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上海電機學院
畢業(yè)設計任務書
課 題 車削中心主傳動及進給
傳動系統(tǒng)設計
專 業(yè) 機械電子工程
年 級 2009級
姓 名 學 號
指 導 教 師 （簽字）
學 院（系）院長（簽字）
2012 年 12 月 10 日
課題來源
□國家級 □省部級 □教師科研 □企業(yè)項目 √自選項目
課題的目的
、
意義
數(shù)控機床是機電一體化的杰出代表，在當前的生產實踐中的應用非常的普遍，隨著近幾年加工精度和要求的提高，車削中心得到了廣泛的應用，考慮檔次較高的車削中心的結構相對復雜，因此考慮以開環(huán)控制的系統(tǒng)作為課題入手，使學生對這種快速發(fā)展的加工設備有個初步的了解。
本課題設計的車削中心,采用開環(huán)控制,用電機驅動,微機控制,作為機械電子工程專業(yè)學生而言,通過該課題的畢業(yè)設計,能夠將上課所學的機械設計、控制技術、檢測技術技術等課程所學知識有機的結合起來，并最終達到模擬工程實際設計的目的，使學生初步掌握工程設計基本方法，達到畢業(yè)設計大綱的要求。
要求
課題主要技術要求：
采用開環(huán)控制，主傳動由交流伺服電機驅動，進給傳動由步進電機驅動；微機控制，最大加工直徑為600mm；
主軸的轉速范圍為50～4000轉/min，最大切削功率為6KW,
X軸方向的脈沖當量為0.003mm/脈沖，最大切削阻力為2000N；
Z軸方向的脈沖當量為0.005mm/脈沖，最大切削阻力為2500N；
X軸的行程為350mm，X軸的最快移動速度為2000mm/min；
Z軸的行程為500mm，Z軸的最快移動速度為3000mm/min。
課題工作量要求：1、設計說明書一份（不少有1.5W字）；
2、英文資料翻譯2萬個英文字符；
3、圖紙的總工作量不少于2張A0圖紙；
4、進給系統(tǒng)裝配圖(X軸和Z軸)，圖幅不小于A1；
5、主傳動系統(tǒng)裝配圖一份，圖幅不小于A1；
6、控制系統(tǒng)圖一份(A1)及零件圖一份（A1）。
課題主要內容及進度
課題主要內容：
1、根據(jù)課題要求，查詢相關資料，了解課題的背景，完成要求的文獻翻譯；
2、根據(jù)技術要求擬定總體設計方案，包括機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
3、主要機械結構的設計，包括重要的標準件（如鍵和軸承等），并繪制相應的裝配圖、部件圖，且應有相應的設計計算過程及數(shù)據(jù)；
4、挑選部分典型零件繪制相應的零件圖，應符合制圖和標準件設計的國家標準；
5、完成微機控制系統(tǒng)電路圖的設計和繪制,并應編寫相應的控制程序
6、撰寫設計計算說明書
工作進度：
2012.12.10-12.17 收集、研究資料；
2012.12.18-12.31 開題，擬定總體設計方案；
2013.1.1-1.31 修改、完善開題報告；完成文獻翻譯；
2013.2.1-3.31 系統(tǒng)有關設計計算，繪制總裝配圖
2013.4.1-4.10 繪制主要零件的零件圖
2013.4.11-4.20 控制系統(tǒng)設計，繪制微機控制接線圖
2013.4.21-4.30 撰寫設計計算說明書
2013.5.1-5.10 修改及準備答辯
- 4 -
數(shù)控車床主傳動及進給傳動系統(tǒng)設計
2
上海電機學院
畢業(yè)設計（論文）開題報告
課題名稱 車削中心主傳動及進給傳動系統(tǒng)設計
學 院 機械學院
專 業(yè) 機械電子工程
班 級 BJ0908
學 號 BJ090806
姓 名 孫自強
指導教師 周俊嫵
定稿日期： 2013 年3 月 1日
2
數(shù)控車床主傳動及進給傳動系統(tǒng)設計
1 選題目的及意義
數(shù)控機床是一種高科技的機電一體化產品,是綜合應用計算機技術、精密測量及現(xiàn)在機械制造技術等各種先進技術相結合的產物。數(shù)控機床作為實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)和未來工廠自動化的基礎已成為現(xiàn)在制造技術中不可缺少的生產手段,是機電一體化技術的重要組成部分。隨著科學技術的迅速發(fā)展,數(shù)控技術的應用范圍日益擴大。數(shù)控機床已成為現(xiàn)在機械制造業(yè)中的主要技術裝備。
機床是工業(yè)之母，它的技術含量的高低直接影響著產品質量的高低。隨著產品質量的精密化、個性化，產品品種的多樣化，這對機床設備的要求越來越高！當前我國正在大力發(fā)展先進制造和振興裝備制造業(yè)，我們看到當前在越來越多的企業(yè)采用數(shù)控設備，在此可見此題的時代意義！同時它涉及多門機械課程，可以說此次設計是對過去四年學習的檢驗和提高！通過此次設計能夠提高個人的專業(yè)素質和培養(yǎng)同學們的團體協(xié)作精神！此次結合實際分工做主傳動系統(tǒng)設計，我們知道此部分在整個系統(tǒng)中有著重要的作用，它的精確性、可靠性直接決定著數(shù)控車床的精確性、可靠性；同時此部分在設計過程中要求作者有著良好的專業(yè)功底和求實精神；總之此選題具有一定實際可操作性和實際意義！
2 （文獻綜述）國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
20世紀50年代初第一臺數(shù)控機床的出現(xiàn)，使制造技術的發(fā)展出現(xiàn)了日新月異的局面。特別是近20年來，隨著計算機技術、信息技術和微電子技術等高新技術的發(fā)展，制造業(yè)也發(fā)生了革命性的變化。數(shù)控技術正在朝著高精度、高速度、高柔性、高可靠性以及復合化的方向發(fā)展。當前數(shù)控技術在德國和日本發(fā)展相當順利，無論在理論還是實踐應用都處于領先水平，然而我國比他們有相當大的差距，國內數(shù)控設備在很大程度上依賴國外進口！不過經過幾十年的努力我們已取得了一定的發(fā)展，據(jù)最新報道華中數(shù)控的技術在許多方面已與國外的差距縮小很多，可以預見只要我們堅持自主創(chuàng)新、勇攀高峰的精神，我們一定能夠在此領域有一席之地的！
