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黑龙江工程学院专科生毕业论文

专科学生毕业论文

气动技术在数控机床中发展与应用

系部名称：

机电工程系

专业班级：

数控技术与应用07-2班

学生姓名：

？

？

指导教师：

？

？

？

职称：

讲师

黑龙江工程学院

二○一○年六月

TheGraduationThesisforSpecialist'sDegree

Pneumatitechnologyinthedevelopmentandapplicationofncmachinetools

Thename:

electricalengineeringinstitute

Professionalclass:

numericalcontroltechnologyapplicationand07-2class

Thestudent'sname:

YuSun

Teacher:

YanHongFu

HeilongjiangInstituteofTechnology

2010-06·Harbin

摘要

以数控机床为核心的现代机械制造系统具有控制规模大，自动化程度高和柔性化强的特点。

由于制造系统的结构越来越复杂、价格愈来愈昂贵，如何提高机床的利用率就成为人们所关注的问题。

随着数控机床的急速的发展，技术水平及自动化生产程度的不断提高，气动技术在数控系统中的应用越来越广泛，将会把工业发展推向新的台阶。

随着工业自动化程度的迅速提高，气动控制技术已从汽车、电子、冶金、食品加工等支柱产业扩展到其他工业领域。

气动控制技术是以压缩空气为工作介质进行能量和信号传递的工程技术，是实现各种生产和自动控制的重要手段之一。

气动控制技术不仅具有经济、安全、可靠、便于操作等优点，而且对于改善劳动条件、提高劳动生产率和产品质量，具有非常重要的作用。

气动控制在促进自动化的发展中起到了极为重要的作用，已被全球各个工业部门所接受并得到广泛应用。

随着微电子技术与气动元件相结合的应用发展及新材料的开发等，气动控制技术的应用，必将迎来崭新的时代。

关键词：

数控机床;数控系统;气动系统;气动元件;基本回路

ABSTRACT

WiththecoreofmodernCNCmachinerymanufacturingsystemwithcontroloflargescale,highautomationandflexibility.Duetothestructureofmanufacturingsystemisbecomingmoreandmorecomplex,andthepriceisexpensive,howtoimprovethemachineutilizationbecomespeopletoissuesofconcern.Withtherapiddevelopmentofncmachinetools,technicallevelandtoimprovethedegreeofautomationproduction,pneumatictechnologyinthenumericalcontrolsystemiswidelyusedintheindustrialdevelopment,willbetoanewstage.

Withtherapidincreaseofindustrialautomationcontroltechnology,pneumaticfromautomobiles,electronics,metallurgy,foodprocessingandpillarindustrywillspreadtootherindustries.Pneumaticcontroltechnologyiscompressedairasmediumforenergyandsignaltransmissionengineering,manufacturingandisoneoftheimportantmethodsofautomaticcontrol.Pneumaticcontroltechnologyhasnotonlyeconomic,safeandreliable,easytooperateetc,andtoimproveworkingconditions,andimprovelaborproductivityandqualityproducts,playsaveryimportantrole.

Pneumaticcontrolinpromotingthedevelopmentofautomationplaysaveryimportantroleinglobalindustry,hasbeenwidelyacceptedbydepartmentsandapplication.Withmicroelectronicstechnologyandpneumaticcomponentscombinedapplicationdevelopmentandthedevelopmentofnewmaterials,pneumaticcontroltechnologyapplication,willusherinnewera.

Keywords:

Numericalcontrolmachine;CNCmachinetoolCNCsystem;pneumaticsystem;pneumaticcomponentsoffundamentalcircuit;Thebasiccircuit

