数控专业毕业论文范文.docx

第一章 绪 论 11 数控机床概述 数控技术，简称数控（Numerical ControlNC），是利用数字化信息对机械运动 及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也 可以称为计算机数控（Computerized Numerical ControlCNC）。 为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。 用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体成为数控系统（Numerical Control System），数控系统的核心是数控装置（Numerical Controller）。 采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC 机床）。它是一种综合应用 了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体 化产品，是现代制造技术的基础。控制机床也是数控技术应用最早、最广泛的领域， 因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。 数控机床种类繁多，有钻铣镗床类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光 加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统 称为NC 机床。 带有自动换刀装置ATC（Automatic Tool ChangerATC）的数控机床（带有回转 刀架的数控车床除外）称为加工中心（Machine CenterMC）。它通过刀具的自动交 换，工件可以一次装、夹完成多工序的加工，实现了工序集中和工艺的复合，从而缩 短了辅助加工时间，提高了机床的效率；减少了工件安装、定位次数，提高了加工精 度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。 在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（Auto Pallet ChangerAPC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（Flexible Manufacturing CellFMC）。FMC 不仅是现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工 作台（托盘）的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人 化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。FMC 既是柔性制造系统 FMS（Flexible Manufacturing System）的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展 速度较快。 在 FMC 和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备， 并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统 黑龙江工程学院专科生毕业论文 2 FMS（Flexible Manufacturing System）。FMS 不仅可以进行长时间的无人化加工，而 且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是 一种高度自动化的先进制造系统。 随着科技发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发 展车间制造过程的自动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造 直到产品销售的全面自动化。将这些要求综合、构成的完整的生产制造系统，称为计 算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System-CIMS）。CIMS 将一 个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生 产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。在 CIMS 中，不仅是生产设备的集成， 更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。计算机是集成的工具，计算机辅助 的自动化单元技术是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成 的产品，可以看成是信息和数据的物质体现 111 数控技术的发展 从 1952 年美国麻省理工学院研制出世界上第一台由电子计算机控制的三坐标立 式数控铣床，到现在已走过了58 年历程。数控技术经过年的个阶段和代的发 展： 第阶段：硬件数控(NC) 第代：1952 年的电子管 第代：1959 年晶体管分离元件 第代：1969 年的小规模集成电路 第阶段：软件数控(CNC) 第代：1970 年的小型计算机 第代：1974 年的微处理器 第代：1990 年基于个人PC 机(PC-BASEO) 第代的系统优点主要有： （）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到万小时以上； （）基于PC 平台，技术进步快，升级换代容易 （）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的 领域(如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等)； （）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。 近10 年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。 （1）高速化 黑龙江工程学院专科生毕业论文 3 由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由30004000 /提高到 800010000/，铣床和加工中心主轴转速由 400008000/ 提高到 12000/、24000/、40000/以上 快速移动速 度由过去的1020/提高到48/、60/、80/、120 /在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的 0.5（重力加速度）提高到1.52，最高可达15，直线电机在机床上开始使用， 主轴上大量采用内装式主轴电机。 （2）高精度化 数控机床的定位精度已由一般的 0.010.02提高到 0.008左右，亚微米 级机床达到0.0005左右，纳米级机床达到0.0050.01 ，最小分辨率为 的数控系统和机床已有产品。数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使 两轴联动出的圆弧都可以达到 的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量， 并可进行自动拐角处理等。 （3）复合加工、新结构机床大量出现 如轴面体复合加工机床，轴联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的 机床结构，包括轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特 殊运算方式，特殊编程要求。 （4）使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷钻头由于使高压 冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速 度能达1000/，加工铝件能达5000/。 （5）数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数 控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的 方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种 新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为世纪制造业发展的一个主要潮 流。 112 数控技术的发展趋势 现代制造业的飞速拓展和信息技术的发展应用，促使数控技术不断更新，变化日新 月异，其发展的新趋势基本朝着五个大的方向： 1高速化发展新趋势 效率是先进制造技术的主体，高速加工技术可极大地提生产高效，目前高速加工 中心进给速度达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min 左右。当今世界上许 多汽车厂，包括在我国的一些汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分 黑龙江工程学院专科生毕业论文 4 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100 mmin，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。 2. 精密化发展新趋势 高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，提高市场竞争能力。 在加工精度方面，由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题，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35 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)。以计算机辅助生产(CAM) 系统的发展带动数控控制器的功能越来越多。而为实现高速、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。 3. 智能化发展新趋势 未来的数控装备将具有一定智能化的功能，智能化内容包括数控系统中的各个方 面：如为追求加工效率和加工质量方面的智能化，加工过程的自适应控制，工艺参数 自动生成；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；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。 4. 开放化发展新趋势 数控系统开放化已成为数控系统的未来之路。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。它解决了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。 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。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。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。 5.网络化发展新趋势 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。近年国内外一些著名数控机床和数 控系统制造公司都相关的新概念和样机，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)；德国西门子(Siemens) 黑龙江工程学院专科生毕业论文 5 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。 数控系统的网络化促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点 (数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(RMC、FMS、FTL、FML)向面(工段 车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展。柔性自动 化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及 其构成的柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS 联结，向信息集成方向 发展。 