CA6150车床的数控化改造设计毕业论文

摘 要目前，我国拥有300多万台机床，是生产和使用机床最多的国家之一, 但现有机床大多数服役年龄较长.大都是多年来生产积累的通用机床，设备陈旧落后.柔性和自动化程度低。要想在短时期内大量地更新现有设备，无论从资金还是国内机床制造厂的生产能力都很难做到。对于机床进行数控化改造投资少，见效快，是机械制造厂挖掘技改的一条成功之路。对CA6150车床进行数控化改造，使其可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。加工零件的精度高，尺寸分散度小，拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能。降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。由于数控机床具有自动化程度高加工精度高,质量稳定,便于生产管理现代化等特点.数控机床的应用越来越普及,也是制造业现代化的必然趋势.如果全部淘汰旧机床而采用新的数控机床不仅所需资金太大,而且会造成原有设备的闲置和浪费. 我国的再制造技术研究起步较晚.迫切需要大力发展,即能充分利用原有的旧设备资源,减少浪费又能够以较小的代价获得性能先进的设备,满足现代化生产的要求.关键词流伺服电机;精度修复;润滑;数控系统AbstractAt 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 Mostly for the production of generic machine tools accumulation, equipment outdated.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 37 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 theUnited 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.Chinas machine tool industry transformation, but also from old industries to digital access to the new technology-based industries. In theUnited 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 theUnited 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 theUnited StatestoChinafor the company. InJapan, 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 wildMiyazaki, Hamada Engineering, the engineering company hill. The digital machine with a highdegree 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.KeywordsElectrical exchange；servo;Precision repair；Lubricant；Digital systems第 1 章设计方案的论证1.1数控系统的选择方案1步进电机拖动的开环系统该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。方案2交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。根据数控改造后机床要达到较高的精度，快速定位X 轴 5m/min ,Z轴 10m/min最小移动单位X 轴0.0005mm , Z轴0.001mm，并且，直流伺服电机有电刷和换向器，必须定期的维修，而交流伺服电机采用全封闭无刷机构，不需要定期的维修，交流伺服电机比直流伺服电机有更优越的性能.得到越来越广泛的应用。所以，方案3比较合适。1.2滚珠丝杠螺母副与电机的连接方案1 采用齿轮连接这种方法可以降低丝杠工作台在系统中所占的比重，提高进给系统的快速性。可利用伺服电机高速底转矩的特性。在开环系统中还起到机械和电器的匹配作用。但是，传动装置结构简单降低传动效率增加噪声。传动级数的增加必将带来传动部件间隙和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能。传动齿轮副的存在，在开环和半闭环系统中，将影响加工精度。方案2 采用连轴器连接直接连接这是一种最简单的连接，这种形式具有扭转刚度。传动机构本身无间隙。传动精度。而且结构简单。安装方便。在输出扭矩要求在15-40Nm左右的中小型机床或高速加工机床中非常普遍。综上所素，由于CA6150车床属于中小型机床，控制系统采用半闭环，为了提高机床精度方案2 较合适。第 2 章机械部分的改造2.1对机床进行恢复精度机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。更换主轴的齿轮和轴承。根据当前国内外成品数控机床的导轨采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此，在改造中利用CA6150车床旧床身，采用GCR15轴承钢淬硬到HRC56-62制成对称三角行导轨和矩形导轨，对称三角行导轨在垂直载荷的作用下，磨损能自动补偿，不产生间隙，故导向精度高。压板还有间歇调整装置。矩形导轨结构简单，制造检验和修理方便，导轨较宽，承载能力大，刚度高，应用广泛。三角行导轨和矩形导轨组合它间有两种导轨优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接强度。最后，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。