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数控机床的应用及维护毕业论文
中央广播电视大学人才培养模式改革和开放教育试点专科
________________________专业毕业论文（设计）
广东广播电视大学
毕业论文（设计）
题目：
数控机床的应用与维护
姓 名：
学 号：
入 学 时 间：
指导教师及职称：
所 在 电 大：
年 月 日
摘要
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：
（1）机械制造技术；
（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。
从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。
强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。
重点解决数控系统和相关功能部件的可靠性和生产规模问题。
没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。
在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。
第1章数控机床的分类
1.1按加工工艺方法分类
1.1.1金属切削类数控机床
与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。
尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。
在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。
加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。
例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。
加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。
1.1.2特种加工类数控机床
除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。
1.1.3板材加工类数控机床
常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。
近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。
1.2按控制运动轨迹分类
1.2.1点位控制数控机床
位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。
机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。
可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。
这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。
点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。
1.2.2直线控制数控机床
直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。
直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。
直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。
现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。
数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。
1.2.3轮廓控制数控机床
轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。
它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。
常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。
数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。
轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。
现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。
因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。
第2章数控机床加工工艺分析
2.1刀具材料的选择
在金属切削过程中，切削层金属在刀具的作用下承受剪切滑移而塑性变形，刀具与工件、切屑之间挤压与摩擦使刀具切削部分产生很高的温度，在断续切削加工中还会受到机械冲击及热冲击的影响，加剧刀具的磨损，甚至使刀具破损，因此刀具切削部分的材料必须具备以下几个条件。
2.1.1 较高的硬度和耐磨性
刀具切削部分的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具材料的硬度越高，其耐磨性越好。
刀具材料在常温下的硬度应在62HRC以上。
2.1.2足够的强度和韧性
刀具在切削过度中承受很大的压力，有时在冲击和振动条件下工作，要使刀具不崩刃和折断，刀具材料必须具有足够的强度和韧性，一般用抗弯强度表示刀具材料的强度，用冲击值表示刀具材料的韧性。
2.1.3 较高的耐热性
耐热性指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度及韧性的性能，是衡量刀具材料切削性能的主要指标，这种性能也称刀具材料红硬性。
2.1.4 较好的导热性
刀具材料的导热系数越大，刀具传出的热量越多，有利于降低刀具的切削温度和提高刀具的耐用度。
2.1.5良好的工艺性
为便于刀具的加工制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如刀具材料的锻造、轧制、焊接、切削加工和可磨削性、热处理特性及高温塑性变形性能，对于硬质合金和陶瓷刀具材料还要求有良好的烧结与压力成形的性能。
刀具材料的切削性能关系着刀具的耐用度和生产率，刀具材料的工艺性影响着刀具本身的制造与刃磨质量。
因此刀具材料宜选择硬度高、抗粘结性和韧性好的刀具材料。
笔者在切削参数相同的条件下，对几种材料的刀具进行了车削对比试验，，采用TiC-TiCN-TiN复合涂层刀片的外圆车刀，耐用度比较高，工件表面质量好，生产率高。
这是因为这种涂层硬质合金材料的刀片，具有更好的强度和韧性，又因其表面具有更高的硬度和耐磨性，更小的摩擦系数和更高的耐热性，而成为数控车床车削不锈钢的良好刀具材料，是加工3Cr13不锈钢的外圆车刀的首选材料。
由于没有这种材料的切断刀片，通过表2的对比试验可知，YW2硬质合金的切削性能也不错，因此可选用YW2材料的刀片作为切断刀。
2.2刀具的几何角度和结构的选取
数控机床和加工中心用刀具（简称数控刀具）在国外发展很快，品种规格已形成系列。
我国对数控刀具的研究开发起步较晚，数控刀具的开发与生产成为我国工具行业的薄弱环节，数控刀具的落后已成为影响国产和进口数控机床充分发挥作用的主要障碍之一。
目前国外设计数控刀具的方式基本上是通过直接调用已有的设计结果或经过局部修改而形成新的品种或规格。
而国内企业（包括中国第一汽车制造厂）在数控刀具设计中则大多是在商用CAD（多为AutoCAD）软件平台上由设计人员进行交互式绘图。
由于交互式绘图很难利用已有的设计结果，劳动强度大，设计效率低，难以满足实际生产需要。
因此，研究开发先进的数控刀具CAD/CAM技术，对于提高数控刀具设计、制造的质量和效率十分必要。
在CAD技术的发展过程中，参数化技术的出现是一次重要的革命。
该技术以约束造型为核心，允许工程设计人员以尺寸驱动的方式实现对设计结果的修改，非常适合于结构类似的系列化产品设计。
对于良好的刀具材料，选择合理的几何角度则显得尤为重要。
加工不锈钢时，刀具切削部分的几何形状，一般应从前角、后角方面的选择来考虑。
在选择前角时，要考虑卷屑槽型、有无倒棱和刃倾角的正负角度大小等因素。
不论何种刀具，加工不锈钢时都必须采用较大的前角。
增大刀具的前角可减小切屑切离和清除过程中所遇到的阻力。
对后角选择要求不十分严格，但不宜过小，后角过小容易和工件表面产生严重摩擦，使加工表面粗糙度恶化，加速刀具磨损。
并且由于强烈摩擦，增强了不锈钢表面加工硬化的效应T刀具后角也不宜过大，后角过大，使刀具的楔角减小，降低了切削刃的强度，加速了刀具的磨损。
通常，后角应比加工普通碳钢时适当大些。
一般车削马氏体不锈钢时，刀具前角0取10°～20°较为适宜。
后角0取5°～8°较合适，最大不超过10°。
此外，刃倾角s，负的刃倾角可保护刀尖，提高刀刃强度，一般选取0为-10°～30°。
主偏角r应根据工件的形状、加工部位和装刀情况来选择。
