普通車床數(shù)控化改造畢業(yè)設(shè)計論文.pdf

畢業(yè)設(shè)計(論文)普通車床數(shù)控化改造所在學(xué)院專業(yè)班級姓名學(xué)號指導(dǎo)老師I I畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書題目 ： 普 通車 床數(shù)控 化改 造學(xué)生姓名：專業(yè)名稱：機電一體化技術(shù)指導(dǎo)教師： 胡世軍 副教授年年年年月月月月日日日日I I I蘭 州 理 工 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書一 畢業(yè)設(shè)計題目 ：普通車床數(shù)控化改造主要設(shè)計參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)1 、 X 軸 ( 橫向 ) 、 Z 軸 ( 縱向 ) 改為微機控制 ， 采用步進電機或直流伺服電機驅(qū)動 ，滾珠絲杠傳動。X 軸 ( 橫向 ) 脈沖當(dāng)量： 0.005m m / 脈沖Z 軸 ( 縱向 ) 脈沖當(dāng)量： 0.010m m / 脈沖2 、 實現(xiàn)功能：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工3 、 操作要求：起動、點動、單步運行、自動循環(huán)、暫停、停止二 畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容及工作量（一） 設(shè)計計算說明書 一份 0.81.0萬字1 、數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展、數(shù)控技術(shù)在機械工業(yè)中的進展、數(shù)控改造的必要性、數(shù)控改造的優(yōu)點、數(shù)控改造的設(shè)計步驟、數(shù)控改造方案確定、機械部分改造設(shè)計與計算、電機的計算與選擇、數(shù)控系統(tǒng)的選擇、參考文獻（二 ） 、圖紙部分1 、 普通車床數(shù)控化改造總體方案圖 A0 一張2 、 縱向進給（ Z 軸）機械改造裝配圖 A0 一張3 、 橫向進給（ X 軸）機械改造裝配圖 A0 一張四 畢業(yè)設(shè)計的基本要求：能按時 獨立 完成畢業(yè)設(shè)計規(guī)定的全部內(nèi)容 ， 方案選擇正確 ， 論據(jù)充分 ， 對設(shè)計中的主要問題分析深入 ， 解決合理 ， 有獨立見解 ， 能很好運用所學(xué)理論和提供的資料解決設(shè)計中的問題 ， 能獨立查閱和正確引用中外文參考資料 ， 說明書文字通順 、清楚、選用數(shù)據(jù)論證合理、計算準(zhǔn)確，圖面整潔。I V五、 進程安排序號 主 要 任 務(wù) 備注1 查閱文獻、調(diào)研、收集資料2 總體方案圖3 縱向進給機械改造裝配圖4 橫向進給機械改造裝配圖5 編寫設(shè)計計算說明書6 準(zhǔn)備答辯六、 主要參考文獻：經(jīng)濟性數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 張新義主編 機械工業(yè)出版社數(shù)控機床設(shè)計 陳嬋娟 化學(xué)工業(yè)出版社機械設(shè)計手冊 機械工業(yè)出版社或化學(xué)工業(yè)出版社機床設(shè)計圖冊 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社V摘要隨著當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對精密程度的要求越來越高 ， 加工設(shè)備的機械加工設(shè)備的加工的精密程度也要求越來越高 。 而在中國的機械加工設(shè)備的車床中普通車床占了很大比例 。 這已經(jīng)越來越制約著當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展 。 而數(shù)控機床由于價格昂貴 ， 且需要較高技術(shù)的加工工人 。 所以對機床進行自動化改造很是必要 。 本篇論文是在對普通臥式車床的基礎(chǔ)上對其進行自動化改造。作者在搜索 、 查閱研究大量有關(guān)資料的基礎(chǔ)上 ， 對機床自動化改造技術(shù)進行了深入的研究和分析 ， 并描述了機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 。 整個改造過程主要對車床縱 、 橫向進給系統(tǒng)進行改造 ， 選用自動轉(zhuǎn)位刀架 ， 由脈沖發(fā)生器來加工所需要的螺紋 。 整個控制系統(tǒng)以 8031型號的單 片機為中心，通 過編程對機床的驅(qū) 動設(shè)備進行控制 以達到所需要的加工程度。關(guān)鍵詞：機床改造 ， 自動化機床 ， 控制系統(tǒng)V IA b s t r a c tWi t h t he dev e l o pm e nt of i ndust r y e qui p m e nt , t he pre c i s i on r e quir e d of i ndust r ye quipm e nt i s m ore a nd m ore h i g h . T he m ore a nd m ore pre c i s i o n of e quipm e nt w hic hm a c hine d t he i ndust r y e quipm e nt i s r e quir e d . B ut i n C h i na t he c om m on l a t he have a ver ygre a t c om par i s on i n t he m a c hine d e qui p m e nt , t his a l r e a dy r e s t r i c t t he dev e l o pm e nt ofi ndust r i a l nowa days . B ut t he C N l a t he i s m ore e xpensi ve , a n d n e e ded w orker s w i t h h i ghert e c hnic a l l y . S o i t i s a n e c e s s i t y v e r y m uch t o m odif y t he c om m on l a t he t o l a t he s a utom a t i c .T his paper i s i n t he f oundat i o n