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小型機(jī)床的數(shù)控改造 附錄 1 外文文獻(xiàn) 9 49 附錄 2 中文翻譯 1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢 數(shù)控機(jī)床改造 1946 年誕生了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。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(jì)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(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。 1.1 數(shù)控（NC）階段（1952～1970 年） 早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段歷經(jīng)了三代，即 1952 年的第一代--電子管；1959 年的第二代 --晶體管；1965 年的第三代--小規(guī)模集成電路。 1.2 計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970 年～現(xiàn)在） 到 1970 年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的"通用" 兩個(gè)字省略了）。到 1971 年，美國 INTEL 公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件--運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱 CPU）。 到 1974 年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)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(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。 到了 1990 年，PC 機(jī)的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于 PC 的階段。 總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即 1970 年的第四代--小型計(jì)算機(jī)；1974 年的第五代--微處理器和 1990 年的第六代--基于 PC（也就是為 PC-BASED）。 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(diǎn)，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(jì)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(yùn)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(yàn)，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(yùn)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(jì)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(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實(shí)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(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 2.1.5 擁有自動報(bào)警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)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(gè)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(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(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)。 3 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺 3.1 數(shù)控改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等國家，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(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。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。。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。 3.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)： 其一是恢復(fù)原功能，對機(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?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)， 在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。 3.3 數(shù)控化改造的優(yōu)缺 3.3.1 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(fèi)用，改造費(fèi)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(fèi)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(fèi)工、費(fèi)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。 3.3.2 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(jiān)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。 3.3.3 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修 購買新設(shè)備時(shí)，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(jì)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(shí)間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.3.4 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(shí)那樣需重新構(gòu)筑地基。 3.3.5 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(shí)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。 4 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(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 4.1 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(yùn)動的位移量、速度和運(yùn)動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實(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。 4.2 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(shí)際位置反饋信號，隨時(shí)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(yùn)動，直到給定位置與反饋的實(shí)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(jì)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)。 4.3 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(gè)整體時(shí)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，著名公司的如德國 SIEMENS 公司、日本FANUC 公司。 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)動電機(jī)的功率和用戶的要求。 5 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(jì)上要達(dá)到：有高的靜動態(tài)剛度；運(yùn)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(shí)應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。 