畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)普通車床數(shù)控化改造所在學(xué)院專業(yè)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師I I畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書題目 ： 普 通車 床數(shù)控 化改 造學(xué)生姓名：專業(yè)名稱：機(jī)電一體化技術(shù)指導(dǎo)教師： 胡世軍 副教授年年年年月月月月日日日日I I I蘭 州 理 工 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書一 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 ：普通車床數(shù)控化改造主要設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)1 、 X 軸 ( 橫向 ) 、 Z 軸 ( 縱向 ) 改為微機(jī)控制 ， 采用步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) ，滾珠絲杠傳動(dòng)。X 軸 ( 橫向 ) 脈沖當(dāng)量： 0.005m m / 脈沖Z 軸 ( 縱向 ) 脈沖當(dāng)量： 0.010m m / 脈沖2 、 實(shí)現(xiàn)功能：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工3 、 操作要求：起動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、單步運(yùn)行、自動(dòng)循環(huán)、暫停、停止二 畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量（一） 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 一份 0.81.0萬字1 、數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展、數(shù)控技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的進(jìn)展、數(shù)控改造的必要性、數(shù)控改造的優(yōu)點(diǎn)、數(shù)控改造的設(shè)計(jì)步驟、數(shù)控改造方案確定、機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)與計(jì)算、電機(jī)的計(jì)算與選擇、數(shù)控系統(tǒng)的選擇、參考文獻(xiàn)（二 ） 、圖紙部分1 、 普通車床數(shù)控化改造總體方案圖 A0 一張2 、 縱向進(jìn)給（ Z 軸）機(jī)械改造裝配圖 A0 一張3 、 橫向進(jìn)給（ X 軸）機(jī)械改造裝配圖 A0 一張四 畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求：能按時(shí) 獨(dú)立 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)定的全部內(nèi)容 ， 方案選擇正確 ， 論據(jù)充分 ， 對(duì)設(shè)計(jì)中的主要問題分析深入 ， 解決合理 ， 有獨(dú)立見解 ， 能很好運(yùn)用所學(xué)理論和提供的資料解決設(shè)計(jì)中的問題 ， 能獨(dú)立查閱和正確引用中外文參考資料 ， 說明書文字通順 、清楚、選用數(shù)據(jù)論證合理、計(jì)算準(zhǔn)確，圖面整潔。I V五、 進(jìn)程安排序號(hào) 主 要 任 務(wù) 備注1 查閱文獻(xiàn)、調(diào)研、收集資料2 總體方案圖3 縱向進(jìn)給機(jī)械改造裝配圖4 橫向進(jìn)給機(jī)械改造裝配圖5 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書6 準(zhǔn)備答辯六、 主要參考文獻(xiàn)：經(jīng)濟(jì)性數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 張新義主編 機(jī)械工業(yè)出版社數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì) 陳嬋娟 化學(xué)工業(yè)出版社機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社或化學(xué)工業(yè)出版社機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè) 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社V摘要隨著當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對(duì)精密程度的要求越來越高 ， 加工設(shè)備的機(jī)械加工設(shè)備的加工的精密程度也要求越來越高 。 而在中國的機(jī)械加工設(shè)備的車床中普通車床占了很大比例 。 這已經(jīng)越來越制約著當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展 。 而數(shù)控機(jī)床由于價(jià)格昂貴 ， 且需要較高技術(shù)的加工工人 。 所以對(duì)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化改造很是必要 。 本篇論文是在對(duì)普通臥式車床的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化改造。作者在搜索 、 查閱研究大量有關(guān)資料的基礎(chǔ)上 ， 對(duì)機(jī)床自動(dòng)化改造技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和分析 ， 并描述了機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。 整個(gè)改造過程主要對(duì)車床縱 、 橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造 ， 選用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架 ， 由脈沖發(fā)生器來加工所需要的螺紋 。 整個(gè)控制系統(tǒng)以 8031型號(hào)的單 片機(jī)為中心，通 過編程對(duì)機(jī)床的驅(qū) 動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制 以達(dá)到所需要的加工程度。