of t he c om m onnes s hori z onta l l a t he r a nd m odif i e d i t t oL a t hes a utom a t i c .T he a uthor has per f orm e d t h e f urt her r e s e a r c h a nd f or t he l a t he s a utom a t i c m odif i c a t i o non t he bas i s of t he c ons t a nt c onsult a t i o n of a bundant r e l a t i ve docum e nt s , w hic h f ocuse s o ndes c r i b i ng t he des i gn of c ontr ol of t h e m a c hine . T he m a i n t o m odif y t he l a t he i s t o m odif y t heport r a i t , hori z onta l e nte r t o t he s yst e m i n t he Wh ole m odif i c a t i on proce s s a nd c hoose t hea utom a t i c kni f e r e s t a n d be proce s s e d t he t hre a d n e e d by puls e r . T he w hole c ontr ol s y s t e mw i t h t he C P U of 8031i s t o c ontr ol t h e m a c hine f or c e n t e r , t hrougha pla i t dis t a nce dri ve t oolm a c hine a n e qui p m e nt s t o c a r r y o n c ont r ol t o a t t a i n nee d of proce s s deg r e e .K e yK K K Wor d s : Ma c hiner y T ool R e f o r m , L a t hes a u t om a t i c , S e r v o s yst e m（V I I目錄摘要.VA bst r a c t .V I目錄.V I I第1章緒論.11.1 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 .11.1.1數(shù)控機床與發(fā)展趨勢 .11.1.2數(shù)控技術(shù) .21.1.3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 .41.1.4數(shù)控技術(shù)在機械工業(yè)中的進展 .61.2 數(shù)控改造的必要性 .71.2.1機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 .71.2.2機床數(shù)控化改造的必要性 .81.3 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點 .91.4 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 .101.4.1形勢考慮 .101.5.2發(fā)展策略 .111.5 本文的選題及主要研究內(nèi)容 .111.5.1本文的選題 .111.5.2主要研究內(nèi)容 .12第2章普通車床數(shù)控改造的設(shè)計步驟.132.1 車床的數(shù)控改造概述 .132.1.1數(shù)控機床工作原理及組成 .132.1.2設(shè)計內(nèi)容及任務(wù) .132.1.3 數(shù)控部分的設(shè)計改造 .142.1.4機械改造部分的設(shè)計 .152.2 可行性論證 .15VI I I第3章數(shù)控改造方案確定.163.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 .163.2 計算機系統(tǒng) .163.3 機械傳動方式 .163.4 運動方式的確定 .163.5 系統(tǒng)的選擇 .163.6 機構(gòu)傳動方式的確定 .163.7 微機的選擇 .173.8 總體方案框圖 .17第4章機械部分改造設(shè)計與計算(含電機計算與選擇) .184.1 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核實例 .184.1.1 計算切削力 .184.1.2 桿螺母副的設(shè)計、計算與選型 .184.1.3 齒輪傳動比計算 .224.1.4 橫向步進電機的計算，校核和選型 .225.2 縱向進給伺服系機械部分計算與校核 .285.2.1 計算切削力 .285.2.2 絲桿螺母副的計算和造型 .295.2.3 齒輪傳動比計算 .325.2.4 步進電機的計算和選型 .33第5章數(shù)控系統(tǒng)的選擇.385.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 .385.2 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計 .40總結(jié)與展望.43參考文獻.44致謝.451第1章緒論1 . 1數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展1 . 1 . 1數(shù)控機床與發(fā)展趨勢（ 1 ）數(shù)控機床： 1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具 。 它與人類在農(nóng)業(yè) 、 工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6 年后 ， 即在 1952年 ， 計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上 ， 在美國誕生了第一臺數(shù)控機床 。從此 ， 傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化 。 近半個世紀(jì)以來 ， 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 數(shù)控（ N C）階段（ 1952 1970年）早期計算機的運算速度低 ， 對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大 ， 但不能適應(yīng)機床實時控制的要求 。 