普车数控化改造开题

1、表4 学号： 2014240124 西 北 工 业 大 学专业学位研究生论文选题报告表（工程硕士）学院 电子信息学院 姓 名 马小飞 工程领域 电子与通信工程 第一导师 张 怡 第二导师 报告日期 2014-10 研 究 生 院西 北 工 业 大 学专业学位论文选题报告要求一、论文选题1论文选题应直接来源于生产实际或者具有明确的应用背景和实用价值，可以是一个完整的工程设计项目或技术改造项目，可以是技术攻关研究课题，也可以是新工艺、新设备、新材料、新产品的研制与开发。2论文选题应有一定的技术难度、先进性和工作量，能体现作者综合运用科学理论、方法和技术手段解决工程实际问题的能力。3论文形式可以是工

2、程设计、研究论文、技术改造或工程管理。无论是那一种论文形式，论文都应至少有局部深入的理论分析。4正式开题之前，工程硕士生在广泛阅读中外文献资料的基础上，深入了解拟选课题的国内外研究动态，把握所选课题的目的、意义和预期结果，明确课题工作的设想、方法和研究路径。5工程硕士生所在单位应为工程硕士生的学位论文提供必要的时间和实验条件等方面的保证。6. 在规定的时间内，由所在学院确定第一导师和聘请校外指导教师（即第二导师）。学生应认真填写论文选题报告表，并向评议小组作选题报告。报告通过后，由指导教师组织论文开题并填写论文选题报告评议表。评议未通过者重新开题，若第二次选题报告未通过者，则按有关规定终止学籍

3、。第二导师应参与指导学位论文工作的全过程。7选题报告应在入学后的两年半内完成。如有不能按期完成者，应及时向学院提出延期报告；8. 论文研究如果涉及保密内容，必须同时向学校提出保密申请，并及时办理保密手续，过期不予办理。办理时间须在论文计划表中填写清楚。二、填表注意事项选题报告会应以学术活动的方式公开进行。本表可以打印或用钢笔认真填写，若不够填写时，可另加附页。工程硕士学位论文选题报告表 2016年 9 月16日论文题目基于数控机床改造的机床控制系统设计与实现论文是否涉及保密内容否论文类型(在有关项目下作记号)工程设计研究论文技术改造工程管理 内容包括： 1. 国内外研究动态；（不少于3500字

4、）2. 课题的理论意义、实用价值和社会经济效益；3. 课题研究的目标、研究内容和研究方法；4. 论文工作量的估计，关键技术以及所遇到的困难和问题，拟采取的解决措施。1课题来源课题来源于作者所在的单位。该课题一方面研究如何淘汰不用的普通车床改为数控机床，以降低机床采购成本，提高机床整体利用率。另一方面通过机床改造可将加工效率提升3-5倍，实现一人多机，大大降低人工成本。2 国内外研究动态 1）国内外的数控机床研究和应用现状工业发达国家的军、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、

5、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。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓

6、慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时我国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，我国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。目前，我国进口的

7、数控系统基本为德国西门子（SIMENS）和日本发那科（FANUC）两家公司所垄断，这两家公司在世界市场的占有率超过80%。在国内尚无自主知识产权高端数控系统替代的前提下，西门子和发那科拥有绝对的价格优势。加上高性能数控系统具有超越经济价值的战略意义，发达国对出口中国的数控系统始终有所限制，甚至像五轴联动以上的高性能数控系统产品绝对禁止向中国出口。 另外，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

8、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。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、节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。7、性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应

9、力变形而影响精度。由以上七条派生的好处如：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。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。机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3%。我国大量的普通机床应用于生产第一线，用普通机床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

10、场、效益，影响企业的生存和发展，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求，所以必须大力提高机床的数控化率。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能;另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01，已能满足加工零件的精度要求。这几年，国家加大了对这类机床的改造力度，国防科工

11、委更是推行了万台机床数控化计划，车床、铣床的数控化改造需求量很大。 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。 2）目前数控化改造主要涉及以下几个方面研究：1、数控系统的抗干扰研究。数控系统主要的控制部件就是CNC（Computer number control），它是专门为工业环境设计的控制装置 ，其在数控

12、机床上起着中央控制的作用。它能对人机界面指令进行编码处理，还能接受外部信号进行运算，直接控制或是间接通过PLC控制伺服装置及外的执行装置，并将接收外围的回馈状态信号。但是，如果工业环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证系统的正常安全运行。干扰可能使 NC接收发送到错误的信号，造成误动作，或使NC内部的数据丢失，严重时甚至会使系统失控。因此，为提高生产的安全性和控制精度，消除由于干扰出现的故障，应在系统使用时，采取有效的抗干扰措施，保证系统的正常运行。对于数控系统本身的抗干能力的研究与实践，国内外系统生产厂家均已非常成熟，如日本FANUC系统、三菱及德国西门子等，国内的广数、

13、华兴、华中、大地等，目前对于使用方层面来讲主要研究的干扰方面如下：电源系统干扰。数控机床控制系统的供电电源由电网供给，由于电网覆盖范围广，存在多种设备共享一个电网，尤其是电网内部的变化，电源开关操作、雷击浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边，使电压暂变，导致电网电压波动。此外，电源线在传输过程也会产生噪声以及快速瞬变的脉冲串，污染电网。这些都会通过输电线路传到数控机床控制系统，影响其的正常运行。据统计，电源的瞬时短路，欠压，过压和电网窜入的噪声引起CPU误动作及数据丢失占各种干扰的90以上。因此电源的抗干扰非常重要。磁场耦合干扰。在大

