机械制造与自动化本科毕业设计论文数控车床的改造.docx

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机械制造与自动化本科毕业设计论文数控车床的改造

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论述机械制造技术的新发展[摘要]随着现代科学技术的快速发展，机械制造业面临着不同方面的发展要求：

最大程度地和计算机技术、信息技术相结合以实现智能化、自动化、高产、高效、低能耗、无污染的目标，本文从几个方面介绍先进制造技术，指明机械制造业的发展方向。

 [关键词]先进制造技术机械制造业发展方向  机械制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了许多理论和实践经验，但随着当今社会的发展，人们的生活水平不断提高，各个方面的个性化需求越来越强烈。

作为已经深入到各行各业并已成为基础工业的机械制造业面临着严峻的挑战。

先进制造技术这个概念的提出为机械制造业的发展指明了方向。

虽然这个名词没有确定的定义，但目前被公认的认识是：

先进制造技术是传统制造技术不...论述机械制造技术的新发展

[摘要]随着现代科学技术的快速发展，机械制造业面临着不同方面的发展要求：

最大程度地和计算机技术、信息技术相结合以实现智能化、自动化、高产、高效、低能耗、无污染的目标，本文从几个方面介绍先进制造技术，指明机械制造业的发展方向。

[关键词]先进制造技术机械制造业发展方向

机械制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了许多理论和实践经验，但随着当今社会的发展，人们的生活水平不断提高，各个方面的个性化需求越来越强烈。

作为已经深入到各行各业并已成为基础工业的机械制造业面临着严峻的挑战。

先进制造技术这个概念的提出为机械制造业的发展指明了方向。

虽然这个名词没有确定的定义，但目前被公认的认识是：

先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。

它具有如下一些特点：

1．从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会的需要。

2．从强调专业化分工向模糊分工、一专多能转变，使劳动者的聪明才智能够得到充分发挥。

3．从金字塔的多层管理结构向扁平的网络化结构转变，减少层次和中间环节。

4．从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变，缩短工作周期，提高工作质量。

5．机械制造技术的发展趋势可以概括为：

（1）机械制造自动化。

（2）精密工程。

（3）传统加工方法的改进与非传统加工方法的发展。

下面对自动化技术给予论述和展望。

机械制造自动化技术自本世纪20年代出现以来，经历了三个阶段，即刚性自动化、柔性自动化和综合自动化。

综合自动化常常与计算机辅助制造、计算集成制造等概念相联系，它是制造技术、控制技术、现代管理技术和信息技术的综合，旨在全面提高制造企业的劳动生产率和对市场的响应速度。

一、集成化

计算机集成制造（CIMS）被认为是21世纪制造企业的主要生产方式。

CIMS作为一个由若干个相互联系的部分（分系统）组成，通常可划分为5部分：

1．工程技术信息分系统包括计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程分析（CAE），计算机辅助工艺过程设计（CAPP），计算机辅助工装设计（CATD）数控程序编制（NCP）等。

2．管理信息分系统（MIS）包括经营管理（BM），生产管理（PM），物料管理（MM），人事管理（LM），财务管理（FM）等。

3．制造自动化分系统（MAS）包括各种自动化设备和系统，如计算机数控（CNC），加工中心（MC），柔性制造单元（FMS），工业机器人（Robot），自动装配（AA）等。

4．质量信息分系统包括计算机辅助检测（CAI），计算机辅助测试（CAT），计算机辅助质量控制（CAQC），三坐标测量机（CMM）等。

二、智能化

智能制造系统可被理解为由智能机械和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，该系统在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、判断、构思、决策等。

在智能系统中，“智能”主要体现在系统具有极好的“软”特性（适应性和友好性）。

在设计和制造过程中，采用模块化方法，使之具有较大的柔性；对于人，智能制造强调安全性和友好性；对于环境，要求作到无污染，省能源和资源充分回收；对于社会，提倡合理协作与竞争。

三、敏捷化

敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求做出快速反应，以满足用户的需要。

为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。

敏捷制造是现代集成制造系统从信息集成发展到企业集成的必由之路，它的发展水平代表了现代集成制造系统的发展水平，是现代集成制造系统的发展方向。

四、虚拟化

“虚拟制造”的概念于20世纪90年代初期提出。

虚拟制造以系统建模和计算机仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、信息技术、并行工程、人工智能、多媒体技术等高新技术为一体，是一项由多学科知识形成的综合系统技术。

虚拟制造利用信息技术、仿真计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防的措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。

