricant ；Digital systems
目 錄
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第 1 章 設(shè)計(jì)方案的論證 3
1.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 3
1.2 滾珠絲杠螺母副與電機(jī)的連接 3
第 2 章 機(jī)械部分的改造 5
2.1 對(duì)機(jī)床進(jìn)行恢復(fù)精度 5
2.2 X向滾珠絲杠副和伺服電機(jī)的選擇和計(jì)算 5
2.2.1 滾珠絲杠副支撐方式的選擇 5
2.2.2 精度選擇 6
2.2.3 絲杠導(dǎo)程P的確定 6
2.2.4 根據(jù)類比法初步確定絲杠規(guī)格 6
2.2.5 承載能力校核 6
2.2.5.1 切削力的計(jì)算 7
2.2.5.2 摩擦阻力F1的計(jì)算 7
2.2.5.3 承載能力校核 8
2.2.6 交流伺服電機(jī)選擇計(jì)算 8
2.2.6.1 加減速時(shí)扭矩初步確定伺服電機(jī)型號(hào) 9
2.2.6.2 最高轉(zhuǎn)速校核 10
2.2.6.3 電機(jī)軸上的負(fù)載慣量校核 11
2.3 Z向滾珠絲杠副和伺服電機(jī)的選擇和計(jì)算 11
2.3.1 滾珠絲杠副支撐方式的選擇 11
2.3.2 精度選擇 11
2.3.3 絲杠導(dǎo)程P的確定 11
2.3.4 根據(jù)類比法初步確定絲杠規(guī)格 12
2.3.5 承載能力校核 12
2.3.5.1 摩擦阻力F1的計(jì)算 12
2.3.5.2 承載能力校核 12
2.3.5.3 壓桿穩(wěn)定性校核 13
2.3.5.4 絲杠剛度的校核 14
2.3.6 交流伺服電機(jī)選擇計(jì)算 14
2.3.6.1 加減速時(shí)扭矩初步確定伺服電機(jī)型號(hào) 14
2.3.6.2 最高轉(zhuǎn)速校核 15
2.3.6.3 電機(jī)軸上的負(fù)載慣量校核 16
2.4 溜板箱縱橫向滾珠絲杠和導(dǎo)軌潤(rùn)滑 16
2.5 通過從廠家所得到的技術(shù)資料畫縱向和橫向滾珠絲杠裝配圖 16
2.5.1 X向和Z向滾珠絲杠裝配圖的設(shè)計(jì)過程 16
2.6 主軸箱和拖板箱的改造 17
2.7 安全防護(hù) 17
第 3 章 數(shù)控系統(tǒng)的加裝 18
3.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 18
3.1.1 趨勢(shì)之一：數(shù)控系統(tǒng)向開放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展 18
3.1.2 趨勢(shì)之二：數(shù)控系統(tǒng)向軟數(shù)控方向發(fā)展 18
3.1.3 趨勢(shì)之三：數(shù)控系統(tǒng)控制性能向智能化方向發(fā)展 19
3.1.4 趨勢(shì)之四：數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 19
3.1.5 趨勢(shì)之五：數(shù)控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展 20
3.1.6 趨勢(shì)之六：數(shù)控系統(tǒng)向復(fù)合化方向發(fā)展 20
3.1.7 趨勢(shì)之七：數(shù)控系統(tǒng)向多軸聯(lián)動(dòng)化方向發(fā)展 21
3.2 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車床數(shù)控系統(tǒng)的選擇 21
3.3 北京航天數(shù)控系統(tǒng)有限公司最新推出的CASNUC2100E數(shù)控系統(tǒng)的性能 22
3.3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 22
3.3.2 系統(tǒng)特點(diǎn) 22
3.3.3 系統(tǒng)性能 22
3.3.4 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 23
3.4 數(shù)控自動(dòng)換刀刀架的選擇 24
3.5 電器原理圖 24
第 4 章 結(jié)論 26
參考文獻(xiàn) 27
致 謝 28
附錄1 29
教務(wù)處 第 42 頁
畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）用 紙
第 1 章 設(shè)計(jì)方案的論證
1.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
方案1 步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)
該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的位移量、速度和運(yùn)動(dòng)方向。這種系統(tǒng)不需要將所測(cè)得的實(shí)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(dòng)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(jiǎn)單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
方案2 交/直流伺服電機(jī)拖動(dòng)，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(cè)元件安裝在中間傳動(dòng)件上，間接測(cè)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(jiǎn)單。在將角位移檢測(cè)元件與速度檢測(cè)元件和伺服電機(jī)作成一個(gè)整體時(shí)則無需考慮位置檢測(cè)裝置的安裝問題。
根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到較高的精度，快速定位X 軸 5m/min ,Z軸 10m/min最小移動(dòng)單位X 軸0.0005mm , Z軸0.001mm，并且，直流伺服電機(jī)有電刷和換向器，必須定期的維修，而交流伺服電機(jī)采用全封閉無刷機(jī)構(gòu)，不需要定期的維修，交流伺服電機(jī)比直流伺服電機(jī)有更優(yōu)越的性能.得到越來越廣泛的應(yīng)用。所以，方案3比較合適。
1.2 滾珠絲杠螺母副與電機(jī)的連接
方案1 采用齒輪連接
這種方法可以降低絲杠工作臺(tái)在系統(tǒng)中所占的比重，提高進(jìn)給系統(tǒng)的快速性?？衫盟欧姍C(jī)高速底轉(zhuǎn)矩的特性。在開環(huán)系統(tǒng)中還起到機(jī)械和電器的匹配作用。但是，傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單降低傳動(dòng)效率增加噪聲。傳動(dòng)級(jí)數(shù)的增加必將帶來傳動(dòng)部件間隙和摩擦的增加，從而影響進(jìn)給系統(tǒng)的性能。傳動(dòng)齒輪副的存在，在開環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中，將影響加工精度。