14、功率电动机，变压器和有大电流通过的电线周围都有较强的磁场。此磁场可在场内的导线中产生感应电动势。在数控机床工作时，其主轴电动机动作所产生的干扰，有可能使位控模块中的信号出错，存储器内数据 改变，导致伺服电动机工作失常。漏电耦合干扰。绝缘电阻降低而由漏电流引起的干扰。多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退化，器件本身老化的情况下。接地干扰。数控机床控制系统的地线包括系统地，屏蔽地，交流地和保护地等 。接地系统混乱会引起各个接地点电位分布不均，引起地环路电流，影响系统正常工作。2、机械装置及伺服系统的定位精度研究。数控机床定位精度是机床的运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位置精度,它与机床

15、的加工能力密切相关。目前国内外在数控机床精度和定位精度的研究方面做了大量工作,然而理论成果在实际应用中仍然存在一定的局限性。 生产中影响定位精度的因素有很多,针对不同机床的具体结构,主要有半闭环进给伺服系统的误差、热误差以及导轨几何精度的影响等。半闭环进给伺服系统的误差。这类伺服系统的位置检测点是从驱动电机（常用交直流伺服电机）或丝杠端引出，通过检测电机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。由于在半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。另外，由于在位置环内各组成环节的误差可得到某种程度的

16、纠正，而位置环外的各环节如丝杠的螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差均难以消除。因此，其精度比开环要好，比闭环要差。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。热误差。数控机床热误差是指：机床热变形致使机床按某种操作规程指令所产生的实际响应与该操作规程所预期产生的响应之间的差异。大量研究表明，热变形误差是数控机床的最大误差源，占总误差的 40%一 70%，因此由热变形导致的精度下降问题就显得日益突出，所以热误差的控制是提高精密机床特别是精密高速数控机床精度的关键技术。导轨几何精度。就数控车床而言：是指机床的运动

17、部件沿导轨移动时的直线性和它与有关基面之间相互位置的准确性。也可以说导轨沿支撑导轨运动时，其运动轨迹的的准确程度，即直线运动导轨的直线性和圆周运动导轨的真圆性。影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度和接触精度、导轨的结构形式、导轨和支承件的刚度、导轨副的油膜厚度和油膜刚度，以及导轨和支承件的热变形等。3. 课题的理论意义由于运用普通机床加工出来的产品大多存在着质量差、品种少、档次低、成本大、供货期长等原因，所以普通机床的数控化改造具有相当的意义。首先，提高了生产的效率。原普通机床经数控化改造后就可以实现加工自动化，工作效率可比普通机床提高近五倍；其次，性能更稳定安全可靠。因为经改造的数控机床的

18、各基础件经过长期工作，几乎不会产生因力变形而影响精度；再次，可以为生产厂家节约资金。普通机床的数控化改造和购买新的数控机床相比一班可以节省一半以上的费用，从大型的和特殊的设备上更能看出；最后，对于复杂的零件而言难度越高功效提高的越多。且可不用或少用工装，不但节约费用还可以缩短生产的准备时间。4 研究目标1、通过研究实现普车到数控车床的完美转换。2、实现机床两轴联动插补，定位精度0.01mm。3、实现四工位自动换刀。4、实现液压卡盘在普车数控化上的应用。5研究内容1.普通车床数控改造方案的确定，进行总体设计。2.对普通车床数控改造进行结构设计与计算，包括主轴进给系统设计、机床纵、横进给伺服系统的

19、设计等。3. 对机床改造中的抗干扰因素进行分析研究。4. 根据数控系统的控制原理，对影响伺服系统系统的因素进行分析。5. 对影响伺服传动精度的因素齿轮传动精度、滚珠丝杠副传动精度等进行深入研究，并提出相应的改进方法。6研究方法针对现有常规C6140普通车床的缺点，提出数控改装方案,，对C6140进行机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以FANUC 0I TC的控制系统对信号进行处理，使用FANUC半闭环伺服系统作为执行机构，加入滚珠丝杠副实现纵向、横向的进给运动。使用变频器实现主轴无极变速，另加入电动刀台及液压卡盘等实现一系列自动化。1、根据各书本资料公式计算出该选用的各零部件，如伺服

20、电机、丝杠螺母等型号。2、进给箱部分：全部折除，然后安装纵向的伺服电动机.用联轴器和滚珠丝杠直连。滚珠丝杠的另一端支承座安装在车尾座端原来装轴承座的部位。3、溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠的螺母座，丝杠螺母固定在其上。 4、横溜板部分：将原来横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，横向进给伺服电动机安装在横溜板后部并与滚珠丝杠用联轴器直连。 5、刀架部分：拆除原刀架，在该处安装宏达自动回转四方刀架总成。6、液压卡盘：去掉原来卡盘，重新制作液压卡盘连接法兰及后端回转液压缸法兰，中间使用M24螺杆连接。7论文工作的进度安排1）文献阅读和科学调研

21、（2016年07月2016年9月）对课题相关资料进行收集、优先阅读与本阶段工作重点有关的资料；完成开题报告；完成论文大纲；2）方案论证（2016年10月2017年01月）收集课题相关的研究资料；在大纲的范围内，结合有关资料，完成详细的论文提纲；3)设计或研究阶段(2017年02月2017年04月)进一步消化、整合前阶段收集到的资料；在前阶段详细提纲的基础上完成论文初稿；并对系统中的关键技术问题进行研究。4)论文撰写(2017年05月2017年07月)完成所有硕士论文的撰写工作。8关键技术以及所遇到的困难和问题，拟采取的解决措施1).确定数控机床的整体改造方案；通过查阅沈阳第一机床厂的CAK6150说明说，参照其精密数控车床，确定数控铣床的整体改造方案。 2).电气原理图的设计以及机械改造；参阅FANUC电气连接说明书及滚珠丝杠副选型手册。  3).PMC程序的设计以及调试；因为FANUC PMC梯形图与普通PLC梯