2.2X向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算2.2.1滚珠丝杠副支撑方式的选择X向选择固定-自由式，如图2.1。图2.1 X向支撑方式单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。所以X向固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。2.2.2精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。初选X向三级。2.2.3丝杠导程P的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足式2.1为:P（2.1）式中：Vmax=5000mm/minnmax=3000r/mini=1P=5000/3000=1.7mm车床改造中取P4，5，6，8。所以取P=4mm2.2.4根据类比法初步确定丝杠规格关于根据类比法：L1=L2*K式中 L1新选滚珠丝杠公称直径mmL2-原机床丝杠公称直径25mmK-系数（0.60.9）所以L1=25*0.8=20mm根据工作台X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长350mm，设计需要初选滚珠丝杠总长Lp=400mm。滚珠丝杠的滚珠内循环方式时滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸较小。选用双螺母齿差预紧式可实现定量调整即可进行精密调整，使用中调整非常方便。为了使滚珠丝杠副运转灵活，延长使用寿命，必须考虑充足的润滑条件。汉江丝杠厂已在螺母法兰外圆上考虑了润滑油孔，供顾客使用。所以初选汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350。2.2.5承载能力校核2.2.5.1切削力的计算车床的用途不同，切削条件和切削用量就不同，因此切削力就不同。對于专门用途的车床改造，应根据其切削用量按切削力计算公式计算切削力。对于变动工作用量的车床改造，用经验公式计算切削力。本车床属于变动工作用量的车床改造，所以用经验公式2.2计算切削力，个切削力之比为公式2.3，切削力方向如图2.2Fc=0.67D15（2.2）Fc：Ff：Fp=1:0.1:0.15.（2.3）式中，D为车床床身上的最大回转直径(mm)。Fc为垂直向的切削力（N）Ff为进给方向上的分力（N）Fp为吃刀方向上的分力（N）图2.2切削力方向D=500(mm)Fc=0.67*50015=7490.83NFf=0.1Fc=0.1*7490.83=749.08NFp=0.15Fc=0.15*7490.83=1123.62N2.2.5.2摩擦阻力F1的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数u（0.0802）取u=0.1,因主切削力压向导轨，则由式2.4得：F1=（G+ Fc）*u（2.4）式中G-工作台质量200kgF1=（200*10+7490.83）*0.1=949.08N2.2.5.3承载能力校核由式2.5计算丝杠的最大动载荷QQ=（2.5）式中 L为滚珠丝杠的寿命系数（单位为1*）L=60NT/其中T为使用寿命时间（H）,（普通车床为500010000，数控机床及其他机电一体化设备及装置仪器为15000，航空机械为1000）所以取T=15000，奠基最大转速N=3000为硬度系数（HRC58时为1.0，等于55时为1.11，52.5时为1.35，50时为1.56，45时为2.40）因为HRC=58，所以=1.0载荷系数（平稳或轻冲击时为1.01.2中等冲击时为1.21.5，较大冲击时为1.52.5）机床属于中等冲击所以=1.2Q-最大动载荷=Fp +F1=1123.62+949.08=2072.68N则Q=28861.57N根据汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND20*4R-3-P3-400-350丝杠额定载荷=38639Q(所以满足使用)2.2.6交流伺服电机选择计算由于交流伺服电机比直流伺服电机有更优越的性能、得到越来越广泛的应用。在选择电机时应考虑满足以下五项要求。以使交流伺服电机的工作性能得以充分发挥。2.2.6.1加减速时扭矩初步确定伺服电机型号(1) 求等效到电机轴上的转动惯量采用最不利于机床启动时速度，这里选用快速定位速度=5m/min，=3000r/min，=200kg丝杠的转动惯量=Lp*=7.8*40*=0.5（kg）=0.5*（kg）设电机转子的转动惯量为=0.64*（kg）则等效到电机轴上的转动惯量为：=*200*(5/3000)+=1.29*（kg）(2) 丝杠摩擦阻力矩的计算。由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩。但由于滚珠丝杠的效率高，其摩擦阻力矩相对于其他负载力矩小的多，故一般不与考虑。(3)等效负载转矩。=0.34(Nm)(4)启动惯性阻力矩T的计算。以最不利于电机启动时的快进速度计算，设启动加速或制动时间为t=0.3s电机转速,取加速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为（2.6）=314（1/s）=1046.67（1/）T=1.29*1046.67=0.14(Nm)(5) 电机输出轴上总负载转矩的计算=T+（2.7）=0.34+0.14=0.48(Nm)(6)上述计算均没考虑机械系统的传动效率，并且在车削时，由于材料的不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大等引起加工误差，可以适当考虑安全系数。安全系数一般在1.2-2之间选取，取安全系数K=1.5，选择机械传动总效率=0.7时=K/=1.5*0.48/0.7=1.03初选三菱公司生产的HC-KFS系列交流伺服电机43（BG）型号(与之相配的伺服放大器型号MR-J2S-40A/B)其额定转矩为1.3(Nm)大于，所以满足要求。2.2.6.2最高转速校核快速行程的电机转速必须严格限制在电机的最高转速之内。