方案2 采用連軸器連接直接連接
這是一種最簡(jiǎn)單的連接，這種形式具有扭轉(zhuǎn)剛度。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本身無間隙。傳動(dòng)精度。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。安裝方便。在輸出扭矩要求在15-40Nm左右的中小型機(jī)床或高速加工機(jī)床中非常普遍。
綜上所素，由于CA6150車床屬于中小型機(jī)床，控制系統(tǒng)采用半閉環(huán)，為了提高機(jī)床精度方案2 較合適。
第 2 章 機(jī)械部分的改造
2.1 對(duì)機(jī)床進(jìn)行恢復(fù)精度
機(jī)床經(jīng)長(zhǎng)期使用后，會(huì)不同程度地在機(jī)械、液壓、潤(rùn)滑、清潔等方面存在缺陷，所以首先要進(jìn)行全面保養(yǎng)。更換主軸的齒輪和軸承。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外成品數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌采用淬硬的合金鋼材料，其耐磨性比普通鑄鐵導(dǎo)軌高5至10倍。據(jù)此，在改造中利用CA6150車床舊床身，采用GCR15軸承鋼淬硬到HRC56-62制成對(duì)稱三角行導(dǎo)軌和矩形導(dǎo)軌，對(duì)稱三角行導(dǎo)軌在垂直載荷的作用下，磨損能自動(dòng)補(bǔ)償，不產(chǎn)生間隙，故導(dǎo)向精度高。壓板還有間歇調(diào)整裝置。矩形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造檢驗(yàn)和修理方便，導(dǎo)軌較寬，承載能力大，剛度高，應(yīng)用廣泛。三角行導(dǎo)軌和矩形導(dǎo)軌組合它間有兩種導(dǎo)軌優(yōu)點(diǎn)，并避免了由于熱變形所引起的配合變化。用螺釘和粘劑固定在鑄鐵床身上。粘接前的導(dǎo)軌工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接強(qiáng)度。最后，應(yīng)對(duì)機(jī)床作一次改前的幾何精度、尺寸精度測(cè)量，記錄在案。
2.2 X向滾珠絲杠副和伺服電機(jī)的選擇和計(jì)算
2.2.1 滾珠絲杠副支撐方式的選擇
X向選擇固定---自由式，如圖2.1。
圖2.1 X向支撐方式
單列圓錐滾子軸承這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝與調(diào)整性能也好。所以X向固定端選擇一對(duì)單列圓錐滾子軸承。
2.2.2 精度選擇
滾珠絲杠的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度,在滾珠絲杠精度參數(shù)中,其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度影響最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300mm行程變動(dòng)量V300p應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定位的定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。初選X向三級(jí)。
2.2.3 絲杠導(dǎo)程P的確定
絲杠導(dǎo)程的選擇一般根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)快速進(jìn)給的最高速度為Vmax、伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速Nmax、及電機(jī)與絲杠的傳動(dòng)比i來確定,基本絲杠導(dǎo)程應(yīng)滿足式2.1為:
P…………………………………………………………………………………（2.1）
式中： Vmax=5000mm/min
nmax=3000r/min i=1
P=5000/3000=1.7mm車床改造中取P＝4，5，6，8。
所以取P=4mm
2.2.4 根據(jù)類比法初步確定絲杠規(guī)格
關(guān)于根據(jù)類比法：L1=L2*K
式中 L1—新選滾珠絲杠公稱直徑mm
L2------原機(jī)床絲杠公稱直徑25mm
K-------系數(shù)（0.6～0.9）
所以L1=25*0.8=20mm
根據(jù)工作臺(tái)X向移動(dòng)距離選滾珠絲杠的螺紋長(zhǎng) 350mm，設(shè)計(jì)需要初選滾珠絲杠總長(zhǎng)Lp=400mm。滾珠絲杠的滾珠內(nèi)循環(huán)方式時(shí)滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸較小。選用雙螺母齒差預(yù)緊式可實(shí)現(xiàn)定量調(diào)整即可進(jìn)行精密調(diào)整，使用中調(diào)整非常方便。為了使?jié)L珠絲杠副運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，延長(zhǎng)使用壽命，必須考慮充足的潤(rùn)滑條件。漢江絲杠廠已在螺母法蘭外圓上考慮了潤(rùn)滑油孔，供顧客使用。所以初選漢江絲杠廠生產(chǎn)的
HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350。
2.2.5 承載能力校核
2.2.5.1 切削力的計(jì)算
車床的用途不同，切削條件和切削用量就不同，因此切削力就不同。對(duì)于專門用途的車床改造，應(yīng)根據(jù)其切削用量按切削力計(jì)算公式計(jì)算切削力。對(duì)于變動(dòng)工作用量的車床改造，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算切削力。本車床屬于變動(dòng)工作用量的車床改造，所以用經(jīng)驗(yàn)公式2.2計(jì)算切削力，個(gè)切削力之比為公式2.3，切削力方向如圖2.2
Fc=0.67D1．5 ………………………………………………………………………………（2.2）
Fc：Ff：Fp=1:0.1:0.15…………………………………………………………………..（2.3）
式中，D為車床床身上的最大回轉(zhuǎn)直徑(mm)。
Fc為垂直向的切削力（N）
Ff為進(jìn)給方向上的分力（N）
Fp為吃刀方向上的分力（N）
圖2.2切削力方向
D=500(mm)
Fc=0.67*5001．5 = 7490.83N
Ff=0.1 Fc=0.1*7490.83=749.08N
Fp=0.15 Fc=0.15*7490.83=1123.62N
2.2.5.2 摩擦阻力F1的計(jì)算
溜板箱與導(dǎo)軌為滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)u（0.08～02）取u=0.1,因主切削力壓向?qū)к墸瑒t由式2.4得：
F1=（G+ Fc）*u………………………………………………………………………………（2.4）
式中G--工作臺(tái)質(zhì)量200kg
