畢業(yè)設計（論文）-CA6140普通車床的數控技術改造（機械部分）（全套圖紙）

1 全套全套 CAD 圖紙，聯系圖紙，聯系 153893706 前言前言 時光匆匆，大學四年的學習和生活即將結束。為了全面檢驗四年來我們理 論知識學習的質量和培養(yǎng)走向工作崗位獨立自主的工作能力，按照學院的教學 大綱要求，我們進行了大學生活中最重要的教學環(huán)節(jié)畢業(yè)設計。 在本次設計中，我的設計題目是：CA6140 普通車床的數控技術改造（機 械部分） 。在設計中，就我個人而言，我希望能在這次設計中鍛煉自己分析問 題，解決問題的能力，為今后參加工作打下以各良好的基礎。使自己得到了最 基本的技能訓練，尤其是運用 CAD 制圖，使我有機會把本專業(yè)的知識同計算 機知識結合在一起。 此次設計是在指導老師張振金老師的悉心指導下，充分發(fā)揮自己獨立思考 的能力而完成的。在設計中，我查閱了大量有關資料，多次到沈陽機床廠的生 產一線調研，充分了解了本設備的實際運行情況。 由于本人理論水平有限，缺乏現場工作經驗，在設計中，難免有這樣或那 樣的錯誤與缺點，在此我誠懇希望各位老師給予我最直接的批評與指正，以便 使我以后取得更大的進步。 最后，特向在本次設計中給予我?guī)椭睦蠋焸儽硎疚矣芍缘母兄x。 設計者： 2006 年 6 月 20 日 2 目錄目錄 前言前言-1 1 摘要摘要-5 5 ABSTRACTABSTRACT-6 6 第一章第一章 緒論緒論-7 7 一一 數控系統發(fā)展及趨勢數控系統發(fā)展及趨勢-7 7 （一）國內外數控系統發(fā)展概況（一）國內外數控系統發(fā)展概況 -7 7 （二）數控技術發(fā)展趨勢（二）數控技術發(fā)展趨勢 -7 7 （三）智能化新一代（三）智能化新一代 PCNCPCNC 數控系統數控系統 -1010 二二 普通機床數控改造的必要性普通機床數控改造的必要性-1111 （一）微觀看改造的必要性（一）微觀看改造的必要性 -1111 （二）宏觀看改造的必要性（二）宏觀看改造的必要性 -1212 三三 數控改造的內容及優(yōu)缺點數控改造的內容及優(yōu)缺點-1212 （一）國外改造業(yè)的興起（一）國外改造業(yè)的興起 -1212 （二）數控化改造的內容（二）數控化改造的內容 -1313 （三）機床數控化改造的優(yōu)缺點（三）機床數控化改造的優(yōu)缺點 -1313 四四 數控機床機構組成、特點及分類數控機床機構組成、特點及分類-1414 （一）數控機床的組成（一）數控機床的組成 -1414 （二）數控機床機構的特點（二）數控機床機構的特點 -1616 （三）數控機床的分類（三）數控機床的分類 -1919 五五 普通機床數控化改造市場普通機床數控化改造市場-2222 （一）改造的市場（一）改造的市場 -2222 （二）進口設備和生產線的數控化改造市場（二）進口設備和生產線的數控化改造市場 -2222 第二章第二章 C6140C6140 普通車床數改的總體方案普通車床數改的總體方案 -2424 一一 總體方案總體方案-2424 （一）主傳動系統和進給系統的改造（一）主傳動系統和進給系統的改造 -2424 （二）主軸脈沖發(fā)生器（二）主軸脈沖發(fā)生器 -2525 （三）主軸脈沖發(fā)生器的結構及原理（三）主軸脈沖發(fā)生器的結構及原理 -2626 第三章第三章 數改數改 C6140C6140 車床傳動裝置設計車床傳動裝置設計-2727 一一 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副-2727 3 （一）滾珠絲杠副的工作原理、特點及類型（一）滾珠絲杠副的工作原理、特點及類型 -2828 （二）滾珠絲杠副的結構（二）滾珠絲杠副的結構 -2929 二二 縱向進給系統的設計與計算縱向進給系統的設計與計算-3232 （一）縱向進給系統的設計計算（一）縱向進給系統的設計計算 -3232 （二）滾珠絲杠設計計算（二）滾珠絲杠設計計算 -3434 （三）齒輪及轉距的有關計算（三）齒輪及轉距的有關計算 -3939 三三 橫向進給系統的設計與計算橫向進給系統的設計與計算-4242 （一）橫向進給系統的設計計算（一）橫向進給系統的設計計算 -4343 （二）滾珠絲杠設計計算（二）滾珠絲杠設計計算 -4444 （三）齒輪及轉矩有關計算（三）齒輪及轉矩有關計算 -4646 四四 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊方法滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊方法-4747 五五 滾珠絲杠副的安裝結構滾珠絲杠副的安裝結構-5050 （一）支承結構（一）支承結構 -5050 六六 進給系統傳動齒輪間隙的消除進給系統傳動齒輪間隙的消除-5151 （一）采用減速箱的目的及注意事項（一）采用減速箱的目的及注意事項 -5151 （二）減少或消除空程的必要性和方法（二）減少或消除空程的必要性和方法 -5151 第四章第四章 數改數改 C6140C6140 自動刀架設計自動刀架設計-5353 一一 自動刀架的分類自動刀架的分類-5353 二二 自動刀架的設計自動刀架的設計-5353 第五章第五章 數改數改 61406140 步進電機的設計步進電機的設計-5656 一一 步進電機的工作方式步進電機的工作方式-5656 二二 步進電機的選擇步進電機的選擇-5656 （一）步進電機選用的基本原則（一）步進電機選用的基本原則 -5656 （二）數改（二）數改 C6140C6140 