*（2.8）式中Nmax电机最高转速, r/minN快速行程中电机转速, r/minV m工作台(或刀架)快速行程速度, m/mini 系统传动比,i=N电机/N丝杠P丝杠螺距,mmNmax=3000， V m =5，i=1， P=4N=（5/4）*=1250Nmax所以满足要求。2.2.6.3电机轴上的负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量负载惯量应限制在2.5 倍电机惯量之内X向HC-KFS系列交流伺服电机43（BG）型号电机转动惯量J1=0.67*（kg）则等效到电机轴上的转动惯量为：=1.29*（kg）0.67*2.5所以满足要求。2.3Z向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算2.3.1滚珠丝杠副支撑方式的选择由于固定-支承适用于中等转速、高精度。所以Z向选择固定-支承式。如图2.3。图2.3滚珠丝杠副支撑方式Z向的固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。Z向支撑端选择一个深沟球轴承。2.3.2精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。初选Z向四级。2.3.3丝杠导程P的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足式2.1为:P（2.9）vmax=10000mm/minnmax=3000r/mini=1P=10000/3000=3.3 mm车床改造中取P4，5，6，8所以取P=4mmN=（10/4）*=2500Nmax所以满足要求2.3.4根据类比法初步确定丝杠规格关于根据类比法：L=L1*K式中 L新选滚珠丝杠公称直径mmL1-原机床丝杠公称直径40mmK-系数（0.60.9）所以L=40*0.8=32mm根据工作台X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长1000mm根据设计需要初选滚珠丝杠总长1200mm所以初选汉江丝杠厂生产Z向HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-10002.3.5承载能力校核2.3.5.1摩擦阻力F1的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数u（0.0802）取u=0.1,因主切削力压向导轨，则由式2.4得：F1=（G+ Fc）*u（2.11）F1=（G+ Fc）*u=（400*10+7490.83）*0.1=1149.08N2.3.5.2承载能力校核由式2.12计算丝杠的最大动载荷QQ=（2.12）式中L=60NT/,取T=15000，N=3000；=1.0，=1.2，= Ff+F1=749.08+1149.08=1898.16N则Q=31889.09N根据汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-1000丝杠额定载荷=60803Q(所以满足使用)2.3.5.3压杆稳定性校核轴向固定的长丝杠在承受压缩负载时,应校核其压杆稳定性,Z向是长丝杠，所以需要校核。临界压缩载荷按下式进行校核计算:式中:E为丝杠材料的弹性模量;I为最小惯性截面矩为压杆稳定的支撑系数如表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 稳定的支撑系数实际承受载荷能力如果时会使死杠失去稳定易发生翘曲。式中=2，E=2.1*Pa，I=3.83（）取K=4，L=120cm则=2.51*N(所以满足使用)2.3.5.4丝杠刚度的校核滾珠丝杠在轴向力的作用下产生拉伸或压缩。在扭矩的作用下产生扭转，这將引起丝杠导程的变化，从而影响其传动精度及定位精度，因此滾珠丝杠应演算满载时的变形量。滾珠丝杠在工作负载P和扭矩M的作用下引起那种每一导程的变化量L为：L=（2.12）式中导程=0.4cm钢的弹性模量E=2.1*Pa丝杠的最小截面积S=19.63（）丝杠的小径的截面积I=3.83（），扭矩M=784，工作负载P=1898.16N则L=0.0344um而Z轴的最小移动单位0.001mm0.0344um (所以满足使用)2.3.6交流伺服电机选择计算2.3.6.1加减速时扭矩初步确定伺服电机型号（1）求等效到电机轴上的转动惯量Z向=10m/min，=3000r/min，=400kg丝杠的转动惯量=7.8*3*120*=7.58（kg）=7.58*（kg）设电机转子的转动惯量为=2.6*（kg）则等效到电机轴上的转动惯量为=*400*(10/3000)+=1.13*（kg）（2）等效负载转矩。=1.01(Nm)（3）启动惯性阻力矩T的计算。以最不利于电机启动时的快进速度计算，设启动加速或制动时间为t=0.3s电机转速,取加速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为（2.13）=314（1/s）=1046.67（1/）T=*=1.13*1046.67=1.18(Nm)（4）电机输出轴上总负载转矩的计算=T+（2.14）=1.01+1.18=2.19(Nm)（5）考虑机械系统的传动效率和由于材料的不均匀等因素的影响引起负载转矩突然增大，情况。取安全系数K=1.5，选择机械传动总效率=0.7时=K/=1.5*2.19/0.7=4.69初选三菱公司生产的HC-UFS系列交流伺服电机152（B）型号 （伺服放大器型号MR-J2S-200A/B）其额定转矩为7.16(Nm)大于所以满足要求2.3.6.2最高转速校核Z向Nmax=3000，V m =10，i=1，P=4N=（10/4）*=2500Nmax所以满足要求2.3.6.3电机轴上的负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量负载惯量应限制在2.5 倍电机惯量之内,Z向HC-UFS系列交流伺服电机132（BG）型号电机转动惯量J1=4.2*（kg）,等效到电机轴上的转动惯量为：=1.29*（kg）,4.2*2.5*2.5所以满足要求。