普通铣床数控改造-精品

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1、1第1章 绪 论1.1 数控系统的发展及趋势1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和 部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是 增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基 础。6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第 一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控 系统经历了两个阶段和六代的发展。 1 数控 NC 阶段（1952 年-1970 年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大， 但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭“成

2、一 台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC） ， 简称为数控（NC） 。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即 1952 年 的第一代电子管；1959 年的第二代晶体管；1965 年的第三代小规模 集成电路。2 计算机数控（CNC）阶段（1970 年-现在） 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来 作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机 前面应有的“通用”两个字省略了） 。到 1971 年，美国 INTEL 公司在世界 上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集 成电路技术集

3、成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR） ，又可 称为中央处理单元（简称 CPU） 。到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强， 控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控） ，不 如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微 处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微 处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了 1990 年，PC 机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到 很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入 了基于 PC 的阶段。总之，

4、计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代小型计算2机；1974 年的第五代微处理器和 1990 年的第六代基于 PC（国外称为 PC-BASED） 。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国 仍习惯称数控（NC） 。所以我们日常讲的“数控“，实质上已是指“计算机数 控“了。 3.数控未来发展的趋势 (1) 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点， 更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机， 来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。

5、PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远 程诊断和维修将更加普遍。 (2) 向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。(3) 向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程 度将不断提高。1.2 数控铣床加工的基本原理数控控制（Numerical Control）是用数字化信号对机床的运动及其加 工过程进行控制的一种控制方法。 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，是现 代化工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。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

6、电 一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围所覆盖的领域又：机械制 造技术；微电子技术；信息处理加工传输技术；自动控制技术；伺服驱动 技术；检验监控技术；传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新 兴高新技术产业和尖端工业的是能技术和最基本的装备。在提高生产率， 降低成本，保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点； 特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数 控装备是实现先进制造技术的关键。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。 国际信息处联盟（International Federation of Information 3Pro

7、cessing,IEIP）第五技术委员会，对数控机床作了如下的定义：数控机 床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑的处理具有使用码或其 他符号编码指令规定的程序。 数控铣床是发展最早的一种数控机床，以主轴位于垂直方向的立式铣 床居多。铣床的主轴只作旋转运动，工作台带动工件作纵，横，垂直三个 方向的进给运动，称为升降台式铣床。为了提高刚度，目前多采用主轴既 作旋转主运动，又随主轴箱升降台作垂直进给运动，工作台只作纵横 2 个 方向的进给运动的不升降类型铣床。立式数控铣床加工平面凸轮零件，只 需要工作台沿横纵 2 个坐标协调运动，即可以同时到达平面曲面的某一点 这种加工轨迹的控制，称为两坐标

8、联动控制（两轴联动） 。当加工圆锥台零 件时，依靠工作台纵横两坐标协调运动完成圆周加工，加工完一圈后，再 沿锥台高度方向提升一个高度，接着改变圆的直径（X,Y 的合成值）加工另 一圆周，如此下去，直至加工出整个锥台，这称为两轴半控制。如果在圆 锥上加工一条螺旋槽曲线，则要求 3 个坐标进给每时每刻都必须协调运动， 即同时到达空间的某一点，这称为三坐标联动控制即三轴联动。三轴联动 即可加工复杂的空间曲面。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前 3 坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行 3 坐标联动加工，但也有部分 机床只能进行 3 坐标中的任意两坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以 绕 X、Y

9、、Z 坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的 4 坐标和 5 坐标 数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐 标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而 来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程难度更大，设备 的价格也更高。 数控立式铣床可以附加数控转盘、采用自动交换台、增加靠模装置等 来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。1.3 数控加工工艺设计与普通加工相比，数控加工的工艺过程设计并不是从毛坯到成品的整 个工艺过程，而是仅有几道数控加工工序工艺过程的具体描述。许多在通 用机床加工时由工人自行决定的工艺问题

10、，在工艺设计时必须认真考虑， 并将正确的选择编入程序中。这就要求编程人员要有多方面的知识基础， 不仅仅是懂得计算机编程或了解某种软件的使用与操作。合格的编程员首4先应是一个很好的数控加工工艺人员，应对所编程的数控机床的性能、特 点、切削范围、标准刀具系统有全面的了解。一般来说，数控加工主要包 括以下几个方面的内容： （1）选择并确定进行数控加工的零件及内容； （2）对零件图纸进行数控加工的工艺分析； （3）数控加工的工艺设计； （4）对零件图形的数学处理； （5）编写加工程序单； （6）按程序单制作控制介质； （7）程序的校验与修改； （8）首件试加工与现场处理； （9）数控加工工艺技术文件的

11、定型与归档。1.4 机床数控化改造的必要性1.4.1 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 3 7 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

12、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。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。5.由以上五条派生的好处。 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5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。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

13、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。 1.4.2 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

14、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。6第 2 章 设计方案的确定2.1 设计任务将一台 XA5032 普通立式升降台铣床，由于长期使用严重磨损，故障频 繁，既费时又费力，急需改造。用微电子技术改造机械设备是当前世界新 技术发展的潮流，是提高产品质量，生产效率和经济效益的重要

15、手段。改 造成三坐标数控铣床。改造后的数控铣床主要用于加工不同品种的制动凸 轮轴，轴最长为 650mm，该制动轮轴所需加工的轮廓外形含有直线、圆弧和 渐开线；要求的轮廓公差为 0.1mm，对称度公差为 0.1mm，表面粗糙度为=1.6；工件材料为 40Cr 锻件，调质；设计生产节拍为 7 件/每分钟。aR2.2 总体设计方案的确定2.2.1 动力的选定 经济型数控机床的改造，为了保证改造后的性能不低于原铣床，选 X、Z 坐标快进速度不低于 2.4m/min，水平拖动力按 15KN 计算。则要求的 功率为 P=FV=152.4/60=0.6W。若采用直流或交流伺服电机的闭环控制方 案，结构复杂，

16、技术难度较大，调试和维修困难很多，造价也高，闭环控 制可达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙， 干扰等对加工精度的影响，一般用于要求高的数控设备中，由于所改造的 数控铣床工件的加工精度不是十分高，因此，采用闭环系统的必要性不大。步进电机可以达到改造后要求的功率，而且步进电机的成本比较便宜， 安装及调试方便，因此，在本进给系统的设计中采用步进电机。2.2.22.2.2 控制部分的设计控制部分的设计 要能控制三个坐标轴的运动，根据工件加工要求，至少要控制两轴联 动完成圆弧插补，为了在加工中使用不同尺寸的刀具，数控装置应具有刀7具的半径和长度的补偿功能，以便数控加工中按轮廓编制程序而能适应刀 具尺寸的变化。综上所述 整个改造方案如下图所示8第 3 章 数控系统硬件电路设计3.1 数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基 础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能 有效地运行机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。 (1)中央处理单元 CPU (2)总线。包括