0336-XA5032普通铣床的经济型数控改造【全套4张CAD图+说明书】
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摘要
20世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域的一个崭新时代的到来。
科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要的措施之一。它不仅能够提高产品的质量、提高生产率、降低生产成本，还能够极大地改善生产者的劳动条件。
数控机床的工作过程是将加工零件的几何信息和工艺信息进行数字化处理，即对所有的操作步骤和刀具与工件之间的相对位移，以及进给速度等都用数字化的代码表示。
而经济型的数控改造则对数控机床有了更新的要求。即在不改变原来功能的前提条件下，还要特别讲究经济性、可靠性、性能优越等。所以，在改造的同时，尽量不要改变原来的结构。
关键词：生产率 经济型 可靠性
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1 附录 1 现代集成制造技术 信息技术的发展引起的革命使我们进入了信息时代 . 信息革命不仅引起思想和生活方式的变化 ,从而导致生产和制造哲理的巨大变化 可以说 ,过去十年来新的制造理念都离不开它提供支持的信息技术制造先进制造技术是重要的生产历史转变时期 . 多年来 ,中国 综合国力的不断增强 ,即将到来 ,市场极具竞争力 ,从卖方 国内市场变为买方 中国市场 ,并迅速成为国际市场的同时 ,许多大中型企业处于劣势的竞争 ,甚至破产、关闭 . 结合中国 中国的国情 ,通过分析现代集成制造系统、先进制造技术与现代集成制造系统技术发展战略和 道路做些有益的制造业发展探索 . 含义与定位现代集成制造系统 现代集成制造系统 (当代集成制造系统 )是计算机集成制造系统新的发展阶段 ,计算机集成制造系统在继承优秀成果的基础上不断吸收先进制造技术与本质的思考 ,从信息整合、过程整合与企业整合的方向迅速发展先进制造技术为核心 . 具体而言 ,将带来传统技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术有机结合 ,通过计算机技术产品的企业在整个生命周期的组织、经营、管理和技术的有机结合 ,优化经营整个企业的产品生命周期 ,情报 ,整合优化 达到产品上市快、 服务好、质量好、低成本的目的 ,提高企业的软、敏捷性和 简装性。 企业在激烈的市场竞争中立于不败之地 . 从整合角度看 ,早期的计算机集成制造系统侧重于信息一体化、现代集成制造系统集成概念在广度和深度上的一大扩展 ,除了信息一体化 ,还实现企业全产品生命周期的整体业务流程优化、过程整合和开发辅助企业与企业之间的整合阶段 . 现代集成制造系统应该是国与国之间的研究范围之间的国家科技攻关计划、攀登计划 . 攀登计划研究项目相比 ,它更注重成果的应用 ,将技术产业化 ,促进中国的现代化 的生产过程 ; 国家科技攻关计划相比 ,将更 加重视制造业发展的关键问题 ,我们共同来解决 ,而具前瞻性问题的模式之一 . 现代集成制造系统技术 先进制造技术 (举办先进制造技术 )为专有名词 ,尚不明确、一致的定义 . 通过其内容和特点的研究 ,目前共同的体会 :先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果 ,其综合产品 2 的设计、制造、测试、管理、销售、使用、服务的制造过程 ,以高质量、高效率、低、清洁、灵活生产 预期效果及经济技术创造三项技术总称 . 它具有以下特点 : 从技术为中心向以人为中心的转变 ,科技的发展更 符合人类社会的需要 ; 模糊专业分工专业化压力、一专多能转变职工的智慧得到充分发挥 ; 由多层金字塔结构 ,网络管理面临着结构性变化 ,减少了中间环节和层次 ; 从传统的以平行方式转变工作方法 ,减少工作周期 ,提高工作质量 ; 从形式固定职能部门自主管理小组的工作方法 ,以动态变化 . 通过先进制造技术的定义和分析的特点 ,我们发现 ,现代集成制造系统拥有最先进的制造技术特点先进制造技术 ,是不是涉及的范围 ,现代集成制造系统等先进制造技术 ,通过全面检查 ,我们提出了一个现代集成制造系统的技术构成模式 . 图 1 表明 ,在先进制造技术、现代 集成制造系统在吸收计算机集成制造系统优秀成果的基础上继续并行工程、虚拟制造 ,并成功地建立了动态联盟的深入研究 ,并不断吸收先进制造技术和成功经验 ,先进思想 ,将推广应用 , 现代集成制造系统为核心的先进制造技术 ,具体如下 : 1、并行工程 : 并行工程相结合 ,同时进行相关程序的设计和产品 (包括制造过程和支持过程 )系统 . 它要求产品开发人员在一开始就考虑整个产品生命周期概念产品用各种因素 ,包括质量、成本、时间和用户需求 . 