机械毕业论文-CA6150普通车床的数控技术改造毕业论文

毕 业 设 计 (论 文 )机 械 动 力 工 程 系 系 数控 专业毕业设计（论文）题目 CA6150 普通车床的数控技术改造 学 生 姓 名 班 级 学 号 指 导 教 师 完 成 日 期 年 月 日- 2 -目录第一章 绪论 - 3 -数控技术和装备发展趋势 - 3 -第二章 数控机床系统总体设计 - 8 -一 总体方案设计内容 - 8 -二 总体方案确定 - 8 -第三章 进给系统设计计算 - 10 -一 选择脉冲当量 - 10 -二 计算切削力 - 10 -三 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 - 11 -四 齿轮进给齿轮箱传动比计算 - 20 -五 步进电机的计算和选型 - 21 -第四章 微机数控系统的设计 - 26 -一 微机数控系统的设计纲要 - 26 -一 硬件电路设计 - 26 -二 软件电路设计 - 27 -二 8031 单片机及其扩展 - 27 -一 8031 单片机的简介 - 27 -二 8031 单片机的系统扩展 - 28 -三 存储器扩展 - 30 -四 I/O 口的扩展 - 31 -三 步进电机驱动电路 - 32 -一 脉冲分配器（环行分配器） - 32 -二 光电隔离电路 - 33 -三 功率放大器 - 33 -四 其他辅助电路 - 34 -四 数控系统的软件设计 - 35 -一 软件脉冲分配器 - 35 -二 逐点比较法插补程序 - 37 -三 步进电机升降速软件设计 - 38 -第五章 数控机床零件加工程序 - 40 -第六章 总结与展望 - 41 - 3 -第一章 绪论数控技术和装备发展趋势当 今 世 界 数 控 技 术 及 装 备 发 展 的 趋 势 及 我 国 数 控 装 备 技 术 发 展 和 产 业 化 的 现 状 ， 在 此 基 础 上 讨论 了 在 我 国 加 入 WTO 和 对 外 开 放 进 一 步 深 化 的 新 环 境 下 ， 发 展 我 国 数 控 技 术 及 装 备 、 提 高 我 国 制 造业 信 息 化 水 平 和 国 际 竞 争 能 力 的 重 要 性 ， 并 从 战 略 和 策 略 两 个 层 面 提 出 了 发 展 我 国 数 控 技 术 及 装 备 的几 点 看 法 。 装 备 工 业 的 技 术 水 平 和 现 代 化 程 度 决 定 着 整 个 国 民 经 济 的 水 平 和 现 代 化 程 度 ， 数 控 技 术 及 装 备 是发 展 新 兴 高 新 技 术 产 业 和 尖 端 工 业 （ 如 信 息 技 术 及 其 产 业 、 生 物 技 术 及 其 产 业 、 航 空 、 航 天 等 国 防 工业 产 业 ） 的 使 能 技 术 和 最 基 本 的 装 备 。 马 克 思 曾 经 说 过 “各 种 经 济 时 代 的 区 别 ， 不 在 于 生 产 什 么 ，而 在 于 怎 样 生 产 ， 用 什 么 劳 动 资 料 生 产 ”。 制 造 技 术 和 装 备 就 是 人 类 生 产 活 动 的 最 基 本 的 生 产 资 料 ，而 数 控 技 术 又 是 当 今 先 进 制 造 技 术 和 装 备 最 核 心 的 技 术 。 当 今 世 界 各 国 制 造 业 广 泛 采 用 数 控 技 术 ， 以提 高 制 造 能 力 和 水 平 ， 提 高 对 动 态 多 变 市 场 的 适 应 能 力 和 竞 争 能 力 。 此 外 世 界 上 各 工 业 发 达 国 家 还 将数 控 技 术 及 数 控 装 备 列 为 国 家 的 战 略 物 资 ， 不 仅 采 取 重 大 措 施 来 发 展 自 己 的 数 控 技 术 及 其 产 业 ， 而 且在 “高 精 尖 ”数 控 关 键 技 术 和 装 备 方 面 对 我 国 实 行 封 锁 和 限 制 政 策 。 总 之 ， 大 力 发 展 以 数 控 技 术 为 核 心的 先 进 制 造 技 术 已 成 为 世 界 各 发 达 国 家 加 速 经 济 发 展 、 提 高 综 合 国 力 和 国 家 地 位 的 重 要 途 径 。