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第一章 概论一、数控系统发展简史二、国内数控机床状况分析三、数控系统的发展趋势四、机床数控化改造的必要性第二章 普通车床的数控改和可行性论证一 车床的数控改造二 可行性论证三 总体设计方案的确定第四章 主传动部分改造与设计一、 主传动部分改造方案拟定和设计的内容二、 二、主传动部分改造设计计算三、 三、机床调速电机控制电路图的设计 第五章 伺服进给系统的改造设计与计算一、伺服系统的组成原理和要求二 伺服进给机构的设计内容和设计计算第六章 自动转位刀架的选择设计一、数控车床刀架的基本要求二 、自动转位刀架的选择第七章 编码盘的安装设计一、编码盘的工作原理二、步进电机频率对编码盘的限制三、编码盘的安装第八章 数控系统的选择设计一、典型机床数控装置的硬件组成二、典型CNC系统（数控系统）技术性能 第九章 典型零件的加工程序设计 第一章 概论一、数控系统发展简史1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。二、国内数控机床状况分析（一）国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。（二）国内数控机床的特点 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率 从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。三、数控系统的发展趋势1.继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。2.向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。3.向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。四、机床数控化改造的必要性（一）微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1 、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。4 、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。5、 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看 管加工。6、 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少 了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。（二）宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。数控化改造的市场空间 机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出：1国内的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 2. 进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。机床改造的效益分析提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点：1、 减少了投资和交货的期限 同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。2、机械的稳定性可靠 机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4、可以充分利用现有的条件 可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造的方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。第三章 总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的C618的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显：C618车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机，有级变速部分采用电磁离合器控制机构；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。改造后的总体方案示意图如图3-1所示： 图3-1总体方案设计图 第九章 典型零件的加工程序设计 图中100mm处不加工。编制加工程序步骤如下：（一）、数控机床的选择 被加工零件为回转体零件，需进行倒角，螺纹，锥度，圆弧加工，选书空车床可满足要求。（二）、加工程序划分 经分析确定工艺路线如下：从右到左切削外轮廓，其路线为：平端面车90的外圆车80的外圆车70的外圆车60的外圆车55的外圆倒角245锥度圆弧加工切槽螺纹。（三）、选择刀具、确定换刀点 根据加工要求选用三把刀具，T01号刀 车外圆，T02 号刀车螺纹，T03 号刀切槽，。绘制零件车削图（如下图所示），要注意正确选用换刀点，以避免刀具与车床、工件、夹具在换到时发生碰撞现象，本例换刀点选A（200，100）（四）、正确切削用量 根据数控加工的特点，本例切削用量确定如下：车外圆时，主轴转速取600r/min（S600），进给量取0.15mm/r。切槽时，主轴转速取300r/min（S315）。进给量取0.16mm/r。车螺纹时，主轴转速取200r/min（S200），进给量为1.5mm/r，螺距F1.5），切削深度为精加工余量。 