5.1 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(shí)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。 5.2 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(shí)， 機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度。 5.3 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(shí)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(jì)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(jià)格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。 滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在 90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運(yùn)動時(shí)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。 5.4 安全防護(hù) 51 必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時(shí)要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動導(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。 6 數(shù)控改造幾個(gè)實(shí)例 6.1 用 SIEMENS 810M 改造 X53 銑床 2001 年，用德國西門子 810M 數(shù)控系統(tǒng)、611A 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)對公司的一臺型號為 X53 的銑床進(jìn)行 X、Y、Z 三軸數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機(jī)械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機(jī)構(gòu)。整個(gè)改造工作包括機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、PLC 程序的編制與調(diào)試、機(jī)床大修，最后是整機(jī)的安裝和調(diào)試。銑床改造后， 加工有效行程 X/Y/Z 軸分別為 880/270/280 mm ； 最大速度 X/Y/Z 軸分別為5000/1500/800 mm/min；手動速度 X/Y/Z 軸分別為 3000/1000/500 mm/min；機(jī)床加工精度達(dá)到±0.001mm。機(jī)床的三坐標(biāo)聯(lián)動可完成各種復(fù)雜曲線或曲面的加工。 6.2 用 GSK980T 和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造 C6140 車床 2004 年，GSK980T 數(shù)控系統(tǒng)、DA98 交流伺服單元及 4 工位自動刀架對電機(jī)分廠的一臺 C6140 車床 X、Z 兩軸進(jìn)行數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的兩軸在機(jī)械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機(jī)構(gòu)。整個(gè)改造工作包括機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、機(jī)床大修及整機(jī)的安裝和調(diào)試。車床改造后，加工有效行程 X/Z 軸分別為390/730 mm；最大速度 X/Z 軸分別為 1200/3000 mm/min；手動速度為 400mm/min；手動快速為 X/Z 軸分別為 1200/3000 mm/min；機(jī)床最小移動單位為 0.001mm。 6.3 用 SIEMENS 802S 改造 X53 銑床 2004 年，用德國西門子 802S 數(shù)控系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)對公司的另一臺型號為 X53 的銑床進(jìn)行 X、Y、Z 三軸數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機(jī)械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機(jī)構(gòu)。整個(gè)改造工作包括機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、機(jī)床大修，最后是整機(jī)的安裝和調(diào)試。銑床改造后，加工有效行程 X/Y/Z 軸分別為630/240/280 mm；最大速度 X/Y/Z 軸分別為 3000/1000/600 mm/min；手動進(jìn)給速度X/Y/Z 軸分別為 2000/800/500 mm/min；最小移動單位為 0.001mm。 致 謝 在這四年的學(xué)生生活中，關(guān)浩導(dǎo)師為人和善、平易近人，不僅其名下學(xué)習(xí)的學(xué)生對關(guān)老師贊嘆有加，同時(shí)在學(xué)院的廣大師生中具有良好聲譽(yù)。在過去的四年中，關(guān)老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度，熱忱的工作熱情和開放的態(tài)度對我的工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 在寫這篇文章的時(shí)候，我們和關(guān)老師互相討論過，并建立了深厚的友誼。大家熱烈的討論和建議使這篇文章可以更順利地完成。而且在生活上我們還成為了朋友，非常感謝這次的選題機(jī)會，讓我結(jié)交了不少的學(xué)習(xí)盟友這位即將走上工作崗位的我來說很有幫助，再次的感謝他們。 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告 論 文 題 目： 小 型 機(jī) 床 的 數(shù) 控 改 造學(xué) 院：專 業(yè) 、班 級：學(xué) 生 姓 名：指導(dǎo)教師（職稱） 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告要求 開題報(bào)告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)）的有效保證。為了使這項(xiàng)工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù) 1. 論文（設(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域； 2. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值； 3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問題； 2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）； 3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通過分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開題報(bào)告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1. 開題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2. 開題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會審查通過； 3. 開題報(bào)告不合格或沒有做開題報(bào)告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參加答辯； 4. 開題報(bào)告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師； 5. 開題報(bào)告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 1 一、選題依據(jù) 1. 研究領(lǐng)域 機(jī)械設(shè)計(jì)-小型機(jī)床數(shù)控改造 2. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面?？梢詫?shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動化"。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"?？蓪?shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動報(bào)警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。由以上派生的好處。如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個(gè)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。 