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畢業(yè)設(shè)計(論文)
XK6132數(shù)控銑床總體及
主運動傳動系統(tǒng)設(shè)計
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
針對現(xiàn)有常規(guī)XK6132數(shù)控銑床銑床的缺點提出數(shù)控設(shè)計方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了萬能升降臺銑床的數(shù)控化設(shè)計的設(shè)計過程，較詳盡地介紹了XK6132數(shù)控銑床銑床機(jī)械設(shè)計部分的設(shè)計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)垂直的進(jìn)給運動。
設(shè)計過程如下：（1）機(jī)械部分的設(shè)計，包括總體設(shè)計方案的確定和縱向進(jìn)給方向的設(shè)計。主要包括對滾珠絲杠螺母副及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的計算選擇及垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝配圖方案的制定。（2）電氣控制部分的設(shè)計，主要包括MCS-51系列單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用和電氣控制圖的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：數(shù)控，單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，滾珠絲杠，設(shè)計
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ABSTRACT
Conventional existing XK6132 universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the disadvantages of the proposed scheme and design of a single chip microcomputer system, improve the processing precision and extend the machine's usage, and to improve productivity. This paper illustrates the universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the design process, a more detailed description of the XK6132 universal lifting platform milling machine transformation part of the design and numerical control system design. Using 8031 as the CPU control system of signal processing by the I/O interface, and output the step pulse, through a gear reducer, drive the leading screw to roll, so as to realize the vertical movement of the feed.
Reform process as follows: ( 1) the reformation of machine part, including the overall reconstruction scheme and vertical feed direction of reformation. Consisting mainly of ball screw pair and reaction stepper motor selection and calculation of vertical feeding mechanism assembly plan. ( 2) the electrical control design, including MCS-51 Series MCU and the expansion of the chip selection and electrical control diagram design.
Keywords: numerical control ,single-chip ,stepping motor ,?ball screw shaft ,reform
目 錄
目 錄 4
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 1
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點 10
1.2數(shù)控機(jī)床的適用范圍 11
1.3 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 11
1.3.1數(shù)控機(jī)床加工工藝分析 11
1.3.2數(shù)控加工工藝的設(shè)計 12
1.3.3分析加工工藝路線 12
1.3.4編程原點的選擇 12
1.4 模擬仿真技術(shù) 12
1.5 數(shù)控機(jī)床的精度影響及分析 13
1.5.1 間隙誤差的影響 13
1.5.2度的反向誤差控制 14
1.6數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 15
1.6.1控制系統(tǒng)的選擇 16
1.6.2 選擇設(shè)計對象要適宜 17
1.6.3 機(jī)床的機(jī)械設(shè)計范圍要適當(dāng) 17
1.6.4 輔助設(shè)計要合適 18
1.7數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向 19
1.7.1 個性化的發(fā)展趨勢 19
1.7.2 個性化是市場適應(yīng)性發(fā)展趨勢 20
1.7.3 開放性是體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢 20
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 21
2.1 設(shè)計任務(wù) 21
2.2 總體方案設(shè)計的內(nèi)容 21
2.2.1伺服驅(qū)動 21
2.2.2數(shù)控裝置 22
2.2.3系統(tǒng)功能 22
2.2.4采用環(huán)形分配器 22
2.2.5采用滾珠絲杠螺母副 22
第3章 確定切削用量及選擇刀具 23
3.1.背吃刀量ap或側(cè)吃刀量ae 24
3.2.進(jìn)給量f 與進(jìn)給速度Vf的選擇 26
3.3.切削速度Vc 27
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計計算 30
4.1 參數(shù)的確定 30
4.2 傳動設(shè)計 32
4.3轉(zhuǎn)速圖的擬定 35
第5章 主運動傳動系統(tǒng)裝配圖和零件圖的設(shè)計計算 38
5.1 帶輪傳動部分的設(shè)計 38
5.2 齒輪傳動部分的設(shè)計 42
5.3電磁離合器的選擇 47
5.4 軸的設(shè)計計算 48
第6章 硬件電路圖的設(shè)計 55
6.1微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點 55
6.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 55
6.1.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點 55
6.2微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 56
6.2.1主控制器CPU的選擇 56
6.2.2存儲器電路的擴(kuò)展 57
6.2.3 I/O口電路的擴(kuò)展 58
6.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 58
6.2.5其它輔助電路設(shè)計 59