图8-1 车削零件图（五）、编制精加工程序如下：;工件尺寸450100;起始位置X=50 Z=10;刀具 T01为车刀 T02为螺纹刀 T03为切断刀N01 G92 X100 Z10N02 T1 N03 G00 Z0N04 G01 X-1N05 G00 X100N06 G00 Z10N07 G00 X95N08 G01 Z-385 F40 N09 G00 X100 N10 G00 Z10N11 G00 X90N12 G01 Z-385 F40 N13 G00 X100 N14 G00 Z10N15 G00 X85N16 G01 Z-325 F40 N17 G00 X100 N18 G00 Z10N19 G00 X80N20 G01 Z-325 F40 N21 G00 X100 N22 G00 Z10N23 G00 X75N24 G01 Z-225 F40 N25 G00 X100 N26 G00 Z10N27 G00 X70N28 G01 Z-225 F40 N29 G00 X100 N30 G00 Z10N31 G00 X65N32 G01 Z-105 F40 N33 G00 X100 N34 G00 Z10N35 G00 X60N36 G01 Z-105 F40 N37 G00 X100 N38 G00 Z10N39 G00 X55N40 G01 Z-105 F40 N41 G00 X100 N42 G00 Z10N43 G00 X48 Z0N44 G01 X55 Z-5N45 G00 X100N46 G00 Z10N47 G00 X65 Z-105N48 G01 X70 Z-205N49 G00 X100 N50 G00 Z10N51 G00 X60 Z-105N52 G01 X70 Z-205N53 G00 X100 N54 G00 Z10N55 G00 X80 Z-245N56 G92 X80 Z-245N57 G05 X80 Z-305 I-2 K-30 F40N58 G00 X80 Z-245N59 G92 X80 Z-245N60 G05 X80 Z-305 I-4 K-30 F40N61 G00 X80 Z-245N62 G92 X80 Z-245N63 G05 X80 Z-305 I-6 K-30 F40N64 G00 X80 Z-245N65 G92 X80 Z-245N66 G05 X80 Z-305 I-7 K-30 F40N67 G00 X100N68 G00 Z10N69 M05 N70 T03 M03 S300 N71 G00 Z-105N72 G01 X46 F40N73 G00 X100N74 G00 Z10N75 M05 N76 T02 M03 S200 N77 G00 X53 N78 G01 Z-100 F40N79 G00 X100N80 G00 Z10 N81 G00 X51 N82 G01 Z-100 F40N83 G00 X100N84 G00 Z10 N85 G00 X50 N86 G01 Z-100 F40N87 G00 X100N88 G00 Z10 N89 M05N90 M02第二章 普通车床的数控改和可行性论证对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。一 车床的数控改造（一）、数控机床工作原理及组成1. 数控机床工作原理：数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。2.数控机床的组成：数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1 图2-1 数控机床的组成图（二）、设计内容及任务普通车床（C618）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。本设计任务是对C618卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。（三）、数控部分的设计改造1、数控系统运动方式的确定数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于C618车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。2、伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。3、数控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。数控装置的设计方案通常有：l 可以全部自己设计制作l 可以采用单板机或STD模块或工控机改制l 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动 在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。（四）、机械改造部分的设计1、主传动部分的改造设计 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。2、进给机构的改造将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。3、其它部件的改造 刀架部分：拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。二 可行性论证 根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床C618进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。第六章 自动转位刀架的选择设计在总体方案论证中提到自动转位刀架是数控机床不可或缺的一部分。一、数控车床刀架的基本要求数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求：转位准确可靠，工作平稳安全；按最短线路就近选择，转位时间短；重复定位精度高；防水、防屑，密封性能优良；夹紧刚性高，适宜重负荷切削。二 、自动转位刀架的选择在本设计中，因设计时间等因素，设计者七绝顶引进常州武进数控设备厂生产的LD4-I型四工位自动刀架，而不对其做具体设计。该型自动刀架具有重复定位精度高、工作刚性好、使用寿命长、工艺性好等特点。下面对该刀架相关内容做一简要分析说明：LD4-I型自动刀架的技术参数 表6.1 LD4-I型自动刀架的技术参数型号刀位数电机功率电机转速夹紧力上、下刀体尺寸C6184120 w1400r/mm0.5162162 192192LD4-I型自动刀架的技术指标 表6.2 LD4-I型自动刀架的技术指标重 复 定位 精 度工 作 可靠 性换刀时间 （s）901802700.005 mm30000次2.93.43.9工作原理在经济型数控车床上大都使用的是四方或六方转位刀架，按其工作原理可分为：螺旋转位刀架，十字槽转位刀架，凸台棘爪式转位刀架，电磁式转位刀架，以及夜压式转位刀架。本设计中选用的LD4-I型四工位转位刀架是一种螺旋转位刀架，其工作原理大致如下：微机发出换刀信号，刀架控制箱继电器动作；电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转到所选刀位，发讯盘发出刀位信号，刀架控制箱继电器使电机反转，反靠初定位；上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆，锁紧螺母使刀架固紧。当夹紧力达到预先条好的状态时，过流继电器动作，切断电源，电机停转并向微机发出信号，开始执行下道工序。电 机加速机构升降机构上刀体上升转位粗定位机构信号符合上刀体下降精定位刀架锁紧电机停转换刀答信加工顺序执行 图6.1 四工位转位刀架的工作原理图自动转位刀架的安装该刀架安装时，需先拆除原机床上的小拖板和原刀架，然后把电动刀架置于中拖板上。