数控机床的研究与发展论文

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数控技术专业毕业论文选题 1.复杂零件加工工艺设计及数控编制 2.新型数控车床的主传动系统的设计及控制 3.新型数控车床的进给传动系统的设计及控制 4.新型数控车床电气控制设计 5.数控车床故障诊断及排除的研究与应用 6.电火花线切割在模具产品加工中的实际应用 7.数控车床刀架装置的设计 8.数控机床调速系统的设计 9.基于数控机床的PLC技术的研究 10.数控技术专业实践环节的教学设计 【参考论文】范文 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。 为完成此任务，首先必须确立符合中国国情的发展道路。为此，本文从总体战略和技术路线两个层次及数控系统、功能部件、数控整机等几个具体方面探讨了新世纪的发展途径。 1 总体战略 制定符合中国国情的总体发展战略，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。通过对数控技术和产业发展趋势的分析和对我国数控领域存在问题的研究，我们认为以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发展道路将是一种符合我国国情的发展数控技术和产业的总体战略。 1.1 以科技创新为先导 中国数控技术和产业经过40多年的发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。但回顾这几十年的发展，可以看到我们在数控领域的进步主要还是按国外一些模式，按部就班地发展，真正创新的成分不多。这种局面在发展初期的起步阶段，是无可非议的。但到了世界数控强手如林的今天和知识经济即将登上舞台的新世纪，这一常规途径就很难行通了。例如，在国外模拟伺服快过时时，我们开始搞模拟伺服，还没等我们占稳市场，技术上就已经落后了；在国外将脉冲驱动的数字式伺服打入我国市场时，我们就跟着搞这类所谓的数字伺服，但至今没形成大的市场规模；近来国外将数字式伺服发展到用网络（通过光缆等）与数控装置连接时，我们又跟着发展此类系统，前途仍不乐观。这种老是跟在别人后面走，按国外已有控制和驱动模式来开发国产数控系统，在技术上难免要滞后，再加上国外公司在我国境内设立研究所和生产厂，实行就地开发、就地生产和就地销售，使我们的产品在性能价格比上已越来越无多大优势，因此要进一步扩大市场占有率，难度自然就很大了。 为改变这种现状，我们必须深刻理解和认真落实“科学技术是第一生产力”的伟大论断，大力加强数控领域的科技创新，努力研究具有中国特色的实用的先进数控技术，逐步建立自己独立的、先进的技术体系。在此基础上大力发展符合中国国情的数控产品，从而形成从数控系统、数控功能部件到种类齐全的数控机床整机的完整的产业体系。这样，才不会被国外牵着鼻子，永远受别人的制约，才有可能用先进、实用的数控产品去收复国内市场，打开国际市场，使中国的数控技术和数控产业在21世纪走在世界的前列。 1.2 在商品化上狠下工夫 近几年我国数控产品虽然发展很快，但真正在市场上站住脚的却不多。就数控系统而言，国产货仍未真正被广大机床厂所接受，因此出现国产数控系统用于旧机床改造的例子较多，而装备新机床的却很少，机床厂出产的国产数控机床大多数用的都是国外的系统。这当然不是说旧机床的数控化改造不重要，而是说明从商品的角度看，我们的数控系统与国外相比还存在相当大的差距。 影响数控系统和数控机床商品化的主要因素除技术性能和功能外，更重要的就是可靠性、稳定性和实用性。以往，一些数控技术和产品的研究、开发部门，所追求的往往是一些体现技术水平的指标（如多少通道、多少轴联动、每分钟多少米的进给速度等等），而对影响实用性的一些指标和一些小问题却不太重视，在产品的稳定性、鲁棒性、可靠性、实用性方面花的精力相对较少。从而出现某些产品鉴定时的水平都很高，甚至也获各种大奖。但这些高指标、高性能的产品到用户哪儿却由于一些小问题而表现不尽人意，最后丧失了信誉，打不开市场。这说明，高指标、高性能的样机型的产品离用户真正需要的实用、可靠的商品是有相当大的距离的，将一个高指标、高性能的产品变为一个有市场的商品还需作出大量艰苦的努力。 另一方面，数控系统和数控机床不像家电类产品那样易于大批量生产，应用环境也不那么简单。数控产品是在生产环境中使用，面临的是五花八门的工艺问题。如果开发部门对这些问题掌握得不透，就难以将产品设计得很完善。而且数控产品的某些问题在开发、试用，甚至鉴定时都难以发现。这就造成，同样型号的数控机床在有的用户那儿运行得很好，而在别的用户那儿却表现欠佳。或者同样型号的数控机床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件时却不尽人意。出现这种情况，有时是用户操作人员的水平问题，但有时就是数控产品本身潜在问题的暴露。为解决这一问题，国外一些公司设立了专门机构来测试考验自己的产品，如为考验新开发的数控系统，厂家自己设计和从生产实际中收集了大量零件程序，让数控系统运行各种各样的程序，一旦发现问题，即立即反馈给开发部门予以解决。经过这样的测试考验过程后，数控系统的潜在问题就大为减少。以往，我们的产品就很少进行这样严格的全面的自我测试考验。好些问题要等到用户去给我们挑出来。这样，即使一个小问题也将严重影响国产数控产品的声誉。 因此，我们应充分重视上述问题，在商品化上切实狠下工夫，将其作为数控产业的主干来抓，贯穿于技术研究、产品开发、试制、生产等的全过程中，从而将我们已有的技术水平较高的数控产品变成真正有市场的好商品。 1.3 将管理和营销作为产业发展重点 经过20来年市场风雨的冲击，国人已越来越认识到，技术固然重要，但在市场经济的环境下，要在激烈的全球竞争中获胜，管理和营销就显得更为重要。例如，我国台湾生产的数控机床不但占领了大陆市场的相当大的份额，而且还打进了美国市场。是台湾数控机床的技术和质量超过美国了吗？显然不是。那他们靠的是什么？重要的一条就是在企业管理和产品营销上下了工夫。而我们长期以来把主要精力放在开发技术和提高水平上，忽视了经营管理、市场开拓、产品营销等方面的工作，结果在新技术、新产品开发出来以后，在产品质量提高以后，企业仍然处于产品销售不畅的困境〔1〕。国内外的经验说明，数控产品的竞争力不仅取决于技术，更取决于经营管理能力和营销能力。 因此，从现在起我们应将管理和营销作为产业发展重点，真正摆脱计划经济时代所遗留下来的思维方式和工作习惯的束缚，建立适应市场的高效、灵敏的运行机制和有效的激励机制。通过这种机制，一方面切实加强企业管理，激发企业负责人和广大职工的负责精神、创造精神和献身精神，努力提高产品的竞争能力；另一方面充分调动企业内外、行业内外一切积极因素，大力加强市场开拓力度，奋力打通营销渠道。可以坚信，有过硬竞争力的产品，再加上北京开关厂那样的“找、挣、钻、抢”精神，我们就一定能在市场竞争中取得胜利。 1.4 大力加强技术支持和服务 数控系统和数控机床作为典型的高技术产品，对用户的技术支持和服务是相当重要的。以前国产数控产品丧失信誉的原因，除可靠性问题外，另一大问题就是缺乏有力的技术支持和服务。用户花了很多钱买的数控机床或数控系统，一旦出现问题却叫天天不应，叫地地不灵，以后谁还敢买我们的产品。因此，应将对用户的技术支持和服务当成重要的日常工作来抓，使我们在市场上向纵深挺进时，有一个强大后方。因此，为了取得数控产品市场竞争的全面胜利，必须建立以技术支持和服务为核心的强大后方。当然，为赢得主动，后方也须主动出击。目前，利用先进的信息技术手段（如网络和多媒体），将为建立新一代立体化的技术支持和服务体系开辟新的途径。 