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CA6140普通车床数控化改造89


第一章
1.1 问题提出

前言

数控车床作为机电液气一体化的典型产品, 是现代机械制造业中不可缺少的加工设 备,在机械制造业中发挥着重要的作用,能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、 零件多变的加工问题,且产品加工质量稳定,生产效率较高。 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的 质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造 周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。 购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高,很多工厂在短时间 内都无法有那么多的资金,这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐;同时目前大 多数企业还有数量众多,而且还具有较长使用寿命的普通机床,由于普通机床加工精度 相对较低、不能批量生产,生产的自动化程度不高,生产自适应性差,但考虑投资成本, 产业的连续性和转型周期,又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数 控系统, 把普通机床改装成数控机床, 是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法, 也是提高机床数控化率的一条有效途径, 不失为一条投资少、 提升产品加工精度及质量, 提高生产效率的捷径,使企业提升竞争力,在我国成为世界制造业中心及制造强国的进 程中,占有一席之地。 1.1.1 国内外数控系统发展概况 机床作为机械制造业的重要基础装备,它的发展一直引起人们的关注,由于计算 机技术的兴起,促使机床的控制信息出现了质的突破,导致了应用数字化技术进行柔性 自动化控制的新一代机床-数控机床的诞生和发展。 随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,各工业发达国家投 入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。在现代制造系统中, 数控技术是关键技术,它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技 术于一体,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化、集成 化、智能化起着举足轻重的作用。目前,数控技术正在发生根本性变革,由专用型封闭 式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上,数控 系统实现了超薄型、超小型化;在智能化基础上,综合了计算机、多媒体、模糊控制、 神经网络等多学科技术,数控系统实现了高速、高精、高效控制,加工过程中可以自动 修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上, CAD/CAM 与数控系统集成为一体,机床联网,实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来,我国的数控系统为传统的封闭式体系结构,CNC 只能作为非智能的机 床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工 前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没 有反馈控制环节,整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境 以及多变条件下,加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、

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切削深度、步长、加工余量等加工参数,无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实 时动态调整, 更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量, 因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见,传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭 式体系结构,限制了 CNC 向多变量智能化控制发展,已不适应日益复杂的制造过程, 因此,对数控技术实行变革势在必行。 1.1.2 数控技术发展趋势 1 性能发展方向 (1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU 芯片、 RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统,同 时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,机床的高速高精高效化已大大提高。 (2) 柔性化 包含两方面:数控系统本身的柔性,数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可 裁剪性强,便于满足不同用户的需求;群控系统的柔性,同一群控系统能依据不同生产 流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控系统的效 能。 (3) 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工,正朝着多轴、多系列控制功能方向 发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转 主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴,西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4) 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境,其作用是如何调度任务,以确保任 务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技 术发展到今天,实时系统和人工智能相互结合,人工智能正向着具有实时响应的、更现 实的领域发展,而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展,由此产生了 实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域,实时智能控制的研究和应用正沿着几个 主要分支发展:自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控 制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具 自动管理及补偿等自适应调节系统, 在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预 算功能、动态前馈功能,在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制,使数控 系统的控制性能大大提高,从而达到最佳控制的目的。 1.1.3 智能化新一代 PCNC 数控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一 代 PCNC 数控系统已成为可能。 智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服 控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体,形 成严密的制造过程闭环控制体系。
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第二章
2.1 总体方案

CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求

总体方案设计应考虑机床数控系统的类型,计算机的选择,以及传动方式和执行机 构的选择等。 (1)普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能, 还要求能暂停,进行循环加工和螺纹加工等,因此,数控系统选连续控制系统。 (2)车床数控化改装后属于经济型数控机床,在保证一定加工精度的前提下应简化 结构、降低成本,因此,进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。 (3)根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求,经济型 数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中,MCS—51 系列单片机具有集成度高、可靠 性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比,因此,可选 MCS—51 系列 单片机扩展系统。 (4)根据系统的功能要求,微机数控系统中除了 CPU 外,还包括扩展程序存储器, 扩展数据存储器、I/O 接口电路;包括能输入加工程序和控制命令的键盘,能显示加工 数据和机床状态信息的显示器,包括光电隔离电路和步进电机驱动电路,此外,系统中 还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 (5)设计自动回转刀架及其控制电路。 (6)纵向和横向进给是两套独立的传动链,它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副 组成,其传动比应满足机床所要求的分辨率。 (7)为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性,选用摩擦小、传动效率高的滚珠 丝杠螺母副,并应有预紧机构,以提高传动刚度和消除间隙,齿轮副也应有消除齿侧间 隙的机构。 (8)采用贴塑导轨,以减小导轨的摩擦力。 (9) 原机床的主要结构布局基本不变,尽量减少改动量 ,以降低成本缩短改造周 期。 (10)机械结构改装部分应注意装配的工艺性,考虑正确的装配顺序,保正安装、 调试、拆卸方便,需经常调整的部位调整应方便。 总体方案设计图如 2.1 图所示

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