机械设计数控机床实际应用分析-毕业论文

1、数控钻床 数控机床应用现状分析摘要：从数控机床的性能特性出发, 详细讨论了数控加工工艺与传统加工工艺之间的关系, 研究了提高数控机床应用效益的技术途径及计算机辅助设计在数控机床应用中的重要作用。关键词： 数控机床 效率 局限性 一、数控机床的简介1.1 数控机床的概念数控机床是数字控制机床（Computer numerical control）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。1.2 数控机床的特点和组成数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，

2、数控机床有如下特点： 加工精度高，具有稳定的加工质量；可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）； 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。它由以下几个部分组成：1) 主机：他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 2) 数控装置：是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程

3、序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 3) 驱动装置：他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 4) 辅助装置：指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5) 编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 6) 自从1952年美国麻省理工学

4、院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。1.4数控机床的效率概述车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法，所谓机械加工，就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状，包含尺寸精度和几何精度两个方面。能完成以上功能的设备都称为机床，数控机床就是在普通机床上发展过来的，给机床装上数控系统后，机床就成了数控机床。当然，普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单，例如：从铣床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了刀库，大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是

5、铣、镗、钻的功能.我们一般所说的数控设备，主要是指数控车床和加工中心。 数控加工作为机械加工的先进形式，在很多行业得到了推广和应用，但数控加工本身也面临一个很大的问题，即数控设备的资产原值较大，一台未能充分发挥其性能的数控设备不仅会成为制约产品加工的瓶颈，也会成为企业经营的负担，因此，无论从技术进步的角度还是从企业经营的角度，提高数控效率都是一个永恒的话题。二、数控机床在国内外的应用现状在汽车等大批量生产行业，生产准备和生产组织管理等工作的效率相对较高，其数控设备的应用效率也相对比较高。但是由于汽车工业本身多产的特征，必然导致机床应用的资源浪费，因为其效率也会大打折扣。飞机制造业，因其产品的批

6、量远远达不到大批量生产的规模，频繁的技术和生产准备等因素造成数控设备的停机和辅助时间延长，在一定程度上导致了设备利用率相对较低，同时，对于国内的飞机制造企业，还存在着多品种、小批量和离散程度高等问题，数控设备维护、数控工艺技术、数控程编技术和刀具技术等方面与国外存在着较大的差距，数控设备的应用效率明显低于世界先进的飞机零部件制造企业。同样，其他制造业中由于本身投入的便不如汽车和飞机制造业的资金充裕，高素质的人才不能与之配套，机床的养护以及使用不够规范，使其效率远远不能发挥。据有关方面统计，目前，国外数控机床在使用两班制工作情况下开机率达6070，而国内用户的开机率仅有2030，数控机床的开机率

7、在很大程度上代表了数控机床的加工效率，出现过把德国生产的DMU125P型（马豪，五轴四联动）机床当普通镗床使用的情况，另外，也出现了许多企业十分严重的数控机床常年闲置不用的现象。一句话，国内数控机床普遍存在加工效率不高的现状。三、数控机床的现状分析3.1数控机床本身的局限性1计算机数字控制系统(CNC)赋于现代加工设备智能化，能加工出许多以前传统加工手段无法精确加工的零件，如曲面、曲线等，又大大地提高了整个加工过程的生产效率，其优越性十分明显。但数控机床也不是万能的，有应用方面的原因，但更主要是由其本身固有的特性所决定的。1. 数控机床本身精度的限制数控机床单轴定位精度一般在±0.0

8、1mm左右，重复定位精度在±0.03mm左右，联动回转轴的定位精度与重复定位精度在±5左右。由此可见，数控机床的单轴定位精度并不比一些高精度的常规加工机床高，特别是在加工某些单件高精度零件时并无优势可言。2. 数控机床控制方式的限制数控机床的数控系统是用直线插补与圆弧插补的控制方式实现的，因此在曲线加工中就会出现曲线加工的逼近误差，在曲面加工中还会出现加工的残留面积，将直接影响到零件加工的精度。3. 数控机床应用特点的限制由应用情况表明，数控机床最适用于小批量、多品种、高精度的零件加工。这一点在实际应用中最易被忽视，而这恰恰是有效地提高数控机床的应用效率的关键所在。4. 数

