1、第一章 概论 一、数控系统发展简史 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 二、国内数控机床状况分析 （一）国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有 较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以 FMS
2、 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001 年，我国机床工业产值已进入世界第 5 名，机床消费额在世界排名上升到第 3 位，达 47.39 亿美元，仅次于美国的 53.67 亿美元，消费额比上一年增长 25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001 年进口机床跃升至世界第 2 位，达 24.06 亿美元，比上年增长 27.3%。 近年来我国出口额增幅较大的 数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压
3、力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。 （二）国内数控机床的特点 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2001 年国内数控金切机床产量已达 1.8 万台，比上年增长 28.5%。金切机床行业产值数控化率 从2000 年的 17.4%提高到 2001 年的 22.7%。 3、数 控机床发展的关键配套产品有了突破。 三、数控系统的发展趋势 1. 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为
4、它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 2. 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3. 向智能化方向发展 随 着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 （ 1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （ 2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的
5、专家系统。 （ 3）引入故障诊断专家系统 （ 4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 四、机床数控化改造的必要性 （一）微观看改造 的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1 、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程
6、序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可 实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了 “柔性自动化 “。 3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 “修配 “。 4 、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 5、 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看 管加工。 6、 由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少 了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 （二）宏 观看
7、改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 数控化改造的市场空间 机床的 数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如： “在美
8、国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个 “永恒 “的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出： 1国内的市场 我国目前机床总量 380余万台，而其中数控机床总数只有 11.34万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.6 0.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数 控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上； 10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20， FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（
9、美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 2. 进口设备和生产线 的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979 1988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项，大约 165.8 亿美元。 这些项目中，大
10、部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管 理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱
11、，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 机床改造的效益分析 提高 机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点： 1、 减少了投资和交货的期限 同购置新的数控机床相比，一般可以节省 60%到 80%的费用，改造的费用大大减低。 2、机械的稳定性可靠 机床的床身，立柱等基础件都是重而
12、坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减 少了铸铁件生产时对环境的污染。 3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4、可以充分利用现有的条件 可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。 5、可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有
13、 一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。 6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子 说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平
14、和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。 第二章 普通车床的数控改和 可行性论证 对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。 一 车床的数控改造 （一）、数控机床工作原理及组成 1. 数控机床工作原理： 数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置 控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和
15、参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。 2.数控机床的组成： 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图 2-1 图 2-1 数控机床的组成图 （二）、设计内容及任务 普通车床（ C618）的数控改造设计内容 包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。 本设计任务是对 C618 卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为 0
16、.01mm /脉冲，横向最小运动单位 0.005mm/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架 要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。 （三）、数控部分的设计改造 1、数控系统运动方式的确定 数控装置控制介质测量装置伺服系统 机 床数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于 C618 车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。 2、伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开