關(guān)鍵詞：機(jī)床改造 ， 自動(dòng)化機(jī)床 ， 控制系統(tǒng)V IA b s t r a c tWi t h t he dev e l o pm e nt of i ndust r y e qui p m e nt , t he pre c i s i on r e quir e d of i ndust r ye quipm e nt i s m ore a nd m ore h i g h . T he m ore a nd m ore pre c i s i o n of e quipm e nt w hic hm a c hine d t he i ndust r y e quipm e nt i s r e quir e d . B ut i n C h i na t he c om m on l a t he have a ver ygre a t c om par i s on i n t he m a c hine d e qui p m e nt , t his a l r e a dy r e s t r i c t t he dev e l o pm e nt ofi ndust r i a l nowa days . B ut t he C N l a t he i s m ore e xpensi ve , a n d n e e ded w orker s w i t h h i ghert e c hnic a l l y . S o i t i s a n e c e s s i t y v e r y m uch t o m odif y t he c om m on l a t he t o l a t he s a utom a t i c .T his paper i s i n t he f oundat i o n of t he c om m onnes s hori z onta l l a t he r a nd m odif i e d i t t oL a t hes a utom a t i c .T he a uthor has per f orm e d t h e f urt her r e s e a r c h a nd f or t he l a t he s a utom a t i c m odif i c a t i o non t he bas i s of t he c ons t a nt c onsult a t i o n of a bundant r e l a t i ve docum e nt s , w hic h f ocuse s o ndes c r i b i ng t he des i gn of c ontr ol of t h e m a c hine . T he m a i n t o m odif y t he l a t he i s t o m odif y t heport r a i t , hori z onta l e nte r t o t he s yst e m i n t he Wh ole m odif i c a t i on proce s s a nd c hoose t hea utom a t i c kni f e r e s t a n d be proce s s e d t he t hre a d n e e d by puls e r . T he w hole c ontr ol s y s t e mw i t h t he C P U of 8031i s t o c ontr ol t h e m a c hine f or c e n t e r , t hrougha pla i t dis t a nce dri ve t oolm a c hine a n e qui p m e nt s t o c a r r y o n c ont r ol t o a t t a i n nee d of proce s s deg r e e .K e yK K K Wor d s : Ma c hiner y T ool R e f o r m , L a t hes a u t om a t i c , S e r v o s yst e m（V I I目錄摘要.VA bst r a c t .V I目錄.V I I第1章緒論.11.1 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 .11.1.1數(shù)控機(jī)床與發(fā)展趨勢 .11.1.2數(shù)控技術(shù) .21.1.3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 .41.1.4數(shù)控技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的進(jìn)展 .61.2 數(shù)控改造的必要性 .71.2.1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 .71.2.2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 .81.3 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn) .91.4 對(duì)我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 .101.4.1形勢考慮 .101.5.2發(fā)展策略 .111.5 本文的選題及主要研究內(nèi)容 .111.5.1本文的選題 .111.5.2主要研究內(nèi)容 .12第2章普通車床數(shù)控改造的設(shè)計(jì)步驟.132.1 車床的數(shù)控改造概述 .132.1.1數(shù)控機(jī)床工作原理及組成 .132.1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù) .132.1.3 數(shù)控部分的設(shè)計(jì)改造 .142.1.4機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì) .152.2 可行性論證 .15VI I I第3章數(shù)控改造方案確定.163.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 .163.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) .163.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 .163.4 運(yùn)動(dòng)方式的確定 .163.5 系統(tǒng)的選擇 .163.6 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 .163.7 微機(jī)的選擇 .173.8 總體方案框圖 .17第4章機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)與計(jì)算(含電機(jī)計(jì)算與選擇) .184.1 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核實(shí)例 .184.1.1 計(jì)算切削力 .184.1.2 桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型 .184.1.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 .224.1.4 橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算，校核和選型 .225.2 縱向進(jìn)給伺服系機(jī)械部分計(jì)算與校核 .285.2.1 計(jì)算切削力 .285.2.2 絲桿螺母副的計(jì)算和造型 .295.2.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 .325.2.4 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 .33第5章數(shù)控系統(tǒng)的選擇.385.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 .385.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .40總結(jié)與展望.43參考文獻(xiàn).44致謝.451第1章緒論1 . 1數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展1 . 1 . 1數(shù)控機(jī)床與發(fā)展趨勢（ 1 ）數(shù)控機(jī)床： 1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具 。 它與人類在農(nóng)業(yè) 、 工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6 年后 ， 即在 1952年 ， 計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上 ， 在美國誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床 。