1.5 坚持可持续发展道路 可持续发展是下一世纪企业发展的重要战略，我国数控产业要有大的发展也必须坚持走可持续发展的道路。绿色是实现可持续发展的重要途径，其主要思想是清洁和节约。为此应大力加强绿色数控产品的开发，加速促进数控产品、数控产业以及整个制造业的绿色化，主要战略措施应考虑以下几方面：①有效减少产品制造及使用过程中的环境污染。如减少数控机床的铸件结构，消除铸造对环境的污染；将数控机床主轴的润滑以油气润滑、喷油润滑等取代油雾润滑，减少对生产环境的污染；在精密数控机床及其运行环境的温度控制中取消氟利昂制冷的恒温技术；以电传动代替机械传动，减少噪声污染。②大幅度降低资源消耗和能源消耗。如以软件代替硬件，从而减少硬件制造的资源和能源消耗及污染，并减少产品寿命结束后硬件装置的拆卸回收问题；以永磁驱动代替感应驱动，提高效率和功率因数，节约能源；以电传动代替机械传动，提高效率，减少能源消耗。③加强用数控技术改造传统机床。这既符合运用信息技术和自动化技术改造传统产业，使传统产业生产技术和装备现代化这一产业可持续发展的目标得以实现，又可取得巨大的经济效益。我国拥有普通机床数百万台，加强用数控技术改造传统机床将成为下世纪我国数控领域的重要发展方向。④大力发展绿色数控机床。绿色数控机床应是材料消耗少、能耗低、无污染，寿命长且便于拆卸回收的新型机床。例如，以并联结构代替串联结构就是开发绿色数控机床的一条途径，这是因为并联结构机床消耗的金属材料仅为常规串联结构机床的几分之一，其加工量也比常规机床大幅度减少，特别是消除了大型结构件的铸造，这将显著降低机床制造过程中的能源消耗和对环境的污染。此外，并联结构机床有利于采用电传动，效率高，可有效降低使用中的能源消耗。 国际标准化组织制定了ISO14000环境管理标准，全球环境问题“法律化”的趋势正在进一步发展，可持续发展将成为企业通向国际市场的通行证〔2〕。因此，我们的数控产品要在下一世纪走向国际市场，我们的企业就必须“从我做起，从现在做起”。 2 技术途径 2.1 发展具有中国特色的新一代PC数控系统 数控系统是各类数控装备的核心，因此通过科技创新首先发展具有中国特色的新型数控系统，将是推动数控产业化进程的有效技术途径。 实践证明，10年来我们所走的PC数控道路是完全正确的。PC机（包括工业PC）产量大、价格便宜，技术进步和性能提高很快，且可靠性高（工业PC主机的MTBF已达30年〔3〕）。因此，以其作为数控系统的软硬件平台不但可以大幅度提高数控系统的性能价格比，而且还可充分利用通用微机已有软硬件资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通讯等。此外，以通用微机作为数控平台还可获得快速的技术进步，当PC机升级换代时，数控系统也可相应升级换代，从而长期保持技术上的优势，在竞争中立于不败之地。 目前，PC数控系统的体系结构有2种主要形式：（1）专用数控加PC前端的复合式结构；（2）通用PC加位控卡的递阶式结构。另外还有一种正在发展的数字化分布式结构。其方案是将由DSP等组成的数字式伺服通过以光缆等为介质的网络与数控装置连接起来，组成一完整的数控系统。这种系统虽然性能很好，但由于开发和生产成本太高，近期难以被国内广大用户所接受。我们认为，上述结构并不是符合中国国情的最好方案，适合中国国情的应是将所有数控功能全软件化的集成式结构，因为这种结构的硬件规模最小，不但有利于降低系统成本，而且更重要的是可以有效提高系统的可靠性。 几十年的经验表明，可靠性好坏是国产数控系统能否发展的关键。虽然影响数控系统可靠性的因素很多，但过大的硬件规模和较低的硬件制造工艺水平往往对可靠性造成最大的威胁。以往，国产数控系统在总体设计时由于种种原因的限制，不得不选用技术指标不太高的普通CPU，这样，为完成数控的复杂功能往往需要由多个CPU来组成系统，有时还需另加一些专用或通用硬件电路来实现数控系统的一些高实时性功能（如细插补、位置伺服控制等），从而造成系统硬件规模庞大。对于数控系统这种批量不大的产品，在国内现有工艺条件下，很难从硬件制造的角度保证系统的可靠性，因而使得国产数控系统在生产现场的表现不佳，对国产数控系统的形象和声誉造成严重影响，使得不少用户现在还心有余悸。 因此，我们在开发新型数控系统时，应优先选用新型高性能CPU（如高主频的Pentium II、Pentium III等）作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控的所有功能。这样，可大幅度减小系统硬件的规模。此外，还应在软件设计、电源设计、接插件设计与选用、接地与屏蔽设计和施工等方面采用强抗扰高可靠性设计与制造技术，从而全面提高系统的可靠性。 由于一个新型高性能CPU可以代替数十个普通CPU（如80286、80386等），因此，在基于高性能CPU的PC平台上不仅可以完成数控系统的基本功能（如信息处理、刀补计算、插补计算、加减速控制等）和开关量控制功能（内装PLC），而且还可以完成伺服控制功能。这样，以前由DSP完成的数字化伺服控制功能（如位置控制、速度控制、矢量变换控制等）均可由PC中的CPU完成，从而实现内装式伺服控制，这不仅有效缩小了数控部分的硬件规模，而且还大幅度缩小了伺服控制部分硬件规模。 这种具有内装PLC和内装伺服控制的全软件化集成式数控系统，其硬件规模将达到最小化，整个数控系统除一个PC平台外，剩下的只有驱动机床运动的功率接口和反馈接口。这既有效提高了系统可靠性，又消除了信息传递瓶颈，提高了系统性能，同时还可显著降低系统成本，使系统（包括电机）售价将可降至现有数控系统的一半左右。显然，这种高性能、高可靠性、低成本的新型数控系统将具有极强的竞争力，有望为开创中国数控的新局面作出贡献。 此外，集成化PC数控系统还有一大优点，就是容易实现开放式结构。这是因为，这种系统的硬件本身已经是完全开放的，构成开放式数控系统的工作完全在软件上，只要制定好标准和协议，从信息处理、轨迹插补、加减速控制、开关量控制到伺服控制都可以实现开放，从而可大大方便用户的使用。 2.2 推进数控功能部件的专业化生产 解决数控系统问题后，如何实现数控机床的模块化设计与制造便是我国机床制造企业快速响应市场需求，在竞争中获胜的另一关键。要实现数控机床的模块化设计制造，必须解决数控机床功能部件的专业化生产问题。目前我国在这方面离实际需求还有相当大的差距。因此，在今后的若干年内，我们必须大力促进数控机床功能部件的开发和专业化生产。其要点如下： (1)新型永磁电主轴单元 电主轴已成为国际市场上最热门的数控机床功能部件。但目前这类产品几乎都为感应异步型，存在以下突出问题：①转子上存在绕组，有大电流流过，因此转子发热严重，直接影响主轴精度；②低速出力小且转矩脉动大，难以满足宽范围切削要求；③效率和功率因素低，不仅电机体积和重量大而且要求逆变器容量大、耗能多；④控制系统复杂、成本高。 因此，利用我国稀土永磁材料的优势，开发新型大功率、高效率、宽调速范围永磁同步型交流电主轴单元，将可有效解决现有电主轴存在的问题，形成具有中国特色的新一代电主轴产品。由于永磁电主轴的机械结构和控制系统都较感应异步型电主轴简单，因此易于进行专业化大规模生产。当然，这还要攻克主轴支承（陶瓷轴承、流体动静压轴承、磁悬浮轴承）技术、高精度高速动平衡技术、高速驱动、检测与控制技术、高可靠性安全保证技术等关键技术。 (2)廉价的高性能伺服系统 目前，一套进给交流伺服系统（驱动器+电机）的价格一般都在万元以上，主轴伺服系统的价格高达数万元，已成为降低国产数控机床成本的一大障碍。因此，应配合新型集成化国产数控系统的发展，大力开发廉价的高性能内装式伺服系统。