C6132的数控化改造与纵向进给机构的设计.doc
C6132车床数控化改造及纵向进给机构设计【说明书+CAD】
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C6132
车床
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C6132车床数控化改造及纵向进给机构设计【说明书+CAD】,C6132,车床,数控,改造,纵向,进给,机构,设计,说明书,CAD
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大学 毕 业 设 计（论 文）题 目：C6132型卧式车床的数控化改造总体设计及纵向进给设计院 （系）： 专 业： 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间： 摘 要本次设计是对普通车床C6132的数控化改造。在这里主要包括:主传动系统的改造、纵向进给系统的改造、横向进给系统的改造。而我主要是针对纵向进给系统进行机械改造。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。数控改造主要传动系统的机械改造。由于对经济型数控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本。通过控制横进给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的传动效率，采用步进电机经联轴器再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。关键词：车床 数控改造 联轴器 滚珠丝杠 Abstract This design is about the common Lathe C6132 transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed. Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw 目录 一、前言 1二、设计任务 1三总体方案的确定 1四、机械传动方案的分析与计算 1 （一）脉冲当量的确定 1 （二）切削力的计算 2（三）纵传动系统的分析与计算（Z轴方向） 21.滚珠丝杠螺母副的计算与选型（纵向） 22、减速箱的设计（纵向） 43、步进电动机的计算与选型（纵向） 6 4、同步带传送功率的校核（纵向） 9（四）纵向传动系统的分析与计算（X轴方向） 101、滚珠丝杠螺母副的计算与选型（横向） 10 2、减速箱的设计（横向） 12 3、步进电动机的计算与选型（横向） 12第一章 前言数字控制机床（Numerical Control Machine Tools）简称数控机床，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电一体化产品。数控机床一般由下列几个部分组成： 1）主机，它是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部件。 2）数控装置，是数控机床的核心，相当于人的大脑，它包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于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）驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、主轴电机及伺服电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线以及曲面的加工。 4）辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5） 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 1）加工精度高，具有稳定的加工质量； 2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 4）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3-5倍）； 5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 数控机床的优点：1） 数控机床能缩短生产准备时间，增加切屑加工时间的比率；2） 使用数控机床进行生产，加工的零件精度高，产品质量稳定,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力；3） 数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多普通机床很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工；4） 许多数控机床如加工中心具有自动换刀功能，使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房面积；5） 生产者可以对生产成本进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的；6） 应用数控机床进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增加了工人的生产积极性，促进了生产，提高了生产效率。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。一、数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。二、数控机床的发展自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。 机床数控化改造的意义制造技术和自动化水平的高低已成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是数控机床。目前，我国是机床生产大国，但不是机床制造强国，国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防军工的需要。与世界先进水平相比差距仍然十分明显。因为一方面我国普通机床保有量大，要将普通机床淘汰掉是不经济的，也是不现实的；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通机床为主。然而，用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、精度低、成本高、供货期长等缺点，从而使产品在国际、国内市场上缺乏竞争力，这将直接影响一个企业的生产效益以及生存和发展。所以大力提高机床的数控化率已迫在眉睫，有很大的意义，而且普通机床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展。机床数控改造的意义： 1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。4）可以采用最新的控制技术。可以根据技术革新的发展速度及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改造为具有当今水平的机床。