縱向進給系統步進電機的確定縱向進給系統步進電機的確定 -5858 （三）數改（三）數改 C6140C6140 橫向進給系統步進電機的確定橫向進給系統步進電機的確定 -5858 第六章第六章 數改數改 61406140 車床導軌設計車床導軌設計-6060 一一 導軌的作用導軌的作用-6060 二二 塑料導軌軟帶塑料導軌軟帶-6060 第七章第七章 數控系統硬件電路設計數控系統硬件電路設計-6363 一一 數控系統基本硬件組成數控系統基本硬件組成-6363 4 二二 單板機控制系統的設計單板機控制系統的設計-6464 第八章第八章 CA6140CA6140 生產成本及經濟技術分析生產成本及經濟技術分析 -6666 第九章第九章 結結 論論-6767 參考文獻參考文獻-6868 專題：專題：-7070 高速切削的刀具材料及切削技術的應用高速切削的刀具材料及切削技術的應用 -7070 附錄附錄:外文文獻外文文獻-7979 NumericalNumerical ControlControl -7979 附錄附錄:中文翻譯中文翻譯-9292 數字控制數字控制 -9292 致致 謝謝-10104 4 5 摘要摘要 我國是世界上機床產量最多的國家，但數控機床的產品競爭力在國際市場 中仍處于較低水平，即使在國內市場也面臨著嚴峻的形勢：一方面國內市場對 各類機床產品特別是數控機床有大量的需求，而另一方面卻有不少國產機床滯 銷積壓，國外機床產品充斥市場，嚴重影響我國數控機床自主發(fā)展的勢頭。這 種現象的出現，除了有經營上、產品質量上和促銷手段上等的原因外，一個最 主要的原因就是新產品（包括基型、變型和專用機床）的開發(fā)周期長，不能及 時針對用戶的需求提供滿意的產品。 普通機床的數控化改造事業(yè)方興未艾，在我國目前形式下將大批故障機床 尤其是一大批閑置的普通機床進行改造、升級，以較小的投入盡快使這批設備 在經濟發(fā)展中發(fā)揮效能、創(chuàng)造效益，的確是許多企業(yè)的一項不可忽視的課題。 關鍵詞關鍵詞: 脈沖發(fā)生器 滾珠絲杠 滾珠絲杠螺母副 自動刀架 塑料導軌軟帶 Abstract 6 My national yes machine output mos statet state in the world,the product competitive power at international market suffer still get off to inferiority level , of the therefor numerically-controlled machine , granted that at home market too be faced with austere posture:on the one hand domestic market versus all manner of tool product especially numerically-controlled machine be covered with demand,whereas on the other hand refuse have got not a little made in ones country tool dull sale overstock,abroad tool product overflow market,had a strong impact on me national numerically- controlled machine independence extend momenta into.show such phenomenal face,except to have got manage upper, product quality upper sum sales promotion instrument good cause besides,the development cycle length of the both one upmost cause namely novelty（include fundamental mode, derivative and special machine）, be be incapable of in season aim at users demand supply satisfied product. General machine tool numerical control melt reclaim undertaking be in the ascendant from, upratein our country for the moment form down move in bulk malfunction tool above all crowd idle general machine tool proceed rebuild, up upgrade,withal lesser project into as soon as possible gotten these batch EQUIPment at economic development exert EFFiciency, create benefit,the one term nonnegligible problem of the forsooth yes heap enterprise. Keywords:Keywords: Impulse generator Ball screw Ball screw nut deputy Automatism