五、绿色制造技术的应用及绿色设计

若从节能、降耗、缩短产品开发周期的角度出发，诸如快速成形技术、并行工程及敏捷制造、虚拟制造、智能制造和网络制造等先进制造技术都可纳入绿色制造技术的应用范畴。

不过目前能将绿色制造技术真正应用于企业生产的，也是较为成功的应用，只要集中在汽车、家电等支柱产业上。

如绿色制造技术在汽车行业上的应用。

（1）节约资源方面：

将“绿色燃料”天然气作为汽车的能源，它的燃料同汽油相比，CO降低70%，非甲烷类降低80%等，同时也消除了铅、苯等有害物质的产生。

（2）采用新设计的加工工艺方面：

2000年3月，博世、康明斯、卡特彼勒等国外著名的汽车发动机公司，发动了“绿色柴油机行动”，在技术上作了较大的改进，大大降低了汽车尾气的排放。

（3）适用于环境友好的材料方面：

世界上著名的汽车生产企业，使用新材料来替代以前使用的石棉、汞、铅等有害物质，采用轻型材料——铝材制造车身，使汽车重量减少40%，能耗也降低了。

（4）部件回收在制造方面：

从1990年中期，美国仅汽车零件回收、拆卸、翻新、出售一项，每年就可获利数十亿美元。

六、清洁化

清洁生产是指：

将综合预防的环境战略，持续应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险。

清洁生产的两个基本目标是资源的综合利用和环境保护。

对生产过程而言，清洁生产要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过程，包括节约原材料和能源，替代有毒的原材料和短缺资源，二次能源和再生资源的利用，改进工艺及设备，并将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。

对于产品而言，清洁生产覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，即从原材料的提取到产品的最终处理，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、销售及报废等，合理利用资源，并最大限度地减少对人类和环境的不利影响。

综上所述，机械制造业的发展方向是将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术是企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

前 言

数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。

经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。

本次毕业设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。

随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。

随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。

数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。

同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。

摘  要

摘要:

了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床（刀具）运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。

而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。

它的优点很多,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。

由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。

为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。

本次设计主要为纵向进给系统的设计，其中包括纵向进给系统改造方案的确定，各零部件的设计。

关键词:

数控、车床、改造、纵向进给

第一章概 述

一、数控系统发展简史

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（1952～1970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-WIREDNC），简称为数控（NC）。

随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，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，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。

二、数控机床及其特点

数控机床（NumericalControlMachineTools）是指采用数字形式信息控制机床。

详言之，凡是用数字化的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上，送入计算机或数控系统，经过译码、运算以及处理，控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件的一类机床即为数控机床。

数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。

概括起来，采用数控机床有以下几方面的好处：

①提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；

②提高生产效率，一般约提高效率3～5倍，使用数控加工中心机床则可提高生产率5～10倍；

③可加工形状复杂的零件；

④减轻了劳动强度，改善了劳动条件；

⑤有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。

然而，数控机床毕竟是一种高度自动化的机床，技术复杂，成本较高。

在实际采用时，一定要充分考虑其技术经济效果。

目前，选用数控机床时主要考虑以下三种因数：

即单件、中小批量的生产；形状比较复杂，精度要求高的加工；产品更新频繁，生产周期要求短的加工。

凡是符合这三种因素之一的情况，采用数控机床，对于改进产品质量、减轻工人劳动强度、提高经济效益等，都会获得显著的效果

三、数控机床的工艺范围及加工精度

1.数控机床的工艺范围：

根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适用程度将零件分为三类：

（1）最适用类

1）形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件。

2）用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件。

3）有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件。

4）必须在依次装夹中合并完成铣、镗、铰或螺纹等多工序的零件。

（2）较适用类

1）在通用机床加工时极易受人为因素（如：

情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控会造成重大经济损失的零件；

2）在通用机床上加工时必须制造复杂的专用工装的零件。

3）需要多次更改设计后才能定型的零件。

4）在通用机床上加工需要作长时间调整的零件。

5）用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。

（3）不适用类

1）生产批量大的零件。

2）装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件。

3）加工余量不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的零件。

4）必须用特定的工艺装备协调加工的零件。

2.数控机床的加工精度：

看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达到0.005mm（ISO标准.、统计法）,就是一台高精度机床，在0.005mm（ISO标准.、统计法）以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。

