CA6136车床数控改造及控制系统的设计【优秀机械机电毕业设计论文】【A6063】
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ca6136
车床
数控
改造
控制系统
设计
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优良
机械
机电
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毕业设计
论文
a6063
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文档包括:
说明书一份,57页,33000字左右.
英文翻译一份.
毕业设计任务书一份.
进度表一份.
开题报告一份.
图纸共4张:
A0-数控改造硬件电路图.dwg
A0-总装图.dwg
A0-纵向进给图.dwg
A1-刀架图.dwg
- 内容简介：
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第 一 章 绪论 1 第一章 绪论 床的数控化改造 目前，关于机床改造方面的报道比较多，其方法多种多样，具体表现在 : 可以进行智能化数控机床改造。 不管哪种形式的数控改造，最基本的思路是要满足用户的基本使用需求。但目前对车床的数控化改造，主要是经济性数控化改造。在改造过程中，主要沿用系统供应商提供的外部接线要求进行控制电路设计，没有对系统进行深入的分析研究，不能结合实际应用解决当前同类机床存在 的问题，比如 :现在的机床普遍采用正逻辑控制，当限位保护电路，如发生电路开路或接触不良时，不会立即报警，容易造成事故。针对目前同类数控机床使用中存在的问题，经过仔细的研究和分析系统特性，在改造机床时所有限位保护电路均采用负逻辑，如发生电路开路或接触不良时会立即报警，防止意外事故发生；设定了特殊的限位控制装置，使刀架在特定的位置不能换刀，保证了生产安全。这一技术已经申请了国家发明专利。 另外，我们知道车床加工的主要任务是承担轴类、套类、盘类等零件的加工。成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场竞 争能力的 4 个要素，采用传统的非数控生产方式只有达到一定闭值的大批量的规模生产才能取得上述 4个方面的统一。但在当前激烈的市场竞争环境下，以生产为中心，企业为主导的卖方市场已转向以市场需求为中心用户为主导的买方市场，产品需求呈现多样化和个性化，且产品经济寿命大大缩短，这首先将形成以多品种变批量的生产方式为主流的生产环境；其次，衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为交货期。 为此，发展柔性结构体系的数控制造装备及制造系统是实现在快速多变的市场环境中对用户驱动的市场需求作出灵活、快速响应的关键。所谓制造装备及制造系统 的柔性化是指当产品的品种的需求发生变化时，它们仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适应能力。同时，持续地提高经济加工精度也是适应市场竞争的另一个主要目标。 因而作为评定数控机床及系统效能的基本指标也将由传统的工作精度和切削能力改为用高效柔性和高精化的程度来衡量。高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的市场环境下的两个最主要的要求，即产品生产变换的灵捷性和产品质量的持续提高。如何达到上述要求，进一步提高其生产的柔性化，达到操作的简便易行，在改造过程中利用成组技术，来把单件多品种生产转变成变品种的 批量生产，设计共用化的程序床数控改造及控制系统的设计 2 存入系统，减少编程的麻烦，提高了加工效率。这一创新思路是目前市场上没有的，该技术己申请专利。同时采用无级变速方式，使其转速提高到 2000r/现了高速化。 1宏观看改造的必要性 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 拟制造 以及在生产管理中推行 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。 2微观看改造的必要性 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。 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。 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 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 ”。 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 ”。 可实现多工序的集中，减少零件 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。 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。 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 性制造单元）、 性制造系统）以及 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。 第 一 章 绪论 3 1. 2数控机床与数控技术 1. 2. 内数控机床现状 由于机床下游行业固定资产投资连续几年快速增长，国内机电产品市场需求年均增长 30，带动了机床市场需求 30以上的增长。从 2002 年开始，我国就成为世界第一机床消费大国。 2004 年国产金属切削机床年产量达到 台 、数控机床产量 2005 年前三季度，我国金属切削机床和数控机床产量分别达到 台和 由于数控机床的增长速度明显快于普通金属切削机床，数控机床在金属加工机床总量中的比重逐年上升，我国机床的数控化率逐年提高。 2001 年，机床数控化率为 2004 年上升为 2005 年前三季度机床数控化率保持在 水平。 另外，我国机床出口增长较快。 2001 年我国出口金属加工机床 台，金额 2004 年出口 台，价值 美元。 2005 年前三季度，出口分别达到 美元，同比增长 过去几年我国机床出口数量和金额年均增速分别达到 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。 但值得注意的是高档数控机床仍大量进口。从 2001 年开始，我国就成为世界上最大的机床进口国。