6.3程序部分 60
總結(jié)與展望 64
參考文獻(xiàn) 65
致 謝 66
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
數(shù)控機(jī)床發(fā)展史
20世紀(jì)中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，自動信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計算機(jī)的出現(xiàn)，給自動化技術(shù)帶來了新的概念，用數(shù)字化信號對機(jī)床運動及其加工過程進(jìn)行控制，推動了機(jī)床自動化的發(fā)展。
采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工，最早是在40年代初，由美國北密支安的一個小型飛機(jī)工業(yè)承包商派爾遜斯公司（Parsons Corporation）實現(xiàn)的。他們在制造飛機(jī)的框架及直升飛機(jī)的轉(zhuǎn)動機(jī)翼時，利用全數(shù)字電子計算機(jī)對機(jī)翼加工路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并考慮到刀具直徑對加工路線的影響，使得加工精度達(dá)到±0.0381mm（±0.0015in），達(dá)到了當(dāng)時的最高水平。
1952年，麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了同時控制三軸的運動。這臺數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。
這臺機(jī)床是一臺試驗性機(jī)床，到了1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎(chǔ)上，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床由美國本迪克斯公司（Bendix-Cooperation）正式生產(chǎn)出來。
在此以后，從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，如德國、日本都陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床中最初出現(xiàn)并獲得使用的是數(shù)控銑床，因為數(shù)控機(jī)床能夠解決普通機(jī)床難于勝任的、需要進(jìn)行輪廓加工的曲線或曲面零件。
然而，由于當(dāng)時的數(shù)控系統(tǒng)采用的是電子管，體積龐大，功耗高，因此除了在軍事部門使用外，在其他行業(yè)沒有得到推廣使用。
到了1960年以后，點位控制的數(shù)控機(jī)床得到了迅速的發(fā)展。因為點位控制的數(shù)控系統(tǒng)比起輪廓控制的數(shù)控系統(tǒng)要簡單得多。因此，數(shù)控銑床、沖床、坐標(biāo)鏜床大量發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計資料表明，到1966年實際使用的約6000臺數(shù)控機(jī)床中，85%是點位控制的機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展中，值得一提的是加工中心。這是一種具有自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，它能實現(xiàn)工件一次裝卡而進(jìn)行多工序的加工。這種產(chǎn)品最初是在1959年3月，由美國卡耐·;特雷克公司（Keaney & Trecker Corp.）開發(fā)出來的。這種機(jī)床在刀庫中裝有絲錐、鉆頭、鉸刀、銑刀等刀具，根據(jù)穿孔帶的指令自動選擇刀具，并通過機(jī)械手將刀具裝在主軸上，對工件進(jìn)行加工。它可縮短機(jī)床上零件的裝卸時間和更換刀具的時間。加工中心現(xiàn)在已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床中一種非常重要的品種，不僅有立式、臥式等用于箱體零件加工的鏜銑類加工中心，還有用于回轉(zhuǎn)整體零件加工的車削中心、磨削中心等。
1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機(jī)床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是所謂的柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System——FMS）之后，美、歐、日等也相繼進(jìn)行開發(fā)及應(yīng)用。 1974年以后，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器直接用于數(shù)控機(jī)床，使數(shù)控的軟件功能加強(qiáng)，發(fā)展成計算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（簡稱為CNC機(jī)床），進(jìn)一步推動了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。
80年代，國際上出現(xiàn)了1～4臺加工中心或車削中心為主體，再配上工件自動裝卸和監(jiān)控檢驗裝置的柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell——FMC）。這種單元投資少，見效快，既可單獨長時間少人看管運行，也可集成到FMS或更高級的集成制造系統(tǒng)中使用。
目前，F(xiàn)MS也從切削加工向板材冷作、焊接、裝配等領(lǐng)域擴(kuò)展，從中小批量加工向大批量加工發(fā)展。
所以機(jī)床數(shù)控技術(shù)，被認(rèn)為是現(xiàn)代機(jī)械自動化的基礎(chǔ)技術(shù)。
那什么是銑床呢？據(jù)資料所載，所謂銑床，是主要用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行車削加工的機(jī)床。在銑床上還可用鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進(jìn)行相應(yīng)的加工。銑床主要用于加工軸、盤、套和其他具有回轉(zhuǎn)表面的工件，是機(jī)械制造和修配工廠中使用最廣的一類機(jī)床。
古代的銑床是靠手拉或腳踏，通過繩索使工件旋轉(zhuǎn)，并手持刀具而進(jìn)行切削的。1797年，英國機(jī)械發(fā)明家莫茲利創(chuàng)制了用絲杠傳動刀架的現(xiàn)代銑床，并于1800年采用交換齒輪，可改變進(jìn)給速度和被加工螺紋的螺距。1817年，另一位英國人羅伯茨采用了四級帶輪和背輪機(jī)構(gòu)來改變主軸轉(zhuǎn)速。
為了提高機(jī)械化自動化程度，1845年，美國的菲奇發(fā)明轉(zhuǎn)塔銑床；1848年，美國又出現(xiàn)回輪銑床；1873年，美國的斯潘塞制成一臺單軸自動銑床，不久他又制成三軸自動銑床；20世紀(jì)初出現(xiàn)了由單獨電機(jī)驅(qū)動的帶有齒輪變速箱的銑床。
第一次世界大戰(zhàn)后，由于軍火、汽車和其他機(jī)械工業(yè)的需要，各種高效自動銑床和專門化銑床迅速發(fā)展。為了提高小批量工件的生產(chǎn)率，40年代末，帶液壓仿形裝置的銑床得到推廣，與此同時，多刀銑床也得到發(fā)展。50年代中，發(fā)展了帶穿孔卡、插銷板和撥碼盤等的程序控制銑床。數(shù)控技術(shù)于60年代開始用于銑床，70年代后得到迅速發(fā)展。
銑床依用途和功能區(qū)分為多種類型。
普通銑床的加工對象廣，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的調(diào)整范圍大，能加工工件的內(nèi)外表面、端面和內(nèi)外螺紋。這種銑床主要由工人手工操作，生產(chǎn)效率低，適用于單件、小批生產(chǎn)和修配車間。
轉(zhuǎn)塔銑床和回轉(zhuǎn)銑床具有能裝多把刀具的轉(zhuǎn)塔刀架或回輪刀架，能在工件的一次裝夾中由工人依次使用不同刀具完成多種工序，適用于成批生產(chǎn)。
自動銑床能按一定程序自動完成中小型工件的多工序加工，能自動上下料，重復(fù)加工一批同樣的工件，適用于大批、大量生產(chǎn)。