为达到目的 ,同时主楼高度一体化模式 ,实现各部门通过共同努力 ; 设计成功的产品 ,减少重复 ,许多地方的模拟技术 ; 模型 ,模拟部分包括应用虚拟制造技术 可以说并行工程的发展 ,是要建立一个虚拟制造技术条件 ,虚拟制造技术将根据并行工程、并行工程的进一步发展虚拟制造技术 . 同时 ,并行工程处、计算机辅助生产、 术支持 ,分别对原有工作在时间和空间上交叉、重叠 ,充分利用现有技术和吸收当前迅速发展的计算机技术、网络技术和优秀成果 ,为先进制造技术的基础 . 虽然并行工程在实际工作中 ,研究的热点 ,也取得了一些成果 ,但是目前仍有一些问题 : (一 )研究的广度和深度 :尽管是平行进行了广泛的研究 著作 ,但在研究内容的角度看 ,还是从研究的水平 ,差距明显 . 如 :并行工程在成本和质量的应用刚刚起步 ,还没有统一供应的议程 . (二 )工程技术的同时还与实际 :在实用技术研究、商品化软件尚未出生 ,而外国公司已推出的商业软件 (如 :亲工程首 ,随 (三 )实施并行工程充分 :研究薄弱研究并不完全开花 ,并行工程实施将是 3 困难的 . 此外 ,目前国内机械行业在激烈的市场竞争中 ,好、计算机辅助设计 /计算机辅助生产工艺术尚待普及 ,全面实施并行工程还缺乏基本的物质基础 . 由于并行工程和我国的基础 研究工作不足状况 ,决定要为现代集成制造系统的基础深入的研究工作已经展开 . 2、虚拟制造 (船民 : 虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真 ,以发现制造中可能出现的问题 ,产品在实际生产之前 ,采取预防措施 ,从而创造了一次性产品的成功 ,达到降低成本、缩短产品开发周期 , 其目的是为了提高产品竞争力 目前 ,虚拟制造技术已被国外 ,如 :设计一家美国公司 拟飞机数据手套和头盔监测观察控制 ,飞机设计师身临其境观 察结果设计飞机 ,其外观、内部结构及使用性能的检验 ; 日本 的松下公司开发的虚拟厨房设备制造系统 ,允许消费者在购买商品前 ,在虚拟环境中体验不同的厨房设备功能于自己的喜好评价、选择和重组这些设备 ,他们的选择将储存并送往生产部门通过网络生产 ; 考文垂艺术与设计学院美国开发的虚拟原型系统设计者在设计初期建造的电脑虚拟原型和评价原型的这 6. 国内的研究刚刚起步 ,主要集中在三个方面 : (1)产品虚拟设计技术 : 包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、虚拟设计工具实现 . 清华大学利用美国国 家仪器公司 发平台实现虚拟 路、机械学用 C 程式语言、 步实现了三维虚拟在车库的参数设计 ,可以进行停车场的视觉设计、设计、分析和运动模拟 . (2)产品虚拟制造技术 主要材料热加工工艺模拟、加工仿真模拟盘形状 ,塑造制造业仿真 . 法奥在运动发展局 料模拟软件已基本形成类似于中门复杂汽车复盖羊和其他羊形件造型过程 ; 沉阳广播学院仿真软件开发电渣熔铸工艺已经应用于水轮发电机 量变化曲面部件的生产 , 其产品数量和中西部、建筑、服务等七个电站和 平利用 ; 合肥工业大学与双刀架车床数码处理软件仿真马 铁鞍山钢铁公司采用车轮厂 码手续 ,缩短调试时间由几个班几个小时 ,确保了试成功 ; 北京机床研究所、机械科学院、东北大学、上海交通大学、长沙铁路学院等单位还制定了一系列的仿真软件 . (3)虚拟制造系统 虚拟制造技术包括建筑、技术支持、开发策略 . 这就出现了比较成熟的思想并可能上海同济大学教授张 苏 分散的生产体系和网络十一 警示交大 院士 4 组成一个网研究中心 . 从上面的讨论 ,我们可以看到有很大区别国内和国际标准 ,因为它是虚拟制造技术工程 平行的方向是能创造的核心 ,这意味着我们要为中心的现代集成制造系统技术 ,以推动相关技术的研究 ,他们一致顺利 . 3、敏捷制造 (实 时 : 竞争能力和创造一个具公信力的基础上组成的虚拟企业合作伙伴选择工作 ,共同为同一目标 ,以提高整体竞争力 ,快速响应用户需求 ,以满足用户的需要 . 建立快速反应能力 ,建立一个虚拟企业的关键技术 ,其核心是虚拟制造技术 ,快速形成虚拟制造技术为基础 . 创造能力的现代集成制造系统纳入企业信息一体化的道路 ,这是发展水平的现代集成制造系统的发展方向现代集成制造系统 . 自 1991 年美国研制成功的思维 ,美国政府就赞助许多研究发展强大的基础设施和生产工具的单位 ,鼓励应用示范不同行业 ,已经取得了一些进展 . 例如 :崛起于制造业生产装置遥测示范工程 ,联合加州圣亚国家实验室、联合信号公司、美国堪萨斯市科新墨西哥州 的国家实验室和圣地亚机械主要箱、印刷电路板供应商 . 通过联合企业资源单一脆弱 ,时间会比单一企业的生产时间减少了 50%的生产 ,大大提高工作效率 . 现在美国许多大公司都参加了这一研究计划 ,欧洲和日本的发展已建立相关机构 ,研究和实施 . 我国专家从1993 年开始回升创造了跟 踪研究 ,包括 :快速实施的制造技术基础 ; 建立虚拟公司架构和运作模式的步骤 ; 虚拟公司和组织实施 . 