小型数控钻床及其控制系统设计（含CAD图纸和说明书）
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第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 述 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。其中机械制造业是制造业的核心，为各行业各部门适时的提供各种先进、经济、可靠的机械装备。机械制造业的生产能力和发展水平标志着一个国家或地区国民经济现代化的程度，而机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度。 金属切削机床是机械制造业的基础装备，是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，习惯上称为机床。在现代制造工业中，机床是加工零件的主要设备，它的技术水 平直接影响机械制造工业的产品质量和劳动生产率。我国的机床工业是在新中国成立后建立起来的，虽然已经取得了很大的成就，但与世界先进水平相比还有较大的差距。主要表现在：大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差，特别是高效自动化和数控化机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。数控技术及装备是发 展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在 “高精尖 ”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发 展、提高综合国力 的 重要途径。 第一章 绪论 - 2 - 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域： (1)机械制造技术； (2)信息处理、加工、传输技术； (3)自动控制技术； (4)伺服驱动技术； (5)传感器技术； (6)软件技术等。 本文侧重于叙述用于 印制电路板 (造技术是电子信息制造业的重要基础和组成部 分。印制电路板 (控钻床是印制电路板精密孔位加工关键的工艺装备。伴随着以通信、计算机、视听设备等为代表的电子产品 “小、轻、薄 ”的发展趋势和特点，给印制电路板数控钻床提出了更高的要求。精度高、速度快、孔小而多、行程短已成为新一代 用于 (1) 普遍采用较先进的控制技术 当 术或叫一主多从的多 制技术。从 之与主 (2) 床速度快，精度高，质量好 床一般每个电主轴都安装有 实时检测出 使之控制在一个合适的范围内，使电主轴移动距离最佳，钻孔速度最高。 第一章 绪论 - 3 - 独立驱动，电主轴用气浮轴承，大大地减少了摩擦；使加速和减速的时间缩短，从而使精度提高，速度加快，同时由于使用了高动态伺服马达， 只需若干毫秒就能使电主轴加速到最高速度。目前电主轴的最高运转时速能达到 120 000r孔直径 0.1 孔。位置反馈采用线性磁尺或直线光栅，组成闭环反馈回路，使钻孔定位精度可达 复定位精度可达 (3) 具有自检自控功能 般都具有较强的自检自控功能。其设计思路是，在主 一个从 责对钻床的各个部位进行动态检查，发现问题及时在显示器上显示出来。有的还一边显示，一边报警。有的在工作人员排障方法不得力时，为了保护机器，甚至能自动停止机器运转，使之处于待命状态，以保护机器不出大的问题。同时，每个主轴都安装 激光测试径向跳动装置，使每个主轴处于最佳状态。折断钻头是实际生产过程中常有的事，如果不能及时发现更换，就有可能出现该钻的孔没钻，折断的钻头还可能划伤 接影响 了解决这个问题，如今 头断了机床会自动停机，告知断钻位置，并更换新钻头，自动检测钻头直径后，再重新钻孔。另钻铣床具有了自检自控功能后，能自动控制钻孔深度及钻尖与盖板之间的距离，一般不会钻坏床子的工作台面。 (4) 工作台面移动采用气垫加磁浮，确保工作台面不划伤。一般情况下，当空气轴承出现问题 ，机器处于不平衡状态时，很容易划伤工作台面。 床普遍采用气垫加磁浮的方法， X 轴和 Y 轴用气浮导向，工作台面用气浮支撑，台面定位驱动采用 有精密的滚珠丝杠和预加载双螺母校正。使工作台面移动更轻更稳定，加减速的时间大为缩短。一旦机器出现不平衡，磁浮会吸住台面，让机器停下来，保护整个工作台面不受损伤。同时， X 轴和 X 轴和 Y 轴置于大理石结构的中央，这样始终保持工作台面处于最佳平衡状态，提高了钻孔的精度。 床还可进行软件编程限位，除了能自动测量刀具长短大小外，还能管 理刀具等。 (5) 电主轴头数多、幅面大 为了提高生产效率，适应大规模自动化生产的需要，如今的 床一般都是 4 6 个钻主轴。