計算機數控機床改造應用研究

　　摘要：將普通機床改造成為數控機床，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)現改造進(jìn)行分析并提供方法和思路，本文主要闡述數控化改造的研究?jì)热莺完P(guān)鍵技術(shù)和方法。
　　關(guān)鍵詞：計算機；機床；數控化；改造；方案
　　數控技術(shù)是指用數字、文字和符號組成的數字指令來(lái)實(shí)現一臺或多臺機械設備動(dòng)作控制的技術(shù)。數控一般是采用通用或專(zhuān)用計算機實(shí)現數字程序控制，因此數控也稱(chēng)為計算機數控(Computer、Numerical、Control)，簡(jiǎn)稱(chēng)CNC。計算機按事先存貯的控制程序來(lái)執行對設備的運動(dòng)軌跡和外設的操作時(shí)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(shí)現，均可通過(guò)計算機軟件來(lái)完成，處理生成的微觀(guān)指令傳送給伺服驅動(dòng)裝置驅動(dòng)電機或液壓執行元件帶動(dòng)設備運行。
　　1、數控機床概述
　　數控機床就是將加工過(guò)程中的各種操作（如主軸變速、進(jìn)刀與退刀、開(kāi)車(chē)與停車(chē)、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(pán)等）將數字信息送入專(zhuān)用的或通用的計算機，計算機對輸入的信息進(jìn)行處理與運算，來(lái)控制機床的伺服系統或其它執行元件，使機床自動(dòng)加工出所需要的工件。
　　2、機床的數控化改造方案
　　2.1進(jìn)行改造項目的可行性評估
　　2.1.1、對其價(jià)值做出評估。例如一臺加工中心，主要構成的機電部件有：①系統及操作子系統；②伺服系統包括電動(dòng)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(dòng)工作臺交換系統等。每一個(gè)子系統根據實(shí)際情況，都可以做出相應的價(jià)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(jìn)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(guān)。投人的改造費用主要由下列項目構成：①數控系統及相關(guān)伺服系統；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；④機床輔助系統如液壓系統、冷卻系統等維修保養；⑤機床外觀(guān)質(zhì)量的修復；⑥機床改造后的調試檢測；⑦機床改造所需的技術(shù)勞務(wù)費。在受改造費用限制時(shí)，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(jìn)行風(fēng)險評估。在做改造方案時(shí)，不可能對設備進(jìn)行現狀大解剖，不可能拿到機床現狀準確測試數據，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(jiàn)費用。
　　2.1.5、性能價(jià)格比評估。為了在經(jīng)濟上有定量分析的依據，常選一臺現在市場(chǎng)上性能相似的商品價(jià)格作為標準進(jìn)行比較。
　　2.2、數控系統的選擇
　　數控系統是機床的核心，在選擇時(shí)要對其性能、經(jīng)濟性及維修服務(wù)等進(jìn)行綜合考慮。數控系統主要有3種類(lèi)型：步進(jìn)電機拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統；異步電動(dòng)機或直流電機拖動(dòng)，光柵測量反饋的閉環(huán)數控系統；交/直流伺服電機拖動(dòng)，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統。其中步進(jìn)電機拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統的伺服驅動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機、功率步進(jìn)電機等。由數控系統送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機轉動(dòng)，通過(guò)齒輪副與滾珠絲杠副驅動(dòng)執行部件。該系統的位移準確度主要決定于步進(jìn)電機的角位移準確度，齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的節距準確度，所以系統的位移準確度較低。但該系統結構簡(jiǎn)單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
　　2.3、伺服系統的選擇
　　伺服系統是數控機床的重要組成部分，它既是數控系統CNC系統與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節，又是能量放大與傳遞的環(huán)節。它的性能在很大程度上決定了數控機床的性能。例如，數控機床的最高移動(dòng)速度、跟蹤度、定位度等重要指標均取決于伺服系統的動(dòng)態(tài)。伺服系統按控制方式分為開(kāi)環(huán)控制系統、半閉環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統三類(lèi)。在普通機床的數控化改造中，一般選用價(jià)格較低的開(kāi)環(huán)控制系統。
