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太原理工大学现代科技学院信息系毕业设计（论文）开题报告太原理工大学现代科技学院信息系本科毕业论文（设计）开题报告毕业设计(论文)题目立式数控车床的CNC控制系统学生姓名张华导师姓名李何专 业自动化报告日期3月16班 级0802指导教师意见签字 年 月 日专业(教研室)主任意见年 月 日系主任意 见年 月 日1.选题意义在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产的零件（批量在10100件）约占机械加工总量的80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防工业更是如此。为了满足多品种，小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的，通用的，能够适用产品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化的加工手段。 数控加工作为一种高效率高精度的生产方式，尤其是形状复杂精度要求很高的模具制造行业，以及成批大量生产的零件。因此数控加工在航空业、电子行业还有其他各行业都广泛应用。然而在数控加工从零件图纸到做出合格的零件需要有一个比较严谨的工艺过程，必须合理安排加工工艺才能快速准确的加工出合格的零件来，否则不但浪费大量的时间，而且还增加劳动者的劳动强度，甚至还会加工出废品来。一般数控机床的加工工艺和普通机床的加工工艺是大同小异的，只是数控机床能够通过程序自动完成普通机床的加工动作，减轻了劳动者的劳动强度，同时能比较精准的加工出合格的零件。由于数控加工整个加工过程都是自动完成的，因此要求我们在加工零件之前就必须把整个加工过程有一个比较合理的安排，其中不能出任何的差错，否则就会产生严重的后果。高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。综上所述，数控车床的设计需要对数控车床的工作原理有深刻的理解，设计的过程需要面临选型、对所选设备的学习、电器连接等问题。通过研究现有的数控车床可以很好的帮助自己完成这次设计。2.国内外研究现状概述在机械制造行业中，机床是一中主要的生产设备。机械制造行业的产品，气结构日趋复杂，精度和性能要求日趋提高，因此对生产设备机床也相应地提出了高效率，高精度和高自动化的要求。大批量生产的产品，如汽车，家用电器等的零件，为了提高产量和质量，广泛采用组合机床，凸轮控制的多刀多工位机床一级专用的自动生产线和自动化车间进行加工。但这类专用机床和生产设备准备周期长，使更新产品及修改加工工艺的时间较长，费用较高，制约了产品的更新换代。在制造行业中，单件和小批量产品占到70%80%，这类产品的零件一般都采用通用机床来加工，通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品的质量。特别一些由曲线，曲面组成的复杂零件，只能借助划线和样板用手工操作的方法来加工，或利用靠模和仿形机床来加工，其加工精度和生产效率仍会受到很大的限制。 数控机床，就是为了解决单件，小批量，特别的复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。 世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了60个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有1020万台，产值上百亿美元。目前，国际上最大的数控系统生产厂是 日本FANUC公司，1年生产5万套以上系统，占世界市场约4 0 左右，其次是德国的西门子公司约占15以上 ，再次是德国海德汉西班牙发格 、法国的NUM、日本的三菱安川。 我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50，库存超过4个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2000年8月份的上海数控机床展览会和2001年4月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题： （1） 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销； （2） 高技术水平、全功能产品主要靠进口； （3） 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； （4） 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； （5） 自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 目前国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过300400 套。近1O多年来，数控机床为适应3 n T_ 技术发展，在高速化 、高精度化等几个技术领域都有很大进步。 在立式数控车床的设计中，主要用到了变频器、交流电动机、伺服系统、旋转编码器、CNC，下面就对这些技术做简单的介绍。 变频器，变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。 交流电动机，交流电动机，是将交流电的电能转变为机械能的一种机器。交流电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。