從此 ， 傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化 。 近半個(gè)世紀(jì)以來 ， 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。 數(shù)控（ N C）階段（ 1952 1970年）早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低 ， 對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大 ， 但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求 。 人們不得不采用數(shù)字邏輯電路 搭 成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)， 被稱為硬件連接 數(shù)控（ H A R D - WI R E D N C） ，簡稱為 數(shù)控（ N C） 。隨著元 器件的發(fā)展 ， 這個(gè)階段歷經(jīng)了三代 ， 即 1952年的第一代 - - 電子管 ； 1959年的第二代 - - 晶體管 ；1965年的第三代 - - 小規(guī)模集成電路。 計(jì)算機(jī)數(shù)控（ C N C）階段（ 1970年現(xiàn)在）到 1970年，通用 小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出 現(xiàn)并成批生產(chǎn)。 于是將它移植過來 作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件 ， 從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控 （ C N C） 階段 （ 把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的 通用 兩個(gè)字省略 了 ） 。到 1971年，美 國 I N T E L 公司在 世界上第一 次將計(jì)算機(jī) 的兩個(gè)最核 心的部件 - - 運(yùn) 算器和 控制 器， 采用 大規(guī) 模集 成電 路技術(shù) 集成 在一 塊芯 片上 ，稱 之為 微處理 器（ MI C R O P R O C E S S O R） ，又可稱為中央處理單元（簡稱 C P U） 。到 1974年微處理 器被應(yīng)用于數(shù)控系 統(tǒng)。這是因?yàn)樾?型計(jì)算機(jī)功能太強(qiáng) ，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕 （故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱 之為群控 ） ，不如采用微處 理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高 ， 但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決 。 由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件 ， 故仍稱為計(jì)算2機(jī)數(shù)控。到了 1990年 ， P C 機(jī) （ 個(gè)人計(jì)算機(jī) ， 國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī) ） 的性能已發(fā)展到很高的階段 ，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于 P C 的階段。總之，計(jì) 算機(jī)數(shù)控階段也 經(jīng)歷了三代。即 1970年的第四 代 - - 小型計(jì)算 機(jī)； 1974年的第五代 - - 微處理器和 1990年的第六代 - - 基于 P C（國外稱為 P C - B A S E D ） 。還要指 出的是，雖 然國外早已 改稱為計(jì)算 機(jī)數(shù)控（即 C N C）了， 而我國仍習(xí) 慣稱數(shù)控（ N C） 。所以我們?nèi)粘Ｖv的 數(shù)控 ，實(shí)質(zhì)上已是指 計(jì)算機(jī)數(shù)控 了。1 . 1 . 2數(shù)控技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息、自動(dòng)控制、精密檢測及機(jī)械制造技術(shù)的高速發(fā)展 ， 機(jī)床數(shù)控技術(shù)有了長足的進(jìn)步。近幾年一些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如刀具及新材料的發(fā)展 ， 主軸伺服和進(jìn)給伺服 、 超高速切削等技術(shù)的發(fā)展 ， 以及對(duì)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高等 ，加速了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 。 目前數(shù)控機(jī)床正朝著高速度 、 高精度 、 高工序集中度 、 高復(fù)合化和高可靠性等方向發(fā)展。世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 。 高速高效高精度高生產(chǎn)率。由于數(shù)控裝置及伺服系統(tǒng)功能的改進(jìn)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度大大提高 ，減少了切削時(shí)間和非切削時(shí)間 。 加工中心的進(jìn)給速度已達(dá)到 80m/ m i n 120m/ m i n ， 進(jìn)給加速度達(dá) 9.8m/ s 2 19.6m/ s 2 ， 換刀時(shí)間小于 1s。 高加工精度 。 以前汽車零件精度的數(shù)量級(jí)通常為 10 m ， 對(duì)精密零件要求為 1 m ， 隨著精密產(chǎn)品的出現(xiàn) ， 對(duì)精度要求提高到 0.1 m ， 有些零件甚至已達(dá)到 0.01 m ， 高精密零件要求提高機(jī)床加工精度 ， 包括采用溫度補(bǔ)償?shù)?。 微機(jī)電加工 ， 其加工零件尺寸大小一般在 1m m 以下 ， 表面粗糙度為納米數(shù)量級(jí)，要求數(shù)控系統(tǒng)能直接控制納米機(jī)床。 柔性化柔性化包括兩個(gè)方面的柔性 ： 一是數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性 ， 數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì) ，功能覆蓋 面大，便于不同用 戶的需求；二是 D N C 系統(tǒng)的柔 性，同一 D N C 系統(tǒng)能夠 依據(jù)不 同生產(chǎn) 流程的 要求， 使物料 流和信 息流自 動(dòng)進(jìn)行 動(dòng)態(tài)調(diào) 整，從 而最大 限度地 發(fā) 揮D N C 系統(tǒng)的效能。 工藝復(fù)合化和多軸化3數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化 ， 是指工件在一臺(tái)機(jī)床上裝夾后 ， 通過自動(dòng)換刀 、 旋轉(zhuǎn)主軸頭或旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。已經(jīng)出現(xiàn)了集鉆、鏜 、銑功能于一身的數(shù)控機(jī)床 ， 可完成鉆 、 鏜 、 銑 、 擴(kuò)孔 、 鉸孔 、 攻螺紋等多工序的復(fù)合數(shù)控加工中心 ， 以及車削加工中心 ， 鉆削 、 磨削加工中心 ， 電火花加工中心等 。 