F1=（200*10+7490.83）*0.1=949.08N
2.2.5.3 承載能力校核
由式2.5計(jì)算絲杠的最大動(dòng)載荷Q
Q=……………………………………………………………………（2.5）
式中 L——為滾珠絲杠的壽命系數(shù)（單位為1* ）L=60NT/其中T為使用壽命時(shí)間（H）,（普通車床為5000～10000，數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)電一體化設(shè)備及裝置儀器為15000，航空機(jī)械為1000）所以取T=15000，奠基最大轉(zhuǎn)速N=3000
——為硬度系數(shù)（HRC 58時(shí)為1.0，等于55時(shí)為1.11，52.5時(shí)為1.35，50時(shí)為1.56，45時(shí)為2.40）因?yàn)镠RC=58，所以=1.0
——載荷系數(shù)（平穩(wěn)或輕沖擊時(shí)為1.0～1.2中等沖擊時(shí)為1.2～1.5，較大沖擊時(shí)為1.5～2.5）機(jī)床屬于中等沖擊所以=1.2
Q-----最大動(dòng)載荷
= Fp +F1=1123.62+949.08=2072.68N
則Q==28861.57N
根據(jù)漢江絲杠廠生產(chǎn)的HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350絲杠額定載荷=38639Q(所以滿足使用)
2.2.6 交流伺服電機(jī)選擇計(jì)算
由于交流伺服電機(jī)比直流伺服電機(jī)有更優(yōu)越的性能、得到越來越廣泛的應(yīng)用。在選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)考慮滿足以下五項(xiàng)要求。以使交流伺服電機(jī)的工作性能得以充分發(fā)揮。
2.2.6.1 加減速時(shí)扭矩初步確定伺服電機(jī)型號(hào)
(1) 求等效到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
采用最不利于機(jī)床啟動(dòng)時(shí)速度，這里選用快速定位速度
= 5m/min，=3000r/min，=200kg
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=Lp*=7.8**40*=0.5（kg）=0.5*（kg）
設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=0.64*（kg）
則等效到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
=*200*(5/3000)+ +=1.29*（kg）
(2) 絲杠摩擦阻力矩的計(jì)算。
由于絲杠承受軸向載荷，又由于采取了一定的預(yù)緊措施，故滾珠絲杠會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力矩。但由于滾珠絲杠的效率高，其摩擦阻力矩相對(duì)于其他負(fù)載力矩小的多，故一般不與考慮。
(3) 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
===0.34(Nm)
(4)啟動(dòng)慣性阻力矩T的計(jì)算。
以最不利于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的快進(jìn)速度計(jì)算，設(shè)啟動(dòng)加速或制動(dòng)時(shí)間為△t=0.3s電機(jī)轉(zhuǎn)速,取加速曲線為等加（減）速梯形曲線，故角加速度為
……………………………………………………………………………………（2.6）
=314（1/s）
=1046.67（1/）
T==1.29**1046.67=0.14(Nm)
(5) 電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
=T+……………………………………………………………………………（2.7）=0.34+0.14=0.48(Nm)
(6)上述計(jì)算均沒考慮機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，并且在車削時(shí)，由于材料的不均勻等因素的影響，會(huì)引起負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大，為避免計(jì)算上的誤差以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大等引起加工誤差，可以適當(dāng)考慮安全系數(shù)。安全系數(shù)一般在1.2-2之間選取，取安全系數(shù)K=1.5，選擇機(jī)械傳動(dòng)總效率=0.7時(shí)
=K/=1.5*0.48/0.7=1.03
初選三菱公司生產(chǎn)的HC-KFS系列交流伺服電機(jī)43（BG）型號(hào)(與之相配的伺服放大器型號(hào)MR-J2S-40A/B)其額定轉(zhuǎn)矩為1.3(Nm)大于，所以滿足要求。
2.2.6.2 最高轉(zhuǎn)速校核
快速行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速必須嚴(yán)格限制在電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速之內(nèi)。
*…………………………………………………………………………（2.8）
式中 N max ——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速, r/min
N ————快速行程中電機(jī)轉(zhuǎn)速, r/min
V m ————工作臺(tái)(或刀架) 快速行程速度, m/min
i—— ——系統(tǒng)傳動(dòng)比, i= N 電機(jī)/N絲杠
P ————絲杠螺距,mm
N max= 3000， V m =5，i=1， P=4
N=（5/4）*=1250Nmax
所以滿足要求。
2.2.6.3 電機(jī)軸上的負(fù)載慣量校核
轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量負(fù)載慣量應(yīng)限制在2.5 倍電機(jī)慣量之內(nèi)
X向HC-KFS系列交流伺服電機(jī)43（BG）型號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=0.67*（kg）
則等效到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=1.29*（kg）
0.67**2.5 所以滿足要求。
2.3 Z向滾珠絲杠副和伺服電機(jī)的選擇和計(jì)算
2.3.1 滾珠絲杠副支撐方式的選擇
由于固定---支承適用于中等轉(zhuǎn)速、高精度。所以Z向選擇固定---支承式。如圖2.3。
圖2.3滾珠絲杠副支撐方式
Z向的固定端選擇一對(duì)單列圓錐滾子軸承。Z向支撐端選擇一個(gè)深溝球軸承。
2.3.2 精度選擇