最近几年我国用于机床进口的外汇高速增长，进口用汇是出口收汇的近 10 倍。 2004 年我 国进口金属加工机床 台，价值 美元， 2005 年前三季度，进口量达 台，价值 美元。 内数控机床的特点 术含量高的产品占据主导地位 例如 :全长 33 公里的上海磁悬浮快速列车线，是 “十五 ”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的 2550 根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期 6 个月、标的 6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项 目公开招标中折桂，并一次性验收合格的 8 台数控膛铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，确保了轨道梁的加工精度和速度。 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 2000 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%。 床数控改造及控制系统的设计 4 近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台 ;烟台第二机床附件 厂开发了为数控机床配套的多种动力卡盘和过滤排屑装置 ;济南第二机床集团公司的数控龙门铿铣床、数控落地锉铣床及数控锻压设备等 30 多个系列 100 多个品种的数控配套产品。 1. 2. 1. 3 国内控机床的发展趋势 1、数控机床推广应用逐步加深 据分析， 2005年我国机床的数控化率为 9. 5% 10. 36%，到 2010年将达到 16. 50%19. 27%。 2、数控金切机床的构成比逐渐趋于合理 数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的 构成比不同于传统的机床构成比。 3、数控机床的应用由单机向单元 (系统 )方向发展 目前欧、美、日等国应用 很普遍，柔性制造单元己占数控机床销售量的 30%上而我国 拥有量不足 50 套，相当于日本 80 年代的水平，占数控机床消费额不到 5%。 4、出口前景良好 1998 年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在 5 亿美元左右， 2000 年上升到 7. 85亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。 2005 年出口创汇达到 12 亿美元。 1. 2. 1. 4 国外数控机床的特点 一是利用二进制数学方式输入， 加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多坐标联动，易加工杂曲面。对于加工对象具有 “易变、多变、善变 ”的特点换批调整方便可实现杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性。 二是利用硬件与软件相结合。能实现信息反馈补偿、自动和减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率和自动化程度。 三是以电子控制为主的机电一体化机床充分发挥了微电子和计算机技术特有 的优点，易于实现信息化、智能化、网络化， 可较容易地组成各种先进制造系统， 如 F M S、 F T L、 F A， 甚至将来的 最大限度地提高工业生产率、劳动生产率。 1. 2. 1. 5 国际对中国机械工业的冲击 外资对我国机械工业的结构冲击主要表现在以下几点： 1、部分行业发展主导权有可能受到冲击 在以下行业将表现得更为突出：一是在国内处于市场成长期、外方掌握专有技术并第 一 章 绪论 5 处于垄断地位的技术密集型行业，如燃气轮机、直流输电关键设备、半喂入式水稻联合收割机、机电一体化的汽车发动机附配件等；二是单靠有限市场 难以发挥企业生产能力、迫切需要全球市场支撑的行业，如高压开关、大型变压器、高档科学仪器、高档数控系统、智能化工业控制系统等；三是国内外制造成本相差较大、外方享有明显的品牌优势、在华设厂可以在世界市场获取丰厚利润的劳动密集型或易于流通的装配型产品行业，如照相机、复印机、部分工业和民用仪表、高品质低压电器等。 2、工程成套行业将面临更严峻的竞争 随着服务贸易领域对外开放，实力雄厚的国外公司可能更积极地到国内举办由其控制的、以工程承包为主要业务的工程公司，以其母公司产品为后盾，以熟悉国内情况的中方雇员为业务骨干， 与我内资企业展开激烈的竞争。 3、我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制 由于外资在华机械企业主要承担制造车间的角色，技术来源主要依靠其母公司，而原本就实力有限的内资企业在完全开放的市场竞争中坚持自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产品的形象，多数内资企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。 4、处于幼稚期的自主产业的成长环境趋于严峻 由于国外企业将更加不愿转让技术，更愿意通过在华举办由他们控制的企业来与内资机械企业争夺中国用户的订单，国内用户也有了更多的便利采购外资产 品，从而部分处于成长初期的重要产品自主产业的培育壮大将更困难。 1 2数控技术 控技术国内外现状 1 开放结构的发展 数控技术从发明到现在，已有近 50 年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模 控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的 控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的机床大大提 高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统， 同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，开放系统有两种基本结构： (1)C 主板： 把一块 板插入传统的 器中， 主要床数控改造及控制系统的设计 6 运行实时控制， 要运行以坐标轴运动为主的实时控制。 (2)动控制板：把运动控制板插入 的标准插槽中作实时控制用，而 主要作非实时控制。开放结构在 90 年代初形成；对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第 (2)方案。