此外數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步也提供了多軸控制和多軸聯(lián)動(dòng)控制功能。 實(shí)時(shí)智能化早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對(duì)相對(duì)簡單的理想環(huán)境 ， 其作用是如何調(diào)度任務(wù) ， 以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成 。 而人工智能 ， 則試圖用計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為 。 科學(xué)發(fā)展到今天 ， 實(shí)時(shí)系統(tǒng)與人工智能已實(shí)現(xiàn)相互結(jié)合 ， 人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng)的更加復(fù)雜的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域 ， 實(shí)時(shí)智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個(gè)主要分支發(fā)展 ， 如自適應(yīng)控制 、 模糊控制 、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如，在數(shù)控系統(tǒng)中配置編程專家系統(tǒng) 、故障診斷專家系統(tǒng) 、 參數(shù)自動(dòng)設(shè)定和刀具自動(dòng)管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) ； 在高速加工時(shí)的綜合運(yùn)動(dòng)控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能 、 動(dòng)態(tài)前饋功能 ； 在壓力 、 溫度 、 位置 、速度控制等方面采用模糊控制 ， 使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高 ， 從而達(dá)到最佳控制的目的。 結(jié)構(gòu)新型化20 世紀(jì) 90 年代一種完全不同于原來數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的新型數(shù)控機(jī)床被開發(fā)成功 。 這種新型數(shù) 控機(jī)床被稱為 “ 6 條腿 ” 的加工中 心或稱虛擬軸機(jī)床 ( 有的還稱 為并聯(lián)機(jī)床 ) ，它能在沒 有任何導(dǎo)軌和滑臺(tái) 的情況下，采用 能夠伸縮的 “ 6 條腿 ” ( 伺服軸 ) 支撐并聯(lián) ，并與安裝主軸頭的上平臺(tái)和安裝工件的下平臺(tái)相連 。 它可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工 ， 其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 加工精度 、 加工效率較普通加工中心高 2 10 倍 。 這種數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)將給數(shù)控機(jī)床技術(shù)帶來重大變革和創(chuàng)新。 編程技術(shù)自動(dòng)化隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅速發(fā)展 ， 設(shè)備類型的增多 ， 零件品種的增加以及零件形狀的日益復(fù)雜 ， 迫切需要速度快 、 精度高的編程 ， 以便于對(duì)加工過程的直觀檢查 。 為彌補(bǔ)手工編程和 N C 語言編程的不足 ， 近年來開發(fā)出多種自動(dòng)編程系統(tǒng) ， 如圖形交互式編程系統(tǒng) 、 數(shù)字化自動(dòng)編程系統(tǒng) 、 會(huì)話式自動(dòng)編程系統(tǒng) 、 語音數(shù)控編程系統(tǒng)等 ， 其中圖形交互4式編程系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。圖形交互式編程系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) ( C A D ) 軟件為基礎(chǔ) ， 首先形成零件的圖形文件 ， 然后再調(diào)用數(shù)控編程模塊 ， 自動(dòng)編制加工程序 ， 同時(shí)可動(dòng)態(tài)顯示刀具的加工軌跡 。 其特點(diǎn)是速度快 、 精度高 、 直觀性好 、 使用簡便 ， 已成為國內(nèi)外先 進(jìn)的 C A D / C A M 軟件所采 用的數(shù)控編程方 法。目前常用的圖 形交互式軟件 有Ma s t e r C A M、 C i m a t r on 、 P r o/E 、 U G、 C A X A 、 S oli d Works、 C AT I A 等。 集成化數(shù)控系統(tǒng)采用高度集成化芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟、硬件運(yùn)行速度 ， 應(yīng)用平板顯 示技術(shù)可提高顯示 器性能。平板顯 示器 ( F P D ) 具有科技 含量高、質(zhì)量小、 體積小、功耗低、便于 攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模顯示 ，成為與 C R T 顯示器抗衡的新興顯示器，是 21 世紀(jì)顯示器主流。它應(yīng)用先進(jìn)封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融于一體 , 通過提高集成電路密度，減小互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價(jià)格、改進(jìn)性能 、減小組件尺寸、提高系統(tǒng)的可靠性。 開放式閉環(huán)控制模式采用通用計(jì)算機(jī)組成的總線式 、 模塊化 、 開放 、 嵌入式體系結(jié)構(gòu) ， 便于裁減 、 擴(kuò)展和升級(jí) ， 可組成不同檔次 、 不同類型 、 不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng) 。 閉環(huán)控制模式是針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型封閉式開環(huán)控制模式提出的 。 由于制造過程是一個(gè)有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程 ， 包括諸如加工尺寸 、 形狀 、 振動(dòng) 、 噪聲 、 溫度和熱變形等各種變化因素 ， 因此 ， 要實(shí)現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化 ， 必須采用多變量的閉環(huán)控制 ， 在實(shí)時(shí)加工過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整加工過程變量 。 在加工過程中采用開放式通用型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式 ， 易于將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)智能技術(shù) 、 多媒體技術(shù) 、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 、 C A D / C A M、伺服控制 、 自適應(yīng)控制 、 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償 、 動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體 ，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。