交流电动机由定子和转子组成，并且定子和转子是采用同一电源，所以定子和转子中电流的方向变化总是同步的，即线圈中的电流方向变了，同时电磁铁中的电流方向也变，根据左手定则，线圈所受磁力方向不变，线圈能继续转下去。交流电动机就是利用这个原理而工作的。 伺服电机，伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 旋转编码器，旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。 3.主要研究内容对数控车床的设计首先要了解数控车床的工作原理，并且弄清主轴转速控制的原理这就需要了解交流电机和拖动的原理，根据同步电机的转速公式我们不难发现只有通过控制电动机所加电源的频率从而来控制主轴的转速，为了更好的完成对车床主轴转速的控制，就需要对运动控制有所了解，对主轴的转速设计为闭环控制。接下来是X轴和Y轴的控制，这需要对伺服系统的工作原理有所了解，伺服系统包括：伺服控制器和私服马达。在选型的过程中我们就需要在伺服系统中进行分别选型，在这部分中遇到的困难是对具体伺服系统参数的理解和正确的选择。这部分设计为开环控制，控制进度与所选伺服系统有很大的关系。变频器是完成主轴控制不可缺少的一部分，它通过整流和逆变过程来改变频率，变频器的选型需要对它的容量进行确定，为了能够更好的用好变频器，需要通过大量的阅读相关的文献。CNC是整个数控车床的核心，也是比较复杂的一部分，首先需要大致了解它的功能和组成，在具体选型完毕后就需要下载该型号的说明书进行具体的了解。在完成上述任务后，对各个部分的连接需要通过具体的阅读相关手册来弄得每个接头的具体功能和连接要求，从而完成连接的任务。在整个设计中需要具体完成的工作：1） 对系统所选用的CNC、伺服控制器、伺服变压器、变频器和编码器等进行设计选型；2） 设计完整标准的电气原理图、CNC原理图、编码器接线图；3） 设计简单的CNC控制程序；4） 对伺服控制系统的阐述；5） 设计电气柜的安装布置图；6） 写出50页以上（不包括程序）的设计说明书，并附图纸和程序；4.拟采用的研究思路（方法、技术路线、可行性论证等）数控机床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CNC单元）、伺服系统、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量反馈装置组成。如下图是数控机床的组成框图。机床本体数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。CNC单元CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。 输入/输出设备输入装置将各种加工信息传递于计算机的外部设备。在数控机床产生初期，输入装置为穿孔纸带，现已淘汰，后发展成盒式磁带，再发展成键盘、磁盘等便携式硬件，极大方便了信息输入工作，现通用DNC网络通讯串行通信的方式输入。输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。伺服系统伺服系统由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。对于伺服马达来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。（5）可编程控制器可编程控制器 (PC，Programmable Controller) 是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制， 故把称它为可编程逻辑控制器( PLC， Programmable Logic Controller)。当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器( PMC， Programmable Machine Controller )。PLC己成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。（6）测量反馈装置测量装置也称反馈元件，旋转编码器，通常安装在主轴上，它把机床主轴实际转速转变成电信号反馈给CNC装置，完成对主轴转速精确控制。5.研究工作安排及进度第1-3周：在网上查阅数控车床相关资料；第4周：阅读广州数控车床GSK980TD说明书，熟悉GSK980TD原理和个引脚的功能；第5周：根据设计要求选型；第6周：熟悉所选设备的使用方法；第7周：去洛阳实习；第8周：熟悉所选设备的各个引脚功能；第9-11周：设计完整标准的电气原理图、CNC原理图、编码器接线图；第12周：设计简单的CNC控制程序；第13周：对伺服控制系统的阐述；第14周：设计电气柜的安装布置图；第15周：设计（年/月/日）报表程序；第16-17周：撰写毕业论文，准备毕业答辩。6.参考文献1 阮毅、陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统M.北京：机械工业出版社，20092 王兆安、刘进军.电力电子技术.北京：机械工业出版社，20093 孙建忠、刘风春.电机与拖动.北京：机械工业出版社，20074 李发海、王岩.电机与拖动基础M.3版.北京：清华大学出版社，20055 杨胜强.现代工程制图.北京；清华大学出版社，20046 张永茂.AutoCAD 2004实用教程.北京：化学工业出版社，20047 寇宝泉、程数康.交流伺服电机及其控制.北京；机械工业出版社，200