滾珠絲杠的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度,在滾珠絲杠精度參數(shù)中,其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度影響最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300mm行程變動(dòng)量V300p應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定位的定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。初選Z向四級(jí)。
2.3.3 絲杠導(dǎo)程P的確定
絲杠導(dǎo)程的選擇一般根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)快速進(jìn)給的最高速度為Vmax、伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速Nmax、及電機(jī)與絲杠的傳動(dòng)比i來確定,基本絲杠導(dǎo)程應(yīng)滿足式2.1為:
P…………………………………………………………………………………（2.9） vmax=10000mm/min
nmax=3000r/min i=1
P=10000/3000=3.3 mm
車床改造中取P＝4，5，6，8
所以取P=4mm
N=（10/4）*=2500Nmax
所以滿足要求
2.3.4 根據(jù)類比法初步確定絲杠規(guī)格
關(guān)于根據(jù)類比法：L=L1*K
式中 L—新選滾珠絲杠公稱直徑mm
L1------原機(jī)床絲杠公稱直徑40mm
K-------系數(shù)（0.6～0.9）
所以L=40*0.8=32mm
根據(jù)工作臺(tái)X向移動(dòng)距離選滾珠絲杠的螺紋長(zhǎng)1000mm
根據(jù)設(shè)計(jì)需要初選滾珠絲杠總長(zhǎng)1200mm
所以初選漢江絲杠廠生產(chǎn)Z向HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-1000
2.3.5 承載能力校核
2.3.5.1 摩擦阻力F1的計(jì)算
溜板箱與導(dǎo)軌為滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)u（0.08～02）取u=0.1,因主切削力壓向?qū)к?，則由式2.4得：
F1=（G+ Fc）*u………………………………………………………………………………（2.11）
F1=（G+ Fc）*u=（400*10+7490.83）*0.1=1149.08N
2.3.5.2 承載能力校核
由式2.12計(jì)算絲杠的最大動(dòng)載荷Q
Q=……………………………………………………………………（2.12）
式中L=60NT/,取T=15000，N=3000；=1.0，=1.2，
= Ff +F1=749.08+1149.08=1898.16N
則Q==31889.09 N
根據(jù)漢江絲杠廠生產(chǎn)的HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-1000
絲杠額定載荷=60803Q(所以滿足使用)
2.3.5.3 壓桿穩(wěn)定性校核
軸向固定的長(zhǎng)絲杠在承受壓縮負(fù)載時(shí),應(yīng)校核其壓桿穩(wěn)定性,Z向是長(zhǎng)絲杠，所以需要校核。臨界壓縮載荷按下式進(jìn)行校核計(jì)算:
式中:E為絲杠材料的彈性模量;
I為最小慣性截面矩
為壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)如表2.1
固定——固定
4
固定——支承
2
支承——支承
1
固定——自由
0.25
表2.1 穩(wěn)定的支撐系數(shù)
實(shí)際承受載荷能力
如果時(shí)會(huì)使死杠失去穩(wěn)定易發(fā)生翹曲。
式中 =2，E=2.1*Pa，I= ==3.83（）
取K=4，L=120cm
則=2.51*N(所以滿足使用)
2.3.5.4 絲杠剛度的校核
滾珠絲杠在軸向力的作用下產(chǎn)生拉伸或壓縮。在扭矩的作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，這將引起絲杠導(dǎo)程的變化，從而影響其傳動(dòng)精度及定位精度，因此滾珠絲杠應(yīng)演算滿載時(shí)的變形量。滾珠絲杠在工作負(fù)載P和扭矩M的作用下引起那種每一導(dǎo)程的變化量ΔL為：
ΔL=…………………………………………………………………………（2.12）式中 導(dǎo)程=0.4cm
鋼的彈性模量E=2.1*Pa
絲杠的最小截面積S===19.63（）
絲杠的小徑的截面積I=3.83（），
扭矩M=784，工作負(fù)載P==1898.16N
則ΔL== 0.0344um
而Z軸的最小移動(dòng)單位0.001mm 0.0344um (所以滿足使用)
2.3.6 交流伺服電機(jī)選擇計(jì)算
2.3.6.1 加減速時(shí)扭矩初步確定伺服電機(jī)型號(hào)
（1）求等效到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Z向 = 10m/min，=3000r/min，=400kg
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=7.8*3*120*=7.58（kg）=7.58*（kg）
設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=2.6*（kg）
則等效到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
=*400*(10/3000)+ +=1.13*（kg）
（2） 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
=
==1.01(Nm)
（3）啟動(dòng)慣性阻力矩T的計(jì)算。
以最不利于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的快進(jìn)速度計(jì)算，設(shè)啟動(dòng)加速或制動(dòng)時(shí)間為△t=0.3s電機(jī)轉(zhuǎn)速,取加速曲線為等加（減）速梯形曲線，故角加速度為
……………………………………………………………………………………（2.13）
=314（1/s）
=1046.67（1/）
T=*=1.13**1046.67=1.18(Nm)
（4）電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
=T+…………………………………………………………………………（2.14）
=1.01+1.18=2.19(Nm)
（5）考慮機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)效率和由于材料的不均勻等因素的影響引起負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大，情況。取安全系數(shù)K=1.5，選擇機(jī)械傳動(dòng)總效率=0.7時(shí)
=K/=1.5*2.19/0.7=4.69
初選三菱公司生產(chǎn)的HC-UFS系列交流伺服電機(jī)152（B）型號(hào) （伺服放大器型號(hào)MR-J2S-200A/B）其額定轉(zhuǎn)矩為7.16(Nm)大于所以滿足要求
