㈠ 數控車床畢業論文 （畢業設計）數控加工工藝
摘要:介紹了普通車床的數控改造條件,同時介紹了對CA6140車床的主傳動系統和進給傳動系統進行了數控化改造
的過程。改造後的數控車床的加工能力、自動化水平和加工精度明顯提高。同時介紹了該車床機電聯動調試的經驗。
關鍵詞:普通車床;數控改造
中圖分類號: TG659 文獻標識碼: B 文章編號: 1001-3881 (2006) 4-208-2
企業要在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發展,它必須在最短的時間內以優異的質量、低廉的成本,製造出合乎市場需要的、性能合適的產品,而產品質量的優劣,製造周期的快慢,生產成本的高低,又往往受工廠現有加工設備的直接影響。目前,採用先進的數控機床,已成為我國製造技術發展的總趨勢。購買新的數控機床是提高數控化率的主要途徑,而改造舊機床、配備數控系統把普通機床改裝成數控機床也是提高機床數控化率的一條有效途徑。我校為適應現代化生產和教學,對CA6140車床進行了數控化改造。
1 機床數控化改造的條件
1·1 機床基礎件有足夠的剛性
數控機床屬於高精度機床,工件移動或刀具移動的位置精度要求很高,必須在0·001~0·01mm之間,高的定位精度和運動精度要求原有機床基礎件具有很高的靜剛度和動剛度。本次用於改造的CA6140車床自購進後一直保養良好,機床基礎件剛性滿足要求。
1·2 機床數控改裝的總費用合適,經濟性好
機床數控改裝分兩部分進行:一是維修機械部分。更換或修理磨損零件,調試大型基礎零件,增加新的功能裝置,提高機床的精度和性能,另一方面是舍棄原有的一部分進給系統,用新的數控系統和相應的裝置來替代。改造總費用由機械維修和增加的數控系統兩部分組成。若機床的數控改造的總費用僅為同類型車床價格的50% ~60%時,該機床數控改造在經濟上適宜。經過考查,若購買同樣配置的車床約需10萬元,而我校機床數控改造的總費用為5·1萬元,僅佔51%,因此該機床數控改造在經濟上是合適的。
2 系統配置及主要技術規格
該系統由SIEMENS 802S系統、介面電路、驅動線路及步進電機等組成,另外還配有自動轉塔刀架、主軸變頻調速器及主軸編碼器等,系統屬開環控制系統。其主要技術性能和參數如下:
(1)系統控制部分。採用SIEMENS 802S系統,鍵盤和顯示部分裝在面板上。
(2)系統軟體具有若干指令。其中加工指令有
直線、斜線、螺紋、錐螺紋和圓弧等5條指令。可實現車削外圓、端面、台階、割槽、錐度、倒角、螺紋、順圓弧和逆圓弧等操作。控制指令有結束循環、暫停、延時、延時換刀、編碼換刀、通訊等,與加工指令配合,可加工出各種較復雜的零件。
(3)系統環境工作條件。溫度-10~+40℃;濕度為40% ~80%。
(4)輸入電網電壓。交流(220±22)V;頻率為50Hz;電流為1·5A。
(5)步進電機。BYG550C-2型電機兩台,驅動電壓為110V;相電流為2·5A;步距角為0·36°/步;靜力距為12N·m。
3 主傳動的數控化改造
機床主傳動的作用是把電機的轉速和轉矩通過一定途徑傳給主軸,使工件以不同的速度運動,主傳動性能的好壞,直接影響零件的加工質量和生產效率。考慮到改造的經濟性,可乘用機床原有的普通三相非同步交流電動機拖動。考慮到加工過程中當電網電壓和切削力矩發生變化時,電機的轉速也會隨之波動,直接影響加工零件的表面粗糙度。因此為提高加工精度,實現主軸自動無級變速,在主軸上增加了交流非同步電動機變頻調速系統,從而不需進行機械換檔。針對機床要求具有螺蚊切削功能,在主軸部位安裝主軸脈沖發生器,如圖1所示。為保證脈沖發生器與主軸等速旋轉,即主軸轉一周,主軸脈沖發生器也
圖1 主軸脈沖發生器安裝示意圖轉一周,主軸脈沖發生器的安裝方式很重要。改裝時,主軸傳動必須經過原有CA6140車床主軸箱中58/58和33/33兩級齒輪(實現1∶1)傳遞到原有CA6140車床的掛輪軸X,拆除掛輪留出空間,安裝脈沖發生器,並用法蘭盤固定。
4 進給傳動的數控化改造
進給傳動的作用是接受數控系統的指令,驅動刀具作精確定位或按規定的軌跡作相對運動,加工出符合要求的零件,對進給傳動的要求是高精度、高速度。改造中我們採用步進電機驅動系統實現開環控
圖2 進給傳動系統制,這樣結構簡單,安裝調試和維修都非常方便。
4·1 進給傳動鏈
圖2為普通車床改造後的進給傳動鏈,刀具縱向(Z軸)移動由步進電機,經介面箱內一對減速齒輪,轉動縱向移動的絲桿而實現。刀具的徑向(X軸)移動由步進電機,經介面箱內一對減速齒輪,轉動橫向移動絲桿而實現,該傳動鏈與原機床的傳動鏈相比,擺脫了結構復雜的進給箱和拖板箱。
4·2 介面箱內減速齒輪的齒數比
該車床要求的控制精度為: Z向0·005mm, X向為0·0025mm,即當執行一個脈沖指令時,工件的長度和直徑均變化0·005mm。BYG550C-2型步進電機的步距角為0·36°,每周步距數為360/0·36=1000(步/周), X向絲杠螺距為4mm,脈沖當量為0·0025mm,Z向絲杠螺距為6mm,脈沖當量0·005mm。按公式
主動輪齒數
從動輪齒數=步/周×脈沖當量絲杠螺距則X向:Z主/Z從=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z從=1000×5/6000=5/6
4·2 介面箱內減速齒輪的齒數比
該車床要求的控制精度為: Z向0·005mm, X向為0·0025mm,即當執行一個脈沖指令時,工件的長度和直徑均變化0·005mm。BYG550C-2型步進電機的步距角為0·36°,每周步距數為360/0·36=1000(步/周), X向絲杠螺距為4mm,脈沖當量為0·0025mm,Z向絲杠螺距為6mm,脈沖當量0·005mm。按公式
主動輪齒數
從動輪齒數=步/周×脈沖當量絲杠螺距則X向:Z主/Z從=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z從=1000×5/6000=5/6
4·3 傳動滾珠絲杠副
數控機床要求進給部分移動元件靈敏度高、精度高、反應快、無爬行,採用滾珠絲杠副可以滿足上述要求。在結構中,用普通滾珠絲杠副實現將旋轉運動變換為直線運動。滾珠絲杠螺母副安裝時需預緊,通過預緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙,提高傳動剛度。預緊的方法是採用雙螺母齒差調隙式結構(圖3)。通過改變兩個螺母的軸向相對位置,使每個螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側來實現的。
圖3 雙螺母齒差調隙式結構
一般需要幾次調整才能保證機床在最大軸向載荷下,既消除間隙,又能靈活運轉。
4·4 刀架
根據需要,拆除原方刀架,安裝620型四方刀架(圖4)。該刀架由120W的三相交流非同步電機正轉驅動,使刀架正轉選刀,到預定刀位時,電機則反轉,使刀架夾緊。換刀方式有手控和機控兩種。機控時當零件在加工過程中需要換刀時,數控系統發出預先編制好的換刀控制指令,控制器接到換刀指令時,立即驅動刀架回轉。手控時,按動面板上的按鈕,刀架能轉一個刀位(90°),也可連續按動按鈕,直至任一刀位。
5 機電聯動調試
5·1 機械調試
絲杠上,側母線和橫、縱導軌的平行度誤差控制在0·01mm/全長之內;轉動絲杠,絲杠軸向竄動在0·01mm之內;絲杠螺母同軸度誤差控制在0·01mm之內。
5·2 機電聯動調試
(1)單坐標點動,主要調試其有無動作,運動方向是否符合要求,機械傳動是否正常,有無不正常響聲等。
1·上刀體 2·活動銷 3·反靠盤 4·定軸 5·蝸輪 6·下刀體 7·螺桿 8·離合器盤 9·霍爾元件 10·磁鋼
圖4 四方刀架結構圖
(2)點動合格後,做連續運動。反復多次,若出現故障或異常,排除後方可繼續進行。
(3)先試Z坐標方向,後試X坐標方向,這是因為Z坐標方向調試方便。
(4)測量兩坐標重復定位精度。在Z向坐標做連續移動時,若發現與絲杠相聯的齒
額定轉速: 2000r/min
額定輸出功率: 2kW
編碼器:絕對位置檢測方式,解析度1000000p/r 軸端形式:錐軸伺服放大器採用與電機配套的SJV2系列20型,其驅動能力為2kW。對於2kW電機,也可採用SJV2系列的10型放大器,但此時的輸出扭矩要比20型減少1/3,不利於大功率切削。I/O設備選用型號為HR341的基本I/O單元,主要用於機床操作面板及與機床間的輸入輸出控制。另外附加一個遠程I/ODX110,主要用於教學功能的「故障模擬設置」的輸入輸出。伺服及I/O單元連接原理圖如圖2所示。
圖2 電氣連接原理圖
2·2·2 主軸控制
主軸電機採用交流變頻控制電機,由變頻器進行控制,轉速范圍60~6000r/min。模擬量由基本I/O單元的A0埠輸出0~10V的直流電壓,變頻器根據輸入的電壓變化而輸出相應的轉速。由於模擬主軸電機沒有編碼器,因此在發出轉速命令後,系統無法檢測到主軸的是否運行。為解決這一問題,我們利用變頻器上的功能端子,將其通過參數設置成「到達指令頻率閉合」狀態,並通過PLC檢測此信號,從而實現對電機的運轉進行監控。
2·3 教學功能的附加
本機改造後除保證加工功能和精度外,還要滿足一定的教學功能。所謂的教學功能主要是針對學習數
控系統調試及維修人員而設立的附加功能。該功能通過參數設置及調整PLC程序人為地設置故障,讓學生通過故障現象先判斷故障種類,再分析故障產生的原因,直至排除故障。通過這種實訓,學生可全面學習工業現場可能出現的故障現象,掌握故障排除方法,提高學生解決現場問題的綜合能力。
3 結束語
我國現有機床中,近幾年急需技術改造的約佔25%,這將蘊藏著無限商機。機床改造主要是採用數控和計算機控制技術,我國數控機床發展和機床數控化改造應緊跟世界潮流,發展多軸聯動數控系統,開發高速、高精度、高效加工中心等關鍵技術,向智能化方向發展
㈡ 教教我關於數控車床智能化的畢業論文怎麼寫急