近年來，隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展，數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢、如主軸轉速的高速化、功能結構的復合化和肉性化。在高速化的方面，采用了電主軸，又稱內置式電動機主軸單元，就是將高速電動機置于機床主軸部件內部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需要的工作轉速和轉矩，實現(xiàn)電動機、主軸一體化功能；另外，在復合化和肉性化方面，主傳動系統(tǒng)設計發(fā)生了很大的變化，數(shù)控車床由單主軸發(fā)展為雙主軸，在此基礎上增設附加控制軸——C軸，成為車削中心，并可配備刀庫和其他輔助功能。在車削中心基礎上增加自動裝卸工件的機械手和更換卡盤裝置等，則成為適合于中小批量加工自動化的車削肉性制造單元。由此可見，現(xiàn)代數(shù)控加工完全打破了傳統(tǒng)工藝規(guī)程規(guī)定，由機床單一化走向多元化、復合化。
3 研究內容
1.課題主要任務
2.總體設計方案擬定
3車削中心主傳動及進給傳動系統(tǒng)設計
3.1 主傳動系統(tǒng)設計
交流伺服電機→帶傳動→主軸（同軸安裝脈沖編碼器，安裝在主軸后面）
3.1.1交流伺服電機的計算與選型
3.1.2 同步帶的計算與選型
3.1.3主軸的主要尺寸計算
3.1.4主軸滾動軸承的計算與選型
3.1.5主軸鍵的設計計算
3.1.6潤滑與密封
3.1.7脈沖編碼器的選擇
3.2 進給傳動系統(tǒng)設計
步進電機→帶傳動→絲杠傳動→螺母位移→工作臺位移
3.2.1 X軸進給系統(tǒng)設計
1）滾珠絲杠螺母副的計算與選型
2）直線滾動導軌副的計算與選型
3）同步帶的計算與選型
4）步進電機的計算與選型
3.2.2 Y軸進給系統(tǒng)設計
1）滾珠絲杠螺母副的計算與選型
2）直線滾動導軌副的計算與選型
3）同步帶的計算與選型
4）步進電機的計算與選型
3.3 控制系統(tǒng)的設計
3.3.1 總體方案設計
3.3.2 微機硬件系統(tǒng)設計
步進電動機、驅動電源和控制器構成了步進電機驅動系統(tǒng)。
3.3.3 微機軟件系統(tǒng)設計
控制器控制驅動器使步進電機轉動，帶動工作臺工作。
4 研究方案
4.1 主傳動
4.1.1 控制系統(tǒng)——單片機的選型
控制系統(tǒng)在此采用單片機。因為單片機具有以下優(yōu)點：
1.它的體積小、質量輕便于攜帶；
2.USB接口通訊及供電，通訊速度快，無需外接電源；
3.有電源狀態(tài)指示燈，可直觀了解編程器當前狀態(tài)；
4.可靠性好，在制造芯片時將已開發(fā)好的程序寫入ROM, 用戶本身無法改變；
5.易于擴展，芯片外部有許多供擴展用的三總線以及并行、串行I/0管腳，很容易構成各種規(guī)模的計算機應用系統(tǒng)；
6.價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件
4.1.2 驅動系統(tǒng)——交流伺服電機的選型
驅動系統(tǒng)在此采用交流伺服電機。
交流伺服電動機的結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機一種兩相的交流電動機。 交流伺服電動機使用時，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就發(fā)生改變，電機的方向也發(fā)生改變。?同時交流伺服電機具有以下優(yōu)點：
1.無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。
2.定子繞組散熱比較方便。
3.慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。
4.同功率下有較小的體積和重量。
5.適應于高速大力矩工作狀態(tài)。
4.1.3 傳動系統(tǒng)——同步帶的選型
傳動系統(tǒng)在此采用同步帶。
4.2 進給傳動
X軸進給運動
4.2.1 控制系統(tǒng)——單片機的選型
控制系統(tǒng)同主傳動，采用單片機
4.2.2 驅動系統(tǒng)——步進電機的選型
驅動系統(tǒng)同主傳動，采用步進電機驅動
控制程序通過控制步進電機正反轉實現(xiàn)往復運動。步進電動機具有快速啟停、高精度、能夠直接接受數(shù)字信號和不需要位移傳感器就可達到較精確定位等特點，因而在需要精確定位的場合得到廣泛的應用。步進電機相對普通電機來說，他可以實現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅動器信號輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實現(xiàn)步進電機的角度和速度控制，無需反饋信號。
4.2.3 傳動系統(tǒng)——同步帶、滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌副的選型
同步帶傳動是由一根內周表面設有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點。轉動時，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。 傳輸用同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達1:10。允許線速度可達50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，一般可達98%，結構緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。其作用：傳動比準確,傳動效率高，節(jié)能效果好。
滾珠絲杠螺母副由絲杠、螺母、滾珠和反向器（滾珠循環(huán)反向裝置）四部分組成。當絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋軌道滾動，為防止?jié)L珠從滾珠道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的閉合通道。其所起作用：將直線運動和旋轉運動進行相互轉化。
直線滾動導軌摩擦系數(shù)小，運動靈活；動、靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動阻力小，而不易產生爬行；可預緊，剛度高；壽命長；精度高；潤滑方便，可采用脂潤滑，一次填裝，長期使用；有專業(yè)長生產，可以直接外購選用。其所起作用：起導向的作用。