由于内装式伺服的硬件部分只有电机和功率接口，充分利用我国的永磁资源优势，通过专业化生产可以把电机的造价降下来，而采用智能化的IPM模块作为功率接口也很便宜，因此将内装式进给伺服的价格控制在数千元以内，将内装式主轴伺服的价格控制在2万元以内，将是完全可能的。 (3)直线交流伺服系统 直线交流伺服系统是下一世纪数控机床不可缺少的功能部件，目前我国还没有成熟产品，因此应加强研究、开发和推广应用。考虑到常规机床的防磁问题较难解决，而并联机床的防磁相对容易，因此可为常规结构机床开发感应异步型直线电机，为并联结构机床开发永磁同步型直线电机，从而扬长避短，构成符合实际应用要求的新型高速高精度进给系统。在此基础上，可进一步开发将驱动与支承合二为一的磁悬浮工作台。 (4)零传动数控转台与摆头 数控转台与摆头是多坐标数控机床的关键部件，传统的采用高精度蜗杆蜗轮等传动的转台与摆头不仅制造难度大、成本高，而且难以达到高速加工所需的速度和精度，因而必须另辟蹊径开发新型零传动（无机械传动链）数控转台和摆头，以促进我国高速高精度多坐标数控机床的发展。 (5)高速高精度检测装置 高速高精度是下世纪数控机床发展的主题，这不但需要高性能的控制和驱动，同时还需要高品质的检测环节，因此应在现有技术基础上，进一步开发0.1 μm以上精度的高速(60 m/min以上)线位移传感器和100万脉冲/r的角位移传感器，此类技术国外对我国是封锁的。 2.3 加速数控机床的全国产化，打好市场翻身仗 数控产业化的最终成功将体现在数控机床的全国产化和市场占有率上。在上述总体战略指导下，采取抓两头（低价位数控机床和高速高效数控机床）、带中间（普通数控机床）、促重型（重型关键装备）的方针，将是在国内市场上快速收复失地，在国际市场上稳步进军，最终打赢国产数控机床市场翻身仗的一种有效战术和策略。关于普通数控机床的发展已有许多文章作了专门论述，因此下面仅就低价位数控机床、高速高效数控机床和重型数控机床的发展问题作一讨论。 (1)大力发展低价位数控机床 低价位机床是功能满足用户要求(无功能浪费)、技术指标适中、可靠性好、价格便宜的普及型数控机床。这类机床已成为国际市场上数控机床的发展趋势之一，也是国内众多用户渴求的产品，其市场前景相当广阔。然而，如果采用国外数控系统（包括伺服）按照传统思路来发展低价位机床，是很难将价格降至广大用户所能接受的水平的。因此，采用本文提出的新型集成化国产数控系统来发展高性能的低价位数控机床，将是一条最有希望成功的道路。只要有一定批量，由此构成的全国产普及型数控车床的售价完全可以控制在10万元以内，三坐标数控铣床可控制在15万元左右，加工中心可控制在20万元左右。此价位的国产数控机床将是具有较强竞争力的。 (2)加速开发高速高效数控机床 高速高效是数控机床发展的另一大潮流。发展高速高效数控机床的技术途径可有以下几条：①通过提高切削速度和进给速度，从而达到成倍提高生产效率，有效提高零件的表面加工质量和加工精度并解决常规加工难以解决的某些特殊材料（如铝钛合金、模具钢、淬硬钢）和特殊形状零件（如复杂薄壁零件）的高效加工问题。②通过工艺复合，减少工件的安装次数，有效缩短搬运和装夹时间。例如，将五面五轴加工中心与立车复合构成万能加工中心，可实现一次装卡完成零件的大部分（或全部）加工。③采用高速高精度圆周铣加工孔和以螺旋轨迹插补实现不钻底孔的直接攻丝等新加工方法，大幅度减少换刀次数，提高加工效率。④为数控机床开发智能寻位加工功能，消除对精密夹具和人工找正的依赖，有效缩短单件小批加工的准备时间。 在我国现实条件下如果沿用传统思路是难以实现上述途径的，因此，必须立足国情，结合实际勇于创新，大胆探索新的道路。 考虑到常规数控机床在总体结构上基本上采用工件和刀具沿各自导轨共同运动的方案，一方面由于机床传动环节刚性不足和导轨中的摩擦阻力较大，使运动部件难以获得高的进给速度；另一方面由于工件、夹具和工作台的总质量比较大，使之难以获得高的加速度。此外，传统机床结构是一种串联开链结构，组成环节多、结构复杂，并且由于存在悬臂部件和环节间的联接间隙，不容易获得高的总体刚度，因此难以适应高速高效加工的特殊要求。为此，开发国产高速高效数控机床时，可采用工件固定，以直线电机组成并联短链直接驱动主轴和刀具运动、将高速高精度传动与高刚度支撑合二为一的适合于高速高效加工中心的新型结构。采用该结构的高速高效数控机床不但速度高、刚度高，如果在传动与控制上处理得当，可以达到比常规机床更高的加工精度和加工质量，而且具有机械结构简单，零部件通用化、标准化程度高，制造成本低，易于经济化批量生产等显著优点。因此，沿此思路发展高速高效数控机床将是一条符合国情、易于取得成功的道路。 (3)突破重型数控机床的设计制造技术 重型数控机床（特别是多坐标重型数控机床）是国民经济和国防生产中的重大关键设备，属于战略物资，真正先进的重型数控机床国外是不可能卖给我们的，因此，在我国下世纪数控产品的发展中必须依靠自己的力量进行解决。发展重型数控机床必须有过硬的基础，我们在数控机床国产化的进程中应不断总结经验，加强基础技术和关键技术研究，充分发挥我国产学研相结合的优势，各部门通力合作、共同努力，争取在下世纪初取得突破性进展。 目前，在发展重型数控机床中除需加强基础理论研究外，还应加强其关键技术研究。例如，重型机床的控制就是需要加以特殊解决的关键问题。因重型机床加工的工件特别昂贵不允许报废，为了确保机床工作可靠，在数控系统中可采用双（或多）CPU冗余工作方案，以确保运算和控制的绝对正确，并在出现故障时自动诊断、自动修复或自动替补，确保加工不出问题。此外，在电源上可采取双蓄电池供电的全隔离供电方案，即一组电池在给系统供电时，可对另一组电池进行充电，电网与控制系统是完全隔离的。这就彻底消除了重型车间中电网电压波动厉害、干扰严重对数控系统造成的影响，从而有效保证系统的可靠性。又如，重型数控机床的驱动也是一大关键问题。当行程长度超过5 m，普通滚珠丝杆就难以胜任大负荷的传动，因此目前一般采用预加负载的双齿轮-齿条机构、静压蜗杆-蜗母条机构、四足（或双足）爬行进给机构等来实现长行程传动。但这些方案存在结构复杂、速度和加速度低、动态性能差、难以达到高精度、维护保养复杂等问题。为此可发展阵列式高效直线电机直接驱动技术和空间并联机构驱动技术，以新的途径来解决重型数控机床的高速、高精度驱动问题。除此之外，机床结构的优化设计、长行程精密检测、重力变形补偿、切削力变形补偿、热变形补偿等也是重型数控机床中必须解决的关键问题，必须予以充分重视。 3 结语 制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本文在对数控技术和产业发展趋势的分析，对我国数控领域存在的问题进行研究的基础上，对21世纪我国数控技术和产业的发展途径进行了探讨，提出了以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发展道路的总体发展战略。在此基础上，研究了发展新型数控系统、数控功能部件、数控机床整机等的具体技术途径。 我们衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗！ 作者简介 周凯男，1954年生。清华大学（北京市 100084）精密仪器与机械学系副教授、工学博士。主要从事数控技术、机电控制工程、制造科学与制造系统等方面的研究工作。取得科研成果15项。发表论文70余篇。 参考文献 1 杨皖苏，严鸿和.机械科学与技术,1997，26(4):1～6 2 陈玉祥.中国机械工程, 1998，9(5):1～4 3 周延佑.中国机械工程,1998，9(5): 5～24