3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 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)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。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)。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，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，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。(2) 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。 (3) 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢繼續(xù)向(1)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(diǎn)，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 10 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。(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。 (3)向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計(jì)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。 數(shù)控機(jī)床以其獨(dú)特卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異穩(wěn)定的精度、靈活敏捷多樣化的功能引起廣泛的關(guān)注，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品并向機(jī)電一體化發(fā)展的開始，成為先進(jìn)制造技術(shù)當(dāng)中的一門核心技術(shù)。數(shù)字控制系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展為數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件。目前我國的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在，高速、精密、復(fù)合、智能和綠色等幾個(gè)方面。 1、高速、高效，數(shù)控機(jī)床逐漸向高速化方向發(fā)展，它大大的提高加工效率、降低加工生產(chǎn)成本，并且還達(dá)到了提高零件的表面質(zhì)量及其加工精度。高速化的加工技術(shù)對一些企業(yè)制造業(yè)提供了更高效，優(yōu)質(zhì)，成本低生產(chǎn)比較廣泛適用性。 目前在一些發(fā)達(dá)的國家數(shù)控機(jī)床的高速運(yùn)行，其高速主軸單元，電主軸轉(zhuǎn)速可達(dá) 15000 － 100000r/min，快移速度在 60～120m/min 范圍之內(nèi)，切削進(jìn)給速度高達(dá) 60m/min、一系列高性能控制伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都有新的突破，數(shù)控機(jī)床發(fā)展到了更高的水平。 2、現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床比以前的普通車床加工的零件更加的精密，精密加工技術(shù)有了相當(dāng)大的提高，加工精度已從原來的絲級(0.01mm)提升到目前的微米級(0.001mm)， 甚至有些品種已達(dá)到 0.05μm 左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到 0.05μm 左右，形狀精度可達(dá) 0.01μm 左右。通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級超精加工時(shí)代 3、智能化，數(shù)控機(jī)床的智能化現(xiàn)在又有了新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了充分的體現(xiàn)。比如說：自動調(diào)整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機(jī)床震動等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段等等，數(shù)控機(jī)床的智能化提升了機(jī)床的功能及其品質(zhì)。 4、現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床在還有較高的可靠性，，而且復(fù)合化，多軸化，網(wǎng)絡(luò)化等方面都得到了大大的提高。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1. 重點(diǎn)解決的問題 XZ50C 機(jī)床數(shù)控改造總體方案設(shè)計(jì)機(jī)械傳動方式的設(shè)計(jì) 2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （1） 系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 （2） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （3） 機(jī)械傳動方式的設(shè)計(jì) 3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 （1） 機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)圖紙一份， （2） 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖紙和部分部件圖紙， （3） 編寫出改造設(shè)計(jì)說明書一份。 （4） 對普通車床的改為數(shù)控車床后，這樣提高經(jīng)濟(jì)效益，提高了工廠的競爭的能力。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 技術(shù)參數(shù)： 為適應(yīng)當(dāng)代生活中的家庭需求和針對一些修配廠的部分小型，臨時(shí)生產(chǎn)所需， 特別設(shè)計(jì)這種小型機(jī)床。主要實(shí)現(xiàn)功能為鉆，磨，銑，鏜。 主要技術(shù)性能參數(shù)鉆削能力：φ32 平磨能力：φ120 立銑能力：φ25 鏜孔能力：φ100 主軸鉆孔：3 M.T.N 主軸轉(zhuǎn)數(shù)：160～3000 rpm 工作臺尺寸： mm 電機(jī)功能：1.1 kw 轉(zhuǎn)數(shù)級數(shù)：9～12 2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 2017 年 11 月初——2017 年 11 月底，擬定論文題目，與指導(dǎo)老師進(jìn)行交流，撰寫論文開題報(bào)告。 2017 年 12 月——2018 年 1 月，根據(jù)導(dǎo)師意見修改開題報(bào)告，再次提交給導(dǎo)師， 待導(dǎo)師同意后，準(zhǔn)備開始小型機(jī)床控制系統(tǒng)改造分析。 2018 年 2 月——2018 年 3 月，完成小型機(jī)床控制系統(tǒng)改造。 2018 年 4 月——2018 年 5 月，根據(jù)導(dǎo)師意見，撰寫說明書。 2018 年 5 月，根據(jù)導(dǎo)師意見再次對設(shè)計(jì)及說明書進(jìn)行修改完善，并做好答辯準(zhǔn)備。 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 楊元?jiǎng)P.基于 PLC 控制技術(shù)的 C650 機(jī)床電器控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì) .《自動化與儀器儀表》.2017-06-21 [2] 張琳.數(shù)控機(jī)床改造中的電氣設(shè)計(jì)分析.《現(xiàn)代裝飾(理論)》.2016.10.15 [3] 馬中輦.普通機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題的研究. 《自動化應(yīng)用》.2016-08-25 [4] 黎佐興.初探數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)與改造方法 《中國高新技術(shù)企業(yè)》.2016.3.16 [5] 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China Knowledge Net,2007. 附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告 文獻(xiàn)綜述 通過參考文獻(xiàn)[3][5]可知數(shù)控系統(tǒng)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(diǎn),更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家繼續(xù)向開放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展。