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1、第1章 绪论1.1 数控系统发展及趋势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。1.1.1数控（NC）阶段（19521970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一台机床专用计算机作为数控系统，被称
2、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。1.1.2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成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单
3、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，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代小型计算机；1974年的第五代微处理器和1990年的第六代基于PC（国
4、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。1.1.3.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。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。
5、(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 普通机床数控改造的必要性1.2.1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37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
6、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。 (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。由以上五条派生的优点：(1)降低了工人的劳动强度；(2)节省了劳动力（一个人可以看管多台机床）；(3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产周期；(4)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
7、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。1.2. 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
8、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。1.3 数控改造的内容及优缺点1.3.1 国外改造业的兴起在美国、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
9、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。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。1.3.2 数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：（1）是恢复原功能，对
10、机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；（2）是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；（3）是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；（4）是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术,在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。1.3.3 机床数控化改造的优缺点 1. 减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改
11、造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。 2. 机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 3. 熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。
12、改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 4. 可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。5. 可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。1.4 数控机床的构成及分类1.4.1 数控机床的组成数控机床外形一般分为五部分，组成框图如图11所示。1. 机床主机 机床主机是数控机床的主体，它包括床身、主柱、主轴、进给机构等机械部件。2. 数字控制系统 是数控机床的核心。当前一般采用计算机数控（Computered Numerical Control简称CNC）系统。它是
13、一台专用控制计算机，包括硬件（印制电路板、显示器、键盘、阅读机等）项控制功能。现代数控机床的数控系统都具有下面一些功能： (1)多坐标控制（多轴联动）。(2)实现多种函数的插补运算：直线、圆弧、抛物线、正弦线等。(3)代码转换：EIA/ISO转换、英制/公制转换、二/十进制转换、绝对值/增量值转换等。(4)人机对话：手动数据输入，加工程序输入，编辑及修改等。(5)加工选择：各种加工循环，重复加工，凹（凸）模加工，镜象加工等。(6)实现各种补偿功能：进行刀具半径、刀具长度、传动间隙、螺距误差的补偿。(7)实现系统故障诊断。(8)屏幕显示：实现图形、轨迹、字符显示。(9)联网及通信功能。3. 驱动
14、装置 驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件。一般通用机床的主轴和进给系统是由电动机驱动主轴箱中转动齿轮来实现速度变换和加工运动。4. 辅助装置 辅助装置是保证数控机床的功能得以充分发挥的配套部件。它包括的面很广，有电器、液压、气压等器件及系统，冷却、润滑、输送等装置，由于它们对发挥数控机床功能起重要作用，因此受到重视，发展极为迅速。5. 其它附属设备 为了提高数控机床工作效率，常常还配置一些附属设备，如自动编程机，机外对刀仪等。1.4.2 数控机床的分类目前，数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类，但归纳起来，常见的是以下面三种方法来
15、分析类。1. 按工艺用途分类(1)一般数控机床这类机床和传统的通用机床品种一样，有数控车、铣、镗、钻、磨等，而且每一类又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、龙门铣等，这类机床的工艺可能性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。(2)数控加工中心机床这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的，它是一般数控机床上加装一个刀库（可容纳10100多把刀具）和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床（又称多工序数控机床），这使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展。 它和一般数控机床的区别是：工件经一次装夹后，数控装置就能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工面自动地完成铣、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。这类机床大多是以镗铣为主，主要用来加工箱体零件。(3)多坐标数控机床有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋架、飞机曲面零件的加工等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需的形状，于是出现了多坐标的数控机床。其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂。其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求，现在常用的是46坐标的数控机床，最多