数控机床的历史、 数控机床的历史、现状及其发展趋势前言在工程训练中心的两周实习， 经过对各项工种的体验， 我深深体会 到了科技的力量。在钳工和车工实习时，劳累三天，就只做出来那么 几件不是很合格的产品；可是在数控车间，一两个小时内，通过编程 可以轻松的做出很多高精度的产品。 这使我对数控机床产生了浓厚兴 趣，所以开始上网浏览关于数控机床的前世今生，增加我对数控机床 的了解。一、数控机床数控机床是数字控制机床 （Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系 统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序， 并将其 译码，从而使机床动作。过去的数控机床经历了一个由单一向多元转 换的一个过程，数控机床的快速发展是整个世界经济、科技发展的重 要体现。数控机床在现代工业中占据着不可替代的位置，与我们生活 的各个方面都有直接或间接的关系。 未来数控机床将会有一个前所未 有的发展， 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.二、数控机床的历史2.1 第一台数控机床的诞生 1948 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨 叶片轮廓样板的加工设备。由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。 2.2 早期的发展历史 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。三、数控机床的现状3.1 高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新 材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 （1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转 速达 200000r/min； （2）进给率：在分辨率为 0.01μm 时，最大进给率达到 240m/min 且 可获得复杂型面的精确加工； （3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方 向发展提供了保障， 开发出 CPU 已发展到 32 位以及 64 位的数控系统， 频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当 分辨率为 0.1μm、0.01μm 时仍能获得高达 24～240m/min 的进给速 度； （4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在 1s 左右，高的已达 0.5s。德国 Chiron 公司将刀库设计成篮子样式，以 主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅 0.9s。 3.2 高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度， 机床的 运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。（1）提高 CNC 系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实 现连续进给， CNC 控制单位精细化， 使 并采用高分辨率位置检测装置， 提高位置检测精度（日本已开发装有 106 脉冲/转的内藏位置检测器 的交流伺服电机，其位置检测精度可达到 0.01μm/脉冲），位置伺 服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； （2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和 刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补 偿。 研究结果表明， 综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少 60%～ 80%； （3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过 仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度， 使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保 证零件的加工质量。 3.3 功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成 品的多种要素加工。 根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型 两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车 削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面 多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。 采用复合机床进行加 工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产 生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产 效率和制造商的市场反应能力， 相对于传统的工序分散的生产方法具 有明显的优势。 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、 多轴化发展。 德国 Index 公司最新推出的车削加工中心是模块化结构， 该加工中心能够完成车 削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂 零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联 动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。 在 2005 年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展 出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、9 轴控制等） 以及可实现 4～5 轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣 削中心等。3.4 控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自 动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以 下几个方面： （1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主 轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法 进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定 性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度） 和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工 表面粗糙度并提高设备运行的安全性。 （2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件 加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于 模型的“加工参数的智能优化与选择器”， 利用它获得优化的加工参 数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目 的。 （3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现 代智能方法实现故障的快速准确定位。 （4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息， 对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真， 用以确定错误引 起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验。 （5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数 的智能化伺服系统， 包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装 置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制 系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。 （6）智能 4M 数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快 速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、 建模 （Modelling） 加工 、 （Manufacturing） 机器操作 、 （Manipulator） 四者（即 4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、 加工、装夹、操作的一体化。 3.5 体系开放化（1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只 需少量的重新设计和调整， 新一代的通用软硬件资源就可能被现有系 统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系 统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； （2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品 的各种组合以满足特殊应用要求； （3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标 准 ISO14649 （STEP-NC） ，以提供一种不依赖于具体系统的中性机制， 能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型， 从而实现整个制造过 程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便 用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 3.6 驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、 系统刚度 低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和 机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般 为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长 度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动， 可实现多坐标联动数控 加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现 代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设备， 已成为当前机床技术的一个重 要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数 控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21 世纪新一代数控 加工设备”。 极端化(大型化和微型化) 3.7 极端化(大型化和微型化) 国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要 大型且性能良好的数控机床的支撑。 而超精密加工技术和微纳米技术 是 21 世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度 的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工(车、铣、磨) 机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在 逐渐增大。 3.8 信息交互网络化对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网 通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。 既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培 训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的 远程诊断、维护等)。例如，日本 Mazak 公司推出新一代的加工中心 配备了一个称为信息塔(e-Tower)的外部设备，包括计算机、手机、 机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障 报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单 元。 3.9 新型功能部件 为了提高数控机床各方面的性能， 具有高精度和高可靠性的新型功 能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括： 高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积 小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经 获得广泛的应用； 直线电动机： 近年来， 直线电动机的应用日益广泛， 虽然其价格高于传统的伺服系统， 但由于负载变化扰动、 热变形补偿、 隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态 性能有了提高。如：西门子公司生产的 1FN1 系列三相交流永磁式同 步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机 床以及动态性能和运动精度要求高的机床等； 德国 EX-CELL-O 公司的 XHC 卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；电滚珠丝杆：电 滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成， 可以大大简化数控机床的 结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。总结纵观数控机床的发展之路， 我们可以清晰的认识到数控的发展他 不仅代表着整个制造业的发展，也代表着整个社会的进步。中国是一 个制造业大国，主要依靠资源、劳动力、价格等方面的优势。而在产 品技术研发和自主创新方面与国外的差距还 是很大。 中国是数控产业 不能安于现状， 应抓住就会努力发展。 数控技术是制造业的核心基础， 是国家工业和国防工业现代化的重要手段，我们要加快发展，力争早 日实现由中国制造向中国创造的转变！参考文献： 参考文献： [1]中国机床工具工业协会 行业发展部.CIMT2001 巡礼［J］.世界制 造技术与装备市场，2001(3)：18-20. [2]梁训王宣 周延佑.机床技术发展的新动向［J］.世界制造技术与 装备市场，2001(3)：21-28. [3]《机械设计与制造工程》2001 年第 30 卷第 1 期 [4]王平.《机电新产品导报》 2005 年第 12 期