數控車床智能控制系統的研究 摘要:針對目前現有數控車削加工過程中加工、測量、編程相互分離,導致生產效率低,智能化和自動化程度不高以 及對機床操作人員要求較高的現狀和不足,對數控車床智能控制系統的研究進行了綜述。 關鍵詞:車床數控系統;在線測量; DSP;自動編程 0 引言 從20世紀80年代末以來,國內開始充分利用計 算機的軟體資源來提高數控系統的性能。先後藉助於 MS-DOS和W indows操作系統平台來開發基於個人計 算機(PC)的新一代數控系統[1]。 一般系統採用當前先進的PC+NC開放式體系結 構,選用高速DSP作為CPU來完成實時性的NC內 核任務,實現電機實時控制以及在線檢測,而由PC 機來完成非實時性的任務,諸如編程模塊中的圖形信 息提取,通過USB串列通信實現上、下位機信息的 交互[2]。 1 數控車床智能控制系統結構 1·1 數控車床智能控制系統總體體系結構 富的資源和強大的運算能力和下位機DSP實時性強 的特點[3],整套系統功能配置合理,性價比高。系統 功能結構如圖1所示。 1·2 系統工作流程 詳細的系統工作流程如圖2所示。 2 測量系統 通過引入測量系統,提高了數控車床的精度、生 產效率和自動化程度,同時基於測量的加工路徑規劃 功能使得數控車床的加工操作更加簡便,使數控車床 具有了智能性。 2·1 測量的實現 測量實現的物理基礎:工件為不透明物體,當有 光發射、接收元件組成的測量裝置掃過其輪廓時,顯 然在工件輪廓外光不被遮擋,接收元件可收到光;在 工件輪廓內光將被擋住,接收元件接收不到光,因 此,工件的輪廓位置可以由光的有無變化,進而由傳 感器轉化為電壓的高低變化,來探測確定。如圖3所 示。 2·2 測量方法 測量要完成的任務是要確定工件坐標系的原點位 置以及工件輪廓尺寸信息,並根據尺寸信息分析出刀 具參數信息,實現刀具補償值的自動修正。 測量步驟如下: (1)數控機床啟動後刀架先回機床零點,並通 過換刀命令使測量裝置處於工作位置,即測量裝置面 向待加工件。 (2)確定工件坐標系原點在機床坐標系中的位 置。 (3)工件尺寸的測定,可以確定任何位置處工 件的輪廓尺寸信息。 (4)測量結束後,刀架返回換刀點,通過換刀 命令使刀架轉位,使下一工序使用的刀具處在工作位 置處,然後進行正常切削加工即可。 3 上位機(PC)功能的設計與實現 3·1 國內外研究現狀 自動編程系統一般分為對話式數控語言編程系統 和圖形交互自動編程系統。國際上流傳最廣、影響最 深的數控編程語言是APT語言,但隨著計算機圖形 編程和CAM軟體的發展, APT語言已逐漸被淘汰。 隨著計算機技術的迅速發展,計算機圖形處理能 力有了很大增強,一種新的編程技術——— 「圖形交 互自動編程」便應運而生。圖形交互自動編程系統 以機械計算機輔助設計(CAD)軟體為基礎,利用 CAD軟體的圖形編輯功能將零件的幾何圖形繪制到 計算機上,形成零件的圖形文件,然後調用數控編程 模塊,採用人機交互的方式在計算機屏幕上指定被加 工的部位,再輸入相應的加工參數,計算機便可進行 必要的數學處理並編制數控加工程序,同時在計算機 屏幕上顯示刀具的加工軌跡。這種編程方法具有速度 快、精度高、直觀性好、使用簡便、便於檢查等優 點,現已成為目前國內外先進的CAD/CAM (計算機 輔助製造)軟體所普遍採用的數控編程方法。 國外的圖形自動編程系統起步較早,且發展迅 速,有些產品已經獲得了較廣泛的應用。如美國 AUTO-CODEMECHANICAL公司的AUTO-CODE圖形 自動編程系統,德國OPEN MIND公司的hyperMILL 數控機床(加工中心)圖形自動加工系統,英國 Pathtrce公司的EdgeCAM forMDT數控自動編程系統 和美國的MERRYMECHANICAL公司的SPM-81TM鈑 金CAD/CAPPICAM系統等。以上系統大都採用美國 Autodesk公司的AutoCAD或MDT (Mechanical Desk- top)作為開發平台和造型工具進行開發。 國內的圖形自動編程軟體的開發起步較晚,但近 幾年發展較快。通用系統有北京華正公司的CAXA制 造工程師系列軟體191,北京清華京渝天河公司的 PCAutoCAM系統等;另外大多數為專用數控編程系 統,如北京市機電研究所的VMC-750主軸箱體自動 編程系統,重慶ONLYSOFT的線切割自動編程系統 等。 圖形自動編程系統是高效的數控編程手段,是數 控系統向集成化、智能化發展的必要環節,是當今數 控編程技術發展的主要潮流之一,是CAD/CAM研究 的重要領域。國外自動編程軟體價格非常昂貴,國內 許多中小企業仍然採用繁瑣、復雜、效率低的手工編 程。為此,在PC機上研究並開發數控車床自動編程 系統,能夠實現CAD/CAM的集成。使系統具有讀取 DXF文件、自動生成NC代碼、二維模擬等功 能[4-5]。建立切削參數資料庫,使自動編程系統可以 得到合理優化的切削用量,實現了整個系統信息集 成。 3·2 系統的總體框架結構與工藝流程 系統框架結構如圖4所示,它主要包括AutoCAD 圖形生成、提取圖形數據信息、工藝干預、NC代碼 生成、動態校驗和數控加工程序輸出6個功能模塊。 機,主軸電機、刀架電機以及機床操作面板和機床 上開關I/O等。此外,還有測量介面電路。考慮到系 統可控制伺服的要求,控制介面要求有D/A輸出和 脈沖串輸出,同時有接受正交編碼器的QEPI介面。 系統通過USB介面與PC機實現通訊,通過PC的豐 富功能實現系統的自動工藝規劃、自動編程以及友好 的操作界面[6]。完成系統從CAD圖形———工藝規 劃———刀軌規劃———編程後處理———數控加工的完整 過程。 4·1 硬體結構框圖(圖5) 4·2 軟體實現 如圖6所示,系統功能模塊分為串列通訊、預處 理、加減速、軌跡插補、伺服輸出、刀具補償等分功 能模塊,並通過加工信息緩沖區、軌跡緩沖區、插補 緩沖區交換信息,順序進行最終驅動電機運行。 5 結束語 通過對數控車床智能控制系統的研究進行綜述, 得到以下結論: (1)採用PC+DSP運動控制卡開放式體系結構, 面向用戶的上位機(PC)界面友好,功能強大[7]。 用於電機控制的下位機(NC)採用DSP,實時性強。 上下位機採用USB串列通信。系統具有開放性、可 擴展性和模塊化的特點。 (2)現有的數控系統和測量系統功能是相互分 離的,而且其僅用於工件定位、尺寸測量等固定 能,沒有實現和數控系統的有機結合。本文提出一種 新型基於在線測量的數控系統,可以將測量信息直接 反饋到控制系統,由其實現刀具加工路徑的智能規 劃,減少機床操作人員對加工過程的干預。 (3)該系統的基於在線測量的車削加工路徑智能 規劃及自動編程功能,將極大簡化數控車床操作,減 輕數控車床操作工人的勞動強度,提高設備生產率。 (4)該控制系統方案既可用於改造傳統普通車 床,也可與新一代的經濟型數控車床配套使用,符合 我國當前國情,能給製造企業帶來可觀的經濟效益, 具有十分廣闊的應用前景和市場價值。 參考文獻 【1】毛軍紅,李黎川,吳序堂·機床數控軟體化結構體系 [J]·機械工程學報, 2000, 36 (7): 48-51· 【2】Tao Cheng, Jie Zhang, et al·IntelligentMachine Tools in a Distributed Network Manufacturing Mode Environment [J]·The International Technology, 2001, 17: 221-232· 【3】J·Zuo, Y·P·Chen, et al·Building Open CNC Systems with Software IC Chips Based on Software Reuse [ J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2000, 16: 643-648· 【4】Mark·T·Hoske·New CNC Controller is『Fully Open』 ControlEngineering, 1996, 43 (15): 69-70· 【5】R·E·Chalmer·Open-architecture CNC Continues Advan- cing [J]·Manufacturing Engineering, 2001, 126 (7): 48-52· 【6】王太勇,等·分布式智能協作體系結構構建集成化開 放結構數控系統的研究[J]·機械科學與技術, 2004 (12)· 【7】Y·Altintas·MolarCNC Design for IntelligentMachine Tools [J]·Annals of the CIRP, 1994, 43 (1)·
㈢ 數控機床改造論文
在我國，數控技術與裝備的發展亦得到了高度重視，近年來取得了相當大的進步。特別是在通用微機數控領域，以PC平台為基礎的國產數控系統，已經走在了世界前列。但是，我國在數控技術研究和產業發展方面亦存在不少問題，特別是在技術創新能力、商品化進程、市場佔有率等方面情況尤為突出。在新世紀到來時，如何有效解決這些問題，使我國數控領域沿著可持續發展的道路，從整體上全面邁入世界先進行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數控研究開發部門和生產廠家所面臨的重要任務。
為完成此任務，首先必須確立符合中國國情的發展道路。為此，本文從總體戰略和技術路線兩個層次及數控系統、功能部件、數控整機等幾個具體方面探討了新世紀的發展途徑。
1 總體戰略
制定符合中國國情的總體發展戰略，對21世紀我國數控技術與產業的發展至關重要。通過對數控技術和產業發展趨勢的分析和對我國數控領域存在問題的研究，我們認為以科技創新為先導，以商品化為主幹，以管理和營銷為重點，以技術支持和服務為後盾，堅持可持續發展道路將是一種符合我國國情的發展數控技術和產業的總體戰略。
1.1 以科技創新為先導
中國數控技術和產業經過40多年的發展，從無到有，從引進消化到擁有自己獨立的自主版權，取得了相當大的進步。但回顧這幾十年的發展，可以看到我們在數控領域的進步主要還是按國外一些模式，按部就班地發展，真正創新的成分不多。這種局面在發展初期的起步階段，是無可非議的。但到了世界數控強手如林的今天和知識經濟即將登上舞台的新世紀，這一常規途徑就很難行通了。例如，在國外模擬伺服快過時時，我們開始搞模擬伺服，還沒等我們占穩市場，技術上就已經落後了；在國外將脈沖驅動的數字式伺服打入我國市場時，我們就跟著搞這類所謂的數字伺服，但至今沒形成大的市場規模；近來國外將數字式伺服發展到用網路（通過光纜等）與數控裝置連接時，我們又跟著發展此類系統，前途仍不樂觀。這種老是跟在別人後面走，按國外已有控制和驅動模式來開發國產數控系統，在技術上難免要滯後，再加上國外公司在我國境內設立研究所和生產廠，實行就地開發、就地生產和就地銷售，使我們的產品在性能價格比上已越來越無多大優勢，因此要進一步擴大市場佔有率，難度自然就很大了。
為改變這種現狀，我們必須深刻理解和認真落實「科學技術是第一生產力」的偉大論斷，大力加強數控領域的科技創新，努力研究具有中國特色的實用的先進數控技術，逐步建立自己獨立的、先進的技術體系。在此基礎上大力發展符合中國國情的數控產品，從而形成從數控系統、數控功能部件到種類齊全的數控機床整機的完整的產業體系。這樣，才不會被國外牽著鼻子，永遠受別人的制約，才有可能用先進、實用的數控產品去收復國內市場，打開國際市場，使中國的數控技術和數控產業在21世紀走在世界的前列。