9、控机床应用的局限性由于数控机床的工作范围和所加工零件本身的限制，在加工某些零件时会出现不够完善的地方，这些地方就必须用传统的加工方法予以弥补。例如，在某些空间曲面的加工中，由于采用点切削方式加工的零件，表面必然会留有残留面积，则需由一些传统的加工手段来完成。3.2 在使用数控机床过程中的问题以及影响因素 在对数控设备的使用过程中，对数控机床的应用应该有一定的认识，如何能最大限度地发挥数控机床的加工效率，有一些问题必须要解决。目前企业中，基层技术干部、管理干部对数控机床加工的原理、数控系统的特性不了解，对零件加工工艺和程序的编制生疏，无法对数控设备进行科学的管理。因此即使有先进的加工方法但没有相

10、应的管理手段仍然无法使数控机床的效率得到更大的发挥。 另外由于数控加工操作人员大部分来自普通机加工工人，文化素质参差不齐，在对数控设备的应用中套用普通设备加工的思路，对数控机床高速切削的特性、数控刀具的选择、切削参数的选择缺乏科学性，也无法最大限度地发挥数控设备的加工效率。 由于特定的原因，数控设备的系统繁杂，设备档次不齐，给技术人员、操作人员的应用和编程带来很大困难，大大限制了零件的转移加工。 一般的系统内存容量都不是很大，在加工零件种类繁多时，大量的加工程序因为无法存储而不得不进行反复的删除和键入， 有限的系统资源有时甚至无法存储一个完整复杂零件的加工程序。 频繁重复的零件准备工作浪费了大

11、量的工作时间， 直接影响了数控机床的效率。由于大量的加工程序是使用手工编制的， 对复杂面的计算难于保证它的准确性， 也难于保证零件的加工要求， 甚至出现废品。现在虽然企业大部分建立了自己的局域网， 在计算机中大量使用了CAD/CAM软件， 但基层缺乏与上层技术部门衔接的环节， 因而无法获得技术部门的有力支持。对数控设备应用效率的评价可以分解为评价其在制度工时内设备主轴有多少时间被用于切削加工，在主轴加工的时间段内有多少材料被去除，在度量时间段内加工的产品中合格品的数量是多少。主轴用于切削的时间越长、材料的去除率和产品的合格率越高，则设备的应用效率越高。由此分析，影响数控设备应用效率提高的因素可

12、归结为设备故障因素、生产管理因素、工艺技术因素、数控刀具因素和人员技能因素等5 个方面。对于国内，虽然近年来数控设备的应用水平得到了快速的发展，尤其在数控工艺技术研究应用方面取得了较大的进步，国产数控刀具的品质也有了大幅度提高，但从整体来说，仍与世界先进企业存在较大差距，具体表现如下：1）. 用户盲目选型，致使货不对路选型存在盲目性，不考虑投资效益和经济性，不考虑性价比，盲目追求先进；选型存在片面性，片面讲究功能齐全；数控机床选型混乱，数控机床类型、规格不配套，致使技术后援难度增大；购置后发现货不对路，数控机床类型、规格、精度与企业产品不适应，购买后使用成本太高或加工范围小；购置数控机床只重视

13、主机性能，而忽略附件和刀具配套。盲目购置的数控机床，往往无加工对象，致使设备常年闲置，或用来加工一些得不偿失的零件，根本谈不上有什么加工效率与效益2）.零件生产高度离散国内各厂的生产线建设水平参差不齐，投入资金也各不相同，数控车间承担的产品几乎涵盖了所有制件，基本不存在结构件数控加工单元，结果造成了厂际甚至厂内能力的重复投资，更严重的是，受到各型号制件批量的限制，同一台数控设备承担了大量结构类型存在较大差异的零件，生产组织过程中大量的时间浪费在了零件和夹具的换装等重复性工作中，所以并未从根本上解决离散的生产模式问题。 3.3数控加工集成应用处于起步阶段国内目前在CAD、CAM、DNC、MES等

14、数字化工具和平台的应用和建设方面投入较大，也取得了初步的成效，但在应用过程中仍然不同程度上存在着信息孤岛现象，并未实现真正意义上的数字化工厂，在生产计划安排、生产组织和过程监控等各个环节仍然以现场式的调度管理为主，不可避免地存在着计划脱节、生产准备滞后等问题，增加了数控设备的停机等待时间。 3.4. 数控刀具系列化应用层次相对较低数控设备属于制造企业的优质资源，为了充分发挥其资源优势，配套使用的刀具等工具的品质应得到严格保证，国外企业普遍使用了专业刀具制造商的系列化高品质刀具，而目前国内各厂均有着一定规模的专用刀具设计制造能力，为了“有效”发挥自有刀具的设计制造能力，使得理应实现通用化的数控刀