多刀半自動銑床有單軸、多軸、臥式和立式之分。單軸臥式的布局形式與普通銑床相似，但兩組刀架分別裝在主軸的前后或上下，用于加工盤、環(huán)和軸類工件，其生產(chǎn)率比普通銑床提高3～5倍。
仿形銑床能仿照樣板或樣件的形狀尺寸，自動完成工件的加工循環(huán)，適用于形狀較復(fù)雜的工件的小批和成批生產(chǎn)，生產(chǎn)率比普通銑床高10～15倍。有多刀架、多軸、卡盤式、立式等類型
立式銑床的主軸垂直于水平面，工件裝夾在水平的回轉(zhuǎn)工作臺上，刀架在橫粱或立柱上移動。適用于加工較大、較重、難于在普通銑床上安裝的工件，一般分為單柱和雙柱兩大類。
鏟齒銑床在車削的同時，刀架周期地作徑向往復(fù)運動，用于鏟車銑刀、滾刀等的成形齒面。通常帶有鏟磨附件，由單獨電動機(jī)驅(qū)動的小砂輪鏟磨齒面。
專門銑床是用于加工某類工件的特定表面的銑床，如曲軸銑床、凸輪軸銑床、車輪銑床、車軸銑床、軋輥銑床和鋼錠銑床等。聯(lián)合銑床主要用于車削加工，但附加一些特殊部件和附件后，還可進(jìn)行鏜、銑、鉆、插、磨等加工，具有“一機(jī)多能”的特點，適用于工程車、船舶或移動修理站
看機(jī)床的水平主要看金屬切削機(jī)床，其他機(jī)床技術(shù)和復(fù)雜性不高，就是近幾年很流行的電加工機(jī)床，也只是方法的改變，沒什么復(fù)雜性和科技含量。
我國的數(shù)控磨床水平不錯，每年都有大量出口，因為它簡單，基本屬于勞動密集型。
金屬加工主要是去除材料，得到想得到的金屬形狀。去除材料，主要靠車和銑，銑床發(fā)展為數(shù)控銑床，銑床發(fā)展為加工中心。高精度多軸機(jī)床，可以讓復(fù)雜零件在精度和形狀上一次到位，例如，飛機(jī)上的一個復(fù)雜零件，以前由很多種工人：車工、銑工、磨床工、畫線工、熱處理工用好幾個月干，其中還有報廢的，最新的復(fù)合數(shù)控機(jī)床幾天甚至幾個小時就全干好了，而且精度比你設(shè)計的還高。零件精度高就意味著壽命長，可靠性好。
由普通發(fā)展到數(shù)控，一個人頂原來的十個，在精度上，更是沒法說，適應(yīng)性上，零件變了，換個程序就行。把人的因素也降為最低，以前在工廠，誰要時會車渦輪、蝸桿，沒個10年8年的不行，要是誰掌握了，那牛得很?，F(xiàn)在用數(shù)控設(shè)備，只要你會編程，把參數(shù)輸進(jìn)去就可以了，很簡單，剛畢業(yè)的技校學(xué)生都會，而且批量的產(chǎn)品質(zhì)量也有保證。
自美國在50年代末搞出世界一臺數(shù)控銑床后，機(jī)床制造業(yè)就進(jìn)入了數(shù)控時代，中國在六十年代也搞出了第一代數(shù)控機(jī)床，但后來中國進(jìn)入了什么年代，大家都知道。等80年代我們再去看世界的數(shù)控機(jī)床水平，差距就是20年了，其實奮起直追還有希望，但國營工廠不思進(jìn)取，到了90年代，我們再去看世界水平，已有30年的差距了。中國改革開放前走的是蘇聯(lián)的路子，什么叫蘇聯(lián)的路子，舉個例子來講：比如，生產(chǎn)一根軸，蘇聯(lián)的方式是建一個專用生產(chǎn)線，用多臺專用機(jī)床，好處是批量很容易上去，但一旦這根軸的參數(shù)發(fā)生了變化，這條線就報廢了，生產(chǎn)人員也就沒事做了。在1960－1980年代，國營工廠一個產(chǎn)品生產(chǎn)幾十年不變樣。到了1980年代后，當(dāng)時搞商品經(jīng)濟(jì)，這些廠不能迅速適應(yīng)市場，經(jīng)營就困難了，到了90年代就大量破產(chǎn)，大量職工下崗?，F(xiàn)代的生產(chǎn)也有大批量生產(chǎn)，但主要是單件小批量，不管是那種，只要你的設(shè)備是數(shù)控的，適應(yīng)起來就快。專業(yè)機(jī)床的路子已經(jīng)到頭了， ;西方走的路和前蘇聯(lián)不一樣，當(dāng)年的“東芝”事件，就是日本東芝賣給蘇聯(lián)了幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，讓蘇聯(lián)在潛艇的推進(jìn)螺旋槳上的制造，上了一個檔次，讓美國的聲納聽不到潛艇聲音了，所以美國要懲處東芝公司。由此也可見，前蘇聯(lián)的機(jī)床制造業(yè)也落后了，他們落后，我們就更不用說了。雖然，美國搞出了世界第一臺數(shù)控機(jī)床，但數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，還是要數(shù)德國。德國本來在機(jī)械方面就是世界第一，數(shù)控機(jī)床無非就是搞機(jī)電一體化，機(jī)械方面德國已沒問題，剩下的就是電子系統(tǒng)方面，德國的電子系統(tǒng)工業(yè)本來就強(qiáng)大，所以在上世紀(jì)六、七十年代，德國就執(zhí)機(jī)床界的牛耳了。
但日本人的強(qiáng)項就是仿造，從上世紀(jì)70年代起，日本大量從德國引進(jìn)技術(shù)，消化后大量仿造，經(jīng)過努力，日本在90年代起，就超越了德國，成為世界第一大數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國，直到現(xiàn)在還是。他們在機(jī)床制造水平上，有一些也走在了世界前面，如在機(jī)床復(fù)合（一機(jī)多種功能）化方面，是世界第一。數(shù)控機(jī)床的核心就在數(shù)控系統(tǒng)方面，日本目前在系統(tǒng)方面也排世界第一，主要是它的發(fā)拿科公司。第一代的系統(tǒng)用步進(jìn)電機(jī)，我們現(xiàn)在也能造，第二代用交流伺服電機(jī)?，F(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)的核心就是交流伺服電機(jī)和系統(tǒng)內(nèi)的邏輯控制軟件，交流伺服電機(jī)我們國家目前還沒有誰能制造，這是一個光學(xué)、機(jī)械、電子的綜合體。邏輯控制軟件就是控制機(jī)床的各軸運動，而這些軸是用伺服電機(jī)驅(qū)動的，一般的系統(tǒng)能同時控制3軸，高級系統(tǒng)能控制五軸，能控5軸的，五軸以上也沒問題。我們國家也由有5軸系統(tǒng)，但“做秀”的成份多，還沒實用化。我們的工廠用的五軸和五軸以上機(jī)床，100％進(jìn)口。
機(jī)床是一個國家制造業(yè)水平高低的象征，其核心就是數(shù)控系統(tǒng)。我們目前不要說系統(tǒng)，就是國內(nèi)造的質(zhì)量稍微好一點的數(shù)控機(jī)床，所用的高精度滾珠絲杠，軸承都是進(jìn)口的，主要是買日本的，我們自產(chǎn)的滾珠絲杠、軸承在精度、壽命方面都有問題。目前國內(nèi)的各大機(jī)床廠，數(shù)控系統(tǒng)100％外購，各廠家一般都買日本發(fā)那科、三菱的系統(tǒng)，占80％以上，也有德國西門子的系統(tǒng)，但比較少。德國西門子系統(tǒng)為什么用的少呢？早期，德國系統(tǒng)不太能適合我們的電網(wǎng)，我們的電網(wǎng)穩(wěn)定性不夠，西門子系統(tǒng)的電子伺服模塊容易燒壞。日本就不同了，他們的系統(tǒng)就燒不壞。近來西門子系統(tǒng)改進(jìn)了不少，價格方面還是略高。德國人很不重視中國，所以他們的系統(tǒng)漢語化最近才有，不像日本，老早就有漢語化版的。
就國產(chǎn)高級數(shù)控機(jī)床而言，其利潤的主體是被外國人拿走了，中國只是掙了一個辛苦錢。
美國為什么沒有能成為數(shù)控機(jī)床制造大國呢？這個和他們當(dāng)時制定產(chǎn)業(yè)政策的人有關(guān)，再加上當(dāng)時美國的勞動力貴，買比制造劃算。機(jī)床屬于投資大，見效慢，回報率底的產(chǎn)業(yè)，而且需要技術(shù)積累。不太附和美國情況。但后來美國發(fā)現(xiàn)，機(jī)床屬于戰(zhàn)略物資，沒有它，飛機(jī)、大炮、坦克、軍艦的制造都有問題，所以他們重新制定政策，扶植了一些機(jī)床廠，規(guī)定了一些單位只能買國產(chǎn)設(shè)備，就是貴也得買，這就為美國保留了一些數(shù)控機(jī)床行業(yè)。美國機(jī)床在世界上沒有什么競爭力。
歐洲的機(jī)床，除德國外，瑞士的也很好，要說超高精密機(jī)床，瑞士的相當(dāng)好，但價格也是天價。一般用戶用不起。意大利、英國、法國屬于二流，中國很少買他們的機(jī)床。西班牙為了讓中國進(jìn)口他們的機(jī)床，不惜貸款給中國，但買的人也很少??借錢總是要還的。