1 . 1 . 3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢（ 1 ）數(shù)控技 術(shù) 裝備工業(yè) 的技術(shù)水平和現(xiàn)代 化程度決定著整 個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平 和現(xiàn)代化程度 ， 數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè) ( 如信息 技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 、生物技 術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 、航空、航 天等國防工 業(yè)產(chǎn)業(yè) ) 的使能 技術(shù)和 最基本的裝 備。馬克思曾經(jīng)說過 “ 各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別 ， 不在于生產(chǎn)什么 ， 而在于怎樣生產(chǎn) ， 用什么勞動(dòng)資料5生產(chǎn) ” 。制造技術(shù)和裝 備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生 產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù) 。 當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù) ， 以提高制造能力和水平 ， 提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力 。 此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資 ， 不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) ， 而且在 “ 高精尖 ” 數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國實(shí)行封鎖和限制政策 ?？傊?，大力 發(fā)展以 數(shù)控技 術(shù)為核 心的先 進(jìn)制造 技術(shù)已 成為世 界各發(fā) 達(dá)國家 加速經(jīng) 濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ， 數(shù) 控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ， 即所謂的數(shù)字化裝備 ， 其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域 : ( 1)機(jī)械制造技術(shù) ; ( 2)信息處理 、 加工 、 傳輸技術(shù) ; ( 3)自動(dòng)控制技 術(shù) ; ( 4) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) : ( 5)傳感器技術(shù) : ( 6)軟件技術(shù)等。（ 2 ） 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ， 使制造業(yè)成 為工業(yè)化的象征 ， 而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ， 他對(duì)國計(jì)民生的一些重要行業(yè) ( I T 、汽車、 輕工、醫(yī)療 等 ) 的發(fā)展 起著越來越 重要的 作用，因?yàn)?這些行業(yè)所 需裝備的數(shù) 字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢 。 從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ， 其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。 高速、高精加工技術(shù)是裝備的新趨勢效率 、 質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體 。 高速 、 高精加工技術(shù)可極大地提 高效率 ， 提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ， 縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力 。 為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為 5 大現(xiàn)代制 造技術(shù)之一，國 際生產(chǎn)工程學(xué) 會(huì) ( C I R P ) 將其確定 21 世紀(jì)的中 心研究方向之一。在轎車工業(yè)領(lǐng)域 ， 年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒 / 輛 ， 而且多品種 加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一 ; 在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加 工的零部件多為薄壁和薄筋 ， 剛度很差 ， 材料為鋁或鋁合金 ， 只有在高切削速度和切削力很小的情況下 ， 才能對(duì)這些筋 、壁進(jìn)行加工 。 近來采用大型整體鋁合金坯料 “ 掏空 ” 的方法來制造機(jī)翼 、 機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘 、 螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝 ， 使構(gòu)件的強(qiáng)度 、 剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。6目前 高速加 工中心 進(jìn)給速 度可達(dá) 80m/ m i n ，甚 至更高 ，空運(yùn) 行速度 可 達(dá) 100m/ m i n左右 。 目前世界上許多汽車廠 ， 包括我國的上海通用汽車公 司 ， 己經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床 。 美國 C I N C I N N AT 工公司的 H yper M a c h 機(jī)床進(jìn)給速度最 大達(dá) 60m/ m i n ，快 速為 100m/ m i n ，加 速度達(dá) 2g，主 軸轉(zhuǎn)速已 達(dá) 60000r/ m i n 。加 工一薄壁飛機(jī)零 件 ， 只用 30mi n ， 而同樣的零件在一般高速銑床加工需 3 h ， 在普通銑床加工需 8h;德國 D MG 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá) 12000r/ m m在加工精度方面 ， 近 10 年來 ， 普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 l 0um 提高到 5 m ，精密級(jí)加工中心則從 35um ，提高到 1 一 1.5m ，并且超 精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí) 。在可 靠性 方面， 國外 數(shù)控裝 置的 MT B F 值己 達(dá) 6 O O O h 以上 ，伺 服系統(tǒng) 的 MT B F值達(dá)到 30000h以上，表 現(xiàn)出非常高的可靠 性。 