数控机床改造论文对数控机床的改造进行阐述，并对数控机床改造的特点和常用方法研究。

数控机床改造论文【1】

【摘要】数控机床的改造在机械加工行业中应用越来越广,近年来用户对数控机床的认知能力进一步提高,对此需求也进一步增加，机床数控化改造成为新的经济增长行业。

【关键词】数控;机床;数控化改造;特点和方法

1 机床数控化改造分析

一台旧设备使用到一定年头后，必然会故障频繁发生、维修困难、生产效率降低、加工精度不稳定、甚至完全停机。

对这样的设备是采取彻底报废、还是经过中大修数控改造?做出这种决定之前，首先要对现有设备的剩余使用价值作出评估。

例如一台加工中心，主要构成的机电部件有：①CNC系统及操作子系统;②伺服系统(包括电动机);③机床电气;④机械本体(床身、立柱、导轨和丝杠等);⑤刀库机械手系统;⑥自动工作台交换系统(APC)等。

每一个子系统根据实际情况，都可以作出相应剩余使用价值评估。

例如根据伺服系统的磨损程度，如果继续留用，应考虑整修后还有50%以上剩余价值;但考虑到新更换数控系统的匹配及追求好的伺服特性，即使旧的伺服系统没有完全损坏，或预计继续使用寿命不会太长，也可考虑彻底更换。

机械部件的剩余价值一般都占较高比例，多项工程实践表明，一台高质量机床的机械大件磨损是有限的。

例如改造过的70年代美国卧式加工中心，X方向行程1台为1.5m、1台为2.5m，导轨的直线度和扭曲都能调整到0.008mm/1000mm，导轨本身没有进一步修磨。