2.4溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨润滑对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，所以要有合理的导轨防护和润滑。溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨采用重庆第二机床厂生产的间歇式自动润滑系统。2.5通过从厂家所得到的技术资料画纵向和横向滚珠丝杠装配图2.5.1X向和Z向滚珠丝杠装配图的设计过程首先选择定位基准，Z向左端选择拆除进给箱后所露出的右侧进给箱定位销和固定平面为新设计的电机架的的定位销和固定平面，进给箱后所露出的右侧进给箱固定罗纹孔为新设计的电机架的的固定罗纹孔。Z向右端选择原丝杠右端轴承座的定位销和固定平面为新设计轴承座的定位销和固定平面，原丝杠右端轴承座的固定罗纹孔为新设计的轴承座的固定罗纹孔。X向选择小拖板的前侧面加工定位平面和加工定位孔为基准。根据定位基准进一步确定其他尺寸。X向装配图如图2.4Z向装配图如图2.5Z向螺母座1如图2.6Z向向螺母座2如图2.7Z向尾座支架图如2.8Z向电机座内端盖如图2.9X向端盖图如2.10X向电机轴图如2.11X向定位套图如2.12X向电机座图如2.13X向螺母座图如2.142.6主轴箱和拖板箱的改造拆除原拖板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱除固定滚珠丝杠的螺母外都不要。在主轴箱的二轴加装主轴17位位置编码器。将主轴正反离合器手动刹车装置拆除，在主轴驱动电抗上加装自动刹车离合器装置。电器系统控制电机正反转。拆除原机床操纵杆，变向杠、立轴等杠杆零件。电路连接如电器原理图。原冷却泵该由数控系统控制，如电器原理图。考虑车床工作台Z向的的移动范围，选择IGUS公司的E4系列拖链302型号。2.7安全防护高效必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，是不可忽视的。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面密封好，防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。并且滚珠丝杠在使用时，也要防止螺母脱离丝杠表面，因为螺母一旦脱离滚珠将散落，此时滚珠丝杠副不能正常工作，严重时会引起设备事故，因此在主机上必须配置防止螺母脱出的超程保护装置，为了保障机床的运行安全,机床的X向和Z向运动通常设置有软限位（参数设定限位）和硬限位（行程开关限位）两道保护“防线”。软限位由选择的数空系统参数设定限位，硬限位在X向和Z向分别装一对行程开关，电路连接如电路图。第 3 章数控系统的加装3.1数控系统的发展趋势从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。3.1.1趋势之一：数控系统向开放式体系结构发展20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随CPU升级而升级，而结构可以保持不变。3.1.2趋势之二：数控系统向软数控方向发展现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。传统数控系统，如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、SINUMERIK 810M/T/G系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK 840D系统、Num1060系统、AB 9/360等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统它由开放体系结构运动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造的MAZATROL 640 CNC等。SOFT型开放式数控系统这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWS NT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000 NT等。3.1.3趋势之三：数控系统控制性能向智能化方向发展智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。3.1.4趋势之四：数控系统向网络化方向发展数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e-制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。数控系统的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展。柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展，网络系统向开放、集成和智能化方向发展。3.1.5趋势之五：数控系统向高可靠性方向发展随着数控机床网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P(t)99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。3.1.6趋势之六：数控系统向复合化方向发展在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。普通的数控系统软件针对不同类型的机床使用不同的软件版本，比如Siemens的810M系统和802D系统就有车床版本和铣床版本之分。复合化的要求促使数控系统功能的整合。目前，主流的数控系统开发商都能提供高性能的复合机床数控系统。