与国外相比 ,这些研究只能原则性的研究 ,距离实际需要还有很长的路要走 . 因此 ,在中国 的企业也迅速创造不可能 ,但从科学研究 ,我们认为有必要采取适当的条件下建立一个研究虚拟企业 ,加深虚拟企业在实际应用方面遇到的困难的理解 ,在实践中学习有益的经验教训 ,将来的发展一定的技术储备 . 4、绿色制造 (基因 : 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式 ,其目标是使产品从设计、制造、包 装、运输、利用废整个产品生命周期 ,对环境的影响 (负作用 )最小、最有效地利用资源 . 绿色制造越来越重视环保的选择 ,而不是牺牲发展环境污染、国际实践表明 ,制造业的生产工序改进减少废物排放超过污水处理厂已处理大量节省 . 绿色制造可以通过计算机仿真来达到目的 ,即它是虚拟制造的一部分 . 从可持续发展战略 ,绿色制造是必然选择 ,它将成为现代集成制造系统的一个重要组成部分 . 从以上的分析 ,我们可以看到 :各种先进制造技术是相互关联、交叉、先 5 进制造技术、建立现代集成制造系统为核心、先进制造技术的不断发展和发展现代集成 制造系统是一个动态的概念 . 我国现代集成制造系统的发展策略 在市场上的竞争驱动、先进制造技术发展十分迅速 ,新思想、新观念是通过现代集成制造系统、先进制造技术关系的分析 ,我们认为 ,在发展我国现代集成制造系统的发展战略 ,我们应把重点放在以人为本的思想、采用并行工程的理念、衔接的各种先进制造技术、协调发展 , 并不断吸收先进制造技术的成熟成果 ,为先进制造技术的国家 ,以推动社会各界更广泛应用的作用 . 目前 ,并行工程在美国 ,推广使用阶段 ,而且在商业化虚拟制造软件投入市场 ,在这方面存在着巨大的差距 ,主要是 :从 研究、科研经费投入不足 ,研究力量分散 ,难以推广使用的研究成果 ,严重浪费 ; 从企业方面 ,企业整体素质、管理落后、软弱研究能力面对国际竞争 ,大多硬 ,很难在现代集成制造系统花费太多 ,而是由素质企业人员的限制 ,一些先进的技术还不易立即实际效果 ,这些企业都受应用先进制造技术的热情 ; 从国家政策 ,而国家的高度重视制造业 ,而是因为我们目前的状况在改革过程中 ,很多机制同时运作 ,难以协调各利益集团利用资金往往 ,国家 的财政困难 ,而且还以金钱支持现代集成制造系统的研究 . 针对这种情况 ,我们提出以下办法 : (1)企业需 求为出发点 ,甩图板 工程为契机 ,传播民航技术、人员培训等 ,以帮助企业提高质量的企业 (包括技术标准、劳动态度、道德水平等 ),不断提高企业的管理水平 ,计算机集成制造系统的成功示范企业推广并行工程 ,并适当宣传虚拟制造、 快速制造技术思想提供了坚实的基础 ,为企业的进一步发展 . (2)在政府方面 ,政府应发挥协调职能 ,组织企业和科研部门的多方面、多层次的合作 ,加强科学研究 ,推广和应用要组织多学科、跨地区的研究力量的共同问题 ; 从加强宏观指导下的现代集成制造系统 我们集中智慧 ,制定符合中国发展计划 国情和实施 这一计划的实施 . (3)在这方面的先进技术 ,导致过度追求世界 ,就应该根据实际业务需要 ,解决实际问题 ,努力创造有效 ,从而获取资本和商业支持 ,以帮助建立一个良性循环 ,推动进一步的研究 . 同时 ,应该参与国际合作 ,跟踪发展国际研究 ,当然也可以适当引进一些关键的、有发展潜力的技术消化和创新 ,缩短我国与世界先进水平的差距 ,保持领先的技术 . (4)对我们的科学力量分散的弱点 ,以及分散生产网络思想 ,利用计算机网络开展合作研究 ,建立分布式网络研究中心 ,研究协调 . 分布式网络所谓研 6 究室就是利用信息技术、网络 技术、计算机技术、研究活动 ,真正的人、物、信息及研究进行全面一体化进程在某一时间内对共同目标的最佳组合的人员和单位进行科学研究 . 调动各方面的积极性 ,共同努力 ,通过研究工作进行了广泛、深入、缩短周期的研究 ,以提高科技竞争力 ,可以说分布网络研究室是现实的功能研究机构网络映射是一种 虚拟 工作模式 . 基于上述原因 ,中国的发展现代集成制造系统应该以需求为驱动力的企业 ,通过政府的政策和计划的协调 ,继续进行类似的工程 ,虚拟制造能力和制造绿色制造的研究和应用 分布式网络和利用研究中心组织各地区的现代科研力量集 中突破与集成制造系统密切相关的应用标准等措施 ,准扩建 ,改革过程企业理论研究的战略意义的理论研究工作 ,并逐步向现代集成制造系统成为我国制造业的灵魂 . 