2.3.6.2 最高轉(zhuǎn)速校核
Z向N max=3000， V m =10，i=1， P=4
N=（10/4）*=2500Nmax
所以滿足要求
2.3.6.3 電機(jī)軸上的負(fù)載慣量校核
轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量負(fù)載慣量應(yīng)限制在2.5 倍電機(jī)慣量之內(nèi),Z向HC-UFS系列交流伺服電機(jī)132（BG）型號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=4.2*（kg）,等效到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=1.29*（kg）,4.2**2.5 *2.5 所以滿足要求 。
2.4 溜板箱縱橫向滾珠絲杠和導(dǎo)軌潤(rùn)滑
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，所以要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤(rùn)滑。溜板箱縱橫向滾珠絲杠和導(dǎo)軌采用重慶第二機(jī)床廠生產(chǎn)的間歇式自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。
2.5 通過從廠家所得到的技術(shù)資料畫縱向和橫向滾珠絲杠裝配圖
2.5.1 X向和Z向滾珠絲杠裝配圖的設(shè)計(jì)過程
首先選擇定位基準(zhǔn)，Z向左端選擇拆除進(jìn)給箱后所露出的右側(cè)進(jìn)給箱定位銷和固定平面為新設(shè)計(jì)的電機(jī)架的的定位銷和固定平面，進(jìn)給箱后所露出的右側(cè)進(jìn)給箱固定羅紋孔為新設(shè)計(jì)的電機(jī)架的的固定羅紋孔。Z向右端選擇原絲杠右端軸承座的定位銷和固定平面為新設(shè)計(jì)軸承座的定位銷和固定平面，原絲杠右端軸承座的固定羅紋孔為新設(shè)計(jì)的軸承座的固定羅紋孔。X向選擇小拖板的前側(cè)面加工定位平面和加工定位孔為基準(zhǔn)。根據(jù)定位基準(zhǔn)進(jìn)一步確定其他尺寸。
X向裝配圖如圖2.4
Z向裝配圖如圖2.5
Z向螺母座1如圖2.6
Z向向螺母座2如圖2.7
Z向尾座支架圖如2.8
Z向電機(jī)座內(nèi)端蓋如圖2.9
X向端蓋圖如2.10
X向電機(jī)軸圖如2.11
X向定位套圖如2.12
X向電機(jī)座圖如2.13
X向螺母座圖如2.14
2.6 主軸箱和拖板箱的改造
拆除原拖板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱除固定滾珠絲杠的螺母外都不要。在主軸箱的二軸加裝主軸17位位置編碼器。將主軸正反離合器手動(dòng)剎車裝置拆除，在主軸驅(qū)動(dòng)電抗上加裝自動(dòng)剎車離合器裝置。電器系統(tǒng)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。拆除原機(jī)床操縱桿，變向杠、立軸等杠桿零件。電路連接如電器原理圖。原冷卻泵該由數(shù)控系統(tǒng)控制，如電器原理圖。
考慮車床工作臺(tái)Z向的的移動(dòng)范圍，選擇IGUS公司的E4系列拖鏈302型號(hào)。
2.7 安全防護(hù)
高效必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，是不可忽視的。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)軌接觸的兩端面密封好，防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌。并且滾珠絲杠在使用時(shí)，也要防止螺母脫離絲杠表面，因?yàn)槁菽敢坏┟撾x滾珠將散落，此時(shí)滾珠絲杠副不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起設(shè)備事故，因此在主機(jī)上必須配置防止螺母脫出的超程保護(hù)裝置，為了保障機(jī)床的運(yùn)行安全,機(jī)床的X向和Z向運(yùn)動(dòng)通常設(shè)置有軟限位（參數(shù)設(shè)定限位）和硬限位（行程開關(guān)限位）兩道保護(hù)“防線”。 軟限位由選擇的數(shù)空系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定限位，硬限位在X向和Z向分別裝一對(duì)行程開關(guān)，電路連接如電路圖。
第 3 章 數(shù)控系統(tǒng)的加裝
3.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
從1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出第一臺(tái)試驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)，到現(xiàn)在已走過了半個(gè)世紀(jì)歷程。隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今的數(shù)控系統(tǒng)功能已經(jīng)非常強(qiáng)大，與此同時(shí)加工技術(shù)以及一些其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步提出了新的要求。
3.1.1 趨勢(shì)之一：數(shù)控系統(tǒng)向開放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展
20世紀(jì)90年代以來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)數(shù)控技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機(jī)豐富的軟、硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性，并可以較容易的實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。近幾年許多國(guó)家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國(guó)科學(xué)制造中心(NCMS)與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)的“下一代工作站/機(jī)床控制器體系結(jié)構(gòu)”NGC，歐共體的“自動(dòng)化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)”O(jiān)SACA，日本的OSEC計(jì)劃等。開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機(jī)技術(shù)，使編程、操作以及技術(shù)升級(jí)和更新變得更加簡(jiǎn)單快捷。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對(duì)外開放的，數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據(jù)這些開放的資源進(jìn)行的系統(tǒng)集成，同時(shí)它也為用戶根據(jù)實(shí)際需要靈活配置數(shù)控系統(tǒng)帶來極大方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。同時(shí)，這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級(jí)而升級(jí)，而結(jié)構(gòu)可以保持不變。