3.1.7趋势之七：数控系统向多轴联动化方向发展由于在加工自由曲面时，3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控系统，随着5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。最近，国外主要的系统开发商在6轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展，在6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。3.2交流伺服电机驱动的车床数控系统的选择针对某台或某几台机床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可靠的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司，；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。考虑选择的是三菱公司生产的交流伺服电机和伺服放大器，交流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。改造后机床要达快速定位X 轴 5m/min ,Z轴 10m/min最小移动单位X 轴0.0005mm , Z轴0.001m，选用了数控自动换刀刀架. 冷却泵由数控系统控制，数控系统控制主轴正反转。采用国际通用码进行数控编程。所以选用北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统。3.3北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统的性能3.3.1系统简介北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统是一个将PC104板嵌入到控制系统中的一体化的车床闭环数控系统。该系统是将控制系统、显示面板、操作面板集于一体，结构紧凑，易于安装；彩色LCD显示，具有功能全面、性能可靠、连接简单、性价比高等优点。CASNUC 2100e数控系统适用于车床、铣床、钻床、磨床等4轴以下的机械设备控制。3.3.2系统特点1、一体化CASNUC 2100e数控系统是一个将PC104板嵌入到控制系统中的一体化车/铣床数控系统，控制系统、显示面板、操作面板集于一体，结构紧凑，易于安装。2、高可靠性系统采用的PC104板具有板载表贴内存、低功耗、不使用风扇等特点，将PC104板嵌入到控制系统中减少了很多连接环节，系统可靠稳定，具有良好的电磁兼容、抗串扰能力设计。3、操作简单系统采用中文菜单，人性化界面；参数界面带有中文提示，中文报警提示，操作面板按键中文标识，使其操作更加简单、方便等。3.3.3系统性能1、控制轴数：系统最多可控制4个轴（含主轴）。2、联动轴数：系统联动轴数：24轴。3、主轴控制：可连接主轴伺服、变频器。4、显示部件：彩色LCD显示5、键盘：微机兼容防水键盘（字母、数字）6、手轮/手持盒：一个与手持器共用的手轮接口和8个输入点的手持盒（选件）。7、输入、输出控制：20路输入点、11路输出点（标准配置）。最大32路输入点、最大24路输出点（选件）。8、存储器控制：14MByte（标配）；最大可选配：256Mbit Byte9、通讯：RS-232通讯最高速度115200 bit/s。3.3.4系统简介1.控制轴数：3轴+主轴2.同时控制轴数：3轴3.最小输入增量：0.001mm4.最大编程尺寸：0至99999.999mm5.编程格式：ISO标准格式，可绝对值，增量值编程6.快速速率：24000mm/分7.进给速度范围：124000mm/分8.加减速类型：直线型加减速9.插补类型：（1）直线型插补（2）圆弧插补（自动过象限）10.加工程序输入：（1）键盘输入；（2）RS232接口11.显示方式：LCD彩色显示12.辅助功能：（1）S：4位数（2）M：2位数（3）T：2位数13.用户程序区容量：14M Byte，如果使用硬盘，容量可以扩大256Mbit Byte14.进给倍率15.手动连续进给、手轮进给、手动增量进给16.程序编程：输入、检索、修改、拷贝、插入、删除等功能17.调用用户子程序18.手动返回机床参考点19.单程序段执行20.跳选程序段执行21.存贮程序及参数断电保护22.程序复制、改名、删除等功能23.系统定时功能实时时钟24.机床辅助操作（机床锁住、空运行、Z轴锁住、进给暂停、程序段跳选、选择停）25.丝杆反向间隙补偿26.双向螺距误差补偿27.反馈脉冲监视功能28.跟踪误差监视功能29.故障报警30.软限位报警31.零件加工程序校验功能32.刀具半径补偿功能33.刀具长度补偿34.准确停功能35.循环加工功能36.快速进给倍率功能：0100%，每5%一档37.自诊断功能38.内置式PLC功能3.4数控自动换刀刀架的选择为了满足在一台机床上一次装夹完成多工序加工，与北京帝特马数控设备公司生产的SYSTEM 5T数控系统相匹配。采用WZD4型自动刀架。该刀架不但可代替普通车床手动刀架，还可用作数控机床微机控制元件。该刀架体积小，重复定位精度高，适用于强力车削并安全可靠。3.5电器原理图根据CA6150车床的原电器设计新电器原理图，在原图的基础上结合数控系统的资料加装数控刀架的控制系统，原电器该用能与数控系统兼容的数控化设备。电器原理图如图3.1系统输入输出板电器原理图如图3.2，电装板电器安装位置图如图3.3。第 4 章结论可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方车床经改造后不但保持了原机床主轴传动部分变速范围广的特点，在机床运动控制上可以利用编程语言编程控制，还可以在系统示教状态下将操作者手动加工过程自动生成ISO代码，以便下一零件的自动加工。实践证明该机床操作方便，降低了操作者劳动强度，提高了产品质量，为下一道工序生产创造了良好条件。而改造所需费用仅是购买简易数控车床价格的一半。21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。参考文献1 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