7 附录 2 of us to is a of to of it be be of it to of is in of s is a s a s is of at a in s of a to do of of is a a of in on of of of to of 8 to in at it to of of in of to of in on in of a in to of of to be of it as to s it to of to to of A as a is a is a 9 of in to to It a to of to of To of to of be of to to in to in of to in of we is of so on We a As in in on of of a of 10 1, : to be of It at to of to To to to to To a it in of in It be of to a be on is of At in in of to of as in to a of (1) of in of or of of in (2) in in 11 (3) of As in be in AM to be of a to a be as 2, : of to of of a to in of a to is to of - 4. of to to of of of of s to in in a at of be to of rt in of of in of . 12 in : (1) to a of we (2) aw to of of of to of in of ain of to to by of a to a is a of (3) by 13 of io we is a it is in is to we to it as of to 3, : to a of on of to a to to To a of a is of is is a to a is of of of of of is of of 991 on of of in of ri目 录 摘要 . I . 一章 绪论 . 1 . 1 . 2 . 3 . 4 . 4 . 5 第 二 章 设计方案的确定 . 6 设计任务 . 6 总体设计方案的确定 . 6 力的选定 . 6 制部分的设计 . 7 第三章 数控系统硬件电路设计 . 8 . 8 板机控制系统的设计 . 9 . 9 第 四 章 机械部分改造与计算 . 11 原始数据分析 . 11 珠丝杠螺母副的选用设计（ . 11 . 12 . 12 . 12 . 14 铣削力的计算 . 16 强度计算 . 16 . 17 效率计算 . 17 稳定性验算 . 18 . 18 齿轮间隙消除弹簧的计算（ . 20 运动部分转动惯量计算（ . 21 伺服电机的选择（ . 22 第 五 章 零件 的设计与计算 . 23 . 23 3、 轮的强度校核 . 24 . 29 校核与寿命计算 . 31 第 六 章 经济分析 . 33 第 七 章 数控加工与典型零件加工程序设计 . 34 . 34 . 34 . 34 . 35 . 35 . 36 . 37 . 37 . 38 . 38 . 39 结 论 . 42 致谢 . 43 参考文献 . 44 专题 塑料模具的设计 . 45 附录 1 . 65 附录 2 . 71 I 摘要 20 世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域的一个崭新时代的到来。 科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了越 来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要的措施之一。它不仅能够提高产品的质量、提高生产率、降低生产成本，还能够极大地改善生产者的劳动条件。 数控机床的工作过程是将加工零件的几何信息和工艺信息进行数字化处理，即对所有的操作步骤和刀具与工件之间的相对位移，以及进给速度等都用数字化的代码表示。 而经济型的数控改造则对数控机床有了更新的要求。即在不改变原来功能的前提条件下，还要特别讲究经济性、可靠性、性能优越等。所以，在改造的同时，尽量不要改变原来的结构。 关键词 ：生产率 经济型 可 靠性 0 is to of a of of to of of of of to of be of of of of s at at as as t of 1 第 1章 绪 论 控系统的发展及趋势 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。 1 数控 段（ 1952 年 ） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 搭 成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（ C），简称为数控（ 随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即 1952年的第一代 电子管； 1959年的第二代 晶体管 ； 1965年的第三代 小规模集成电路。 2 计算机数控（ 段（ 1970 年 到 1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ 段（把计算机前面应有的 “ 通用 ” 两个字省略了）。