刃口表面粗糙度应为Ra0.4～0.2µm。
在刀具结构上，对外圆车刀采用外斜式圆弧断屑槽，靠刀尖处切屑卷曲半径大，靠外缘处切屑卷曲半径小，切屑翻向待加工表面而折断，断屑情况好。
对于切断刀，可将副偏角控制在1°以内，这样可以改善排屑条件、延长刀具的使用寿命。
2.3合理选择切削用量
切削用量对工件表面质量、刀具耐用度、加工生产率影响较大。
而切削理论认为，切削速度V对切削温度和刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，ap最小，而在数控车床上一次走刀加工的表面，其切深量ap是由工件尺寸与材料毛坯尺寸来决定的，一般为0～3mm。
难加工材料的切削速度往往比普通钢的切削速度低得多，因为速度的提高，就会使刀具严重磨损，而不同的不锈钢材料又有各自不同的最佳切削速度，这个最佳切削速度只能通过试验或查阅有关资料确定。
用硬质合金刀具进行加工时，一般推荐切削速度V=60～80m/min。
进给量f对刀具耐用度影响不如切削速度大，但会影响断屑和排屑，从而影响工件表面的拉伤、擦伤，影响加工的表面质量。
被加工表面粗糙度值不高时，f选用0.1～0.2mm/r。
总之，对于难加工材料，一般选用较低的切削速度，中等的走刀量。
第3章数控车削中圆弧的加工技巧实例
数控车床与普通车床相比具有适应性强，加工精度高，生产效率高，能完成复杂型面的加工等特点。
随着新产品的开发，其形状越来越复杂，精度要求也越来越高，无疑要充分发挥数控车床的优点。
圆弧加工就体现了数控车床的优点。
但是，在实际加工大圆弧时，由于加工工艺的选择不当或缺少辅助计算工具常常出现编程困难，重者出现异常加工误差。
对此引起了我的注意，通过长期的试切实验，证明应用下面方法在圆弧编程中思路简单，加工出的零件精度高。
下面我以几种常见零件为例与大家一起讨论。
3.1圆弧分层切削法
3.1.1圆弧始点、终点均不变，只改变半径R
在零件加工一个凸圆弧，根据过两点作圆弧，半径越小曲率越大的原则，因此在切削凸圆弧时，可以固定始点和终点把半径R由小逐渐变大至规定尺寸。
但要注意，圆弧半径最小不得小于品圆弧弦长的一半。
3.1.2圆弧始点、终点坐标变化，半径R不变
如图2所示，在零件上加工一个凹圆弧，为了合理分配吃刀量，保证加工质量，采用等半径圆弧递进切削，编程思路简单。
图2
N10G01X54Z-30F0.3;
N20G02X60Z-33R10F0.2;
N30G00X54Z-30;
N40G01X48F0.3;
N50G02X60Z-36R10F0.2;
N60G00X48Z-30;
N70G01X42F0.3;
N80G02X60Z-39R10F0.2;
N90G00X42Z-30;
N100G01X40F0.3;
N110G02X60Z-40R10F0.1;
3.1.3圆弧始点、终点坐标，半径R均变化
如图3所示，在零件一端加工一个半球，在该种情况下，走刀轨迹的半径R等于上次走刀半径R与Z（或X）方向的变化量∆Z（∆X）之差。
图3
N10G01X0Z10F0.3;
N20G03X60Z-20R30F0.2;
N30G00Z6;
N40X0;
N50G03X60Z-20R26F0.2;
N60G00Z2;
N70X0;
N80G03X60Z-20R22F0.2,
N90G00Z0;
N100X0;
N110G03X60Z-20R20F0.1;
第4章数控机床电气维修技术
数控机床的应用越来越广泛，然而我国从事数控机床电气设计、应用与维修技术工作的工程技术人员数以万计，然而由于此项技术的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素的制约，在数控机床电气维修技术方面还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。
当今控制理论与自动化技术的高速发展，尤其是微电子技术和计算机技术的日新月异，使得数控技术也在同步飞速发展，数控系统结构形式上的PC基、开放化和性能上的多样化、复杂化、高智能化不仅给其应用从观念到实践 带来了巨大变化，也在其维修理论、技术和手段上带来了很大的变化。
因此，一篇讲座形式的文章不可能把已经形成了一门专门学科的数控机床电气维修技术理论完整地表述出来，本文仅是将多年的实践探索及业内众同仁的经验总结加以适当的归纳整理，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益。
数控机床的身价从几十万元到上千万元，一般都是企业中关键产品关键工序的关键设备，一旦故障停机，其影响和损失往往很大。
但是，人们对这样的设备往往更多地是看重其效能，而不仅对合理地使用不够重视，更对其保养及维修工作关注太少，日常不注意对保养与维修工作条件的创造和投入，故障出现临时抱佛脚的现象很是普遍。
