【正文】 ... 45 第六章 總結(jié)與展望 ........................................................................................................... 45 總結(jié) ....................................................................................................................... 45 展望 ....................................................................................................................... 46 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 48 致謝 ........................................................................................................................................ 60 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 1 章 緒論 數(shù)控技術(shù) 的產(chǎn)生、 發(fā)展 和作用 數(shù)控機(jī)床是一種綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)和機(jī)床設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品， 是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它很好地解決了形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高、小批量及多變零件的加工問題且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅度提高生產(chǎn)效率。機(jī)床控制也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域，因此，數(shù)控機(jī)床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和方向。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床能夠自動(dòng)換刀、自動(dòng)變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線的加工，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，因而應(yīng)用日益廣泛。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，它的性能日臻完善，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。同時(shí)，為了滿 足市場(chǎng)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，為了達(dá)到現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)數(shù)控技術(shù)提出的更高要求，當(dāng)前，世界數(shù)控技術(shù)及其裝備正朝著下述幾個(gè)方向發(fā)展。 高速、高效、高精度、高可靠性 要提高加工效率，首先必須提高切削和進(jìn)給速度，同時(shí)，還要縮短加工時(shí)間；要確保加工質(zhì)量，必須提高機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)軌跡的精度，而可靠性則是上述目標(biāo)的基本保證。為此，必須要有高性能的數(shù)控裝置作保證。 （ 1）高速、高效 機(jī)床向高速化方向發(fā)展，可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對(duì) 制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。 (2)高精度 精密化是為了適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，也是為了提高普通機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性，減少其裝配時(shí)的工作量從而提高裝配率的需要。隨著高新技術(shù)的發(fā)展和對(duì)機(jī)電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機(jī)床用戶對(duì)機(jī)床加工精度的要求也越來越高。當(dāng)前，精密加工精度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，超精密加工精度進(jìn)入納米級(jí) (? m)，主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)到 ~? m，加工圓度為 ? m，加工表面粗糙度 Ra 值 等。為了滿足用戶的需要，近 10 多年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度己由士 10? m 提高到 177。5 ? m，精密級(jí)加工中 心的加工精度則從 177。3~5? m提高到 177。1~ ? m。 (3)高可靠性 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 高可靠性是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性一個(gè)數(shù) 量級(jí)以上。對(duì)于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在 16 小時(shí)內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率 P(t)=99%以上的話，則數(shù)控機(jī)床的平均無故障工作時(shí)間 (MTBF)就必須大于 3000 小時(shí)。 MTBF 大于 3000 小時(shí)，對(duì)于由不同數(shù)量的數(shù)控機(jī)床構(gòu)成的無人化工廠差別就大多了，若只對(duì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，如果主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的時(shí)效率之比為 10： 1 的話 (數(shù)控系統(tǒng)的可靠性比主機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí) )，則此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的 MTBF 就要大于 小時(shí)，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動(dòng)等的 MTBF 就必須大于 10 萬小時(shí)。當(dāng)前國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障工作時(shí)間 (MTBF)在 (7~10)? 104 小時(shí)以上，整機(jī)平均無故障工作時(shí)間達(dá) 800 小時(shí)以上。 模塊化、智能化、柔性化和集成化 (1)模塊化、專門化與個(gè)性化 為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床多品種、小批量的特點(diǎn)，機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化，機(jī)床性能價(jià)格比顯著提高并加快優(yōu)化。個(gè)性化是近幾年來數(shù)控機(jī)床特別明顯的發(fā)展趨勢(shì)。 (2)智能化 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面，分別如下： ① 為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成； ② 為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方 便方面的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等； ③ 在簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程，智能化的機(jī)界面等； ④ 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。 (3)柔性化和集成化 數(shù)控機(jī)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是：從點(diǎn) (數(shù)控單機(jī)、加工中心和控復(fù)合加工機(jī)床 )、線 (FMC、 FMS、 FTL、 FML)向面 (工段車間獨(dú)立制造島、 FA)、體 (CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng) )的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng) 態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)；注重加強(qiáng)單元 技術(shù)的開拓、完善； CNC 單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數(shù)機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與 CAD、 CAM、 CAPP、 MTS 聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。 開放式體系結(jié)構(gòu) 由于數(shù)控技術(shù)中大量采用計(jì)算機(jī)新技術(shù)，新一代的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)向開放式系統(tǒng)方向發(fā)展。國(guó)際上的主要數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)國(guó)及其廠家 都瞄準(zhǔn)通用個(gè)人計(jì)算機(jī)所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，自 80 年代末以來競(jìng)相開本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 發(fā)基于 PC 的 CNC，開展了針對(duì)開放式 CNC 的前、后臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的研究，基于 PC 的開放式 CNC 大致可分為四類： PC 連接型 CNC、 PC 內(nèi)裝型 NC、 NC 內(nèi)裝型 PC 和純軟件 NC。典型產(chǎn)品有 FANUC150/160/180/2 A2100、 OA500、 Advantage CNC System、華中 I型等。 出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備 (1)為適應(yīng)制造自動(dòng)化的發(fā)展，向 FMC、 FMS 和 CIMS 提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)字控制 制造系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還要具備自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)上下料、自動(dòng)換刀、自動(dòng)更換主軸頭 (有時(shí)帶坐標(biāo)變換 )、自動(dòng)誤差補(bǔ)償、自動(dòng)診斷、進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)等功能，廣泛地應(yīng)用機(jī)器人和物流系統(tǒng)； (2)圍繞數(shù)控技術(shù)、制造過程技術(shù)在快速成型、并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床、機(jī)器人化機(jī)床、多功能機(jī)床等整機(jī)方面和高速電主軸、直線電機(jī)、軟件補(bǔ)償精度等單元技術(shù)方面先后有所突破。并聯(lián)體系結(jié)構(gòu)的新型數(shù)控機(jī)床實(shí)用化。這種虛擬軸數(shù)控機(jī)床用軟件的復(fù)雜性代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)床機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，開拓了數(shù)控機(jī)床發(fā)展的新領(lǐng)域； (3)以計(jì)算機(jī)輔助管理和工程數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng)等為主體 的制造信息支持技術(shù)和智能化決策系統(tǒng)對(duì)機(jī)械加工中海量信息進(jìn)行存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理。應(yīng)用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使機(jī)械加工整個(gè)系統(tǒng)趨于資源合理支配并高效地應(yīng)用； (4)由于采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得機(jī)械加工向虛擬制造的方向發(fā)展。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀 我國(guó)從 1958 年開始研制數(shù)控機(jī)床，幾十年來，經(jīng)歷了發(fā)展、停滯、引進(jìn)技術(shù)、自行開發(fā)等幾個(gè)階段。 1965 年，國(guó)內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)， 20 世紀(jì) 60 年代中期至 70年代初，先后研制成功了 CJK18 型晶體管數(shù)控系統(tǒng)、 X53IG 立式數(shù)控銑 床及 YK53 數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。從 70 年代開始，數(shù)控技術(shù)在車床、銑床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床、電加工機(jī)床等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，因此未能廣泛推廣。 80 年代，我國(guó)從日本 FANUC 公司引進(jìn)了 3 等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)，直流主軸電機(jī)技術(shù)，以及從美國(guó)、德國(guó)等國(guó)引進(jìn)了一些新技術(shù)。推動(dòng)了我國(guó)數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定的發(fā)展，使我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。改革開放以來，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)與生產(chǎn)發(fā) 展迅速，取得了更為喜人的成果。通過 “七五 ”引進(jìn)、消化、吸收， “八五 ”攻關(guān)和 “九五 ”產(chǎn)業(yè)化，數(shù)控技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。在與數(shù)控主機(jī)匹配方面可以說已基本上改變了 “拖后腿 ”的局面，性能和質(zhì)量顯著提高，功能價(jià)格比有優(yōu)勢(shì)。