刊發(fā)論文發(fā)表數(shù)控機(jī)床改造

　　摘要：將普通機(jī)床改造成為數(shù)控機(jī)床，是企業(yè)提高自身自動(dòng)化程度的一種重要手段。就如何實(shí)現(xiàn)改造進(jìn)行分析并提供方法和思路，本文主要闡述數(shù)控化改造的研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)和方法。

　　關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī);機(jī)床;數(shù)控化;改造;方案

　　數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來(lái)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技術(shù)。數(shù)控一般是采用通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制，因此數(shù)控也稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computer Numerical Control)，簡(jiǎn)稱CNC。計(jì)算機(jī)按事先存貯的控制程序來(lái)執(zhí)行對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡和外設(shè)的操作時(shí)序邏輯控制功能。由于采用計(jì)算機(jī)替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入操作指令的存貯、處理、運(yùn)算、邏輯判斷等各種控制機(jī)能的實(shí)現(xiàn)，均可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成，處理生成的微觀指令傳送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)或液壓執(zhí)行元件帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。

　　1 數(shù)控機(jī)床概述

　　數(shù)控機(jī)床就是將加工過(guò)程中的各種操作(如主軸變速、進(jìn)刀與退刀、開(kāi)車與停車、選擇刀具等)和步驟，以及刀具與工件之間的相對(duì)位移量都用數(shù)字化的代碼或程序來(lái)表示，通過(guò)控制介質(zhì)(如穿孔紙帶或磁帶、磁盤等)將數(shù)字信息送入專用的或通用的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理與運(yùn)算，來(lái)控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。

　　2 機(jī)床的數(shù)控化改造方案

　　2.1進(jìn)行改造項(xiàng)目的可行性評(píng)估

　　2.1.1 對(duì)其價(jià)值做出評(píng)估。例如一臺(tái)加工中心，主要構(gòu)成的機(jī)電部件有：①系統(tǒng)及操作子系統(tǒng);②伺服系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī);③機(jī)床電氣;④機(jī)械本體床身、立柱、導(dǎo)軌和絲杠等;⑤刀庫(kù)機(jī)械手系統(tǒng);⑥自動(dòng)工作臺(tái)交換系統(tǒng)等。每一個(gè)子系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況，都可以做出相應(yīng)的價(jià)值評(píng)估。

　　2.1.2 評(píng)估改造后能達(dá)到的目標(biāo)，即有什么樣的機(jī)床準(zhǔn)確度和使用性能。

　　2.1.3 進(jìn)行成本的估算，即投入資金的評(píng)估。投入資金多少與制訂改造目標(biāo)高低密切相關(guān)。投人的改造費(fèi)用主要由下列項(xiàng)目構(gòu)成：①數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)伺服系統(tǒng);②機(jī)床電氣及附件更換;③機(jī)床機(jī)械元部件準(zhǔn)確度修復(fù)和維修保養(yǎng);④機(jī)床輔助系統(tǒng)如液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等維修保養(yǎng);⑤機(jī)床外觀質(zhì)量的修復(fù);⑥機(jī)床改造后的調(diào)試檢測(cè);⑦機(jī)床改造所需的技術(shù)勞務(wù)費(fèi)。在受改造費(fèi)用限制時(shí)，可以修改改造目標(biāo)，降低一些要求以減少投入費(fèi)用。

　　2.1.4 對(duì)改造方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在做改造方案時(shí)，不可能對(duì)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)狀大解剖，不可能拿到機(jī)床現(xiàn)狀準(zhǔn)確測(cè)試數(shù)據(jù)，因此在以后實(shí)施改造工作中還會(huì)碰到意料之外的問(wèn)題。因此必須做出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和制訂相應(yīng)對(duì)策。一般做法是在工程項(xiàng)目費(fèi)中，設(shè)置不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)用。

　　2.1.5 性能價(jià)格比評(píng)估。為了在經(jīng)濟(jì)上有定量分析的依據(jù)，常選一臺(tái)現(xiàn)在市場(chǎng)上性能相似的商品價(jià)格作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

　　2.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

　　數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的核心，在選擇時(shí)要對(duì)其性能、經(jīng)濟(jì)性及維修服務(wù)等進(jìn)行綜合考慮。數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng);異步電動(dòng)機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)，光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng);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)。其中步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)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)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(guò)齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。該系統(tǒng)的位移準(zhǔn)確度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移準(zhǔn)確度，齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距準(zhǔn)確度，所以系統(tǒng)的位移準(zhǔn)確度較低。但該系統(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。

　　2.3 伺服系統(tǒng)的選擇

　　伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它既是數(shù)控系統(tǒng)CNC系統(tǒng)與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)。它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。例如，數(shù)控機(jī)床的最高移動(dòng)速度、跟蹤度、定位度等重要指標(biāo)均取決于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。伺服系統(tǒng)按控制方式分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三類。在普通機(jī)床的數(shù)控化改造中，一般選用價(jià)格較低的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