数 控 技 术 是 用 数 字 信 息 对 机 械 运 动 和 工 作 过 程 进 行 控 制 的 技 术 ， 数 控 装 备 是 以 数 控 技 术 为 代 表 的新 技 术 对 传 统 制 造 产 业 和 新 兴 制 造 业 的 渗 透 形 成 的 机 电 一 体 化 产 品 ， 即 所 谓 的 数 字 化 装 备 ， 其 技 术 范围 覆 盖 很 多 领 域 ： (1)机 械 制 造 技 术 ； (2)信 息 处 理 、 加 工 、 传 输 技 术 ； (3)自 动 控 制 技 术 ； (4)伺 服驱 动 技 术 ； (5)传 感 器 技 术 ； (6)软 件 技 术 等 。1 数 控 技 术 的 发 展 趋 势数 控 技 术 的 应 用 不 但 给 传 统 制 造 业 带 来 了 革 命 性 的 变 化 ， 使 制 造 业 成 为 工 业 化 的 象 征 ， 而 且 随 着数 控 技 术 的 不 断 发 展 和 应 用 领 域 的 扩 大 ， 他 对 国 计 民 生 的 一 些 重 要 行 业 （ IT、 汽 车 、 轻 工 、 意 料等 ） 的 发 展 起 着 越 来 越 重 要 的 作 用 ， 因 为 这 些 行 业 所 需 装 备 的 数 字 化 已 是 现 代 发 展 的 大 趋 势 。 从目 前 世 界 上 数 控 技 术 及 其 装 备 发 展 的 趋 势 来 看 ， 其 主 要 研 究 热 点 有 以 下 几 个 方 面 1 4 。1 1 高 速 、 高 精 加 工 技 术 及 装 备 的 新 趋 势效 率 、 质 量 是 先 进 制 造 技 术 的 主 体 。 高 速 、 高 精 加 工 技 术 可 极 大 地 提 高 效 率 ， 提 高 产 品 的 质 量 和档 次 ， 缩 短 生 产 周 期 和 提 高 市 场 竞 争 能 力 。 为 此 日 本 先 端 技 术 研 究 会 将 其 列 为 5 大 现 代 制 造 技 术之 一 ， 国 际 生 产 工 程 学 会 （ CIRP） 将 其 确 定 为 21 世 纪 的 中 心 研 究 方 向 之 一 。在 轿 车 工 业 领 域 ， 年 产 30 万 辆 的 生 产 节 拍 是 40 秒 /辆 ， 而 且 多 品 种 加 工 是 轿 车 装 备 必 须 解 决的 重 点 问 题 之 一 ； 在 航 空 和 宇 航 工 业 领 域 ， 其 加 工 的 零 部 件 多 为 薄 壁 和 薄 筋 ， 刚 度 很 差 ， 材 料 为 铝 或- 4 -铝 合 金 ， 只 有 在 高 切 削 速 度 和 切 削 力 很 小 的 情 况 下 ， 才 能 对 这 些 筋 、 壁 进 行 加 工 。 近 来 采 用 大 型 整 体铝 合 金 坯 料 “掏 空 ”的 方 法 来 制 造 机 翼 、 机 身 等 大 型 零 件 来 替 代 多 个 零 件 通 过 众 多 的 铆 钉 、 螺 钉 和 其 他联 结 方 式 拼 装 ， 使 构 件 的 强 度 、 刚 度 和 可 靠 性 得 到 提 高 。 这 些 都 对 加 工 装 备 提 出 了 高 速 、 高 精 和 高 柔性 的 要 求 。从 EMO2001 展 会 情 况 来 看 ， 高 速 加 工 中 心 进 给 速 度 可 达 80m/min， 甚 至 更 高 ， 空 运 行 速 度可 达 100m/min 左 右 。 目 前 世 界 上 许 多 汽 车 厂 ， 包 括 我 国 的 上 海 通 用 汽 车 公 司 ， 已 经 采 用 以 高 速 加 工中 心 组 成 的 生 产 线 部 分 替 代 组 合 机 床 。 美 国 CINCINNATI 公 司 的 HyperMach 机 床 进 给 速 度 最 大 达60m/min， 快 速 为 100m/min， 加 速 度 达 2g， 主 轴 转 速 已 达 60 000r/min。 加 工 一 薄 壁 飞 机 零 件 ，只 用 30min， 而 同 样 的 零 件 在 一 般 高 速 铣 床 加 工 需 3h， 在 普 通 铣 床 加 工 需 8h； 德 国 DMG 公 司 的双 主 轴 车 床 的 主 轴 速 度 及 加 速 度 分 别 达 12*!000r/mm 和 1g。在 加 工 精 度 方 面 ， 近 10 年 来 ， 普 通 级 数 控 机 床 的 加 工 精 度 已 由 10m 提 高 到 5m， 精 密 级 加工 中 心 则 从 3 5m， 提 高 到 1 1.5m， 并 且 超 精 密 加 工 精 度 已 开 始 进 入 纳 米 级 (0.01m)。