机械手刀库部件易损件集中在几个零件上(如手爪、插销等)，即使重新更换花费也不多，因此机械部件都占有较高剩余价值。

2 数控机床改造的特点

2.1 投资额少、交货期短同购置新机床相比,一般可以节省60 % - 80 %的费用,改造费用低,特别是大型、特殊机床尤其明显。

一般大型机床改造,只是新机床购置费用的1/ 3 。

即使有些特殊情况,如高速主轴、托盘自动交换装置的制造与安装过于费工、费钱,改造成本也高2 - 3倍,但与购置新机床相比,也能节省投资50%左右。

另外可以根据实际情况进行针对性的改造，交货期缩短。

2.2 机械性能稳定可靠 所利用的床身、立柱等基础件都是重而兼顾的铸造构件,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。

2.3 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。

改造的机床一安装好,就可以实现全负荷运转。

2.4 可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地自动化水平和效率,提高设备和档次,将旧设备改成当今水平的机床。

充分利用现有的条件可以充分利用现有地基,不必像购置新设备时那样需要重新构筑地基。

因此可节约费用,降低改造成本,同时也可缩短生产准备周期。

3 提高数控机床改造精度的常见方法

数控机床在设计上要达到高的静动态刚度,运动副之间的摩擦系数小、传动无间隙、功率大、便于操作和维修。

机床数控改造时应尽量达到上述要求,还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求,才能获得预期的改造目的,常见的机床改造方法如下：

3.1 修复机床导轨精度

导轨的作用是导向与承载。

导轨在空载和在切削条件下运动时,都应具有足够的导向精度。

是机床几何精度的基础,所以,机床在改造时,为了达到预期的精度要求,往往必须修复导轨精度。

对不同形式导轨,大概修理方法如下:

3.1.1 使用环氧型耐磨导轨涂层修复导轨精度:工作台导轨的涂层,就是床身导轨的拓印,它的配合精度必然很高,简化了工艺,缩短了制造周期。

应用于机床改造更为便利,效果显著。

3.1.2 铸铁导轨:铸铁导轨的精加工是用刮削的方法得到的,刮研显点为18 ―25 点/ 平方厘米,同时,必须保证润滑的可靠性。

这样才能尽可能的减小摩擦,以及对位置控制精度的影响。

3.2 恢复主轴精度

主轴是主轴组的重要组成部分。

机床工作时,由主轴夹持着工件或刀具直接参加表面成形运动,对加工质量和生产率,有重要影响。

所以,改造时必须修复主轴的精度。

对于精度超差的主轴拆卸以后应对其进行全面检查,以便确定修理方案。

但大多需要更换主轴轴承、重新调整轴承的间隙调整和预紧。

调整后应进行温升实验,温升超过规定值,应减少预紧量。

当主轴轴承重新装配好后,用千分表和标准检验棒,检查主轴锥孔中心线是否和主轴的回转中心重合,如果相差较大,则必须用专用的磨头,重新磨削主轴锥孔,使其回转中心同主轴的回转中心完全重合。

3.3 修复或更换滚珠丝杠

丝杠传动直接关系到传动链精度，滚珠丝杠作为当代数控机床进给的主要传动机构,以其长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用,成为各类数控机床的重要配套部件。

基本上现代的数控机床都采用了滚珠丝杠,但在改造时,一定要恢复其传动精度,或干脆更换新的或更高精度的滚珠丝杠,只有这样才能保证改造后的定位精度,尤其是在半闭环系统中,丝杠不仅要起到传动作用,还要起到标尺的作用,编码器只是测量丝杠的转数,至于工作台实际行走的距离,相当于开环,只能靠滚珠丝杠本身的精度保证。

3.4 利用精密仪器检测机床精度

可以结合具体的机床改造过程,利用先进的激光干涉仪测量系统,对机床的定位精度进行测量,并利用球杆仪快速检查机床精度,诊断误差来源,自动分析机床精度状态,检查出反向间隙、垂直度、直线度、周期误差、伺服不匹配、传动链磨损等,根据检测结果,进行必要的分析,再结合资金投入、新技术应用等因素确定必要的改造、修理方案。

在调整机床参数时,尤其是伺服驱动参数,可根据球杆仪的检测结果,进行系统优化,使机床参数更合理,系统更稳定。

在改造完成后,利用激光干涉仪对定位精度进行测量,并根据情况进行适当的补偿,可以大大提高机床的定位精度和加工精度。

3.5 减少传动环节的间隙

一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。

为了保证传动精度,数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。

在结构上要能达到无间隙传动,因而改造时,机床主要齿轮必须满足数控机床的要求,以保证机床加工精度。

如果进给传动系统中有蜗轮蜗杆传动,一定要注意,调整好反向间隙,否则,很可能直接影响机床性能。

另外,如果进给传动系统中有同步齿形带,也必须进行适当的调整或更换,尤其是在采用半闭环系统中,若此部分不在控制环内,将直接影响机床的定位精度。

4 结论

为了能够大幅度提高数控机床改造后的性能,升级为先进的高端机床,有时需要使用高性能和高可靠的新型功能部件。

但往往价格非常昂贵,使用时一定要根据实际情况,慎重选择。

本文对数控机床改造从实际情况分析入手，对数控机床改造特点和提高改造精度的常见方法进行了较全面的论述,对数控机床改造具有一定的指导意义。

数控机床刀架改造研究【2】

摘 要：随着机械制造发展，企业为了提高产品效益和质量，对普通机床数字化改造及普通数控机床升级改造愈来愈重视，因此数控机床改造有着广阔的市场和效益，刀架的改造就是其一。

关键词：电动刀架 数字化改造

一、数控机床刀架改造及方案

数控车床电动刀架是数控车床的重要功能部件，主要完成零件加工过程中的自动换刀。

使机床在一次装夹中完成多工序的加工，有效的减少刀具多次装夹带来的加工误差，刀架用于夹持切削用的刀具，其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。

因此数控车床的刀架选择的好与坏、效率高与低将直接影响到产品的加工时间和质量，随着制造业的不断发展，对自动刀架的功能及性能要求也越来越高，原有的四工位刀架常常不能满足盘式零件加工要求。