1.2 在商品化上狠下工夫
近幾年我國數控產品雖然發展很快，但真正在市場上站住腳的卻不多。就數控系統而言，國產貨仍未真正被廣大機床廠所接受，因此出現國產數控系統用於舊機床改造的例子較多，而裝備新機床的卻很少，機床廠出產的國產數控機床大多數用的都是國外的系統。這當然不是說舊機床的數控化改造不重要，而是說明從商品的角度看，我們的數控系統與國外相比還存在相當大的差距。
影響數控系統和數控機床商品化的主要因素除技術性能和功能外，更重要的就是可靠性、穩定性和實用性。以往，一些數控技術和產品的研究、開發部門，所追求的往往是一些體現技術水平的指標（如多少通道、多少軸聯動、每分鍾多少米的進給速度等等），而對影響實用性的一些指標和一些小問題卻不太重視，在產品的穩定性、魯棒性、可靠性、實用性方面花的精力相對較少。從而出現某些產品鑒定時的水平都很高，甚至也獲各種大獎。但這些高指標、高性能的產品到用戶哪兒卻由於一些小問題而表現不盡人意，最後喪失了信譽，打不開市場。這說明，高指標、高性能的樣機型的產品離用戶真正需要的實用、可靠的商品是有相當大的距離的，將一個高指標、高性能的產品變為一個有市場的商品還需作出大量艱苦的努力。
另一方面，數控系統和數控機床不像家電類產品那樣易於大批量生產，應用環境也不那麼簡單。數控產品是在生產環境中使用，面臨的是五花八門的工藝問題。如果開發部門對這些問題掌握得不透，就難以將產品設計得很完善。而且數控產品的某些問題在開發、試用，甚至鑒定時都難以發現。這就造成，同樣型號的數控機床在有的用戶那兒運行得很好，而在別的用戶那兒卻表現欠佳。或者同樣型號的數控機床用於加工某些零件工作得很好，但用於加工其他零件時卻不盡人意。出現這種情況，有時是用戶操作人員的水平問題，但有時就是數控產品本身潛在問題的暴露。為解決這一問題，國外一些公司設立了專門機構來測試考驗自己的產品，如為考驗新開發的數控系統，廠家自己設計和從生產實際中收集了大量零件程序，讓數控系統運行各種各樣的程序，一旦發現問題，即立即反饋給開發部門予以解決。經過這樣的測試考驗過程後，數控系統的潛在問題就大為減少。以往，我們的產品就很少進行這樣嚴格的全面的自我測試考驗。好些問題要等到用戶去給我們挑出來。這樣，即使一個小問題也將嚴重影響國產數控產品的聲譽。
因此，我們應充分重視上述問題，在商品化上切實狠下工夫，將其作為數控產業的主幹來抓，貫穿於技術研究、產品開發、試制、生產等的全過程中，從而將我們已有的技術水平較高的數控產品變成真正有市場的好商品。
1.3 將管理和營銷作為產業發展重點
經過20來年市場風雨的沖擊，國人已越來越認識到，技術固然重要，但在市場經濟的環境下，要在激烈的全球競爭中獲勝，管理和營銷就顯得更為重要。例如，我國台灣生產的數控機床不但佔領了大陸市場的相當大的份額，而且還打進了美國市場。是台灣數控機床的技術和質量超過美國了嗎？顯然不是。那他們靠的是什麼？重要的一條就是在企業管理和產品營銷上下了工夫。而我們長期以來把主要精力放在開發技術和提高水平上，忽視了經營管理、市場開拓、產品營銷等方面的工作，結果在新技術、新產品開發出來以後，在產品質量提高以後，企業仍然處於產品銷售不暢的困境〔1〕。國內外的經驗說明，數控產品的競爭力不僅取決於技術，更取決於經營管理能力和營銷能力。
因此，從現在起我們應將管理和營銷作為產業發展重點，真正擺脫計劃經濟時代所遺留下來的思維方式和工作習慣的束縛，建立適應市場的高效、靈敏的運行機制和有效的激勵機制。通過這種機制，一方面切實加強企業管理，激發企業負責人和廣大職工的負責精神、創造精神和獻身精神，努力提高產品的競爭能力；另一方面充分調動企業內外、行業內外一切積極因素，大力加強市場開拓力度，奮力打通營銷渠道。可以堅信，有過硬競爭力的產品，再加上北京開關廠那樣的「找、掙、鑽、搶」精神，我們就一定能在市場競爭中取得勝利。
1.4 大力加強技術支持和服務
數控系統和數控機床作為典型的高技術產品，對用戶的技術支持和服務是相當重要的。以前國產數控產品喪失信譽的原因，除可靠性問題外，另一大問題就是缺乏有力的技術支持和服務。用戶花了很多錢買的數控機床或數控系統，一旦出現問題卻叫天天不應，叫地地不靈，以後誰還敢買我們的產品。因此，應將對用戶的技術支持和服務當成重要的日常工作來抓，使我們在市場上向縱深挺進時，有一個強大後方。因此，為了取得數控產品市場競爭的全面勝利，必須建立以技術支持和服務為核心的強大後方。當然，為贏得主動，後方也須主動出擊。目前，利用先進的信息技術手段（如網路和多媒體），將為建立新一代立體化的技術支持和服務體系開辟新的途徑。
1.5 堅持可持續發展道路
可持續發展是下一世紀企業發展的重要戰略，我國數控產業要有大的發展也必須堅持走可持續發展的道路。綠色是實現可持續發展的重要途徑，其主要思想是清潔和節約。為此應大力加強綠色數控產品的開發，加速促進數控產品、數控產業以及整個製造業的綠色化，主要戰略措施應考慮以下幾方面：①有效減少產品製造及使用過程中的環境污染。如減少數控機床的鑄件結構，消除鑄造對環境的污染；將數控機床主軸的潤滑以油氣潤滑、噴油潤滑等取代油霧潤滑，減少對生產環境的污染；在精密數控機床及其運行環境的溫度控制中取消氟利昂製冷的恆溫技術；以電傳動代替機械傳動，減少雜訊污染。②大幅度降低資源消耗和能源消耗。如以軟體代替硬體，從而減少硬體製造的資源和能源消耗及污染，並減少產品壽命結束後硬體裝置的拆卸回收問題；以永磁驅動代替感應驅動，提高效率和功率因數，節約能源；以電傳動代替機械傳動，提高效率，減少能源消耗。③加強用數控技術改造傳統機床。這既符合運用信息技術和自動化技術改造傳統產業，使傳統產業生產技術和裝備現代化這一產業可持續發展的目標得以實現，又可取得巨大的經濟效益。我國擁有普通機床數百萬台，加強用數控技術改造傳統機床將成為下世紀我國數控領域的重要發展方向。④大力發展綠色數控機床。綠色數控機床應是材料消耗少、能耗低、無污染，壽命長且便於拆卸回收的新型機床。例如，以並聯結構代替串聯結構就是開發綠色數控機床的一條途徑，這是因為並聯結構機床消耗的金屬材料僅為常規串聯結構機床的幾分之一，其加工量也比常規機床大幅度減少，特別是消除了大型結構件的鑄造，這將顯著降低機床製造過程中的能源消耗和對環境的污染。此外，並聯結構機床有利於採用電傳動，效率高，可有效降低使用中的能源消耗。
國際標准化組織制定了ISO14000環境管理標准，全球環境問題「法律化」的趨勢正在進一步發展，可持續發展將成為企業通向國際市場的通行證〔2〕。因此，我們的數控產品要在下一世紀走向國際市場，我們的企業就必須「從我做起，從現在做起」。
2 技術途徑
2.1 發展具有中國特色的新一代PC數控系統
數控系統是各類數控裝備的核心，因此通過科技創新首先發展具有中國特色的新型數控系統，將是推動數控產業化進程的有效技術途徑。
實踐證明，10年來我們所走的PC數控道路是完全正確的。PC機（包括工業PC）產量大、價格便宜，技術進步和性能提高很快，且可靠性高（工業PC主機的MTBF已達30年〔3〕）。因此，以其作為數控系統的軟硬體平台不但可以大幅度提高數控系統的性能價格比，而且還可充分利用通用微機已有軟硬體資源和分享計算機領域的最新成果，如大容量存儲器、高解析度彩色顯示器、多媒體信息交換、聯網通訊等。此外，以通用微機作為數控平台還可獲得快速的技術進步，當PC機升級換代時，數控系統也可相應升級換代，從而長期保持技術上的優勢，在競爭中立於不敗之地。
目前，PC數控系統的體系結構有2種主要形式：（1）專用數控加PC前端的復合式結構；（2）通用PC加位控卡的遞階式結構。另外還有一種正在發展的數字化分布式結構。其方案是將由DSP等組成的數字式伺服通過以光纜等為介質的網路與數控裝置連接起來，組成一完整的數控系統。這種系統雖然性能很好，但由於開發和生產成本太高，近期難以被國內廣大用戶所接受。我們認為，上述結構並不是符合中國國情的最好方案，適合中國國情的應是將所有數控功能全軟體化的集成式結構，因為這種結構的硬體規模最小，不但有利於降低系統成本，而且更重要的是可以有效提高系統的可靠性。
幾十年的經驗表明，可靠性好壞是國產數控系統能否發展的關鍵。雖然影響數控系統可靠性的因素很多，但過大的硬體規模和較低的硬體製造工藝水平往往對可靠性造成最大的威脅。以往，國產數控系統在總體設計時由於種種原因的限制，不得不選用技術指標不太高的普通CPU，這樣，為完成數控的復雜功能往往需要由多個CPU來組成系統，有時還需另加一些專用或通用硬體電路來實現數控系統的一些高實時性功能（如細插補、位置伺服控制等），從而造成系統硬體規模龐大。對於數控系統這種批量不大的產品，在國內現有工藝條件下，很難從硬體製造的角度保證系統的可靠性，因而使得國產數控系統在生產現場的表現不佳，對國產數控系統的形象和聲譽造成嚴重影響，使得不少用戶現在還心有餘悸。
因此，我們在開發新型數控系統時，應優先選用新型高性能CPU（如高主頻的Pentium II、Pentium III等）作為系統的運算和控制核心，並盡量用軟體來實現數控的所有功能。這樣，可大幅度減小系統硬體的規模。此外，還應在軟體設計、電源設計、接插件設計與選用、接地與屏蔽設計和施工等方面採用強抗擾高可靠性設計與製造技術，從而全面提高系統的可靠性。
由於一個新型高性能CPU可以代替數十個普通CPU（如80286、80386等），因此，在基於高性能CPU的PC平台上不僅可以完成數控系統的基本功能（如信息處理、刀補計算、插補計算、加減速控制等）和開關量控制功能（內裝PLC），而且還可以完成伺服控制功能。這樣，以前由DSP完成的數字化伺服控制功能（如位置控制、速度控制、矢量變換控制等）均可由PC中的CPU完成，從而實現內裝式伺服控制，這不僅有效縮小了數控部分的硬體規模，而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬體規模。
這種具有內裝PLC和內裝伺服控制的全軟體化集成式數控系統，其硬體規模將達到最小化，整個數控系統除一個PC平台外，剩下的只有驅動機床運動的功率介面和反饋介面。這既有效提高了系統可靠性，又消除了信息傳遞瓶頸，提高了系統性能，同時還可顯著降低系統成本，使系統（包括電機）售價將可降至現有數控系統的一半左右。顯然，這種高性能、高可靠性、低成本的新型數控系統將具有極強的競爭力，有望為開創中國數控的新局面作出貢獻。
此外，集成化PC數控系統還有一大優點，就是容易實現開放式結構。這是因為，這種系統的硬體本身已經是完全開放的，構成開放式數控系統的工作完全在軟體上，只要制定好標准和協議，從信息處理、軌跡插補、加減速控制、開關量控制到伺服控制都可以實現開放，從而可大大方便用戶的使用。
2.2 推進數控功能部件的專業化生產
