CA6132普通车床的数控技术改造

目 录第一章 绪论 - 3 -数控技术和装备发展趋势 - 3 -第二章 数控机床系统总体设计 - 8 -一 总体方案设计内容 - 8 -二 总体方案确定 - 8 -第三章 进给系统设计计算 - 10 -一 选择脉冲当量 - 10 -二 计算切削力 - 10 -三 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 - 11 -四 齿轮进给齿轮箱传动比计算 - 20 -五 步进电机的计算和选型 - 21 -第四章 微机数控系统的设计 - 26 -一 微机数控系统的设计纲要 - 26 -一 硬件电路设计 - 26 -二 软件电路设计 - 27 -二 8031 单片机及其扩展 - 27 -一 8031 单片机的简介 - 27 -二 8031 单片机的系统扩展 - 28 -三 存储器扩展 - 30 -四 I/O 口的扩展 - 31 -三 步进电机驱动电路 - 32 -一 脉冲分配器（环行分配器） - 32 -二 光电隔离电路 - 33 -三 功率放大器 - 33 -四 其他辅助电路 - 34 -四 数控系统的软件设计 - 35 -一 软件脉冲分配器 - 35 -二 逐点比较法插补程序 - 37 -三 步进电机升降速软件设计 - 38 -第五章 数控机床零件加工程序 - 40 -第六章 总结与展望 - 41 - 2 -摘 要当 今 世 界 数 控 技 术 及 装 备 发 展 的 趋 势 及 我 国 数 控 装 备 技 术 发 展 和 产 业 化 的 现 状 ，在 此 基 础 上 讨 论 了 在 我 国 加 入 WTO 和 对 外 开 放 进 一 步 深 化 的 新 环 境 下 ， 发 展 我 国 数控 技 术 及 装 备 、 提 高 我 国 制 造 业 信 息 化 水 平 和 国 际 竞 争 能 力 的 重 要 性 ， 并 从 战 略 和 策略 两 个 层 面 提 出 了 发 展 我 国 数 控 技 术 及 装 备 的 几 点 看 法 。 装 备 工 业 的 技 术 水 平 和 现 代 化 程 度 决 定 着 整 个 国 民 经 济 的 水 平 和 现 代 化 程 度 ， 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 。 马 克 思 曾 经 说过 “各 种 经 济 时 代 的 区 别 ， 不 在 于 生 产 什 么 ， 而 在 于 怎 样 生 产 ， 用 什 么 劳 动 资 料 生 产 ”。制 造 技 术 和 装 备 就 是 人 类 生 产 活 动 的 最 基 本 的 生 产 资 料 ， 而 数 控 技 术 又 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 和 国 家 地 位 的 重 要 途 径 。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 。关键词：普通车床； 数控改造； 伺服系统； 数控系统 - 3 -The transformation and design of the economic CNC lathe ABSTRACTThe survey found that most enterprises of china still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production , low automatization and adaptability ,but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprises productionPurchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The economical efficiency of the reform and the application of NC technology in General purpose lathe CA6132s numerically controlled reforming is researched in this paper according to our practice of CA6132s numerically controlled reforming. And the reforming scheme and main points are formed. The main contents is: The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the rerorming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle.The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.he import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function. Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward. KEY WORDS: General purpose lathe; NC reform ; Servo system ; CNC system- 4 -第一章 绪论数控技术和装备发展趋势1 数 控 技 术 的 发 展 趋 势数 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 、 意 料 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 4 。1 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 。从 EMO2001 展 会 情 况 来 看 ， 高 速 加 工 中 心 进 给 速 度 可 达 80m/min， 甚 至 更 高 ，空 运 行 速 度 可 达 100m/min 左 右 。 目 前 世 界 上 许 多 汽 车 厂 ， 包 括 我 国 的 上 海 通 用 汽 车公 司 ， 已 经 采 用 以 高 速 加 工 中 心 组 成 的 生 产 线 部 分 替 代 组 合 机 床 。 美 国CINCINNATI 公 司 的 HyperMach 机 床 进 给 速 度 最 大 达 60m/min， 快 速 为100m/min， 加 速 度 达 2g， 主 轴 转 速 已 达 60 000r/min。 加 工 一 薄 壁 飞 机 零 件 ， 只 用30min， 而 同 样 的 零 件 在 一 般 高 速 铣 床 加 工 需 3h， 在 普 通 铣 床 加 工 需 8h； 德 国DMG 公 司 的 双 主 轴 车 床 的 主 轴 速 度 及 加 速 度 分 别 达 12*!000r/mm 和 1g。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 10m 提 高 到5m， 精 密 级 加 工 中 心 则 从 3 5m， 提 高 到 1 1.5m， 并 且 超 精 密 加 工 精 度 已 开始 进 入 纳 米 级 (0.01m)。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 ， 应 用 领 域 进 一 步 扩 大 。- 5 -1.2 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 。在 EMO2001 展 会 上 ， 新 日 本 工 机 的 5 面 加 工 机 床 采 用 复 合 主 轴 头 ， 可 实 现 4个 垂 直 平 面 的 加 工 和 任 意 角 度 的 加 工 ， 使 得 5 面 加 工 和 5 轴 加 工 可 在 同 一 台 机 床 上实 现 ， 还 可 实 现 倾 斜 面 和 倒 锥 孔 的 加 工 。 德 国 DMG 公 司 展 出 DMUVoution 系 列 加工 中 心 ， 可 在 一 次 装 夹 下 5 面 加 工 和 5 轴 联 动 加 工 ， 可 由 CNC 系 统 控 制 或CAD/CAM 直 接 或 间 接 控 制 。1.3 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 、 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 。网 络 化 数 控 装 备 是 近 两 年 国 际 著 名 机 床 博 览 会 的 一 个 新 亮 点 。 数 控 装 备 的 网 络 化将 极 大 地 满 足 生 产 线 、 制 造 系 统 、 制 造 企 业 对 信 息 集 成 的 需 求 ， 也 是 实 现 新 的 制 造 模式 如 敏 捷 制 造 、 虚 拟 企 业 、 全 球 制 造 的 基 础 单 元 。 