knife rest Plastic rack soft strap 第一章第一章 緒論緒論 7 一一 數控系統發(fā)展及趨勢數控系統發(fā)展及趨勢 （一）國內外數控系統發(fā)展概況（一）國內外數控系統發(fā)展概況 隨著計算機技術的高速發(fā)展，傳統的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā) 達國家投入巨資，對現代制造技術進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在 現代制造系統中，數控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自 動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特 點，對制造業(yè)實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前， 數控技術正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式 實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型、超 小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多 學科技術，數控系統實現了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、 調節(jié)與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上， CAD/CAM 與數控系統集成為一體，機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。 長期以來，我國的數控系統為傳統的封閉式體系結構，CNC 只能作為非智 能的機床運動控制器。加工過程變量根據經驗以固定參數形式事先設定，加工 程序在實際加工前用手工方式或通過 CAD/CAM 及自動編程系統進行編制。 CAD/CAM 和 CNC 之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中 CNC 只是一個封閉式 的開環(huán)執(zhí)行機構。在復雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件 材料、主軸轉速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參 數，無法在現場環(huán)境下根據外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調整，更無法通過反 饋控制環(huán)節(jié)隨機修正 CAD/CAM 中的設定量，因而影響 CNC 的工作效率和產品加 工質量。由此可見，傳統 CNC 系統的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構， 限制了 CNC 向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應日益復雜的制造過程，因此， 對數控技術實行變革勢在必行。 （二）數控技術發(fā)展趨勢（二）數控技術發(fā)展趨勢 1 性能發(fā)展方向 (1) 高速高精高效化 8 速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數 字伺服系統，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高 精高效化已大大提高。 (2) 柔性化 包含兩方面：數控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋 面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統的柔性，同一群控系 統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調整，從而最 大限度地發(fā)揮群控系統的效能。 (3) 工藝復合性和多軸化 以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸、多系列控制 功能方向發(fā)展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通 過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。 數控技術軸，西門子 880 系統控制軸數可達 24 軸。 (4) 實時智能化 早期的實時系統通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調度任務， 以確保任務在規(guī)定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種 智能行為?？茖W技術發(fā)展到今天，實時系統和人工智能相互結合，人工智能正 向著具有實時響應的、更現實的領域發(fā)展，而實時系統也朝著具有智能行為的、 更加復雜的應用發(fā)展，由此產生了實時智能控制這一新的領域。