到 1971年，美国 运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ 又可称为中央处理单元（简称 到 1974年微处理器被应用于数 控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了 1990年， 人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970年的第四代 小型计算机； 2 1974年的第五代 微处理器和 1990年的第六代 基于 外称为 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 ，而我国仍习惯称数控（ 所以我们日常讲的 数控 ，实质上已是指 计算机数控 了。 (1) 继续向开放式、基于 基于 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 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。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。 控铣床加工的基本原理 数控控制（ 是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。 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，是现代化工业生产中的一门新型的， 发展十分迅速的高新技术。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，其技术范围所覆盖的领域又：机械制造技术；微电子技术；信息处理加工传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检验监控技术；传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的是能技术和最基本的装备。在提高生产率，降低成本，保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关 键。 数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国 际 信 息 处 联 盟 （ 3 第五技术委员会，对数控机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑的处理具有使用码或其他符号编码指令规定的程序。 数控铣床是发展最早的一种数控机床，以主轴位于垂直方向的立式铣床居多。铣床的主轴只作旋转运动，工作台带动工件作纵，横，垂直三个方向的进给运动，称为升降台式铣床。为了提高刚 度，目前多采用主轴既作旋转主运动，又随主轴箱升降台作垂直进给运动，工作台只作纵横 2个方向的进给运动的不升降类型铣床。立式数控铣床加工平面凸轮零件，只需要工作台沿横纵 2个坐标协调运动，即可以同时到达平面曲面的某一点这种加工轨迹的控制，称为两坐标联动控制（两轴联动）。当加工圆锥台零件时，依靠工作台纵横两坐标协调运动完成圆周加工，加工完一圈后，再沿锥台高度方向提升一个高度，接着改变圆的直径（ X,工另一圆周，如此下去，直至加工出整个锥台，这称为两轴半控制。如果在圆锥上加工一条螺旋槽曲线，则要求 3个坐标 进给每时每刻都必须协调运动，即同时到达空间的某一点，这称为三坐标联动控制即三轴联动。三轴联动即可加工复杂的空间曲面。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前 3坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行 3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行 3坐标中的任意两坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕 X、 Y、 坐标和 5坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统 的要求更高，编程难度更大，设备的价格也更高。 数控立式铣床可以附加数控转盘、采用自动交换台、增加靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。 控加工工艺设计 与普通加工相比，数控加工的工艺过程设计并不是从毛坯到成品的整个工艺过程，而是仅有几道数控加工工序工艺过程的具体描述。许多在通用机床加工时由工人自行决定的工艺问题，在工艺设计时必须认真考虑，并将正确的选择编入程序中。这就要求编程人员要有多方面的知识基础，不仅仅是懂得计算机编程或了解某种软件的使用与操作。