為了實(shí)現(xiàn) 高速、高精加工， 與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ， 智能化的內(nèi)容包括 在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面 : 為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ， 如 加工過程的自適應(yīng)控制 ， 工藝參數(shù)自動(dòng)生成 ; 為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接 方便的智能化 ， 如前饋控制 、 電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算 、 自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型 、 自整定等 ; 簡化編程 、 簡化操作方面的智能化 ， 如智能化的自 動(dòng)編程 、 智能化的人機(jī)界面等 ; 還有智能診斷 、 智能監(jiān)控方面的內(nèi)容 、 方 便系統(tǒng)的診斷及維修等。 數(shù)控設(shè)備更注重安全性、操作性數(shù)控設(shè)備是集機(jī)電一體化的產(chǎn)品 ， 由于其自動(dòng)化程度高 ， 所以對(duì)其安 全性和可操作性有了更高的要求。1 . 1 . 4數(shù)控技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的進(jìn)展近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。2001年國內(nèi) 數(shù)控金切機(jī) 床產(chǎn)量已達(dá) 1. 8 萬臺(tái)， 比上年增長 28. 5%，機(jī)床 行業(yè)產(chǎn)值7數(shù)控化率從 2000年的 17. 4%提高到 2001年的 22. 7%。2001年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值己進(jìn)入世界第 5 名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第 3 位，達(dá) 47. 39 億美元，僅次于美國的 53. 67 億美元，消費(fèi)額比上一年增長 25%。 但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求 ， 使我國 機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢 ， 2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第 2 位 ， 達(dá) 24. 06 億美元 ， 比上年增長 27 。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床 、 數(shù)控磨床 、 數(shù) 控特種加工機(jī)床 、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎機(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床 、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。1 . 2數(shù)控改造的必要性1 . 2 . 1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場（ 1 ） 機(jī)床數(shù)控化改造的市場我國目前機(jī)床總量 380余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34萬臺(tái)，即我國機(jī)床數(shù)控化率不 到 3 。近 10 年來，我 國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量 約為 0.6 0.8 萬臺(tái)，年 產(chǎn)值約為 1 8億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6 。我國機(jī)床役齡 10 年以上的占 60以上； 10 年以下的機(jī)床中 ， 自動(dòng) / 半自動(dòng)機(jī)床不到 20 ， F MC / F MS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù) （ 美國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60以上 ） ?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是 傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡 在 10 年以上的舊機(jī)床 。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際 、國內(nèi)市場上缺乏競爭力 ， 直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品 、 市場 、 效益 ， 影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。（ 2 ） 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造 。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) ， 從 1979 1988 年 1 0 年間 ， 全國引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就 有 18446 項(xiàng) ， 大 約 165.8億美元。這些項(xiàng)目中 ， 大部分項(xiàng)目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用 。 但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因 ， 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn) ， 甚至癱瘓 ， 使企業(yè)的效益受到影響 ， 嚴(yán)重8的使企業(yè)陷入困境 。 一些設(shè)備 、 生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后 ， 有的消化吸收不好 ， 備件不全 ，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件 、 工藝 、 管理等 ， 造成項(xiàng)目不完整 ， 設(shè)備潛力不能發(fā)揮 ； 有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)行 ， 沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用 ； 有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好 ， 但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo) ； 有的因?yàn)槟芎母?、 產(chǎn)品合格率低而造成虧損 ； 有的已引進(jìn)較長時(shí)間 ， 需要進(jìn)行技術(shù)更新 。 種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。這些不能 使用的設(shè)備、生產(chǎn) 線是個(gè)包袱，也 是一批很大的存量 資產(chǎn)，修好了就 是財(cái)富 。 只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn) ， 解決關(guān)鍵技術(shù)問題 ， 就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場。