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机械设计制造及自动化专业毕业设计（论文）1第一章数控机床概述1.1数控机床简介1.1.1数控机床的产生及其重要性随着科学技术的飞跃发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加。同时，随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高。此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件高效和高质量的加工要求。数字控制机床，就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而生产的。1947年，美国Parsons公司为了精确制造直升机翼、桨叶和直升机框架，开始探讨用三坐标曲线数据来控制机床的运动，并进行实验，加工飞机零件。1949年，为了能在短时间内制造出经常变更设计的零件，美国空军（U。S。AirForce）与Parsons公司签定了制造第一台数控机床的合同。1951年，美国麻省理工学院MIT（MassachusettsInstiuteofTechnology）承担了这一项目。1952年，MIT伺服机构研究所用实验室制造的控制装置和辛辛那提（CincinnatiHydrotel）公司的立式铣床成功地实现了三轴联动数控运动，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。随着不断的改进与完善，1955年，NC（数控）机床开始用于工业加工。数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶段。机械设计制造及自动化专业毕业设计（论文）2从第一台数控机床问世到现在40多年中，数控技术的发展非常迅速，使制造技术发生了根本性的变化，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。此外，数控技术也会在绘图仪、坐标测量仪、激光加工与线切割机等机械设备中得到广泛的应用。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。从20世纪50年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品。1958年，清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。经过多年的不断努力，数控产业取得了长足的发展：国产数控系统基本上掌握了关键技术，可靠性已有很大提高；新开发的国产数控机床产品大部分达到国际20世纪80年代中期水平，部分达到国际20世纪90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床；技术上也取得很大突破，如高速主轴制造技术、快速进给、快速换刀、柔性制造等技术，为国产数控机床的下一步发展奠定了基础。虽然在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在迅速缩小。数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产效率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性化自动化水平不断提高。数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术。美国与西方各国在高档数控机床与技工技术方面，一直通过巴黎统筹委员会对我国进行封锁限制，应为许多先进武器装备的制造，如飞机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数控机床的加工。如著名的“东芝事件”，即是由于前苏联利用从日本获得的大型五坐标数控铣床，用其制造出具有复杂曲面的潜艇的噪声大为降低，西方的反潜艇设备顿时失效，对西方构成了重大威胁。我国的航空、能源、交通等行业也从西方引入了一些五坐标机床等高档数控设备，但其使用受到国外的监控和限制，不准用语军事用途的零件加工。特别是1999年美国的考克斯报告，其中一项主要内容就是指责我国将从美国购买的二手数控机床用于军事工业，这一切均说明数控加工技术在国防现代化方面所起的重要作用。1.1.2数控机床应用范围及特点目前的数控加工主要应用于以下两方面：一方面的应用是常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等。其目的在于：机械设计制造及自动化专业毕业设计（论文）3提高加工效率，避免认为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件：一般形状较简单，实现上述目的的关键一方面在于提高机床的柔性自动化程度、高速精加工能力、加工过程的可靠性与设备的操作性能，另一方面在于合理的生产组织、计划调度和工艺过程安排。另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等。该类零件在众多的制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机床品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力（如多轴联动）外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。数控机床在机械制造领域中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：高柔性、生产效率高、加工精度高、加工质量稳定可靠、自动化程度高、能完成复杂型面的加工、有利于生产管理的现代化。1.2.数控机床的工作原理与组成1.2.1数控机床的工作原理数控机床是数字信息进行控制的机床。即凡是用代码化和数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工基本过程见图1所示：计算机数字控制装置（CNC装置）通信线路编程器CAD/CAM系统上位机输出装置输入装置程序清单信息载体机床速度控制单元位置检测器进给电动机可编程控制器（PLC）主轴控制单元主轴电动机图1、计算机数字控制（CNC）系统框图数控机床加工零件时，首先编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，再由数控装置机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换，工件夹紧、松开和冷却、润滑的启、停等动作，使刀具与其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、机械设计制造及自动化专业毕业设计（论文）4路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度等符合要求的零件。