韓國、臺灣的數(shù)控機(jī)床制造能力比大陸地區(qū)略強(qiáng)，不過水平差不多。他們也是在上世紀(jì)90年代引進(jìn)日本技術(shù)發(fā)展的。韓國應(yīng)該好一點，它有自己制造的、已經(jīng)商業(yè)化了的數(shù)控系統(tǒng)，但進(jìn)口到中國的機(jī)床，應(yīng)我們的要求，也換成了日本系統(tǒng)。我們對他們的系統(tǒng)信不過。韓國數(shù)控機(jī)床主要有兩家：大宇和現(xiàn)代。大宇目前在我國設(shè)有合資企業(yè)。臺灣機(jī)床和我們大體一樣，自己造機(jī)械部分，系統(tǒng)采購日本的。但他們的機(jī)床質(zhì)量差，壽命短，目前在大陸影響很壞。其實他們比我們國產(chǎn)的要好一點。但我們自己的差，我們還能容忍，臺灣的機(jī)床是用美金買來的，用的不好，那火就大了。臺灣最主要的幾家機(jī)床廠已打算把工廠遷往大陸，大部分都在上海。這些廠目前在國內(nèi)的競爭中，也打著“國產(chǎn)”的旗號。
近來隨著中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也引起了世界一些主要機(jī)床廠商的注意，2000年，日本最大的機(jī)床制造商“馬扎克”在中國銀川設(shè)立了一家數(shù)控機(jī)床合資廠，據(jù)說制造水平相當(dāng)高，號稱“智能化、網(wǎng)絡(luò)化”工廠，和世界同步。今年日本另外一家大機(jī)床廠大隈公司在北京設(shè)立了一家能年產(chǎn)1000臺數(shù)控機(jī)床的控股公司，德國的一家很有名的企業(yè)也在上海設(shè)立了工廠。
目前，國家制定了一些政策，鼓勵國民使用國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，各廠家也在努力追趕。國內(nèi)買機(jī)床最多的是軍工企業(yè)，一個購買計劃里，80％是進(jìn)口，國產(chǎn)機(jī)床滿足不了需要。今后五年內(nèi)，這個趨勢不會改變。不過就目前國內(nèi)的需要來講，我國的數(shù)控機(jī)床目前能滿足中低檔產(chǎn)品的訂貨。
美、德、日三國是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗最多的國家。因其社會條件不同，各有特點。
1.美國的數(shù)控發(fā)展史
美國政府重視機(jī)床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺數(shù)控機(jī)床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動化所需的自動線，而且電子、計算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進(jìn)的日本超過，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。
2.德國的數(shù)控發(fā)展史
德國政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床后，德國特別注重科學(xué)試驗，理論與實際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對數(shù)控機(jī)床的共性和特性問題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競相采用。
3.日本的數(shù)控發(fā)展史
日本政府對機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。自1958年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床后，1978年產(chǎn)量(7,342臺)超過美國(5,688臺)，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量46,604臺，出口27,409臺，占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀(jì)80年代開始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對性地發(fā)展市場所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3,674人，科研人員超過600人，月產(chǎn)能力7,000套，銷售額在世界市場上占50%，在國內(nèi)約占70%，對加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。
4.我國的現(xiàn)狀
我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代， 中國于1958年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在1958~1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數(shù)控機(jī)床特點、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識，在人員素質(zhì)差、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過關(guān)的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現(xiàn)欠佳，無法用于生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實事求是的科學(xué)精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國、臺灣省共11國(地區(qū))引進(jìn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)技術(shù)和合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數(shù)控機(jī)床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。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)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。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)床消費第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國，2004年中國機(jī)床主機(jī)消費高達(dá)94.6億美元，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。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。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)國家之問的差距。?
在20余年間，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計、制造、使用和維護(hù)的人才；通過合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)的差距；通過利用國外先進(jìn)元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機(jī)床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機(jī)電法”、“機(jī)信法”那樣的指引；嚴(yán)重缺乏各方面專家人才和熟練技術(shù)工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。 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)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。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)床消費第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國，2004年中國機(jī)床主機(jī)消費高達(dá)94.6億美元，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。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。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)國家之問的差距。