在 可 靠 性 方 面 ， 国 外 数 控 装 置 的 MTBF 值 已 达 6 000h 以 上 ， 伺 服 系 统 的 MTBF 值 达 到30000h 以 上 ， 表 现 出 非 常 高 的 可 靠 性 。为 了 实 现 高 速 、 高 精 加 工 ， 与 之 配 套 的 功 能 部 件 如 电 主 轴 、 直 线 电 机 得 到 了 快 速 的 发 展 ， 应 用 领 域 进一 步 扩 大 。1.2 5 轴 联 动 加 工 和 复 合 加 工 机 床 快 速 发 展采 用 5 轴 联 动 对 三 维 曲 面 零 件 的 加 工 ， 可 用 刀 具 最 佳 几 何 形 状 进 行 切 削 ， 不 仅 光 洁 度 高 ， 而 且效 率 也 大 幅 度 提 高 。 一 般 认 为 ， 1 台 5 轴 联 动 机 床 的 效 率 可 以 等 于 2 台 3 轴 联 动 机 床 ， 特 别 是 使用 立 方 氮 化 硼 等 超 硬 材 料 铣 刀 进 行 高 速 铣 削 淬 硬 钢 零 件 时 ， 5 轴 联 动 加 工 可 比 3 轴 联 动 加 工 发 挥更 高 的 效 益 。 但 过 去 因 5 轴 联 动 数 控 系 统 、 主 机 结 构 复 杂 等 原 因 ， 其 价 格 要 比 3 轴 联 动 数 控 机 床高 出 数 倍 ， 加 之 编 程 技 术 难 度 较 大 ， 制 约 了 5 轴 联 动 机 床 的 发 展 。当 前 由 于 电 主 轴 的 出 现 ， 使 得 实 现 5 轴 联 动 加 工 的 复 合 主 轴 头 结 构 大 为 简 化 ， 其 制 造 难 度 和 成本 大 幅 度 降 低 ， 数 控 系 统 的 价 格 差 距 缩 小 。 因 此 促 进 了 复 合 主 轴 头 类 型 5 轴 联 动 机 床 和 复 合 加 工机 床 （ 含 5 面 加 工 机 床 ） 的 发 展 。在 EMO2001 展 会 上 ， 新 日 本 工 机 的 5 面 加 工 机 床 采 用 复 合 主 轴 头 ， 可 实 现 4 个 垂 直 平 面 的加 工 和 任 意 角 度 的 加 工 ， 使 得 5 面 加 工 和 5 轴 加 工 可 在 同 一 台 机 床 上 实 现 ， 还 可 实 现 倾 斜 面 和 倒 锥孔 的 加 工 。 德 国 DMG 公 司 展 出 DMUVoution 系 列 加 工 中 心 ， 可 在 一 次 装 夹 下 5 面 加 工 和 5 轴 联动 加 工 ， 可 由 CNC 系 统 控 制 或 CAD/CAM 直 接 或 间 接 控 制 。1.3 智 能 化 、 开 放 式 、 网 络 化 成 为 当 代 数 控 系 统 发 展 的 主 要 趋 势21 世 纪 的 数 控 装 备 将 是 具 有 一 定 智 能 化 的 系 统 ， 智 能 化 的 内 容 包 括 在 数 控 系 统 中 的 各 个 方 面 ：为 追 求 加 工 效 率 和 加 工 质 量 方 面 的 智 能 化 ， 如 加 工 过 程 的 自 适 应 控 制 ， 工 艺 参 数 自 动 生 成 ； 为 提 高 驱动 性 能 及 使 用 连 接 方 便 的 智 能 化 ， 如 前 馈 控 制 、 电 机 参 数 的 自 适 应 运 算 、 自 动 识 别 负 载 自 动 选 定 模 型 、自 整 定 等 ； 简 化 编 程 、 简 化 操 作 方 面 的 智 能 化 ， 如 智 能 化 的 自 动 编 程 、 智 能 化 的 人 机 界 面 等 ； 还 有 智能 诊 断 、 智 能 监 控 方 面 的 内 容 、 方 便 系 统 的 诊 断 及 维 修 等 。为 解 决 传 统 的 数 控 系 统 封 闭 性 和 数 控 应 用 软 件 的 产 业 化 生 产 存 在 的 问 题 。 目 前 许 多 国 家 对 开 放 式数 控 系 统 进 行 研 究 ， 如 美 国 的 NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、 欧 共体 的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、 日 本 的OSEC(Open System Environment for Controller)， 中 国 的 ONC(Open Numerical Control System)- 5 -等 。 