主轴增加以后，台面尺寸就 第一章 绪论 - 4 - 要相应地增加 ， X 轴和 Y 轴的编程也要随之扩大， (普遍地在 600600，轴行程增加则钻孔面积也都要相应地增加。 (6) 具有多种编程功能 现在市场上的 床至少具有两种以上的编程功能。 技术发展的由来 二十世纪中叶以前，人们用于 孔的手段主要是靠人工作坊式的手动和半自动的金属冲、钻、压等机床设备。既笨、重、厚、 大，且速度慢、功能少，性能差。 60 年代初以来，工业发达国家的许多 工设备设计、生产厂家，为了满足人们的要求，使自己生产的产品具有强劲的市场竞争能力，纷 纷投入 较大的人力、物力和财力，对 工设备存在的问题进行针对性攻关，终于在 60 年代初取得了可喜的成果。据有关资料记载，世界上第一台 床是 1952 年在芝加哥机床博览会上面世的，专门用于 业的 机，约比用于金属切削用 床晚 10 年，是 60 年代初才面世的，从此开辟了 业 床 技术发展的新局 面。 术发展 的几个阶段 床 技术的发展已有近 40 年的历史了 ， 关于其发展阶段的划分 ， 目前学术界暂尚无严格的统一说法 ， 概括起来大致分为以下三个发展阶段。 (2) 数据控制 (段 据有关资料记载，专门用于 技术起步于 60年代初。从 60年代初至 70中期 年代 是用于 技术发展的初始阶段。这个时期的 许多地方还基本上没有 脱离开金属切削机床的模式， 是一种数字控制 (硬件 置。硬件 一种布线编程的数字控制装置，主要是由硬件来实现 装置是用各种电子元器件、逻辑元件、记忆元件布线组成随机逻辑电路，在各元器件之间以固定的硬线联接，从而搭成专门用来完成某个特定 (2) 计算机数字控制 (段 70 年代中 期 到 80 年代后期，这一时期基本上是 同 一生产 厂家生产的 床，同 60 年代相比，是两个完全不一样的 第一章 绪论 - 5 - 产品，看不到太多的继承性，给人以脱胎换骨的全新感觉。这个时期的 线程序控制器被可编程序存储控制器取代，人们以小型或微型计算机作为核心装置的数字控制系统被称之为 (3) 难适应 也受到了计算机内存储空间狭小等因素的制约，满足不了大规模工业化生产的要求。 80年代后期和 90年代以来，科技工作者在实践中摸索出了许多将软件功能硬件化，硬件功能软件化的方法与途径，较好地实现了硬、软功能的高度兼容与互补，使得用于 今的 构和多微处理机结构。多微处理机结构的 统不断地随着现代制造技术的发展而发展，使之能适应更高更广泛 要。 1. 国外 床技术的现状 纵观国外 合起来具有以下的共同点： (1)底座为 200多毫米厚，经过精密研磨加工的花岗石，以供作工作台面轴向移动的导向基准面，稳定不变形，有救地防止了有规则的机械振动。有的还采用独创的自平衡空气轴承系统，可使机床以极高速度及加速度运行而无震动。 (2) 花岗岩基座与机器零、部件加工和装配均经过激光干涉测量仪严格地检测了其几何形状及位置精度，从而确保了机床的系统精度，才使得钻机的钻孔定位精度能达到 (3) 大部分钻床的无套环钻头管理系统与回转或双阵列刀具库，可更换多达360个钻头。新的刀具管理系统由于减少了刀具的装卸，从而避免了在装配过程中容易造成的断钻机会，提高了钻孔精度。 (4) 有两个刚性刀具夹，位于主轴与刀具库之间供作自动更换钻头之用，其存放顺序由 (5) 激光检测电主轴中的钻咀长度、直径及动态径向偏移，从而使钻铣的主轴具有高度稳定性和精度，一般都能自动控制钻头尖与盖板之间的距离， 第一章 绪论 - 6 - 光学电子尺更可控制钻孔的深度，特别适合于多层 工。配置的断钻自动检测装置，钻头 断了会自动停机， 告知位置并更换新钻头，检测合格再重新钻孔。 (6) 自动上下料装置都已十分成熟，一般地有 16个左右的分层托盘，由 行装御。装御时间每批次约 19s。 目前世界上 铣床生产厂家，如美国 000 系列及 500、 1000系列，意大利 国 是不相上下，各有特点的好产品。 2. 国内 铣床技 术的现状 目前我国 铣床的整体技术水平是钻孔精度已达 主轴最高转速有的已达 80 000r 大部分均在 50 000r 孔直径在 0.3 间，系统分辨率在 右，加工幅面在 460610动方式普遍采用了较先进的滚珠丝杠。从宏观上说，我国 价格却比国外产品差不多要低 5 8倍 (有的只有国外产品三分之一，甚至更低 )，从长远的服务、维修和更新方面，比国外产 品具有明显的优势。但整体上来讲比世界上几家著名 别的如伺服电路，我国现还停留在开环或半闭环状态，而工业发达的国家生产的 0年前就采用的是全闭环控制系统，电主轴的转速工业发达国家的产品太多在 110 000r 120 000r 时，即将会有 120 000r 我们国家目前最高也就是 80 000r 有如光栅尺、驱动电机等，从技术水平性能状态上，都比人家要差一节，有的差距还很大。 