数控化改造的技术方案和新数控系统的选型配置方案.doc

1摘要现代数控机床是未来工厂自动化的基础。旧机床数控化改造范围大、潜力大、投资少、见效快，已经成为适合我国国情，促进制造业技术进步的重要手段。因此，数控系统改造车床的研究具有重要意义。本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对旧机床的分析，结合机床改造的总体思想，提出了数控化改造的技术方案和新数控系统的选型配置方案；针对旧机床的要求，进行了传动系统的重新设计，提高了传动的精度.本机床改造后将会展示出强大的功能、稳定的性能，将完全符合机床的技术规格和精度标准，加工出合格的零件，大大提高了车床的性能，是一次有益的尝试。关键词：CA6160A；机床；改造。2目录第一章绪论31.1数控机床的历史和现状31.2数控机床的发展趋势和研究方向41.2.1高速度、高精度化.41.2.2多功能化.61.2.3智能化.71.2.4数控系统小型化.71.2.5数控编程自动化.81.2.6更高的可靠性.81.3床数控化改造的必要性.9第二章机床改造的任务及总体思想2.1机床改造的总体任务.102.2运动系统方案确定.102.3传动方式的选择.10第三章进给伺服系统传动计算3.1确定系统脉冲当量113.2纵向切削力的确定113.3纵向滚珠丝杠设计计算113.4纵向传动链与转矩的有关计算133.5纵向步进电机的计算和选用163.6横向切削力的确定.173.7横向滚珠丝杠设计计算.173.8横向传动链与转矩的有关计算203.9横向步进电机的计算和选用.21参考文献:23致谢243第一章绪论1.1数控机床的历史和现状采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机承包商派尔逊斯公司在制造飞机框架和直升飞机的机翼叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到10.0381mm，这在当时水平是相当高的。1952年美国麻省理工学院成功地研制出一台3坐标联动的试验型数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床，当时的电子元件是电子管。1959年，开始采用晶体管元件和印制线路板，出现了带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心.从1960年开始，其他一些工业国家，比如德国、日本等也陆续开发生产出了数控机床。1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功耗降低，可靠性提高.但仍然是硬件逻辑数控系统。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造单元。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了用小型计算机控制的数控机床。这是第一台计算机控制的数控机床。1974年，微处理器直接用于数控系统，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。80年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检测装置的柔性制造单元。柔性制造系统和柔性制造单元被认为是实现计算机集成制造系统的必经阶段和基础。我国从1958年开始研究数控技术，直到60年代中期处于研制、开发阶段。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。60年代初到70年代初研制成功X53K-1G数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从70年代开始，数控技术在4车、铣、钻、锉、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，并于1981年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、分辨率为0.02um的高精度数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我国开发出了多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系，90年代主要发展高档数控机床。1.2数控机床的发展趋势和研究方向随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服系统、主轴驱动、机床及结构等提出了更高的性能指标。随着FMS的迅速发展和CMS的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通讯功能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高的要求。随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日益完善，数控技术应用领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。1.2.1高速度、高精度化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量，特别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，这两项技术指标又是互相制约的，也就是说要求位移速度越高，定位精度就越难提高。现代数控机床配备了高性能的数控系统及伺服系统，分辨率可达到lum,0.lum,0.0lum。为实现更高速度、更高精度的指标，自前主要在下述几方面采取措施和进行研究。（1）数控系统。采用位数、频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。目前己由8位CPU过渡到16位和32位CPU，并向64位CPU发展，频率已由原5来的5MHz提高到16MHz,20MHz和32MHzo同时也采用了超大规模的集成电路和多种微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。(2)伺服驱动系统。随着超高速切削、超精密加工等先进工艺的提出，使得在旋转伺服电动机加滚珠丝杠的传统机械进给机构已无法实现。为此采用直线电动机直接驱动机床工作台的零传动直线伺服进给方式，将极大地提高机床直线进给的各项伺服性能指标，特别是高速度和动态响应特性是以往任何伺服机构无法比较的。(3)前馈控制技术。过去的伺服系统是将位置指令值与所检测到的实际值比较，所得的差乘以位置环的增益，其积再作为速度指令去控制电动机。由于这种控制方式总是存在着位置跟踪滞后误差，即当进给速度为F时，其伺服系统的最终滞后位F/G，这使得在加工拐角及圆弧切削时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这样将使位置跟踪滞后误差大大减小，以改善拐角切削加工精度。(4)机床动、静摩擦的非线性补偿控制技术。机床动、静摩擦的非线性会导致机床爬行。除了在机械结构上采取措施降低静摩擦外，新型的数控伺服系统具有自动补偿机械系统动、静摩擦非线性的控制功能。(5)伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制。由于采用软件控制具有较高的柔性，适应不同类型的机床对不同精度及速度的要求，进行加、减速性能的调整，并能实现复杂的控制算法，以满足高性能控制的要求。(6)采用高分辨率的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内装微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高。(7补偿技术得到发展和广泛应用。现代数控机床利用计算机控制系统的软件补偿功能对伺服系统进行多种补偿，以提高机床的位置精度和动态伺服性能，如轴向运动定点误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热变形补偿和空间误差补偿等。(8)高速大功率电主轴的应用。由于在超高速加工中.对机床主轴转速提出了极高的要求，传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。为此，采用了所谓内装式电动机主轴，简称电主轴。