数 控 系 统 开 放 化 已 经 成 为 数 控 系 统 的 未 来 之 路 。 所 谓 开 放 式 数 控 系 统 就 是 数 控 系 统 的 开 发 可以 在 统 一 的 运 行 平 台 上 ， 面 向 机 床 厂 家 和 最 终 用 户 ， 通 过 改 变 、 增 加 或 剪 裁 结 构 对 象 （ 数 控 功 能 ） ，形 成 系 列 化 ， 并 可 方 便 地 将 用 户 的 特 殊 应 用 和 技 术 诀 窍 集 成 到 控 制 系 统 中 ， 快 速 实 现 不 同 品 种 、 不同 档 次 的 开 放 式 数 控 系 统 ， 形 成 具 有 鲜 明 个 性 的 名 牌 产 品 。 目 前 开 放 式 数 控 系 统 的 体 系 结 构 规 范 、 通信 规 范 、 配 置 规 范 、 运 行 平 台 、 数 控 系 统 功 能 库 以 及 数 控 系 统 功 能 软 件 开 发 工 具 等 是 当 前 研 究 的 核 心 。网 络 化 数 控 装 备 是 近 两 年 国 际 著 名 机 床 博 览 会 的 一 个 新 亮 点 。 数 控 装 备 的 网 络 化 将 极 大 地 满 足 生产 线 、 制 造 系 统 、 制 造 企 业 对 信 息 集 成 的 需 求 ， 也 是 实 现 新 的 制 造 模 式 如 敏 捷 制 造 、 虚 拟 企 业 、 全 球制 造 的 基 础 单 元 。 国 内 外 一 些 著 名 数 控 机 床 和 数 控 系 统 制 造 公 司 都 在 近 两 年 推 出 了 相 关 的 新 概 念 和 样机 ， 如 在 EMO2001 展 中 ， 日 本 山 崎 马 扎 克 （ Mazak)公 司 展 出 的 “CyberProduction Center”（ 智 能生 产 控 制 中 心 ， 简 称 CPC)； 日 本 大 隈 （ Okuma） 机 床 公 司 展 出 “IT plaza”（ 信 息 技 术 广 场 ， 简 称IT 广 场 )； 德 国 西 门 子 (Siemens)公 司 展 出 的 Open Manufacturing Environment（ 开 放 制 造 环 境 ，简 称 OME） 等 ， 反 映 了 数 控 机 床 加 工 向 网 络 化 方 向 发 展 的 趋 势 。1.4 重 视 新 技 术 标 准 、 规 范 的 建 立1.4.1 关 于 数 控 系 统 设 计 开 发 规 范如 前 所 述 ， 开 放 式 数 控 系 统 有 更 好 的 通 用 性 、 柔 性 、 适 应 性 、 扩 展 性 ， 美 国 、 欧 共 体 和 日 本 等 国纷 纷 实 施 战 略 发 展 计 划 ， 并 进 行 开 放 式 体 系 结 构 数 控 系 统 规 范 (OMAC、 OSACA、 OSEC)的 研 究 和制 定 ， 世 界 3 个 最 大 的 经 济 体 在 短 期 内 进 行 了 几 乎 相 同 的 科 学 计 划 和 规 范 的 制 定 ， 预 示 了 数 控 技 术的 一 个 新 的 变 革 时 期 的 来 临 。 我 国 在 2000 年 也 开 始 进 行 中 国 的 ONC 数 控 系 统 的 规 范 框 架 的 研 究和 制 定 。1.4.2 关 于 数 控 标 准数 控 标 准 是 制 造 业 信 息 化 发 展 的 一 种 趋 势 。 数 控 技 术 诞 生 后 的 50 年 间 的 信 息 交 换 都 是 基 于ISO6983 标 准 ， 即 采 用 G， M 代 码 描 述 如 何 （ how） 加 工 ， 其 本 质 特 征 是 面 向 加 工 过 程 ， 显 然 ， 他已 越 来 越 不 能 满 足 现 代 数 控 技 术 高 速 发 展 的 需 要 。 为 此 ， 国 际 上 正 在 研 究 和 制 定 一 种 新 的 CNC 系统 标 准 ISO14649（ STEP NC)， 其 目 的 是 提 供 一 种 不 依 赖 于 具 体 系 统 的 中 性 机 制 ， 能 够 描 述 产 品 整个 生 命 周 期 内 的 统 一 数 据 模 型 ， 从 而 实 现 整 个 制 造 过 程 ， 乃 至 各 个 工 业 领 域 产 品 信 息 的 标 准 化 。