目录

摘要……………………………………………………………………………III

第一章绪论…………………………………………………………………1

1．1数控机床概述…………………………………………………………………1

1．1．1数控技术的发展…………………………………………………………2

1．1．2数控技术的发展趋势……………………………………………………3

1．1．3数控机床组成……………………………………………………………4

1．1．4数控机床的特点…………………………………………………………6

本章小结……………………………………………………………………………7

第二章气动技术知识…………………………………………………………………7

2．1气动技术的基本知识…………………………………………………………7

2．1．1气动技术的概念………………………………………………………7

2．1．2气动技术常用单位……………………………………………………7

2．1．3气动控制装置特点……………………………………………………7

2．1．4气动系统组成…………………………………………………………8

2．2气动元件的介绍………………………………………………………………9

2．2．1空气处理元件的介绍…………………………………………………9

2．2．2气动控制元件的介绍…………………………………………………10

2．3气动回路………………………………………………………………………13

2．3．1驱动气缸的回路………………………………………………………13

2．3．2气缸速度控制回路…………………………………………………15

2．3．3气动回路的基本回路…………………………………………………16

2．3．4气动回路应用回路……………………………………………………19

2．4气动技术的优点特点…………………………………………………………22

本章小结…………………………………………………………………………22第三章气动技术在数控中应用发展………………………………………22

3．1数控系统的分类………………………………………………………………22

3．2气动系统的分类…………………………………………………………24

3．3应用实例………………………………………………………………………25

3．3．1数控加工中心换刀系统………………………………………………25

3．3．2CA6140车床卡盘数控气动改造………………………………………25

3．3．3气动夹具在数控车床上的应用………………………………………26

3．3．4除切屑装置……………………………………………………………27

3．4数控机床使用气动技术优点………………………………………………27

3．5气动技术在数控中发展趋势……………………………………………………27

本章小结……………………………………………………………………………31

结论…………………………………………………………………………32

参考文献……………………………………………………………………33

致谢…………………………………………………………………………34

IV

第一章绪论

1．1数控机床概述

 数控技术，简称数控（NumericalControl—NC），是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。

由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerizedNumericalControl—CNC）。

为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。

用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体成为数控系统（NumericalControlSystem），数控系统的核心是数控装置（NumericalController）。

采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。

它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。

控制机床也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。

数控机床种类繁多，有钻铣镗床类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称为NC机床。

带有自动换刀装置ATC（AutomaticToolChanger—ATC）的数控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心（MachineCenter—MC）。

它通过刀具的自动交换，工件可以一次装、夹完成多工序的加工，实现了工序集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率；减少了工件安装、定位次数，提高了加工精度。

加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。

在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（AutoPalletChanger—APC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（FlexibleManufacturingCell—FMC）。

FMC不仅是现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。

FMC既是柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展速度较快。

在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）。

FMS不仅可以进行长时间的无人化加工，而且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。

随着科技发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。

将这些要求综合、构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem-—CIMS）。

CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。

在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。

计算机是集成的工具，计算机辅助的自动化单元技术是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成的产品，可以看成是信息和数据的物质体现

1．1．1数控技术的发展

从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台由电子计算机控制的三坐标立式数控铣床，到现在已走过了58年历程。

数控技术经过５０年的２个阶段和６代的发展：

第１阶段：

硬件数控（NC）

第１代：

1952年的电子管

第２代：

1959年晶体管分离元件

第３代：

1969年的小规模集成电路

第２阶段：

软件数控（CNC）

第４代：

1970年的小型计算机

第５代：

1974年的微处理器

第６代：

1990年基于个人PC机（PC-BASEO）

第６代的系统优点主要有：

（１）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到５万小时以上；

（２）基于PC平台，技术进步快，升级换代容易

（３）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；

（４）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。

近10年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。

（1）高速化

由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由3000～4000ｒ/ｍｉｎ提高到8000～10000/ｍｉｎ，铣床和加工中心主轴转速由40000～8000ｒ/ｍｉｎ提高到12000ｒ/ｍｉｎ、24000ｒ/ｍｉｎ、40000ｒ/ｍｉｎ以上快速移动速度由过去的10～20ｍ/ｍｉｎ提高到48ｍ/ｍｉｎ、60ｍ/ｍｉｎ、80ｍ/ｍｉｎ、120ｍ/ｍｉｎ在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0.5Ｇ（重力加速度）提高到1.5～2Ｇ，最高可达15Ｇ，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。

（2）高精度化

数控机床的定位精度已由一般的0.01～0.02ｍｍ提高到0.008ｍｍ左右，亚微米级机床达到0.0005ｍｍ左右，纳米级机床达到0.005～0.01μｍ，最小分辨率为１ｎｍ的数控系统和机床已有产品。