解決數控系統問題後，如何實現數控機床的模塊化設計與製造便是我國機床製造企業快速響應市場需求，在競爭中獲勝的另一關鍵。要實現數控機床的模塊化設計製造，必須解決數控機床功能部件的專業化生產問題。目前我國在這方面離實際需求還有相當大的差距。因此，在今後的若干年內，我們必須大力促進數控機床功能部件的開發和專業化生產。其要點如下：
(1)新型永磁電主軸單元 電主軸已成為國際市場上最熱門的數控機床功能部件。但目前這類產品幾乎都為感應非同步型，存在以下突出問題：①轉子上存在繞組，有大電流流過，因此轉子發熱嚴重，直接影響主軸精度；②低速出力小且轉矩脈動大，難以滿足寬范圍切削要求；③效率和功率因素低，不僅電機體積和重量大而且要求逆變器容量大、耗能多；④控制系統復雜、成本高。
因此，利用我國稀土永磁材料的優勢，開發新型大功率、高效率、寬調速范圍永磁同步型交流電主軸單元，將可有效解決現有電主軸存在的問題，形成具有中國特色的新一代電主軸產品。由於永磁電主軸的機械結構和控制系統都較感應非同步型電主軸簡單，因此易於進行專業化大規模生產。當然，這還要攻克主軸支承（陶瓷軸承、流體動靜壓軸承、磁懸浮軸承）技術、高精度高速動平衡技術、高速驅動、檢測與控制技術、高可靠性安全保證技術等關鍵技術。
(2)廉價的高性能伺服系統 目前，一套進給交流伺服系統（驅動器+電機）的價格一般都在萬元以上，主軸伺服系統的價格高達數萬元，已成為降低國產數控機床成本的一大障礙。因此，應配合新型集成化國產數控系統的發展，大力開發廉價的高性能內裝式伺服系統。由於內裝式伺服的硬體部分只有電機和功率介面，充分利用我國的永磁資源優勢，通過專業化生產可以把電機的造價降下來，而採用智能化的IPM模塊作為功率介面也很便宜，因此將內裝式進給伺服的價格控制在數千元以內，將內裝式主軸伺服的價格控制在2萬元以內，將是完全可能的。
(3)直線交流伺服系統 直線交流伺服系統是下一世紀數控機床不可缺少的功能部件，目前我國還沒有成熟產品，因此應加強研究、開發和推廣應用。考慮到常規機床的防磁問題較難解決，而並聯機床的防磁相對容易，因此可為常規結構機床開發感應非同步型直線電機，為並聯結構機床開發永磁同步型直線電機，從而揚長避短，構成符合實際應用要求的新型高速高精度進給系統。在此基礎上，可進一步開發將驅動與支承合二為一的磁懸浮工作台。
(4)零傳動數控轉台與擺頭 數控轉台與擺頭是多坐標數控機床的關鍵部件，傳統的採用高精度蝸桿蝸輪等傳動的轉台與擺頭不僅製造難度大、成本高，而且難以達到高速加工所需的速度和精度，因而必須另闢蹊徑開發新型零傳動（無機械傳動鏈）數控轉台和擺頭，以促進我國高速高精度多坐標數控機床的發展。
(5)高速高精度檢測裝置 高速高精度是下世紀數控機床發展的主題，這不但需要高性能的控制和驅動，同時還需要高品質的檢測環節，因此應在現有技術基礎上，進一步開發0.1 μm以上精度的高速(60 m/min以上)線位移感測器和100萬脈沖/r的角位移感測器，此類技術國外對我國是封鎖的。
2.3 加速數控機床的全國產化，打好市場翻身仗
數控產業化的最終成功將體現在數控機床的全國產化和市場佔有率上。在上述總體戰略指導下，採取抓兩頭（低價位數控機床和高速高效數控機床）、帶中間（普通數控機床）、促重型（重型關鍵裝備）的方針，將是在國內市場上快速收復失地，在國際市場上穩步進軍，最終打贏國產數控機床市場翻身仗的一種有效戰術和策略。關於普通數控機床的發展已有許多文章作了專門論述，因此下面僅就低價位數控機床、高速高效數控機床和重型數控機床的發展問題作一討論。
(1)大力發展低價位數控機床 低價位機床是功能滿足用戶要求(無功能浪費)、技術指標適中、可靠性好、價格便宜的普及型數控機床。這類機床已成為國際市場上數控機床的發展趨勢之一，也是國內眾多用戶渴求的產品，其市場前景相當廣闊。然而，如果採用國外數控系統（包括伺服）按照傳統思路來發展低價位機床，是很難將價格降至廣大用戶所能接受的水平的。因此，採用本文提出的新型集成化國產數控系統來發展高性能的低價位數控機床，將是一條最有希望成功的道路。只要有一定批量，由此構成的全國產普及型數控車床的售價完全可以控制在10萬元以內，三坐標數控銑床可控制在15萬元左右，加工中心可控制在20萬元左右。此價位的國產數控機床將是具有較強競爭力的。
(2)加速開發高速高效數控機床 高速高效是數控機床發展的另一大潮流。發展高速高效數控機床的技術途徑可有以下幾條：①通過提高切削速度和進給速度，從而達到成倍提高生產效率，有效提高零件的表面加工質量和加工精度並解決常規加工難以解決的某些特殊材料（如鋁鈦合金、模具鋼、淬硬鋼）和特殊形狀零件（如復雜薄壁零件）的高效加工問題。②通過工藝復合，減少工件的安裝次數，有效縮短搬運和裝夾時間。例如，將五面五軸加工中心與立車復合構成萬能加工中心，可實現一次裝卡完成零件的大部分（或全部）加工。③採用高速高精度圓周銑加工孔和以螺旋軌跡插補實現不鑽底孔的直接攻絲等新加工方法，大幅度減少換刀次數，提高加工效率。④為數控機床開發智能尋位加工功能，消除對精密夾具和人工找正的依賴，有效縮短單件小批加工的准備時間。
在我國現實條件下如果沿用傳統思路是難以實現上述途徑的，因此，必須立足國情，結合實際勇於創新，大膽探索新的道路。 考慮到常規數控機床在總體結構上基本上採用工件和刀具沿各自導軌共同運動的方案，一方面由於機床傳動環節剛性不足和導軌中的摩擦阻力較大，使運動部件難以獲得高的進給速度；另一方面由於工件、夾具和工作台的總質量比較大，使之難以獲得高的加速度。此外，傳統機床結構是一種串聯開鏈結構，組成環節多、結構復雜，並且由於存在懸臂部件和環節間的聯接間隙，不容易獲得高的總體剛度，因此難以適應高速高效加工的特殊要求。為此，開發國產高速高效數控機床時，可採用工件固定，以直線電機組成並聯短鏈直接驅動主軸和刀具運動、將高速高精度傳動與高剛度支撐合二為一的適合於高速高效加工中心的新型結構。採用該結構的高速高效數控機床不但速度高、剛度高，如果在傳動與控制上處理得當，可以達到比常規機床更高的加工精度和加工質量，而且具有機械結構簡單，零部件通用化、標准化程度高，製造成本低，易於經濟化批量生產等顯著優點。因此，沿此思路發展高速高效數控機床將是一條符合國情、易於取得成功的道路。
(3)突破重型數控機床的設計製造技術 重型數控機床（特別是多坐標重型數控機床）是國民經濟和國防生產中的重大關鍵設備，屬於戰略物資，真正先進的重型數控機床國外是不可能賣給我們的，因此，在我國下世紀數控產品的發展中必須依靠自己的力量進行解決。發展重型數控機床必須有過硬的基礎，我們在數控機床國產化的進程中應不斷總結經驗，加強基礎技術和關鍵技術研究，充分發揮我國產學研相結合的優勢，各部門通力合作、共同努力，爭取在下世紀初取得突破性進展。
目前，在發展重型數控機床中除需加強基礎理論研究外，還應加強其關鍵技術研究。例如，重型機床的控制就是需要加以特殊解決的關鍵問題。因重型機床加工的工件特別昂貴不允許報廢，為了確保機床工作可靠，在數控系統中可採用雙（或多）CPU冗餘工作方案，以確保運算和控制的絕對正確，並在出現故障時自動診斷、自動修復或自動替補，確保加工不出問題。此外，在電源上可採取雙蓄電池供電的全隔離供電方案，即一組電池在給系統供電時，可對另一組電池進行充電，電網與控制系統是完全隔離的。這就徹底消除了重型車間中電網電壓波動厲害、干擾嚴重對數控系統造成的影響，從而有效保證系統的可靠性。又如，重型數控機床的驅動也是一大關鍵問題。當行程長度超過5 m，普通滾珠絲桿就難以勝任大負荷的傳動，因此目前一般採用預加負載的雙齒輪-齒條機構、靜壓蝸桿-蝸母條機構、四足（或雙足）爬行進給機構等來實現長行程傳動。但這些方案存在結構復雜、速度和加速度低、動態性能差、難以達到高精度、維護保養復雜等問題。為此可發展陣列式高效直線電機直接驅動技術和空間並聯機構驅動技術，以新的途徑來解決重型數控機床的高速、高精度驅動問題。除此之外，機床結構的優化設計、長行程精密檢測、重力變形補償、切削力變形補償、熱變形補償等也是重型數控機床中必須解決的關鍵問題，必須予以充分重視。
3 結語
制定符合中國國情的總體發展戰略，確立與國際接軌的發展道路，對21世紀我國數控技術與產業的發展至關重要。本文在對數控技術和產業發展趨勢的分析，對我國數控領域存在的問題進行研究的基礎上，對21世紀我國數控技術和產業的發展途徑進行了探討，提出了以科技創新為先導，以商品化為主幹，以管理和營銷為重點，以技術支持和服務為後盾，堅持可持續發展道路的總體發展戰略。在此基礎上，研究了發展新型數控系統、數控功能部件、數控機床整機等的具體技術途徑。
我們衷心希望，我國科技界、產業界和教育界通力合作，把握好知識經濟給我們帶來的難得機遇，迎接競爭全球化帶來的嚴峻挑戰，為在21世紀使我國數控技術和產業走向世界的前列，使我國經濟繼續保持強勁的發展勢頭而共同努力奮斗！
作者簡介
周 凱 男，1954年生。清華大學（北京市 100084）精密儀器與機械學系副教授、工學博士。主要從事數控技術、機電控制工程、製造科學與製造系統等方面的研究工作。取得科研成果15項。發表論文70餘篇。
參考文獻
1 楊皖蘇，嚴鴻和.機械科學與技術,1997，26(4):1～6
2 陳玉祥.中國機械工程, 1998，9(5):1～4
3 周延佑.中國機械工程,1998，9(5): 5～24
㈣ 數控機床改造論文
數控機床改造論文對數控機床的改造進行闡述，並對數控機床改造的特點和常用方法研究。
數控機床改造論文【1】
【摘要】數控機床的改造在機械加工行業中應用越來越廣,近年來用戶對數控機床的認知能力進一步提高,對此需求也進一步增加，機床數控化改造成為新的經濟增長行業。
【關鍵詞】數控;機床;數控化改造;特點和方法
1 機床數控化改造分析
一台舊設備使用到一定年頭後，必然會故障頻繁發生、維修困難、生產效率降低、加工精度不穩定、甚至完全停機。
對這樣的設備是採取徹底報廢、還是經過中大修數控改造?做出這種決定之前，首先要對現有設備的剩餘使用價值作出評估。
例如一台加工中心，主要構成的機電部件有：①CNC系統及操作子系統;②伺服系統(包括電動機);③機床電氣;④機械本體(床身、立柱、導軌和絲杠等);⑤刀庫機械手系統;⑥自動工作台交換系統(APC)等。
每一個子系統根據實際情況，都可以作出相應剩餘使用價值評估。
例如根據伺服系統的磨損程度，如果繼續留用，應考慮整修後還有50%以上剩餘價值;但考慮到新更換數控系統的匹配及追求好的伺服特性，即使舊的伺服系統沒有完全損壞，或預計繼續使用壽命不會太長，也可考慮徹底更換。
機械部件的剩餘價值一般都占較高比例，多項工程實踐表明，一台高質量機床的機械大件磨損是有限的。
例如改造過的70年代美國卧式加工中心，X方向行程1台為1.5m、1台為2.5m，導軌的直線度和扭曲都能調整到0.008mm/1000mm，導軌本身沒有進一步修磨。