STEP-NC 的 出 现 可 能 是 数 控 技 术 领 域 的 一 次 革 命 ， 对 于 数 控 技 术 的 发 展 乃 至 整 个 制 造 业 ， 将 产生 深 远 的 影 响 。 首 先 ， STEP-NC 提 出 一 种 崭 新 的 制 造 理 念 ， 传 统 的 制 造 理 念 中 ， NC 加 工 程 序 都 集中 在 单 个 计 算 机 上 。 而 在 新 标 准 下 ， NC 程 序 可 以 分 散 在 互 联 网 上 ， 这 正 是 数 控 技 术 开 放 式 、 网 络 化发 展 的 方 向 。 其 次 ， STEP-NC 数 控 系 统 还 可 大 大 减 少 加 工 图 纸 （ 约 75 ） 、 加 工 程 序 编 制 时 间（ 约 35 ） 和 加 工 时 间 （ 约 50 ） 。目 前 ， 欧 美 国 家 非 常 重 视 STEP-NC 的 研 究 ， 欧 洲 发 起 了 STEP-NC 的 IMS 计 划(1999.1.1 2001.12.31)。 参 加 这 项 计 划 的 有 来 自 欧 洲 和 日 本 的 20 个 CAD/CAM/CAPP/CNC 用 户 、厂 商 和 学 术 机 构 。 美 国 的 STEP Tools 公 司 是 全 球 范 围 内 制 造 业 数 据 交 换 软 件 的 开 发 者 ， 他 已 经 开 发了 用 作 数 控 机 床 加 工 信 息 交 换 的 超 级 模 型 (Super Model)， 其 目 标 是 用 统 一 的 规 范 描 述 所 有 加 工 过程 。 目 前 这 种 新 的 数 据 交 换 格 式 已 经 在 配 备 了 SIEMENS、 FIDIA 以 及 欧 洲 OSACA-NC 数 控 系 统 的原 型 样 机 上 进 行 了 验 证 。2 对 我 国 数 控 技 术 及 其 产 业 发 展 的 基 本 估 计- 6 -我 国 数 控 技 术 起 步 于 1958 年 ， 近 50 年 的 发 展 历 程 大 致 可 分 为 3 个 阶 段 ： 第 一 阶 段 从 1958年 到 1979 年 ， 即 封 闭 式 发 展 阶 段 。 在 此 阶 段 ， 由 于 国 外 的 技 术 封 锁 和 我 国 的 基 础 条 件 的 限 制 ，数 控 技 术 的 发 展 较 为 缓 慢 。 第 二 阶 段 是 在 国 家 的 “六 五 ”、 “七 五 ”期 间 以 及 “八 五 ”的 前 期 ， 即 引 进 技术 ， 消 化 吸 收 ， 初 步 建 立 起 国 产 化 体 系 阶 段 。 在 此 阶 段 ， 由 于 改 革 开 放 和 国 家 的 重 视 ， 以 及 研 究 开 发环 境 和 国 际 环 境 的 改 善 ， 我 国 数 控 技 术 的 研 究 、 开 发 以 及 在 产 品 的 国 产 化 方 面 都 取 得 了 长 足 的 进 步 。第 三 阶 段 是 在 国 家 的 “八 五 ”的 后 期 和 “九 五 ”期 间 ， 即 实 施 产 业 化 的 研 究 ， 进 入 市 场 竞 争 阶 段 。 在 此阶 段 ， 我 国 国 产 数 控 装 备 的 产 业 化 取 得 了 实 质 性 进 步 。 在 “九 五 ”末 期 ， 国 产 数 控 机 床 的 国 内 市 场 占有 率 达 50 ， 配 国 产 数 控 系 统 （ 普 及 型 ） 也 达 到 了 10 。纵 观 我 国 数 控 技 术 近 50 年 的 发 展 历 程 ， 特 别 是 经 过 4 个 5 年 计 划 的 攻 关 ， 总 体 来 看 取 得 了 以下 成 绩 。a.奠 定 了 数 控 技 术 发 展 的 基 础 ， 基 本 掌 握 了 现 代 数 控 技 术 。 我 国 现 在 已 基 本 掌 握 了 从 数 控 系 统 、伺 服 驱 动 、 数 控 主 机 、 专 机 及 其 配 套 件 的 基 础 技 术 ， 其 中 大 部 分 技 术 已 具 备 进 行 商 品 化 开 发 的 基 础 ，部 分 技 术 已 商 品 化 、 产 业 化 。b.初 步 形 成 了 数 控 产 业 基 地 。 在 攻 关 成 果 和 部 分 技 术 商 品 化 的 基 础 上 ， 建 立 了 诸 如 华 中 数 控 、 航天 数 控 等 具 有 批 量 生 产 能 力 的 数 控 系 统 生 产 厂 。 