但目前主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠性，象 存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上这些厂家长期已经生产大量的数控系统：体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不 良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的数控系统。为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用 (1)方案，即在不变化原系统基本结构的基础上增加一块 ，提供键盘使用户能把 系在一起，大大提高了人机界面的功能比较典型的如 150/160 180 210 系统。有些厂家也把这种装置称为融合系统 (由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎。 2 软件伺服驱动技术 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控 制，控制算法采用软件的伺服装置称为 “软件伺服 ”。它有以下优点： (1)无温漂，稳定性好。 (2)基于数值计算，精度高。 (3)通过参数对设定，调整减少。 (4)容易做成 路。 70 年代，美国司发明了直流力矩伺服电机，从此开始大量采用直流电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电机存在以下缺点： (1)电动机容量、最高转速、环境条件受到限制； (2)换向器、电刷维护不方便。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由於控制性能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。随着电力电子技术的发展， 1971 年，德国西门子的 明了交流异步机的矢量控制法； 1980 年，德国人 首的研究小组在应用微理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从 70 年代末， 数控机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机。如果把直流电机进行 “里翻外 ”的处理，即把电驱绕组装在定子，转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，这就构成了永磁无刷电机。这种电机具有良好的伺服性能。从 80年代开始，逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。为了实现更高的加工精度和速度，90 年代，许多公司又研制了直线电机。它由 两个非接触元件组成，即磁板和线卷滑座：电磁力直接作用于移动的元件而无需机械连接，没有机械滞后或螺距周期误差，精度完全依赖于直线反馈系统和分级的支承，由全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。但由于它的推力还不够大，发热，漏磁及造价也影响了它的广 泛应用。对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子 技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是 应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。 第 一 章 绪论 7 3 统的连网 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级： (1)工厂管理级。一般由以太网组成。 (2)车间单元控制级。一般由 能进行控制。通过 能形成网络可以实现对零件程序的上传或读、写 数据： 据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等。更高档次的 可以对 及 程序进行传送和分级管理。 通信网络连系在一起还可以传递维修数据，使用户与 产厂直接鴀 ?通信：进而，把制造厂家连系一起，构成虚拟制造网络。 (3)现场设备级。现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及 I 0 控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管 理层，向工厂级提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及 统的基础。传统的现场级大多是基于 分布式系统。其主要特点是现场层设备与控制器之间的连接是一对一，即一个 I/0 点对设备的一个测控点。所谓 I 0 接线方式为传递 420拟量信息 )或 24关量信息 )。这种系统的缺点是：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、可维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点， 用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。因此，现场总线是面向：工厂底层自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技术的主要特点为：它是数控系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代 420拟信号、应用现场总线技术，要求现场设备智能化 (可编程或可参数化 )：它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体：由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是实现数控系统设备层信息集成的关键技术。它对提高生产效率、降低生产成本非常重要。目前在工业上采用的现场总线有 S， 。有的公司还有自己的总线，比如 I 当于 1)， 。目前比较活跃的是 了允许更快的数据传送速度，它由 0S 工的七层结构省去 3构成。西门子最新推出 802D 的伺服控制就是由 制的。 4 功能不断发展和扩大 术经过 50 年的发展，已经成为制造技术发展的基础。这里以 先进的 制系统 15i 150i 为例说明系统功能的发展。这是一台具有开放性， 4 通道、最多控制轴数为 24 轴、最多联动轴数为 24 轴、最多可控制 4 个主轴的 统。