17、环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。 闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。 半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。 开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。 经过上序比较，由于所改造的 C618 车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系
18、统。 3、数控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。 数控装置的设计方案通常有： 可以全部自己设计制作 可以采用单板机或 STD 模块或工控机改制 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动 在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。 （四）、机械改造部分的设计 1、主传动部分的改造 设计 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主
19、运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。 2、进给机构的改造 将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。 3、其它部件的改造 刀架部分：拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点 。 二 可行性论证 根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。 根据传统
20、的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。 由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅 对改造的投资概算作一简要的可行性论证。 本改造设计是对普通车床 C618 进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的 GSK980T 型数控系统，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过 15 万
21、元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。 第三章 总体设计方案的确定 经总体设计方案的论证后，确 定的 C618 的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显： C618车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机，有级变速部分采用电磁离合器控制机构；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。 改造后的总体方案示意图如图 3-1 所示： 图 3
22、-1 总体方案设计图 步进电动机车床加工工件图纸工件 变速箱数控程序编制变速箱步进电动机手工输入或计算机控制计算机功率放大器存储装置第四章 主传动部分改造与设计 在改造设计之前，让我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特点： 1）采用调速电机驱动，以满足主轴根据数控指令进行自动变速的需要； 2）传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构； 3）转速高、功率大； 数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还应满足如下要求： 1 具有更大的调速范围，并实现无极调速。 数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产效率、加工精度和表面质量，
23、必须有更高的转速和更多的调速范围。为了适应各种 工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理 的支承跨距等，以提高主轴件的刚性。 具有良好的抗振性和热稳定性。加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严 重时甚至破坏刀具和或零件，使加工无法进行。
24、因此在主传动系统中的各主要零部件不但要求有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力 抗振性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。如果把主轴组件视为一个等效的单自由度系统，则动刚度 dk 与动力参数的关系为： dk = 222 21 nnk (4-1) 式中 : k 机床主轴结构系统的静刚度（ mN/ ）； 外加激振力的激振频率（ Hz）； n 主轴组件的固有频率（ n = mk ， m 为当量质量， k 为当量静刚度）； 阻尼比（ =c ， 是阻尼系数， c 是临界阻尼系数， c = nm2 ）。 由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使 dk 值较大，为此应尽量使阻尼比、当量刚
25、度值或固有频率的值较高。在设主传动系统时，要注意选择上述几个参数 的合理关系。 一、 主传动部分改造方案拟定和设计的内容 异步电动机的调速方法有变频调速、变极调速、辩转差调速三种。异步电动机的转速公式为 ni=p60f1从该公式中可以看出，若均匀地改变电源的频率 f1，就可以连续地改变电动机的同步转速。这种调速方法称为变频调速，它完全不同于其它的调速方法。改变异步电动机的磁极对数调速的方法称为变极调速。改变电动机转差率的调速方法称为变转差率调速。 表 4.1 异步电动机各种调速方法性能指标的 比较 项 目 调 速 方 法 变 频 变 极 变 转 差 率 转子串电阻 串极调速 调压调速 电磁调速
26、电机 是否改变同步转速 变 变 不 变 不 变 不 变 不 变 调 速 指 标 静差率 小 （好） 小 （好） 大 （差） 小 （好） 开环时大 闭环时小 开环时大 闭环时小 调速范围（ D） 较大（ 10以上） 较小 （ 2 4） 小 （ 2） 较小 （ 2 4） 闭环时 较大 闭环时 较大 调速平滑性 好（无级调速） 差（有级调速 ） 差（有级调速） 好（无级 调速） 好（无级 调速） 好 （无级调速） 适应负载类型 恒转矩 恒功率 恒转矩 恒功率 恒转矩 恒转矩 通风机 恒转矩 通风机 恒转矩 设备 投资 多 少 少 较 多 较 少 较 少 电能 损耗 较 小 小 大 较 小 大 大 异
27、步电动机变频调速有调速范围广、平滑性较高、机械特性较好的优点，可以方便地实现恒功率或恒转矩变速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相媲美。目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方法。通过上序的比较本 课程设计中电动机的调速方法采用变频调速的方法。 改换主轴电动机，换成调速电动机 .通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。 图 4 -1 主轴变频调速系统原理图 数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。无级变速能够选用最合理的切削用量，可在运转中变速，操
28、作方便，简化机械结构。无级变速主要是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般只有 1 2，很少到 34，且换向有限制，现大多 采用交流变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机类似，在额定转速以下为恒转矩区，在额定转速以上为恒功率区域。一般主轴调速电动机的恒功率调速范围为 3 4，对于恒功率变速范围大的主轴传动系统，需要增加变速齿轮，以保证主轴上较大的恒功率范围。考虑本设计机床要求采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即分段无级变速，主轴的正反转和制动停止，由数控指令直接控制电动机来实现。利用车床的主轴交流异步电动机、变频器、数控单元 ENC 构成了变频调速系统。交流电动机的转速 n 与频率 f ，电动机的级对数 p 及转差率 s 之间的关系为 n = psf /)1(60 ,由此可知，改变电源的频率 f ，即可改变电动机转速，且转速 n 与频率 f 成正比。考虑本设计机床的要求，采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。主轴