目前我国 生产已形成批量的有石狮天马、成都维科 (原四川台钻总厂 )、重庆万象、上海东源、重大机电 江苏康尼、镇江润州等企业，他们的产品都各有特色。 控钻床 技术的发展趋势 第一章 绪论 - 7 - 数控钻床技术的发展，概括起来有以下发展趋势。 1. 总线、开放式、模块化结构 床技术发展近几十年来无论在结构与功能上，还是在操作与控制上都有了非常大的发展和可喜的成就，以大板或总线模板结构为基础，在插槽中置备各种相应的功能模块组成多 成为当今 显示方面 ， 观形象，配合图形输入软件，人机会话功能等，不但能有效地显示字符，还能并行显示图形及加工程序，彩显示的对话框及提示，提问式的操作帮助，使键盘操作十分简单方便。电主轴等采用模块设计，装卸方便，约 15分钟可完成主轴装卸的全过程。 人机对话方便快捷明了。用 为作 使 现代 块要具有兼容性，软件的层次结构、模块结构，接 口关系等规范标 准，以便于机床用户有自动化开发环境和二次开发， 最大限度提高用户的使用效益。 2. 储容量越来越大，足可除了存储机器系统程序外，至少可以存储几万个钻孔程序段。为自动化钻孔提供了保证。 多机联网、单元模式结构的设计概念能实现多过程、多通道控制，具有极大的柔性，为大 规模的自动化生产提供了基础。如意大利 由 1 6 个工作站组成，技术设计最多可连接 32 个工作站。每个工作站装备有一个主轴头和一个 由中央 。 6 个工作站可以执行同一钻加工程序，也可以相互独立地执行不同的钻加工程序。各工作站还可以通过 机配置有 容易实现多机联网。 第一章 绪论 - 8 - 自动上下料装置的发展和技术不断成熟的程度，也为大规模自动化钻孔提供了保证。大型刀具库的出现，为较长时间自动化生 产提供了便利。 层采用 无销钉 气动夹紧装置 ， 一 改传统的孔 槽 定位方法，对实现大规模自动化钻孔更为有利。 削 过程中所有主轴都配备有断钻自动检测装置， 为 大规模 自动化生产过程解决了由于断钻造成 3. 精度、钻 微细孔和盲孔方向发展 众所周知，研制生产高速、高精度 孔 ( 容易发生的断钻头和多层 着电子产品轻、薄、短、小要求的不断深化，打微细小孔和盲孔，生产多层 ，将是今后 基础上，继续探讨，研制 高速 (120 k r ，高精度 ( ， 深孔 (深度直径比为 20： 1 ) 和盲孔的需要，也仍是今后一个时期内 床的生产同时将会尽可能地采用市场上业已成熟的部件，以有效地缩短研制时间和生产周期，从而达到减少重复劳动，技术集成，为我所用，加快市场周转的目的。德国西门子公司生产的 德国、意太利、英国的生产厂家都选用它。英国西风公司生产的电主轴也已被好几个著名 4. 是 术和智能化 床系统能提供会话编程、蓝图编程和 二三维加工过程的动态仿真，将引入在线测试和模糊控制等智能机制。 我国先进 1. 先进的 床技术是振兴我国 的重要技术支撑，决不能疏忽和掉以轻心 第一章 绪论 - 9 - 在机电产品中， 先进制造技术中的基础，从某种意义上讲， 业发达和先进程度是一个国家或一个地区或一个企业的工业现代化程度的象征。从宏观上看，我国现在的 技术与工业发达国家相比差距仍还很大，但也是不可忽视的重要产业，仍需要国家给予重点扶持。 同时还需象原来那样，打破部门条块分割局面，对关键技术和上台阶发展技术集中资金和人力攻关，取得突破与经验，即广为推广，以提高我国 兴我国的 2. 先进 发展先进的 从我国的实际出发，既要按市场需求 又要符合 技术发展规律与趋势。纵观我国几十年来的技术发展历程，较多考虑的是技术发展趋势，而较少考虑市场需求。当然 ， 两者从长远和根本上来说并不矛 盾，但从眼前来看，仍存在一个轻重缓急的安排 问题 ，突出强调市场需求，可以使先进 以使 可以使 而使先进 术从科学的殿堂走人经济 建设的主战场。从目前情况看，最好是国家主管部门牵头，优先几个产品，重点扶植开发研嗣、逐 步形成中国特色的经济实用的 系列产品，以满足我国 3. 通过引进技术和对外合作，加强引进技术的消化吸收，形成自己开发能力 从 国内几家合资公司的发展经验看，走外引内联，引进国外先进技术，然后加以消化吸收的引进、吸收、开发、生产之路，实在是一种既快又省的便捷通道。对于尽快缩短我国 成自主开发生产能力，提高我国 是十分有益的 。 4. 加强政策引导和政府组织能力 ，为先进 成较为有利的内部环境 第一章 绪论 - 10 - 先进 须要涉及到方方面面。政府的扶 持是首 当其冲，从发展战略的确定， 到 重点技术项目的选择 ； 从重点攻关技术的选定， 到实施单位的确定；从经费的保证到成果的推广应用，都离不开政府
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