【文章內(nèi)容簡介】 24 參考文獻(xiàn) 25 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 前言 近幾年來，機(jī)械加工業(yè)大量采用數(shù)控機(jī)床取代傳統(tǒng)的普通機(jī)床進(jìn)行機(jī)械加工，普通機(jī)械逐漸被數(shù)控機(jī)械所代替。數(shù)控機(jī)床綜合了微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動檢測、自動控制、電機(jī)與拖動，電子和電力、精密測量、氣液壓及現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是數(shù)控機(jī) 床的心臟。具有高精度，高效率，柔性自動化等特點(diǎn)決定了今后發(fā)展數(shù)控機(jī)床是我國機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造的必由之路，是工廠自動化的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床在各個(gè)機(jī)械制造企業(yè)已成為大、中型企業(yè)的主要技術(shù)裝備。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，即計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 (CNC)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的硬件數(shù)控 (NC)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它主要由硬件和軟件兩大部分組成。通過系統(tǒng)控制軟件與硬件的配合，完成對進(jìn)給坐標(biāo)控制、主軸控制、刀具控制、輔助功能控制等。 CNC 系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)零件程序編輯、坐標(biāo)系偏移、刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算、公英制變換、圖形顯示和固定循環(huán)等。 使數(shù)控機(jī)床按照操作設(shè)計(jì)要求，加工出需要的零件。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，使得機(jī)械加工技術(shù)有了質(zhì)的變化，加工中心的普遍適用，是機(jī)械行業(yè)的生產(chǎn)效率得到了飛速的提高。數(shù)控技術(shù)開創(chuàng)了機(jī)電一體化發(fā)展的先河，數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的重要組成部分。通過持續(xù)的開發(fā)和研究以及對信息技術(shù)的深入應(yīng)用，促使數(shù)控技術(shù)在質(zhì)量和性能上更加強(qiáng)化。 對 CA6140 機(jī)床進(jìn)行改造，可以增加機(jī)床的壽命周期，資源的充分利用。同時(shí)通過對CA6140 機(jī)床的改造中存在的問題進(jìn)行分析和研究，了解和掌握機(jī)床的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)，更加充分合 理的使用機(jī)床。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 第一章 數(shù)控車床簡介 圖 11 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的柔性化制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)機(jī)械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能 引起世人矚目。它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。通過持續(xù)的開發(fā)研究以及對信息技術(shù)的深化應(yīng)用，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升，使數(shù)控機(jī)床成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備。 我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量持續(xù)高速增長，根據(jù)市場需求和技術(shù)發(fā)展趨勢，應(yīng)重點(diǎn)推進(jìn)高效、精密為核心的數(shù)控機(jī)床“μ m”級工程，加強(qiáng)發(fā)展高性能、高可靠性數(shù)控功能部件，積極開展復(fù)合加工機(jī)床、超精密數(shù)控機(jī)床和可重構(gòu)制造系統(tǒng)的工程化研究等相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。 近年來，我國數(shù)控金切機(jī)床（簡稱數(shù)控機(jī)床）產(chǎn)量 一直以年均增長超過 30%速度發(fā)展。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)， 2021 年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量為 51860 臺，同比增長 %,數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)量約74000 臺，同比增長 32%。數(shù)控機(jī)床需求的旺盛也促進(jìn)了 2021 年內(nèi)新建的三資和民營機(jī)床廠以及數(shù)控機(jī)床品種的明顯增加。 數(shù)控機(jī)床的工作原理 數(shù)控機(jī)床由：程序、輸人 /輸出裝置、 CNC 單元、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)、機(jī)床本體組成。 一 .程序的存儲介質(zhì)，又稱程序載體。主要有以下類型：軟盤、磁盤、 U 盤等。 