機械手刀庫部件易損件集中在幾個零件上(如手爪、插銷等)，即使重新更換花費也不多，因此機械部件都佔有較高剩餘價值。
2 數控機床改造的特點
2.1 投資額少、交貨期短同購置新機床相比,一般可以節省60 % - 80 %的費用,改造費用低,特別是大型、特殊機床尤其明顯。
一般大型機床改造,只是新機床購置費用的1/ 3 。
即使有些特殊情況,如高速主軸、托盤自動交換裝置的製造與安裝過於費工、費錢,改造成本也高2 - 3倍,但與購置新機床相比,也能節省投資50%左右。
另外可以根據實際情況進行針對性的改造，交貨期縮短。
2.2 機械性能穩定可靠 所利用的床身、立柱等基礎件都是重而兼顧的鑄造構件,而不是那種焊接構件,改造後的機床性能高、質量好,可以作為新設備繼續使用多年。
2.3 熟悉了解設備、便於操作維修 購買新設備時,不了解新設備是否滿足其加工要求。
改造則不然,可以精確地計算出機床的加工能力,另外,由於多年使用,操作者對機床的特性早已了解,在操作使用和維修方面培訓時間短,見效快。
改造的機床一安裝好,就可以實現全負荷運轉。
2.4 可採用最新的控制技術可根據技術革新的發展速度,及時地提高生產設備地自動化水平和效率,提高設備和檔次,將舊設備改成當今水平的機床。
充分利用現有的條件可以充分利用現有地基,不必像購置新設備時那樣需要重新構築地基。
因此可節約費用,降低改造成本,同時也可縮短生產准備周期。
3 提高數控機床改造精度的常見方法
數控機床在設計上要達到高的靜動態剛度,運動副之間的摩擦系數小、傳動無間隙、功率大、便於操作和維修。
機床數控改造時應盡量達到上述要求,還應對主要部件進行相應的改造使其達到一定的設計要求,才能獲得預期的改造目的,常見的機床改造方法如下：
3.1 修復機床導軌精度
導軌的作用是導向與承載。
導軌在空載和在切削條件下運動時,都應具有足夠的導向精度。
是機床幾何精度的基礎,所以,機床在改造時,為了達到預期的精度要求,往往必須修復導軌精度。
對不同形式導軌,大概修理方法如下:
3.1.1 使用環氧型耐磨導軌塗層修復導軌精度:工作台導軌的塗層,就是床身導軌的拓印,它的配合精度必然很高,簡化了工藝,縮短了製造周期。
應用於機床改造更為便利,效果顯著。
3.1.2 鑄鐵導軌:鑄鐵導軌的精加工是用刮削的方法得到的,刮研顯點為18 ―25 點/ 平方厘米,同時,必須保證潤滑的可靠性。
這樣才能盡可能的減小摩擦,以及對位置控制精度的影響。
3.2 恢復主軸精度
主軸是主軸組的重要組成部分。
機床工作時,由主軸夾持著工件或刀具直接參加表面成形運動,對加工質量和生產率,有重要影響。
所以,改造時必須修復主軸的精度。
對於精度超差的主軸拆卸以後應對其進行全面檢查,以便確定修理方案。
但大多需要更換主軸軸承、重新調整軸承的間隙調整和預緊。
調整後應進行溫升實驗,溫升超過規定值,應減少預緊量。
當主軸軸承重新裝配好後,用千分表和標准檢驗棒,檢查主軸錐孔中心線是否和主軸的回轉中心重合,如果相差較大,則必須用專用的磨頭,重新磨削主軸錐孔,使其回轉中心同主軸的回轉中心完全重合。
3.3 修復或更換滾珠絲杠
絲杠傳動直接關繫到傳動鏈精度，滾珠絲杠作為當代數控機床進給的主要傳動機構,以其長壽命、高剛度、高效率、高靈敏度、無間隙等顯著特點而得以廣泛應用,成為各類數控機床的重要配套部件。
基本上現代的數控機床都採用了滾珠絲杠,但在改造時,一定要恢復其傳動精度,或乾脆更換新的或更高精度的滾珠絲杠,只有這樣才能保證改造後的定位精度,尤其是在半閉環系統中,絲杠不僅要起到傳動作用,還要起到標尺的作用,編碼器只是測量絲杠的轉數,至於工作台實際行走的距離,相當於開環,只能靠滾珠絲杠本身的精度保證。
3.4 利用精密儀器檢測機床精度
可以結合具體的機床改造過程,利用先進的激光干涉儀測量系統,對機床的定位精度進行測量,並利用球桿儀快速檢查機床精度,診斷誤差來源,自動分析機床精度狀態,檢查出反向間隙、垂直度、直線度、周期誤差、伺服不匹配、傳動鏈磨損等,根據檢測結果,進行必要的分析,再結合資金投入、新技術應用等因素確定必要的改造、修理方案。
在調整機床參數時,尤其是伺服驅動參數,可根據球桿儀的檢測結果,進行系統優化,使機床參數更合理,系統更穩定。
在改造完成後,利用激光干涉儀對定位精度進行測量,並根據情況進行適當的補償,可以大大提高機床的定位精度和加工精度。
3.5 減少傳動環節的間隙
一般機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,數控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。
在結構上要能達到無間隙傳動,因而改造時,機床主要齒輪必須滿足數控機床的要求,以保證機床加工精度。
如果進給傳動系統中有蝸輪蝸桿傳動,一定要注意,調整好反向間隙,否則,很可能直接影響機床性能。
另外,如果進給傳動系統中有同步齒形帶,也必須進行適當的調整或更換,尤其是在採用半閉環系統中,若此部分不在控制環內,將直接影響機床的定位精度。
4 結論
為了能夠大幅度提高數控機床改造後的性能,升級為先進的高端機床,有時需要使用高性能和高可靠的新型功能部件。
但往往價格非常昂貴,使用時一定要根據實際情況,慎重選擇。
本文對數控機床改造從實際情況分析入手，對數控機床改造特點和提高改造精度的常見方法進行了較全面的論述,對數控機床改造具有一定的指導意義。
數控機床刀架改造研究【2】
摘 要：隨著機械製造發展，企業為了提高產品效益和質量，對普通機床數字化改造及普通數控機床升級改造愈來愈重視，因此數控機床改造有著廣闊的市場和效益，刀架的改造就是其一。
關鍵詞：電動刀架 數字化改造
一、數控機床刀架改造及方案
數控車床電動刀架是數控車床的重要功能部件，主要完成零件加工過程中的自動換刀。
使機床在一次裝夾中完成多工序的加工，有效的減少刀具多次裝夾帶來的加工誤差，刀架用於夾持切削用的刀具，其結構直接影響機床的切削性能和切削效率。
因此數控車床的刀架選擇的好與壞、效率高與低將直接影響到產品的加工時間和質量，隨著製造業的不斷發展，對自動刀架的功能及性能要求也越來越高，原有的四工位刀架常常不能滿足盤式零件加工要求。
本篇主要介紹如何用卧式六工位電動刀架取代立式四工位刀架，以提高數控機床使用性能。
圖 1-1 所示為數控車床自動回轉刀架機電系統，其中包括控制元件、動力源、傳動裝置、刀架體與檢測裝置。
PMC作為控制裝置，通過程序控制電機的起停與正反轉，電機作為動力源，通過傳動裝置控制上刀體的抬起、下降與轉動，霍爾元件作為檢測元件，檢測上刀體是否到位，到位信號反饋給PMC，共同控制電機的運轉。
下面從機械與電氣兩方面做一說明。
二、刀架選擇及安裝
1.刀架選擇
數控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發展。
目前國內數控刀架以電動為主，分為立式和卧式兩種。
立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用於簡易數控車床;卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉，就近選刀，用於全功能數控車床。
另外卧式刀架還有液動刀架和伺服驅動刀架。
電動刀架是數控車床重要的傳統結構，合理地選配電動刀架，並正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產率，縮短生產准備時間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。
另外，加工工藝適應性和連續穩定的工作能力也明顯提高：尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時，除了控制系統能提供相應的控制指令外，很重要的一點是數控車床需配備易於控制的自動回轉刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活方便地完成各種幾何形狀的加工。
電動刀架已經形成了系列產品，國內許多廠家已有定型產品，如：立式四工位刀架、卧式六工位刀架、八工位刀架、十工位、十二工位刀架等，我們在改造時只需要根據產品加工的工藝要求，選用卧式六工位刀架，如下圖(b)。
2.刀架安裝
與原刀架高度及尺寸相近視，刀架電控系統與原刀架電控系統電平一致，機械參數可以參考同類機床進行類比，中心高不能過高，低了可以用墊板墊;安裝尺寸也要合適，可以採用過渡件安裝。
3.電氣改造及調試
電氣控制部分改造分兩步，線路改造和刀架控制梯形圖的編寫。
3.1電氣部分改造
電氣部分，刀架電機主電路不變，原刀架四個刀位輸入信號地址X2.1、X2.2、X2.3、X2.4中，前三個可作為六工位刀位信號使用，刀架的分度由刀架電動機後端的角度編碼器進行檢測和控制，信號是BCD碼，X2.4可作為刀架加緊信號輸入，需增加X2.6、X2.5兩個輸入點作為刀位選通信號及刀架電機過載保護輸入端，系統其它電氣控制部分不再改動，下圖為改裝後的原理接線圖。
3.2刀架結構及動作分析
經濟型數控車床刀架式在普通車床六方位刀架的基礎上發展的一種自動換刀裝置，其功能和普通六方位刀架一樣：有6個刀位，能夾持六把不同功能的刀具，方刀架回轉60°時，刀架交換一個刀位，但方刀架回轉和刀位號的選擇是由加工程序指令控制的。
下面就以六工位刀架為例來說明其結構與原理，如下圖3.2所示。
3.3刀位信號
3.4自動刀架控制涉及到的I/O信號
PLC輸入信號： X2.1～X2.3：1～6號刀到位信號輸入;X2.4：熱繼電器信號輸入;
X2.5：行程到達信號輸入; X2.6：角度編碼器位置選通信號輸入;
X2.7：電源空開信號輸入; PLC輸出信號： Y2.4：刀架正轉繼電器控制輸出;
Y2.5：刀架反轉繼電器控制輸出。
電動機的正反轉由接觸器KM6、KM7控制，刀架的松開和鎖緊靠微動行程開關SQ1進行檢測，地址為X2.5。
刀架的分度由刀架電動機後端的角度編碼器進行檢測和控制，信號是BCD碼，分別是X2.1、X2.2、X2.3。
刀具位置選通脈沖信號為X2.6。
電動刀塔過載保護輸入信號為X2.4。
選通信號X2.6為1時表示刀架已經旋轉到某個刀位位置，這時的具體刀位號由X2.1、X2.2、X2.3來確定。
3.5電氣設計要求
機床接收到換刀指令(程序的T碼指令)後，刀架電動機正轉進行松開並分度控制，分度過程中要有轉位時間的檢測，檢測時間設定為10s，每次分度時間超過10s系統就發出分度故障報警。
刀架分度並到位後，通過電動機反轉進行鎖緊和定位控制，為了防止反轉時間過長導致電動機過熱，要求電動機反轉控制時間不得超過0.7s。
