1、 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 C615 机床数控化改造 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。六年后，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。 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控 (即 CNC)了 ，而我国仍习惯称数控 (NC)。所以我们日常讲的 “数控 “，实质上已是指 “计算
2、机数控 “了。 数控未来发展的趋势 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、智能化和高精度化方向发展 随着人工智能在计算 机领域的不断渗透和发展，逐步适应机床向高速、高精度和智能化方向发展的需要。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
3、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。 二、机床数控 化改造的必要性 1. 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
4、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
5、可实现长时间无人看管加工。 （ 6）由以上五条派生的好处。：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。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC(柔性制造单元 )、 FMS(柔性制造系统 )以及 CIMS(计算机集成制造系统 )等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 2. 宏观看改造的必要性 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。其本质是，采用信息技术对传
6、统产业 (包括军、民机械工业 )进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 FMC、 FMS 外，还包括在产品开发中推行 CAD、 CAE、 CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS(管理信息系统 )、 CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。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
7、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。 机床与生产线数控化改造的 市场 1. 机床数控化改造的市场 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 (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
8、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，
9、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，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
10、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。 三、数控化改造的内容及优缺点 1. 国外机床改造业的兴起 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个 “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。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市 场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生 (Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有： Bertsche 工程公司、 ayton 机床公司、 De
11、vlieg-Bullavd(得宝 )服务集团、 US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装 (Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 2. 数控化改造的内容 机床与生产线的数控化改造主要内容有 以下几点： （ 1）恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； （ 2） NC 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 NC 机床、 CNC 机床； （ 3）翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工
12、，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新； （ 4）技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 3. 数控化改造的优缺点 （ 1） 减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省 60% 80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高 2 3 倍，与购置新机床相比，只能节省投资 50%左右。 （ 2）
13、机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做 突破性的改造。 （ 3）熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 （ 4）可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 （ 5）可以采用最新的控制技术 可根据技术
14、革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 参考文献： 1何伯吹主编 .机床设计手册 .上册 2 北京 .机械工业出版社， 1980 年， 2李洪主编 .实用机床设计手册 .沈阳 .辽宁科技出版社， 1999 年 , 3李宏胜主编 . 数控原理与系统 .北京 .机械工业出版社， 1997 年 , 4赵松年主编 . 机电一体化机械系统设计 .北京 :机械工业出版社， 1997 年 , 5雷才洪，陈志雄主编。数控机床 .北京，科技出版社， 2005 年 6蔡厚道主编 .数控机床构造 .北京，北京理工大学出版社， 2007 年 7张建民主编
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