2003年開始，中國就成了全球最大的機(jī)床消費國，也是世界上最大的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國。目前正在提高機(jī)械加工設(shè)備的數(shù)控化率，1999年，我們國家機(jī)械加工設(shè)備數(shù)控華率是5－8％，目前預(yù)計是15－20％之間。 一、 什么是數(shù)控機(jī)床 車、銑、刨、磨、鏜、鉆、電火花、剪板、折彎、激光切割等等都是機(jī)械加工方法，所謂機(jī)械加工，就是把金屬毛坯零件加工成所需要的形狀，包含尺寸精度和幾何精度兩個方面。能完成以上功能的設(shè)備都稱為機(jī)床，數(shù)控機(jī)床就是在普通機(jī)床上發(fā)展過來的，數(shù)控的意思就是數(shù)字控制。給機(jī)床裝上數(shù)控系統(tǒng)后，機(jī)床就成了數(shù)控機(jī)床。當(dāng)然，普通機(jī)床發(fā)展到數(shù)控機(jī)床不只是加裝系統(tǒng)這么簡單，例如：從銑床發(fā)展到加工中心，機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最主要的是加了刀庫，大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是銑、鏜、鉆的功能。 我們一般所說的數(shù)控設(shè)備，主要是指數(shù)控銑床和加工中心。 我國目前各種門類的數(shù)控機(jī)床都能生產(chǎn)，水平參差不齊，有的是世界水平，有的比國外落后10－15年，但如果國家支持，追趕起來也不是什么問題，例如：去年，沈陽機(jī)床集團(tuán)收購了德國西思機(jī)床公司，意義很大，如果大力消化技術(shù)，可以縮短不少差距。大連機(jī)床公司也從德國引進(jìn)了不少先進(jìn)技術(shù)。上海一家企業(yè)購買日本著名的機(jī)床制造商池貝。， 近幾年隨著中國制造的崛起，歐洲不少企業(yè)倒閉或者被兼并，如馬毫、斯濱納等。日本經(jīng)濟(jì)不景氣，有不少在80年代很出名的機(jī)床制造商倒閉，例如：新瀉鐵工所。 二、 數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向 六個方面：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國和瑞士的機(jī)床精度最高，綜合起來，德國的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國的機(jī)床業(yè)一般。中國大陸、韓國。臺灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應(yīng)該能進(jìn)世界前4名。 三、 數(shù)控系統(tǒng)?由顯示器、控制器伺服、伺服電機(jī)、和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。目前世界最大的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西班牙凡高等。國內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進(jìn)口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當(dāng)不錯，但差就差在電器硬件上，故障率比較高。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機(jī)床業(yè)進(jìn)軍，但機(jī)床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機(jī)床廠的簡易數(shù)控系統(tǒng)也不錯。 我們國家機(jī)床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點
數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的區(qū)別
數(shù)控機(jī)床對零件的加工過程，是嚴(yán)格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機(jī)床，與普通機(jī)床相比，具有以下明顯特點：
1. 適合于復(fù)雜異形零件的加工
數(shù)控機(jī)床可以完成普通機(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
2. 加工精度高
3. 加工穩(wěn)定可靠
實現(xiàn)計算機(jī)控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
4. 高柔性
加工對象改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，體現(xiàn)出很好的適應(yīng)性，可大大節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統(tǒng)—FMS。
5. 高生產(chǎn)率
數(shù)控機(jī)床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機(jī)床的 3～5 倍，對某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。
6. 勞動條件好
機(jī)床自動化程度高，操作人員勞動強(qiáng)度大大降低，工作環(huán)境較好。
7. 有利于管理現(xiàn)代化
采用數(shù)控機(jī)床有利于向計算機(jī)控制與管理生產(chǎn)方面發(fā)展，為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化創(chuàng)造了條件。
8. 投資大，使用費用高
9. 生產(chǎn)準(zhǔn)備工作復(fù)雜
由于整個加工過程采用程序控制，數(shù)控加工的前期準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜，包含工藝確定、程序編制等。
10. 維修困難
數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，技術(shù)含量高，對維修人員的技術(shù)要求很高。
1.2數(shù)控機(jī)床的適用范圍
由于數(shù)控機(jī)床的上述特點，適用于數(shù)控加工的零件有：
·批量小而又多次重復(fù)生產(chǎn)的零件；
·幾何形狀復(fù)雜的零件；
·貴重零件加工；
·需要全部檢驗的零件；
·試制件。
對以上零件采用數(shù)控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數(shù)控加工的優(yōu)勢。
1.3 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度
數(shù)控機(jī)床綜合了精密機(jī)械、電子、電力拖動、自動控制、自動檢測、故障診斷和計算機(jī)等多方面的技術(shù)，是典型的高精度、高效率及高柔性的機(jī)電一體化產(chǎn)品，近年 來我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)正處在突飛猛進(jìn)的階段，在數(shù)控機(jī)床的使用過程中，加工工藝和精度分析對于機(jī)床的加工效率和零件的加工精度都有重要影響，本文結(jié)合筆者 多年的操作經(jīng)驗，研究了數(shù)控加工工藝的主要步驟和精度研究中容易出現(xiàn)的問題以及解決方法。
1.3.1數(shù)控機(jī)床加工工藝分析