二、设计任务题目：普通车床C6132数字控制改造任务：将一台C6132卧式车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：（1）床身上最大加工直径320mm；（2）最大加工长度750mm；（3）X方向（横向）的脉冲当量x=0.005mm/脉冲,Z方向（纵向）z=0.01mm/脉冲；（4）X方向最快移动速度xmax=2500mm/min,Z方向为zmax=5000mm/min；（5）X方向最快工进速度v maxf=400mm/min,Z方向为v zmaxf=800mm/min;（6）已知要求：背吃刀量，进给量f=0.2mm/r（7）已知横向移动部件重G=500N,纵向移动部件重为G=1000N.（8）安装螺纹编码器，可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；（9）安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；（10）自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；（11）自动控制冷却泵的起/停；（12）安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；（13）纵、横向安装限位开关；三、总体方案的确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择以及进给传动方式和执行机构的选择等。（1）卧式车床数控系统化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。（2）卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。（3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS51系列的8为单片机作为数控系统的CPU。MCS51系列8为机具有功能多、速度快、 抗干扰能力强、性/价比搞等优点。（4）根据系统的功能要求，需要扩展成雪存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。（5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。（6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有削间隙机构。（7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。四、机械传动方案的分析与计算为了提高传动效率和产品的加工精度，纵、横向传动全部用滚珠丝杠。由于本次改造的是经济型数控机床，其结构简单、价格便宜，调试、维护方便，一般用于精度不高的经济型数控机床，并且本次改造的机床主要用于粗加工及半精加工。为降低改造成本，决定采用伺服半闭环控制方式对X轴（横向）和Z轴（纵向）进给系统进行改造。采用伺服电机经齿轮减速再传动给X轴和Z轴丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。1、纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是伺服电动机减速驱动丝杆，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。伺服电机的布置，可放在丝杆的任意一端，对车床的改造来说，外观不必象产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杆的右端。2、纵向进给系统的设计计算 已知条件：工作台重量W=800N，加速时间常数t=25ms，滚珠丝杠基本导程L=6mm，快速进给速度V=2m/min。切削力计算由机床设计手册可知，切削功率式中Pc=NKP-电机功率，由条件我们选 P=4 KW-主传动系统总效率，一般为0.750.85,取=0.8;K-进给系统功率系数，取为K=0.96则： Pc =40.80.96=3.072kW切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转距)和最大切削转速(或转速)来计算,即 Pc =10或 Pc=式中 F-主主切削力(N); -切削速度（m/min） T-切削转距(N.m) n-主轴转速(r/min)设按最大切削速度来计算，取=100m/min，则主切削力Fz=（N）=1843.2（N）从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时：Fx=(0.10.6)Fz Fz=(0.150.7)FzFx=0.5Fz=0.51843.2921.6NFy=0.6Fz=0.61843.2=1105.92N(2)滚珠丝杆设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归为滚珠丝杠副型号的选择。1）计算作用在丝杠上的最大动负荷 ：首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。式中 工作负载(N)指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杆上的轴向力; 运转系数，一般运转系数取1.21.5，有冲击的运转取1.52.5； 硬度系数，为60HRC时，为1；为1; G 寿命(以转为单位1，如1.5则为150万转)。寿命G可按下式计算： G=式中 n滚珠丝杠的转速(r/min); T使用寿命时间(h),数控机床T取15000h。 工作负载的数值可用机床设计手册中进给牵引力的实验公式计算，对于三角形或综合导轨 =k+(+W)式中 、切削分力； W移动部件的重力(800N)； k考虑颠覆力矩影响的系数，k=1.15； 导轨上的因数，=0.150.18，取=0.16。则 =1.15921.6+0.16(184302+800)N=1482.752N 当机床以线速度v=100m/min,进给两=0.3mm/r,车削直径D=80mm的外圆时，丝杠的转速 n=r/min则G=万转=17.91万转根工作负载、寿命G，取=12，=1，计算出滚珠丝杆副承受的最大动负荷 =1.211482.752N=4655.3N由F查滚珠丝杠的产品样本或机床设计手册,选择丝杠的型号.现在我们参照江苏天安机械有限公司的滚珠丝杠的产品样本,选择滚珠丝杠的直径为32mm，型号为CDM3206-2.5-P3，其额定动载荷是14022N，强度足够用。参数技术:2）效率计算：根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率为式中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为325 摩擦角，约等于。 则=0.9533)刚度验算：滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，将引起基本导程L的变化，因滚珠丝杠扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量L为 L= 式中 E弹性模量，对于钢，E=20.610N/c； S滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定d，若d=2.77cm），则S=6.03c。 其中，“+”用于拉伸时，“”用于压缩时。 则L=丝杠1m长度上导程变形总量误差为 =11.78因3级精度丝杠允许的螺距误差为15，故此丝杠的精度足够。