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NC NC at of of a of on to a In is to as of a At NC is a a to In on of NC on of NC to be to an of on NC as of a s as a NC on in of by or NC no NC is a In a of in of at by in NC NC NC to of no NC in 2 NC (1) of is As a of PU as as of at of (2) NC is in be to of a to of to (3) of to of of of to in a on a an or to NC 80up 4 (4) is is to to be a is to of s To of is a a of in in of NC in of of NC as in of of of in of C so as to 2.2 (1) is NC of of of At in as a of it be of be (2) in in be of so of is no to of to as a is of NC in of be as of as as of (3) a of of as 2 D +2 A, B, C as A of as as as of (4) LC NC LC be or LC an LC on of (5) of of it C be to in of as a of (1) of a NC PD be a to RT in 1st of By of of to of (2) to C to to of a NC at (3) of be in on be on on (4) to a of be of of NC is NC is a of as to of in of a to 3 of NC to of of a of NC C be a of a of 数控技术发展趋势 1 国内外数控系统发展概况 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄 型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上， 数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构， 能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过 自动编程系统进行编制。 间没有反馈控制环节，整个制造过程中 是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正 的设定量，因而影响 工作效率和产品加工质量。由此可见，传统 统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。 2 数控技术发展趋势 能发展方向 (1)高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 片、 片、多 制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。 (2)柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限 度地发挥群控系统的效能。 (3)工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4)实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高 ，从而达到最佳控制的目的。 能发展方向 (1)用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前 拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 (2)科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于 自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 (3)插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空 间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、 2D+2 螺旋插补、 补、补 (非均匀有理 B 样条插补 )、样条插补 (A、 B、 C 样条 )、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 (4)内装高性能 控系统内装高性能 制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准 户程序实例，用户可在标准 户程序基础 上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。 (5)多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。 系结构的发展 (1)集成化 采用高度集成化 片和大规模可编程集成电路及专用集成电路 片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用 板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和 衡的新兴显示技术，是 21 世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。 (2)模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如 储器、位置伺服、 入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。 (3)网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。 (4)通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模 式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。 3 智能化新一代 控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代 控系统已成为可能。智能化新一代 控系统将计算机智能技术、网络技术、 服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。 