數(shù)控機(jī)床是是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，其數(shù)控加工工藝以自動化和高速精密性為 主。高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，數(shù)控機(jī)床的在機(jī)械加工中的作用更為突出。數(shù)控加工工藝是伴隨著數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生、 發(fā)展而不斷創(chuàng)新的一種應(yīng)用技術(shù)，所謂數(shù)控加工工藝就是用數(shù)控機(jī)床加工零件的一種工藝方法。隨著我國數(shù)控機(jī)床用戶的不斷增加，數(shù)控加工工藝在應(yīng)用的領(lǐng)域的重 要性日益突出，數(shù)控加工工藝以改善加工性能和提高加工效率為主要發(fā)展方向，并將二者融合到控制程序之中，運用自動化控制系統(tǒng)的規(guī)范處理方式，融合多種加工 方法，以達(dá)到工序集中的復(fù)合加工方式為目的，提供更高水平的加工技術(shù)，從而進(jìn)一步推動數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用與發(fā)展。數(shù)控加工技術(shù)的地位如此重要就必須首 先了解數(shù)控加工工藝的主要特點和技術(shù)原則要求：(1) 數(shù)控加工的工藝內(nèi)容要按照零件加工的要求進(jìn)行工步細(xì)化，所以在進(jìn)行施工的過程中必須要依據(jù)加工要求進(jìn)行準(zhǔn)確編程；(2) 數(shù)控加工工藝路線設(shè)計應(yīng)合理，以保證數(shù)控機(jī)床的加工所產(chǎn)生的誤差最小化；(3) 數(shù)控加工的工序相對集中，以提高加工效率，對于復(fù)雜的加工過程，需要進(jìn)行必要的數(shù)控仿真技術(shù)支持。
1.3.2數(shù)控加工工藝的設(shè)計
數(shù)控機(jī)床有著高度的自動化特點，其加工工藝要依靠數(shù)控模塊對設(shè)計好的程序進(jìn)行實施，因此要求加工的工藝線路在規(guī)劃時必須精準(zhǔn)，同時要把握好加工程序的編 制，因為編程函蓋了數(shù)控機(jī)床加工的重要內(nèi)容，也是其工藝質(zhì)量得以保證的重要指標(biāo)。對于數(shù)控機(jī)床來說，必須先有合理有效的編程工藝路線設(shè)計，然后才能保證加 工工藝進(jìn)程的完整。
1.3.3分析加工工藝路線
數(shù)控機(jī)床的加工工藝路線設(shè)計要考慮到具體的加工環(huán)節(jié)，尤其是對數(shù)控鏜銑床的加工環(huán)節(jié)更要重視，要根據(jù)具體情況做出明確的分辨。在數(shù)控車、鏜銑床或加工中心 上加工有同軸度要求的內(nèi)、外圓柱面或端面與外圓、內(nèi)孔有垂直度要求時，均應(yīng)在一次裝夾中完成。在數(shù)控鏜銑床或加工中心上加工有孔與端面有垂直度要求或平面 與平面有位置精度要求時，應(yīng)注意盡可能在一次裝夾中完成。
1.3.4編程原點的選擇
編程原點的設(shè)計基礎(chǔ)和工藝基準(zhǔn)盡量重合，避免產(chǎn)生尺寸鏈誤差及不必要的尺寸換算。設(shè)定的編程原點應(yīng)使工件容易找正，方便對刀，編程簡便，有利于編程數(shù)值 的計算。對稱零件的編程原點應(yīng)選在零件的對稱中心。在加工零件上的工件原點應(yīng)容易準(zhǔn)確的確定，盡可能使加工余量均勻。例如：以孔定位的零件，應(yīng)以孔的中心 作為編程原點，對于一些形狀不規(guī)則的零件，可在其基準(zhǔn)面( 或線) 上選擇編程原點，當(dāng)加工路線呈封閉形式時，應(yīng)在精度要求較高的表面選擇編程原點( 或加工起始點)。
1.4 模擬仿真技術(shù)
智能化模擬仿真技術(shù)，可以通過對數(shù)控機(jī)床的加工工藝路線進(jìn)行仿真模擬而得出適合加工的一種軟件控制手段，結(jié)合運用成組技術(shù)可以提高數(shù)控加工編程效率。例 如：根據(jù)其外形結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求和加工方法的相似性，把零件分成若干組，在每一組零件中選出一個代表性零件( 它可以是實際存在的，也可以是假想的，但必須包括組內(nèi)所有零件的加工要素)，根據(jù)這個代表零件模擬出一套典型的工藝規(guī)程，選定和設(shè)計一組機(jī)床及工藝設(shè)備， 并把它們組成一個專門的加工設(shè)計，如果模擬仿真技術(shù)成功就只需要略微做一下調(diào)整，便可以進(jìn)行加工生產(chǎn)。例如，運用奧匹茲分類方法拆分代號為12031 的零件結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。該零件是一個回轉(zhuǎn)體零件， 所以第一位數(shù)是1；一端有臺階，并有緊固螺紋，所以第二位數(shù)是2；無內(nèi)孔，所以第三位數(shù)是0；需要加工鍵槽，所以第四位數(shù)是3；有四個軸向孔，與其他要素 無位置要求，所以第五位數(shù)是1。按成組方式來組織零件生產(chǎn)時，首先按照零件的結(jié)構(gòu)特征、工藝特征以及加工設(shè)備的特征，將各種零件進(jìn)行分組、歸類與編碼，然 后建立每類零件的典型圖庫和成組加工工藝庫。
1.5 數(shù)控機(jī)床的精度影響及分析
數(shù)控機(jī)床的加工精度目前已經(jīng)有了高速的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的加工精度已從原來的絲級(0.01mm) 提升到目前的微米級(0.001mm)。而超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05μm 左右，形狀精度可達(dá)0.01μm 左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級(0.001μm)?？梢哉f，數(shù)控機(jī)床的精度已經(jīng)進(jìn)入亞微米、納米級超精加工時代。在這樣高精密 度要求下，必須要把握數(shù)控機(jī)床的精度分析，保證不會出現(xiàn)由于操作問題而導(dǎo)致的精度誤差。
1.5.1 間隙誤差的影響
進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)由減速齒輪、連軸節(jié)、滾珠絲杠副及支承軸承組成。在這些機(jī)構(gòu)的組成之中，如果出現(xiàn)一定的連接不穩(wěn)定就會導(dǎo)致間隙的產(chǎn)生，產(chǎn)生的間隙 就會改變整體的加工環(huán)節(jié)誤差。滾珠絲杠與螺母之間的間隙直接影響工作臺的進(jìn)給精度。設(shè)滾珠絲杠與螺母之間的間隙為SF，則反轉(zhuǎn)時造成工作臺進(jìn)給誤差 δ1=SF。不僅如此，絲杠螺母副的間隙還影響絲杠螺母副的剛度，進(jìn)而影響工作臺進(jìn)給精度。針對這些誤差問題必須要轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊僮骺刂品绞?，在機(jī)械換向 時，對換向時間和換向方式做出改變。而對于滾珠絲杠與螺母之間間隙的消除方法，要重視對間隙的偏差測定，通過反復(fù)的間隙測量來確定出具體的偏差基數(shù)，要求 測出機(jī)床各軸的各項原始誤差，比較成熟的測量方法是激光干涉儀，測量精度高。用雙頻激光干涉儀進(jìn)行誤差測量，需時間長，對操作人員調(diào)試水平要求高，主要是 對誤差測量環(huán)境要求高，常用于三坐標(biāo)測量機(jī)的檢測，不適宜生產(chǎn)現(xiàn)場操作。相對誤差分解、合成補(bǔ)償法，測量方法相對簡單，一次測量可獲得整個圓周的數(shù)據(jù)信 息，同時可以滿足機(jī)床精度的檢測和機(jī)床評價。目前也有不少的誤差分解的方法，由于機(jī)床情況各異，難以找到合適的通用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差分解，并且對測量結(jié)果 影響相同的原始誤差項不能進(jìn)行分解，也難以推廣應(yīng)用。測定之后要再將這種基數(shù)輸入到程序控制之中，這樣就可以最大限度地保證數(shù)控程序進(jìn)行時的偏差數(shù)據(jù)最小 化，做到補(bǔ)償適當(dāng)。具體的補(bǔ)償方法如下：(1) 備份CNC 控制系統(tǒng)中的已有補(bǔ)償參數(shù)；(2) 由計算機(jī)產(chǎn)生進(jìn)行逐點定位精度測量的機(jī)床CNC 程序，并傳送給CNC 系統(tǒng)；(3) 自動測量各點的定位誤差；(4) 根據(jù)指定的補(bǔ)償點產(chǎn)生一組新的補(bǔ)償參數(shù)，并傳送給CNC 系統(tǒng)，螺距自動補(bǔ)償完成；(5) 重復(fù)進(jìn)行精度驗證。除此之外，對于脈沖當(dāng)量補(bǔ)償就是指每輸出一個脈沖后數(shù)控機(jī)床移動部件相應(yīng)的移動量它的大小視機(jī)床精度而定，一般為 0.01~0.0005mm。脈沖當(dāng)量影響數(shù)控機(jī)床的加工精度，它的值取得越小，加工精度越高。當(dāng)然，數(shù)控機(jī)床的誤差調(diào)正有兩種方法，一種是靠數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ) 償，一種是調(diào)整機(jī)械部分，如果對于數(shù)控系統(tǒng)來說進(jìn)行數(shù)控補(bǔ)償程序會十分復(fù)雜困難，那么就可以通過調(diào)整絲杠間隙進(jìn)行消除。