15、具一直在专用化的道路上徘徊，部分数控车间仅能在一些关键产品上采用通用刀具，造成企业的数控切削参数库建设难以实际开展，仅有的数据也难以推广，材料切除率长期维持在较低的水平，同时，低品质刀具的长期使用也会在一定程度上影响设备主轴的寿命，对设备的完好率造成负面影响。 3.5 数控工艺技术和产品检验技术积累有限改革开放以来，国内制造企业普遍对发展先进的加工技西飞公司零件数控加工技术不遗余力，在数控加工技术方面有了相当的工艺技术积累，但在加工变形预测和控制等方面仍以经验为主，在数控产品的过程控制和检验等环节的发展上也滞后于工艺技术的进步，目前，在部分机械厂仍然存在着数字化加工的产品以模拟量进行检测的现象

16、，也存在着对数控产品不加区分地完全使用三坐标数控测量机进行检测的现象，工艺技术的有限积累和落后的检验技术直接造成了加工流程的复杂化，既增加了零件装卸等的辅助时间，也增加了停机测量等的辅助时间，降低了设备的利用率。国外统计，手工编制程序，一个零件的编制时间与机床实际加工时间之比约30：1，数控机床不能开机的原因2030是由于加工程序一时编制不出而耽搁的。目前，绝大多数企业虽然采用了CAD/CAM软件编制程序，使得编制程序的加工效率有了很大的提高，但由于企业编程人员少，或编程人员对软件掌握的熟练程度差，加工程序不能及时编制出来的现象，仍然十分普遍。此外，编程人员机械加工经验欠缺，编制程序不合理，返

17、工重复编程的现象十分突出，也在一定程度上造成了编程效率的低下。3.6 操作工技术水平和素质参差不齐数控操作工的职责是换装夹具、装卸零件、准备刀具和操作机床调用数控程序并监控加工过程等，由于在生产过程中存在着误操作引起的零件超差等事故，或使用同样的设备加工同样的产品时不同的操作工加工的产品品质和生产进度存在较大差异等现象，管理层对数控操作工的机床操作资格、操作技能等已给以予了越来越多的重视，操作工的资格培训、技能培训等工作得到了关注。机床维护人员要么只能排除机械部分的故障、要么只能排除电器部分的故障、要么只能排除数控系统方面的故障，对数控系统了解仅局限在一种或两种；数控机床操作人员综合素质低，现

18、在很多的操作人员根本不懂得数控加工的原理，不会编制数控加工程序，操作者不会磨刀，就像当代很多理发师不会刮胡子一样普遍；企业工艺人员综合素质低，致使传统加工与数控加工衔接不合理，使得数控机床的加工效率降低。 从数控机床的应用特点可以看出,数控机床使用人员应该具备以下知识:21.良好的机械加工与工艺知识数控机床尽管有许多自身的应用特点，但其应用仍必须遵循机械加工的一般规律。因此使用人员必须具有相当的机械设计，机械加工及工艺知识。2.良好的计算机应用能力无论是数控机床的加工程序的编制，数控机床的操作，还是数控加工零件的检测，加工误差的分析与补偿，都离不开计算机，特别是一些复杂的数控加工程序的编制，离

19、开了计算机更是寸步难行。3.良好的数学基础在数控加工程序编制过程中要大量地用到数学知识，特别是在曲线、空间自由曲面加工程序的编制中，从空间曲面的定义方式到曲面加工数据的处理都要用到数学的内容。4.其他相关的知识如前所述,数控机床的应用与计算机辅助设计(CAD)， 计算机辅助工艺设计(CAPP)，计算机辅助测量(CAT)等相关技术有直接的联系，而且随着计算机集成制造系统的发展，这种联系正变得越来越密切。3.7 数控设备的维护和维修水平有待进一步提高国内在数控设备的维护管理上基本沿用了普通设备的管理模式，但因存在着在高档数控设备领域自主研发能力上的瓶颈，设备使用单位更是缺乏高水平的维护、维修专业人