of he of of o as ). of do in is in of . of to of in to to of In in of as of to s to of In a of as in a to to go on to by of of to is a of (1) (2) (3)(4)(5)(6) 1 of a he of of to of of of of he ) to s a of to of in at 14. of At a to of as of to it as in 1st to of in In of 0 as 00,000 / it is of be In of s or in to as to a of to of to 0m/00m/A of in at of up up . , to be to 0m/it 00m/to be g, of 0 000r/a of 0at a h, h of of 2* 000r/mm g. In in 0 of of to 0 m m, of - 5 m, - m, In 0 of of m , - 5 m of 0 m - m, to m )In of 000h, of 0000h, at a to it if is to to of of is by a It is a 5 of 3 go on at a at 5 to go of to be in of At of of to it by a of So to ). of of of be at of of in be NC AM or 1.3 1st be in In to In to is so to so In to At to SS s s s so of is in or s in At as as so on is is a to be in if (is to IT (is T is so to .4 s in . , on of of of , 3 of on in a a of of of of NC 000. he is a of of of 0 to , M he t of of of a of NC in is a of on in of of be a of of on of of a of a of in NC to on NC be is a of of of 5% ) 5% ) 0% ) At to MS 20 NC in . is a of of in he of of of by is to in at 2 of of of of he of of 958, in 0 be is 958 979, In of of of of of is , of in , of of At of of in of of of of is on of , of At in of of of 0% , to up 0%. in 0 of of of in a. of of of of is of In up of of as a of of as of up of a s in of of we of of of is of of in to , is in in of to as of in 0- 1 in it is in is c数控技术的发展趋势 摘要： 简要介绍了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 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。 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（ 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 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（ 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 12*!000r/ 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 并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。 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 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。 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 共体的 本的 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 “（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。 视新技术标准、规范的建立 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 (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。 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， 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 洲发起了 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。 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。 本掌握了现代数控技术。我国现在已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，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 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。 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。 国外先进水平大约落后 10 15 年，在高精尖技术方面则更大。 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。 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。 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。 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。 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。 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 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， “ 东芝事件 ” 和 “ 考克斯报告 ” 就是最好的例证。 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。 