它是采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，即采用外壳电动机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的6定子则安装在主轴单元的壳体内，即机床主轴单元的壳体就是电动机座。实现了变频电动机与机床主轴一体化，以适应主轴高速运转的要求。(9)超高速切削刀具的应用。为适应超高速加工要求，目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。(10)配置高速、强功能的内装式可编程控制器(ProgrammableLogicController，简称PLC)。以提高PLC的运行速度，满足数控机床高速加工的要求。新型的PLC具有专用的CPU，基本指令执行时间达0.2us/步，可编程步数可扩大到16000步以上。利用PLC的高速处理功能，将CNC与PLC之间有机地结合起来，能够满足数控机床运行中的各种实时控制要求。1.2.2多功能化(1)数控机床采用一机多能，提高了设备利用率。配有自动换刀机构的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、锉削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹，甚至磨削等多种工序的加工。工件一经装夹，各种工序和工艺加工过程集中到同一台设备上完成，从而避免了工件多次装夹所造成的定位误差，确保零件的形位公差，减少装夹辅助时间，减少设备台数和占地面积。为了进一步提高工效，现代数控机床采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加工中心。(2)前台加工、后台编辑的前后台功能。现代数控系统采用了多CPU结构和分级中断控制方式，可以在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的前台加工后台编辑.即操作者可在机床进入自动循环加工的空余期间，同时利用数控系统的键盘和CRT进行零件加工的编制，并利用CRT进行动态图形模拟显示及所编程序的加工轨迹，进行程序的调试和修改，以充分提高工作效益和机床利用率。(3)具有更高的通信功能。为了适应FMC,FMS以及进一步联网组成CIMS的要求，一般的数控系统都具有RS-232C和RS-422高速远距离串行接口，可以按照用户级的格式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统应有的DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。现代数控机床，为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，采用了MAP7工业控制网络，现在已经实现了MAP3.0版本，为现代数控机床进入FMS和C工MS创造了条件。1.2.3智能化应控制技术。自适应控制的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，己达到或接近最佳工作状态。由于在实际加工过程中，大约有30余种变量直接和间接影响加工效果，如工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、机床热变形、化学亲和力的大小、切削液的粘度等，难以用最佳参数进行切削。而自适应控制系统则能根据切削条件的变化，自动调节工作参数，如伺服进给参数、切削用量等，使加工保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。(2)故障自诊断、自修复功能。主要是利用CNC系统的内装程序实现在线诊断，即在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自动诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并通过了CRT进行故障报警、提示发生故障的部位、原因等。并利用冗余技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保在无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，最近又提出了人工智能专家诊断系统，它主要由知识库、推理机和人机控制器三部分组成。(3)刀具寿命自动检测更换。利用红外、声发射、激光等各种检测手段，对刀具和工件进行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具，以保证产品质量。(4)进行模式识别技术。应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行加工。1.2.4数控系统小型化数控系统体积小型化便于将机、电装置融合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印制电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度的安装，可以较大的缩小了系统的占有空间。此外，用新型的TFT彩色液晶薄膜型显示器，代替传统的阴极射线管CRT，即可使数控操作系统进一步小型化。这样可更方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。81.2.5数控编程自动化由于微处理机的应用，使数控编程从脱机编程发展到在线编程，实现了人机对话，给程序编辑、调试、修改带来了极大的方便。并进一步采用了前台加工后台编辑的前后台功能，使数控机床的利用率得到更大的发挥。随着计算机应用技术的发展，目前CAD被弹入图形交互式自动编程已得到应用，它是利用CAD绘制的零件加工图样，自动生成NC零件加工程序，实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，目前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，它与CAD/CAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必有人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。另外，还出现了测量、编程、加工一体化系统。它是通过激光快速扫描成型系统、三坐标测量机等对样机零件进行测量，并把所测得数据直接送入计算机内，一方面通过CAD系统而获得样机零件图样，另一方面通过数控自动编程系统，将其处理生成NC加工程序，然后通过通信接口送入数控机床，进行控制自动加工。1.2.6更高的可靠性数控机床工作的可靠性是用户最关注的主要指标，它主要取决于数控系统和各伺服驱动单元的可靠性，为提高可靠性，目前主要在以下几个方面采取措施。(1)提高系统硬件质量.采用更高集成度的电路芯片，利用大规模和超大规模的专用机混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和降低功耗，对元器件进行严格筛选，采用高质量的多层印制电路板，实行三维高密度安装工艺，并经过必要的老化、振动等有关考机试验。(2)模块化、标准化和通用化。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构模块化、标准化和通用化，既提高了硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。(3)增强故障自诊断、自恢复和保护功能。通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种自诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采取冗余设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当产生超程、刀损、干扰、断电等各种意外事件时，自动进行相应的保护。1.3床数控化改造的必要性9从微观上看数控机床相对传统机床有以下突出的优越性。这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的特性。(1)可以加工出传统机床无法加工的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴的运动量，就可以复合成复杂的曲线和曲面。(2)可实现加工的自动化，且是柔性自动化，效率比传统机床提高3-7倍。计算机可以将输入的程序记忆和存储，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化