傳動系統(tǒng)采用同步帶、滾珠絲杠螺母副和直線滾動導軌副。因為滾珠絲杠螺母副和線滾動導軌副具有以下特點：
滾珠絲杠螺母副特點：
1）傳動具有可逆性。
2）運動平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高。
3）軸向剛度高、反向定位精度高。
4）摩擦損失小，傳動效率高，同步性好。
直線滾動導軌副具有以下特點：
1）摩擦系數(shù)小
2）易爬行
3）動效率高
4）構緊湊，安裝預緊方便
4.3 Y軸進給傳動
4.3.1 控制系統(tǒng)——單片機的選型
控制系統(tǒng)同主傳動，采用單片機
4.3.2 驅動系統(tǒng)——步進電機的選型
驅動系統(tǒng)同主傳動，采用步進電機驅動
4.3.3 傳動系統(tǒng)——同步帶、滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌副的選型
傳動系統(tǒng)同X軸進給傳動，采用同步帶、滾珠絲杠螺母副和直線滾動導軌副
4.4 控制部分
4.41總體方案設計
4.4.2控制系統(tǒng)硬件設計
步進電動機、驅動電源和控制器構成了步進電機驅動系統(tǒng)。
單片機→驅動器→步進電機
步進電機控制系統(tǒng)框圖
4.4.3控制系統(tǒng)軟件設計
進給系統(tǒng)流程圖
5 計劃進度安排
2012年12月10日-12月17日 收集、研究資料；
2012年12月18日-12月31日 開題，擬定總體設計方案；
2013年1月1日-1月31日 修改、完善開題報告；完成文獻翻譯；
2013年2月1日-3月31日 系統(tǒng)有關設計計算，繪制總裝配圖；
2013年4月1日-4月15日 繪制主要零件的零件圖；
2013年4月16日-4月30日 控制系統(tǒng)設計，繪制微機控制接線圖；
2013年5月1日-5月20日 撰寫設計計算說明書；
2013年5月21日-5月25日 修改及準備答辯；
6 參考文獻
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[21] J. M. Corbett a 《Prospective work design of a human-centred CNC lathe》a Control Systems Centre, UMIST, PO Box 88, Manchester, M60 1QO, England
Version of record first published: 31 Jan 2007.
[22] P. T. Kidd a《The social shaping of technology: the case of a CNC
Lathe》a Department of Control Engineering, University of Sheffield, Mappin Street, Sheffield, SI, 3JD, UK Version of record first published: 01 Feb 2007.
指導教師意見
指導教師簽名：
年 月 日
開題答辯小組意見
1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實用價值；□意義不大。
2、論文的難度：□偏高；□適當；□偏低。
3、論文的工作量：□偏大；□適當；□偏小。
4、設計或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。
5、學生對文獻資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。
6、學生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
7、學生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
8、對論文選題報告的總體評價：□好；□較好；□一般；□較差
（在相應的方塊內作記號“√”）
建議結論
評議小組組長簽名：
評議小組組員簽名：
年 月 日
上海電機學院
畢業(yè)設計說明書(論文)
車削中心主傳動及進給傳動系統(tǒng)設計
作 者:
學 號：
學院(系):
專 業(yè):
指導者：
評閱者：
年 月
80
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
隨著當今工業(yè)設備對精密程度的要求越來越高，加工設備的機械加工設備的加工的精密程度也要求越來越高。而在中國的機械加工設備的車床中普通車床占了很大比例。這已經越來越制約著當今工業(yè)的發(fā)展。而數(shù)控機床由于價格昂貴，且需要較高技術的加工工人。所以對機床進行自動化很是必要。本篇論文是在對普通臥式車床的基礎上對其進行自動化。
在搜索、查閱研究大量有關資料的基礎上，對機床自動化技術進行了深入的研究和分析，并描述了機床控制系統(tǒng)的設計。整個過程主要對車床縱、X向(橫向)進給系統(tǒng)進行，選用自動轉位刀架，由脈沖發(fā)生器來加工所需要的螺紋。整個控制系統(tǒng)以SPCE061A型號的單片機為中心，通過編程對機床的驅動設備進行控制以達到所需要的加工程度。
關鍵詞： 機床 自動化機床 控制系統(tǒng)
畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要
Title General CNC transformation
Abstract
With the development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restrict the development of industrial nowadays. But the CN lathe is more expensive, and needed workers with higher technically. So it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic. This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather and modified it to Lathes automatic.