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)程通信,遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。為適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要,數(shù)控系統(tǒng)也向高速化和高精度化發(fā)展。隨著人工智能在計(jì)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)達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的②引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工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,調(diào)整參數(shù),使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。 通過文獻(xiàn)[2]可知該系統(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(yùn)動的位移量、速度和運(yùn)動方向,不需要將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端。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。 通過文獻(xiàn)[1][2][4]可知由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實(shí)際位置反饋信號,隨時(shí)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(yùn)動,直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。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(jì)和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但可以獲得更高的精度,更快的速度,驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)。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,它的精度低于閉環(huán)系統(tǒng),但結(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(gè)整體時(shí)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)的公司廠家較多,國外如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司;國內(nèi)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。據(jù)悉,我國高性能數(shù)控系統(tǒng)基本依賴進(jìn)口。自上世紀(jì)90年代以來,我國對數(shù)控裝備的市場需求急劇增加,到2003年已成為世界第一大消費(fèi)國。統(tǒng)計(jì)資料顯示,2004年FANUC公司和SIEMENS公司在中國的數(shù)控系統(tǒng)銷售量分別為 12000 臺 和 7000 臺 , 基 本 上 壟 斷 了 中 國 中 高 檔 數(shù) 控 系 統(tǒng) 市 場 。SIMODRIVE611A,611D,6RA24用于老系統(tǒng)的改造,它們能滿足各種要求。FANUC數(shù)控系統(tǒng)是最暢銷的機(jī)床控制系統(tǒng)之一,目前在國內(nèi)使用的FANUC數(shù)控系統(tǒng)主要有0系統(tǒng)和0i系統(tǒng)。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)動電機(jī)的功率和用戶的要求。 通過文獻(xiàn)[6][7]可知對數(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(shí)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。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(shí),機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求,以保證機(jī)床加工精度。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(shí)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(jì)誤差以及相配螺母間隙。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(jià)格較低但難以滿足精度較高零件的加工。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(yùn)動時(shí)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。 通過文獻(xiàn)[9][13]可知為了獲得具有高精度、高剛度和高靈敏度的進(jìn)給系統(tǒng)，不僅應(yīng)選用高精度高剛度的滾珠絲杠副,而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設(shè)計(jì),應(yīng)選用運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、軸向剛度高、摩擦力矩小的滾動軸承。因滾珠絲杠主要承受軸向載荷, 除絲杠自重外,一般無徑向外載荷,因此,滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求較高。進(jìn)給系統(tǒng)要求運(yùn)動靈活,對微小位移( 絲杠微小轉(zhuǎn)角)響應(yīng)要靈敏,因此,軸承的摩擦力矩應(yīng)盡量小。目前,國內(nèi)外的數(shù)控機(jī)床和加工中心進(jìn)給絲杠支撐軸承用得最多的是60b接觸角推力角接觸球軸承,該軸承具有承載能力大、剛度大、回轉(zhuǎn)精度高、啟動摩擦力矩小等特點(diǎn)。通過合理的選擇軸承的組配方式,就可以獲得良好的進(jìn)給系統(tǒng)性能。數(shù)控機(jī)床選用這種角接觸球軸承,通常需要把2個(gè)以上的軸承組合起來,且施加預(yù)緊力。其組合形式有背靠背組配、面對面組配、串聯(lián)組配等方式,在數(shù)控機(jī)床上選用此種軸承時(shí),為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度,一般采用面對面組配方式。 通過文獻(xiàn)[5][8][10]可知目前車床和車削中心主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到8000r/min,加工中心的主軸轉(zhuǎn)速一般都在15000r/min~20000r/min, 高的達(dá)到60000r/min,切削進(jìn)給速度一般達(dá)到20m/min, 高的甚至達(dá)到60m /min,為充分發(fā)揮刀具材料性能、提高加工效率、降低加工成本,并且提高加工精度和表面加工品質(zhì),數(shù)控裝備將進(jìn)一步向更高速度或超高速方向發(fā)展。國外數(shù)控裝置MTBF己達(dá)6000h以上,伺服系統(tǒng)MTBF達(dá)到30000h以上, 表現(xiàn)出非常高的可靠性。為適應(yīng)制造自動化的發(fā)展, 向FMC、FMS和CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備, 要求數(shù)控系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能,而且還能夠具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動更換主軸頭(有時(shí)帶坐標(biāo)變換)、自動誤差補(bǔ)償、自動診斷、進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)功能,特別是依據(jù)用戶的不同要求,可方便靈活地配置和集成。智能化（1） 為追求加工效率和加工品質(zhì)方面的智能化,設(shè)備有自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動生成的功能。（2） 為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化,具有前饋控制、電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型和自整定等功能。（3） 簡化編程和簡化 操作方面的智能化,有智能化的自動編程和智能化的人機(jī)界面等功能。（4） 具有 智能診斷和智能監(jiān)控方面的內(nèi)容,方便系統(tǒng)的診斷及維修。（5） 此外,還具有許多特別的智能功能,如加工運(yùn)動規(guī)劃、推理和決策能力,以及加工環(huán)境的感知能力、制造網(wǎng)絡(luò)通信能力(包括與人的交互)、智能編程、智能數(shù)據(jù)庫和智能監(jiān)控等。 通過文獻(xiàn)[8][10]可知以減少工序輔助時(shí)間為主要目的的復(fù)合加工,正朝著多軸和多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機(jī)床上一次裝夾后,通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施, 完成多工序、多表面的復(fù)合加工, 以減少非加工時(shí)間。