合格的编程员 首先应是一个很好的数控加工工艺人员，应对所编程的数控机床的性能、特点、切削范围、标准刀具系统有全面的了解。一般来说，数控加工主要包括以下几个方面的 4 内容： （ 1）选择并确定进行数控加工的零件及内容； （ 2）对零件图纸进行数控加工的工艺分析； （ 3）数控加工的工艺设计； （ 4）对零件图形的数学处理； （ 5）编写加工程序单； （ 6）按程序单制作控制介质； （ 7）程序的校验与修改； （ 8）首件试加工与现场处理； （ 9）数控加工工艺技术文件的定型与归档。 床数控化改造的必要性 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。 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。 且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 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 ” 。 寸分散度小，使装配容易，不再需要 “ 修配 ” 。 少零件 在机床间的频繁搬运 。 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。 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 。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 柔性制造单元）、 柔性制造系统）以及 5 （计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 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。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 ，还包括在产品开发中推行 虚拟制造以及在生产管理中推行 管理信息系统）、 等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。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 ，而日本在 1994 年已达 ，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。 6 第 2 章 设计方案的确定 设计任务 将一台 于长期使用严重磨损，故障频繁，既费时又费力，急需改造。用微电子技术改造机械设备是当前世界新技术发展的潮流，是提高产品质量，生产效率和经济效益的重要手段。改造成三坐标数控铣床。改造后的数控铣床主要用于加工不同品种的制动凸轮轴，轴最长为 650制动轮轴所需加工的轮廓外形含有直线、圆弧和渐开线；要求的轮廓公差为 称度公差为 面粗糙度为件材料为 40质；设计生产节拍为 7件 /每分钟。 总体设计方案的确定 力的选定 经济型数控机床的改造，为了保证改造后的性能不低于原铣床，选 X、 平拖动力按 15算。则要求的功率为P=5 0=果采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机达不到功率要求。例如， 200大静转距 高运行频率为 11000s，步距角为 1/6 度，若取最高频率下的工作扭距为静扭距的 1/4，则高速下的功率为 )(1 3 00 因此，如果选用步进电机，必须相应的降低机床的某些性能，主要是快速性，另一方面由于步进电机在低速工作时有明显的冲动，易自激震荡，而且激震频率很可能落如洗削加工所用的进给速度范围内，这对加工极为不利，造成工件超差。此外，由于步进电机没有过载能力，高速时扭距下降很多，容易丢步，大功率步进电机的驱动较困难等，选用步进电机驱动是不合适的。 若采 用直流或交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度较大，调试和维修困难很多，造价也高，闭环控制可达到很好的机床精度，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，一般用于要求高的数控设备中，由于所改造的数控铣床工件的加工精度不十分高， 7 采用闭环系统的必要性不大。 若直流或交流伺服电机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间，由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电机的开环控制；反馈环节不包括大部分机械元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，所以闭环 容易实现。但是采用闭环控制，调试要比开环控制的步进电机要困难些设计上也有自身的特点。