3.1.2 趨勢(shì)之二：數(shù)控系統(tǒng)向軟數(shù)控方向發(fā)展
現(xiàn)在，實(shí)際用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控系統(tǒng)主要有以下四種類型，分別代表了數(shù)控技術(shù)的不同發(fā)展階段，對(duì)不同類型的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)不但從封閉體系結(jié)構(gòu)向開放體系結(jié)構(gòu)發(fā)展，而且正在從硬數(shù)控向軟數(shù)控方向發(fā)展的趨勢(shì)。
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC 0系統(tǒng)、MITSUBISHI M50系統(tǒng)、SINUMERIK 810M/T/G系統(tǒng)等。這是一種專用的封閉體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。目前，這類系統(tǒng)還是占領(lǐng)了制造業(yè)的大部分市場(chǎng)。但由于開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)正在受到挑戰(zhàn)，已逐漸減小。
“PC嵌入NC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC18i、16i系統(tǒng)、SINUMERIK 840D系統(tǒng)、Num1060系統(tǒng)、AB 9/360等數(shù)控系統(tǒng)。這是一些數(shù)控系統(tǒng)制造商將多年來積累的數(shù)控軟件技術(shù)和當(dāng)今計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源相結(jié)合開發(fā)的產(chǎn)品。它具有一定的開放性，但由于它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大，價(jià)格昂貴。
“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng) 它由開放體系結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制卡和PC機(jī)共同構(gòu)成。這種運(yùn)動(dòng)控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制能力。它本身就是一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨(dú)使用。它開放的函數(shù)庫供用戶在WINDOWS平臺(tái)下自行開發(fā)構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種開放結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制卡被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化控制各個(gè)領(lǐng)域。如美國(guó)Delta Tau公司用PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)造的PMAC-NC數(shù)控系統(tǒng)、日本MAZAK公司用三菱電機(jī)的MELDASMAGIC 64構(gòu)造的MAZATROL 640 CNC等。
SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng) 這是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。就像計(jì)算機(jī)中可以安裝各種品牌的聲卡和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣。用戶可以在WINDOWS NT平臺(tái)上，利用開放的CNC內(nèi)核，開發(fā)所需的各種功能，構(gòu)成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)，與前幾種數(shù)控系統(tǒng)相比，SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價(jià)格比，因而最有生命力。通過軟件智能替代復(fù)雜的硬件，正在成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)。其典型產(chǎn)品有美國(guó)MDSI公司的Open CNC、德國(guó)Power Automation公司的PA8000 NT等。
3.1.3 趨勢(shì)之三：數(shù)控系統(tǒng)控制性能向智能化方向發(fā)展
智能化是21世紀(jì)制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大方向。隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，不但具有自動(dòng)編程、前饋控制、模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、三維刀具補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ?，而且人機(jī)界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動(dòng)和智能化進(jìn)給伺服裝置，能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載并自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。
世界上正在進(jìn)行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數(shù)控裝置研究會(huì)針對(duì)鉆削的智能加工方案具有代表性。
3.1.4 趨勢(shì)之四：數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展