因?yàn)樵诹慵庸み^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。因此,復(fù)合功能的機(jī)床是近年來發(fā)展很快的機(jī)種, 其核心是在一臺機(jī)床上要完成車、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種操作工序。隨著全世界對環(huán)境問題的關(guān)注,“綠色制造”在全球興起,相應(yīng)的數(shù)控裝備及其相關(guān)工藝的綠色、無公害化和更好的安全性受到人們的重視。 10 壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 摘 要 本文重點(diǎn)介紹 XZ50C 多功能立式機(jī)床的數(shù)字改造的設(shè)計(jì)方法和思路以及數(shù)控系統(tǒng)的硬件、軟件開發(fā)，將現(xiàn)代信息化時(shí)代的數(shù)控技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域上。在加工領(lǐng)域使用微型計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動進(jìn)給的能力，為企業(yè)的數(shù)字化管理以及經(jīng)濟(jì)的提高開創(chuàng)了一篇新天地。 本文針對以上該機(jī)床存在的缺陷進(jìn)行如下的數(shù)字化改造，具體如下： （1） 分析國內(nèi)外機(jī)床數(shù)控機(jī)床發(fā)展的現(xiàn)狀，以及深究 XZ50C 多功能機(jī)床改造的價(jià)值與意義，并分析改造后的收益； （2） 比對數(shù)控機(jī)床以及現(xiàn)有機(jī)床的性能，探討數(shù)控改造的方案，其中包括整體方案設(shè)計(jì)、傳動方案設(shè)計(jì)、伺服控制以及微電子 PLC 控制等設(shè)計(jì)； （3） 針對不同的數(shù)控傳動控制方式，詳細(xì)的探討了數(shù)控傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法， 其中包括機(jī)床的垂直、縱向、橫向的傳動設(shè)計(jì)，還包括詳細(xì)的電機(jī)選型、滾珠絲杠的校核計(jì)算等一系列安全設(shè)計(jì)； （4） 采取插補(bǔ)程序降低了機(jī)床的機(jī)械誤差，同時(shí)增強(qiáng)了多功能機(jī)床的安全性， 很大程度上，多功能機(jī)床加工精度等級得到了提高，中小企業(yè)的經(jīng)濟(jì)有了一定的保障。 關(guān)鍵詞：多功能機(jī)床；數(shù)控改造；滾珠絲杠；傳動系統(tǒng) I Abstract This article focuses on the numerical control conversion scheme and single-chip microcomputer system design of the XZ50C multi-functional vertical milling drilling machine, combining the traditional machinery with the existing numerical control technology. The use of microcomputers in the processing field can realize the automatic feed function, providing an effective and feasible way for the enterprises to carry out numerical control transformation of the equipment. T This paper aims at the digital transformation of the machine tool for the above defects, as follows: （1） Analyze the current status of the development of CNC machine tools at home and abroad, as well as the value and significance of the transformation of XZ50C multi-function machine tools, and analyze the benefits of the transformation; （2） Compare the performance of numerically-controlled machine tools and existing machine tools, and discuss the plans for numerical control transformation, including overall design, transmission design, servo control, and micro-electronics PLC control; （3） ） Aiming at different numerical control transmission control methods, the design method of the numerical control transmission system was discussed in detail, including the vertical, vertical and horizontal transmission design of the machine tool, as well as detailed motor selection and verification calculation of the ball screw. Safety design； （ 4 ） adoption of interpolation procedures to reduce the mechanical error of the machine tool, but also increase the reliability of the machine tool, improve the machining accuracy of the machine tool, and greatly protect the economic benefits Key words ： Multifunctional machine tools ； CNC Retrofit; Ball Screw; Transmission System 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢 1 1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展階段 1 1.2.2 國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r 1 1.2.3 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r 2 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 2 1.3.1 XZ50C 多功能銑鉆床簡介 2 1.3.2 XZ50C 多功能機(jī)床改造的必要性 3 1.3.3 XZ50C 多功能機(jī)床數(shù)控化改造的內(nèi)容 3 1.3.4 XZ50C 多功能銑鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn) 3 第二章 XZ50C 多功能銑鉆床數(shù)控改造總體方案 1 2.1 引言 4 2.2. XZ50C 多功能銑鉆床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)任務(wù) 4 2.3 XZ50C 機(jī)床數(shù)控改造總體方案 5 2.3.1 多功能機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)布置 5 2.3.2 多功能機(jī)床的機(jī)械傳動方式 5 2.3.3 多功能機(jī)床的傳動系統(tǒng)方案 6 2.3.4 多功能機(jī)床的伺服系統(tǒng) 8 2.3.5 多功能機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理 8 2.3.6 多功能機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)芯片的選擇 8 2.3.7 多功能機(jī)床的單片機(jī)設(shè)計(jì) 9 2.3.8 多功能機(jī)床的電器原理 9 2.3.9 多功能機(jī)床的接口電路設(shè)計(jì) 10 第三章 XZ50C 多功能機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 3.1 引言 12 3.2 XZ50C 多功能機(jī)床縱向傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 3.2.1 多功能機(jī)床系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 12 3.2.2 多功能機(jī)床的切削力 12 3.2.3 多功能機(jī)床縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 13 3.2.4 多功能機(jī)床縱向伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算 14 3.3 