　　2.4、機床機械部件的改造
　　一臺新的數控機床，在設計上要達到很高的動(dòng)態(tài)剛度；運動(dòng)副之間的摩擦系數小，傳動(dòng)無(wú)間隙；功率大；便于操作和維修。機床數控改造時(shí)應盡量達到此要求，并注意下述幾方面。
　　2.4.1、導軌副。對數控車(chē)床來(lái)說(shuō)，導軌除應具有普通車(chē)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。
　　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(dòng)精度，數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(dòng)絲杠與滾珠絲杠。絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)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(dòng)扭矩要求。
　　2.4.4、聯(lián)軸器。為了消除傳動(dòng)系統中的反向間隙,提高重復定位度，伺服驅動(dòng)元件所用的聯(lián)軸器多數采用無(wú)鍵連接，如錐銷(xiāo)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(chē)床多數采用四工位自動(dòng)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實(shí)際情況采取相應的措施，切不可忽視。
　　3、數控系統開(kāi)發(fā)方法
　　3.1、基于單片機的數控系統
　　基于單片機的經(jīng)濟型數控系統一般采用步進(jìn)電機作為驅動(dòng)元件，步進(jìn)電機采用脈沖方式工作，基本原理是：系統中的鍵盤(pán)用于向計算機輸入和編輯零件加工程序；采用數碼管顯示加工數據及機床狀態(tài)等信息；存儲器用來(lái)存放監控程序、鍵盤(pán)掃描程序、顯示驅動(dòng)程序及用戶(hù)控制代碼程序等；功率放大器用來(lái)對計算機送來(lái)的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅動(dòng)步進(jìn)電機帶動(dòng)負載運行。需要完成的具體任務(wù)有：
　　3.1.1、硬件系統的結構設計。一般采用51系統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(pán)等。
　　3.1.2、軟件設計。包括：監控與操作軟件,用來(lái)實(shí)現人機對話(huà)、系統監控、指揮整個(gè)系統軟件協(xié)調工作等，包括系統的初始化、命令處理循環(huán)、零件加工程序的編輯修改等；步進(jìn)電機控制軟件，包括：通電狀態(tài)代碼和電動(dòng)機正、反轉的實(shí)現；步進(jìn)電機轉速的控制。
　　3.2、基于A(yíng)RM與運動(dòng)控制器的數控系統
　　3.2.1、系統硬件結構。系統硬件采用主從式雙CPU結構模式。主CPU為ARM處理器，用于鍵盤(pán)、顯示，網(wǎng)絡(luò )通訊等管理工作,而從CPU即為運動(dòng)控制芯片，專(zhuān)門(mén)負責運動(dòng)控制的處理工作。ARM處理器通過(guò)總線(xiàn)操作，把命令寫(xiě)入運動(dòng)控制芯片，使運動(dòng)控制芯片來(lái)完成運動(dòng)控制。
　　3.2.2、操作系統及編程語(yǔ)言。為了最大地利用系統硬件資源，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。使用到μC/OS操作系統,通過(guò)它實(shí)現多任務(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機的數控系統
　　近年來(lái)，以工業(yè)PC機為核心的控制系統已廣泛地被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。采用工業(yè)PC機在WIN-DOWS操作系統下通用的數控系統，已成為數控系統發(fā)展的潮流�；�于工業(yè)PC機的數控系統采用的是標準的PC硬件和操作系統，因此易于進(jìn)行模塊化和開(kāi)放式的設計。開(kāi)放式數控系統是目前新型數控系統研發(fā)的主流。系統采用工業(yè)PC機+運動(dòng)控制器結構組成,主要包括工業(yè)計算機、運動(dòng)控制卡以及伺服系統等。
　　4、結論
　　進(jìn)行機床數控化改造要將改造的重點(diǎn)放在電氣、控制系統的改造上，機械部分只對影響準確度的重點(diǎn)部件進(jìn)行改造。這樣可縮短改造周期，降低改造成本，并利于對系統進(jìn)行再次升級。隨著(zhù)社會(huì )的不斷發(fā)展以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，數控技術(shù)的發(fā)展，必將帶動(dòng)數控機床改造技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

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