20、才，长期对数控设备进行维护和故障的简单化处理，使得整体设备完好状况每况愈下。数控机床维护人员排除机床故障的能力差；涉及到系统硬件更换的故障排除，采购硬件的时间长，尤其从日本、德国等公司进口的多轴高档设备，对国内企业搞技术封锁（对军工企业更甚），一旦出现更换设备系统硬件的故障，往往需要几个月甚至更长的时间才能排除。3.8 数控机床的工作环境差电压波动大、供电质量差，影响机床正常运转；环境温度变化大，湿度大，使得工作不稳定或不可靠；强电磁干挠；机床的平面布局不合理，致使物流不畅。3.9 数控机床管理水平低管理者对数控机床认识存在误区，把加工对象扩大到很大的范围；技术准备工作滞后。第四章 改善措施如

21、果想真正发挥数控机床的高效率就必须从加强对数控机床的管理及普及对数控机床的应用技术着手。有必要对基层技术管理干部进行高质量的培训和考试，让基层技术管理干部真正了解数控系统的加工原理、数控工艺及数控程序的编制。 提高数控设备的应用效率，必须同时提高设备的利用率、材料去除率和零件的合格率，基于目前国内航空企业在数控设备使用方面存在的差距，其根本的解决方法是同时提高管理水平和技术水平。具体途径分析如下： （一）管理途径 建立结构件数控加工单元，实现 “规模”生产。一方面，基于现有的工艺布局，各企业内部的零件加工路线分工和数控车间内部的机床任务安排应尽量按照零件的结构特性分类来布置，建立成组生产单元，

22、以提高生产准备效率和操作工的熟练度；另一方面，在制造工业内部进行能力规划，逐步在各厂建立工作包或部件加工单元，形成类似于空客公司的协作生产组织形式，以降低企业的重复投资，并进一步简化同类型零件的数控加工流程，提高数控生产准备效率和整体数控技术应用水平。 严格用人制度，提高操作人员队伍素质。改变传、帮、带的传统数控操作工培训模式，建立严格的数控操作人员上岗制度，要求上岗前必须对所操作设备的各项性能、操作注意事项等进行全面掌握，对所加工零件的结构特点、难点、加工流程以及加工注意事项在加工前全面了解，避免边学边干的现象，杜绝操作失误、消除操作差异、提高设备利用率及产品合格率。 “借用”设备制造商能力

23、，提高设备完好率。国内企业的数控设备目前基本以自主维护和维修为主，只在极个别的故障情况下才会向设备供应商求援，基于目前技术水平和设备完好率较低的实际状况，各企业应针对关键设备与设备供应商签订定期维护的协议，并对关键零部件加大库存，一方面确保设备状况的完好，另一方面可以通过现场的协作与沟通提高设备自主维护和维修的技术水平。 加快数字化车间的建设步伐，提高综合管理水平。数控机床的管理主要包括对设备的维护、设备的平面布置、机床与机床之间及机床与工作站之间的通讯管理等诸多方面，科学的管理是提高数控机床加工效率的最重要的手段之一。随着数控机床数量的增加，数控机床的联网通讯可将所有的数控程序、数控系统参数

24、以及PLC程序都备份到计算机中，从而保护了系统资源；保证了数据的准确性，又大大地提高了工作效率。通过DNC控制，可解决系统内存太小的数控机床不能执行较大的数控程序的问题；通过建立车间内部计算机与数控机床的局域网，可实现CAD/CAM设计和数控加工整个过程的计算机管理。因而建立起一套合理的设备、网络管理体系是十分必要的。因此搞好企业或车间数控机床的管理，可从以下几个方面入手：将数控设备、刀具夹具等按相应的方式分为不同的组分类管理，建立车间级的MIS系统；建立合理的维护保养体系；建立合理的设备使用和管理日志；实行专人负责、小组分工和车间管理相结合的管理模式；建立一套合理的监督、考核体系；建立行之有

25、效的网络管理方案；机床平面布局合理，确保物流畅通，减少周转、搬运等辅助时间。（二）技术途径 加快工艺、程编及仿真技术的研究应用步伐。简单合理的工艺流程、合理的加工刀具轨迹和准确的加工预测是实现高效数控加工的前提和基础，可以通过厂所协作等模式将先进的理论和技术转化为国内企业的自主技术，以尽快缩短与世界先进水平的差距。 加大数控刀具技术应用。提高设备的材料去除率，唯一的途径就是在不影响设备正常使用的前提下提高切削用量，因此，在零件结构允许的情况下尽量使用大直径刀具，对提高材料去除率非常有效，另外，使用高品质的刀具进行高速切削也是控制变形、提高材料去除率的有效方法。 加快检验技术的研究应用，简化加工