The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. The main to modify the lathe is to modify the portrait, horizontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. The whole control system with the CPU of SPCE061A is to control the machine for center, through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree.
Keywords Machinery Tool Reform Lathes automatic Servo system
目 錄
目 錄 2
第1章 緒論 5
1.1 數(shù)控技術的應用與發(fā)展 5
1.1.1數(shù)控機床與發(fā)展趨勢 5
1.1.2數(shù)控技術 6
1.1.3數(shù)控技術發(fā)展趨勢 9
1.1.4數(shù)控技術在機械工業(yè)中的進展 11
1.2數(shù)控的必要性 11
1.2.1機床與生產線數(shù)控化的市場 11
1.2.2機床數(shù)控化的必要性 12
1.3數(shù)控化的內容及優(yōu)缺點 13
1.4對我國數(shù)控技術和產業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 15
1.4.1形勢考慮 15
1.5.2發(fā)展策略 15
1.5本文的選題及主要研究內容 16
1.5.1本文的選題 16
1.5.2主要研究內容 16
第2章 車床數(shù)控設計步驟 17
2.1 車床的數(shù)控概述 17
2.1.1數(shù)控機床工作原理及組成 17
2.1.2設計內容及任務 18
2.1.3 數(shù)控部分的設計 18
2.1.4機械部分的設計 19
2.2 可行性論證 19
第3章 數(shù)控方案確定 20
3.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 20
3.2 計算機系統(tǒng) 20
3.3 機械傳動方式 21
3.4 運動方式的確定 21
3.5 系統(tǒng)的選擇 21
3.6 機構傳動方式的確定 21
3.7 微機的選擇 21
3.8 總體方案框圖 21
第4章 機械部分設計與計算(含電機計算與選擇) 22
4.1 X向(橫向)進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核實例 22
4.1.1 計算切削力 22
4.1.2 滾珠絲桿螺母副的設計、計算與選型 23
4.1.3 齒輪傳動比計算 26
4.1.4 X向(橫向)直流伺服電機的計算，校核和選型 27
5.2Z向(縱向)進給伺服系機械部分計算與校核 33
5.2.1 計算切削力 33
5.2.2 絲桿螺母副的計算和造型 33
5.2.3 齒輪傳動比計算 37
5.2.4 直流伺服電機的計算和選型 38
第5章 主傳動系統(tǒng)設計計算 42
5.1車床主參數(shù)和基本參數(shù) 42
5.2擬定參數(shù)的步驟和方法 42
5.2.1 極限切削速度Vmax、Vmin 42
5.2.2 主軸的極限轉速 43
5.2.3 主電機功率——動力參數(shù)的確定 43
5.2.4確定結構式 44
5.2.5確定結構網(wǎng) 44
5.2.6繪制轉速圖和傳動系統(tǒng)圖 45
5.3 確定各變速組此論傳動副齒數(shù) 46
5.4 帶傳動設計 47
5.5 計算轉速的計算 48
5.6 齒輪模數(shù)計算及驗算 49
5.7 傳動軸最小軸徑的初定 53
第6章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 54
6.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 54
6.2 單片機控制系統(tǒng)的設計 56
6.3 總體程序控制 59
6.3.1流程圖 59
6.3.2主程序 59
6.4 鍵盤設計 61
6.4.1鍵盤定義及功能 61
6.4.2 鍵盤程序設計 61
6.5 顯示器設計 66
6.5.1顯示器顯示方式的選用 66
6.5.2顯示器接口 67
6.5.3 8155擴展I/O端口的初始化 67
6.6 車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設計 68
6.6.1 直線插補程序設計 68
6.6.2 圓弧插補程序的設計 71
6.7 光電隔離電路 76
總結與展望 78
參考文獻 79
致 謝 80
第1章 緒論
1.1 數(shù)控技術的應用與發(fā)展
1.1.1數(shù)控機床與發(fā)展趨勢
（1）數(shù)控機床：1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。
6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
①數(shù)控（NC）階段（1952～1970年）
早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經了三代，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。
②計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應有的"通用"兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件--運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。
到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。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構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。
到了1990年，PC機（個人計算機，國內習慣稱微機）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)從此進入了基于PC的階段。
總之，計算機數(shù)控階段也經歷了三代。即1970年的第四代--小型計算機；1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC（國外稱為PC-BASED）。
還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數(shù)控（NC）。所以我們日常講的"數(shù)控"，實質上已是指"計算機數(shù)控"了。
1.1.2數(shù)控技術
隨著計算機、微電子、信息、自動控制、精密檢測及機械制造技術的高速發(fā)展，機床數(shù)控技術有了長足的進步。近幾年一些相關技術的發(fā)展，如刀具及新材料的發(fā)展，主軸伺服和進給伺服、超高速切削等技術的發(fā)展，以及對機械產品質量的要求越來越高等，加速了數(shù)控機床的發(fā)展。目前數(shù)控機床正朝著高速度、高精度、高工序集中度、高復合化和高可靠性等方向發(fā)展。世界數(shù)控技術及其裝備發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
① 高速高效高精度
高生產率。由于數(shù)控裝置及伺服系統(tǒng)功能的改進，主軸轉速和進給速度大大提高，減少了切削時間和非切削時間。加工中心的進給速度已達到80m/min～120m/min，進給加速度達9.8m/s2～19.6m/s2，換刀時間小于1s。高加工精度。以前汽車零件精度的數(shù)量級通常為10 μm，對精密零件要求為1 μm，隨著精密產品的出現(xiàn)，對精度要求提高到0.1 μm，有些零件甚至已達到0.01 μm，高精密零件要求提高機床加工精度，包括采用溫度補償?shù)?。微機電加工，其加工零件尺寸大小一般在1mm 以下，表面粗糙度為納米數(shù)量級，要求數(shù)控系統(tǒng)能直接控制納米機床。
②柔性化
柔性化包括兩個方面的柔性：一是數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計，功能覆蓋面大，便于不同用戶的需求；二是DNC 系統(tǒng)的柔性，同一DNC系統(tǒng)能夠依據(jù)不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調整，從而最大限度地發(fā)揮DNC 系統(tǒng)的效能。
③工藝復合化和多軸化