在數控技術領 域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應控制、模糊 控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如在數控系統中 配備編程專家系統、故障診斷專家系統、參數自動設定和刀具自動管理及補償 等自適應調節(jié)系統，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、 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，使數控 系統的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。 2 功能發(fā)展方向 (1) 用戶界面圖形化 用戶界面是數控系統與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要 求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機軟件研制中最 困難的部分之一。當前 INTERNET、虛擬現實、科學計算可視化及多媒體等技 術也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使 9 用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色 立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部 顯示比例縮放功能的實現。 (2) 科學計算可視化 科學計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于 用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息?？梢暬?術與虛擬環(huán)境技術相結合，進一步拓寬了應用領域，如無圖紙設計、虛擬樣機 技術等，這對縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。 在數控技術領域，可視化技術可用于 CAD/CAM，如自動編程設計、參數自動設 定、刀具補償和刀具管理數據的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演 示等。 (3) 插補和補償方式多樣化 多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺 紋插補、極坐標插補、2D+2 螺旋插補、NANO 插補、NURBS 插補(非均勻有理 B 樣條插補)、樣條插補(A、B、C 樣條)、多項式插補等。多種補償功能如間隙 補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、與速度相關的 前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償等。 (4) 內裝高性能 PLC 數控系統內裝高性能 PLC 控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具 有直觀的在線調試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標準 PLC 用戶程序實例，用戶可在標準 PLC 用戶程序基礎上進行編輯修改，從而方便地 建立自己的應用程序。 (5) 多媒體技術應用 多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲 音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數控技術領域，應用多媒體技術可以做 到信息處理綜合化、智能化，在實時監(jiān)控系統和生產現場設備的故障診斷、生 產過程參數監(jiān)測等方面有著重大的應用價值。 3 體系結構的發(fā)展 (1) 集成化 采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐?FPGA、EPLD、CPLD 以及專用集成電路 ASIC 芯片，可提高數控系統的集成度和 軟硬件運行速度。應用 FPD 平板顯示技術，可提高顯示器性能。平板顯示器具 10 有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點，可實現超大尺寸 顯示，成為和 CRT 抗衡的新興顯示技術，是 21 世紀顯示技術的主流。應用先 進封裝和互連技術，將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密 度、減少互連長度和數量來降低產品價格，改進性能，減小組件尺寸，提高系 統的可靠性。 (2) 模塊化 硬件模塊化易于實現數控系統的集成化和標準化。根據不同的功能需求， 將基本模塊，如 CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊， 作成標準的系列化產品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減，構成 不同檔次的數控系統。 (3) 網絡化 機床聯網可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯網，可在任何一臺機 床上對其它機床進行編程、設定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在 每一臺機床的屏幕上。 (4) 通用型開放式閉環(huán)控制模式 采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結構，便于裁 剪、擴展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數控系統。閉 環(huán)控制模式是針對傳統的數控系統僅有的專用型單機封閉式開環(huán)控制模式提出 的。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過程，包 含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此， 要實現加工過程的多目標優(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)調整加工過程變量。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、網絡技術、多媒體技術、CAD/CAM、伺服 控制、自適應控制、動態(tài)數據管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術融于 一體，構成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現集成化、智能化、網絡化。 （三）智能化新一代 PCNC 數控系統 當前開發(fā)研究適應于復雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結構的、智能化 新一代 PCNC 數控系統已成為可能。 智能化新一代 PCNC 數控系統將計算機智能技術、網絡技術、CAD/CAM、伺 服控制、自適應控制、動態(tài)數據管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術融 11 于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。 二二 普通機床數控改造的必要性普通機床數控改造的必要性 （一）微觀看改造的必要性 從微觀上看，數控機床比傳統機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性 均來自數控系統所包含的計算機的威力。 (1) 可以加工出傳統機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應 該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 (2) 可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統機床 提高 37 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，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序， 就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱 為實現了“柔性自動化“。 (3) 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“。 (4 ) 可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長 時間無人看管加工。 由以上五條派生的優(yōu)點： (1)降低了工人的勞動強度； (2)節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床） ； (3)減少了工裝；縮短了新產品試制周期和生產周期； (4)可對市場需求作出快速反應等等。 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 數控化還是推行 FMC（柔性制造單元） 、FMS（柔性制造系統）以及 12 CIMS（計算機集成制造系統）等企業(yè)信息化改造的基礎。數控技術已經成為 制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。 （二）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)模應用數控機床。其本質是，采用信息技術對傳統產業(yè)（包括軍、 民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、FMC、FMS 外， 還包括在產品開發(fā)中推行 CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推 行 MIS（管理信息系統） 、CIMS 等等。以及在其生產的產品中增加信息技術， 包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、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。而我們在信息技術改造傳統產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如 我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）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品進口。這也就從宏觀上 說明了機床數控化改造的必要性。 