本篇主要介绍如何用卧式六工位电动刀架取代立式四工位刀架，以提高数控机床使用性能。

图 1-1 所示为数控车床自动回转刀架机电系统，其中包括控制元件、动力源、传动装置、刀架体与检测装置。

PMC作为控制装置，通过程序控制电机的起停与正反转，电机作为动力源，通过传动装置控制上刀体的抬起、下降与转动，霍尔元件作为检测元件，检测上刀体是否到位，到位信号反馈给PMC，共同控制电机的运转。

下面从机械与电气两方面做一说明。

二、刀架选择及安装

1.刀架选择

数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。

立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床;卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。

另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。

电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。

另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的自动回转刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。

电动刀架已经形成了系列产品，国内许多厂家已有定型产品，如：立式四工位刀架、卧式六工位刀架、八工位刀架、十工位、十二工位刀架等，我们在改造时只需要根据产品加工的工艺要求，选用卧式六工位刀架，如下图(b)。

2.刀架安装

与原刀架高度及尺寸相近视，刀架电控系统与原刀架电控系统电平一致，机械参数可以参考同类机床进行类比，中心高不能过高，低了可以用垫板垫;安装尺寸也要合适，可以采用过渡件安装。

3.电气改造及调试

电气控制部分改造分两步，线路改造和刀架控制梯形图的编写。

3.1电气部分改造

电气部分，刀架电机主电路不变，原刀架四个刀位输入信号地址X2.1、X2.2、X2.3、X2.4中，前三个可作为六工位刀位信号使用，刀架的分度由刀架电动机后端的角度编码器进行检测和控制，信号是BCD码，X2.4可作为刀架加紧信号输入，需增加X2.6、X2.5两个输入点作为刀位选通信号及刀架电机过载保护输入端，系统其它电气控制部分不再改动，下图为改装后的原理接线图。

3.2刀架结构及动作分析

经济型数控车床刀架式在普通车床六方位刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通六方位刀架一样：有6个刀位，能夹持六把不同功能的刀具，方刀架回转60°时，刀架交换一个刀位，但方刀架回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。

下面就以六工位刀架为例来说明其结构与原理，如下图3.2所示。

3.3刀位信号

3.4自动刀架控制涉及到的I/O信号

PLC输入信号： X2.1～X2.3：1～6号刀到位信号输入;X2.4：热继电器信号输入;

X2.5：行程到达信号输入; X2.6：角度编码器位置选通信号输入;

X2.7：电源空开信号输入; PLC输出信号： Y2.4：刀架正转继电器控制输出;

Y2.5：刀架反转继电器控制输出。

电动机的正反转由接触器KM6、KM7控制，刀架的松开和锁紧靠微动行程开关SQ1进行检测，地址为X2.5。

刀架的分度由刀架电动机后端的角度编码器进行检测和控制，信号是BCD码，分别是X2.1、X2.2、X2.3。

刀具位置选通脉冲信号为X2.6。

电动刀塔过载保护输入信号为X2.4。

选通信号X2.6为1时表示刀架已经旋转到某个刀位位置，这时的具体刀位号由X2.1、X2.2、X2.3来确定。

3.5电气设计要求

机床接收到换刀指令(程序的T码指令)后，刀架电动机正转进行松开并分度控制，分度过程中要有转位时间的检测，检测时间设定为10s，每次分度时间超过10s系统就发出分度故障报警。

刀架分度并到位后，通过电动机反转进行锁紧和定位控制，为了防止反转时间过长导致电动机过热，要求电动机反转控制时间不得超过0.7s。

电动机正反转控制过程中，还要求有正转停止延时时间控制和反转开始的延时时间控制。

自动换刀指令执行后，要进行刀架锁紧到位信号的检测，只有检测到该信号，才能完成T代码功能。

自动换刀过程中，要求有电动机过载、短路及温度过高保护，并有相应的报警信息显示。

自动运行中，程序的T代码错误(T=0或T>7)时相应有报警信息显示。

3.6控制软件的设计

电动刀架控制系统软件执行过程为：换刀系统接收到换刀指令后，系统首先读取刀号存储单元中存储的当前刀位号码，并将该存储单元中的刀位号与换刀指令给出的刀位号比较，如果相同，则不需换刀，系统继续向下执行程序;如果当前刀位号码与换刀指令给出的刀位号不相同，则PMC的'Y2.4脚输出高电平控制刀架电机正转，并不断检测刀位到位信号。

当检测到刀位到位信号后，PMC的Y2.4脚输出低电平，停止刀架运转，同时在Y2.5脚输出高电平，电机反转，同时启动定时器(电机反转的时间必须严格控制，时间过短，刀架无法锁紧，时间过长，会导致电机过载而烧毁)，延时时间一到， Y2.5脚输出低电平，电机停止旋转，完成换刀过程。