數(shù)控機床的工藝復合化，是指工件在一臺機床上裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或旋轉工作臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。已經出現(xiàn)了集鉆、鏜、銑功能于一身的數(shù)控機床，可完成鉆、鏜、銑、擴孔、鉸孔、攻螺紋等多工序的復合數(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)控技術的進步也提供了多軸控制和多軸聯(lián)動控制功能。
④ 實時智能化
早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調度任務，以確保任務在規(guī)定期限內完成。而人工智能，則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為。科學發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)與人工智能已實現(xiàn)相互結合，人工智能正向著具有實時響應的更加復雜的應用領域發(fā)展，由此產生了實時智能控制這一新的領域。在數(shù)控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展，如自適應控制、模糊控制、神經網(wǎng)絡控制、專家控制、學習控制、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)自動設定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應調節(jié)系統(tǒng)；在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態(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，從而達到最佳控制的目的。
⑤ 結構新型化
20 世紀90 年代一種完全不同于原來數(shù)控機床結構的新型數(shù)控機床被開發(fā)成功。這種新型數(shù)控機床被稱為“6條腿”的加工中心或稱虛擬軸機床(有的還稱為并聯(lián)機床)，它能在沒有任何導軌和滑臺的情況下，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和安裝工件的下平臺相連。它可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動加工，其控制系統(tǒng)結構復雜，加工精度、加工效率較普通加工中心高2～10 倍。這種數(shù)控機床的出現(xiàn)將給數(shù)控機床技術帶來重大變革和創(chuàng)新。
⑥ 編程技術自動化
隨著數(shù)控加工技術的迅速發(fā)展，設備類型的增多，零件品種的增加以及零件形狀的日益復雜，迫切需要速度快、精度高的編程，以便于對加工過程的直觀檢查。為彌補手工編程和NC 語言編程的不足，近年來開發(fā)出多種自動編程系統(tǒng)，如圖形交互式編程系統(tǒng)、數(shù)字化自動編程系統(tǒng)、會話式自動編程系統(tǒng)、語音數(shù)控編程系統(tǒng)等，其中圖形交互式編程系統(tǒng)的應用越來越廣泛。圖形交互式編程系統(tǒng)是以計算機輔助設計(CAD)軟件為基礎，首先形成零件的圖形文件，然后再調用數(shù)控編程模塊，自動編制加工程序，同時可動態(tài)顯示刀具的加工軌跡。其特點是速度快、精度高、直觀性好、使用簡便，已成為國內外先進的CAD/CAM 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Master CAM、Cimatron、Pro/E、UG、CAXA、Solid Works、CATIA等。
⑦ 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、硬件運行速度，應用平板顯示技術可提高顯示器性能。平板顯示器(FPD)具有科技含量高、質量小、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點，可實現(xiàn)超大規(guī)模顯示，成為與CRT 顯示器抗衡的新興顯示器，是21 世紀顯示器主流。它應用先進封裝和互連技術，將半導體和表面安裝技術融于一體,通過提高集成電路密度，減小互連長度和數(shù)量來降低產品價格、改進性能、減小組件尺寸、提高系統(tǒng)的可靠性。
⑧ 開放式閉環(huán)控制模式
采用通用計算機組成的總線式、模塊化、開放、嵌入式體系結構，便于裁減、擴展和升級，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有多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過程，包括諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實現(xiàn)加工過程的多目標優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實時加工過程中動態(tài)調整加工過程變量。在加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計算機實時智能技術、多媒體技術、網(wǎng)絡技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術融于一體，構成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡化。
1.1.3數(shù)控技術發(fā)展趨勢
（1）數(shù)控技術裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)(如信息技術及其產業(yè)、生物技術及其產業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產業(yè))的使能技術和最基本的裝備。馬克思曾經說過“各種經濟時代的區(qū)別，不在于生產什么，而在于怎樣生產，用什么勞動資料生產”。制造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料，而數(shù)控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(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)控技術及其產業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域:(1)機械制造技術;(2)信息處理、加工、傳輸技術;(3)自動控制技術;(4)伺服驅動技術:(5)傳感器技術:(6)軟件技術等。
（2）數(shù)控技術的發(fā)展趨勢
數(shù)控技術的應用不但給傳統(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)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(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)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面。
①高速、高精加工技術是裝備的新趨勢
效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術之一，國際生產工程學會(CIRP)將其確定21世紀的中心研究方向之一。
在轎車工業(yè)領域，年產30萬輛的生產節(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問題之一;在航空和宇航工業(yè)領域，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，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結方式拼裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
目前高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min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，己經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國CINCINNAT工公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h;德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12000r/mm