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的確定 15 3.3.1 多功能機(jī)床橫向進(jìn)給絲杠的選擇 15 3.3.2 多功能機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)最大負(fù)載 C 的計(jì)算 16 3.3.3 多功能機(jī)床橫向伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算 16 3.3.4 多功能機(jī)床空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 17 3.4 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床垂直方向進(jìn)給系統(tǒng)的確定 18 3.4.1 多功能機(jī)床垂直方向絲杠的選擇 18 3.4.2 多功能機(jī)床垂直方向進(jìn)給傳動系統(tǒng)滾珠絲杠的計(jì)算 18 3.4.3 多功能機(jī)床垂直方向伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算 18 3.4.4 多功能機(jī)床空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 19 第四章 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床數(shù)控插補(bǔ)程序控制 21 4.1 引言 21 4.2 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床數(shù)控插補(bǔ)程序控制概述 21 4.3 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床直線、圓弧插補(bǔ)程序 21 4.3.1 多功能機(jī)床直線及圓弧插補(bǔ)程序結(jié)構(gòu) 21 4.3.2 多功能機(jī)床直線插補(bǔ)程序 22 4.3.3 多功能機(jī)床圓弧插補(bǔ)程序 24 結(jié) 論 28 參考文獻(xiàn) 29 附錄 1 外文文獻(xiàn) 29 附錄 2 中文翻譯 46 致 謝 52 小型機(jī)床的數(shù)控改造 第一章 緒論 1.1 引言 數(shù)控機(jī)床不但可以實(shí)現(xiàn)程序的輸入以及控制機(jī)床的啟動，還可以完成刀具的選擇、改造、工件的緊、釋放和冷卻啟動，停止等動作，使刀具和工件等輔助裝置嚴(yán)格按照 數(shù)控程序的要求來工作。這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)加工的數(shù)字化生產(chǎn)與控制，不光可以減少 人力，也可以減少零件材因?yàn)檎J(rèn)為的原因而破壞讓費(fèi)。 1.2 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢 1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展階段 數(shù)控機(jī)床使得從人類在農(nóng)業(yè)和工業(yè)社會創(chuàng)造上取得了質(zhì)的飛躍，這些機(jī)床的出現(xiàn)增強(qiáng)了人類的勞動力，也為人類進(jìn)入信息社會奠定了一定的基礎(chǔ)。 1）數(shù)控（NC）階段 一開始數(shù)控機(jī)床的數(shù)控部分計(jì)算速度非常低。 被稱為硬件連接數(shù)控 （HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）[1]。2）計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段 美國INTEL 公司首次在世界上將成為計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最重要的組件-計(jì)算器和控制器 ， 集 成 在 芯 片 中 的 大 規(guī) 模 集 成 電 路 技 術(shù) 的 使 用 被 稱 為 微 處 理 器 （MICROFROCESSOR），也被稱為中央處理單元（CPU）數(shù)控系統(tǒng)得到了質(zhì)的飛躍。還應(yīng)該指出的是，雖然外國長期以來更名為計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC），但中國仍然使用NC。 1.2.2 國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r 在當(dāng)今社會美國、日本、德國他們的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展非常成熟，但因其社會條件不一樣，所以其發(fā)展的狀態(tài)也各不相同。 （1） 美國的數(shù)控發(fā)展史 美國政府為了提高國家的機(jī)械化生產(chǎn)能力，在數(shù)字改造上提供足夠的資金來不斷的創(chuàng)新機(jī)床技術(shù)，使得美國成為最具有機(jī)械效益的國家，也帶動著國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力快速的增長。 （2） 德國的數(shù)控發(fā)展史 德國政府也非常重視機(jī)床在國家經(jīng)濟(jì)中的重要戰(zhàn)略地位，別是在大規(guī)模，重型和精密數(shù)控機(jī)床在質(zhì)量和性能方面位居世界前列。 （3） 日本的數(shù)控發(fā)展史 11 日本政府也十分重視本國的機(jī)床科技的發(fā)展。從發(fā)展至今，其不斷地開發(fā)創(chuàng)新， 設(shè)計(jì)使得在機(jī)械領(lǐng)域猶如一批黑馬快速的沖進(jìn)師姐錢二的位子，最終截止目前其數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和出口量均占世界第一位的位子。 1.2.3 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r 1958 年，中國才開始研究和開發(fā)進(jìn)行數(shù)控技術(shù)研究。后來，自 20 世紀(jì) 70 年代初以來，數(shù)控技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車，銑削，磨削，齒輪加工和電氣加工等領(lǐng)域。后來中國引進(jìn)了日本，美國和其他國家的一些數(shù)控裝置和伺服單元技術(shù)來提高我國的生產(chǎn)效益，再后來我國也開始該方面的開發(fā)與研究。為了滿足機(jī)械行業(yè)不同層次的需求， 各種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)也已經(jīng)開發(fā)并被廣泛使用。目前，中國已經(jīng)建立了基于中低端數(shù)控機(jī)床的工業(yè)系統(tǒng)。 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 數(shù)控機(jī)床的該著就是時(shí)期擁有自動化的功能，更換加工對象時(shí)，只需更換零件加工程序，不需要對機(jī)床進(jìn)行調(diào)整，即可滿足經(jīng)常變化的加工要求[2]。 1.3.1 XZ50C 多功能銑鉆床簡介 多年來，XZ50C 多功能銑鉆機(jī)（如圖 1.1 所示）以其極高的應(yīng)用范圍和性價(jià)比， 占據(jù)了國內(nèi)鉆機(jī)銷售市場的很大比例。其在某種程度上來說不具備自動化生產(chǎn)能力， 即缺少數(shù)字控制的能力，在當(dāng)今這個(gè)信息化的社會，該型號的機(jī)床如果想一直長期的穩(wěn)定市場上地位就必須與時(shí)俱進(jìn)裝上微型電腦、伺服電機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制生產(chǎn)。 圖 1.1 XZ50C 多功能銑鉆床 1.3.2 XZ50C 多功能機(jī)床改造的必要性 從宏觀角度來看，1995 年中國機(jī)床擁有率（CNC 比例）中數(shù)控機(jī)床的比例僅為 1.9 ％。 從微觀角度來看，數(shù)控機(jī)床具有以下優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)床的突出優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)勢源于數(shù)控系統(tǒng)中所含計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能。 (1) 可以加工傳統(tǒng)機(jī)床無法加工的曲線，曲面等復(fù)雜零件。(2)可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化 (3) 能夠達(dá)到機(jī)加工零件表面的精度很高。另外，可以集中多個(gè)過程并減少機(jī)床之間部件的頻繁處理。 (4) 具有自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，可實(shí)現(xiàn)無人看守生產(chǎn)。 1.3.3 XZ50C 多功能機(jī)床數(shù)控化改造的內(nèi)容 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)數(shù)控改造的主要內(nèi)容如下： （1） 恢復(fù) XZ50C 多功能機(jī)床的精度; （2） 原 XZ50C 多功能機(jī)床中的控制系統(tǒng)改造成自動化的系統(tǒng); （3） 對 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床重新設(shè)計(jì)以提高其效率； （4） 革新原機(jī)床的設(shè)備結(jié)構(gòu)，使其能夠處理級別和等級要求更高的零件。 