電動機正反轉控制過程中，還要求有正轉停止延時時間控制和反轉開始的延時時間控制。
自動換刀指令執行後，要進行刀架鎖緊到位信號的檢測，只有檢測到該信號，才能完成T代碼功能。
自動換刀過程中，要求有電動機過載、短路及溫度過高保護，並有相應的報警信息顯示。
自動運行中，程序的T代碼錯誤(T=0或T>7)時相應有報警信息顯示。
3.6控制軟體的設計
電動刀架控制系統軟體執行過程為：換刀系統接收到換刀指令後，系統首先讀取刀號存儲單元中存儲的當前刀位號碼，並將該存儲單元中的刀位號與換刀指令給出的刀位號比較，如果相同，則不需換刀，系統繼續向下執行程序;如果當前刀位號碼與換刀指令給出的刀位號不相同，則PMC的'Y2.4腳輸出高電平控制刀架電機正轉，並不斷檢測刀位到位信號。
當檢測到刀位到位信號後，PMC的Y2.4腳輸出低電平，停止刀架運轉，同時在Y2.5腳輸出高電平，電機反轉，同時啟動定時器(電機反轉的時間必須嚴格控制，時間過短，刀架無法鎖緊，時間過長，會導致電機過載而燒毀)，延時時間一到， Y2.5腳輸出低電平，電機停止旋轉，完成換刀過程。
接下來就要完成FANUC系統PMC刀架控制梯形圖的編制，根據刀架換刀流程及I/O分配地址，完成刀架控制梯形圖的編寫。
對一台特定的數控機床，只要能滿足控制要求，對梯形圖的結構、規模並沒有硬性的規定，我們可以按思路和邏輯方案進行編程。
但理想的梯形圖程序除能滿足機床的控制要求外，還應具有最少的步數、最短的處理時間和易於理解的邏輯關系。
3.7調試
3.7.1順序程序的輸入、調試
3.7.2系統運行
機械選型安裝和電氣設計連接完成後，經過檢查就可以通電試驗，這些工作做完以後，車床刀架的升級改造工作就完成了。
數控機床改造的發展論文【3】
摘 要：近幾年來，隨著我國科技的快速發展，經濟水平的不斷提高，機械的科技水平也有了較大進步，其中數控機床改造也成為了人們較為關注的話題之一。
科學技術的進步同樣也帶動了數控機床的發展，使數控機床技術的運用有了改觀。
文章對數控技術，數控機床進行了簡單介紹，並對其改造情況進行了分析和總結，希望能夠帶來一定借鑒意義。
關鍵詞：數控技術;數控機床;改造
最近幾年來，我國的市場經濟發展迅猛，進步之快令人欣喜，但隨之而來的就是國內、國際市場競爭的白日化，其競爭激烈的程度不言而喻。
日趨激烈的市場競爭力帶來的是中、小批量的生產越來越多，尤其在航空工業中占據的比例更大，甚至達到絕大部分，且零件外形趨於復雜，這也就要求零件的精度更高。
這些要求的日益嚴格，使得傳統機床的工藝漸漸力不從心，無法滿足現代化需求。
在這種情況下，柔性加工變得越發重要，而對數控機床的依賴也越來越大。
想要解決現有狀況的方式通常有兩種，一種是通過購買新的設備來替換老舊設備，從而決絕現有設備無法滿足的缺陷，但這種方法所需的資金比較多，在資金緊張時很難實現。
另一種方法則是改造舊設備，從而獲得數控加工能力，這種辦法有效且節省開支，是目前較好的辦法，這也使得數控機床改造成為了重要的研究課題之一。
1 數控技術與數控機床
數控技術在現代化生產中有著至關重要的作用，現代化生產離不開數控技術，它是生產自動化的核心技術，是實現生產自動化的關鍵所在。
現代化科學在如今的生產中運用廣泛，想要實現生產的全自動化離不開優良的數控技術。
數控技術發展的好壞對現代化機械生產的作用不言而喻，甚至可以說其技術的好壞直接影響著一個國家裝備製造業的水平，同時映射著眾多領域的技術水平。
可見基礎科學的發展離不開數控技術的進步。
數控機床是典型的機電一體化產品，其高效利用解決了很多方面的問題。
在現代化的工廠中離不開數控機床，對於比較復雜、精密、繁多的零件加工，數控機床有著較大作用，是生產的關鍵所在。
柔性、高效能是其特點，更是現代化機床技術發展的大方向。
在航空航天、農業生產以及開采礦產等方面，數控技術都起到重要作用，並帶動了工業的發展。
從根本而言，數控機床就是利用計算技術，將信息代碼用數字的形式表示出來，再通過輸入到數控設備中，通過數控設備發出各種指揮信號，從而控制機床，將一些復雜繁多的問題按照嚴格要求得以解決。
2 數控機床改造的優勢
數控機床的優勢有很多，單從效率方面和合理化方面就可歸納出七點。
以下做詳細介紹。
(1)數控加工的種類較多，小批量生產上有著重要作用，是其自動化的手段。
它的自動化程度較高，並且加工的速度也非常迅速，都是其主要優點。
(2)產品質量是生產最為關注的問題之一，保持穩定的質量和較高的水準是數控加工的優勢。
因為數控加工都是按照提前計算好的數值進行操作和加工的，所以它能夠准確地進行加工並且還可以保證質量的穩定統一。
(3)現代加工中對於一些外形復雜且需要精度的加工是工作的難點問題之一。
數控加工可以有效解決這一方面的困難，並且能夠在加工上保證效率和速度。
(4)裝配的質量和效率依然是加工中所關注的問題之一，數控加工的零件都能夠較好地解決這一方面的問題，並提高了零件裝配的互換性。
(5)生產管理也在其作用下有了較好的發展，由於其加工時間固定，工作穩定，所以管理上也較為便捷，並未計算機集成製造系統的使用起到良好效果。
(6)在人工操作上，其有效利用可以減少勞動力，並提高工作準確度，提高產品質量。
(7)與人工加工相比，其優勢在於可以連續加工，使加工不間斷，在減少人工的同時，又縮短了工期，提高了效率。
3 數控機床改造技術的發展趨勢
近些年來數控機床有了較快的發展，其外形和功能上也有了顯著提高。
具體來說，在上世紀五十年代的時候，誕生了第一台數控機床，這是美國研發的，主要元件是電子管，由於當時科技水平並不發達，所以其體積非常龐大，笨重。
在六十年代時，半導體晶體管有了較好的應用，數控系統也有了較大程度的進步，性能有了穩步提升，並且性價比有了明顯提高。
七十年代的時候，機床的加工效率更為迅速，其使用效率更高，靈活性更強，數控機床有了質的飛躍，工作也逐漸完善起來。
到了八十年代，數控技術轉型為計算機數字控制技術，這是一個嶄新的時代，微處理得到了較為廣泛的應用。
微處理的運算速度有了穩步溫升，數控機床的發展也更為快速。
數控機床的不斷發展，為工業帶來了新的改觀。
伴隨著計算機數字控制時代的到來，數控技術越發完善，高精度、高效率、智能化是其發展的方向，其發展的速度更是令人欣喜。
主要表現特點從以下幾方面來具體說明。
3.1 高精度化
高精度化是數控技術的特點之一。
在現代化工業飛速發展的今天，對加工的精度要求也越來越高。
從八十年代的定位精度到九十年代初的定位精度，可以從數字上看出精度的變化。
在精度不斷提升的現在，受益最大的就是航天工業，其精度的變化有了較大提升，並且對航天工業的發展幫助非常大。
此外，在計算機技術迅猛發展下，其加工精度進步速度也越來越快，機床結構材料也有了一定改變。
3.2 高速度化
機床生產效率的提高也是其發展的具體表現之一，從機床主軸的轉速上可以體現出來。
4000rpm到6000rpm是中等規格機加中心的最高轉速，後發展到8000rpm到12000rpm。
其次，坐標軸移動速度的提升也是其效率提高的表現。
3.3 高柔性化
多樣化、個性化是現代產品的特點，這也就要求機床要有更高的柔性加工。
如銑削加工中心可以銑削、鑽孔、攻絲等。
3.4 高自動化
自動化指的是在加工過程中主要依靠機器設備進行加工，人力加工會比較少。
高自動化不但能夠減少人工的耗費，還可以提高工作效率和工作質量，與傳統加工相比有著非常多的優勢。
傳統自動化往往是對大批量生產加工，而現在利用數控機床和機械加工中心，可以使大批量生產自動化，在多品種小批量的生產上也有所作為。
3.5 宜人的造型和靈活的操作
在數控機床效率不斷提升的同時，造型的改變也是其重要的進步之一。
除了性能優異，使用安全之外，在造型上還要便捷、美觀，適合人員操作。
這才是優秀的數控機床所應具備的。
簡單靈活的操作也是數控機床所具備的特徵，操作的靈活簡單也可以加快其效率。
3.6 可靠性高
隨著現代科學的發展，數控機床的可靠性也有了穩步提高，准確度和質量都有了一定程度上的進步。
機床的數控化從傳統的切削機床逐漸轉化向塑料加工機床、繪圖機、氣割機等加工設備方面轉化。
其可靠性越來越高，應用也越來越廣泛。
4 結束語
隨著數控技術的不斷發展，數控機床改造技術也在日益進步，其發展的前景也十分樂觀。
在現代化科技高速發現的今天，相信我國的數控機床技術還會不斷改進，日趨完善，為其工業發展帶來新的發展前景。
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㈤ 數控機床畢業論文
數控機床旋轉進給系統的狀態空間模型及性能分析
摘要：高性能多坐標數控機床的擺頭、轉台等旋轉進給系統多採用永磁同步伺服電機進行直接驅動，其控制問題較常規進給系統更為復雜。因此建立更為科學的適用於直接驅動的永磁同步電機的數學模型對提高旋轉進給系統的控制水平具有重要意義。本文提出在矢量控制的基礎上建立直接驅動用永磁同步電機的狀態空間模型的方法，並運用現代控制理論對系統的能控性、可觀測性及穩定性等進行分析和計算以及對系統進行極點配置，並用Simulink進行了系統模擬，為數控機床旋轉進給伺服系統的設計和分析提供了理論基礎和分析方法。
關鍵詞：旋轉進給；直接驅動；永磁同步電機；
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-0134(2007)08-0040-05State space model and performance analysis of numerical controlmachine rotary feed systemZHANG Ao, ZHOU Kai(Department of Precision Instrument and Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract: Rotary feed system such as penlum head and revolving table of high-powered multicoordinatesnumerical control machine adopts PMSM to drive directly. It's more complex tocontrol than the conventional feed system. So it's significative to set up mathematic modelof PMSM which is applicable for the direct drive more scientifically in order to improve thecontrol level of rotary feed system. Thus a modeling of PMSM method for state spaceequation modeling of PMSM based on vector control is proposed. The controllability,observability, stability and Pole assignment are analysed by modern control theory. And thesystem emulation is finished by Simulink. This method offers theoretical basic and analyticalmethod for rotary feed servo system designing of numerical control machine.Key words: rotary feed; direct drive; PMSM; state space equation0