（3）确定齿轮传动比 根据系统的脉冲当量，选步进电动机的步距角，则 取齿轮齿数,齿轮模数m=2m m,齿轮传动时效率（4）佩服电机的选择1）负载传动惯量估算 折算到伺服电机轴上的传动惯量可按下式估算 式中 -折算到电动机轴上的转动惯量（ 齿轮的转动惯量（） 齿轮的转动惯量（） 丝杠的转动惯量（） 估算参数。 对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算 式中 D圆柱零件的直径（cm） L-_零件轴向长度（cm）所以， 负载转动惯量 2）负载转矩计算及最大静转矩选择 根据能量守恒定律，电动机等效负载转矩 若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩 取安全系数为0.3，则 因为数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时应满足快速空载起动时所需转矩T的要求。 式中空载快速起动时所需的转矩（N;克服摩擦所需转矩（）;-丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩（）。当工作台快速移动时，电动机的转速 由动力学可知 T=J式中 -角加速度，计算公式为=。则 T= J=8.68710=1.516=0.0175T=0.406式中 F-预加载荷, 一般为最大轴向载荷的1/3,即F/3则T= T+ T=(1.516+0.0175+0.406) =1.9403)伺服电机的最高工作频率 Hz=55.56Hz根据计算综合考虑,查表选用Star系列130ST-M06025H型伺服电机。（5）横向进给系统的设计计算 已知条件：工作台重量W=300N，时间常数t=25ms,滚珠丝杠基本导程L=4mm（左旋），快速进给速度=1m/min。由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，故计算过程略。 选择滚珠丝杠型号CDM2004LH-2.5-P3;减速齿轮Z=18, Z=30;伺服电机型号为110ST-M0403H.结论本课题结合目前国内外数控车床进给系统的研究现状和发展方向，具体阐述了一种桌面型数控车床的设计开发过程。本文主要完成的工作如下：1、数控车床结构方案的确定。分析了数控车床的特点，确定了数控车床基本结构，并确定其基本尺寸。2、确定了数控车床技术指标及参数。对该数控车床的各向切削力进行了计算。3、选择了数控车床系统的控制系统。采用了东达电控的电控箱。4、数控车床本体结构设计。对数控车床各大功能组件进行详细的模块化设计，确定零件结构，绘制零件图和装配图，并利用三维软件对数控车床进行了三维建模与运动仿真。5、零件的刚度和寿命计算与校核。对各个已设计零件进行刚度和寿命计算，确保满足使用要求，使该数控车床有足够的可靠性。参考文献1 陈婵娟.数控车床设计M.化学工业出版社，2006：1-160.2 杜君文，邓广敏.数控技术M. 天津：天津大学出版社，2002：37-56.3 谢红.数控机床机器人机械系统设计指导M.上海：同济大学出版社，2004.8：50-84.4 蔡自兴.机器人学M.北京：清华大学出版社，2000：20-25.5 李佳.数控机床机应用M.北京：清华大学出版社，2001：70-88.6 张立勋.机电一体化系统设计M.高等教育出版社，2007：40-51.7 濮良贵.机械设计（第七版）M.北京：高等教育出版社，2004：34-46.8 徐灏主.新编机械设计师手册M.北京：机械工业出版社，1995：99-140.9 张立勋，董玉红.机电系统仿真与设计M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006：53-78.10 吴宗泽.机械结构设计M.北京：机械工业出版社，1987：97-112.11 白文庆.普通车床的数控改造J.机械产品与科技，2005，3（2）：92-102.12 张丽芳.普通车床的数控改造设计J.船电技术，2008，11：56-65.13 张建明.机电一体化系统设计M.北京：高等教育出版社，2001：77-94.14 张树森.机械制造工程学M.沈阳：东北大学出版社，2005：167-180.15 顾维邦.金属切削机床概论M.北京：机械工业出版社，2005：6-30.16 周开勤，康蓉城.机械设计师实用手册M.天津：天津科学技术出版社，1992：435-474.17 唐仲文.实用数控机床技术手册M.北京：北京出版社，1993：203-255.18 牛大年.机械原理M.北京：高等教育出版社，1994：167-200.19 吴道全.金属切削原理及刀具M.重庆：重庆大学出版社，2003：52-76.20 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，2000：20-89.21 杨黎明，黄凯，李恩至.机械零件设计手册M.北京：国防工业出版社，1999：63-98.22 刘小年，范冬英，胡竞湘.机械设计制图简明手册M.北京：机械工业出版社，2000：81-129.23 机械设计手册编委会.机械设计手册（第五版）.北京：机械工业出版社，2006：98-118.24 GB/T4346.1-2002，机床用手动自定心卡盘中华人民共和国国家标准S.北京：中国标准出版社，2002：24-26.25 赵健.如何选择数控车床N.机械工程师，2001.3：97-100.26 王爱玲.现代数控原理及控制系统M.北京：国防工业出版社，2002.1：169-182.27Graham T. Smith.CNC machining technologyM.London: Springer-Verlag， 1993：105-144.28Machine tool design handbookM.New Delhi : Tata McGraw-Hill Publishing Co. Ltd.，1982：114-136.致谢本文是在尊敬的导师XXX老师的悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度、渊博的学识、敏锐的思维、认真的学术作风和平易近人的生活作风，使我在学习中获益匪浅，对我以后的学习、工作和生活都有了很好的指引；赵老师在本课题的设计研究、理论分析及论文组织等许多方面所给了殷切地指导和莫大的帮助，这将使我受益终生。赵老师也对我毕业设计的许多细节方面给予了耐心的指导和帮助，这是不可或缺的，赵老师的随和，认真深深地印在我的心里。我在学习和毕业设计中的每一点进步，无不凝聚着导师的心血。值此论文完成之际，谨向老师致以崇高的敬意和诚挚的感谢！再次向所有帮助我的老师、同学和朋友致以衷心的感谢！ 22外文资料翻译机床数控改造一、数控系统发展简史及趋势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。1.1、数控（NC）阶段（19521970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（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，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。1.2、计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）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（CNC）阶段（把计算机前面应有的通用两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-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（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。