1.3.4 XZ50C 多功能銑鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn) （1） 減少投資額、交貨期短 與購買別國的新性機(jī)床相比，自主的開發(fā)改造可以節(jié)省 60％至 80％的成本，且轉(zhuǎn)換的成本也低。 （2） 機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限 諸如 XZ50C 多功能銑床和鉆床床身和立柱等基礎(chǔ)零件都是重型和強(qiáng)力鑄造零件， 而不是焊接零件的種類。XZ50C 高性能，高質(zhì)量的鉆孔機(jī)可作為多年來的新設(shè)備。但由于原有的 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)械結(jié)構(gòu)的局限性，不宜進(jìn)行突破性改造。 （3） 對設(shè)備掌握熟悉、便于操作維修 如果是買想裝備，可能一些功能還不是完全理解，但是使用原機(jī)床的基礎(chǔ)上改造， 那么操作人員已經(jīng)了解了機(jī)床的特點(diǎn)，只需要稍加培訓(xùn)，就可以快速的投入生產(chǎn)，且操作維護(hù)有效。 （4） 可充分利用現(xiàn)有的條件 現(xiàn)有的基礎(chǔ)可以充分利用，而不需要像購買新設(shè)備那樣重建基礎(chǔ)。 第二章 XZ50C 多功能數(shù)控機(jī)床改造總體方案 2.1 引言 數(shù)控機(jī)床的整體改造可分為：伺服電機(jī)系統(tǒng)研發(fā)，驅(qū)動系統(tǒng)的確定和移動方法的設(shè)計(jì)，控制程序的芯片類型的選擇等。 2.2. XZ50C 多功能數(shù)控機(jī)床改造設(shè)計(jì)任務(wù) XZ50C 多功能數(shù)控機(jī)床傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算： 設(shè)計(jì)并繪制 XZ50C 多功能機(jī)床的原理圖，并對 X 方向，Y 方向和 Z 方向的組裝圖進(jìn)行數(shù)字化變換。 (1) 技術(shù)要求： 主要技術(shù)參數(shù) 參數(shù)尺寸 最大加工直徑（mm） F 400 鉆削能力（mm） F 32 平磨能力（mm） F 120 立銑能力（mm） F 25 鏜孔能力（mm） F 100 主軸鉆孔（mm） 3 M.T.N 主軸轉(zhuǎn)數(shù)（rmp） 160~3000 電機(jī)功率（KW） 1.1 工作臺尺寸（mm） 630x200 轉(zhuǎn)速級數(shù) 12 (2) 多功能機(jī)床定位系統(tǒng)設(shè)定 為了實(shí)現(xiàn)多功能數(shù)字控制，該數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該尤 X 軸，Y 軸和 Z 軸組成的笛卡爾坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)精確定位以及一些插補(bǔ)算法的插補(bǔ)計(jì)算。 2.3 XZ50C 機(jī)床數(shù)控改造總體方案 2.3.1 多功能機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)布置 實(shí)現(xiàn) XZ50C 多功能銑鉆床的數(shù)控化，是在該機(jī)床非自動化的裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行添加電機(jī)、微型電腦、單片機(jī)、伺服電機(jī)等一些列電子控制設(shè)備，其數(shù)控的機(jī)床主要組成如圖 2.1 所示[3]。 圖 2.1 XZ50C 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布置 2.3.2 多功能機(jī)床的機(jī)械運(yùn)動形式 數(shù)控機(jī)床傳動系統(tǒng)需要滿足一定的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，因此在開發(fā)機(jī)床傳動方式時(shí)，低慣性，高剛度，無間隙，高共振性。在設(shè)計(jì)過程中我們需要關(guān)注很多地方，但主要關(guān)注點(diǎn)如下： 1） 盡可能使用低摩擦驅(qū)動和導(dǎo)向元件。 2） 在傳動系統(tǒng)中，有必要避免傳動部件在開發(fā)過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)間隙。 3） 增強(qiáng)新開發(fā)系統(tǒng)的強(qiáng)度。 本設(shè)計(jì)課題，為了達(dá)到機(jī)床的加工精度，XZ50C 多功能銑鉆床就必須采用交流伺服電機(jī)減速后帶動滾珠絲杠來工作。 1）絲杠 2）回路 3）螺帽 4）滾珠圖 2.2 絲杠部件結(jié)構(gòu)簡圖 如圖 2.2 所示，絲杠和螺帽均采用帶有一定弧形的螺旋刀片加工而成，它們與螺旋槽一起形成滾珠的滾道。滾珠安裝在滾道上。 2.3.3 多功能機(jī)床的傳動系統(tǒng)方案 1）Z 向絲杠 2）Y 向絲杠 3）X 向絲杠圖 2.3 多功能機(jī)床系統(tǒng)傳動圖 多功能機(jī)床的滾珠絲杠能夠達(dá)到的傳動效率大約為0.94 ，其大小約是那些普通機(jī)床的絲杠傳遞效率的3倍 。且對于機(jī)床的傳動級數(shù)而言，為了能夠?qū)崿F(xiàn) 9~12 級的傳動級數(shù)，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，采用 3x2x2 的級數(shù)調(diào)節(jié)方法。具體的傳動級數(shù)如圖 2.4 所示。定位精度高，剛度好。 圖 2.4 系統(tǒng)的傳動級數(shù) 在鉆銑床的設(shè)計(jì)中，總降速比可以設(shè)定為 u=125/1440=0.087。為了使降速變得緩慢，在一開始增加一對降速傳動齒輪副其齒數(shù)比為（ 24 / 34 ），再加上前面已確定的其傳動機(jī)構(gòu)需要三次變速，所以在這里我們需要使用四組變速機(jī)構(gòu)，在主軸 V 上標(biāo)記 12 個(gè)速度：本設(shè)計(jì)的速度變化范圍是125～1600r / min ,其中在第Ⅰ 軸上用A 點(diǎn)代表電動機(jī)的原始轉(zhuǎn)速n0 = 1440r/ min ，降速后的最低轉(zhuǎn)速可以用E 表 示，因此 A,E 兩點(diǎn)總 降速傳動比為ut = 1 。其齒輪傳動級數(shù)圖如圖 2.5 所示。 圖 2.5 齒輪傳動級數(shù)圖 2.3.4 多功能機(jī)床的伺服系統(tǒng) 由于改裝的XZ50C 數(shù)控鉆床應(yīng)具有鉆孔和銑平面等功能，因此這里應(yīng)該選擇連續(xù)的控制系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)，且采用MCS - 51系列8031 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)[4]。 (1) 系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定 該系統(tǒng)可分為三種類型的控制：點(diǎn)控制，虛線和連續(xù)控制。 (2) 電力系統(tǒng)中伺服電機(jī)模型的選擇 一般機(jī)床上的伺服傳動系統(tǒng)可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)。 其中閉環(huán)伺服控傳遞系統(tǒng)在機(jī)床運(yùn)動部分安裝有檢測反饋元件，其伺服控制精度高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的有所不同，它得不到工作臺的移動距離，但是可以通過輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)一定的檢測與控制功能。總之，成功率，技術(shù)難度，準(zhǔn)確性，投資等因素已經(jīng)結(jié)合在一起。 (3) 控制芯片的選擇 數(shù)控系統(tǒng)的核心其實(shí)就是微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得其他設(shè)備在微型計(jì)算機(jī)的控制下按照一定的與其設(shè)計(jì)來正常工作，從而加工出我們所需要的零件。 2.3.5 多功能機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理 （1） 數(shù)控系統(tǒng)中的主控器 目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有 8086、8088 等 16 位機(jī)的 CPU，在這里本文選用 MCS—51 系列中的 8031 芯片。該芯片有很多的優(yōu)點(diǎn)而且操作可簡單，容易上手。 （2） MCS—51 單片芯片功能介紹 MCS — 51系列的單片機(jī) 的主要產(chǎn)品可分為8031、8051和8751 這三種。該系列產(chǎn)品 是集成了 CPU ， I / O端口和部分RAM 的強(qiáng)大控制器。而且期功能開發(fā)完整，可編 輯性強(qiáng)，其可使用的硬件種類也非常廣泛。 其中 8031 的基本功能是：一般特性中具有 8 個(gè) CPU 共同運(yùn)算；片內(nèi)產(chǎn)生的時(shí)鐘電路平率高，且執(zhí)行元件的反映速度也非常快。 因此，從上述特征可以看出，塊 8031 的功能等同于微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[5]。 