我國(guó)具有自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)開始形成，在市場(chǎng)上具有一定競(jìng)爭(zhēng)力，逐步提高了市場(chǎng)占有率。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 目前我國(guó)可供市場(chǎng)的數(shù)控機(jī)床有 20xx 多種，覆蓋了超重型機(jī)床、高精度機(jī)床、特種加工機(jī)床、鍛壓機(jī)床、前沿高技術(shù)機(jī)床等領(lǐng)域，可與日本、德國(guó)、意大利、美國(guó)并駕齊驅(qū)。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過多年的市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)形成由日本的發(fā)那科公司 占市場(chǎng) 50%、德國(guó)西門子公司占市場(chǎng) 25%的壟斷局面。我國(guó)從 20 世紀(jì) 90 年代末開始掌握基于通用32 位工業(yè)控制機(jī)開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，特別是能夠控制五軸聯(lián)動(dòng)并具備網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、診斷、操作功能的數(shù)控系統(tǒng)。并開發(fā)出弧齒錐齒輪數(shù)控加工、三維激光視覺檢測(cè)、螺旋槳七軸五聯(lián)動(dòng)加工和世界獨(dú)創(chuàng)的空間曲面插補(bǔ)軟件。目前批量投入市場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，具有性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)，正在改變國(guó)外強(qiáng)手在中國(guó)市場(chǎng)上的壟斷局面。 機(jī)床數(shù)控化改造 的可行性 目前各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床來替換根本不現(xiàn)實(shí)，而切替換下來的舊機(jī)床閑 置起來又會(huì)造成浪費(fèi)，要解決這些問題，應(yīng)走普通機(jī)床的數(shù)控化改造之路。從美國(guó)、日本等國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程看，機(jī)床的數(shù)控化改造也必不可少，數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例。如日本的大企業(yè)中有 26%的機(jī)床經(jīng)過數(shù)控改造，中小型企業(yè)則是 74%，在美國(guó)有許多數(shù)控專業(yè)化公司，為世界各地提供機(jī)床數(shù)控化改造服務(wù)。因此，普通機(jī)床的數(shù)控化改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對(duì)一些中小型企業(yè)更是如此。 利用現(xiàn)有閑置的舊機(jī)床，通過數(shù)控化改造，使其成為一臺(tái)新高效、多功能的數(shù)控機(jī)床，其投資少，見效快，是一種盤活存量資產(chǎn)的有效方法，也是低成本實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化的有效方法，也是在短期內(nèi)提高我國(guó)機(jī)床的數(shù)控化率的一條有效途徑 20xx 年我國(guó)機(jī)床總產(chǎn)量約 萬臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量是 14053 臺(tái)，產(chǎn)量數(shù)控化率為 8%。而像美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家機(jī)床產(chǎn)量數(shù)控化率已超過了 50%。國(guó)數(shù)控機(jī)床占機(jī)床生產(chǎn)總值的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。由此可見，我國(guó)目前仍然以生產(chǎn)普通機(jī)床為主，因此機(jī)床設(shè)備的數(shù)控化改造將會(huì)長(zhǎng)期存在，據(jù)中國(guó)機(jī)電裝備維修與改造技術(shù)協(xié)會(huì)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)每年大約有 10 萬臺(tái)普通機(jī)床需要改造，維修改造的市場(chǎng)前景十分廣闊。 本章小結(jié) 本章首先闡述 了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)及我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀，介紹了國(guó)外機(jī)床改造業(yè)的現(xiàn)狀。接著從我國(guó)實(shí)際國(guó)情出發(fā)，闡述了我國(guó)機(jī)床數(shù)控化改造的意義。最后介紹了本課題所研究的內(nèi)容。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第二章 車床總體改造方案設(shè)計(jì) 車床總體改造方案設(shè)計(jì) 數(shù)控化改造設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足車床總體布局的前提下要盡可能利用原來的零部件，盡量減少 不必要的 改動(dòng)量。尤其是對(duì)車床上較大的部件 。 例如床身、床鞍、工作臺(tái)等，盡量利用原來的部件， 或 只做少量的加工改造，這樣可以大大的降低成本，縮短制造周期。 C6132 型普通車床數(shù)控化改造后主要用于中小型軸類 、盤類以及螺紋零件的粗加工或半精加工，這些零件加工工藝要求機(jī)床應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有：控制主軸正反轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)主軸的無級(jí)變速以提供不同的切削速度；刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并具備在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位完成刀具選擇；加工螺紋時(shí)，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程。要實(shí)現(xiàn)以上功能，確定總體改造方案如下 : (1)拆除原車床的縱向和橫向絲杠光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪，用滾珠絲杠替換原有普通滑動(dòng)絲杠，將選取的縱向滾珠絲杠副通過托架安裝在原溜板箱與床鞍連接的部位上，縱橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便 于安裝滾珠絲杠副，絲杠采用分體式，用套筒聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)剛性連接； (2)橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)及齒輪減速器安裝在床鞍的后部 (相對(duì)操作者 )，縱向驅(qū)動(dòng)電機(jī)及齒輪減速裝置安裝在機(jī)床的右端，靠近尾座的位置； (3)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，需拆除原手動(dòng)刀架，在小拖板上安裝數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架； (4)為了使改造后的車床能夠加工螺紋，需要加裝主軸脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的同步檢測(cè)，編碼器安裝在