毕业设计（论文）-CA6140普通车床的数控技术改造（机械部分）（全套图纸）

1 全套全套 CAD 图纸，联系图纸，联系 153893706 前言前言 时光匆匆，大学四年的学习和生活即将结束。为了全面检验四年来我们理 论知识学习的质量和培养走向工作岗位独立自主的工作能力，按照学院的教学 大纲要求，我们进行了大学生活中最重要的教学环节毕业设计。 在本次设计中，我的设计题目是：CA6140 普通车床的数控技术改造（机 械部分） 。在设计中，就我个人而言，我希望能在这次设计中锻炼自己分析问 题，解决问题的能力，为今后参加工作打下以各良好的基础。使自己得到了最 基本的技能训练，尤其是运用 CAD 制图，使我有机会把本专业的知识同计算 机知识结合在一起。 此次设计是在指导老师张振金老师的悉心指导下，充分发挥自己独立思考 的能力而完成的。在设计中，我查阅了大量有关资料，多次到沈阳机床厂的生 产一线调研，充分了解了本设备的实际运行情况。 由于本人理论水平有限，缺乏现场工作经验，在设计中，难免有这样或那 样的错误与缺点，在此我诚恳希望各位老师给予我最直接的批评与指正，以便 使我以后取得更大的进步。 最后，特向在本次设计中给予我帮助的老师们表示我由衷的感谢。 设计者： 2006 年 6 月 20 日 2 目录目录 前言前言-1 1 摘要摘要-5 5 ABSTRACTABSTRACT-6 6 第一章第一章 绪论绪论-7 7 一一 数控系统发展及趋势数控系统发展及趋势-7 7 （一）国内外数控系统发展概况（一）国内外数控系统发展概况 -7 7 （二）数控技术发展趋势（二）数控技术发展趋势 -7 7 （三）智能化新一代（三）智能化新一代 PCNCPCNC 数控系统数控系统 -1010 二二 普通机床数控改造的必要性普通机床数控改造的必要性-1111 （一）微观看改造的必要性（一）微观看改造的必要性 -1111 （二）宏观看改造的必要性（二）宏观看改造的必要性 -1212 三三 数控改造的内容及优缺点数控改造的内容及优缺点-1212 （一）国外改造业的兴起（一）国外改造业的兴起 -1212 （二）数控化改造的内容（二）数控化改造的内容 -1313 （三）机床数控化改造的优缺点（三）机床数控化改造的优缺点 -1313 四四 数控机床机构组成、特点及分类数控机床机构组成、特点及分类-1414 （一）数控机床的组成（一）数控机床的组成 -1414 （二）数控机床机构的特点（二）数控机床机构的特点 -1616 （三）数控机床的分类（三）数控机床的分类 -1919 五五 普通机床数控化改造市场普通机床数控化改造市场-2222 （一）改造的市场（一）改造的市场 -2222 （二）进口设备和生产线的数控化改造市场（二）进口设备和生产线的数控化改造市场 -2222 第二章第二章 C6140C6140 普通车床数改的总体方案普通车床数改的总体方案 -2424 一一 总体方案总体方案-2424 （一）主传动系统和进给系统的改造（一）主传动系统和进给系统的改造 -2424 （二）主轴脉冲发生器（二）主轴脉冲发生器 -2525 （三）主轴脉冲发生器的结构及原理（三）主轴脉冲发生器的结构及原理 -2626 第三章第三章 数改数改 C6140C6140 车床传动装置设计车床传动装置设计-2727 一一 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副-2727 3 （一）滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型（一）滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型 -2828 （二）滚珠丝杠副的结构（二）滚珠丝杠副的结构 -2929 二二 纵向进给系统的设计与计算纵向进给系统的设计与计算-3232 （一）纵向进给系统的设计计算（一）纵向进给系统的设计计算 -3232 （二）滚珠丝杠设计计算（二）滚珠丝杠设计计算 -3434 （三）齿轮及转距的有关计算（三）齿轮及转距的有关计算 -3939 三三 横向进给系统的设计与计算横向进给系统的设计与计算-4242 （一）横向进给系统的设计计算（一）横向进给系统的设计计算 -4343 （二）滚珠丝杠设计计算（二）滚珠丝杠设计计算 -4444 （三）齿轮及转矩有关计算（三）齿轮及转矩有关计算 -4646 四四 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法-4747 五五 滚珠丝杠副的安装结构滚珠丝杠副的安装结构-5050 （一）支承结构（一）支承结构 -5050 六六 进给系统传动齿轮间隙的消除进给系统传动齿轮间隙的消除-5151 （一）采用减速箱的目的及注意事项（一）采用减速箱的目的及注意事项 -5151 （二）减少或消除空程的必要性和方法（二）减少或消除空程的必要性和方法 -5151 第四章第四章 数改数改 C6140C6140 自动刀架设计自动刀架设计-5353 一一 自动刀架的分类自动刀架的分类-5353 二二 自动刀架的设计自动刀架的设计-5353 第五章第五章 数改数改 61406140 步进电机的设计步进电机的设计-5656 一一 步进电机的工作方式步进电机的工作方式-5656 二二 步进电机的选择步进电机的选择-5656 （一）步进电机选用的基本原则（一）步进电机选用的基本原则 -5656 （二）数改（二）数改 C6140C6140 纵向进给系统步进电机的确定纵向进给系统步进电机的确定 -5858 （三）数改（三）数改 C6140C6140 横向进给系统步进电机的确定横向进给系统步进电机的确定 -5858 第六章第六章 数改数改 61406140 车床导轨设计车床导轨设计-6060 一一 导轨的作用导轨的作用-6060 二二 塑料导轨软带塑料导轨软带-6060 第七章第七章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计-6363 一一 数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成-6363 4 二二 单板机控制系统的设计单板机控制系统的设计-6464 第八章第八章 CA6140CA6140 生产成本及经济技术分析生产成本及经济技术分析 -6666 第九章第九章 结结 论论-6767 参考文献参考文献-6868 专题：专题：-7070 高速切削的刀具材料及切削技术的应用高速切削的刀具材料及切削技术的应用 -7070 附录附录:外文文献外文文献-7979 NumericalNumerical ControlControl -7979 附录附录:中文翻译中文翻译-9292 数字控制数字控制 -9292 致致 谢谢-10104 4 5 摘要摘要 我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场 中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对 各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞 销积压，国外机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。这 种现象的出现，除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最 主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及 时针对用户的需求提供满意的产品。 普通机床的数控化改造事业方兴未艾，在我国目前形式下将大批故障机床 尤其是一大批闲置的普通机床进行改造、升级，以较小的投入尽快使这批设备 在经济发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题。 关键词关键词: 脉冲发生器 滚珠丝杠 滚珠丝杠螺母副 自动刀架 塑料导轨软带 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 绪论绪论 7 一一 数控系统发展及趋势数控系统发展及趋势 （一）国内外数控系统发展概况（一）国内外数控系统发展概况 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发 达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在 现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自 动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特 点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前， 数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式 实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超 小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多 学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、 调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上， CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智 能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工 程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。 CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式 的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件 材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参 数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反 馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加 工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构， 限制了 CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此， 对数控技术实行变革势在必行。 （二）数控技术发展趋势（二）数控技术发展趋势 1 性能发展方向 (1) 高速高精高效化 8 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数 字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高 精高效化已大大提高。 (2) 柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖 面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系 统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最 大限度地发挥群控系统的效能。 (3) 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制 功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通 过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。 数控技术轴，西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4) 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务， 以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种 智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正 向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、 更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领 域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊 控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中 配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿 等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、 动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控 系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 2 功能发展方向 (1) 用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要 求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最 困难的部分之一。当前 INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技 术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使 9 用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色 立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部 显示比例缩放功能的实现。 (2) 科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于 用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技 术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机 技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。 在数控技术领域，可视化技术可用于 CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设 定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演 示等。 (3) 插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺 纹插补、极坐标插补、2D+2 螺旋插补、NANO 插补、NURBS 插补(非均匀有理 B 样条插补)、样条插补(A、B、C 样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙 补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的 前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 (4) 内装高性能 PLC 数控系统内装高性能 PLC 控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具 有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准 PLC 用户程序实例，用户可在标准 PLC 用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地 建立自己的应用程序。 (5) 多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声 音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做 到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生 产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。 3 体系结构的发展 (1) 集成化 采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大规模可编程集成电路 FPGA、EPLD、CPLD 以及专用集成电路 ASIC 芯片，可提高数控系统的集成度和 软硬件运行速度。应用 FPD 平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具 10 有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸 显示，成为和 CRT 抗衡的新兴显示技术，是 21 世纪显示技术的主流。应用先 进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密 度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系 统的可靠性。 (2) 模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求， 将基本模块，如 CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块， 作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成 不同档次的数控系统。 (3) 网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机 床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在 每一台机床的屏幕上。 (4) 通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁 剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭 环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出 的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包 含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此， 要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程 中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制 模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服 控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于 一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。 （三）智能化新一代 PCNC 数控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化 新一代 PCNC 数控系统已成为可能。 智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺 服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融 11 于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。 二二 普通机床数控改造的必要性普通机床数控改造的必要性 （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 37 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，因而可实现长 时间无人看管加工。 由以上五条派生的优点： (1)降低了工人的劳动强度； (2)节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ； (3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产周期； (4)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 12 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。 （二）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。 三三 数控改造的内容及优缺点数控改造的内容及优缺点 （一）国外改造业的兴起（一）国外改造业的兴起 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、Devlieg-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） 13 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。 （二）数控化改造的内容（二）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）是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； （2）是 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）是翻新，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，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）是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。 （三）机床数控化改造的优缺点（三）机床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 6080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 23 倍，与购置新机床相比，只能 节省投资 50左右。 2. 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 14 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。 四四 数控机床机构组成、特点及分类数控机床机构组成、特点及分类 （一）数控机床的组成（一）数控机床的组成 数控机床外形一般分为五部分，组成框图如图 11 所示。 1. 机床主机 机床主机是数控机床的主体，它包括床身、主柱、主轴、进给机构等机械 图1-1 数控机床组成框图 编程机等 附属机构 驱 动 装 置 数字控制系统 机床主机 辅 助 装 置 15 部件。 2. 数字控制系统 是数控机床的核心。当前一般采用计算机数控（Computered Numerical Control 简称 CNC）系统。它是一台专用控制计算机，包括硬件（印制电路板、 显示器、键盘、阅读机等）项控制功能。 现代数控机床的数控系统都具有下面一些功能： (1)多坐标控制（多轴联动） 。 (2)实现多种函数的插补运算：直线、圆弧、抛物线、正弦线等。 (3)代码转换：EIA/ISO 转换、英制/公制转换、二/十进制转换、绝对值/增 量值转换等。 (4)人机对话：手动数据输入，加工程序输入，编辑及修改等。 (5)加工选择：各种加工循环，重复加工，凹（凸）模加工，镜象加工等。 (6)实现各种补偿功能：进行刀具半径、刀具长度、传动间隙、螺距误差 的补偿。 (7)实现系统故障诊断。 (8)屏幕显示：实现图形、轨迹、字符显示。 (9)联网及通信功能。 3. 驱动装置 驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件。一般通用机床的主轴和进给系 统是由电动机驱动主轴箱中转动齿轮来实现速度变换和加工运动。 4. 辅助装置 辅助装置是保证数控机床的功能得以充分发挥的配套部件。它包括的面很 广，有电器、液压、气压等器件及系统，冷却、润滑、输送等装置，由于它们 对发挥数控机床功能起重要作用，因此受到重视，发展极为迅速。 16 5. 其它附属设备 为了提高数控机床工作效率，常常还配置一些附属设备，如自动编程机， 机外对刀仪等。 （二）数控机床机构的特点（二）数控机床机构的特点 在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化， 只是在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变。随着数 控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精 度和寿命提出了更高的要求。数控机床的主体机构有以下特点： （1）由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极 限传动结构大为简化，传动链也大大缩短； （2）为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具 有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小； （3）为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了 高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等； （4）为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率， 采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。 根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构因提出以下要求： 1、较高的机床静、动刚度 数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。 由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何精度与 变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处 机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与 表面质量。 为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用钢性 很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承 ，以 减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身， 并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部 件的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮研的方法增加单位面积上的接触 17 点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。这些措施都能 有效地提高接触刚度。 为了充分发挥数控机床的高效加工能力，并能进行稳定切削，在保证静态 刚度的前提下，还必须提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增 加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的 有效方法。钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构 件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、 横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。 2、减少机床的热变形 在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀 具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。对于数控机床来说，因 为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。