兰 州 电 机 厂 、 华 中 数 控 等 一 批 伺 服 系 统 和 伺 服 电 机 生产 厂 以 及 北 京 第 一 机 床 厂 、 济 南 第 一 机 床 厂 等 若 干 数 控 主 机 生 产 厂 。 这 些 生 产 厂 基 本 形 成 了 我 国 的 数控 产 业 基 地 。c.建 立 了 一 支 数 控 研 究 、 开 发 、 管 理 人 才 的 基 本 队 伍 。虽 然 在 数 控 技 术 的 研 究 开 发 以 及 产 业 化 方 面 取 得 了 长 足 的 进 步 ， 但 我 们 也 要 清 醒 地 认 识 到 ， 我 国 高 端数 控 技 术 的 研 究 开 发 ， 尤 其 是 在 产 业 化 方 面 的 技 术 水 平 现 状 与 我 国 的 现 实 需 求 还 有 较 大 的 差 距 。 虽 然从 纵 向 看 我 国 的 发 展 速 度 很 快 ， 但 横 向 比 （ 与 国 外 对 比 ） 不 仅 技 术 水 平 有 差 距 ， 在 某 些 方 面 发 展 速 度也 有 差 距 ， 即 一 些 高 精 尖 的 数 控 装 备 的 技 术 水 平 差 距 有 扩 大 趋 势 。 从 国 际 上 来 看 ， 对 我 国 数 控 技 术 水平 和 产 业 化 水 平 估 计 大 致 如 下 。a.技 术 水 平 上 ， 与 国 外 先 进 水 平 大 约 落 后 10 15 年 ， 在 高 精 尖 技 术 方 面 则 更 大 。b.产 业 化 水 平 上 ， 市 场 占 有 率 低 ， 品 种 覆 盖 率 小 ， 还 没 有 形 成 规 模 生 产 ； 功 能 部 件 专 业 化 生 产 水平 及 成 套 能 力 较 低 ； 外 观 质 量 相 对 差 ； 可 靠 性 不 高 ， 商 品 化 程 度 不 足 ； 国 产 数 控 系 统 尚 未 建 立 自 己 的品 牌 效 应 ， 用 户 信 心 不 足 。c.可 持 续 发 展 的 能 力 上 ， 对 竞 争 前 数 控 技 术 的 研 究 开 发 、 工 程 化 能 力 较 弱 ； 数 控 技 术 应 用 领 域 拓 展力 度 不 强 ； 相 关 标 准 规 范 的 研 究 、 制 定 滞 后 。分 析 存 在 上 述 差 距 的 主 要 原 因 有 以 下 几 个 方 面 。a.认 识 方 面 。 对 国 产 数 控 产 业 进 程 艰 巨 性 、 复 杂 性 和 长 期 性 的 特 点 认 识 不 足 ； 对 市 场 的 不 规 范 、国 外 的 封 锁 加 扼 杀 、 体 制 等 困 难 估 计 不 足 ； 对 我 国 数 控 技 术 应 用 水 平 及 能 力 分 析 不 够 。b.体 系 方 面 。 从 技 术 的 角 度 关 注 数 控 产 业 化 问 题 的 时 候 多 ， 从 系 统 的 、 产 业 链 的角 度 综 合 考 虑 数 控 产 业 化 问 题 的 时 候 少 ； 没 有 建 立 完 整 的 高 质 量 的 配 套 体 系 、 完 善 的 培 训 、 服 务 网 络等 支 撑 体 系 。c.机 制 方 面 。 不 良 机 制 造 成 人 才 流 失 ， 又 制 约 了 技 术 及 技 术 路 线 创 新 、 产 品 创 新 ， 且 制 约 了 规 划 的有 效 实 施 ， 往 往 规 划 理 想 ， 实 施 困 难 。d.技 术 方 面 。 企 业 在 技 术 方 面 自 主 创 新 能 力 不 强 ， 核 心 技 术 的 工 程 化 能 力 不 强 。 机 床 标 准 落 后 ，水 平 较 低 ， 数 控 系 统 新 标 准 研 究 不 够 。3 对 我 国 数 控 技 术 和 产 业 化 发 展 的 战 略 思 考- 7 -3.1 战 略 考 虑我 国 是 制 造 大 国 ， 在 世 界 产 业 转 移 中 要 尽 量 接 受 前 端 而 不 是 后 端 的 转 移 ， 即 要 掌 握 先 进 制 造核 心 技 术 ， 否 则 在 新 一 轮 国 际 产 业 结 构 调 整 中 ， 我 国 制 造 业 将 进 一 步 “空 芯 ”。 