其快移速度与分辨率关系如下表 1 床数控改造及控制系统的设计 8 表 1移速度与分辨率 快速移动速度 m 分辨率 240 1 100 0 1 10 0 01 l 0 001 它的技术特点反映了现代 展的特点： a . 开放性： 系统可通过光纤与 连接，采用 容软件和开发环境。功能以高速、超精为核心，并具有智能控制。特别适合於加工航空机械零件，汽车及家电的高精零件，各种模具和复杂的需 5 轴加工的零件。 15i 150 主具有高精纳米插补功能；即使系统的没定编程单位为 1过纳米插补也可提供给数字伺服以 单位的指令，平滑了机床的移动量，提高了加工表面光洁度，大大减少加工工表面的误差 。，快速可达 240m/度；系统还具有高速高精加工的智能控制功能： (1)预计算出多程序段刀具轨迹，并进行预处理。 (2)智能控制，计及机床的机械性能，可按最佳的允许进给率和最大的允许加速度使机床的功能得到最大的发挥。以便降低加工时间，提高效率，同时提高加工精度。 (3)系统可在分辨率为 1工作，适用於控制超精机械。 b . 高级复杂的功能： 15i 150i 可进行各种数学的插补，如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线、样条等插补。也可以进行 on 补。采用 补可以人人减少 序的数据输入量，减少加工时间，特别适用模具加工。 c . 强力的联网通信功能。适应工厂自动化需要，支持标准 络及 连接。 （ 1）工厂干线或控制层通信网络：由 通过以太网控制多台 15i 150i 组成的加工单元，可以传送数据、参数等。 (2)设备层通信网络： 15 150i 采用 I 0 日本标准 相对应的一种现场总线。（ 3）通过 85 接口传送 I 0 信号：或且也可采用 P(符合欧洲 1 标准 12行高速通信。 d. 具有高速内装的 的厂商称为 以减少加工的循环的时间： (1)梯形图和顺序程序由专用的 理器控制，这种结构可进行快速大规模顺序控制。 (2)基本 令执行时间为： 0 085大步数： 32， 000 步。 (3)可以用 C 语言编程； 32 位的 C 语言处理器可作为实时多任务运行；它与梯形图计算的 理器第 一 章 绪论 9 并行工作。 (4)可在 上进行程序开发。 e. 先进的操作：性和维修性。 (1)具有触摸面板 ，容易操作。 (2)可采用存储卡改变输入输出。 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（ 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（ 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 会情况来看，高速加工中心进给速度可达 80m/至更高，空运行速度可达 100m/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 司的床进给速度最大达 60m/速为 100m/速度达 2g，主轴转速已达 60000r/工一薄壁飞机零 件，只用 30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 司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12000r/ 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，精密级加工中心则从 3 5m，提高到 1 且超精密加工精度已开始进入纳米级 ( 在可靠性方面，国外数控装置的 已达 6000h 以上，伺服系统的 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。 2. 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 床数控改造及控制系统的设计 10 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 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 司展出 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 统控制或 接或间接控制。 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 欧共体的 日本的 中国的 。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第 一 章 绪论 11 公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 中，日本山崎马扎克（ 司展出的 “智能生产控制中心，简称 日本大隈（ 床公司展出 “IT 信息技术广场，简称 场 )；德国西门子 (司展出的 放制造环境，简称 ， 反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 4. 重视新技术标准、规范的建立 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 (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 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 准，即采用 G， M 代码描述如何（ 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 统标准 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。 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， 出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中， 工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下， 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， 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 研究，欧洲发起了 划( 。 参 加 这 项 计 划 的 有 来 自 欧 洲 和 日 本 的 20 个户、厂商和学术机构。