【正文】 朝著高性能、高精度、高效率、高柔性、高自動化和模塊化方向迅速發(fā)展。因此，我們必須緊跟國際機(jī)床技術(shù)發(fā)展的前沿，發(fā)展機(jī)床的設(shè)計(jì)、檢測、制造等技術(shù)。但是，隨著數(shù)字控制技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的發(fā)展，以及數(shù)控機(jī)床高剛度、高精度、高速度的要求，逐步發(fā)展到目前數(shù)控機(jī)床獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”， 從20世紀(jì)70年代開始，由于打破國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件不斷改善，我國的數(shù)控銑床等數(shù)控技術(shù)全面開展，并成功研制了一些簡單的數(shù)控銑床。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢頭依然強(qiáng)勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國，國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。因此我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。數(shù)控機(jī)床是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制、傳感測量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。因?yàn)殚_發(fā)一臺新的數(shù)控機(jī)床的周期比較長，不能及時(shí)針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。把普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床不失為一條提高數(shù)控化率的有效途徑。這種機(jī)床改造花費(fèi)少，改造針對性強(qiáng)，時(shí)間短，改造后的機(jī)床大多能克服原機(jī)床缺點(diǎn)和存在的問題，生產(chǎn)效率高，尤其適合中國機(jī)床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有傳動鏈短、傳動結(jié)構(gòu)剛度好、抗振性好、滑動面的摩擦阻力小以及傳動元件的間隙小等優(yōu)點(diǎn)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到以下目的：；,提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；，提高工程繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、使用計(jì)算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊、文字表達(dá)等各方面的能力；，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊(duì)合作精神。數(shù)控機(jī)床是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制、傳感測量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。因?yàn)殚_發(fā)一臺新的數(shù)控機(jī)床的周期比較長，不能及時(shí)針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。把普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床不失為一條提高數(shù)控化率的有效途徑。這種機(jī)床改造花費(fèi)少，改造針對性強(qiáng)，時(shí)間短，改造后的機(jī)床大多能克服原機(jī)床缺點(diǎn)和存在的問題，生產(chǎn)效率高，尤其適合中國機(jī)床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。數(shù)控機(jī)床可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件?？梢詫?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。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”。 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。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。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC、FMS以及CIMS等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。 宏觀看改造的必要性宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS(管理信息系統(tǒng))、CIMS等等。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)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(qiáng)。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國際機(jī)床展上各國機(jī)床制造商競相展示先進(jìn)技術(shù)、爭奪用戶、擴(kuò)大市場的焦點(diǎn)。在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們將機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生(Remanufacmring)業(yè)。美國得寶公司已在中國開辦公司。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。以第四代計(jì)算機(jī)的工程結(jié)構(gòu)和微電子工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有微機(jī)的硬件、軟件資源，發(fā)展總線式、模塊式、開放型、嵌入式的柔性數(shù)控系統(tǒng)，使之即適合加工復(fù)雜零件、分立式機(jī)床用的數(shù)控系統(tǒng)的組成，又適合未來自動化升級時(shí)功能可擴(kuò)展的要求。如華中I型等數(shù)控系統(tǒng)，都具有多軸聯(lián)動功能，快速進(jìn)給速度在1．67m／s以上，具有較強(qiáng)的通信、管理功能。如北京機(jī)床研究所的BS91系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般配有CRT顯示器，可配置直流和交流司服驅(qū)動，2～4軸聯(lián)動。由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，非常適合中小型企業(yè)，目前仍是我國應(yīng)用面最廣的數(shù)控系統(tǒng)。我國是機(jī)床生產(chǎn)大國，又是使用大國。但是我國是發(fā)展中國家，許多企業(yè)財(cái)力薄弱，不可能花費(fèi)大量的資金添置許多全新的數(shù)控機(jī)床，同時(shí)大量的通用機(jī)床不可能全部淘汰。 