　　2.4 機(jī)床機(jī)械部件的改造

　　一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計(jì)上要達(dá)到很高的動(dòng)態(tài)剛度;運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)無(wú)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)到此要求，并注意下述幾方面。

　　2.4.1 導(dǎo)軌副。對(duì)數(shù)控車床來(lái)說(shuō)，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向度和工藝外，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)。

　　2.4.2 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(dòng)精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪準(zhǔn)確度等級(jí)都比普通機(jī)床高。

　　2.4.3 滑動(dòng)絲杠與滾珠絲杠。絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)鏈準(zhǔn)確度。絲杠的選用主要取決于加工件的準(zhǔn)確度要求和拖動(dòng)扭矩要求。

　　2.4.4 聯(lián)軸器。為了消除傳動(dòng)系統(tǒng)中的反向間隙,提高重復(fù)定位度，伺服驅(qū)動(dòng)元件所用的聯(lián)軸器多數(shù)采用無(wú)鍵連接，如錐銷剛性聯(lián)軸器,錐環(huán)聯(lián)軸器等。

　　2.4.5 回轉(zhuǎn)刀架。一般改裝的車床多數(shù)采用四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。

　　2.4.6 安全防護(hù)。改造效果必須以安全為前提。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。

　　3 數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法

　　3.1 基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)

　　基于單片機(jī)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)一般采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，步進(jìn)電機(jī)采用脈沖方式工作，基本原理是：系統(tǒng)中的鍵盤用于向計(jì)算機(jī)輸入和編輯零件加工程序;采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息;存儲(chǔ)器用來(lái)存放監(jiān)控程序、鍵盤掃描程序、顯示驅(qū)動(dòng)程序及用戶控制代碼程序等;功率放大器用來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)送來(lái)的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。需要完成的具體任務(wù)有：

　　3.1.1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般采用51系統(tǒng)單片機(jī)作為主控制器，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些必要的器件如ROM、鍵盤等。

　　3.1.2 軟件設(shè)計(jì)。包括：監(jiān)控與操作軟件,用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、系統(tǒng)監(jiān)控、指揮整個(gè)系統(tǒng)軟件協(xié)調(diào)工作等，包括系統(tǒng)的初始化、命令處理循環(huán)、零件加工程序的編輯修改等;步進(jìn)電機(jī)控制軟件，包括：通電狀態(tài)代碼和電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn);步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

　　3.2 基于ARM與運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控系統(tǒng)

　　3.2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式。主CPU為ARM處理器，用于鍵盤、顯示，網(wǎng)絡(luò)通訊等管理工作,而從CPU即為運(yùn)動(dòng)控制芯片，專門負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制的處理工作。ARM處理器通過(guò)總線操作，把命令寫入運(yùn)動(dòng)控制芯片，使運(yùn)動(dòng)控制芯片來(lái)完成運(yùn)動(dòng)控制。

　　3.2.2 操作系統(tǒng)及編程語(yǔ)言。為了最大地利用系統(tǒng)硬件資源，并且還要保證實(shí)時(shí)性，所以使用了μC/OS多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。使用到μC/OS操作系統(tǒng),通過(guò)它實(shí)現(xiàn)多任務(wù)實(shí)時(shí)控制。程序的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言以及ARM匯編語(yǔ)言。

　　3.3 基于PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)

　　近年來(lái)，以工業(yè)PC機(jī)為核心的控制系統(tǒng)已廣泛地被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。采用工業(yè)PC機(jī)在WIN-DOWS操作系統(tǒng)下通用的數(shù)控系統(tǒng)，已成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的潮流。基于工業(yè)PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)的PC硬件和操作系統(tǒng)，因此易于進(jìn)行模塊化和開(kāi)放式的設(shè)計(jì)。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是目前新型數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)的主流。系統(tǒng)采用工業(yè)PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)組成,主要包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡以及伺服系統(tǒng)等。

　　4 結(jié)論

　　進(jìn)行機(jī)床數(shù)控化改造要將改造的重點(diǎn)放在電氣、控制系統(tǒng)的改造上，機(jī)械部分只對(duì)影響準(zhǔn)確度的重點(diǎn)部件進(jìn)行改造。這樣可縮短改造周期，降低改造成本，并利于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行再次升級(jí)。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，必將帶動(dòng)數(shù)控機(jī)床改造技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

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　　閱讀范文：機(jī)械工程師論文投稿淺析齒輪泵的技術(shù)

　　摘要：因受一定排量的結(jié)構(gòu)限制，通常認(rèn)為齒輪泵僅能作恒流量液壓源使用。然而，附件入螺紋聯(lián)接組合閥方案對(duì)于提高其功能、降低系統(tǒng)成本及提高系統(tǒng)可靠性是有效的，因而，齒輪泵的性能可代替價(jià)格昂貴、復(fù)雜的柱塞泵。

　　關(guān)鍵詞：齒輪泵;代替;柱塞泵;技術(shù)分析