超精密加工目前是指尺寸和位置精度为0.01～0.3μm，形状和轮廓精度为0.003～0.1μm，表面粗糙度钢件Ra≤0.05μm、铜件Ra≤0.01μm。

国内研制的超精密数控车床、数控铣床已投入生产使用。

当前在品种上需发展超精密磨床和超精密复合加工机床，同时要进一步提升超精密主轴单元、超精密导轨副单元、超精密平稳驱动系统、超精密轮廓控制技术及纳米级分辨率数控系统的性能并加快其工程化。

超精密机床主要用于解决国内高新技术和国防关键产品的超精密加工，虽然需求量不很大，但它是一项受国外技术封锁的敏感技术。

另一方面，超精密加工技术的深化研究，它的成果的下延将有助于需要量大的加工精度在亚微米级的高精密机床的研发和产业化。

在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

在可靠性方面，国外数控装置的mtbf值已达6000h以上，伺服系统的mtbf值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性

四、数控机床的经济分析

1.实用性。

选购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。

（1）数控机床规格、精度的实用性。

在选择数控机床时,首先应确定数控机床上加工的典型零件。

零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。

机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。

定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。

这些指标既反映了伺服机构的刚度,也说明了位置反馈测量系统的质量。

重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。

综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。

选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。

（2）数控系统功能的实用性。

数控系统功能可分为基本功能与选用功能,各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。

除基本功能以外,数控系统还为用户提供多种可选功能。

通常数控系统具备的基本功能比较便宜,而特定选择的功能很贵。

在可供选择的功能模块中,性能差别很大,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。

从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量,合理地选择适合机床的可选功能,放弃可有可无或不实用的可选功能。

比如，自动换刀装置（ATC）是加工中心的基本特征，ATC装置的投资往往占整机的30%～50%。

因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC,以提高机床的可靠性和降低整机的价格。

应当注意，单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。

2.经济性。

经济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下,所支付的“钱”最少或较为合理的。

经济性往往是和实用性紧密相连的,机床选得实用、经济,可避免不必要的浪费,避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。

数控机床的设计使用寿命一般为7年,主要以数控方面的使用寿命为准。

同时还得考虑市场占有率,市场占有率高的数控设备说明是旺销产品,已受到多数用户的青睐和肯定,一般不会有太多的质量问题。

选购数控机床应考虑投资回报,能够在短期内收回投资的机床才是好机床。

因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。

多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。

所以用于大批量生产的机床投资回报较快。

少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。

机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。

另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价40万，三年后可能降至35万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。

所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。

有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。

3.稳定可靠性。

数控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题,因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率,确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准（规定为500h）。

目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。

国内应用较多的数控系统有日本FANUC、德国的西门子等。

立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。

所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全,服务队伍的素质是否能胜任工作,服务能否及时,是否能履行承诺等。

五、数控机床的发展趋向

1.继续开放式，基于PC的第六代发展方向，基于PC的所具有的开放性的成本，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路，至少采用PC机作为他的前端机来处理人机界面、编程、联络通讯等问题，由原有的系统担任数控的任务，PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。

2.向高速化和高精度发展这是适应机床向高速和高精度发展方向的需要。

3.向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域的不断深入和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。

（1）.自适应控制技术，数控系统能检测过程中的一部分重要信息，并自动调整好系统的有关系数，达到改进整个系统运行状态的目的。

（2）.引入专家系统指导加工，将熟练工人和专家的经验以及加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。

（3）.引入故障诊断专家系统。

（4）.智能化数字伺服驱动装置，可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行状态。

六、数控化改造的必要性及如何改造进行论述

我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。

近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。

机床的年产量数控化率为6%。

我国机床役龄10年以上的占60%以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。

可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。

用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。

所以必须大力提高机床的数控化率。

经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。

所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。

事实证明：

用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。

2.如何进行机床数控化改造

（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”的话题,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行业，在美国、日本和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业，从事再生业的著名公司有：

bertsche工程公司，orgbon机床公司等。

在日本，机床改造业称为机床改造业，从事改装的公司有：

大限工程集团，山本工程公司等。

（2）数控化改造的优缺点

1）减小投资额，交货期短，同购置新机床相比，一般可节省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，只要新机床购置费用的1/3，交货期短，但有些情况比较特殊。

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2~3倍，与购置新机床相比，只能节约50%左右。

2）机械性能稳定可靠，结构受限制，所利用的床身、立柱等机床件都是重而坚固的铸造件，儿不是焊接构件，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，但是受到后来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。

3）可采用最新的控制技术，可充分利用现有的条件，可以利用现有基础，不必像购入新设备时那样需要重新构建地基。

4）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，将旧机床改造成为今水平的机床。

3.数控系统的改造型

数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择，即步进电机拖动的开环系统，异步电动机或直流电动机