数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到１μ的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。

（3）复合加工、新结构机床大量出现

如５轴５面体复合加工机床，５轴５联动加工各类异形零件。

也派生出各新颖的机床结构，包括６轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。

采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。

（4）使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。

如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。

加工钢件切削速度能达1000ｍ/ｍｉｎ，加工铝件能达5000ｍ/ｍｉｎ。

（5）数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。

因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为２１世纪制造业发展的一个主要潮流。

1．1．2数控技术的发展趋势

现代制造业的飞速拓展和信息技术的发展应用，促使数控技术不断更新，变化日新月异，其发展的新趋势基本朝着五个大的方向：

1．高速化发展新趋势

效率是先进制造技术的主体，高速加工技术可极大地提生产高效，目前高速加工中心进给速度达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。

当今世界上许多汽车厂，包括在我国的一些汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。

美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m／min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。

2.精密化发展新趋势

高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，提高市场竞争能力。

在加工精度方面，由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题，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）。

以计算机辅助生产（CAM）系统的发展带动数控控制器的功能越来越多。

而为实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

3.智能化发展新趋势

未来的数控装备将具有一定智能化的功能，智能化内容包括数控系统中的各个方面：

如为追求加工效率和加工质量方面的智能化，加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。

4.开放化发展新趋势

数控系统开放化已成为数控系统的未来之路。

开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

它解决了传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。

美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范（OMAC、OSACA、OSEC）的研究和制定。

我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

5.网络化发展新趋势

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

近年国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都相关的新概念和样机，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC）；德国西门子（Siemens）公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

数控系统的网络化促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（RMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展。

柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及其构成的柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展。

1．1．3数控机床组成

（1）机床主体

机床主机是数控机床的主体。

它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架即自动换刀装置等机械部件。

根据零件不同的加工方式分车床、铣床、钻床、镗床、磨床、重型机床、电加工机床以及其它类型机床。

（2）数控装置

数控装置是数控机床的核心，现代数控装置均采用CNC（ComputerNumericalControl）形式，它包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盘、纸带阅读机等）以及相应的软件。

CNC装置用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

（3）输入装置

现代数控系统提供了多种程序输入方法，如通过面板人工现场输入（MDI方式）、通过磁盘驱动器输入、通过串行通讯口输入及传统的纸带阅读机输入等。

现代数控系统均配置有大容量存储器RAM来存储已输入数控系统的加工程序。

通过数控系统的显示器及键盘可现场对内存中的加工程序进行编辑与修改。

（4）伺服系统和测量反馈系统

伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。

伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。

驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机组成。

步迸电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。

测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。

（5）数控机床的辅助装置

辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括：

气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置。

（6）控制介质

现代数控机床不仅可以用CNC装置上的键盘直接输入零件的程序，也可以利用自动编程机，在机外进行零件的程序编制，将程序记录在信息载体上（如纸带、磁带、磁盘等），然后送入数控装置。

对于较为复杂的零件，一般都是采用这种自动程序编制的方法。

数控机床的构成如图1．1所示。

图1．1数控机床构成

1．1．4数控机床的特点

1）加工精度高:

数控机床是精密机械和自动化技术的综合体。

机床的数控装置可以对机床运动中产生的位移、热变形等导致的误差，通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工精度。

由于数控机床实现自动加工，所以减少了操作人员素质带来的人为误差，提高了同批零件的一致性。

2）生产较高：

就生产效率而言，相对普通机床，数控机床的效率一般能提高2～3倍、甚至十几倍。

主要体现在以下几个方面:

a.一次装夹完成多工序加工，省去了普通机床加工的多次变换工种、工序间的转件以及划线等工序。

b.简化了夹具及专用工装等，由于是一次装夹完成加工。

所以普通机床多工序的夹具省去了，即使偶尔必须用到专用夹具。

由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简化。

3）减轻劳动强度，数控机床的操作由体力型转为智力型。

4）改善劳动条件，如深扬公司的产品采用全封闭护罩,机床不会有水、油、铁屑溅出，可有效保持工作环境的清洁。

5）有利于生产管理：

a.程序化控制加工、