數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，主要指數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控系統(tǒng)一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂Internet/Intranet技術(shù)。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又稱“e-制造”，是機(jī)械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，也是國(guó)際先進(jìn)機(jī)床制造商當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)配置的供貨方式。隨著信息化技術(shù)的大量采用，越來越多的國(guó)內(nèi)用戶在進(jìn)口數(shù)控機(jī)床時(shí)要求具有遠(yuǎn)程通訊服務(wù)等功能。
數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)一步促進(jìn)了柔性自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨(dú)立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，同時(shí)注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓、完善，數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。
3.1.5 趨勢(shì)之五：數(shù)控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展
隨著數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的日趨廣泛，數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商追求的目標(biāo)。對(duì)于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時(shí)內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率在P(t)＝99%以上，則數(shù)控機(jī)床的平均無故障運(yùn)行時(shí)間MTBF就必須大于3000小時(shí)。我們只對(duì)某一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，如主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10:1(數(shù)控的可靠比主機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí))。此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時(shí)，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動(dòng)等的MTBF就必須大于10萬小時(shí)。如果對(duì)整條生產(chǎn)線而言，可靠性要求還要更高。
當(dāng)前國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6000小時(shí)以上，驅(qū)動(dòng)裝置達(dá)30000小時(shí)以上，但是，可以看到距理想的目標(biāo)還有差距。
3.1.6 趨勢(shì)之六：數(shù)控系統(tǒng)向復(fù)合化方向發(fā)展
在零件加工過程中有大量的無用時(shí)間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時(shí)間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺(tái)機(jī)床上，因此，復(fù)合功能的機(jī)床成為近年來發(fā)展很快的機(jī)種。
柔性制造范疇的機(jī)床復(fù)合加工概念是指將工件一次裝夾后，機(jī)床便能按照數(shù)控加工程序，自動(dòng)進(jìn)行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個(gè)復(fù)雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種加工工序。
普通的數(shù)控系統(tǒng)軟件針對(duì)不同類型的機(jī)床使用不同的軟件版本，比如Siemens的810M系統(tǒng)和802D系統(tǒng)就有車床版本和銑床版本之分。復(fù)合化的要求促使數(shù)控系統(tǒng)功能的整合。目前，主流的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)商都能提供高性能的復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。
3.1.7 趨勢(shì)之七：數(shù)控系統(tǒng)向多軸聯(lián)動(dòng)化方向發(fā)展
由于在加工自由曲面時(shí)，3軸聯(lián)動(dòng)控制的機(jī)床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削，進(jìn)而對(duì)工件的加工質(zhì)量造成破壞性影響，而5軸聯(lián)動(dòng)控制對(duì)球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡(jiǎn)單，并且能使球頭銑刀在銑削3維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系統(tǒng)開發(fā)商不遺余力地開發(fā)5軸、6軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，隨著5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的成熟和日益普及，5軸聯(lián)動(dòng)控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)開發(fā)熱點(diǎn)。
最近，國(guó)外主要的系統(tǒng)開發(fā)商在6軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究上已經(jīng)取得和很大進(jìn)展，在6軸聯(lián)動(dòng)加工中心上可以使用非旋轉(zhuǎn)刀具加工任意形狀的三維曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一時(shí)尚難實(shí)用化。
電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)的發(fā)展使新一代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)水平大大提高，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也促進(jìn)了現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床性能在高速度、高精度、高可靠性和復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化、綠色化方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步?，F(xiàn)代制造業(yè)正在迎來一場(chǎng)新的技術(shù)革命。