1 . 2 . 2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性（ 1 ） 微觀看改造的必要性從微觀上看 ， 數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性 ， 而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力 ， 可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面?？梢詫?shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化 ， 而且是柔性自動(dòng)化 ， 從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3 7 倍 。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力 ， 可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來 ， 然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行 ， 從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 。 數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序 ， 就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了 柔性自動(dòng)化 。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要 修配 ?？蓪?shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動(dòng)報(bào)警 、 自動(dòng)監(jiān)控 、 自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能 ， 因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。由以上五條派生的好處。如：降低 了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 ，節(jié)省了勞動(dòng)力 （一個(gè)人可以看管 多臺(tái)機(jī)床 ） ，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場需求作出快速反應(yīng)等等。9以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的 ， 是一個(gè)極為重大的突破 。 此外 ， 機(jī)床數(shù)控化還是推行 F MC（柔性制造單元 ） 、 F MS （柔性制造系統(tǒng) ）以及 C I MS （計(jì)算機(jī)集成制 造系統(tǒng) ） 等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ) 。 數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù) 。（ 2 ） 宏觀看改造的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、 80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè) ） 進(jìn)行技術(shù) 改造。除在 制造過程中 采用數(shù)控機(jī) 床、 F MC、 F MS 外，還 包括在產(chǎn)品 開發(fā)中推行 C A D、 C A E 、 C A M、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MI S （管理信息系統(tǒng) ） 、 C I M S等等 。 以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù) ， 包括人工智能等的含量 。 由于采用信息技術(shù)對(duì)國外軍、民 機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信 息化 ） ，最終使得他們 的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng) 。 而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約 落 后 20 年 。 如 我國 機(jī) 床 擁 有 量 中 ，數(shù) 控 機(jī) 床 的 比 重（ 數(shù) 控 化 率 ） 到 1995年 只 有1.9，而日本在 1994年已達(dá) 20.8，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。1 . 3數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn)（ 1 ） 國外改造業(yè)的興起在美國 、 日本和德國等發(fā)達(dá)國家 ， 它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè) ， 生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè) 永恒 的課題 。 我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本 、 德國 ， 用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場 ， 已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè) 。 在美國 ， 機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生 （ R e m a nufa c t uri ng ） 業(yè) 。 從事再生業(yè)的著名公司有 ： B e r t s c he 工程公司 、 a y t on 機(jī)床公司 、 D e vli e g- B ull a vd（ 得寶 ） 服務(wù)集團(tuán) 、 U S設(shè) 備 公司 等 。 美 國得 寶 公 司 已在 中 國 開 辦公 司 。 在 日本 ， 機(jī) 床 改造 業(yè) 稱 為 機(jī)床 改 裝（ R e t r ofi t t i ng）業(yè)。從事改裝業(yè) 的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗 三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。（ 2 ） 數(shù)控化改造的內(nèi)容機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：10其一是恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；其二是 N C 化 ， 在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置 ， 或加數(shù)控系統(tǒng) ， 改造成 N C 機(jī)床 、 C N C機(jī)床；其三是翻新 ， 為提高精度 、 效率和自動(dòng)化程度 ， 對(duì)機(jī)械 、 電氣部分進(jìn)行翻新 ， 對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工 ， 恢復(fù)原精度 ； 對(duì)其不滿足生產(chǎn)要求的 C N C 系統(tǒng)以最新 C N C 進(jìn)行更新；其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù) ，