在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由l0um提高到5} m，精密級加工中心則從3}5um，提高到1一1.5}m，并且超精密加工精度已開始進入納米級。
在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值己達6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到
了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。
②智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成;為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等;簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
③數(shù)控設備更注重安全性、操作性
數(shù)控設備是集機電一體化的產品，由于其自動化程度高，所以對其安全性和可操作性有了更高的要求。
1.1.4數(shù)控技術在機械工業(yè)中的進展
近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多
的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。
2001年國內數(shù)控金切機床產量已達1. 8萬臺，比上年增長28. 5%，機床行業(yè)產值數(shù)控化率從2000年的17. 4%提高到2001年的22. 7%。
2001年，我國機床工業(yè)產值己進入世界第5名，機床消費額在世界
排名上升到第3位，達47. 39億美元，僅次于美國的53. 67億美元，消費
額比上一年增長25%。但由于國產數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達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)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。
1.2數(shù)控的必要性
1.2.1機床與生產線數(shù)控化的市場
（1）機床數(shù)控化的市場
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數(shù)控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、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床的數(shù)控化率。
（2）進口設備和生產線的數(shù)控化市場
我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術項目就有18446項，大約165.8億美元。
這些項目中，大部分項目為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。
這些不能使用的設備、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的市場。
1.2.2機床數(shù)控化的必要性
（1）微觀看的必要性
從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。
可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
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"。
可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化的基礎。數(shù)控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。
（2）宏觀看的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化的必要性。
1.3數(shù)控化的內容及優(yōu)缺點
（1）國外業(yè)的興起
在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床是個"永恒"的課題。我國的機床業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線數(shù)控的新的行業(yè)。在美國，機床業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。
（2）數(shù)控化的內容
機床與生產線的數(shù)控化主要內容有以下幾點：
其一是恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復；
其二是NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，成NC機床、CNC機床；
其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；
其四是技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新。
（3）數(shù)控中主要機械部件改裝探討
一臺新的數(shù)控機床，在設計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數(shù)控時應盡量達到上述要求。不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應對主要部件進行相應的使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的目的。
①滑動導軌副
對數(shù)控車床來說，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。
②齒輪副
一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。在結構上要能達到無間隙傳動，因而時，機床主要齒輪必須滿足數(shù)控機床的要求，以保證機床加工精度。
③滑動絲杠與滾珠絲杠
絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。
滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。
④安全防護
必須以安全為前提。在機床中要根據(jù)實際情況采取相應的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在Z向(縱向)絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。
1.4對我國數(shù)控技術和產業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解
1.4.1形勢考慮
我國是制造大國，在世界產業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，即要掌握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產業(yè)結構調整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。
我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產品都列為國家的戰(zhàn)略物質，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。
1.5.2發(fā)展策略
從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
強調市場需求為導向，即以數(shù)控終端產品為主，以整機(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等)帶動數(shù)控產業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件(數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等)的可靠性和生產規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產品;沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產品;當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調產、學、研以及最終用戶的緊密結合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標，按國家意志實施攻關，以解決國家之急需。