三三 數控改造的內容及優(yōu)缺點數控改造的內容及優(yōu)缺點 （一）國外改造業(yè)的興起（一）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)進入到以數控技術為主的新 的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場， 已形成了機床和生產線數控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再 生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、 ayton 機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US 設備公司等。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（Retrofitting） 13 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。 （二）數控化改造的內容（二）數控化改造的內容 機床與生產線的數控化改造主要內容有以下幾點： （1）是恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復； （2）是 NC 化，在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統，改造成 NC 機床、CNC 機床； （3）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，恢復原精度；對其不滿足生產要求的 CNC 系統以最新 CNC 進行更新； （4）是技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、 新技術,在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度地提高 水平和檔次的更新改造。 （三）機床數控化改造的優(yōu)缺點（三）機床數控化改造的優(yōu)缺點 1. 減少投資額、交貨期短 同購置新機床相比，一般可以節(jié)省 6080的費用，改造費用低。特 別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的 1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與 安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高 23 倍，與購置新機床相比，只能 節(jié)省投資 50左右。 2. 機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限 所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是那種焊接 構件，改造后的機床性能高、質量好，可以作為新設備繼續(xù)使用多年。但是受 到原來機械結構的限制，不宜做突破性的改造。 3. 熟悉了解設備、便于操作維修 購買新設備時，不了解新設備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以 14 精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早 已了解，在操作使用和維修方面培訓時間短，見效快。改造的機床一安裝好， 就可以實現全負荷運轉。 4. 可充分利用現有的條件 可以充分利用現有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基。 5. 可以采用最新的控制技術 可根據技術革新的發(fā)展速度，及時地提高生產設備的自動化水平和效率， 提高設備質量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。 四四 數控機床機構組成、特點及分類數控機床機構組成、特點及分類 （一）數控機床的組成（一）數控機床的組成 數控機床外形一般分為五部分，組成框圖如圖 11 所示。 1. 機床主機 機床主機是數控機床的主體，它包括床身、主柱、主軸、進給機構等機械 圖1-1 數控機床組成框圖 編程機等 附屬機構 驅 動 裝 置 數字控制系統 機床主機 輔 助 裝 置 15 部件。 2. 數字控制系統 是數控機床的核心。當前一般采用計算機數控（Computered Numerical Control 簡稱 CNC）系統。它是一臺專用控制計算機，包括硬件（印制電路板、 顯示器、鍵盤、閱讀機等）項控制功能。 現代數控機床的數控系統都具有下面一些功能： (1)多坐標控制（多軸聯動） 。 (2)實現多種函數的插補運算：直線、圓弧、拋物線、正弦線等。 (3)代碼轉換：EIA/ISO 轉換、英制/公制轉換、二/十進制轉換、絕對值/增 量值轉換等。 (4)人機對話：手動數據輸入，加工程序輸入，編輯及修改等。 (5)加工選擇：各種加工循環(huán)，重復加工，凹（凸）模加工，鏡象加工等。 (6)實現各種補償功能：進行刀具半徑、刀具長度、傳動間隙、螺距誤差 的補償。 (7)實現系統故障診斷。 (8)屏幕顯示：實現圖形、軌跡、字符顯示。 (9)聯網及通信功能。 3. 驅動裝置 驅動裝置是數控機床執(zhí)行機構的驅動部件。一般通用機床的主軸和進給系 統是由電動機驅動主軸箱中轉動齒輪來實現速度變換和加工運動。 4. 