普通机床的数控化改造

摘要

本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等几个部分。改造后的车床，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求主轴电机最大功率为18KW，X、Z坐标最大运动速度5m/min，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。

关键词：数控改造进给系统滚珠丝杠自动刀架

Abstract

This introduction of the design included :The draw-up of the general outline ,the decision and verify of the total designal projection ,the reforms design to the parts of the lord spreads to move ,the reforms design to the system of serve enters ,the choice and design to the knife which turn automatically ,the constructions design of coding dish gearing part ,and so on．While the motorcycle been reformed , the lord exercises realize to change speed automatically.

lengthways ,horizontal enter to proceed to system the number controls the control,To the spindle of the motor the greatest power for 18kw, x and z coordinate the movement speed 5m/ min ,knife must be the automatic control a knife which is turning automatically ,and it is able to slice the thread automatically.

Key words: The number controls to reforms; the system of enters; roll the bead in silk automatic knife

目录

第一章引言 (4)

1.1数控车床的特点和组成 (4)

1.1.1 特点 (4)

1.1.2数控车床的组成 (5)

1.2机床改造的意义 (5)

1.3数控车床的发展 (6)

1.3.1 数控车床的现状 (6)

1.3.2数控车床在我国的发展现状 (7)

1.3.3数控机床在国外的发展现状 (8)

1.4数控机床的分类 (9)

1.4.1按加工工艺方法分类 (9)

1.4.2按控制运动轨迹分类 (10)

1.4.3按伺服系统控制方式分类 (11)

1.4.4按控制系统功能水平分类 (13)

1.5数控机床的发展方向 (13)

第二章普通车床的数控改造和可行性论证 (17)

2.1车床的数控改造 (17)

2.1.1设计内容及任务 (17)

2.1.2设计任务 (17)

2.2机械部分改造 (18)

2.2.1 Z向、X向进给机构的改造 (18)

2.2.2机械部分改造设计部分的相关计算 (18)

2.2.3改造后机械结构特点 (20)

2.3数控系统及伺服系统的改造 (21)

2.3.1数控系统简介 (21)

2.3.2数控控制系统的选择 (22)

2.3.3伺服系统的选择件的 (23)

第三章安装调试 (26)

3.1安装调整中应注意的问题 (27)

3.2功能确定及分布 (28)

3.3机床的调试及验收 (29)

第四章改造后取得的效果 (31)

第五章结束语 (32)

参考文献 (33)

第一章引言

数控技术，简称数控（Numerical Control）。它是利用数字化的信息对机床运动

及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数

控系统的机床称为数控机床。

数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。

要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺

信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速度、主轴转速、主轴正反

转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工程序，通过数控系统的

译码，从而使机床准确地运动和加工出优质的零件。

机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到

比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸

多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也

不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚

性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难

以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技

术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、

辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成

了数控机床的独特机械结构。

1.1数控车床的特点和组成

1.1.1 特点

数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等新技术的产物，

是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比，其

优越性明显：

1.能完成很多普通机床难以加工、或者根本不能加工的复杂型面零件的加工；

2.采用数控机床，可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量;

3.可以提高生产率，采用数控机床比普通机床可提高生产率2～3 倍，对复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍；

4. 具有柔性，只需更换程序，就可适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工；

5.大大减轻了工人的劳动强度。

可以看出，数控机床是一种高效率、高精度、能保证加工质量，解决工艺难题，

而且又具有一定柔性的生产设备。数控机床的广泛使用，将给机械制造业的生产方式、

产品结构和产业结构带来深刻的变化，其技术水平高低和拥有量的多少，是衡量一个

国家工业现代水平的重要标志。

1.1.2数控车床的组成

数控机床一般由输

入输出设备、数控装置、

伺服系统、测量反馈装

置和机床本体组成，见

图1.1：

1.输入输出设备

输入输出设备主要

实现程序编制、程序和

数据的输入以及显示、

图1.1 数控机床的组成

存储和打印。

2.数控装置

数控装置是数控机床的核心。其接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。

3.伺服系统

伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求要有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。