人們不得不采用數(shù)字邏輯電路 搭 成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)， 被稱為硬件連接 數(shù)控（ H A R D - WI R E D N C） ，簡稱為 數(shù)控（ N C） 。隨著元 器件的發(fā)展 ， 這個階段歷經(jīng)了三代 ， 即 1952年的第一代 - - 電子管 ； 1959年的第二代 - - 晶體管 ；1965年的第三代 - - 小規(guī)模集成電路。 計算機數(shù)控（ C N C）階段（ 1970年現(xiàn)在）到 1970年，通用 小型計算機業(yè)已出 現(xiàn)并成批生產(chǎn)。 于是將它移植過來 作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件 ， 從此進入了計算機數(shù)控 （ C N C） 階段 （ 把計算機前面應(yīng)有的 通用 兩個字省略 了 ） 。到 1971年，美 國 I N T E L 公司在 世界上第一 次將計算機 的兩個最核 心的部件 - - 運 算器和 控制 器， 采用 大規(guī) 模集 成電 路技術(shù) 集成 在一 塊芯 片上 ，稱 之為 微處理 器（ MI C R O P R O C E S S O R） ，又可稱為中央處理單元（簡稱 C P U） 。到 1974年微處理 器被應(yīng)用于數(shù)控系 統(tǒng)。這是因為小 型計算機功能太強 ，控制一臺機床能力有富裕 （故當(dāng)時曾用于控制多臺機床，稱 之為群控 ） ，不如采用微處 理器經(jīng)濟合理。而且當(dāng)時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高 ， 但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決 。 由于微處理器是通用計算機的核心部件 ， 故仍稱為計算2機數(shù)控。到了 1990年 ， P C 機 （ 個人計算機 ， 國內(nèi)習(xí)慣稱微機 ） 的性能已發(fā)展到很高的階段 ，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于 P C 的階段?？傊?，計 算機數(shù)控階段也 經(jīng)歷了三代。即 1970年的第四 代 - - 小型計算 機； 1974年的第五代 - - 微處理器和 1990年的第六代 - - 基于 P C（國外稱為 P C - B A S E D ） 。還要指 出的是，雖 然國外早已 改稱為計算 機數(shù)控（即 C N C）了， 而我國仍習(xí) 慣稱數(shù)控（ N C） 。所以我們?nèi)粘Ｖv的 數(shù)控 ，實質(zhì)上已是指 計算機數(shù)控 了。1 . 1 . 2數(shù)控技術(shù)隨著計算機、微電子、信息、自動控制、精密檢測及機械制造技術(shù)的高速發(fā)展 ， 機床數(shù)控技術(shù)有了長足的進步。近幾年一些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如刀具及新材料的發(fā)展 ， 主軸伺服和進給伺服 、 超高速切削等技術(shù)的發(fā)展 ， 以及對機械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高等 ，加速了數(shù)控機床的發(fā)展 。 目前數(shù)控機床正朝著高速度 、 高精度 、 高工序集中度 、 高復(fù)合化和高可靠性等方向發(fā)展。世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面 。 高速高效高精度高生產(chǎn)率。由于數(shù)控裝置及伺服系統(tǒng)功能的改進，主軸轉(zhuǎn)速和進給速度大大提高 ，減少了切削時間和非切削時間 。 加工中心的進給速度已達到 80m/ m i n 120m/ m i n ， 進給加速度達 9.8m/ s 2 19.6m/ s 2 ， 換刀時間小于 1s。 高加工精度 。 以前汽車零件精度的數(shù)量級通常為 10 m ， 對精密零件要求為 1 m ， 隨著精密產(chǎn)品的出現(xiàn) ， 對精度要求提高到 0.1 m ， 有些零件甚至已達到 0.01 m ， 高精密零件要求提高機床加工精度 ， 包括采用溫度補償?shù)?。 微機電加工 ， 其加工零件尺寸大小一般在 1m m 以下 ， 表面粗糙度為納米數(shù)量級，要求數(shù)控系統(tǒng)能直接控制納米機床。 柔性化柔性化包括兩個方面的柔性 ： 一是數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性 ， 數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計 ，功能覆蓋 面大，便于不同用 戶的需求；二是 D N C 系統(tǒng)的柔 性，同一 D N C 系統(tǒng)能夠 依據(jù)不 同生產(chǎn) 流程的 要求， 使物料 流和信 息流自 動進行 動態(tài)調(diào) 整，從 而最大 限度地 發(fā) 揮D N C 系統(tǒng)的效能。 工藝復(fù)合化和多軸化3數(shù)控機床的工藝復(fù)合化 ， 是指工件在一臺機床上裝夾后 ， 通過自動換刀 、 旋轉(zhuǎn)主軸頭或旋轉(zhuǎn)工作臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。已經(jīng)出現(xiàn)了集鉆、鏜 、銑功能于一身的數(shù)控機床 ， 可完成鉆 、 鏜 、 銑 、 擴孔 、 鉸孔 、 攻螺紋等多工序的復(fù)合數(shù)控加工中心 ， 以及車削加工中心 ， 鉆削 、 磨削加工中心 ， 電火花加工中心等 。 此外數(shù)控技術(shù)的進步也提供了多軸控制和多軸聯(lián)動控制功能。 實時智能化早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境 ， 其作用是如何調(diào)度任務(wù) ， 以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成 。 而人工智能 ， 則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為 。 