二 .輸人 /輸出裝置 ，配用軟盤驅(qū)動器和驅(qū)動卡。 ，還可 以通過手動方式 (MDI方式 )， DNC網(wǎng)絡(luò)通訊、 RS232串口通訊。 三 .CNC 單元 CNC單元是數(shù)控機(jī)床的核心， CNC單元由信息的輸入、處理和輸出三個(gè)部分組成。 CNC單元接受數(shù)字化信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進(jìn)行譯碼、插補(bǔ)、邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行部件作進(jìn)給運(yùn)動。其它的還有主運(yùn)動部件的變速、換向和啟停信號；選擇和交換刀具的刀具指令信號，冷卻、潤滑的啟停、工件和機(jī)床部件松開、夾緊、分度臺轉(zhuǎn)位等輔助指令信號等。 準(zhǔn)備功能： G00,G01,G02,G03, 輔助功能： M03， M04 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 刀具、進(jìn)給速度、主軸： T， F， S 四 ．位置反饋系統(tǒng)（檢測反饋系統(tǒng)） 伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)角位移的反饋、數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu) (工作臺 )的位移反饋。包括光柵、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光測距儀、磁柵等。 反饋裝置把檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號反饋給數(shù)控裝置，通過比較，計(jì)算實(shí)際位置與指令位置之間的偏差，并發(fā)出偏差指令控制執(zhí)行部件的進(jìn)給運(yùn)動。 反饋系統(tǒng)包括半閉環(huán)、閉環(huán)兩種系統(tǒng)。 以數(shù)字化為特征數(shù)控機(jī)床是柔性化制造系統(tǒng)和敏捷化制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)裝備，它的總的發(fā)展趨勢是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和 集成化，并注重工藝適用性和經(jīng)濟(jì)性。具體可歸納為下列八個(gè)方面： 一 .持續(xù)地提高經(jīng)濟(jì)加工精度 從 1950 年至 2021 年的 50 年內(nèi)加工精度提升 100 倍左右，即加工精度平均每 8年提高1 倍，當(dāng)前的普通加工精度已達(dá)到上世紀(jì) 50 年代的精密加工水平。 以加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度為例對比國內(nèi)外的水平，國內(nèi)大致為～ ，而國際先進(jìn)水平為 ～ ，按上述統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析差距約為 15年左右。 二 .推進(jìn)全面高速化實(shí)現(xiàn)高效制造 在刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的支持下，切削速度不斷 地提高。在實(shí)際生產(chǎn)中，車、銑 45 號鋼由 1950 年的 80～ 100m/min，至 2021 年普遍達(dá)到 500～ 600m/min， 50年內(nèi)切削速度提高了 5 倍。高速化加工另一個(gè)特點(diǎn)是大多從單一的高速切削發(fā)展至全面高速化，不僅要縮短切削時(shí)間，也要力求降低輔助時(shí)間和技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間。 三 .復(fù)合加工機(jī)床促進(jìn)新一代高效機(jī)床的形成 復(fù)合機(jī)床的含義是在一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的全部加工。復(fù)合機(jī)床根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。 工藝復(fù)合型為跨加工類別的復(fù)合機(jī)床，包括不同加工方法和工藝的復(fù)合，如車銑 中心、銑車中心、激光銑削加工機(jī)床、沖壓與激光切割復(fù)合、金屬燒結(jié)與鏡面切削復(fù)合等。 工序復(fù)合型應(yīng)用刀具（銑頭）自動交換裝置、主軸立臥轉(zhuǎn)換頭、雙擺銑頭、多主軸頭和多回轉(zhuǎn)刀架等配置，增加工件在一次安裝下的加工工序數(shù)，如多面多軸聯(lián)動加工的復(fù)合平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 機(jī)床和主副雙主軸車削中心等。 復(fù)合數(shù)控機(jī)床具有良好的工藝適用性，避免了在制品的儲存和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)，有力地支持了準(zhǔn)時(shí)制造（ JIT），因此對它的研發(fā)已被給予了極大的關(guān)注。 四 .工藝適用性的專門化數(shù)控機(jī)床正不斷涌現(xiàn) 通過對機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，使對不同類型的零件加工具有最佳的適 用 ,避免一方面出現(xiàn)不能發(fā)揮最佳性能 ,另一方面又存在功能冗余的現(xiàn)象。 要解決品種多樣化與經(jīng)濟(jì)性的矛盾，這就要對機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)提出更高的要求。以及對可重構(gòu)機(jī)床（ Reconfigurable Machine Tools，簡稱 RMT）技術(shù)的探索，反映了對制造裝備能更方便地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、多樣化發(fā)展的一個(gè)追求。 五 .