1.5.2度的反向誤差控制
機(jī)床的動態(tài)精度，即機(jī)床各軸的定位精度P、重復(fù)定位精度Ps 和反向誤差U 等指標(biāo)。它們是以VDI/DGQ3441 的方法進(jìn)行檢測?？己藬?shù)控機(jī)床的定位精度P 是用以下公式進(jìn)行計算“P=6+L/300”式中L 代表數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的長度。針對數(shù)控機(jī)床的定位精度來說，應(yīng)該是與機(jī)床的動態(tài)精度有著密切的利害關(guān)系。其中，反向偏差的測定方法：在所測量坐標(biāo)軸的行程 內(nèi)，預(yù)先向正向或反向移動一個距離并以此停止位置為基準(zhǔn)，再在同一方向給予一定移動指令值，使之移動一段距離，然后再往相反方向移動相同的距離，測量停止 位置與基準(zhǔn)位置之差。在靠近行程的中點及兩端的三個位置分別進(jìn)行多次測定( 一般為七次)，求出各個位置上的平均值，以所得平均值中的最大值為反向偏差測量值。在測量時一定要先移動一段距離。如：數(shù)控車輪車軸專用外圓，在磨削工件 的R 與外圓直徑交界處后，發(fā)現(xiàn)有明顯的過渡不圓滑痕跡。那么在處理這類問題的時候，就要考慮該設(shè)備在磨削工件時，采用寬砂輪一次性切入磨削，砂輪修正器的金鋼 石筆安裝在工作臺上，利用工作臺Z 軸和砂輪架X軸的復(fù)合插補(bǔ)運動，使砂輪的形狀與精度修正成與工件完全一樣，再用修正好的砂輪磨削工件。由于該工件外圓形狀的特殊性，需要X 軸有正負(fù)方向的運行，在檢查時發(fā)現(xiàn)X 軸和Z 軸均有明顯的反向間隙存在，使砂輪修正作反向運行時二軸有瞬間停頓現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成輪修圓弧連接處有痕跡，最終使該現(xiàn)象發(fā)生在砂輪磨削工件的表面上。由于 絲杠螺母副之間的間隙存在，當(dāng)工作臺反向時，必產(chǎn)生反向間隙誤差而影響到工作臺送料定位精度。絲杠螺母副之間的間隙具有兩個特點：(1) 具有相對的穩(wěn)定性，即在一定范圍內(nèi)間隙是一個常數(shù)；(2) 隨著機(jī)械傳動的磨損而相應(yīng)增加。因此，在控制過程中可以預(yù)先測出其間隙，利用反向間隙的統(tǒng)計平均值，對其產(chǎn)生的定位誤差進(jìn)行軟件補(bǔ)償。在軟件設(shè)計時，只需 設(shè)計一方向寄存器，用來判斷工作臺是否換向，采用不換向不補(bǔ)償，每換向一次補(bǔ)償一次來消除絲杠螺母的反向間隙誤差。
總之，對于數(shù)控機(jī)床的加工工藝和精度分析來說，都必須要把握技術(shù)尺度，將合理地操作原理運用到具體的加工環(huán)節(jié)中去，從數(shù)控機(jī)床的加工工藝來說，要重視有關(guān) 影響數(shù)控機(jī)床加工工藝的若干問題，結(jié)合具體的工藝加工情況，采用理論聯(lián)系實際的操作方法，在編程過程中保證精準(zhǔn)、細(xì)致，對出現(xiàn)的問題也要及時進(jìn)行分析、總 結(jié)，確保整個加工工藝路線合理，以能夠有加工出色的產(chǎn)品為最終目的。從數(shù)控機(jī)床的精度分析來看，要重視研究提高數(shù)控機(jī)床加工精度的方法，首先要對加工設(shè)備 產(chǎn)生誤差原因和影響進(jìn)行合理地剖析，研究影響數(shù)控機(jī)床精度的因素，找出間隙誤差和反向誤差的處理方法，開展定位精度的測量。對于數(shù)控機(jī)床的工藝和精度控制 來說要依靠數(shù)控編程和仿真技術(shù)的完善以及具體操作的合理，來進(jìn)行合理有效的機(jī)床工藝控制，保證利用現(xiàn)今的數(shù)控技術(shù)來確保加工工藝和精度更加完美，以達(dá)到延 長數(shù)控機(jī)床使用壽命，提供加工產(chǎn)品優(yōu)秀性的目的。
1.6數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析
由于歷史的原因，我國普通加工設(shè)備多，數(shù)控加工設(shè)備少；老設(shè)備多，新設(shè)備少。許多企業(yè)的機(jī)床精度差、故障率高。通過機(jī)床數(shù)控設(shè)計使普通機(jī)床不僅具有好的加工精度，而且還具有數(shù)控機(jī)床的功能。對于中小型企業(yè)，沒有足夠的資金來購買全功能的數(shù)控機(jī)床，但是使用單板機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)型開環(huán)數(shù)控機(jī)床，具有花錢少、見效快的特點。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控技術(shù)改裝加工批量零件的機(jī)床非常合適。微機(jī)技術(shù)實現(xiàn)機(jī)床簡易數(shù)控的工作原理采用微機(jī)技術(shù)實現(xiàn)機(jī)床簡易數(shù)控的裝置，主要由單板機(jī)、控制程序、零件加工程序、驅(qū)動電源裝置，收發(fā)信板、功率步進(jìn)電機(jī)等部件組成。
圖1.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的系統(tǒng)裝置框圖。
在圖1.1所示的系統(tǒng)裝置中，單板機(jī)在控制程序的控制下，可以使數(shù)控系統(tǒng)具有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)加工工件輪廓的功能；具有進(jìn)給速度控制和快速回零的功能；具有刀具補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償?shù)墓δ?，以及其它多種功能。當(dāng)零件加工程序給出具體的位移尺寸、位移方向和進(jìn)給速度后，控制程序就會通過單板機(jī)按照所輸入的零件加工程序發(fā)出一系列的脈沖信號。經(jīng)隔離放大以后，分別驅(qū)動 向和 向功率步進(jìn)電機(jī)，使刀架按照要求的方向、速度和位移量實現(xiàn)縱向和橫向運動。從而構(gòu)成了一個經(jīng)濟(jì)型開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。用微機(jī)技術(shù)實現(xiàn)機(jī)床簡易數(shù)控優(yōu)化方案的確定原則
1.6.1控制系統(tǒng)的選擇
目前數(shù)控系統(tǒng)的類型較多，選擇前應(yīng)對被設(shè)計機(jī)床的功能有個充分了解，再依據(jù)價格合理、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便的原則選擇數(shù)控系統(tǒng)。其中和單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是用得較多的兩種系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心是系列的單片微機(jī)。它用三路驅(qū)動電路，分別控制、和向步進(jìn)電動機(jī)，它進(jìn)行機(jī)床的位移運動，并能實現(xiàn)任意二坐標(biāo)聯(lián)動或三坐標(biāo)聯(lián)動。單片機(jī)是系列微機(jī)的典型產(chǎn)品，其硬件功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單板機(jī)，尤其適合實時控制、智能儀表、自動機(jī)床，是控制類型領(lǐng)域中最理想的八位微型計算機(jī)，在全世界都得到廣泛應(yīng)用。數(shù)控裝置是三坐標(biāo)（銑床）數(shù)控系統(tǒng)，它用國際標(biāo)準(zhǔn)代碼進(jìn)行編程，除了能執(zhí)行本身的編程指令外，還能執(zhí)行二坐標(biāo)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的編程指令，而且三坐標(biāo)系統(tǒng)的各種操作方法（如輸入、修改、刪除及運行加工程序）相同于二坐標(biāo)系統(tǒng)。