为了减少热 变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。 （1）减少发热 机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分 离出去。 （2）控制温升 在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。但要完全 消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。所以必须通过良好 的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床 的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的 温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。 （3）改善机床机构 在同样发热条件下，机床机构对热变形也有很大影响。如数控机床过去采 用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称，双立柱机构受热后 的主轴线除产生垂直方向的平移外，其它方向的变形很小，而垂直方向的轴线 移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。 对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方 向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。在结构上还 应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离，以减少热变形的总量，同时应使 主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。 18 数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作， 因此丝杠容易发热。滚珠丝杠热生产造成的后果是严重的，尤其是在开环系统 中，它会使进给系统丧失定位精度。目前某些机床用预拉的方法减少丝杠的热 变形。对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量结果由数控系 统发出补偿脉冲加以修正。 3、减少运动间的摩擦和消除传动间隙 数控机床工作台（或拖板）的位移量十一脉中当量为最小单位的，通常又 要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应， 就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻 尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以 收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。 数控机床（尤其是开环系统的数控机床）的加工精度在很大程度上取决于 进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重 要措施是采用无间隙传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补 偿装置进行螺距补偿。 4、提高机床的寿命和精度保持性 为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机场零部件 的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺港机主轴部件等影响进度的主要零件的耐 磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。 5、减少辅助时间和改善操作性能 在数控机床的单件加工中，辅助时间（非切屑时间）占有较大的比重。要 进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已 经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以 减少换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。 （三）数控机床的分类（三）数控机床的分类 目前，数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，据不完全统计已有 400 多 个品种规格。可以按照多种原则来进行分类，但归纳起来，常见的是以下面三 19 种方法来分析类。 1. 按工艺用途分类 (1)一般数控机床 这类机床和传统的通用机床品种一样，有数控车、铣、镗、钻、磨等，而 且每一类又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、龙门铣等，这类机 床的工艺可能性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。 (2)数控加工中心机床 这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的，它是一般数控机床上加 装一个刀库（可容纳 10100 多把刀具）和自动换刀装置而构成的一种带自动 换刀装置的数控机床（又称多工序数控机床） ，这使数控机床更进一步地向自 动化和高效化方向发展。 它和一般数控机床的区别是：工件经一次装夹后， 数控装置就能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工面自动地完成铣、 镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。这类机床大多是以镗铣为主，主要用来加工 箱体零件。 (3)多坐标数控机床 有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋架、飞 机曲面零件的加工等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需的形状， 于是出现了多坐标的数控机床。其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构 也比较复杂。其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求，现在常用的是 46 坐标的数控机床，最多可达 24 坐标。 (4)计算机群控 计算机群控也称为直接数控（DNC）系统，它是一台大型通用计算机直 接控制一群数控机床的系统。 2. 按运动方式分类 (1)点位控制数控机床 这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个装置（点）精确地移动 20 图1-3半闭环控制系统框图 指令 位置比 较电路 速度控 制电路 B A 工作台 图1-2 开环控制系统框 输入 步 进 电 机 数 控 装 置 指令 机床工作 台 到另一个位置（点） ，在移动过程中不进行任何切削加工，至于相关点之间的 移动速度及路线则取决于生产率。 (2)点位直线控制数控机床 这类机床工作时，不仅要控制两相关点之间位置，还要控制两相关点之间 的移动速度和路线（即轨迹） 。 (3)轮廓控制数控机床 这种机床的控制装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。 3. 按控制方式分类 (1)开环控制数控机床 在开环控制中，机床没有检测反馈装置，如图 12 所示，数控装置发出信号 的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程， 它对机床移动部件的实际位置不作检测，所以机床加工精度不高，其精度主要 取决于伺服系统的性能。其工作过程是：输入的数据经过数控装置运算分配出 指令脉冲，通过伺服机构（伺服元件常为步进电机）使被控工作台移动。这种 机床工作比较稳定，反应迅速，调试方便，维修简单，但其控制精度受到限制。 它适用于一般要求的中、小型数控机床。 (2)半闭环控制数控机床 半闭环数控系统的组成框图如图 13 所示。这种控制方式对工作台的 21 图1-4 闭环控制系统框图 速度反馈 位置反馈 指令 位置比 较电路 速度控 制电路 A 伺服 电机 C 实际位置进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电 机 A 和光电编码盘 B 等间接检测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位 置量，用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有完全包 括在控制回路内，因而称之为半闭环控制。这种控制方式介于开环与闭环之间， 精度没有闭环高，高度却比闭环方便。 (3)闭环控制数控机床 由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求，所以必须检测它的 实际工作位置。为此，在开环控制数控机床上增加检测反馈装置，在加工 中时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期 达到很高的加工精度。闭环控制系统框图如图 14 所示。图中 A 为速度测量 元件，C 为位置测量元件。 五五 普通机床数控化改造市场普通机床数控化改造市场 （一）改造的市场（一）改造的市场 22 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 0.60.8 万