美国的 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(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 及欧洲 控系统的原型样机上进行了验证。 国数控技术及其产业发展 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床数控改造及控制系统的设计 12 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。 (1)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己基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术己具备进行商品化开发的基础，部分技术己商品化、产业化。 (2)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。 (3)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。 我国数控技术水 平和产业化水平估计 (1)技术水平上，与国外先进水平大约落后 10 至 15 年，在高精尖技术方面则更大。 (2)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。 (3)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。 3、存在差距的主要原因 (1)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。 (2)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。 第 一 章 绪论 13 (3)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。 (4)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。 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 。 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 ;当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。 在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以 “做得出、用得上、卖得掉 ”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。 在竞争前 数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。 床数控改造及控制系统的设计 14 第二章 总体方案的确定 2 1 设计要求 式车床 （图 2改造的基本思路是在原来的机床进行修改， 拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用； 经过严密的计算和论证，选择丝杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统配置和设计控制电路，布 置各传感器。 数控系统采用国际通用的 T 系统 ，可靠性好，功能强大。并根据用户的要求设计了新颖的外观。该机床改造后取名 “。 图 2式车床示意图 计参数 计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。设计参数如下： 最大加工直径 在床面上 360床鞍上 180大加工长度 750进速度 纵向 2m/二章 总体方案的确定 15 横向 1 m/大切削进给速度 纵向 向 板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N 主电机功率 码制 脉冲分配方式 逐点比较法 输入方式 增量值，绝对值通用 控制坐标系 2 最小指令值（脉冲当量） 横 向 冲 纵 向 冲 机床定位精度 具补偿量 0给传动链间隙补偿量 纵向 向 2 总体方案的论证 普通车床的经济型数控改造，在考虑总体方案时应该遵循的基本原则为：在满足设计要求的前提下，对机床的改造尽可能少，以降低成本。 数控系统运动的确定 按运动方式数控系统可以分为点位控制系统，点位直线控制系统，连续控制系统。由于 床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控（ 统采用连续控制系统。 伺服进给系统的改造设计：数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环。 1）采用直流 或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械运动中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但它结构复杂，技术难度大。调试和维修困难，造价高。由于所造成的 车床的目标加工精度不很高，采用闭环控制系统的必要性不大。 2）采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统和稳定性较易保证。所以比闭环容易 实现。但是，采用半闭环控制，调试比开环复杂，设计上也要有其特点，技术难度大。本设计要求不高，为经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。开环控制具有结构简单，设计制造容易，控制精度较好，易调试，床数控改造及控制系统的设计 16 价格便宜，使用维修方便等优点。缺点是步进电机没有过载能力启动频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济数控机床中。 通过比较，决定采用开环控制系统。执行机构的结构及传动方式的确定纵向进给结构的改造：拆去原机床的溜板箱，光杆与丝杆以及安装座，配上滚珠丝杆及其相应的安装装 置。纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床床尾，并不占据丝杆空间。由于采用了滚珠丝杆，可提高系统的精度和纵向进给刚度。横向进给结构的改造：由于原横向进给的丝杆空间有限，一种方法是拆除横向丝杆换上滚
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