国 内 外 一 些 著 名 数 控 机 床 和 数 控 系统 制 造 公 司 都 在 近 两 年 推 出 了 相 关 的 新 概 念 和 样 机 ， 如 在 EMO2001 展 中 ， 日 本 山崎 马 扎 克 （ Mazak)公 司 展 出 的 “CyberProduction Center”（ 智 能 生 产 控 制 中 心 ， 简 称CPC)； 日 本 大 隈 （ Okuma） 机 床 公 司 展 出 “IT plaza”（ 信 息 技 术 广 场 ， 简 称 IT 广 场 )；德 国 西 门 子 (Siemens)公 司 展 出 的 Open Manufacturing Environment（ 开 放 制 造 环境 ， 简 称 OME） 等 ， 反 映 了 数 控 机 床 加 工 向 网 络 化 方 向 发 展 的 趋 势 。- 6 -1.4 重 视 新 技 术 标 准 、 规 范 的 建 立1.4.1 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 。1.4.2 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 。STEP-NC 的 出 现 可 能 是 数 控 技 术 领 域 的 一 次 革 命 ， 对 于 数 控 技 术 的 发 展 乃 至 整 个制 造 业 ， 将 产 生 深 远 的 影 响 。 首 先 ， STEP-NC 提 出 一 种 崭 新 的 制 造 理 念 ， 传 统 的 制造 理 念 中 ， NC 加 工 程 序 都 集 中 在 单 个 计 算 机 上 。 而 在 新 标 准 下 ， NC 程 序 可 以 分 散在 互 联 网 上 ， 这 正 是 数 控 技 术 开 放 式 、 网 络 化 发 展 的 方 向 。 其 次 ， STEP-NC 数 控 系统 还 可 大 大 减 少 加 工 图 纸 （ 约 75 ） 、 加 工 程 序 编 制 时 间 （ 约 35 ） 和 加 工 时 间（ 约 50 ） 。目 前 ， 欧 美 国 家 非 常 重 视 STEP-NC 的 研 究 ， 欧 洲 发 起 了 STEP-NC 的 IMS 计 划(1999.1.1 2001.12.31)。 参 加 这 项 计 划 的 有 来 自 欧 洲 和 日 本 的 20 个CAD/CAM/CAPP/CNC 用 户 、 厂 商 和 学 术 机 构 。 美 国 的 STEP Tools 公 司 是 全 球 范 围内 制 造 业 数 据 交 换 软 件 的 开 发 者 ， 他 已 经 开 发 了 用 作 数 控 机 床 加 工 信 息 交 换 的 超 级 模型 (Super Model)， 其 目 标 是 用 统 一 的 规 范 描 述 所 有 加 工 过 程 。 目 前 这 种 新 的 数 据 交 换格 式 已 经 在 配 备 了 SIEMENS、 FIDIA 以 及 欧 洲 OSACA-NC 数 控 系 统 的 原 型 样 机 上 进行 了 验 证 。2 对 我 国 数 控 技 术 及 其 产 业 发 展 的 基 本 估 计我 国 数 控 技 术 起 步 于 1958 年 ， 近 50 年 的 发 展 历 程 大 致 可 分 为 3 个 阶 段 ： 第一 阶 段 从 1958 年 到 1979 年 ， 即 封 闭 式 发 展 阶 段 。 在 此 阶 段 ， 由 于 国 外 的 技 术 封 锁和 我 国 的 基 础 条 件 的 限 制 ， 数 控 技 术 的 发 展 较 为 缓 慢 。 第 二 阶 段 是 在 国 家 的 “六 五 ”、“七 五 ”期 间 以 及 “八 五 ”的 前 期 ， 即 引 进 技 术 ， 消 化 吸 收 ， 初 步 建 立 起 国 产 化 体 系 阶 段 。在 此 阶 段 ， 由 于 改 革 开 放 和 国 家 的 重 视 ， 以 及 研 究 开 发 环 境 和 国 际 环 境 的 改 善 ， 我 国数 控 技 术 的 研 究 、 开 发 以 及 在 产 品 的 国 产 化 方 面 都 取 得 了 长 足 的 进 步 。 第 三 阶 段 是 在国 家 的 “八 五 ”的 后 期 和 “九 五 ”期 间 ， 即 实 施 产 业 化 的 研 究 ， 进 入 市 场 竞 争 阶 段 。 在 此阶 段 ， 我 国 国 产 数 控 装 备 的 产 业 化 取 得 了 实 质 性 进 步 。 在 “九 五 ”末 期 ， 国 产 数 控 机床 的 国 内 市 场 占 有 率 达 50 ， 配 国 产 数 控 系 统 （ 普 及 型 ） 也 达 到 了 10 。