因此，为了充分发挥数控机床的效益，我们一定要重视维修工作，创造出良好的维修条件。
由于数控机床日常出现的多为电气故障，所以电气维修更为重要
4.1人员条件
数控机床电气维修工作的快速性、优质性关键取决于电气维修人员的素质条件。
1.首先是有高度的责任心和良好的职业道德
2.识面要广，要学习并基本掌握有关数控机床电气控制的各学科知识，如计算机技术、模拟与数字电路技术、自动控制与拖动理论、控制技术、加工工艺以及机械传动技术，当然还包括上节所讲的基本数控知识。
3.经过良好的技术培训。
数控技术基础理论的学习，尤其是针对具体数控机床的技术培训，首先是参加相关的培训班和机床安装现场的实际培训，然后向有经验的维修人员学习，而更重要且更长时间的是自学。
四.于实践。
要积极投入数控机床的维修与操作的工作中去，在不断的实践中提高分析能力和动手能力。
五.握科学的方法。
要做好维修工作光有热情是不够的，还必须在长期的学习和实践中总结提高，从中提炼出分析问题、解决问题的科学的方法。
六.习并掌握各种电气维修中常用的仪器、仪表和工具。
七.握一门外语，特别是英语。
起码应做到能看懂技术资料。
4.2关于预防性维护
4.2.1为了降低故障率，其工作内容主要包括下列几方面的工作。
（1）人员安排 为每台数控机床分配专门的操作人员、工艺人员和维修人员，所有人员都要不断地努力提高自己的业务技术水平。
（2）建规建档 针对每台机床的具体性能和加工对象制定操作规章，建立工作与维修档案，管理者要经常检查、总结、改进。
（3）日常保养 对每台数控机床都应建立日常维护保养计划，包括保养内容（如坐标轴传动系统的润滑、磨损情况，主轴润滑等，油、水气路，各项温度控制，平衡系统，冷却系统，传动带的松紧，继电器、接触器触头清洁，各插头、接线端是否松动，电气柜通风状况等等）及各功能部件和元气件的保养周期（每日、每月、半年或不定期）。
（4）提高利用率 数控机床如果较长时间闲置不用，当需要使用时，首先机床的各运动环节会由于油脂凝固、灰尘甚至生锈而影响其静、动态传动性能，降低机床精度，油路系统的 堵塞更是一大烦事；从电气方面来看，由于一台数控机床的整个电气控制系统硬件是由数以 万计的电子元器件组成的，他们的性能和寿命具有很大离散性，从宏观来看分三个阶段：
在一年之内基本上处于所谓“磨合”阶段。
在该阶段故障率呈下降趋势，如果在这期间不断开动机床则会较快完成“磨合”任务，而且也可充分利用一年的维修期；第二阶段为有效寿命 阶段，也就是充分发挥效能的阶段。
在合理使用和良好的日常维护保养的条件下，机床正常运转至少可在五年以上；第三阶段为系统寿命衰老阶段，电器硬件故障会逐渐增多，数控系统的使用寿命平均在8～10年左右。
因此，在没有加工任务的一段时间内，最好较低速度下空运行机床，至少也要经常给数控系统通电，甚至每天都应通电。
数控机床的电气故障可按故障的性质、表象、原因或后果等分类。
（1）以故障发生的部位，分为硬件故障和软件故障。
硬件故障是指电子、电器件、印制电路板、电线电缆、接插件等的不正常状态甚至损坏，这是需要修理甚至更换才可排除的故障。
而软件故障一般是指PLC逻辑控制程序中产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至修改PLC程序方可排除的故障。
零件加工程序故障也属于软件故障。
最严重的软件故障则是数控系统软件的缺损甚至丢失，这就只有与生产厂商或其服务机构联系解决了。
（2）以故障出现时有无指示，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。
当今的数控系统都设计有完美的自诊断程序，时实监控整个系统的软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警或者还有简要文字说明在屏幕上显示出来，结合系统配备的诊断手册不仅可以找到故障发生的原因、部位，而且还有排除的方法提示。
机床制造者也会针对具体机床设计有相关的故障指示及诊断说明书。
上述这两部分有诊断指示的故障加上各电气装置上的各类指示灯使得绝大多数电气故障的排除较为容易。
无诊断指示的故障一部分是上述两种诊断程序的不完整性所致（如开关不闭合、接插松动等）。
这类故障则要依靠对产生故障前的工作过程和故障现象及后果，并依靠维修人员对机床的熟悉程度和技术水平加以分析、排除。
（3）以故障出现时有无破坏性，分为破坏性故障和非破坏性故障。
对于破坏性故障，损坏工件甚至机床的故障，维修时不允许重演，这时只能根据产生故障时的现象进行相应的检查、分析来排除之，技术难度较高且有一定风险。