輔助裝置 輔助裝置是保證數控機床的功能得以充分發(fā)揮的配套部件。它包括的面很 廣，有電器、液壓、氣壓等器件及系統，冷卻、潤滑、輸送等裝置，由于它們 對發(fā)揮數控機床功能起重要作用，因此受到重視，發(fā)展極為迅速。 16 5. 其它附屬設備 為了提高數控機床工作效率，常常還配置一些附屬設備，如自動編程機， 機外對刀儀等。 （二）數控機床機構的特點（二）數控機床機構的特點 在數控機床發(fā)展的最初階段，其機械結構與通用機床相比沒有多大的變化， 只是在自動變速、刀架和工作臺自動轉位和手柄操作等方面作些改變。隨著數 控技術的發(fā)展，考慮到它的控制方式和使用特點，才對機床的生產率、加工精 度和壽命提出了更高的要求。數控機床的主體機構有以下特點： （1）由于采用了高性能的無級變速主軸及伺服傳動系統，數控機床的極 限傳動結構大為簡化，傳動鏈也大大縮短； （2）為適應連續(xù)的自動化加工和提高加工生產率，數控機床機械結構具 有較高的靜、動態(tài)剛度和阻尼精度，以及較高的耐磨性，而且熱變形??； （3）為減小摩擦、消除傳動間隙和獲得更高的加工精度，更多地采用了 高效傳動部件，如滾珠絲杠副和滾動導軌、消隙齒輪傳動副等； （4）為了改善勞動條件、減少輔助時間、改善操作性、提高勞動生產率， 采用了刀具自動夾緊裝置、刀庫與自動換刀裝置及自動排屑裝置等輔助裝置。 根據數控機床的適用場合和機構特點，對數控機床結構因提出以下要求： 1、較高的機床靜、動剛度 數控機床是按照數控編程或手動輸入數據方式提供的指令自動進行加工的。 由于機械結構（如機床床身、導軌、工作臺、刀架和主軸箱等）的幾何精度與 變形產生的定位誤差在加工過程中不能人為地調整與補償，因此，必須把各處 機械結構部件產生的彈性變形控制在最小限度內，以保證所要求的加工精度與 表面質量。 為了提高數控機床主軸的剛度，不但經常采用三支撐結構，而且選用鋼性 很好的雙列短圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承鉸接出相信忒力軸承 ，以 減小主軸的徑向和軸向變形。為了提高機床大件的剛度，采用封閉界面的床身， 并采用液力平衡減少移動部件因位置變動造成的機床變形。為了提高機床各部 件的接觸剛度，增加機床的承載能力，采用刮研的方法增加單位面積上的接觸 17 點，并在結合面之間施加足夠大的預加載荷，以增加接觸面積。這些措施都能 有效地提高接觸剛度。 為了充分發(fā)揮數控機床的高效加工能力，并能進行穩(wěn)定切削，在保證靜態(tài) 剛度的前提下，還必須提高動態(tài)剛度。常用的措施主要有提高系統的剛度、增 加阻尼以及調整構件的自振頻率等。試驗表明，提高阻尼系數是改善抗振性的 有效方法。鋼板的焊接結構既可以增加靜剛度、減輕結構重量，又可以增加構 件本身的阻尼。因此，近年來在數控機床上采用了鋼板焊接結構的床身、立柱、 橫梁和工作臺。封砂鑄件也有利于振動衰減，對提高抗振性也有較好的效果。 2、減少機床的熱變形 在內外熱源的影響下，機床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，使工件與刀 具之間的相對運動關系遭到破環(huán)，也是機床季度下降。對于數控機床來說，因 為全部加工過程是計算的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴重。為了減少熱 變形，在數控機床結構中通常采用以下措施。 （1）減少發(fā)熱 機床內部發(fā)熱時產生熱變形的主要熱源，應當盡可能地將熱源從主機中分 離出去。 （2）控制溫升 在采取了一系列減少熱源的措施后，熱變形的情況將有所改善。但要完全 消除機床的內外熱源通常是十分困難的，甚至是不可能的。所以必須通過良好 的散熱和冷卻來控制溫升，以減少熱源的影響。其中部較有效的方法是在機床 的發(fā)熱部位強制冷卻，也可以在機床低溫部分通過加熱的方法，使機床各點的 溫度趨于一致，這樣可以減少由于溫差造成的翹曲變形。 （3）改善機床機構 在同樣發(fā)熱條件下，機床機構對熱變形也有很大影響。如數控機床過去采 用的單立柱機構有可能被雙柱機構所代替。由于左右對稱，雙立柱機構受熱后 的主軸線除產生垂直方向的平移外，其它方向的變形很小，而垂直方向的軸線 移動可以方便地用一個坐標的修正量進行補償。 對于數控車床的主軸箱，應盡量使主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方 向上。這就可以使主軸熱變形對加工直徑的影響降低到最小限度。在結構上還 應盡可能減小主軸中心與主軸向地面的距離，以減少熱變形的總量，同時應使 主軸箱的前后溫升一致，避免主軸變形后出現傾斜。 18 數控機床中的滾珠絲杠常在預計載荷大、轉速高以及散熱差的條件下工作， 因此絲杠容易發(fā)熱。滾珠絲杠熱生產造成的后果是嚴重的，尤其是在開環(huán)系統 中，它會使進給系統喪失定位精度。目前某些機床用預拉的方法減少絲杠的熱 變形。對于采取了上述措施仍不能消除的熱變形，可以根據測量結果由數控系 統發(fā)出補償脈沖加以修正。 3、減少運動間的摩擦和消除傳動間隙 數控機床工作臺（或拖板）的位移量十一脈中當量為最小單位的，通常又 要求能以基地的速度運動。為了使工作臺能對數控裝置的指令作出準確響應， 就必須采取相應的措施。目前常用的滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌在摩擦阻 尼特性方面存在著明顯的差別。在進給系統中用滾珠絲杠代替滑動絲杠也可以 收到同樣的效果。目前，數控機床幾乎無一例外地采用滾珠絲杠傳動。 