科學(xué)發(fā)展到今天 ， 實時系統(tǒng)與人工智能已實現(xiàn)相互結(jié)合 ， 人工智能正向著具有實時響應(yīng)的更加復(fù)雜的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域 ， 實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展 ， 如自適應(yīng)控制 、 模糊控制 、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如，在數(shù)控系統(tǒng)中配置編程專家系統(tǒng) 、故障診斷專家系統(tǒng) 、 參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) ； 在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能 、 動態(tài)前饋功能 ； 在壓力 、 溫度 、 位置 、速度控制等方面采用模糊控制 ， 使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高 ， 從而達到最佳控制的目的。 結(jié)構(gòu)新型化20 世紀(jì) 90 年代一種完全不同于原來數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的新型數(shù)控機床被開發(fā)成功 。 這種新型數(shù) 控機床被稱為 “ 6 條腿 ” 的加工中 心或稱虛擬軸機床 ( 有的還稱 為并聯(lián)機床 ) ，它能在沒 有任何導(dǎo)軌和滑臺 的情況下，采用 能夠伸縮的 “ 6 條腿 ” ( 伺服軸 ) 支撐并聯(lián) ，并與安裝主軸頭的上平臺和安裝工件的下平臺相連 。 它可實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動加工 ， 其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 加工精度 、 加工效率較普通加工中心高 2 10 倍 。 這種數(shù)控機床的出現(xiàn)將給數(shù)控機床技術(shù)帶來重大變革和創(chuàng)新。 編程技術(shù)自動化隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅速發(fā)展 ， 設(shè)備類型的增多 ， 零件品種的增加以及零件形狀的日益復(fù)雜 ， 迫切需要速度快 、 精度高的編程 ， 以便于對加工過程的直觀檢查 。 為彌補手工編程和 N C 語言編程的不足 ， 近年來開發(fā)出多種自動編程系統(tǒng) ， 如圖形交互式編程系統(tǒng) 、 數(shù)字化自動編程系統(tǒng) 、 會話式自動編程系統(tǒng) 、 語音數(shù)控編程系統(tǒng)等 ， 其中圖形交互4式編程系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。圖形交互式編程系統(tǒng)是以計算機輔助設(shè)計 ( C A D ) 軟件為基礎(chǔ) ， 首先形成零件的圖形文件 ， 然后再調(diào)用數(shù)控編程模塊 ， 自動編制加工程序 ， 同時可動態(tài)顯示刀具的加工軌跡 。 其特點是速度快 、 精度高 、 直觀性好 、 使用簡便 ， 已成為國內(nèi)外先 進的 C A D / C A M 軟件所采 用的數(shù)控編程方 法。目前常用的圖 形交互式軟件 有Ma s t e r C A M、 C i m a t r on 、 P r o/E 、 U G、 C A X A 、 S oli d Works、 C AT I A 等。 集成化數(shù)控系統(tǒng)采用高度集成化芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟、硬件運行速度 ， 應(yīng)用平板顯 示技術(shù)可提高顯示 器性能。平板顯 示器 ( F P D ) 具有科技 含量高、質(zhì)量小、 體積小、功耗低、便于 攜帶等優(yōu)點，可實現(xiàn)超大規(guī)模顯示 ，成為與 C R T 顯示器抗衡的新興顯示器，是 21 世紀(jì)顯示器主流。它應(yīng)用先進封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融于一體 , 通過提高集成電路密度，減小互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價格、改進性能 、減小組件尺寸、提高系統(tǒng)的可靠性。 開放式閉環(huán)控制模式采用通用計算機組成的總線式 、 模塊化 、 開放 、 嵌入式體系結(jié)構(gòu) ， 便于裁減 、 擴展和升級 ， 可組成不同檔次 、 不同類型 、 不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng) 。 閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型封閉式開環(huán)控制模式提出的 。 由于制造過程是一個有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程 ， 包括諸如加工尺寸 、 形狀 、 振動 、 噪聲 、 溫度和熱變形等各種變化因素 ， 因此 ， 要實現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化 ， 必須采用多變量的閉環(huán)控制 ， 在實時加工過程中動態(tài)調(diào)整加工過程變量 。 在加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式 ， 易于將計算機實時智能技術(shù) 、 多媒體技術(shù) 、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 、 C A D / C A M、伺服控制 、 自適應(yīng)控制 、 動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償 、 動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體 ，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。1 . 1 . 