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢高速、高效、高精度、高可靠性1) 高速、高效加工進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)床向高速化方向發(fā)展，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。2) 高精度、超精密化加工當(dāng)前，機(jī)械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍，達(dá)到5um；精密加工精度提高了兩個(gè)數(shù)量級，超精密加丁精度進(jìn)入納米級()，加工表面粗糙度Ra=。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(10nm)，其應(yīng)用范圍日趨廣泛。對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)床的平均無故障運(yùn)行時(shí)間MTBF就必須大于3000小時(shí)。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。2）智能化在數(shù)控系統(tǒng)中智能化的內(nèi)容包括：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)自動生成；②為提高驅(qū)動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)算等：③簡化編程、簡化操作方面的智能化；④智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容等。開放性為適應(yīng)數(shù)控進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個(gè)性化、多品種、小批量、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的要求，最重要的發(fā)展趨勢是體系結(jié){每的開放性，設(shè)計(jì)生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)，例如美國的OMAC、歐共體的OSACA及日本的OSEC發(fā)展開放式數(shù)控的計(jì)劃等。(2) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。傳統(tǒng)機(jī)床靠凸輪或擋等可實(shí)現(xiàn)“剛性自動化”，且只有進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，才經(jīng)濟(jì)合算；而數(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)得以白動化，故稱之為“柔性自動化”。這是由于加工過程自動化，不受人的情緒和疲勞影響的結(jié)果。數(shù)控系統(tǒng)中增加的機(jī)床誤差、加工誤差修正補(bǔ)償?shù)墓δ?，使加工精度得到進(jìn)一步提高。這是自動化帶來的效果(可以自換刀)，如加工中心，在工件裝夾好后，可實(shí)現(xiàn)鉆、銑、攻絲、擴(kuò)孔等多工序的加工?，F(xiàn)已出現(xiàn)其他工序集中的機(jī)床。(6) 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。 機(jī)床數(shù)控化改造的客觀優(yōu)越性(1) 費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)性好，改造周期短可滿足生產(chǎn)急需，同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%～80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3，以大型的龍門加工中心為例，進(jìn)口新的需要10005000萬元，而升級改造只需要100～500萬元，僅占成本的1/10，且交貨期短。(3) 降低了對操作者的技術(shù)要求，更易提高管理水平，操作者只需編程、裝夾工件和按開關(guān)，加工全部由電腦控制自動完成，即使再復(fù)雜的工件也能快速完成，省去了對技術(shù)要求的煩惱，同時(shí)提高了定額管理水平。 機(jī)床數(shù)控化改造的現(xiàn)實(shí)意義與市場前景目前在我國400余萬臺機(jī)床擁有量中，機(jī)床數(shù)控化率不到3%，而陳舊普通機(jī)床占到60％之多。用這種舊裝備加工出來的產(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(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。因此如何用較少的費(fèi)用，獲得具有數(shù)控功能的機(jī)床就成為一個(gè)值得探討的問題。如：國防科技工業(yè)完成了3000多臺普通機(jī)床數(shù)控化改造，改造后生產(chǎn)效率提高約3倍，加工精度提高20%，與新購設(shè)備相比可節(jié)約資金50％以上。這里的成本包括數(shù)控系統(tǒng)，主傳動系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及機(jī)械傳動系統(tǒng)等。人機(jī)界面應(yīng)當(dāng)對用戶友好，對此系統(tǒng)應(yīng)從以下幾個(gè)途徑來體現(xiàn)： 漢化按鍵，方便各種層次的操作者使用。即輸入時(shí)可以檢索、修改，檢索時(shí)可以修改、輸入，并且自動顯示程序段號。(3) 實(shí)用性經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不應(yīng)追求功能的大而全，應(yīng)以實(shí)用為原則。插補(bǔ)速度要充分考慮被改造機(jī)床本身的內(nèi)在素質(zhì)，如剛性、抗震性、耐磨性等，不宜過高。速度銜接技術(shù)可以保證系統(tǒng)在加工過程中實(shí)現(xiàn)2段程序問的速度平滑連接，從而避免造成加工刀痕，保證精度。加工程序的掉電保護(hù)能力。 數(shù)控銑床改造設(shè)計(jì)內(nèi)容(1) 主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)拆除機(jī)床主軸，重新設(shè)計(jì)主軸。采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，利用磁力傳感器檢測定位。這種磁力傳感器的工作原理是，在主軸上裝上永磁鐵和主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離磁鐵l2mm的旋轉(zhuǎn)軌跡外，固定一個(gè)磁傳感器，當(dāng)傳感器發(fā)出信號后經(jīng)過放大，由定向電路使電動機(jī)準(zhǔn)確的停止在規(guī)定的周向位置上。低檔轉(zhuǎn)速為2701500r/min，高檔轉(zhuǎn)速為15004500r/min，在各檔內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。(2) 進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)縱向、橫向、垂向進(jìn)給箱齒輪全部拆除，拆除縱向、橫向、垂向進(jìn)給手柄，在該處將手輪軸通過一對減速齒輪和縱向、橫向及垂向步進(jìn)電機(jī)相連。其定位精度為177。0．005mm。(3) 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用AT89C58單片機(jī)控制系統(tǒng)。