纵 观 我 国 数 控 技 术 近 50 年 的 发 展 历 程 ， 特 别 是 经 过 4 个 5 年 计 划 的 攻 关 ， 总 体来 看 取 得 了 以 下 成 绩 。a.奠 定 了 数 控 技 术 发 展 的 基 础 ， 基 本 掌 握 了 现 代 数 控 技 术 。 我 国 现 在 已 基 本 掌 握 了- 7 -从 数 控 系 统 、 伺 服 驱 动 、 数 控 主 机 、 专 机 及 其 配 套 件 的 基 础 技 术 ， 其 中 大 部 分 技 术 已具 备 进 行 商 品 化 开 发 的 基 础 ， 部 分 技 术 已 商 品 化 、 产 业 化 。b.初 步 形 成 了 数 控 产 业 基 地 。 在 攻 关 成 果 和 部 分 技 术 商 品 化 的 基 础 上 ， 建 立 了 诸 如华 中 数 控 、 航 天 数 控 等 具 有 批 量 生 产 能 力 的 数 控 系 统 生 产 厂 。 兰 州 电 机 厂 、 华 中 数 控等 一 批 伺 服 系 统 和 伺 服 电 机 生 产 厂 以 及 北 京 第 一 机 床 厂 、 济 南 第 一 机 床 厂 等 若 干 数 控主 机 生 产 厂 。 这 些 生 产 厂 基 本 形 成 了 我 国 的 数 控 产 业 基 地 。c.建 立 了 一 支 数 控 研 究 、 开 发 、 管 理 人 才 的 基 本 队 伍 。虽 然 在 数 控 技 术 的 研 究 开 发 以 及 产 业 化 方 面 取 得 了 长 足 的 进 步 ， 但 我 们 也 要 清 醒 地 认识 到 ， 我 国 高 端 数 控 技 术 的 研 究 开 发 ， 尤 其 是 在 产 业 化 方 面 的 技 术 水 平 现 状 与 我 国 的现 实 需 求 还 有 较 大 的 差 距 。 虽 然 从 纵 向 看 我 国 的 发 展 速 度 很 快 ， 但 横 向 比 （ 与 国 外 对比 ） 不 仅 技 术 水 平 有 差 距 ， 在 某 些 方 面 发 展 速 度 也 有 差 距 ， 即 一 些 高 精 尖 的 数 控 装 备的 技 术 水 平 差 距 有 扩 大 趋 势 。 从 国 际 上 来 看 ， 对 我 国 数 控 技 术 水 平 和 产 业 化 水 平 估 计大 致 如 下 。a.技 术 水 平 上 ， 与 国 外 先 进 水 平 大 约 落 后 10 15 年 ， 在 高 精 尖 技 术 方 面 则 更 大 。b.产 业 化 水 平 上 ， 市 场 占 有 率 低 ， 品 种 覆 盖 率 小 ， 还 没 有 形 成 规 模 生 产 ； 功 能 部 件专 业 化 生 产 水 平 及 成 套 能 力 较 低 ； 外 观 质 量 相 对 差 ； 可 靠 性 不 高 ， 商 品 化 程 度 不 足 ；国 产 数 控 系 统 尚 未 建 立 自 己 的 品 牌 效 应 ， 用 户 信 心 不 足 。c.可 持 续 发 展 的 能 力 上 ， 对 竞 争 前 数 控 技 术 的 研 究 开 发 、 工 程 化 能 力 较 弱 ； 数 控 技术 应 用 领 域 拓 展 力 度 不 强 ； 相 关 标 准 规 范 的 研 究 、 制 定 滞 后 。分 析 存 在 上 述 差 距 的 主 要 原 因 有 以 下 几 个 方 面 。a.认 识 方 面 。 对 国 产 数 控 产 业 进 程 艰 巨 性 、 复 杂 性 和 长 期 性 的 特 点 认 识 不 足 ； 对 市场 的 不 规 范 、 国 外 的 封 锁 加 扼 杀 、 体 制 等 困 难 估 计 不 足 ； 对 我 国 数 控 技 术 应 用 水 平 及能 力 分 析 不 够 。b.体 系 方 面 。 从 技 术 的 角 度 关 注 数 控 产 业 化 问 题 的 时 候 多 ， 从 系 统 的 、 产 业 链 的角 度 综 合 考 虑 数 控 产 业 化 问 题 的 时 候 少 ； 没 有 建 立 完 整 的 高 质 量 的 配 套 体 系 、 完 善 的培 训 、 服 务 网 络 等 支 撑 体 系 。c.机 制 方 面 。 不 良 机 制 造 成 人 才 流 失 ， 又 制 约 了 技 术 及 技 术 路 线 创 新 、 产 品 创 新 ，且 制 约 了 规 划 的 有 效 实 施 ， 往 往 规 划 理 想 ， 实 施 困 难 。d.技 术 方 面 。 企 业 在 技 术 方 面 自 主 创 新 能 力 不 强 ， 核 心 技 术 的 工 程 化 能 力 不 强 。 机床 标 准 落 后 ， 水 平 较 低 ， 数 控 系 统 新 标 准 研 究 不 够 。