數控機床（尤其是開環(huán)系統的數控機床）的加工精度在很大程度上取決于 進給傳動鏈的精度。除了減少傳動齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個重 要措施是采用無間隙傳動副。對于滾珠絲杠螺距的累積誤差，通常采用脈沖補 償裝置進行螺距補償。 4、提高機床的壽命和精度保持性 為了提高機床的壽命和精度保持性，在設計時應充分考慮數控機場零部件 的耐磨性，尤其是機床導軌、進給伺港機主軸部件等影響進度的主要零件的耐 磨性。在使用過程中，應保證數控機床各部件潤滑良好。 5、減少輔助時間和改善操作性能 在數控機床的單件加工中，輔助時間（非切屑時間）占有較大的比重。要 進一步提高機床的生產率，就必須采取促使最大限度地壓縮輔助時間。目前已 經有很多數控機床采用了多主軸、多刀架、以及帶刀庫的自動換刀裝置等，以 減少換刀時間。對于切屑用量加大的數控機床，床身機構必須有利于排屑。 （三）數控機床的分類（三）數控機床的分類 目前，數控機床品種已經基本齊全，規(guī)格繁多，據不完全統計已有 400 多 個品種規(guī)格?？梢园凑斩喾N原則來進行分類，但歸納起來，常見的是以下面三 19 種方法來分析類。 1. 按工藝用途分類 (1)一般數控機床 這類機床和傳統的通用機床品種一樣，有數控車、銑、鏜、鉆、磨等，而 且每一類又有很多品種，例如數控銑床中就有立銑、臥銑、龍門銑等，這類機 床的工藝可能性和通用機床相似，所不同的是它能加工復雜形狀的零件。 (2)數控加工中心機床 這類機床是在一般數控機床的基礎上發(fā)展起來的，它是一般數控機床上加 裝一個刀庫（可容納 10100 多把刀具）和自動換刀裝置而構成的一種帶自動 換刀裝置的數控機床（又稱多工序數控機床） ，這使數控機床更進一步地向自 動化和高效化方向發(fā)展。 它和一般數控機床的區(qū)別是：工件經一次裝夾后， 數控裝置就能控制機床自動地更換刀具，連續(xù)地對工件各加工面自動地完成銑、 鏜、鉆、鉸及攻絲等多工序加工。這類機床大多是以鏜銑為主，主要用來加工 箱體零件。 (3)多坐標數控機床 有些復雜形狀的零件，用三坐標的數控機床還是無法加工，如螺旋架、飛 機曲面零件的加工等，需要三個以上坐標的合成運動才能加工出所需的形狀， 于是出現了多坐標的數控機床。其特點是數控裝置控制的軸數較多，機床結構 也比較復雜。其坐標軸數通常取決于加工零件的工藝要求，現在常用的是 46 坐標的數控機床，最多可達 24 坐標。 (4)計算機群控 計算機群控也稱為直接數控（DNC）系統，它是一臺大型通用計算機直 接控制一群數控機床的系統。 2. 按運動方式分類 (1)點位控制數控機床 這類機床的數控裝置只能控制機床移動部件從一個裝置（點）精確地移動 20 圖1-3半閉環(huán)控制系統框圖 指令 位置比 較電路 速度控 制電路 B A 工作臺 圖1-2 開環(huán)控制系統框 輸入 步 進 電 機 數 控 裝 置 指令 機床工作 臺 到另一個位置（點） ，在移動過程中不進行任何切削加工，至于相關點之間的 移動速度及路線則取決于生產率。 (2)點位直線控制數控機床 這類機床工作時，不僅要控制兩相關點之間位置，還要控制兩相關點之間 的移動速度和路線（即軌跡） 。 (3)輪廓控制數控機床 這種機床的控制裝置能夠同時對兩個或兩個以上的坐標軸進行連續(xù)控制。 3. 按控制方式分類 (1)開環(huán)控制數控機床 在開環(huán)控制中，機床沒有檢測反饋裝置，如圖 12 所示，數控裝置發(fā)出信號 的流程是單向的，所以不存在系統穩(wěn)定性問題。也正是由于信號的單向流程， 它對機床移動部件的實際位置不作檢測，所以機床加工精度不高，其精度主要 取決于伺服系統的性能。其工作過程是：輸入的數據經過數控裝置運算分配出 指令脈沖，通過伺服機構（伺服元件常為步進電機）使被控工作臺移動。這種 機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調試方便，維修簡單，但其控制精度受到限制。 它適用于一般要求的中、小型數控機床。 (2)半閉環(huán)控制數控機床 半閉環(huán)數控系統的組成框圖如圖 13 所示。這種控制方式對工作臺的 21 圖1-4 閉環(huán)控制系統框圖 速度反饋 位置反饋 指令 位置比 較電路 速度控 制電路 A 伺服 電機 C 實際位置進行檢查測量，而是通過與伺服電機有聯系的測量元件，如測速發(fā)電 機 A 和光電編碼盤 B 等間接檢測出伺服電機的轉角，推算出工作臺的實際位 置量，用此值與指令值進行比較，用差值來實現控制。由于工作臺沒有完全包 括在控制回路內，因而稱之為半閉環(huán)控制。這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間， 精度沒有閉環(huán)高，高度卻比閉環(huán)方便。 (3)閉環(huán)控制數控機床 由于開環(huán)控制精度達不到精密機床和大型機床的要求，所以必須檢測它的 實際工作位置。為此，在開環(huán)控制數控機床上增加檢測反饋裝置，在加工 中時刻檢測機床移動部件的位置，使之和數控裝置所要求的位置相符合，以期 達到很高的加工精度。閉環(huán)控制系統框圖如圖 14 所示。圖中 A 為速度測量 元件，C 為位置測量元件。 五五 普通機床數控化改造市場普通機床數控化改造市場 （一）改造的市場（一）改造的市場 22 我國目前機床總量 380 余萬臺，而其中數控機床總數只有 11.34 萬臺，即 我國機床數控化率不到 3。近 10 年來，我國數控機床年產量約為 0.60.8 萬