4.测量反馈装置

该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。

5.机床本体

机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。

1.2 机床改造的意义

1.节省资金

机床的数控化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费购买新机床60%的费用，并可以利用现有基地。

2.性能稳定可靠。

因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

3.提高生产效率。

机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复

杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定的经济性、实用性和稳定性，所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。

1.3 数控车床的发展

1.3.1 数控车床的现状

1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的设备。由加工于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。

当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。

1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。

1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。

80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。

我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平，即使国内市场也面临着严峻的形式，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。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右，而95年已达77%。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、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说，这个问题反映在一下五个方面：

1.我国机床厂目前开发基型产品的周期约为15～18个月，其中设计时间约为5～8个月，占总周期的40%左右。而国外一些先进机床厂同类型产品的开发周期为6～9个月，其中设计约1.5～2个月，只占25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。

2.我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具（如分析和评价软件、征集结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等），自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。

3.用户根据使用需要，在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外，这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国机床厂用手工操作就至少需1-2个月，且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。

4.现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足，又担负着开发的重任。

5.由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见，容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。

为了解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程（Concurrent Engineering）使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境，使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。

日本机床行业的发展现状：

日本政府对机床工业的发展异常重视，一方面通过规划和制定法规（如“机振法”、“机电法”、“机信法”等）引导产业发展，另一方面提供充足的研发经费鼓励科研机构和企业大力发展数控机床。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，并将两国经验结合，形成了自己的发展特色而后来居上。

在机床的生产额上，日本不仅是天下第一。在1982年代替美国跃居首位今后，只管受经济形势得影响曾在金额上有所起伏，但27年来听从着天下第一得宝座。不过，在2009年，中国升至首位，日本则排在了德国之后滑到了第三位。

在技术气力这一点上，日本得上风。但从环球市场来看，这种“普通机床”得市场除了中国之外，在其他地区也会大幅扩大。与电子零件财产一样，以后日本企业也必需要夺取这一“大众”市场。

美国机床行业的发展现状：

目前，美国机床制造业在高效自动化机床、自动生产线、NC机床、FMS等机床技术及工业生产上仍处于世界领先地位。主要分布于中西部和东北部各州，主要消费用户是汽车制造业、航空工业、建筑业和医疗设备制造业等。

美国的机床技术之所以能够在世界上保持长期领先，政府在引导加强研发和不断创新方面起到了至关重要的作用。主要表现在：

首先，对方向性重大科研课题定出计划、措施并提供充足经费。例如为NC机床的研究开发提供大量经费。为新一代NC系统的研发提供1亿美元经费。

其次，组织引导有关科研单位和企业间的科研合作。例如：新一代NC系统的研发，由全美制造科学中心与美国空军协作开发；CIM的研制，政府组织通用汽车公司、波音飞机公司以及有关机床工业公司共同研发。

再次，新产品开发出来后，组织订货推广使用，同时加速推进科研进一步深化。例如：1952年麻省理工学院研制出第一台NC铣床后，马上组织军工部门订货100台用于生产，并不断改进，从而加速NC机床技术不断提高。又如：1994年美国G＆L公司研制出世界上第一台VARLA4并联机构机床后，及时组织有关大学研究分析并在企业中使用，以便在技术上进一步提高。

由于美国缺乏熟练工人以及工人工资相对较高，机床用户要求机床制造厂家的机床使用性能更具有灵活性并可反复编程，以减少对熟练工人的需求。由于汽车行业的竞争越来越激烈，汽车型号更新周期也越来越短，汽车行业要求机床的性能灵活、使用范围广、调试周期短，以适应汽车生产批量少、更新换代快的要求。

美国航空业、汽车业和模具制造业对高速机床的需求在不断增加。由于环保的原因，许多客户要求机床减少冷却液的使用量。以上种种情况表明，科技进步是影响美