参考文献： 1中国机床工具工业协会行业发展部 礼 J 2001(3)： 18 2梁训王宣 ,周延佑 J 001(3)： 21 3中国机床工具工业协会数控系统分会 礼 J 2001(5)： 13 4杨学桐，李冬茹，何文立， 世纪数控机床技术 发展战略研究 M 家机械工业局， 2000. NC NC at of of a of on to a In is to as of a At NC is a a to In on of NC on of NC to be to an of on NC as of a s as a NC on in of by or NC no NC is a In a of in of at by in NC NC NC to of no NC in 2 NC (1) of is As a of as as of at of (2) NC is in be to of a to of to (3) of to of of of to in a on a an or to NC 80up 4 (4) is is to to be a is to of s To of is a a of in in of NC in of of NC as in of of of in of C so as to 2.2 (1) is NC of of of At in as a of it be of be (2) in in be of so of is no to of to as a is of NC in of be as of as as of (3) a of of as 2 D +2 A, B, C as A of as as as of (4) LC NC LC be or LC an LC on of (5) of of it C be to in of as a of (1) of a NC PD be a to RT in 1st of By of of to of (2) to C to to of a NC at (3) of be in on be on on (4) to a of be of of NC is NC is a of as to of in of a to 3 of NC to of of a of NC C be a of a of 编号： 毕业设计 (论文 )任务书 题 目： 投影仪电动工作台机械结构设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 林聪华 学 号： 1001120315 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 高兴宇 职 称： 副教授 题目类型 ： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 12 月 13 日 一、毕业设计（论文）的内容 投影仪是零件外形尺寸检测的常用仪器，其原理是将零件平放在工作台上，用上方的投影物镜将零件放大投影在屏幕上，读取屏幕上的刻度进行测量。本课题要研究投影仪的光学检测原理，设计投影仪电动工作台的精密机械结构，论文的研究内容分为以下几个方面： 1、查阅资料，了解投影仪工作原理，了解投影仪测量对工作台的要求； 2、对原有手动调整的投影仪 工作台进行自动化改造，用步进电机驱动工作台 旋转轴的移动，代替原有的手动旋钮。对工作台包括底座整体进行结构优化设计； 3、设计投影仪工作台的步进电机控制电路； 4、详细绘制各部件和零件的机械图纸； 二、毕业设计（论文）的要求与数据 1、 投影仪放大倍率为 20； 2、 要求投影仪工作台尺寸 300300位精度 动速度10mm/s； 3、工作台机械结构紧凑，能保证定位精度 。 三、毕业设计（论文）应完成的工作 1、完成二万字左右的毕业设计说明书（论文）；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的 300单词的英文摘要； 2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）； 3、 绘制检测系统机械图， 必须完成绘图工作量折合 纸 3 张以上，其中必须包含两张 上的计算机绘图图纸； 四、应收集的资料及主要参考文献 1 徐锦康主编，机械设计 M. 北京：机械工业出版社， 2001. 2 费业泰主编 . 误差理论与数据处理第 4版 M . 北京：机械工业出版社 ,2001. 3 萧泽新编著 . 工程光学设计 M. 北京 : 电子工业出版社 , 2008. 4 萧泽新编著 . 光机电一体化系统及应用 M. 广州：华南理工大学出版社 , 2011. 5 郁道银，谈恒英 . 工程光学基础教程 M. 北京 : 机械工业出版社 ,2010. 6 沈传文 , 肖国春 , 于敏编著 . 自动控制理论 M. 西安：西安交通大学出版社 , 2007. 7 张善锺主编 , 精密仪器结构设计手册 .M 北京 : 机械工业出版社 , 2009. 8 罗先和 ,张广军 M. 北京 : 航空航天大学出版社 ,9 . 10 颜嘉男 编著 M. 北京 : 科学出版社 , 五、 试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件 计算机一台 ， 计软件（ ） 。 任务下达时间： 2013 年 12 月 17 日 毕业设计开始与完成时间： 2013 年 12 月 17 日至 2014 年 05 月 26 日 组织实施单位： 教研室主任意见： 签字： 2013 年 12 月 14 日 院领导小组意见： 签字： 2013 年 12 月 16 日 编号： 毕业设计 (论文 ) 题 目： 投影仪电动工作台机械结构设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 林聪华 学 号： 1001120315 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 高兴宇 职 称： 副教授 题目类型 ： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2014 年 5 月 25 日 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 编号： 毕业设计 (论文 ) 题 目： 投影仪电动工作台机械结构设计 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 题目类型 ： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2014 年 5 月 25 日 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 I 摘 要 本次设计是对 投影仪电动工作台 装置 的 设计 。 在这里 主要包括 :传动系统的 设计 、这次毕业设计对设计工作的基 本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件 。 整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 本论文研究内容： (1) 投影仪电动工作台 装置 总体结构设计。 (2) 投影仪电动工作台 装置 工作性能分析。 (3)电动机的选择。 (4) 投影仪电动工作台 装置 的传动系统、执行部件及机架设计。 (5)对设计零件进行设计计算分析和校核。 (6)绘制整机装配图 及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词： 投影仪电动工作台 装置 ， 联轴器 ， 滚珠丝杠 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 is of of on of to a is by to to of of (1) (2) (3) of (4) a (5) of (6) to 买后包含有 纸和论文 ,咨询 V 目 录 目 录 . 绪论 . 1 影仪工作原理 . 7 量投影仪原理及结构 . 9 课题研究的内容及方法 . 10 . 10 . 10 . 10 2 投影仪电动工作台装置总体结构设计 . 11 计的要求与数据 . 11 体结构设计 . 11 3 工作台 X 方向结构及传动设计 . 14 向滚珠丝杆副的选择 . 15 . 15 . 15 . 