此时，刀架高度应使车刀前刀面基本通过车床主轴轴心线，否则要在刀架下面加垫板，调整其高度。然后，卸掉刀架电动机风扇罩壳，逆时针方向转动电动机，使上刀体相当于下刀体转动450左右。打装螺孔，再用内六角螺栓将刀架与中拖板固定，固定时应注意，将刀架的两侧面分别与车床纵向和横向的进给方向平行。电动刀架与系统的连线应如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出一铁丝滑线，走线到系统。其好处在于:避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、切削液以及其它杂物磕碰电动刀架连线。第七章 编码盘的安装设计我们知道在经济型数控车床上加工螺纹或丝杠时，须培植主轴脉冲发生器（即编码盘）作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送到计算机。一、编码盘的工作原理编码盘是一种按一定的编码形式如二进制编码，二-十进制编码等，将一个圆盘分成若干等份，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移的个等份上的数码转换成便于应用的二进制或其它表达方式的测量装置。二、步进电机频率对编码盘的限制在世用主轴脉冲发生器时，受到步进电机频率的限制。如采用1000HZ的工作频率，加工3mm螺距的螺纹时，步进电动机频率为300HZ，而主轴脉冲发生器频率为100060HZ=60000HZ，所以车床主轴转速n=100060/300=200r/min，即车床主轴转速不得超过200r/min转；如将主轴脉冲发生器的频率提高到2000HZ，转速也仅达到400r/min。由此可见，当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低。三、编码盘的安装编码盘的安装一般有良种方式，即同轴安装和异轴安装。同轴安装的结构简单，联接方便。但是安装后不能加工穿出主轴孔的较长工件。而异轴安装无此缺陷。考虑到这一点设计者为使说改造设计的车床具有较强的通用性，选择采用异轴安装方式来安装编码盘。 编码盘通过传动比为1：1的同步齿形带与主轴联系起来。工作时，编码器与主轴同步旋转，数控装置控制进给步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动。保证主轴每转一转，螺纹车刀移动一个螺纹导程，同时还保证每次走刀都在工作的同一点切入，而不乱扣。 第一章 概论一、数控系统发展简史1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。二、国内数控机床状况分析（一）国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。（二）国内数控机床的特点 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率 从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。三、数控系统的发展趋势1.继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。2.向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。3.向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。四、机床数控化改造的必要性（一）微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1 、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。4 、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。5、 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看 管加工。6、 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少 了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。（二）宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。数控化改造的市场空间 机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出：1国内的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 2. 进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。机床改造的效益分析提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点：1、 减少了投资和交货的期限 同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。2、机械的稳定性可靠 机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4、可以充分利用现有的条件 可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造的方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。第三章 总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的C618的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显：C618车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机，有级变速部分采用电磁离合器控制机构；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。改造后的总体方案示意图如图3-1所示： 图3-1总体方案设计图 第九章 典型零件的加工程序设计 图中100mm处不加工。编制加工程序步骤如下：（一）、数控机床的选择 被加工零件为回转体零件，需进行倒角，螺纹，锥度，圆弧加工，选书空车床可满足要求。（二）、加工程序划分 经分析确定工艺路线如下：从右到左切削外轮廓，其路线为：平端面车90的外圆车80的外圆车70的外圆车60的外圆车55的外圆倒角245锥度圆弧加工切槽螺纹。（三）、选择刀具、确定换刀点 根据加工要求选用三把刀具，T01号刀 车外圆，T02