3.2 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車床數(shù)控系統(tǒng)的選擇
?針對(duì)某臺(tái)或某幾臺(tái)機(jī)床，確定它的環(huán)境、溫度、濕度、灰塵、電源、光線，甚至有否鼠害等外界使用條件，這對(duì)選擇電氣系統(tǒng)的防護(hù)性能、抗干擾性能、自冷卻性能、空氣過濾性能等可提供正確的依據(jù)，使改造后的電氣系統(tǒng)有了可靠的使用保證。當(dāng)然，電氣系統(tǒng)的選擇必須考慮成熟產(chǎn)品，性能合理、實(shí)用，有備件及維修支持，功能滿足當(dāng)前和今后若干年內(nèi)的發(fā)展要求等。當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國(guó)外著名公司的如德國(guó)SIEMENS公司、日本FANUC公司，；國(guó)內(nèi)公司如中國(guó)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(guó)家工程研究中心。 選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)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(dòng)電機(jī)的功率和用戶的要求。
考慮選擇的是三菱公司生產(chǎn)的交流伺服電機(jī)和伺服放大器，交流伺服電機(jī)拖動(dòng)，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。改造后機(jī)床要達(dá)快速定位X 軸 5m/min ,Z軸 10m/min最小移動(dòng)單位X 軸0.0005mm , Z軸0.001m，選用了數(shù)控自動(dòng)換刀刀架. 冷卻泵由數(shù)控系統(tǒng)控制，數(shù)控系統(tǒng)控制主軸正反轉(zhuǎn)。采用國(guó)際通用碼進(jìn)行數(shù)控編程。
所以選用北京航天數(shù)控系統(tǒng)有限公司最新推出的CASNUC2100E數(shù)控系統(tǒng)。
3.3 北京航天數(shù)控系統(tǒng)有限公司最新推出的CASNUC2100E數(shù)控系統(tǒng)的性能
3.3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
北京航天數(shù)控系統(tǒng)有限公司最新推出的CASNUC2100E數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)將PC104板嵌入到控制系統(tǒng)中的一體化的車床閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將控制系統(tǒng)、顯示面板、操作面板集于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝；彩色LCD顯示，具有功能全面、性能可靠、連接簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。CASNUC 2100e數(shù)控系統(tǒng)適用于車床、銑床、鉆床、磨床等4軸以下的機(jī)械設(shè)備控制。
3.3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)
1、一體化
CASNUC 2100e數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)將PC104 板嵌入到控制系統(tǒng)中的一體化車/銑床數(shù)控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)、顯示面板、操作面板集于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝。
2 、高可靠性
系統(tǒng)采用的PC104 板具有板載表貼內(nèi)存、低功耗、不使用風(fēng)扇等特點(diǎn)，將PC104 板嵌入到控制系統(tǒng)中減少了很多連接環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，具有良好的電磁兼容、抗串?dāng)_能力設(shè)計(jì)。
3 、操作簡(jiǎn)單
系統(tǒng)采用中文菜單，人性化界面；參數(shù)界面帶有中文提示，中文報(bào)警提示，操作面板按鍵中文標(biāo)識(shí)，使其操作更加簡(jiǎn)單、方便等。
3.3.3 系統(tǒng)性能
1、控制軸數(shù)：系統(tǒng)最多可控制4個(gè)軸（含主軸）。
2 、聯(lián)動(dòng)軸數(shù)：系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)：2~4 軸。
3 、主軸控制：可連接主軸伺服、變頻器。
4 、顯示部件： 彩色LCD 顯示
5 、鍵盤：微機(jī)兼容防水鍵盤（字母、數(shù)字）
6 、手輪/手持盒：一個(gè)與手持器共用的手輪接口和8 個(gè)輸入點(diǎn)的手持盒（選件）。
7 、輸入、輸出控制：20 路輸入點(diǎn)、11 路輸出點(diǎn)（標(biāo)準(zhǔn)配置）。最大32 路輸入點(diǎn)、最大 24 路輸出點(diǎn)（選件）。
8 、存儲(chǔ)器控制： 14MByte（標(biāo)配）；最大可選配：256Mbit Byte
9 、通訊：RS-232 通訊最高速度115200 bit/s。
3.3.4 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1.控制軸數(shù)：3 軸+主軸
2.同時(shí)控制軸數(shù)：3 軸
3.最小輸入增量：0.001mm
4.最大編程尺寸：0 至±99999.999mm
5.編程格式：ISO 標(biāo)準(zhǔn)格式，可絕對(duì)值，增量值編程
6.快速速率：24000mm/分
7.進(jìn)給速度范圍：1～24000mm/分
8.加減速類型：直線型加減速
9.插補(bǔ)類型：（1）直線型插補(bǔ)（2）圓弧插補(bǔ)（自動(dòng)過象限）
10.加工程序輸入：（1）鍵盤輸入；（2）RS232 接口
11.顯示方式：LCD 彩色顯示
12.輔助功能：（1）S：4 位數(shù)（2）M：2 位數(shù)（3）T：2 位數(shù)
13.用戶程序區(qū)容量：14M Byte，如果使用硬盤，容量可以擴(kuò)大256Mbit Byte
14.進(jìn)給倍率
15.手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給、手輪進(jìn)給、手動(dòng)增量進(jìn)給
16.程序編程：輸入、檢索、修改、拷貝、插入、刪除等功能
17.調(diào)用用戶子程序
18.手動(dòng)返回機(jī)床參考點(diǎn)
19.單程序段執(zhí)行
20.跳選程序段執(zhí)行
21.存貯程序及參數(shù)斷電保護(hù)
22.程序復(fù)制、改名、刪除等功能
23.系統(tǒng)定時(shí)功能實(shí)時(shí)時(shí)鐘
24.機(jī)床輔助操作（機(jī)床