2.3.6 多功能機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)芯片的選擇 組成多功能數(shù)控機(jī)床的芯片有很多，這里通過芯片的 EPROM 與 RAM 這兩種型號來作為選擇的依據(jù)。 在選擇 EPROM 類型的時(shí)候需要關(guān)注其讀取速度，因?yàn)樽x取的速度才是確定系統(tǒng)能否正常工作的必要條件。 2.3.7 多功能機(jī)床的單片機(jī)設(shè)計(jì) 與通用的存儲方式不同，8031 芯片只能支持一個(gè)存儲系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其中的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都是具有獨(dú)立的尋址地址。在本文選擇使用 EPROM 型號的， 其對應(yīng)的地址為 0000H-1FFFH，需要擴(kuò)展 RAM 和 I / O 端口和外圍設(shè)備地址一致[6]。 2.3.8 多功能機(jī)床的電器原理 多功能機(jī)器的電氣轉(zhuǎn)換是將原機(jī)器的電路連接到CNC 系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)控制的回路實(shí)現(xiàn)了銑床原有垂直運(yùn)動，垂直，水平等坐標(biāo)軸的驅(qū)動等功能。 為了能夠?qū)崿F(xiàn)該機(jī)床的數(shù)控化生產(chǎn)，那就需要首先修改原機(jī)床的電氣原理圖，通過改變其電氣原理圖來控制不同部件的通電得電從而實(shí)現(xiàn)對每一個(gè)步驟的進(jìn)行有序的合理的實(shí)時(shí)操作，最終能夠加工出我們所需要的零件。在原先的電氣原理圖的理解掌握基礎(chǔ)上其修改后的電氣原理圖分別如圖 2.6 和圖 2.7 所示。 圖 2.6 電器原理圖 1 圖 2.7 電氣原理圖 2 （1） 多功能機(jī)床坐標(biāo)軸的驅(qū)動方式 為了使的機(jī)床連續(xù)工作，且工作平穩(wěn)，在結(jié)構(gòu)上采用電纜將伺服電機(jī)與系統(tǒng)驅(qū)動柜相連接在一起， 通過這種方式，電機(jī)的數(shù)字控制可以通過供電來實(shí)現(xiàn)。 （2） 主軸的開啟以及冷卻液的使用 主軸以及冷卻液的控制全部由控制電路中的的五個(gè)繼電器來控制。 1） 主軸的啟動：當(dāng)主軸向前轉(zhuǎn)動時(shí)，將控制繼電器 KM1的一組常開觸點(diǎn)連接到啟動按鈕SB1 的兩端。 2） 主軸的反轉(zhuǎn)：為了使轉(zhuǎn)換后的鉆機(jī)控制主軸，需要額外的交流接觸器 KM2 來構(gòu)成反向控制電路。 2.3.9 多功能機(jī)床的電路設(shè)計(jì) 在功能上所有的 8031 單片機(jī)的外接口都可以作為 I/ O 的外界連接接口，器具有很強(qiáng)的通用性。這里本文就采用 8031 單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的啟動，在一定的層度上也可以擴(kuò)展數(shù)控機(jī)床的外界接口 [7]。 最終本文按照以上的設(shè)計(jì)方案確定的結(jié)構(gòu)總圖如圖 2.6 所示。 19 圖 2.8 機(jī)床總圖 第三章 XZ50C 多功能機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 引言 通用多功能機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括：確定系統(tǒng)負(fù)載、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量、確定伺服電機(jī)的型號、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)等，本文具體的設(shè)計(jì)與選型如下。 3.2 XZ50C 多功能機(jī)床縱向傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2.1 多功能機(jī)床系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 根據(jù)多功能數(shù)控鉆機(jī)的精度要求，本文可以首先確定該機(jī)床所需要的脈沖當(dāng)量為 0.01mm / setp 。 3.2.2 多功能機(jī)床的切削力 在參考 XZ50C 機(jī)床的使用說明書與相應(yīng)的產(chǎn)品參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，XZ50 C 多功能機(jī)床的銑刀的銑削力、鉆頭切削力、磨刀的銑削力中，只要滿足銑刀的銑削力后其余均可滿足，因此這里選用圓柱銑刀來作為設(shè)計(jì)計(jì)算的考察點(diǎn)，則： F = 9.81C a 0.86 f 0.72a zd -0.86 = 4427(N) （3.1） z FZ e z p 0 上式中， Fz 做為機(jī)床的主銑削力， CFZ 做為機(jī)床選擇的刀具的刀具系數(shù)， ae 為零件需要銑削時(shí)道具的接觸弧深度，z 為多功能機(jī)床的銑刀系數(shù)， fz 為刀具的切削三要素中的進(jìn)給量， d0 為該工步過程中所選銑刀的直徑[8]。 這里取ae =2.5mm， fz =0.2mm/齒，ap = 70mm，z = 4 ，d0 =25mm， CFZ =68.2。 f 當(dāng)開始進(jìn)行反向銑削時(shí)，其對應(yīng)的各分力為 F 那么： = 1.1 Fz ，F(xiàn)fN＝0.25 Fz ，F(xiàn)0 = 0.38 Fz F0 =0.38FZ =0.38′4472=1.699（KN） （3.2） 那么通過以上計(jì)算可以得到其對應(yīng)的合力為： F = = FZ ? 1.13FZ = 5404( N ) （3.3） 在計(jì)算中，為了獲得一定的平均切削力，一周的平均值為： F = 2 F = 2 ′ 5404 = 3603( N ) X 3 3 （3.4） 在刀具開始工作時(shí)，其軸向的靜壓力為： Fm = kFx +m(Fz + 2Fy + G) （3.5） 在設(shè)計(jì)時(shí)，由于其采用的是三角形形導(dǎo)軌，因此次中的參數(shù)分別為 k = 1.15 ， m= 0 .2 ，而 Fy =0， Fz =F0 =169（9 N）， G = 1.（4 KN），有上而得: Fm =1.15′3.6′103+0.（2 1.699′103+1.4′103）= 4753.（8 N） 3.2.3 多功能機(jī)床縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) F 在傳遞中，機(jī)床的最大進(jìn)給力 f = 169（9 N ），在這里通過了解現(xiàn)有的產(chǎn)品，工作 臺的重量為 M = 140 kg ，其中設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)軌與導(dǎo)軌都為鋼鐵結(jié)構(gòu)，因此參考文獻(xiàn)可得 其之間的摩擦系數(shù)為0.1，即計(jì)算其對應(yīng)的摩擦力大小為： Fm in = f G = 0 .1 ′ 1 4 0 ′ 1 0 = 1 4（0 N ） （3.6） 其對應(yīng)的絲杠最大預(yù)緊力為： Fm ax = 1699 + 140 = 183（9 N ） （3.7） 其絲桿的平均載荷為： Fm = 4753 .（8 N ） 上式中， Fmax， Fmin為絲杠在所需要的最大和最小的載荷；在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用主軸的轉(zhuǎn)速在為 160~3000 rmp，所以折中取絲杠的最高轉(zhuǎn)速為1500r / min ，且按照設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)床需要的最小進(jìn)給速度為1mm / min ，因此絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r / min ，所以平均轉(zhuǎn)速為n =（1500 + 001）/ 2 ? 750r / min 。因此絲杠的使用壽命為： L = 60nT 106 = 60 ′ 750 ′ 15000 106 = 675 （3.8） 上式中， L為機(jī)床的使用壽命，以106 r為1個(gè)單位， N 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（ r / min），其中的T 為滾珠絲杠的使用壽命 ，在這里按照工程經(jīng)驗(yàn)可以取數(shù)控機(jī)床的使用壽命為T =15000h 。 當(dāng)量動載荷 C m 為： C m = m Lk p = F 3 k a  0.9 = 69.4（9 KN） （3.9） p k 上式中，  為加載載荷的屬性系數(shù)，在無影響情況下取  1 : 1.2 ，一般大小1.2 : 1.5 ， p a 采用 1.5?2.5 時(shí)有較大的沖擊振動。這種設(shè)計(jì)k =1.5k ，其中ka 為精度影響因素， 對于滾珠絲杠，取 ka = 0.9。在上面的計(jì)算后我們參照絲杠的選擇標(biāo)準(zhǔn)，這里可以確 定滾珠絲杠副的型號為 FYND3206 - 4 - P3 （如圖 2.2），也就是說，內(nèi)圈，帶間隙型 雙螺母墊圈，公稱直徑為 32 毫米，間距為 6 毫米，精度為 P3，左手和球直徑為 3.969 毫米。額定動載荷C m  = 6 9 .4 9 K N ， Cm

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