113 数控机床组成 (1)机床主体 机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、 主轴箱、进给机构、刀架即自动换刀装置等机械部件。根据零件不同的加工方式分车 床、铣床、钻床、镗床、磨床、重型机床、电加工机床以及其它类型机床。 (2)数控装置 数控装置是数控机床的核心，现代数控装置均采用CNC(ComputerNumerical Control)形式，它包括硬件(印刷电路板、CRT显示器、键盘、纸带阅读机等)以及相应 的软件。CNC装置用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的 变换、插补运算以及实现各种控制功能。 (3)输入装置 现代数控系统提供了多种程序输入方法，如通过面板人工现场输入(MDI方式)、 通过磁盘驱动器输入、通过串行通讯口输入及传统的纸带阅读机输入等。现代数控系 统均配置有大容量存储器RAM来存储已输入数控系统的加工程序。通过数控系统的显 示器及键盘可现场对内存中的加工程序进行编辑与修改。 (4)伺服系统和测量反馈系统 伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴 伺服控制。伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、 进给驱动单元和主轴伺服电动机组成。步迸电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动 机是常用的驱动装置。 测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的 数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输 出达到设定值所需的位移量指令。 (5)数控机床的辅助装置 黑龙江工程学院专科生毕业论文 6 辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括： 气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照 明等各种辅助装置。 (6)控制介质 现代数控机床不仅可以用CNC装置上的键盘直接输入零件的程序，也可以利用自 动编程机，在机外进行零件的程序编制，将程序记录在信息载体上(如纸带、磁带、磁 盘等)，然后送入数控装置。对于较为复杂的零件，一般都是采用这种自动程序编制的 方法。 数控机床的构成如图11所示。 图11数控机床构成 114 数控机床的特点 1) 加工精度高: 数控机床是精密机械和自动化技术的综合体。机床的数控装置可以对机床运动中 产生的位移、热变形等导致的误差，通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工 精度。由于数控机床实现自动加工，所以减少了操作人员素质带来的人为误差，提高 了同批零件的一致性。 2)生产较高： 就生产效率而言，相对普通机床，数控机床的效率一般能提高23倍、甚至十几 倍。主要体现在以下几个方面: a. 一次装夹完成多工序加工，省去了普通机床加工的多次变换工种、工序间的转件 以及划线等工序。 b. 简化了夹具及专用工装等，由于是一次装夹完成加工。所以普通机床多工序的夹 具省去了，即使偶尔必须用到专用夹具。由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简 化。 黑龙江工程学院专科生毕业论文 7 3)减轻劳动强度，数控机床的操作由体力型转为智力型。 4)改善劳动条件，如深扬公司的产品采用全封闭护罩,机床不会有水、油、铁屑溅出， 可有效保持工作环境的清洁。 5)有利于生产管理： a. 程序化控制加工、更换品种方便； b. 一机多工序加工，减化生产过程的管理，减少管理人员； c. 可实现无人化生产。 本章小结 本章主要论述了数控机床中数控系统的组成及分类，数控机床的原理在了解数控 技术发展的基础上，理解数控机床与现代机械制造系统之间的关系和发展数控机床的 必要性。 黑龙江工程学院专科生毕业论文 8 第二章 气动技术知识 2.1 气动技术的基本知识 2.1.1 基本概念 气动技术是以压缩空气作为介质，以空气压缩机作为动力源，来实现能量传递或信 号传递与控制的工程技术，是流体传动与控制的重要重要组成技术之一，也是实现工 业自动化和机电一体化的重要途径。 2.1.2 气动技术中常用的单位 1 个大气压=760mmHg =1.013bar =101kpa 压力单位换算 1N/= bar 10 5 = 10 02 . 1 7 kgf/m = 10 02 . 1 5 kgf/c 1kgf/c =0.1Mpa 2.1.3 气动控制装置的特点 空气廉价且不污染环境，用过的气体可直接排入大气 速度调整容易 元件结构紧凑，可靠性高 受湿度等环境影响小 使用安全便于实现过载保护 气动系统的稳定性差 工作压力低，功率重量比小 元件在行程中途停止精度低 2.1.4 气动系统的组成 1.气动系统基本由下列装置组成 (1)动力装置: 动力装置是指能将原动机的机械能转换成气压能的装置，它是气压传动 系统的动力源。对气压传动系统来说是气压发生装置，也称为气源装置，其作用是为 气压传动系统提供压缩空气。 (2)控制调节装置:它包括各种阀类元件，其作用是用来控制工作介质的流动方向、压 黑龙江工程学院专科生毕业论文 9 力和流量，以保证执行元件和工作机构按要求工作。 (3)执行元件: 执行元件指缸或马达，是将压力能转换为机械能的装置，其作用是在工 作介质的作用下输出力和速度(或转矩和转速)，以驱动工作机构作功。 (4)辅助装置: 除以上装置外的其它元器件部称为辅助装置，如油箱、过滤器、蓄能器、 冷却器、分水滤气器、油雾器、消声器、管件、管接头以及各种信号转换器等。它们 是一些对完成主运动起辅助作用的元件，在系统中也是必不可少的，对保证系统正常 工作有着重要的作用。 (5）工作介质:工作介质指传动气体，在气压传动系统中通常指压缩空气。 2.气动系统基本由下列元件组成 (1)气源装置气动系统的动力源提供压缩空气 (2)空气处理装置调节压缩空气的洁净度及压力 (3)控制元件 方向控制元件切换空气的流向 流量控制元件调节空气的流量 (4)逻辑元件与或非 (5)执行元件将压力能转换为机械功 (6)辅助元件保证气动装置正常工作的一些元件 压缩机 a）气源装置 储气罐 后冷却器 过滤器 油雾分离器 减压阀 b）空气调节 油雾器 处理装置 空气净化单元 干燥器 其它 黑龙江工程学院专科生毕业论文 10 电磁阀 气缸 气压控制阀 带终端开关气缸 方向控制阀 机械操作阀 带制动器气缸 手动阀 气缸 带锁气缸 其它 带电气缸 其它 速度控制阀 回转执行件 C）控制元件 速度控制阀 d）执行元件 逻辑阀 空气马达 管子接头 消音器 e）辅助元件 压力计 其它 2.2 气动元件介绍 2.2.1 空气处理元件 压缩空气中含有各种污染物质。