3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢（ 1 ）數(shù)控技 術(shù) 裝備工業(yè) 的技術(shù)水平和現(xiàn)代 化程度決定著整 個國民經(jīng)濟的水平 和現(xiàn)代化程度 ， 數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè) ( 如信息 技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 、生物技 術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 、航空、航 天等國防工 業(yè)產(chǎn)業(yè) ) 的使能 技術(shù)和 最基本的裝 備。馬克思曾經(jīng)說過 “ 各種經(jīng)濟時代的區(qū)別 ， 不在于生產(chǎn)什么 ， 而在于怎樣生產(chǎn) ， 用什么勞動資料5生產(chǎn) ” 。制造技術(shù)和裝 備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生 產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù) 。 當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù) ， 以提高制造能力和水平 ， 提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力 。 此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資 ， 不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) ， 而且在 “ 高精尖 ” 數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策 。總之 ，大力 發(fā)展以 數(shù)控技 術(shù)為核 心的先 進制造 技術(shù)已 成為世 界各發(fā) 達國家 加速經(jīng) 濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù) ， 數(shù) 控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品 ， 即所謂的數(shù)字化裝備 ， 其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域 : ( 1)機械制造技術(shù) ; ( 2)信息處理 、 加工 、 傳輸技術(shù) ; ( 3)自動控制技 術(shù) ; ( 4) 伺服驅(qū)動技術(shù) : ( 5)傳感器技術(shù) : ( 6)軟件技術(shù)等。（ 2 ） 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ， 使制造業(yè)成 為工業(yè)化的象征 ， 而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大 ， 他對國計民生的一些重要行業(yè) ( I T 、汽車、 輕工、醫(yī)療 等 ) 的發(fā)展 起著越來越 重要的 作用，因為 這些行業(yè)所 需裝備的數(shù) 字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢 。 從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ， 其主要研究熱點有以下幾個方面。 高速、高精加工技術(shù)是裝備的新趨勢效率 、 質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體 。 高速 、 高精加工技術(shù)可極大地提 高效率 ， 提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ， 縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力 。 為此日本先端技術(shù)研究會將其列為 5 大現(xiàn)代制 造技術(shù)之一，國 際生產(chǎn)工程學(xué) 會 ( C I R P ) 將其確定 21 世紀(jì)的中 心研究方向之一。在轎車工業(yè)領(lǐng)域 ， 年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒 / 輛 ， 而且多品種 加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一 ; 在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加 工的零部件多為薄壁和薄筋 ， 剛度很差 ， 材料為鋁或鋁合金 ， 只有在高切削速度和切削力很小的情況下 ， 才能對這些筋 、壁進行加工 。 近來采用大型整體鋁合金坯料 “ 掏空 ” 的方法來制造機翼 、 機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘 、 螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝 ， 使構(gòu)件的強度 、 剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。6目前 高速加 工中心 進給速 度可達 80m/ m i n ，甚 至更高 ，空運 行速度 可 達 100m/ m i n左右 。 目前世界上許多汽車廠 ， 包括我國的上海通用汽車公 司 ， 己經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床 。 美國 C I N C I N N AT 工公司的 H yper M a c h 機床進給速度最 大達 60m/ m i n ，快 速為 100m/ m i n ，加 速度達 2g，主 軸轉(zhuǎn)速已 達 60000r/ m i n 。加 工一薄壁飛機零 件 ， 只用 30mi n ， 而同樣的零件在一般高速銑床加工需 3 h ， 在普通銑床加工需 8h;德國 D MG 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達 12000r/ m m在加工精度方面 ， 近 10 年來 ， 普通級數(shù)控機床的加工精度已由 l 0um 提高到 5 m ，精密級加工中心則從 35um ，提高到 1 一 1.5m ，并且超 精密加工精度已開始進入納米級 。在可 靠性 方面， 國外 數(shù)控裝 置的 MT B F 值己 達 6 O O O h 以上 ，伺 服系統(tǒng) 的 MT B F值達到 30000h以上，表 現(xiàn)出非常高的可靠 性。 