15 . 15 . 16 . 17 . 17 核 . 18 界压缩负荷验证 . 18 . 19 . 20 机的选择 . 20 . 21 . 22 4 工作台 Y 方向结构设计 . 24 V 轴滚动导轨副的计算、 选择 . 24 珠丝杠计算、选择 . 25 进电机惯性负载的计算 . 28 5 旋转机构的设计 . 31 转机构设计 . 31 进电机选择 . 31 的设计与计算 . 44 承的校核 . 52 的选择和校核 . 56 6 控制系统设计 . 57 统方案设计 . 57 . 57 构方案的选择 . 57 构方案的选择 . 58 制系统的选用 . 58 控装置的部件结构和安装 . 59 . 59 . 59 . 60 结论 . 61 参考文献 . 62 致 谢 . 63 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 3 4 5 6 7 1 绪论 影仪工作原理 到目前为止， 投影机 主要通过三种 显示技术 实现，即 影技术 、 影技术 以及近些年发展起来的 影技术 。 1、 枪 投影机 英文 缩写，译作 阴极射线管 。作为成像器件，它是实现最早、应用最为广泛的一种 显示技术 。这种 投影机 可把输入信号源分解成 R（红）、 G（绿）B（蓝）三个 的 荧光屏 上， 荧光粉 在高压作用下发 光系统 放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。 光学系统 与 组成 投影管 ，通常所说的 三枪 投影机就是由三个投影管 组成的投影机，由于使用内光源，也叫主动式 投影方式 。 术成熟，显示的图像色彩丰富， 还原性 好，具有丰富的 几何失真 调整能力；但其重要 技术指标 图像分辨率 与亮度相互制约，直接影响 影机的亮度值，到目前为止，其亮度值始终徘徊在 300下。另外 影机操作复杂，特别是会聚调整繁琐，机身体积大，只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所，不宜搬动。 2、 影机 英文缩写。 影机 分为液晶板和 液晶光阀 两种。液晶是介于液体和固体之间的物质，本身不发光， 工作性质 受温度影响很大，其工作温度为 77C。投影机利用液晶的 光电效应 ，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的 透光率 或 反射率 ，从机时影响它的光学性质，产生具有不同 灰度 层次及颜色的图像。下面分别说明两种 影机 的原理。 它采用 和 液晶光阀 作为成像器件，是 影机与液晶与光阀相结合的产物。为了解决 图像分辨率 与亮度间的矛盾，它采用外光源，也叫被动式 投影方式 。一般的光阀主要由三部分组成： 光电转换器 、镜子、 光调制器 ，它是一种可控开关。通过 电转换器 上，将光信号转换为持续变化的 电信号 ；外光源产生一束强光，投射到光光阀上，由内部的镜子反射，能过 光调制器 ，改变其光学特性，紧随光阀的 偏振 滤光片 ，将滤去其它方向的光，而只允许与其光学缝隙方向一致的 光通 过，这个光与 号相复合，投射到屏幕上。它是目前为止亮度、分辨率最高的投影机， 8 亮度可达 6000明 ，分辨率为 2500 2000，适用于环境光较强，观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、 会议中心 及大型 娱乐场所 ，但其价格高，体积大，光阀不易维修。主要品牌有： 休斯 。 4 液晶板投影机 它的成像器件是液晶板，也是一种被动式的 投影方式 。利用外光源 金属卤素灯 或 冷光源 ），若是三块 设计的则把强 光通 过 分光镜 形成 束光，分别透射过 色液晶板；信号源经过 模数转换 ，调制加到液晶板上，控制液晶单元的开启、闭合，从而控制光路的通过断，再经镜子合光，由 光学镜头 放大，显示在大屏幕上。目前市场上常见的液晶投影机比较流行单片设计（ 板 ，光线不用分离），这种投影机体积小，重量轻，操作、携带极其方便，价格也比较低廉。但其光源寿命短，色彩不很均匀，分辨率较低， 最高分辨率 为 1024 768，多用于临时演示或小型会议。这种投影机虽然也实现了 数字化 调制信号 ，但液晶本身的物理特性，决定了它的响应速度慢，随着时间的推移，性能有所下降。 5 数码投影机 英文 缩写，译作数字 光处理器 。这一 新的 投影技术的诞生，使我们在拥有捕捉、接收、存储数字信息的能力后，终于实现了数字信息显示。术 是显示领域划时代的革命，正如 音频领域产生的巨大影响一样， 为视频投影显示翻开新的一页。它以 字微反射器作为光阀成像器件 。 影机 的技 术关键点如下：首先是数字优势。 数字技术 的采用，使图像 灰度等级 达 256，色彩达 256， 图像噪声 消失，画面质量稳定，精确的 数字图像 可不断再现，而且 历久弥新 。其次是反射优势。反射式 件的应用，使成像器件的总 光效 率达 60%以上，对比度和亮度的 均匀性 都非常出色。在 一个像素的面积为 16m 16，间隔 为 1m。根据所用 片数， 影机 可分为： 单片机 、两片机、三片机。 影机 清晰度高、画面均匀，色彩锐利，三片机亮度可达 2000 流明 以上，它抛弃了传统意义上的会聚，可随意变焦，调整十分便利；分辨率高，不经 压缩分辨率 可达 1024 768（有些机型的最新产品的分辨率已经达到 1280 1024）。 9 量投影仪原理及结构 被测工件置于工作台上，在透射或反射照明下，它由物镜成放大实像并经反射镜成像于投影屏磨砂面上。此时可用标准玻璃尺在投影屏上进行测量，测得的数值除以物 镜放大倍数即为工作的测量尺寸。也可以用预先绘制的标准放大图对其进行比较测量。还可以利用工作台上的数字显示系统对工件进行座标测量；利用投影屏角度数 显系统对工件角度进行测量。 视工件性质，透射照明和反射照明可分别使用亦可同时使用。 结构与功能 测量投影仪 仪器总体结构（如下图） 1 投影箱 2投影屏 3投影屏旋转微调手轮 4投影屏旋转微调锁紧手轮 5数显表 6 反射照明锁紧手轮7反射照明聚光镜 8、 12小门 9X 轴手轮 10电源板 11 搬运手柄 13调焦手轮 14底脚螺丝 15主机箱16 操作面板 178 旋转载物台 19 工作台 20 零位标记块 21 投影屏快速运动手柄 22弹性压脚 23遮光罩 10 课题研究的内容及方法 在查阅了国内外大量的有关 投 影仪电动工作台 设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考虑 投影仪电动工作台 结构特点、具体作业任务特点以及 投影仪电动工作台 的推广应用，分析确定使用 投影仪电动工作台 实现自动化目的。 为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下 : 1 根据现场作业的环境要求和 电动工作台 本身的结构特点，确定 电动工作台 整体设计方案。 2 确定 电动工作台 的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。 3 从所要功能的实现出发，完成 电动工作台 各零部件的结构设计； 4 完成主要零部件强度与刚度校核。 1 根据所要实现的功能，提出 电动工作台 的整体设计方案 ； 2 完成 电动工作台 结构的详细设计 ； 3 通过相关设计计算，完成电机选型； 4 完成 电动工作台 结构的设计； 绘 制 电动工作台 结构总装配图、主要零件图 。 1 方案选择 2 整体的支撑架设计 3 机构设计 4 强度校核 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 1 2 投影仪电动工作台 装置 总体结构设计 投影仪是零件外形尺寸检测的常用仪器，其原理是将零件平放在工作台上，用上方的投影物镜将零件放大投影在屏幕上，读取屏幕上的刻度进行测量。