接下来就要完成FANUC系统PMC刀架控制梯形图的编制，根据刀架换刀流程及I/O分配地址，完成刀架控制梯形图的编写。

对一台特定的数控机床，只要能满足控制要求，对梯形图的结构、规模并没有硬性的规定，我们可以按思路和逻辑方案进行编程。

但理想的梯形图程序除能满足机床的控制要求外，还应具有最少的步数、最短的处理时间和易于理解的逻辑关系。

3.7调试

3.7.1顺序程序的输入、调试

3.7.2系统运行

机械选型安装和电气设计连接完成后，经过检查就可以通电试验，这些工作做完以后，车床刀架的升级改造工作就完成了。

数控机床改造的发展论文【3】

摘 要：近几年来，随着我国科技的快速发展，经济水平的不断提高，机械的科技水平也有了较大进步，其中数控机床改造也成为了人们较为关注的话题之一。

科学技术的进步同样也带动了数控机床的发展，使数控机床技术的运用有了改观。

文章对数控技术，数控机床进行了简单介绍，并对其改造情况进行了分析和总结，希望能够带来一定借鉴意义。

关键词：数控技术;数控机床;改造

最近几年来，我国的市场经济发展迅猛，进步之快令人欣喜，但随之而来的就是国内、国际市场竞争的白日化，其竞争激烈的程度不言而喻。

日趋激烈的市场竞争力带来的是中、小批量的生产越来越多，尤其在航空工业中占据的比例更大，甚至达到绝大部分，且零件外形趋于复杂，这也就要求零件的精度更高。

这些要求的日益严格，使得传统机床的工艺渐渐力不从心，无法满足现代化需求。

在这种情况下，柔性加工变得越发重要，而对数控机床的依赖也越来越大。

想要解决现有状况的方式通常有两种，一种是通过购买新的设备来替换老旧设备，从而决绝现有设备无法满足的缺陷，但这种方法所需的资金比较多，在资金紧张时很难实现。

另一种方法则是改造旧设备，从而获得数控加工能力，这种办法有效且节省开支，是目前较好的办法，这也使得数控机床改造成为了重要的研究课题之一。

1 数控技术与数控机床

数控技术在现代化生产中有着至关重要的作用，现代化生产离不开数控技术，它是生产自动化的核心技术，是实现生产自动化的关键所在。

现代化科学在如今的生产中运用广泛，想要实现生产的全自动化离不开优良的数控技术。

数控技术发展的好坏对现代化机械生产的作用不言而喻，甚至可以说其技术的好坏直接影响着一个国家装备制造业的水平，同时映射着众多领域的技术水平。

可见基础科学的发展离不开数控技术的进步。

数控机床是典型的机电一体化产品，其高效利用解决了很多方面的问题。

在现代化的工厂中离不开数控机床，对于比较复杂、精密、繁多的零件加工，数控机床有着较大作用，是生产的关键所在。

柔性、高效能是其特点，更是现代化机床技术发展的大方向。

在航空航天、农业生产以及开采矿产等方面，数控技术都起到重要作用，并带动了工业的发展。

从根本而言，数控机床就是利用计算技术，将信息代码用数字的形式表示出来，再通过输入到数控设备中，通过数控设备发出各种指挥信号，从而控制机床，将一些复杂繁多的问题按照严格要求得以解决。

2 数控机床改造的优势

数控机床的优势有很多，单从效率方面和合理化方面就可归纳出七点。

以下做详细介绍。

(1)数控加工的种类较多，小批量生产上有着重要作用，是其自动化的手段。

它的自动化程度较高，并且加工的速度也非常迅速，都是其主要优点。

(2)产品质量是生产最为关注的问题之一，保持稳定的质量和较高的水准是数控加工的优势。

因为数控加工都是按照提前计算好的数值进行操作和加工的，所以它能够准确地进行加工并且还可以保证质量的稳定统一。

(3)现代加工中对于一些外形复杂且需要精度的加工是工作的难点问题之一。

数控加工可以有效解决这一方面的困难，并且能够在加工上保证效率和速度。

(4)装配的质量和效率依然是加工中所关注的问题之一，数控加工的零件都能够较好地解决这一方面的问题，并提高了零件装配的互换性。

(5)生产管理也在其作用下有了较好的发展，由于其加工时间固定，工作稳定，所以管理上也较为便捷，并未计算机集成制造系统的使用起到良好效果。

(6)在人工操作上，其有效利用可以减少劳动力，并提高工作准确度，提高产品质量。

(7)与人工加工相比，其优势在于可以连续加工，使加工不间断，在减少人工的同时，又缩短了工期，提高了效率。

3 数控机床改造技术的发展趋势

近些年来数控机床有了较快的发展，其外形和功能上也有了显著提高。

具体来说，在上世纪五十年代的时候，诞生了第一台数控机床，这是美国研发的，主要元件是电子管，由于当时科技水平并不发达，所以其体积非常庞大，笨重。

在六十年代时，半导体晶体管有了较好的应用，数控系统也有了较大程度的进步，性能有了稳步提升，并且性价比有了明显提高。

七十年代的时候，机床的加工效率更为迅速，其使用效率更高，灵活性更强，数控机床有了质的飞跃，工作也逐渐完善起来。

到了八十年代，数控技术转型为计算机数字控制技术，这是一个崭新的时代，微处理得到了较为广泛的应用。

微处理的运算速度有了稳步温升，数控机床的发展也更为快速。

数控机床的不断发展，为工业带来了新的改观。

伴随着计算机数字控制时代的到来，数控技术越发完善，高精度、高效率、智能化是其发展的方向，其发展的速度更是令人欣喜。

主要表现特点从以下几方面来具体说明。

3.1 高精度化

高精度化是数控技术的特点之一。

在现代化工业飞速发展的今天，对加工的精度要求也越来越高。

从八十年代的定位精度到九十年代初的定位精度，可以从数字上看出精度的变化。

在精度不断提升的现在，受益最大的就是航天工业，其精度的变化有了较大提升，并且对航天工业的发展帮助非常大。

此外，在计算机技术迅猛发展下，其加工精度进步速度也越来越快，机床结构材料也有了一定改变。

3.2 高速度化

机床生产效率的提高也是其发展的具体表现之一，从机床主轴的转速上可以体现出来。

4000rpm到6000rpm是中等规格机加中心的最高转速，后发展到8000rpm到12000rpm。

其次，坐标轴移动速度的提升也是其效率提高的表现。

3.3 高柔性化

多样化、个性化是现代产品的特点，这也就要求机床要有更高的柔性加工。

如铣削加工中心可以铣削、钻孔、攻丝等。

3.4 高自动化

自动化指的是在加工过程中主要依靠机器设备进行加工，人力加工会比较少。

高自动化不但能够减少人工的耗费，还可以提高工作效率和工作质量，与传统加工相比有着非常多的优势。

传统自动化往往是对大批量生产加工，而现在利用数控机床和机械加工中心，可以使大批量生产自动化，在多品种小批量的生产上也有所作为。

3.5 宜人的造型和灵活的操作

在数控机床效率不断提升的同时，造型的改变也是其重要的进步之一。

除了性能优异，使用安全之外，在造型上还要便捷、美观，适合人员操作。

这才是优秀的数控机床所应具备的。

简单灵活的操作也是数控机床所具备的特征，操作的灵活简单也可以加快其效率。

3.6 可靠性高

随着现代科学的发展，数控机床的可靠性也有了稳步提高，准确度和质量都有了一定程度上的进步。

机床的数控化从传统的切削机床逐渐转化向塑料加工机床、绘图机、气割机等加工设备方面转化。

其可靠性越来越高，应用也越来越广泛。

4 结束语

随着数控技术的不断发展，数控机床改造技术也在日益进步，其发展的前景也十分乐观。

在现代化科技高速发现的今天，相信我国的数控机床技术还会不断改进，日趋完善，为其工业发展带来新的发展前景。

参考文献

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