1.2.2数控机床的组成数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床来讲，它由信息输入装置、数控装置、伺服系统、机床本体以及复杂装置组成。1.3.数控技术的发展现状与趋势近十几年来，数控机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步着高精度、多功能、高速化、高效率、，正向复合加工功能、智能化等方向迈进，明显地反映出时代的特征，其主要表现为以下几方面。1.3.1精度化当代工业产品对精度提出了越来越高的要求，像仪表、钟表、家用电器等都有相当高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等，这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米级。因此，加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。1.3.2高速度化提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一，而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切学速度和减少辅助时间。随着刀具、电机、轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大为提高。1.3.3高柔性化柔性是指机床适应加工对象变化的能力，当代产品的多样化和个性化，对机床提供了更高的柔性加工要求。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。不仅中、小批量的生产方式在努力提高柔性化能力，就是在大批量生产方式中，也积极向柔性化方向转向。如出现了可编程控制器（PLC）控制的可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力单元等具有柔性的高效率加工设备，柔性加工单元（FMC），柔性制造系统（FMS）以及介于传统自动线与FMS之间的柔性制造线（FTL）。1.3.4高自动化高自动化是指在全部加工过程中尽量减少“人”的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。自20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”的自动化（单台数控机床）发展到“线”的自动化（柔性制造车间），结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化，并出现了FA（自动化工厂）和CIM（计算机集成制造）工厂的雏形实体。尽管由于这种高自动化的技术还不够完备。投资过大，回收期较长，而提出“有人介入”的自动化观点，但数控机床的高自动化并向FMC，FMS集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。数控机床的自动化除进一步提高其自动编程、上下料、加工等自动化程度外，还在自动检索、监控、诊断、自动对刀、自机械设计制造及自动化专业毕业设计（论文）5动传输等方向进一步发展。1.3.5复合化复合化包含了工序复合化和功能复合化。在一台数控设备上能完成多工序切削加工（如车、铣、镗、钻等）的加工中心，打破了传统的工序界限和分开加工的规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的镗铣加工中心，不仅一次装夹便可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体件五个面粗、精加工的全部工序。此外，还出现了与车削或磨削复合的加工中心。1.3.6智能化数控技术的一个重要发展趋势是加工过程的智能化。带有自适应控制功能的控制系统，可以在加工过程中根据切削力和切削温度等加工参数，自动优化加工过程，从而达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工表面质量等目的。刀具破损监控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作状态。以工艺参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统被用于指导加工。1.3.7网络化为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化功能也日趋重要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资源和信息共享，适应未来车间的面向任务的定单的生产发展模式，使得底蹭生产控制系统的集成更加简便有效。在生产企业之间，数控系统的网络化功能可以更好地适应敏捷制造（AM）等先进制造模式。同时，系统制造商也可以通过系统的网络功能进行远程诊断服务。1.3.8高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标，数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性的重要的量化指标是平均无故障工作时间（MTBF），数控系统的MTBF已由20世纪80年代的10000h以上，提高到90年代的30000h以上，而数控整机的MTBF也从20世纪80年代的100~200h，提高到现在的500~800h。除上述发展趋势外，近年来还出现了全新结构的数控机床，最早在美国IMTSˊ94机床博览会上，出现了被称为“六条腿”的机床。这种新型结构机床的六条腿能自由伸缩，没有导轨和拖板，也称为虚轴机床（VirtualAxisMachine）。其精度相当于测量机，比传统机械加工中心高2~10倍；刚度为传统机械加工的5倍；对零件轮廓的加工效率是传统加工中心的5~10倍。这种机床结构设想是德国STEWART1962年提出的，称之为数学造型机床，今天借助计算机技术的进步得以实现。机械设计制造及自动化专业毕业设计（论文）61.4.我国数控产业现状及发展20世纪80年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主版权数控机床的产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，产业化规模有了较大幅度的提高，形成了十几个普及型数控机床的产业化基地和开发