本课题要研 究投影仪的光学检测原理，设计投影仪电动工作台的精密机械结构，论文的研究内容分为以下几个方面： 1、查阅资料，了解投影仪工作原理，了解投影仪测量对工作台的要求； 2、对原有手动调整的投影仪工作台进行自动化 设计 ，用步进电机驱动工作台 旋转轴的移动，代替原有的手动旋钮。对工作台包括底座整体进行结构优化设计； 3、设计投影仪工作台的步进电机控制电路； 4、详细绘制各部件和零件的机械图纸； 毕业设计（论文）的要求与数据 1、 投影仪放大倍率为 20； 2、 要求投影仪工作台尺寸 300300位精度 动速度 10mm/s； 3、工作台机械结构紧凑，能保证定位精度 。 体结构设计 一般来讲，普通 投影仪 的数控 设计 主要有两部分，一是设计一套简易微机数控工作台，固定在 投影仪 的工作台上。二是将控制上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使头上下运动。本设计只对工作台进行设计。取 投影仪 步进电机的脉冲当量可选为 冲，步进电机的步距角 方案 1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，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进 行切削，可选用点位控制方式。数控 投影仪 在工作台移动过程中头并不进行孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。 2伺服系统的选择 12 伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环 3 种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测 与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此 ，考虑到在普通立式 投影仪 上进行 设计 ，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。 3执行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点： 1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。 2）尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙结构。 3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误 差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。 作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。 4计算机系统的选择 计算机数控系统一般由微机部分、 I/O 接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用 8 位微处理器的微型计算机。如何采用 片机组成的微机应用系统。 芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。 片机具有集成度 高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用 列单片机作为主控制器。 微机数控的 作台。由于 作台的运动部件重量 ，因此选用有预加载荷 13 的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，求，需采用齿轮降速传动。 综上所述，本文总体方案确定为：采用 片机对数据进行计算处理，由 I/，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等， 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 4 3 工作台 X 方向 结构及传动设计 表 3支承方式 简图 特点 一端固定一端自由 结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小 ，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。 一端固定一端游动 需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴 承代替角接触球轴承。 两端固定 只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。 15 向滚珠丝 杆副的选择 滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。 设 00快进给速度为 18m/概质量为 50作台大概质量为 80动部件大概质量为 30作台最大行程为 300 电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比 i=1, 选择电机 Y 系列异步电动机的最高转速 g 最大转矩，则丝杠的导程为 121500/18000/ m a xm a x 取 2确定丝杆的等效转速 基本公式 (/ h 最大进给速度是丝杆的转速 m (150012/18000/m a xm a x h 最小进给速度是丝杆的转速 m (丝杆的等效转速 m )(/()( 212m i a x m 式中取 21 2 故 m ()( 212m i a x m 估算测量物 重 量 工作台重量 移动部件重量 工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵 16 引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 般取 课题中取 丝杆所受的力为 x 2 1 5 52 2-)2 2(-)2 2( 3a x ）（）（）（0F 其等效载荷按下式计算（式中取 21 ， 12 2n n ） m 1494)( 312211223m i a x 316 060 )nT(查表：取 表：取 ） 表：取 1） 表：取 1） （查表：取 1） 丝杆的工作寿命为 15000h 由上式计算得 7300N 表 3h 17 表 3 3 3精度的选择 滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设 定丝杠的任意 300程变动量 300V 应小于目标设定定位精度值的 1/3 1/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级 3级（ 1级精度最高）， Z 轴为 2 5级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择 轴精度等级为 3 级， 级。 计算得出 则 23) 18 公称直径 2选择 内循环浮 动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为3。 公称直径 0杆外径 钢球直径 丝杆底径圈数 =3圈 0 刚度 73N/ m 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 S，丝杆副内滚道的接触刚度 承的接触刚度 母座的刚度 不同支撑组合方式计算而定。 界压缩负荷验证