我 们 以 资 源 、 环 境 、市 场 为 代 价 ， 交 换 得 到 的 可 能 仅 仅 是 世 界 新 经 济 格 局 中 的 国 际 “加 工 中 心 ”和 “组 装 中 心 ”， 而 非 掌握 核 心 技 术 的 制 造 中 心 的 地 位 ， 这 样 将 会 严 重 影 响 我 国 现 代 制 造 业 的 发 展 进 程 。我 们 应 站 在 国 家 安 全 战 略 的 高 度 来 重 视 数 控 技 术 和 产 业 问 题 ， 首 先 从 社 会 安 全 看 ， 因 为 制 造 业 是我 国 就 业 人 口 最 多 的 行 业 ， 制 造 业 发 展 不 仅 可 提 高 人 民 的 生 活 水 平 ， 而 且 还 可 缓 解 我 国 就 业 的 压 力 ，保 障 社 会 的 稳 定 ； 其 次 从 国 防 安 全 看 ， 西 方 发 达 国 家 把 高 精 尖 数 控 产 品 都 列 为 国 家 的 战 略 物 质 ， 对 我国 实 现 禁 运 和 限 制 ， “东 芝 事 件 ”和 “考 克 斯 报 告 ”就 是 最 好 的 例 证 。3.2 发 展 策 略从 我 国 基 本 国 情 的 角 度 出 发 ， 以 国 家 的 战 略 需 求 和 国 民 经 济 的 市 场 需 求 为 导 向 ， 以 提 高 我 国 制 造装 备 业 综 合 竞 争 能 力 和 产 业 化 水 平 为 目 标 ， 用 系 统 的 方 法 ， 选 择 能 够 主 导 21 世 纪 初 期 我 国 制 造 装备 业 发 展 升 级 的 关 键 技 术 以 及 支 持 产 业 化 发 展 的 支 撑 技 术 、 配 套 技 术 作 为 研 究 开 发 的 内 容 ， 实 现 制 造装 备 业 的 跨 跃 式 发 展 。强 调 市 场 需 求 为 导 向 ， 即 以 数 控 终 端 产 品 为 主 ， 以 整 机 （ 如 量 大 面 广 的 数 控 车 床 、 铣 床 、 高 速 高精 高 性 能 数 控 机 床 、 典 型 数 字 化 机 械 、 重 点 行 业 关 键 设 备 等 ） 带 动 数 控 产 业 的 发 展 。 重 点 解 决 数 控 系统 和 相 关 功 能 部 件 （ 数 字 化 伺 服 系 统 与 电 机 、 高 速 电 主 轴 系 统 和 新 型 装 备 的 附 件 等 ） 的 可 靠 性 和 生 产规 模 问 题 。 没 有 规 模 就 不 会 有 高 可 靠 性 的 产 品 ； 没 有 规 模 就 不 会 有 价 格 低 廉 而 富 有 竞 争 力 的 产 品 。第二章 数控机床系统总体设计一 总体方案设计内容接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。一、 系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。- 8 -二、 控制方式的选择系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，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做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。二 总体方案确定（1） 、系统的运动方式伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。（2） 、数控系统根据机床要求，采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用 MCS-51 系列的 8031 单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。（3） 、机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下：- 9 -图 1系统总体方案框图第三章 进给系统设计计算一 选择脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/step。根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step, 横向：0.005mm/step(半径)二 计算切削力用车床经验公式 F = D 来计算主切削力z67.05.1max- 10 -式中 D 指车床身上最大加工直径（ mm） 。