在直流和交流伺服电机之间进行比较时，交流调速逐渐扩大了其使用范围，似乎有取代直流伺服电机的优势。但交流伺服的控制结构复杂，技术难度高，普及不广，而且价格高，直流伺服电机原理接近于直流电机，控制系统技术也较成熟，普及广。 制部分的设计 要能控制三个坐标轴的运动，根据工件加工要求，至少要控制两轴联动完成圆弧插补，为了在加工中使用不同尺寸的刀具，数控装置应具有刀具的半径和长度的补偿功能，以便数控加工中按轮廓编制程序 而能适应刀具尺寸的变化。 综上所述 整个改造方案如下图所示 8 第 3 章 数控系统硬件电路设计 控系统基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。 (1)中央处理单元 2)总线。包括数据总线（ 地址总线（ 控制总线（ (3)存贮器。包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。 (4)I/输出接口电路。 其中 的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路直协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。 I/线则是 3 - - 1 数 控 系 统 硬 件 框 图I/ 控系统硬件框图如 3 1所示。 由于 51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需要。 031可直接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置，如南京大方数控设备公司生产的 板机控制系统的设计 9 1. 硬件配置 存贮器选用 1片 4K 8的 2732片 8K 8位的 6234控程序固化在 2732功能模块程序及常用零件的的加工存放在27321片 6234 I/155可编程 I/的 、 中 向的输出口， 向输出口。中 Y、 +Y、 +示由 8位 有 24键的键盘。 2. 存贮器空间分配 单板机可寻址范围是 64上提供的插座占 16K，已插入的芯片占 10K，其余以备扩展使用。其存贮空间分配如下。 0000H07 2 放监控程序 0800H0 2 放零件加工程序 1000H17 2 调试程序 2000H27 2 测试程序等 3. I/O 口地址分配 单板机设置 I/092个口地址，分配如下。 80H83H 51 8031 84H87H 字形锁存 88H8 字位锁存 8 读键值 90H9 用户使用 4. 光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏。所以一般在接口电路功率放大器之间都要接上隔离电路。 进电机控制程序设计 以用软件来代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，对步进电机进行控制 。用软件完成环形分配的优点是线路简单，成本低，可以灵活的改变步进电机的控制方案，驱动功 10 率放大功能仍由硬件完成。环形分配器逻辑序列的产生可用循环移动和查表法实现，本次数控改造采用 此，脉冲分配采用三相六拍分配方式。 以 X 向步进电机为例，其环形分配器的输出状态表如下： 环形分配器的输出状态 节拍序号 地址 代码 通电顺序 0 0700H 01H 0 0 1 001 1 0701H 03H 0 1 1 011 2 0702H 02H 0 1 0 010 3 0703H 06H 1 1 0 110 4 0704H 04H 1 0 0 100 5 0705H 05H 1 0 1 101 将上述步进电机所需的环形分配器输出状态表存入 据加工程序的需要，依次取出表地址至 ，驱动 以上顺序进行通电，电机正传，反之电机反转。 X 向电机与 X 向相同，其脉冲输出状态表略。 控制步进电机的速度，实际上是改变输出状态码之间的间隔时间，通过调用软件延时子程序，或者用微机定时器，通过设定时间常数加以控制，数控系统发出不同频率的时钟脉冲，实现不同的电机转速。本系统，采取调用软件延时子程序的方法。 在数控系统中，专门将一些寄存器作为步 进电机的控制寄存器。控制字来控制电机转动，通过控制寄存器中的状态，使步进电机按确定的运行方式工作。在 步进电机的方向控制位，转动控制位以及停止控制位。分别进行定义。 各个控制位含义如下： 6,4,2,0，且 转停控制位（ 10 10 10 10 11 第 4 章 机械部分改造与计算 原始数据分析 1. 原 1400r/大水平拖动力1500500N，进给最大速度纵、横向 件最大重量，500000N，机动范围 纵向 680向 240. 工艺数据 工件加工余粮：最大铣削宽度 7大铣削深度 40 刀具数据：高速钢圆柱铣刀，直径 32 - 40 刀齿数 3 工艺数据：主轴转速 150刀速度 40齿切厚为 3. 