在競爭前數(shù)控技術方面，強調創(chuàng)新，強調研究開發(fā)具有自主知識產權的技術和產品，為我國數(shù)控產業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。
1.5本文的選題及主要研究內容
1.5.1本文的選題
用普通臥式車床去加工有時一個人加工的東西都會誤差很大，這樣給所造設備帶來很多的小問題。而如果要新買一臺新的數(shù)控車床，一是總體成本太高，因為性價比不是太高，容易浪費資源，二是建材廠沒有工人精通數(shù)控車床，所以要培訓工人一定又要花費很多時間影響生產進度。
所以設想決定對其數(shù)控，的同時讓操作人員一直在旁邊學習，學習怎么改裝，怎么安裝，并講解如何使用。
把所要加工的零件程序輸入到存儲器中，用到時直接調用即可，這樣一個人即可操作兩臺機床，而且效率提高了好大，精度也會提高很高，會為廠帶來很大經濟利益。
1.5.2主要研究內容
采用開環(huán)控制，主傳動由交流伺服電機驅動，進給傳動由步進電機驅動；微機控制，最大加工直徑為600mm；
主軸的轉速范圍為50～4000轉/min，最大切削功率為6KW,
X軸方向的脈沖當量為0.003mm/脈沖，最大切削阻力為2000N；
Z軸方向的脈沖當量為0.005mm/脈沖，最大切削阻力為2500N；
X軸的行程為350mm，X軸的最快移動速度為2000mm/min；
Z軸的行程為500mm，Z軸的最快移動速度為3000mm/min。
課題工作量要求：1、設計說明書一份（不少有1.5W字）；
2、英文資料翻譯2萬個英文字符；
3、圖紙的總工作量不少于2張A0圖紙；
4、進給系統(tǒng)裝配圖(X軸和Z軸)，圖幅不小于A1；
5、主傳動系統(tǒng)裝配圖一份，圖幅不小于A1；
6、控制系統(tǒng)圖一份(A1)及零件圖一份（A1）。
第2章 車床數(shù)控設計步驟
對于車床的經濟型數(shù)控，在考慮總體設計方案時，應遵循的原則是：在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能的少，以降低成本。
2.1 車床的數(shù)控概述
2.1.1數(shù)控機床工作原理及組成
(1) 數(shù)控機床工作原理：
數(shù)控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合要求的零件。
(2) 數(shù)控機床的組成：
數(shù)控機床主要由控制介質、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1
圖2-1數(shù)控機床的組成圖
2.1.2設計內容及任務
普通車床的數(shù)控設計內容包括：總體方案的確定和驗證、機械部分的設計計算（包括Z向(縱向)、X向(橫向)進給系統(tǒng)的設計與計算）、主運動自動變速原理及后的機床傳動系統(tǒng)圖的設計、機床調速電動機控制電路的設計。
本設計任務是對臥式車床進行數(shù)控化，實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制。利用微機對車床的Z向(縱向)、X向(橫向)進給系統(tǒng)進行數(shù)字控制，并要達到Z向(縱向)最小運動單位為0.01/脈沖，X向(橫向)最小運動單位0.005/脈沖，主運動要實現(xiàn)自動變速，刀架要成自動控制的自動轉位刀架，要能自動的切削螺紋。
2.1.3 數(shù)控部分的設計
(1) 數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。由于車床要加工復雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
(2)伺服進給系統(tǒng)的設計
數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到高的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾對加工精度的影響。但他結構復雜、技術難度大、調式和維修困難、造價高。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以直流伺服電動機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調式比開環(huán)要復雜，設計上也要有其自身的特點，技術難度較大。
開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結構簡單，易于調整，所以常用于精度要求不高的場合。
經過上序比較，由于所的車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
(3) 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計
數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。
數(shù)控裝置的設計方案通常有：
a) 可以全部自己設計制作
a) 可以采用單板機或STD模塊或工控機改制
b) 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應化改動
跟據(jù)本次設計的要求采用第一種設計方案。
2.1.4機械部分的設計
(1) 主傳動部分的設計
將原機床的主軸電動機換成變頻調速電動機，無級調速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構。后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉。
(2) 進給機構的
將原機床的掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除。Z向(縱向)、X向(橫向)進給以直流伺服電動機作為驅動元件經一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。
2.2 可行性論證
根據(jù)《自動化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術和經濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù)。同樣，在進行普通車床的經濟型數(shù)控之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。
根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經濟型數(shù)控的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產經營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產經營目標，的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，后車床的實施計劃，結論等。
由于本設計僅作為大學本科生的畢業(yè)設計，故在此，設計者僅對的投資概算作一簡要的可行性論證。
本設計是對普通車床進行經濟型數(shù)控。在設計中，采用自己設置的數(shù)控裝置，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設備費用和舊設備費用總計不會超過8萬元。因此，對普通車床作經濟型數(shù)控適合我國國情，是國內企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。
第3章 數(shù)控方案確定
3.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于后的經濟型數(shù)控車床應具有定位、直線插補、順圓和逆圓插補、暫停、循環(huán)加工公英螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用直流伺服電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.2 計算機系統(tǒng)
根據(jù)機床要求，采用16位單片機。選擇市場上常用的SPCE061A單片機。
由SPCE061A 是繼μ’nSP?（Microcontroller and Signal Processor）系列產品SPCE500A等之后凌陽 點擊此處添加圖片說明科技推出的又一款16位結構的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調試 等功能，SPCE061A里只內嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使μ’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號。因此，與 SPCE500A相比，以μ’nSP?為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識別應用領域產品的一種最經濟的選擇?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、直流伺服電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。