前言
高性能數控機床的旋轉進給伺服系統，特別是直接驅動伺服系統（即取消了從電動機到執行機構或負載之間的一切機械中間傳動環節，把傳動鏈的長度縮短為零。）廣泛使用永磁同步電機(permanentmagnet synchronous motor, PMSM)作為控制對象。其優點是結構簡單，運行可靠，通過在結構上採取措施，如採用高剩磁感應、高矯頑力和稀土類磁鐵等，可比直流電動機的外形尺寸約減少1/2，重量輕60%，轉子慣量可減小到直流電動機的1/5 。[2]還應該看到，傳統驅動系統由於傳動環節的存在，控制環節的受力較小，系統對擾動的敏感度相對較低，而直接驅動伺服系統，負載與控制環節之間幾乎是直接相聯，沒有傳動鏈的緩沖，因此控制環節受力較大，對擾動比較敏感，這可能會對系統的動態性能造成影響；同時，擺頭與轉台的特點是要承受低速大負載，因此其大負載條件下的低速平穩性也是系統設計中的一個重要問題。因此，對於此類數控機床轉台、擺頭等旋轉進給直接驅動系統而言，其控制問題較常規進給系統更為復雜。在工程實際中多採用基於矢量變換控制的經典3 環控制方法進行系統控制，其建立控制模型的基礎是經典控制理論，即對系統使用傳遞函數加以描述，將某個單變數（如轉速等）作為輸出，直接和輸入（如電壓等）聯系起來。但實際上系統除了輸出量外還包含其它相互獨立的變數，而微分方程或傳遞函數對這些內部的中間變數是不便描述的，因而不能包含系統的所有信息，不能完全揭示系統的全部運動狀態。而若應用現代控制理論的狀態空間法分析系統，其動態特性是由狀態變數構成的一階微分方程組來描述的，它能反映系統全部獨立變數的變化，確定系統全部內部運動狀態，方便地處理初始條件。因此可以更為全面的表徵系統以及系統內部變數的關系，尤其適合應用於非線性、多輸入－多輸出系統。[5]綜上所述，旋轉進給直接驅動伺服系統是一個強耦合、非線性的復雜系統，因此用狀態空間法來進行建模是更為科學和有效的。本文在矢量控制的基礎上通過狀態空間法建立永磁同步電機狀態空間模型，並應用現代控制理論的各種方法對模型進行全面的分析，為進一步應用先進的控制方法對系統進行控制打下堅實的基礎。1 PMSM 的數學模型我們考慮的是正弦型永磁同步電動機系統。該電動機具有正弦形的反電動勢波形，其定子電壓、電流也為正弦波形。假設電動機是線性的，參數不隨溫度等變化，忽略磁滯、渦流損耗，轉子無阻尼繞組。基於電動機統一理論的結論可以得到，轉子坐標系（d－q軸系）中永磁同步電動機定子磁鏈方程為：
（1）其中：——轉子磁鋼在定子上的耦合磁鏈；Ld、Lq——永磁同步電動機的直、交軸主電感；、 ——定子電流矢量的直、交軸分量。PMSM 定子電壓方程為： （2）其中， 、——定子電壓矢量us的d、q軸分量；w——轉子電角頻率。PMSM 的轉矩方程為： （3）電動機轉矩系數Kt 為：Kt ＝ pmyr此外，電動機系統還要滿足基本運動方程：（ 4）其中，n ——電動機轉速；wr ——轉子機械角速度，w=pmwr ；Td、TL ——電動機的電磁轉矩和負載轉矩。採用現代控制理論的狀態方程對永磁同步電機進行數學建模。若採取矢量控制，一般要求id=0，但是狀態方程中不出現md和id是不合理的。因為在id=0的控制模式中，只是要求id的取值等於0，但id的實際值並不一定總是等於0（特別是在動態過程中）。同時，ud的實際數值也不會等於0。因此，必須將ia也作為狀態變數，將md 也作為控制變數，由控制器根據所有狀態變數（包括id）的取值進行控制。因此取狀態變數 ，q 為轉子位置角。將（1）式帶入（2）式的第2 式，由（3）式和（4）式可得，則永磁同步電機的狀態方程為( ) ：(5)由此可見，該系統是一個非線性時變系統，且在系數矩陣中含有wr，id，iq狀態變數的交叉相乘項，因此需要進行系統解耦，令因此採取id=0的矢量控制方法，uq'=uq，TL'=TL，系統可化為線性系統。取ud，uq 為控制量，負載轉矩TL 作為擾動處理，因此單獨提出，則系統化為=AX+BU+B0TL 的形式，則原系統化為：(6)2 PMSM 系統的分析PMSM 的參數如下：則系統狀態空間方程為：2.1 多項式模型將狀態空間模型轉換為多項式模型，系統的傳遞矩陣為：2.2 能控性與可觀測性分析狀態完全能控的充分必要條件是系統的能控矩陣的秩為n。狀態完全能觀測的充分必要條件是能觀測矩陣的秩為n。計算可得，系統的能控矩陣秩為4，滿秩，則系統狀態是完全能控的。系統的能觀測矩陣的秩為4，滿秩，則系統狀態是完全可觀測的。2.3 控制系統的穩定性分析對於由狀態空間模型表示的系統，其系統穩定的充分必要條件是：系統矩陣A 的特徵值全部具有負實部。eig(a)'=1.0e+002 *[0 -1.2069 - 0.8066i -1.2069 +0.8066i -2.1212]由於系統矩陣a 的特徵值中有一個是零，因此該系統是臨界穩定的。由於能控矩陣的秩為4，滿秩，因此可以通過狀態反饋配置極點使得系統穩定。2.4 多輸入控制系統的極點配置對於多輸入系統的極點配置的基本思路是：首先求一狀態反饋，使得其閉環系統對某一輸入（例如第一個輸入）是能控的，再按單輸入系統配置極點的方法進行極點配置[5]。圖1 極點配置的閉環系統框圖期望極點為：1.0e+002 *[-0.1 -1.2069 -0.8066i -1.2069 + 0.8066i -2.1212]（1）構造Q、S 矩陣。，由系統可得，n=4,m=2，u1+u2=4，a 為Q-1 的最後一行向量。（2）先按能控標准型進行極點配置。對 單輸入系統進行極點配置。的特徵多項式為，所期望的特徵多項式為，則增益陣為:（3）求化為能控標准型的變換矩陣T，即則增益陣返回原坐標系為（4）使原系統（A，B）實現極點配置的狀態反饋為:2.5 系統模擬系統位置狀態向量對階躍信號的響應：圖2 極點配置前位置狀態向量的階躍響應圖3 極點配置後位置狀態向量的階躍響應系統位置狀態向量對速度信號的響應（虛線為輸入位置信號，實線為輸出位置信號）：圖4 極點配置前的速度信號跟蹤曲線系統位置狀態向量對正弦信號的響應（虛線為輸入位置信號，實線為輸出位置信號）圖5 極點配置後的速度信號跟蹤曲線圖6 極點配置前的正弦信號跟蹤曲線圖7 極點配置後的正弦信號跟蹤曲線由此可見，通過極點配置使系統穩定，且對各種輸入信號的響應有很大改善，具有很好的跟蹤性能，這對於隨動系統來說是十分重要的。3 總結使用狀態空間方程表徵系統，可以把系統的狀態與系統的輸入和輸出聯系起來，並在系統的內部變數與外部輸入和測量輸出之間建立聯系，保存系統內部特性的信息，因此模型更為精確和科學。本文即在矢量控制的基礎上提出了一種建立完整的永磁同步電機狀態空間模型的方法。根據此模型，運用現代控制理論的各種方法對系統性能進行了分析和計算，分析表明該系統具有完全能控性、完全可觀測性以及臨界穩定性，通過狀態反饋配置極點的方法使得系統穩定，使狀態變數對輸入信號有很好的跟蹤性能。為進一步分析和設計控制系統提供了有效的方法和思路。
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PLC 在機床數控改造中的典型應用
邵曉嵬, 任有志, 王燕麗(河北科技大學機械電子工程學院, 石家莊050054)
摘要: 討論了利用可編程式控制制器對機床進行數控改造的具體方案和一般步驟,並以鋸片切割機的改造為例介紹了利用西門子公司S7 - 200 系列可編程式控制制器進行改造的具體過程,闡述了機床數控改造後的應用效果及其未來的社會和經濟效益。關鍵詞: 可編程式控制制器; 機床; 數控改造
中圖分類號: TG51 文獻標志碼: A 文章編號:100320794 (2007) 1120147202
Typical Application of PLC in NC Transformation for Machine ToolSHAO Xiao - wei , REN You - , WANGYan - li(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Hebei University of Science & Technology , Shijiazhuang 050054 ,China)Abstract :Discussed how to use the programmable logical controller (PLC) to deal with the transformation inmachine tool , particularly introced the whole process of transformation on incise machine based on SIEMENSS7 - 200 PLC. Finally expatiate the effect of NC transformation and its coming benefit .Key words :programmable logical controller (PLC) ; machine tool ; NC transformation0
前言在我國現有的機床中有一部分仍採用傳統的繼電器- 接觸器控制方式,這些機床觸點多、線路復雜,使用多年後,故障多、維修量大、維護不便、可靠性差,嚴重影響了正常的生產。還有一些舊機床雖然還能正常工作,但其精度、效率、自動化程度已不能滿足當前生產工藝要求。對這些機床進行改造勢在必行,改造既是企業資源的再利用,走持續化發展的需要,也是滿足企業新生產工藝,提高經濟效益的需要。