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，PC机（个人计算机，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PC的阶段。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；1974年的第五代-微处理器和1990年的第六代-基于PC（国外称为PC-BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。1.3、数控未来发展的趋势1.3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、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PC机作为它的前端机，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。PC机所具有的友好的人机界面，将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。1.3.2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。1.3.3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。（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。二、机床数控化改造的必要性2.1、微观看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。2.1.1 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。2.1.2 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37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。2.1.3 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。2.1.4 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。2.1.5 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。2.1.6 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FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（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。2.2、宏观看改造的必要性从宏观上看，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、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。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1.9，而日本在1994年已达20.8，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。三、机床与生产线数控化改造的市场3.1、机床数控化改造的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。3.2、进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。四、数控化改造的内容及优缺4.1、国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。4.2、数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。4.3、数控化改造的优缺4.3.1减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。4.3.2机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。4.3.3熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。4.3.4可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。4.3.5可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。五、数控系统的选择数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。5.1、步进电机拖动的开环系统该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。5.2、异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。5.3、交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。六、数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。6.1、滑动导轨副对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。6.2、齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。6.3、滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。6.4、安全防护效率必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。七、机床数控改造主要步骤7.1、改造方案的确定改造的可行性分析通过以后，就可以针对某台或某几台机床的现况确定改造方案，一般包括：7.1.1 机械修理与电气改造相结合一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。7.1.2 先易后难、先局部后全局原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。切忌大手大脚，乱扔乱放。7.2 合理安排新系统位置及布线根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。7.3 调试调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。7.4、验收及后期工作验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行。改造的后期工作也很重要，它有利于项目技术水平的提高和使设备尽早投产。验收及后期工作包括：7.4.1 机床机械性能验收经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项机械性能应达到要求，几何精度应在规定的范围内
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