智能化和集成化成為數(shù)字化制造的重要支撐技術(shù) 信息技術(shù)的發(fā)展及其與傳統(tǒng)機(jī)床的相融合，使機(jī)床朝著數(shù)字化、集成化和智能化的方向發(fā)展。數(shù)字化制造裝備、數(shù)字化生產(chǎn)線、數(shù)字化工廠的應(yīng)用空間將越來越大；而采用智能技術(shù) 來實(shí)現(xiàn)多信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補(bǔ)償智能控制、復(fù)雜曲面加工運(yùn)動軌跡優(yōu)化控制、故障自診斷和智能維護(hù)以及信息集成等功能，將大大提升成形和加工精度、提高制造效率。 六 .發(fā)展適應(yīng)敏捷制造和網(wǎng)絡(luò)化分布式的制造系統(tǒng) 回顧近 10 年來制造系統(tǒng)的發(fā)展歷程，基本上遵循以下兩個(gè)方向：增強(qiáng)制造系統(tǒng)的智能化和自治管理功能，以提高 FMC/FMS 的快速響應(yīng)能力；發(fā)展兼顧柔性、高效、低成本和高質(zhì)量且便于重構(gòu)的新型制造系統(tǒng)以適應(yīng)不確定性的市場環(huán)境 。這類制造系統(tǒng)稱為快速重組制造系統(tǒng)（ RRMS）或可重構(gòu)制造系統(tǒng)（ RMS）。其原理為通過對制造系統(tǒng)中的設(shè)備配置的調(diào)整或更換設(shè)備上的功能模塊來迅速構(gòu)成適應(yīng)新產(chǎn)品生產(chǎn)的制造系統(tǒng)。這就要求設(shè)備和系統(tǒng)不僅軟件具有開放性，而且硬件也要有開放性成為功能可重構(gòu)的機(jī)床，即如前面提到的可重構(gòu)機(jī)床（ RMT）。 七 .向大型化和微小化兩極發(fā)展 能源裝備的大型化及航空航天事業(yè)等的發(fā)展，需要重型立式臥式加工中心和銑車中心。 超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是 21 世紀(jì)的戰(zhàn)略高技術(shù)，正在形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)。需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸結(jié)構(gòu)和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備。 航空航天、 IT和國防高新技術(shù)的需求推 進(jìn)了超精加工技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展。上世紀(jì) 60年代，美國開發(fā)出第一臺商品化超精密機(jī)床，其加工尺寸精度為177。 m； 70 年代英國克蘭菲爾德精密工程研究所批量生產(chǎn)的超精密車床加工的面形精度優(yōu)于 m； 80年代美國 LLL實(shí)驗(yàn)室和 Y12 工廠合作生產(chǎn)的大型超精密金剛石車床的加工平面形度達(dá) m，最大平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 加工直徑為 2100mm。加工技術(shù)總的發(fā)展趨勢是：加工精度不斷提高，加工尺寸不斷增加，加工方法多樣化。由于晶片和光學(xué)鏡片等硬脆材料加工的需要，超精密磨削和研拋以及非機(jī)械能的特種加工方法使加工精度可優(yōu)于 m。 八 .配套裝置和功能部件的品種質(zhì)量日臻完善 不僅數(shù)控系統(tǒng)（含數(shù)控裝置和伺服驅(qū)動裝置）有專業(yè)化生產(chǎn)廠，凡關(guān)鍵的通用性功能部件如電主軸、刀具自動交換系統(tǒng)、滾動導(dǎo)軌副、直線滾動絲杠驅(qū)動副、雙擺主軸頭、雙擺回轉(zhuǎn)臺和自動轉(zhuǎn)位刀塔等在國外均有一些著名的專業(yè)化生產(chǎn)廠，這對保證產(chǎn)品質(zhì)量，增長整機(jī)的可靠性和降低成本起著重要的作用。 完善的高集成度的專用電路系統(tǒng)的研發(fā)，仍是數(shù)控系統(tǒng)可靠性繼續(xù)增長和結(jié)構(gòu)小型化的一項(xiàng)重要措施。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 第二章 數(shù)控機(jī)床的改造概述 一 .微觀看改造的必要性 微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)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(jì)算機(jī)的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 可以實(shí)現(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(jī)床提高 3～ 7倍。 由于計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)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(shí)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?shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 擁有自動報(bào)警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)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(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個(gè)人可以看管多臺機(jī)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。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突 破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元）、 FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改