1 解決方案利用PLC 對舊機床控制系統進行改造是一種行之有效的手段。採用PLC 進行控制後,機床控制電路的接線量大大減少,故障率大大降低,提高了設備運行的穩定性和使用率,增強了可靠性,減小了維修,維護工作強度。當機床加工程序發生變化時,只需要修改PLC的程序就可以進行新的加工,更改較方便,有助於提升機床的應用。由於具有通信功能,採用可編程式控制制器進行機床改造後,可以與其他智能設備聯網通信,在今後的進一步技術改造升級中,可根據需要聯入工廠自動化網路中。
2 改造過程、步驟及應用實例(1) 深入了解原有機床的工作過程,分析整理其控制的基本方式、完成的動作時序和條件關系,以及相關的保護和聯鎖控制,盡可能地與實際操作人員充分交流,了解是否需要對現有機床的控制操作加以改進,提高精度、可操作性和安全性等;如有需要,在後續的設計中予以實現。(2) 根據分析整理的結果,確定所需要的用戶輸入P輸出設備。由於是對舊機床的改造,在保證完成工藝要求的前提下,最大限度地使用原有機床的輸入P輸出設備,如: 按鈕、行程開關、接觸器、電磁閥等,以降低改造成本。(3) PLC 機型選擇。根據輸入P輸出設備的數量與類型,確定所需的IPO 點數。確定IPO 點數時,應留有20 %左右的裕量,以適應今後的生產工藝變化,為系統改造留有餘地。由IPO 點數,利用一條經驗公式:總內存字數= (開關量輸入點數+ 開關量輸出點數) ×10 + 模擬量點數×150來估算內存容量。在估算出內存字數後,再留25 %的裕量。據此,選擇合適的機型。(4) 設計並編制IPO 分配表,繪制IPO 接線圖。應注意到:同類型的輸入點或輸出點應盡量集中在一起,連續分配。(5) 進行程序設計。可借鑒機床原有繼電器控制電路圖,加以修改和完善。完成程序設計後,應進行模擬調試。(6) 模擬調試後,進行現場系統調試。調試中出現的問題逐一排除,直至調試成功。最後還應進行技術資料整理、歸檔。圖1 IPO 接線圖下面是對某鋸片切割機的數控改造過程,機床的各控制過程如下:(1) 主軸電機的控制。起動,停止;(2) 進給電機控制。工作台縱向進給到與鋸片相切的位置,之後工作台橫向快速進給鋸片,完成後工作台慢速移動後退,其間鋸片主工作台變速旋轉一個鋸齒的角度,兩運動同時進行插補出一個鋸齒圓弧;(3) 冷卻泵電機的起動控制以及相關的保護、聯鎖控制,工作台的各運動方向的超程保護,各運動方向的聯鎖控制等。確定所需的用戶輸入P輸出設備。根據設備的硬體條件分析出,面板上有6 個按鈕需佔6 個數字輸入口,一個BCD 撥碼開關佔用4 個輸入口,一條直線光柵尺佔用3 個輸入口,一個三位狀態旋鈕佔2 個輸入口,執行元件為3 個步進電機和2 個非同步電機,其中3 個步進電機共需8 個數字輸出口,砂輪主電機和冷卻泵各需1 個輸出口,報警指示燈和上電指示燈各需1 個輸出口。為保證安全起見,熱繼電器不接入輸入端,而直接接在PLC 的輸出端;合計輸入點數15 點,輸出點數12 點。考慮到要留有20 %左右的裕量,所以IPO 點數要在30 個點以上。因此,選用西門子公司S7 - 200 系列226 型號的PLC ,其輸入點數24 點,輸出點數16 點, IPO 總點數40 點;編制IPO 分配表(見表1) ,繪制IPO 接線圖(見圖1) ;藉助機床原有的繼電器控制電路圖,進行程序設計,編寫STL 結構化程序語言;模擬調試及現場系統調試,完成技術資料的歸檔。表1 IPO 分配表輸入輸出I0. 0 BCD 撥碼開關1 位Q0. 0 W軸CP 端I0. 1 BCD 撥碼開關2 位Q0. 1 X軸PY軸CP 端I0. 2 BCD 撥碼開關3 位Q0. 2 W軸DIR 端I0. 3 BCD 撥碼開關4 位Q0. 3 W軸FREE 端I0. 4 啟動Q0. 4 X軸DIR 端I0. 5 暫停Q0. 5 X軸FREE 端I0. 6 光柵尺A 相輸入Q0. 6 Y軸DIR 端I0. 7 光柵尺B 相輸入Q0. 7 Y軸FREE 端I1. 0 光柵尺Z相復位Q1. 0 主電機繼電器I1. 1 鋸片直徑輸入確定Q1. 1 冷卻泵繼電器I1. 2 砂輪直徑輸入確定Q1. 2 報警指示燈I1. 3 三位狀態旋鈕輸入1 Q1. 3 上電指示燈I1. 4 三位狀態旋鈕輸入2I1. 5 冷卻泵啟動I1. 6 急停3 改造後效果可實現加工的柔性自動化,效率比傳統鋸片機提高5～6 倍。加工的鋸齒精度高,尺寸分散度小,提高了鋸齒的強度。擁有自動報警、自動監控、補償等多種自我調節功能,可實現長時間無人看管加工。由於鋸片採用的是某新型合金鋼,齒磨損後修補的成本很高,採用該鋸片機以後,為工廠節省了可觀的維修成本,真正提高了工廠的效益。4 結語利用PLC 對傳統機床進行數控化改造,能夠有效地解決復雜、精密和小批多變的零件加工問題,滿足高質量、高效益和多品種、小批量的柔性生產方式的要求,適應各種機械產品迅速更新換代的需要,同時為企業節省了大量的設備改造成本,提高了企業的經濟效益和社會效益,提升了企業的產品競爭力,使企業更容易在競爭激烈的市場環境里生存與發展。參考文獻:[1 ]陳立定. 電氣控制與可編程式控制制器[M] . 廣州:華南理工大學出版社,2001.[2 ]張新義. 經濟型數控機床系統設計[M] . 北京:機械工業出版社,1994.作者簡介: 邵曉嵬(1981 - ) ,河北邯鄲人,河北科技大學研究生,研究方向為機電一體化,電話:0310 - 5368092.
基於網路的數控機床遠程管理
汪惠芬, 劉婷婷, 張友良(南京理工大學機械工程學院, 江蘇南京210094)
摘要: 網路化製造是21世紀的主要生產模式, 採用網路技術來管理數控機床也就成為必然。本文在分析數控機床聯網及遠程管理的需求基礎上, 提出一種基於TCP / IP的、能夠與企業其它信息管理系統實現無縫集成的數控機床聯網及遠程管理系統方案, 詳細介紹該系統的結構和功能, 並給出了應用實例。
關鍵詞: 網路化製造; 數控機床; 遠程管理中圖分類號: TG659 文獻標識碼: A
文章編號: 1001 - 3881 (2007) 10 - 070 - 4RemoteManagemen t of NC Mach ine Tool Ba sed on NetworkWANG Huifen, L IU Tingting, ZHANG Youliang( School ofMechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)Abstract: Networked manufacturing ismain manufacturing paradigm in 21 st century, so that it is necessary trend to manage NCmachine tool based on network. Based on the analysis of requirements for networking and remote management of NC machine tools,TCP / IP2based networking scheme and remote management system that can be integrated with other information management systems inenterp rise forNC machine toolswas put forward. Then architecture and main functions of this system was discussed. An examp le ofapp lication was introced.Keywords: Networked manufacturing; NC machine tool; Remote management0
引言網路化製造是21 世紀製造業的主要生產模式,網路化設計製造系統是一種由多種、異構、分布式的製造資源, 以一定互聯方式, 利用計算機網路組成的、開放式的、多平台的、相互協作的、能及時靈活地響應市場需求變化的系統。其特點是在組織上的動態聯盟, 其目標是將現有的各種在地理位置上或邏輯上分布的製造系統連接到計算機網路中, 以提高各單位間的信息交流與合作能力, 進而實現各種資源的共享, 快速地設計和製造產品, 響應市場的需要。它是21世紀製造企業縮短產品開發周期、改善產品質量、降低產品成本, 增強企業的競爭能力的主要技術措施[ 1 - 3 ]。數控機床與計算機通信是實現製造設備集成控制和管理的基礎和必要條件, 也是實現網路化製造的關鍵之一。隨著數控技術使用的不斷深入, 計算機技術、網路技術的不斷發展, 企業數控機床的數量越來越多, 而傳統的單機管理模式因技術手段落後、生產效率低、管理與維護費用高昂等弊端已不能適應企業發展的需要, 採用網路技術來管理數控機床也就成為必然[ 4 ]。數控機床網路DNC技術在我國經過二十多年的發展, 也經歷了從紙帶到單機, 再到簡單網路,最後發展成為高級網路的艱難歷程。紙帶方式已經基本完全拋棄; 在機床數量較少時, 有些用戶還在使用單機通訊模式; 當機床數量發展到一定數量時, 機床用戶一般都採用了網路DNC的方式[ 5 ]。我國數控機床的網路DNC目前主要存在著兩種結構: 一種是採用單台計算機對應單台機床的方式, 這些計算機再通過區域網聯結; 另一種是採用單台計算機對應多台機床的方式, 其中大部分是基於RS2232串口通訊或基於國外的通訊軟體產品[ 6 - 10 ] , 也有部分基於TCP / IP的國產軟體[ 11 - 13 ]。但是, 隨著市場經濟和企業信息化的發展, 企業使用了多種信息管理系統, 如ERP、PDM、MES、CAD /CAPP /CAM 等, 各種系統之間還必須考慮信息共享, 以避免信息化孤島, 因此, 使用集成式DNC技術對數控設備群進行管理勢在必行。本文在分析數控機床聯網及遠程管理的需求基礎上, 提出一種基於TCP / IP的、能夠與企業其它信息管理系統實現無縫集成的數控機床聯網及遠程管理系統方案, 並詳細介紹了該系統的實現技術及應用實例。
1 數控機床遠程管理系統結構111 系統需求分析目前, 在實施網路化製造的進程中, 越來越多的企業逐步實施了企業信息化工程, 單機作業的數控機床成為制約企業快速響應市場的瓶頸, 為了更好地滿足生產發展的需求, 迫切需要將企業的數控機床進行聯網改造, 實現信息系統對數控機床的遠程管理以及車間生產任務的實時調度。數控機床遠程管理系統的設計需要滿足以下要求:(1) 開放性。隨著新技術的發展, 系統應具有可擴展性和可裁剪性, 易於增加和更新系統的功能,系統的配置應具有良好的通用性、兼容性、可移植性和互操作性。(2) 靈活性。系統支持多操作系統(Windows98 /NT 410 /2000) , 應適應控制器類型、設備數量、任務