為了實現(xiàn) 高速、高精加工， 與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ， 智能化的內(nèi)容包括 在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面 : 為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ， 如 加工過程的自適應(yīng)控制 ， 工藝參數(shù)自動生成 ; 為提高驅(qū)動性能及使用連接 方便的智能化 ， 如前饋控制 、 電機參數(shù)的自適應(yīng)運算 、 自動識別負(fù)載自動選定模型 、 自整定等 ; 簡化編程 、 簡化操作方面的智能化 ， 如智能化的自 動編程 、 智能化的人機界面等 ; 還有智能診斷 、 智能監(jiān)控方面的內(nèi)容 、 方 便系統(tǒng)的診斷及維修等。 數(shù)控設(shè)備更注重安全性、操作性數(shù)控設(shè)備是集機電一體化的產(chǎn)品 ， 由于其自動化程度高 ， 所以對其安 全性和可操作性有了更高的要求。1 . 1 . 4數(shù)控技術(shù)在機械工業(yè)中的進展近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。2001年國內(nèi) 數(shù)控金切機 床產(chǎn)量已達 1. 8 萬臺， 比上年增長 28. 5%，機床 行業(yè)產(chǎn)值7數(shù)控化率從 2000年的 17. 4%提高到 2001年的 22. 7%。2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值己進入世界第 5 名，機床消費額在世界排名上升到第 3 位，達 47. 39 億美元，僅次于美國的 53. 67 億美元，消費額比上一年增長 25%。 但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求 ， 使我國 機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢 ， 2001年進口機床躍升至世界第 2 位 ， 達 24. 06 億美元 ， 比上年增長 27 。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床 、 數(shù)控磨床 、 數(shù) 控特種加工機床 、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床 、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。1 . 2數(shù)控改造的必要性1 . 2 . 1機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場（ 1 ） 機床數(shù)控化改造的市場我國目前機床總量 380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不 到 3 。近 10 年來，我 國數(shù)控機床年產(chǎn)量 約為 0.6 0.8 萬臺，年 產(chǎn)值約為 1 8億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6 。我國機床役齡 10 年以上的占 60以上； 10 年以下的機床中 ， 自動 / 半自動機床不到 20 ， F MC / F MS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù) （ 美國和日本自動和半自動機床占 60以上 ） ?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是 傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡 在 10 年以上的舊機床 。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際 、國內(nèi)市場上缺乏競爭力 ， 直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品 、 市場 、 效益 ， 影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。（ 2 ） 進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造 。 據(jù)不完全統(tǒng)計 ， 從 1979 1988 年 1 0 年間 ， 全國引進技術(shù)改造項目就 有 18446 項 ， 大 約 165.8億美元。這些項目中 ， 大部分項目為我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用 。 但是有的引進項目由于種種原因 ， 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn) ， 甚至癱瘓 ， 使企業(yè)的效益受到影響 ， 嚴(yán)重8的使企業(yè)陷入困境 。 一些設(shè)備 、 生產(chǎn)線從國外引進以后 ， 有的消化吸收不好 ， 備件不全 ，維護不當(dāng)，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進時只注意引進設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件 、 工藝 、 管理等 ， 造成項目不完整 ， 設(shè)備潛力不能發(fā)揮 ； 有的甚至不能啟動運行 ， 沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用 ； 有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好 ， 但是因為設(shè)備故障不能達產(chǎn)達標(biāo) ； 有的因為能耗高 、 產(chǎn)品合格率低而造成虧損 ； 有的已引進較長時間 ， 需要進行技術(shù)更新 。 種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能 使用的設(shè)備、生產(chǎn) 線是個包袱，也 是一批很大的存量 資產(chǎn)，修好了就 是財富 。 只要找出主要的技術(shù)難點 ， 解決關(guān)鍵技術(shù)問題 ， 就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。1 . 