利用變頻調(diào)速的原理，設(shè)計(jì)主軸的無級變頻調(diào)速系統(tǒng)；通過插補(bǔ)算法，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定位以便達(dá)到工件的精確度；通過鍵盤和顯示模塊，實(shí)現(xiàn)程序的編輯和顯示；通過其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床功能的完善化。2 數(shù)控機(jī)床及控制方式 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號碼或其它符號指令規(guī)定的程序。其中實(shí)線部分為開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床框圖，上述系統(tǒng)再加上虛線部分，就構(gòu)成具有測量反饋功能的閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床框圖。此存儲物就是在人和機(jī)床之間建立聯(lián)系的媒介物，也就是控制介質(zhì)或稱信息載體。(2) 數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中心環(huán)節(jié)，它接受控制介質(zhì)輸入的信息，經(jīng)過處理與運(yùn)算去控制機(jī)床動作。(3) 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)(英文Servo的音譯)是數(shù)控裝置與機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它把來自數(shù)控裝置的指令轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)床部件的運(yùn)動，使工作臺和主軸按規(guī)定的動作運(yùn)動，加工出合格產(chǎn)品。轉(zhuǎn)換成電信號。零件在機(jī)床上加工過程如圖21所示，當(dāng)改變加工工件時(shí)，在數(shù)控機(jī)床上只需改變加工程序即可進(jìn)行新零件加工。(1) 開環(huán)控制形式如圖22是典型的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，其中沒有位置檢測反饋裝置，指令是單方向傳送的，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。插補(bǔ)器進(jìn)行插補(bǔ)，發(fā)出指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動放大電路放大后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，一個(gè)進(jìn)給脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個(gè)角度，通過齒輪減速，絲杠傳動使工作臺移動一定距離，因此，工作臺的位移量與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角成正比，即與進(jìn)給脈沖數(shù)目成正比。開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，容易維修，成本較低，但控制精度不高，適宜于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及數(shù)控改造。閉環(huán)控制加工精度高，移動速度快，但電機(jī)控制電路比較復(fù)雜，檢測原件價(jià)格昂貴，調(diào)試維修費(fèi)用高?？刂凭缺乳]環(huán)控制的要差，但控制系統(tǒng)調(diào)試維修方便。圖24 半閉環(huán)控制系統(tǒng)目前，機(jī)床數(shù)控化改造大多采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造即開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)來提高機(jī)床的自動化程度和機(jī)床的加工精度，X5032升降臺銑床數(shù)控化改造采用的即是開環(huán)控制形式。其角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格的成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步。其中步距角；m定子繞組相數(shù)，通常有三相，四相，五相等；Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K與通電方式有關(guān)的系數(shù)，K=拍數(shù)/相數(shù)。(3) 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，控制脈沖頻率就能調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。(4) 改變通電相序即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。脈沖信號源是一個(gè)脈沖發(fā)生器，脈沖的頻率可以連續(xù)調(diào)整，送出的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率由控制信號控制。脈沖分配器一方面接受輸入脈沖和方向指令，另一方面面向功率驅(qū)動器供給控制信號。功率驅(qū)動器是一功率開關(guān)電路，其作用就是將從脈沖分配器送來的弱電信號經(jīng)功率放大，控制步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組電流按一定的順序切換，步進(jìn)電機(jī)按要求運(yùn)轉(zhuǎn)。 數(shù)控機(jī)床開環(huán)系統(tǒng)速度計(jì)算在開環(huán)系統(tǒng)中，坐標(biāo)軸運(yùn)動速度是通過控制向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，從而驅(qū)動坐標(biāo)軸移動一定距離即脈沖當(dāng)量（δmm）。而脈沖發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)的頻率則確定了進(jìn)給速度，進(jìn)給速度V與脈沖發(fā)送頻率f有如下關(guān)系：其中V進(jìn)給速度(m/s)；f脈沖發(fā)送頻率(Hz)；δ脈沖當(dāng)量(mm)。穩(wěn)定性要好。X5032數(shù)控銑床機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算，主傳動系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算，主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械系統(tǒng)一般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳動部件，以及連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等非線性傳動部件、導(dǎo)向支承件、旋轉(zhuǎn)支承件、軸系及架體等機(jī)構(gòu)組成。 主傳動系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算 主傳動的變速方式的選擇主傳動系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速(速度)和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動等。但系統(tǒng)的調(diào)速范圍受電動機(jī)的調(diào)速范圍的