机床进给部件重量估计 轴向（ 作台，长 重 220200N 纵向（ 作台约为 450500N 为防止升降台自行下划，原机床设置有单向超越离合器及摩擦片制动器，而且为了保证工件可靠，将摩擦阻力调到略大于升降台的重力，在数控改造后仍要保留此功能，这样在实际运动时下降的阻力最大，按 12 珠丝杠螺母副的选用设计（ X 向） 铣床工作台的进给运动，由进电 机的转动，然后带动 铣 床丝杠传动。在数控 铣 床上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠传动摩擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以用一些办法来补偿，修正，但总是不太稳定。 所以，在数控 铣 床上要采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控 机 床的发展，它的使用将会更加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副， 它是把步进电机的转动角位移，变换成数控车床工作台的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。 12 丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽 ,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线的滚道 ,在滚道内装有许多滚珠 滚珠相对于螺母上的滚道滚动 ,因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦 在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住 ,并设有回路滚道是他的两端连接起来 沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端 ,可以循环进行不断地滚动 . 滚珠丝杠副的优点是 :传动效率高 ,因为它是滚动摩擦 ,普通的丝杠传动提高 3由此带来了一系列的优点 ,如功率损耗小 ,传动平稳 ,磨损小 ,无爬行现象等等 一是 :一般的丝杠传动总是有间隙 ,而滚珠丝杠可以消除间隙 ,所以当丝杠转动反向时 ,可以没有空程 ,提高了反向的定位精度 ,也增强了传动刚度 一般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动 ,而滚小 ,所以既能把旋转运动转变为直线运动 ,也可以从直线运动转变为螺旋运动 ,珠丝杠副由于传动的摩擦系数具有传动的可逆性 ,因此可以作为主动件 ,也可以作为从动件 . 它也有缺点 ,主要是元件的精度要求高 ,光洁度要求也高 ,所以制造工艺很复杂 ,成本也高 一般要求磨削成型 ,因而制造困难 ,也限制了使用 . 又由于传动的可逆性 ,所以不能自锁 ,当应用在垂直传动装置时 ,由于自重和惯性的关系 ,在下降过程中不能立刻停止 ,因此还需要备有制动装置 . 滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有 很多类型，但其主要区别是在螺纹滚道的型面形状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。 (1)螺纹滚道型面的形状 螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种，如图 4 1所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂线之间的夹角，称为接触角（ ）。 13 （ a） (b) 图 4 1 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形 （ a）单圆弧； （ b）双圆弧 （ 2） 单圆弧型面 一般滚道的 圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触角是随着轴向负载大小而变化的，当轴向负载为零时，接触角也为零；当负载逐渐增大，接触角也逐渐增大。实验证明：当接触角增大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随之增大。 （ 3）双圆弧型面 双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（ e）决定后，滚珠与滚道的圆弧角接处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，但不至于堵塞，反而对滚柱的滚动有利。从传动效率，轴向刚度，承载能力等要求出发，接触角大一些好，但接触角过大制造就会困难。一般接触角为 45 ，滚道的圆弧半径也同样比滚柱的半径稍大一些。 滚珠的循环方式 目
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