2 . 2機床數(shù)控化改造的必要性（ 1 ） 微觀看改造的必要性從微觀上看 ， 數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性 ， 而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算機有高超的運算能力 ， 可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面?？梢詫崿F(xiàn)加工的自動化 ， 而且是柔性自動化 ， 從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 7 倍 。由于計算機有記憶和存儲能力 ， 可以將輸入的程序記住和存儲下來 ， 然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行 ， 從而實現(xiàn)自動化 。 數(shù)控機床只要更換一個程序 ， 就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了 柔性自動化 。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要 修配 ?？蓪崿F(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。擁有自動報警 、 自動監(jiān)控 、 自動補償?shù)榷喾N自律功能 ， 因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。由以上五條派生的好處。如：降低 了工人的勞動強度 ，節(jié)省了勞動力 （一個人可以看管 多臺機床 ） ，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。9以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的 ， 是一個極為重大的突破 。 此外 ， 機床數(shù)控化還是推行 F MC（柔性制造單元 ） 、 F MS （柔性制造系統(tǒng) ）以及 C I MS （計算機集成制 造系統(tǒng) ） 等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ) 。 數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù) 。（ 2 ） 宏觀看改造的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、 80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè) ） 進行技術(shù) 改造。除在 制造過程中 采用數(shù)控機 床、 F MC、 F MS 外，還 包括在產(chǎn)品 開發(fā)中推行 C A D、 C A E 、 C A M、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MI S （管理信息系統(tǒng) ） 、 C I M S等等 。 以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù) ， 包括人工智能等的含量 。 由于采用信息技術(shù)對國外軍、民 機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信 息化 ） ，最終使得他們 的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強 。 而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約 落 后 20 年 。 如 我國 機 床 擁 有 量 中 ，數(shù) 控 機 床 的 比 重（ 數(shù) 控 化 率 ） 到 1995年 只 有1.9，而日本在 1994年已達 20.8，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。1 . 3數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點（ 1 ） 國外改造業(yè)的興起在美國 、 日本和德國等發(fā)達國家 ， 它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè) ， 生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個 永恒 的課題 。 我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本 、 德國 ， 用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場 ， 已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè) 。 在美國 ， 機床改造業(yè)稱為機床再生 （ R e m a nufa c t uri ng ） 業(yè) 。 從事再生業(yè)的著名公司有 ： B e r t s c he 工程公司 、 a y t on 機床公司 、 D e vli e g- B ull a vd（ 得寶 ） 服務(wù)集團 、 U S設(shè) 備 公司 等 。 美 國得 寶 公 司 已在 中 國 開 辦公 司 。 在 日本 ， 機 床 改造 業(yè) 稱 為 機床 改 裝（ R e t r ofi t t i ng）業(yè)。從事改裝業(yè) 的著名公司有：大隈工程集團、崗 三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。（ 2 ） 數(shù)控化改造的內(nèi)容機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：10其一是恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)；其二是 N C 化 ， 在普通機床上加數(shù)顯裝置 ， 或加數(shù)控系統(tǒng) ， 改造成 N C 機床 、 C N C機床；其三是翻新 ， 為提高精度 、 效率和自動化程度 ， 對機械 、 電氣部分進行翻新 ， 對機械部分重新裝配加工 ， 恢復(fù)原精度 ； 對其不滿足生產(chǎn)要求的 C N C 系統(tǒng)以最新 C N C 進行更新；其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù) ，