選擇控制系統(tǒng)時應(yīng)該注意以下幾方面的問題：
（1）在資金充足的情況下，盡量選用質(zhì)量好的產(chǎn)品。因為此類數(shù)控系統(tǒng)零件篩選嚴(yán)格，制造工藝規(guī)范可靠，能很好地預(yù)防電器元件的故障或提前失效引起的設(shè)備故障。
（2）應(yīng)該注重數(shù)控功能的選擇，不應(yīng)單純追求數(shù)控系統(tǒng)的高性能指標(biāo)，這對實現(xiàn)較高的性能價格比非常重要。
（3）數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能要與準(zhǔn)備設(shè)計的數(shù)控機(jī)床所能達(dá)到的功能相匹配，盡量減少過剩的數(shù)控功能。
1.6.2 選擇設(shè)計對象要適宜
采用微機(jī)數(shù)控機(jī)床加工零件，必須首先編制出加工程序。通常適宜于加工具有一定批量的相類似零件。因此，在選擇適宜于進(jìn)行設(shè)計的機(jī)床時，首先必須對各類機(jī)床的零件加工情況進(jìn)行調(diào)查研究，分類統(tǒng)計，看零件有無批量，看各類批量主要在哪種機(jī)床上進(jìn)行加工，以及在哪種型號的機(jī)床上進(jìn)行加工，這樣才能確定出設(shè)計對象。一般中小銑床上的工件總是比較飽滿，成批量的零件也比較多。因此，用微機(jī)技術(shù)把中小銑床設(shè)計成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床比較適宜。對于一些中小型企業(yè)，為了充分發(fā)揮銑床的作用，更需要經(jīng)過設(shè)計的銑床。這樣既能用數(shù)控系統(tǒng)加工批量零件，又具有臥式銑床的功能，以適于加工單件零件。對于一些形狀復(fù)雜的零件，普通機(jī)床往往難于加工成形。如果采用機(jī)械仿形的方法進(jìn)行加工，在不成批量的情況下很不合算。這時，用微機(jī)技術(shù)設(shè)計機(jī)床，就可以使問題得到解決，明顯提高企業(yè)加工能力。編程要比制作靠模容易得多，靈活得多。用數(shù)控機(jī)床加工形狀復(fù)雜的零件是非常適宜的。
1.6.3 機(jī)床的機(jī)械設(shè)計范圍要適當(dāng)
機(jī)床設(shè)計范圍的大小，應(yīng)根據(jù)機(jī)床自身精度及性能來決定。以臥式銑床為例加以說明。對于舊銑床的設(shè)計范圍，一般都是把原來的機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)，由主軸箱通過掛輪箱帶動進(jìn)給變速箱，將運動傳給光杠或絲杠。然后再驅(qū)動溜板運動的傳動過程，設(shè)計為由功率步進(jìn)電機(jī)通過消隙減速齒輪，直接帶動滾珠絲杠，使刀架分別實現(xiàn)縱向運動和
橫向運動，進(jìn)行兩個坐標(biāo)的控制。對于精度符合要求的銑床，為了實現(xiàn)簡易數(shù)控設(shè)計，一般都是對銑床的部件基本不動，只是把床鞍的縱向滑動絲杠副設(shè)計為縱向滾珠絲杠副。在縱向滾珠絲杠的右端安裝一套消隙減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)。同時也把中滑板的橫向滑動絲杠副設(shè)計為橫向滾珠絲杠副，在橫向滾珠絲杠的外端安裝一套消隙減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)，從而使銑床的縱向和橫向運動既能用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，又能由操作者進(jìn)行普通操作。在機(jī)床設(shè)計過程中，只要把溜板箱中的開合螺母及中滑板上的滑動螺母拆除，在合適的位置上安裝好滾珠螺母座即可。在電氣控制方面，為了避免數(shù)控操作與普通操作相干涉，發(fā)生操作失誤現(xiàn)象，必須有電氣連鎖開關(guān)控制操作轉(zhuǎn)換。對于全新或較新銑床，在進(jìn)行簡易數(shù)控設(shè)計時，一般都是全部保留機(jī)床的零部件。直接把消隙減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)分別按裝在縱向滑動絲杠的右端和橫向滑動絲杠的外端。從而也可以使銑床同時具有普通操作功能和簡易數(shù)控功能。
1.6.4 輔助設(shè)計要合適
如果在設(shè)計后的簡易數(shù)控銑床上，采用一把刀可以完成全部車工工序，就沒有必要對刀架進(jìn)行設(shè)計。但有時會出現(xiàn)一個工件需要兩把刀或幾把刀來分別完成兩個或幾個工序的情況，這時可根據(jù)每把刀的使用情況，分別進(jìn)行編程，通過一個程序，使用一把刀，來完成一個工序。使原來普通操作使用的刀架在數(shù)控操作時也可以使用。這樣，根據(jù)設(shè)計后銑床的主要加工對象，確定刀架是否需要進(jìn)行設(shè)計，可以使設(shè)計費用使用得更加合理，避免發(fā)生設(shè)計過?，F(xiàn)象。如果設(shè)計后的簡易銑床，主要用來加工比較復(fù)雜的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部車工工序，就必須對刀架部件進(jìn)行設(shè)計。一般可采用安裝有四把刀、由鼠牙盤定位、進(jìn)行絕對刀位控制的自動回轉(zhuǎn)刀架比較合適。重復(fù)定位誤差可小于 ，精度持久性比較好。這種刀架出廠時，就規(guī)定了刀號位置。當(dāng)需要幾號刀在加工位置時，只需對該刀控制信號口發(fā)出信號，刀架就會自動轉(zhuǎn)到需要的位置。設(shè)計后的簡易數(shù)控銑床需要加工螺紋時，可以在主軸后端同軸安裝或異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信號反饋元件。目的是為了檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，并且將其變化情況輸送給單板機(jī)，使單板機(jī)能按照所需加工的螺距進(jìn)行處理?？刂瓶v向步進(jìn)電機(jī)運動，通過縱向滾珠絲杠帶動刀架完成螺紋加工。
4.結(jié)束語
采用微機(jī)技術(shù)設(shè)計普通機(jī)床，選用優(yōu)化方案，實現(xiàn)簡易數(shù)控，對機(jī)床結(jié)構(gòu)改動不大，安裝簡單，操作簡便，測量精度較高，可以使機(jī)床實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)效率，減輕工人勞動強(qiáng)度，適于加工具有復(fù)雜形狀的零件和小批量零件。產(chǎn)品精度一般可以提高個等級，工效提高 ，改裝費用幾個月即可收回。這種技術(shù)在我國中小企業(yè)中，是適合于廣泛推廣的技術(shù)。
1.7數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向
高速化、高精度化、高可靠性、復(fù)合化、智能化、柔性化、集成化和開放性是當(dāng)今數(shù)控機(jī)床行業(yè)的主要發(fā)展方向。
數(shù)控技術(shù)的問世已有40多年的歷史，它是由機(jī)械學(xué)、控制學(xué)、電子學(xué)、計算機(jī)科學(xué)四大基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起來的一門綜合性新型學(xué)科。技術(shù)發(fā)展的需要對21 世紀(jì)的數(shù)控技術(shù)提出了更高的要求。
1.7.1 個性化的發(fā)展趨勢
1.高速化、高精度化、高可靠性
高速化：提高