26、流程。在产品加工已初步实现数字化的现实情况下，全尺寸检验的主导思想和检验手段必须改变，以进一步减少数控机床辅助停机时间、简化工艺流程。加快机床维修技术的进步，不断提高数控设备的完好率.3（三）提高数控从业人员综合素质人的因素是做事成败的关键，数控从业人员综合素质的高低对数控机床加工效率同样具有决定性的作用。一台高效的数控机床，由一群毫无数控知识的人来管理、来操作，数控机床的功能与作用必定得不到应有的发挥。数控从业人员包括数控机床的操作者、机床维护人员、数控编程员等，其中，数控编程员水平的高低对提高数控加工效率起着决定性的作用。3提高数控编程人员的综合素质是许多企业着重解决的问题，现在许多企业的

27、领导在选择数控编程员时，存在着认识上的误区，一般热衷于将那些刚从大专院校毕业或从业不久的大学生安排在该岗位，认为现在数控程序一般是运用CAD/CAM软件编程，大学生的知识面新、接受能力强，在短时期内，完全可以胜任数控编程工作，这种认识是十分偏面的。的确，运用CAD/CAM软件创建一个一般复杂程序零件的模型或编制一个符合于零件几何形状的数控程序是很简单的。但要将一个程序编制得合理、可操作性强或高效，却不是一件容易的事。数控编程员只有具备了丰富的机械加工经验和数控加工方面的知识，才能成为一个合格编程员。机械加工经验只能从生产实践中获得，由于编程员缺乏机械加工方面的基本知识，所编制的程序不合理、编制

28、的程序加工效率不高，甚至于无法使用，在目前的许多企业非常普遍。一个编程员水平的高低，反映在处理加工细节方面的能力，所以，企业选择数控编程员最佳人选应是那些在企业从事了多年传统工艺工作的工艺人员。这些人在企业从事工艺工作的时间长，机械加工经验丰富，学习能力强，考虑问题比较全面，编制的数控程序会相对合理、可操作性强，可以做到传统加工与数控加工的合理衔接，从而使企业普通机床与数控机床的潜能得到最大限度的发挥。数控机床价格昂贵，若出现故障不能及时排除，是对企业设备资源的极大浪费，企业成立一支综合素质较高的维修队伍是十分必要的，确保一旦机床出现故障可立即排除，以保证机床的转动率。提高数控从业人员素质，可

29、以采取以下几种办法：派从业者参加各种类型业务培训班与讲座；加强与内外有关人员的技术交流；多学习有关专业书籍等。当然，提高业务素质的关键是从业者本人。从业者要爱岗敬业，多学习、多实践，日积月累，业务水平自然会得到长足提高。（四）做好刀具选型与管理工作4刀具是制造业主要消耗品之一，每个制造厂家每年都会消耗大量的刀具。制造业追求高品质刀具的脚步从来没有停止过，这是因为无论是传统加工还是数控加工对刀具的依赖性都很强，一台先进的数控机床设备，没有高品质的刀具与之配套，要想提高加工效率几乎是不可能做到的事。尤其在高速加工与超高速加工技术中，超硬材料刀具是实现高速加工与超高速加工的前提和先决条件。为满足各种

30、先进设备与新型材料对刀具的需要，刀具制造业也在发生着日新月异的变革，主要表现在：从事刀具研究与制造的企业、从事刀具销售的队伍越来越庞大；刀具的品牌与种类越来越多，刀具的品质越来越好等方面。目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。提高企业数控加工效率，在刀具方面要做的主要工作是：一方面针对企业数控设备、加工对象及材料做好刀具的选型；另一方面要做好已购买刀具的使用与管理。由于刀具的国内外品牌很多，良莠不齐，企业在做刀具选型时一定要擦亮眼睛，注重性价比，多咨询、多实践、多比较。搞好刀具管理主要是要建立健全企业刀具借用与回收制度，同时要搞好企业工具库建设，做到帐目明细清晰。（五）做好传统加工与数控加工合理衔接工艺工作由于历史的原因，传统的加工设备在短时间内不会退出制造业的舞台，先进的数控机床与相对落后的普通机床并