3 对 我 国 数 控 技 术 和 产 业 化 发 展 的 战 略 思 考3.1 战 略 考 虑我 国 是 制 造 大 国 ， 在 世 界 产 业 转 移 中 要 尽 量 接 受 前 端 而 不 是 后 端 的 转 移 ， 即 要 掌 握先 进 制 造 核 心 技 术 ， 否 则 在 新 一 轮 国 际 产 业 结 构 调 整 中 ， 我 国 制 造 业 将 进 一 步 “空芯 ”。 我 们 以 资 源 、 环 境 、 市 场 为 代 价 ， 交 换 得 到 的 可 能 仅 仅 是 世 界 新 经 济 格 局 中 的 国际 “加 工 中 心 ”和 “组 装 中 心 ”， 而 非 掌 握 核 心 技 术 的 制 造 中 心 的 地 位 ， 这 样 将 会 严 重 影响 我 国 现 代 制 造 业 的 发 展 进 程 。我 们 应 站 在 国 家 安 全 战 略 的 高 度 来 重 视 数 控 技 术 和 产 业 问 题 ， 首 先 从 社 会 安 全 看 ，因 为 制 造 业 是 我 国 就 业 人 口 最 多 的 行 业 ， 制 造 业 发 展 不 仅 可 提 高 人 民 的 生 活 水 平 ， 而且 还 可 缓 解 我 国 就 业 的 压 力 ， 保 障 社 会 的 稳 定 ； 其 次 从 国 防 安 全 看 ， 西 方 发 达 国 家 把- 8 -高 精 尖 数 控 产 品 都 列 为 国 家 的 战 略 物 质 ， 对 我 国 实 现 禁 运 和 限 制 ， “东 芝 事 件 ”和“考 克 斯 报 告 ”就 是 最 好 的 例 证 。3.2 发 展 策 略从 我 国 基 本 国 情 的 角 度 出 发 ， 以 国 家 的 战 略 需 求 和 国 民 经 济 的 市 场 需 求 为 导 向 ， 以提 高 我 国 制 造 装 备 业 综 合 竞 争 能 力 和 产 业 化 水 平 为 目 标 ， 用 系 统 的 方 法 ， 选 择 能 够 主导 21 世 纪 初 期 我 国 制 造 装 备 业 发 展 升 级 的 关 键 技 术 以 及 支 持 产 业 化 发 展 的 支 撑 技 术 、配 套 技 术 作 为 研 究 开 发 的 内 容 ， 实 现 制 造 装 备 业 的 跨 跃 式 发 展 。强 调 市 场 需 求 为 导 向 ， 即 以 数 控 终 端 产 品 为 主 ， 以 整 机 （ 如 量 大 面 广 的 数 控 车 床 、铣 床 、 高 速 高 精 高 性 能 数 控 机 床 、 典 型 数 字 化 机 械 、 重 点 行 业 关 键 设 备 等 ） 带 动 数 控产 业 的 发 展 。 重 点 解 决 数 控 系 统 和 相 关 功 能 部 件 （ 数 字 化 伺 服 系 统 与 电 机 、 高 速 电 主轴 系 统 和 新 型 装 备 的 附 件 等 ） 的 可 靠 性 和 生 产 规 模 问 题 。 没 有 规 模 就 不 会 有 高 可 靠 性的 产 品 ； 没 有 规 模 就 不 会 有 价 格 低 廉 而 富 有 竞 争 力 的 产 品 。第二章 数控机床系统总体设计一 总体方案设计内容接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。一、 系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。二、 控制方式的选择系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。二 总体方案确定（1） 、系统的运动方式伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，- 9 -循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。（2） 、数控系统根据机床要求，采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用 MCS-51 系列的 8031 单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。（3） 、机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下：图 1系统总体方案框图- 10 -第三章 进给系统设计计算一 选择脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是 0.010.005mm