3.3 機械傳動方式
為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用直流伺服電機經齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的傳動精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。
3.4 運動方式的確定
數(shù)按系統(tǒng)運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于車床要加工復雜輪廓零件，所以本次設計采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
3.5 系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。經過比較，由于車床加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.6 機構傳動方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點：
(1) 盡量采用低磨擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。
(2) 盡量消除傳動間隙。例如采用隙齒輪等。
(3) 提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。可采用預緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預加負載導軌和滾珠絲杠副等。
3.7 微機的選擇
微機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲器擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分組成。
3.8 總體方案框圖
為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用電機經齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。
系統(tǒng)總體方案框圖如下：
圖3-1總體方案框圖
第4章 機械部分設計與計算(含電機計算與選擇)
4.1 X向(橫向)進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核實例
4.1.1 計算切削力
X軸方向的脈沖當量為0.003mm/脈沖，最大切削阻力為2000N；
橫切端面: 查《綜合作業(yè)指導書》P13頁
式中——車床床身上加工最大直徑橫切端面時主切削力可取縱切時的
式中 ——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）
4.1.2 滾珠絲桿螺母副的設計、計算與選型
(1) 計算牽引力
X向(橫向)進給選為三角型或綜合導軌 參考《機床設計手冊.2》6.2-2；6.2-3表
查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁
式中：，，——切削分力（Ｎ）
G——移動部件的重量（N） 表1-1查得X向(橫向)溜板及刀架重力500N
——滑動導軌摩擦系數(shù)，隨導軌形式而不同 取=0.15-0.18
K——考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù) 取K=1.15
(2) 計算最大動負載C
選用滾珠絲桿導軌 參考《機床設計手冊.3》P185-P210
查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁
式中：L——壽命，以轉為一單位
n ——絲桿轉速（r/min）
——為最大切削條件下進給速度，可取最高進給速度的1/2-1/3
取
——絲桿導程（mm） 初選=6mm
T——為使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h
——運轉系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5
(3) 螺母副的選型
查閱《綜合作業(yè)指導書》附表Ａ-2，可采用WD3006外循環(huán)墊片調整緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動負載為9700N,精度等級按表3-17選為３級。
(4) 傳動效率計算
式中：——螺旋升角，WD3006
——摩擦角取 滾動摩擦系數(shù)0.003-0.004
(5) 剛度驗算
X向(橫向)進給絲桿支承方式圖２所示，最大牽引力2087.98N,支承間距Ｌ＝350mm，因絲桿長度較短，不需預緊螺母及軸承預緊。
圖4-2
計算如下:
a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)
b) 查閱《綜合作業(yè)指導書》圖3-4,根據(jù)＝2087.98N,D=30mm查出 可算出：
c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
查圖3-5得Ｗ系列１列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
因進行了預緊
d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
采用推力球軸承5204查閱《機床設計手冊.２》表5.9-137,d=20mm,滾動體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13
綜合以上幾項變形量之和：
〈定位精度>
(6) 穩(wěn)定性校核
計算臨界負載(N)
式中:E——材料彈性模量()
I ——截面慣性矩()
L——絲桿兩軸承端距離(cm)
——絲桿支承方式系數(shù)，從表3.15中查出，一端固定，一端簡支為2.00
一般=2.5-4.0,所以>>
此滾珠絲桿不會產生失穩(wěn)。
(7) X向(橫向)滾珠絲桿副的幾何參數(shù) (見表1)
表1
參數(shù)名稱
符號
關系式
WD3006
螺
紋
滾
道
公稱直徑
30
導程
6
接觸角
鋼球直徑
3.175
滾道法面半徑
R
1.651
偏心距
e
0.045
螺紋升角
螺
桿
外徑
d
29.365
內徑
26.788
接觸直徑
26.83
螺
母
螺紋直徑
D
34.112
內徑
30.635
4.1.3 齒輪傳動比計算
已確定X向(橫向)脈沖當量，滾珠直徑導程=6mm,
初選直流伺服電動機步距角可計算傳動比:
考慮到結構上的原因不使大齒輪直徑太大，以免影響到X向(橫向)溜板有行程，故此處可采用兩級齒輪降速。
因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)````取2，有關參數(shù)參照表2
表2: 傳動齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
Z
18
45
20
32
分度圓
d=mz
36
90
40
64
齒頂圓
40
94
44
68
齒根圓
31
85
35
59
齒寬
(6-10)m
20
中心距
63
52
4.1.4 X向(橫向)直流伺服電機的計算，校核和選型
(1) 初選直流伺服電機
a) 計算直流伺服電機負載轉矩
查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁
式中: ——脈沖當量，取
——進給牽引力(N)
——步距角，初選雙拍制為
——電機—絲桿傳動效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為
b) 估算直流伺服電機起動轉矩
根據(jù)負載轉矩除以一定的安全系數(shù)來估算直流伺服電機起動轉矩(N.cm)
一般X向(橫向)進給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5
c) 計算最大靜轉矩
查表3-22如取五相十拍，則
d) 計算直流伺服電機運行頻率和最高啟動頻率
式中:——最大切削進給速度
——最大快移速度
——脈沖當量，取
根據(jù)估算出的最大靜轉矩在表3-23中查出150BFG2815最大靜轉矩為245N.cm >可以滿足經濟型數(shù)控機床有可能使用較大的切削用量，應該選用稍大轉矩的直流伺服電機，以留有一定余量，另一方面與國內同類型機床進行類