横切端面时主切削力 可取纵切时 F 的 1/2。max zz求出主切削里 F 以后再按以下比例分别求出分力 F 和 F 。z zyF ：F ：F =1 ：0.25 ：0.5zxy式中 F ：指走刀方向的切削力（N） ；xF ：指垂直走刀方向的切削力（N） 。y下图为纵切和横切时切削力的示意图。图 2纵切和横切时切削力的示意图1、 纵车外圆主切削力 F (N)按经验公式估计算：zF = D = （N）z67.05.1max 751.4905.1按切削力各分力比例：F ：F ：F =1 ：0.25 ：0.4zxyF （N）1872.5.07.491F （N ）y 9632、 横切端面主切削力 （N）可取纵切的 1/2。 z- 11 -（N ）zF3745.21 21s（N ）x96.3400.（N ）y 85.三 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（一） 纵向进给丝杠1、 计算进给轴向力 F （N）m纵向进给这里为三角形导轨：F )(GFfkzx式中 K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取 K=1.15；：指滑动导轨摩擦系数取 0.150.18 之间的值；fG：指流板及刀架重力，G=1100N。则 F = （N）m 3614.052)81.7490(.0.18725. 2、 计算最大动负载 Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载 Q 的计算公式为：Q mwFfL3L 610Tnn 0vs式中 ：指滚珠丝杠导程，初选 =8；0L0Ln：指丝杠转速， （r/min） ；：指最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的 1/21/3，此处取 =0.3sv sv；m：指使用寿命时间（h）,对于数控机床取 T=15000h.。TL：指寿命，以 10 转为一单位；6：指运动系数，见表 1，选 =1.3。wf wf表 1运转系数运转状态 运转系数无冲击运转 1.01.2- 12 -一般运转 1.21.5有冲击运转 1.5-2.5则 n ( r/min)37.485.0610LvsL 6.10.1066TQ （N ）1583.7434.733 mwFf3、 滚珠丝杠螺母副的选型从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载 C 的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足 Q C 的条件。查表：可采用 W L5008 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5 圈 1 列，其额定动负载为123400N，符合 Q C 的条件。精度等级按表 2，选为 1 级。V mmp3036表 2滚珠丝杠行程公差精 度 等 级项 目 符 号有效行程（mm）uL1 2 3 4 5356 8 12 16 23315400 7 9 13 18 25400500 8 10 15 20 27目标行程公差e p500630 9 11 16 22 303156 8 12 16 23315400 6 8 12 17 25400500 7 10 13 19 26行程变动量公差V mp500630 7 11 14 21 29任意 300 mm 内行程变动量 V p30 6 8 12 16 232 弧度内行程变动量 V 24 5 6 7 84、传动效率计算)(tg式中 ：指螺旋升角， =2 55：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 其摩擦角 ，约等于 。,04.3.f arctgf01- 13 -则 95.0)15 2( )(tgt5、刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图 3 所示，最大轴向力为 N，支承间距3614.05L=1500mm, 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。图 3纵