計算機數(shù)控機床改造應用研究

　　摘要：將普通機床改造成為數(shù)控機床，是企業(yè)提高自身自動化程度的一種重要手段。就如何實現(xiàn)改造進行分析并提供方法和思路，本文主要闡述數(shù)控化改造的研究內(nèi)容和關鍵技術和方法。
　　關鍵詞：計算機；機床；數(shù)控化；改造；方案
　　數(shù)控技術是指用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設備動作控制的技術。數(shù)控一般是采用通用或專用計算機實現(xiàn)數(shù)字程序控制，因此數(shù)控也稱為計算機數(shù)控(Computer、Numerical、Control)，簡稱CNC。計算機按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設備的運動軌跡和外設的操作時序邏輯控制功能。由于采用計算機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、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現(xiàn)，均可通過計算機軟件來完成，處理生成的微觀指令傳送給伺服驅動裝置驅動電機或液壓執(zhí)行元件帶動設備運行。
　　1、數(shù)控機床概述
　　數(shù)控機床就是將加工過程中的各種操作（如主軸變速、進刀與退刀、開車與停車、選擇刀具等）和步驟，以及刀具與工件之間的相對位移量都用數(shù)字化的代碼或程序來表示，通過控制介質(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算機，計算機對輸入的信息進行處理與運算，來控制機床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機床自動加工出所需要的工件。
　　2、機床的數(shù)控化改造方案
　　2.1進行改造項目的可行性評估
　　2.1.1、對其價值做出評估。例如一臺加工中心，主要構成的機電部件有：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(tǒng)；⑥自動工作臺交換系統(tǒng)等。每一個子系統(tǒng)根據(jù)實際情況，都可以做出相應的價值評估。
　　2.1.2、評估改造后能達到的目標，即有什么樣的機床準確度和使用性能。
　　2.1.3、進行成本的估算，即投入資金的評估。投入資金多少與制訂改造目標高低密切相關。投人的改造費用主要由下列項目構成：①數(shù)控系統(tǒng)及相關伺服系統(tǒng)；②機床電氣及附件更換；③機床機械元部件準確度修復和維修保養(yǎng)；④機床輔助系統(tǒng)如液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等維修保養(yǎng)；⑤機床外觀質(zhì)量的修復；⑥機床改造后的調(diào)試檢測；⑦機床改造所需的技術勞務費。在受改造費用限制時，可以修改改造目標，降低一些要求以減少投入費用。
　　2.1.4、對改造方案進行風險評估。在做改造方案時，不可能對設備進行現(xiàn)狀大解剖，不可能拿到機床現(xiàn)狀準確測試數(shù)據(jù)，因此在以后實施改造工作中還會碰到意料之外的問題。因此必須做出風險評估和制訂相應對策。一般做法是在工程項目費中，設置不可預見費用。
　　2.1.5、性能價格比評估。為了在經(jīng)濟上有定量分析的依據(jù)，常選一臺現(xiàn)在市場上性能相似的商品價格作為標準進行比較。
　　2.2、數(shù)控系統(tǒng)的選擇
　　數(shù)控系統(tǒng)是機床的核心，在選擇時要對其性能、經(jīng)濟性及維修服務等進行綜合考慮。數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)；異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其中步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。該系統(tǒng)的位移準確度主要決定于步進電機的角位移準確度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距準確度，所以系統(tǒng)的位移準確度較低。但該系統(tǒng)結構簡單，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)控機床的性能。例如，數(shù)控機床的最高移動速度、跟蹤度、定位度等重要指標均取決于伺服系統(tǒng)的動態(tài)。伺服系統(tǒng)按控制方式分為開環(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。在普通機床的數(shù)控化改造中，一般選用價格較低的開環(huán)控制系統(tǒng)。
　　2.4、機床機械部件的改造
　　一臺新的數(shù)控機床，在設計上要達到很高的動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數(shù)控改造時應盡量達到此要求，并注意下述幾方面。
　　2.4.1、導軌副。對數(shù)控車床來說，導軌除應具有普通車床導向度和工藝外，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(shù)控機床上使用的齒輪準確度等級都比普通機床高。
　　2.4.3、滑動絲杠與滾珠絲杠。絲杠傳動直接關系到傳動鏈準確度。絲杠的選用主要取決于加工件的準確度要求和拖動扭矩要求。
　　2.4.4、聯(lián)軸器。為了消除傳動系統(tǒng)中的反向間隙,提高重復定位度，伺服驅動元件所用的聯(lián)軸器多數(shù)采用無鍵連接，如錐銷剛性聯(lián)軸器,錐環(huán)聯(lián)軸器等。
　　2.4.5、回轉刀架。一般改裝的車床多數(shù)采用四工位自動回轉刀架。
　　2.4.6、安全防護。改造效果必須以安全為前提。在機床改造中要根據(jù)實際情況采取相應的措施，切不可忽視。
　　3、數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方法
　　3.1、基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)
　　基于單片機的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)一般采用步進電機作為驅動元件，步進電機采用脈沖方式工作，基本原理是：系統(tǒng)中的鍵盤用于向計算機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)及機床狀態(tài)等信息；存儲器用來存放監(jiān)控程序、鍵盤掃描程序、顯示驅動程序及用戶控制代碼程序等；功率放大器用來對計算機送來的脈沖進行功率放大，以驅動步進電機帶動負載運行。需要完成的具體任務有：
　　3.1.1、硬件系統(tǒng)的結構設計。一般采用51系統(tǒng)單片機作為主控制器，在此基礎上擴展一些必要的器件如ROM、鍵盤等。
　　3.1.2、軟件設計。包括：監(jiān)控與操作軟件,用來實現(xiàn)人機對話、系統(tǒng)監(jiān)控、指揮整個系統(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；步進電機控制軟件，包括：通電狀態(tài)代碼和電動機正、反轉的實現(xiàn)；步進電機轉速的控制。
　　3.2、基于ARM與運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)
　　3.2.1、系統(tǒng)硬件結構。系統(tǒng)硬件采用主從式雙CPU結構模式。主CPU為ARM處理器，用于鍵盤、顯示，網(wǎng)絡通訊等管理工作,而從CPU即為運動控制芯片，專門負責運動控制的處理工作。ARM處理器通過總線操作，把命令寫入運動控制芯片，使運動控制芯片來完成運動控制。
　　3.2.2、操作系統(tǒng)及編程語言。為了最大地利用系統(tǒng)硬件資源，并且還要保證實時性，所以使用了μC/OS多任務實時操作系統(tǒng)。使用到μC/OS操作系統(tǒng),通過它實現(xiàn)多任務實時控制。程序的編程語言為C語言以及ARM匯編語言。
　　3.3、基于PC機的數(shù)控系統(tǒng)
　　近年來，以工業(yè)PC機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛地被工業(yè)控制領域所接受。采用工業(yè)PC機在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�；�于工業(yè)PC機的數(shù)控系統(tǒng)采用的是標準的PC硬件和操作系統(tǒng)，因此易于進行模塊化和開放式的設計。開放式數(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+運動控制器結構組成,主要包括工業(yè)計算機、運動控制卡以及伺服系統(tǒng)等。
　　4、結論
　　進行機床數(shù)控化改造要將改造的重點放在電氣、控制系統(tǒng)的改造上，機械部分只對影響準確度的重點部件進行改造。這樣可縮短改造周期，降低改造成本，并利于對系統(tǒng)進行再次升級。隨著社會的不斷發(fā)展以及技術的不斷進步，數(shù)控技術的發(fā)展，必將帶動數(shù)控機床改造技術的進步與發(fā)展。

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