如果可能会损坏工件，则可卸下工件，试着重现故障过程，但应十分小心。
（4）以故障出现的或然性，分为系统性故障和随机性故障。
系统性故障是指只要满足一定的 条件则一定会产生的确定的故障；而随机性故障是指在相同的条件下偶尔发生的故障，这类故障的分析较为困难，通常多与机床机械结构的局部松动错位、部分电气工件特性漂移或可靠性降低、电气装置内部温度过高有关。
此类故障的分析需经反复试验、综合判断才可能排除。
（5）以机床的运动品质特性来衡量，则是机床运动特性下降的故障。
在这种情况下，机床虽 能正常运转却加工不出合格的工件。
例如机床定位精度超差、反向死区过大、坐标运行不平稳等。
这类故障必须使用检测仪器确诊产生误差的机、电环节，然后通过对机械传动系统、数控系统和伺服系统的最佳化调整来排除。
此处故障的分类是为了便于故障的分析排除，而一种故障的产生往往是多种类型的混合，这 就要求维修人员具体分析，参照上述分类采取相应的分析、排除法。
4.2.3.电气维修与故障的排除
（1）电源 电源是维修系统乃至整个机床正常工作的能量来源，它的失效或者故障轻者会丢 失数据、造成停机。
重者会毁坏系统局部甚至全部。
西方国家由于电力充足，电网质量高，因此其电气系统的电源设计考虑较少，这对于我国有较大波动和高次谐波的电力供电网来说就略显不足，再加上某些人为的因素，难免出现由电源而引起的故障。
我们在设计数控机床的供电系统时应尽量做到：
①提供独立的配电箱而不与其他设备串用。
②电网供电质量较差的地区应配备三相交流稳压装置。
③电源始端有良好的接地。
④进入数控机床的三相电源应采用三相五线制，中线（N）与接地（PE）严格分开。
⑤电柜内电器件的布局和交、直流电线的敷设要相互隔离。
（2）数控系统位置环故障
①位置单元报警。
可能是位置测量回路开路；测量元件损坏；位置控制建立的接口信号不存在等。
②坐标轴在没有指令的情况下产生运动。
可能是漂移过大；位置单元或速度单元接成正反馈；反馈接线开路；测量元件损坏。
（3）机床坐标找不到零点。
可能是零方向在远离零点；编码器损坏或接线开路；光栅零点标 记移位；回零减速开关失灵。
（4）机床动态特性变差，工件加工质量下降，甚至在一定速度下机床发生振动。
这其中有很 大一种可能是机械传动系统间隙过大甚至磨损严重或者导轨润滑不充分甚至磨损造成的；对于电气控制系统来说则可能是速度单元、位置单元和相关参数已不在最佳匹配状态，应在机械故障基本排除后重新进行最佳化调整。
（5）偶发性停机故障。
这里有两种可能的情况：
一种情况是如前所述的相关软件设计中的问 题造成在某些特定的操作与功能运行组合下的停机故障，一般情况下机床断电后重新通电便会消失；另一种情况是由环境条件引起的，如强力干扰（电网或周边设备）、温度过高、湿度过大等。
这种环境因素往往被人们所忽视，例如南方地区将机床置于普通厂房甚至靠近敞开 的大门附近，电柜长时间开门运行，附近有大量产生粉尘、金属屑或水雾的设备等等。
这些因素不仅会造成故障，严重的还会损坏系统与机床，务必注意改善。
4..2.4维修排故后的总结提高工作
对数控机床电气故障进行维修和分析排除后的总结与提高工作是排故的第三阶段，也是十分重要的阶段，应引起足够重视。
总结提高工作的主要内容包括：
①详细记录从故障的发生、分析判断到排除过程中出现的各种问题，采取的各种措施，涉 及到的相关电路图、相关参数和相关软件，其间错误分析和排除故障方法也应记录并记录其无效的原因。
除填入维修档案外，内容较多者还要另文详细书写。
②有条件的维修人员应该从较典型的故障排除实践中找出常有普遍意义的内容作为研究课题 进行理论性探讨，写出论文，从而达到提高的目的。
特别是在有些故障的排除中并未经由认真系统地分析判断而是带有一定地偶然性排除了故障，这种情况下的事后总结研究就更加必要。
③总结故障排除过程中所需要的各类图样、文字资料，若有不足应事后想办法补济，而且在 随后的日子里研读，以备将来之需。
④从排故过程中发现自己欠缺的知识，制定学习计划，力争尽快补课。
⑤找出工具、仪表、备件之不足，条件允许时补齐
结束语
我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：
第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。
在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。
第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。
在此阶段，由于改革开放和国家的
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