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机械毕业设计全套
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JCJD01-054@设计数控车床控制系统,机械毕业设计全套
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一 课题介绍 1 课题名称： 数控车床控制系统设计设计 2 课题背景 (1) 课题的提出 随着中国制造业的发展，数控技术在各行业、尤其是精加工行业取得了广泛的应用，国内生产的数控系统也取得了重大的发展。数控车床的使用极大地推动了数控技术的发展。数控车床是以 CNC 系统为核心，综合了计算机、自动控制、机电一体化、 PLC、液压、传感器等技术而发展起来的一种通用制造设备。数控车床以其可靠性高、加工产品质量稳定、生产效率高、劳动强度低、操作方便等优点，在制造业中迅速普及。从简单轴类零件到复杂轴类零件，从螺纹加工到 复杂成形曲面的加工，从盘类零件到盖类零件，数控车床均成为主要的加工设备，并且显现出向多功能发展的趋势。数控车床作为先进的、应用最广泛的制造业加工设备之一，在国民生产中占有重要的地位，他与数控铣床、加工中心一起成为现代制造业的三大支柱。 研究数控车床已经是一种对国民发展的大贡献。 (2) 数控车床 的发展现状和趋势 目前国外 NC车床的技术水平 a.高性能目前国外 NC车床全面向高性能发展，依靠改进工艺、布局、结构、驱动和控制五方面来提高精度、效率、自动化。如工艺上车、铣、磨结合；布局上立、卧、倾斜式、倒立式变化， 结构上多主轴、多刀架；驱动上电主轴、滚珠丝杆、直线电机并用；控制上多轴联动、网络化等。在提高复合加工性能方面更加引人瞩目，量大面广的一般 NC车床不断向高性能车削中心和车铣中心发展的配置。 b.高精度加工精度普遍提高，精密车床代替了过去的普通精度 NC车床。加工精度从过去的 1T6-1T7提高到 1T5-1T6。重复定位精度达 1-2微米（高精度车床为0.3Mm），工件精度达 0.3微米，圆度达 1微米，表面粗糙度达 Ra 0.3微米。 NC系统分辨率为 1微米（高精度 NC车床达 0.1微米或 0.01微米），还在继续提高。 c.高效率通过高速化和复合化不断提高加工效率。高速化方面，一般中规格 NC车床主轴转速已从过去的 3000-5000r/min提高到 4000-8000r/min（ NC单轴自动车床达 1.2万、 1.5万、甚至 2万 r/min），快速进给从过去的 10-20m/min提高到 30、甚至 40m/min。主传动功率也大大提高。在复合化方面，具有铣削功能、 Y轴功能的车削中心数量大增，约占 15%。具有 X、 Z、 Y、 B、 C 5轴功能的也逐步增多，出现了车 -磨结合、车床 -加工中心 结合的复合加工机，实现“全部加工”。 d.高自动化采用现场交互式编程和机内自动对刀，有些还与 CAD/CAM相结合；带 AWC、 ATC和 AJC等自动化外围设备的越来越多；监控和自诊断能力日益增强，有些还可进行远程监控与诊断；能自动测 量和进行误差补偿，包括加工误差的实时补偿；更易於集成入自动化加工系统中。 e.模块化设计针对市场需求，为加速发展系列产品、降低成本和缩短交货期，国外 NC车床已普遍采用模块化设计，利用基本模块和各种功能部件灵活配置，组成各式 NC车床、车削中心等。 nts国外 NC 车床的技术发展方向 主要有几方面不断开发新工艺、新材料、新结构、新元件，比如开发硬面车削工艺 (HRC50-68)，公差带在 5微米，表面粗糙度达 Ra 0.4微米，又如开发倒立式车磨结合的车削中心等；进一步提高加工精度，发展精密化、超精密化车床；提 高效率，加速发展高速化，尤其是复合化；在现有自动化基础上进一步发展智能化、无人化、集成化；发展网络化，与车间、工厂、外界联网；发展环保化车床，实现节能、省地、干和半干切削等。 德国 Emag公司的 VSC400型车 -磨结合的车削中心 国内 NC车床的技术水平和存在差距 在改革开放的 20年，中国 NC车床的技术水平提高较快， 在设计、制造、使用上进步很大。 2001年中国 NC车床产量 3900台，进口约 3500台。 1995年中国 NC车床拥有量 2.1万台（占 NC机床之 33%）。 2002年 3月的上海中国 数控机床 展 (CCMT 2002)，展出 200台整机，包括 64台 NC车床，代表了当前中国 NC车床的最高技术水平，另有车削中心 9台，占 14%。 沈阳机床公司与德国合作生产的 SSCKZ 63-5型 5轴车铣中心，可控制 X、 Y、 Z、 B、C轴，床身最大回转直径 800mm，主轴 2000r/min，主电机 37kw，刀库有 12把刀，配西门子 840D NC系统。成都宁江机床厂的 CKE1112型 NC纵切自动车床，加工棒料直径 12mm，主轴转速 12000r/min，为 5轴 2联动，配用 FANUCD-O NC系统。上海第二机床厂的 HM-O15型倒置立式车削中心，主轴 4000r/min，主电机 40kw，采用INDRAMAT NC系统，机床带自动上下料装置。在 2000年 3月的 CCMT展上，上海重型机床厂展出自行设计的 SHZ 1044型双主轴立式车削中心（ 见图 4），具有特色，可侧面反映出目前中国 NC车床的设计和制造水平。 该车床用於电梯曳引轮涡轮组件的半精加工和精加工，有倒置立车和正置立车两部分。带自动上下料装置，为能完成零件全部加工的车削中心。配 SINUMERIK 840C NC 系统，定位精度 X 轴 0.016mm/500mm， Z 轴 0.032mm， C 轴 60；重复定位精度 X 轴 7 微米， Z 轴 0.01mm， C 轴 20，机床配用进口的内装式电主轴、高精度轴承、直线滚动导轨、高精度光栅尺、滚珠丝杆、自动定心卡盘等。 nts存在的主要差距为在精度、效率、自动化上存在一定 差距；主机设计基本功差，缺乏创新，模块化设计少；重要基础元部件、 NC 系统主要依靠进口；缺乏深入系统的科研工作，设计、试验手段较落后；在 NC 车床的产品水平和总体技术水平上，差距明显。 (3) 数控 技术的现状 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（ IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热 点有以下几个方面。 1.高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（ CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒 /辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力 很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 在加工精度方面，近 10年来，普通级数控机床的加工精度已由 10 m提高到 5 m，精密级加工中心则从 3 5 m，提高到 1 1.5 m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级 (0.01 m)。 在可靠性方面，国外数控装置的 MTBF值已达 6 000h以上，伺服系统的 MTBF值达到 30000h以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展。 2. 5轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为， 1台 5轴联动机床的效率可以等于2台 3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时， 5轴联动加工可比 3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3轴联动数控 机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床）的发展。 3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使 用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、nts简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的 NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems) 、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的 ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档 次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 4. 重视新技术标准、规范的建立 a. 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、 OSACA、 OSEC)的研究和制定，世界 3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数 控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2000年也开始进行中国的 ONC数控系统的规范框架的研究和制定。 b. 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都是基于 ISO6983 标准，即采用 G， M 代码描述如何（ how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649（ STEP NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据 模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 (4) 数控技术的原理和特点 数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世； 19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明； 1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技 术是与机床控制密切结合发展起来的。 1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。 现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。 3 工作内容及要求 应了解数控机床原理及用途，主要构成；策划系统的总体结构和实现方案； nts完成 数控机床的机械 部分运动原理设计。控制系统框图、控制部分设计。 包括步进电机驱动电路设计、控制电路设计、位置显示电路、单片机软件控制流程。 每个学生应完成 翻译译文 ，最少工作量为 5000 汉字。 针对本课题内容需要绘制 4 张 A0 工作图，撰写 2 万字设计说明书 。 4 本课题的重点与难点 本课题是在 前人的基础上寻求最好的搭配，已得到好的经济效益。另外，因为进给系统是步进电机，所以作为一个开环系统要在能满足加工精度的基础上最经济的选择方案。主要的的任务是 纵向和横向 进给系统 的 设计包括 纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核 ； 纵向和横向步进电 机的选择 ；步进电动机的驱动与控制 。 5 系统的组成及工作原理 本系统是数控车床的进给系统主要包括机械部分和单片机系统两大部分。机械部分包括横向进给和纵向进给部分；单片机系统实线进给系统的的驱动和控制。 6 研究意义 数控机床已经在国民生产中占据了重要地位，而且和各行各业联系紧密。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型
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