由于这些污染物质降低了气动元件的使用寿命。 并且会经常造成元件的误动作和故障。 1空气滤清器 空气滤清器又称为过滤器、分水滤清器或油水分离器。它的作用在于分离压缩空 气中的水分、油分等杂质，使压缩空气得到初步净化。 2.油雾分离器 油雾分离器又称除油滤清器。它与空气滤清器不同之处仅在于所用过滤元件不 同。空气滤清器不能分离油泥之类的油雾，原因是当油粒直径小于23 m 时呈干态， 很难附着在物体上，分离这些微粒油雾需用凝聚式过滤元件，过滤元件的材料有： 1）活性炭 2）用与油有良好亲和能力的玻璃纤维、纤维素等制成的多孔滤芯 3.空气干燥器 为了获得干燥的空气只用空气滤清器是不够的，空气中的湿度还是几乎达100%。 当湿度降时，空气中的水蒸气就会变成水滴。为了防止水滴的产生，在很多情况下还 需要使用干燥器。干燥器大致可分为冷冻式和吸附式两类。 黑龙江工程学院专科生毕业论文 11 4.空气处理装置 空气滤清器、调压阀和油雾器等组合在一起，即称为空气处理装置。 a) 空气处理三联件（FRL 装置） 空气处理三联件俗称气动三大件。它是由滤清器、调压阀和油雾器三件组成的， b) 空气处理双联件 这是由组合式过滤器减压阀与油雾器组成的空气处理装置。 c) 空气处理四联件 它是由滤清器、油雾分离器、调压阀和油雾器四件组成，用于需要优质压缩空气 的地方。 5.调压阀（减压阀） 调压阀是输出压力低于输入压力，并保持输出压力稳定的压力控制元件。由于大 多是与滤清器和油雾器连成一体使用，所以把它分在空气处理元件一类中。 6.油雾器 气动系统中有很多装置都有滑动部分如：气缸体与活塞，阀体与阀芯等。为了保 证滑动部分的正常工作需要润滑，油雾器是提供润滑油的装置 2.2.2 气动控制元件 一、 方向控制阀 方向控制阀是气动控制回路中用来控制气体流动方向和气流通断，从而使气路中 的执行元件能按要求方向进行动作的元件。在各类元件中，方向控制阀的种类最多。 主要有换向阀和单向阀两大类。前者包括电磁阀，气控阀等，后者主要有单向阀，梭 阀等，应用都很广泛。 1. 换向阀 换向阀主要有转阀和滑阀两大类本公司主要使用滑阀结构的换向阀。 滑阀依靠其中的滑柱式阀芯处在不同位置上来接通或切断气路的。一般地讲，阀 芯的切换位置主要有二个或三个，即有二位阀和三位阀之分。 黑龙江工程学院专科生毕业论文 12 表 2 二 通 三 通 四 通 五 通 二 位 中 位 封 闭 中 位 加 压 中 位 卸 压 三 位 A P A A A P P P R R A P R B A B P R 2 R 1 A P R A B R P A B R 2 P R 1 A B R P A B R 2 P R 1 A B R P A B R 2 P R 1 表一 表一中代表了阀的一个切换位置，故而有几个长方形表示该阀是几位的。长方 形中的箭头表示在该位置上气流流动的方向，则表示在这一位置上气流被切断。 二位阀有自复位和自保持两种。三位阀的阀芯除了可以停在阀体的两端外，还可 有一个中间位置。 气动阀通过气压信号切换阀芯，分成直接作动式和间接作动式两种，气动阀犹如 去掉了电磁线圈后的电磁阀。由于采用气压信号控制，所以动作慢，不能指望像电磁 阀那样高速动作，但寿命一般都较长。气动控制阀与电磁阀的区别是不用电磁铁，因 而控制信号不是电信号而是气压信号，常用于防爆场合或不用电的简易生产线上。 2. 单向阀 图2.1 进 气 口 出 气 口 进 气 口 出 气 口 当 有 气 流 从 进 气 口 进 入 压 迫 弹 簧 下 移 打 开 阀 门 使 气 流 通 过 , 反 向 从 出 气 口 进 气 则 不 能 从 另 一 端 口 获 得 输 出 . 图1 图2.2 P R A P R A 2 1 图 2 如图2.1 单向阀只允许气流沿一个方向流动而不能反向流动。单向阀用在气路中 黑龙江工程学院专科生毕业论文 13 需要防止空气逆流的场合，还可用在气源停止供气时需要保持压力的地方。梭阀相当 于两个单向阀合成，有两个进气口，一个出气口，因而无论哪个进气口进气，出口总 有输出，且出口总和压力高的进气口相联。双压阀则是“与”的功能，只有两口均有 气流时才会使出口有输出。 图2.2 为快速排气阀的工作原理。当P 腔进气后，活塞上移，阀口2 开，阀口1 闭， P A 接通。当排气时，活塞下移，阀口2 闭1 开，A R 接通，管路气体从R 口排出。快速排气阀主要用于气缸排气，以加速气缸的动作。 二、 流量控制阀 在气动系统中，如要对气缸运动速度加以控制或需要延时元件计时时，就要控制 压缩空气的流量。在流量控制时，只要设法改变管道的截面就可。 流量控制阀分为节流阀，速度控制阀和排气节流阀数种等。 1节流阀 可调式节流阀依靠改变的流通面积来调节气流。 2速度控制阀 速度控制阀由节流阀和单向阀组合而成。故而又叫单向节流阀，通过调节流量达 到控制执行元件速度的目的。 三、 压力控制阀 压力控制阀是利用阀芯上的气压作用力和弹簧力保持平衡来进行工作的，平衡状 态的任何破坏都会使阀芯位置产生变化，其结果不是改变阀口开度的大小（例如溢流 阀、减压阀），就是改变阀口的通断（例如安全阀，顺序阀）。 1. 溢流阀 溢流阀由进口（P）处的气压压力控制阀芯动作，当进口处压力达到预设值时阀芯 克服弹簧力动作使得进、出口导通，从而实现溢流作用。如图2.3(a)所示。 P P 图 3 P P 预 P P 预 图3 P P 预 P P 预 P P 图 2.3(a) 图 2.3(b) 2.减压阀 减压阀则是由出口处压力驱动阀芯，当出口处压力达到预设值时阀芯克服弹簧力 黑龙江工程学院专科生毕业论文 14 动作使得进、出口截断，从而实现减压作用。如图2.3(b)所示。 四、执行元件 气动系统中将压缩空气的压力转换成机械能，从而实现所要求运动的驱动元件， 称为执行元件。它分为气缸和气动马达两大类。相对于液压和机械传动，它结构简单， 维修方便。但由于压缩空气的压力通常为0.3-0.6Mpa 故而输出力小。 气缸是用压缩空气作动力源，产生直线运动或摆动，输出力或力矩做功的元件。 主要气缸主要类型和特点见附表2。 2.3 气动回路 （一）回路设计基础 1）路的构成（图2.4） 压 力控 制阀 气源处理装 置 方向 控 制阀 流 量 控制 阀 驱动 装 置 检测 装置 控 制回 路 操作 装置