数控机床的应用与发展.docx
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数控机床的应用与发展
南通农业职业技术学院
毕业论文
课题名称数控机床的应用与发展
专业及班级数控3091
学号12
姓名姜伟国
指导老师王跃斌
2012年5月6日
数控机床的应用与发展
摘 要
电一体化产品。
它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结构，管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。
本文主要讲述了数控机床国内外的发展概况，现代数控技术的发展趋势。
介绍了数控机床的特点，组成与分类，并介绍了数控机床集计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造，是典型的机可编程控制器（PLC）在数控机床中的应用。
重点介绍了磨床的概况，以及现代数控磨床的特点，并用PLC进行了对MZ2015自动磨床电气系统的改造。
本文在编写过程中，参阅了同行的教材，资料和文献，得到了许多帮助，在此谨致谢意。
关键词：
发展趋势组成分类概述结构功能PLC改造
数控机床的应用与发展
Abstract
Thenumericalcontrolenginebedcollectioncomputertechnology,theelectronictechnology,theautomaticcontroltechnology,thesensingsurvey,themachinemanufacture,isthetypicalintegrationofmachineryproduct.It’sdevelopmentandtheapplicationfoundedthemanufacturingindustrynewtimes,changedthemanufacturingindustryproductionmethod,theindustrialstructure,managestheway,causedtheworldmanufacturingindustrythepatterntohavechanged.
Thisarticlemainlynarratedthenumericalcontrolenginebeddomesticandforeigndevelopmentsurvey,themodernnumericalcontroltechnologytrendofdevelopment.Introducedthenumericalcontrolenginebedcharacteristic,thecompositionandtheclassification,andintroducedprogrammablecontroller（PLC）inthenumericalcontrolenginebedapplication.Introducedwithemphasisthegrindersurvey,aswellasthemodernnumericalcontrolgrindercharacteristic,andhascarriedonwithPLCtotheMZ2015automaticgrinderelectricalsystemtransformation.
Thisarticleinthecompilationprocess,hasreferredcolleague'steachingmaterial,thematerialandtheliterature,obtainedmanyhelp,respectfullyoffersthanksinthis.
Keywords:
TrendofdevelopmentTexturalClassificationOutlineStructureFunctionPLCTransformation.
目 录
第一章绪论1
1.1国内外数控发展概况1
1.2数控机床发展趋势2
1.2.1高速、高效、高精度、高可靠性2
1.2.2模块化、智能化、柔性化和集成化4
1.2.3.开放性4
1.2.4.出现新一代数控加工工艺与装备5
第二章数控机床的组成及基本工作原理6
2.1数控机床组成6
2.1.1输人/输出装置6
2.1.2CNC单元6
2.1.3伺服系统6
2.1.4位置反馈系统（检测反馈系统）7
2.1.5机床的机械部件7
2.2、按控制方式分类8
2.2.1开环数控机床8
2.2.2半闭环数控机床8
2.2.3全闭环数控机床9
第三章磨床的介绍与功能改造10
3.1磨床的概述10
3.2磨床的发展动向11
3.3M1432A型磨床12
3.3.1典型加工方法12
3.3.2机床的主要部件14
3.4MK1320A型数控外圆磨床15
3.4.1机床的主要组成部件15
3.4.2机床主要技术参数16
3.4.3机床的传动系统16
3.4.4液压系统18
3.5用PLC改造MZ2015自动磨床电气系统19
3.5.1系统的硬件设计19
3.5.2软件设计20
3.5.3结束语23
第四章全文结论25
致谢....................................................................................................................................................27
参考文献28
第一章绪论
1.1国内外数控发展概况
随着科学技术和生产力的迅速发展,人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求,机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要措施之一.它不仅能够提高产品质量,生产率,降低生产成本,还能够极大地工人的劳动条件,减轻劳动强度。
早机械制造业,广泛采用了自动机床,组合机床和以专用机床为主体的自动生产线,用多刀,多工位和多面同时加工,成年累月地进行着单一产品零件的高效率和高度自动化的生产.但这种生产方式需要巨大的初期投资和很长的生产准备期,因此,它仅适用与批量较大的零件生产。
在机械制造工业中,单件与小批量生产的零件仍然占机械加工总量的80%左右,尤其是航空,航天,船舶,机床,重型机械,食品加工机械,包装机械和军工产品等,不仅加工批量小,而且加工零件形状比较复杂,精度要求也很高,好需要经常改型.如果仍采用专用化程度很高的自动化机床加工这类产品的零件就显得很不合理.经常改装和调整装备,对于这种专用的生产线来说,不仅会大大提高产品的成本,甚至是不可能实现的.市场经济体制日日成熟,绝大多数的产品都已从卖方市场转向买方市场,产品的竞争十分剧烈,迫使生产企业不断更新产品,提高产品的性能价格比,以满足用户的需要.由于这种以大批量生产为主的生产方式使产品的改型的更新变得十分困难,用户所得到的相对低廉价格的产品是以牺牲用户对产品的某些性能为代价换取的.因此,企业为了保持产品的市场份额,即使是以大批量生产为主的企业也必须改变产品长期一成不变的传统做法.这样,这种“刚性”的自动化生产方式在批量生产中也已日益暴露其不适应性。
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。
在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。
在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。
长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。
加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。
CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。
在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。
由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。
1.2数控机床发展趋势
为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：
1.2.1高速、高效、高精度、高可靠性
要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。
为此，必须要有高性能的数控装置作保证。
1．高速、高效
机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。
超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。
新一代数控机床（含加工中心）只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产率。
超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。
90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。
高速主轴单元（电主轴，转速15000～100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。
随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，应不失时机地开发应用新一代高速数控机床。
依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已达到5000米～8000米/分以上；主轴转数在30000转/分（有的高达10万转/分）以上；工作台的移动速度：
（进给速度），在分辨率为1微米时，在100米/分（有的到200米/分）以上，在分辨率为0.1微米时，在24米/分以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12米/分。
根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。
还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。
2．高精度
从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。
其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（<10nm），其应用范围日趋广泛。
超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。
随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。
新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。
当前，机械加工高精度的要求如下：
普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01～0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。
精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。
随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。
为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±3～5μm，提高到±1～1.5μm。
3．高可靠性
是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。
对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P（t）＝99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。
MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：
1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。
此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。
当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上。
1.2.2模块化、智能化、柔性化和集成化
1．模块化、专门化与个性化
机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。
为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。
个性化是近几年来特别明显的发展趋势。
2．智能化
智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：
3．为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；
4．为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，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；
5．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；
6．智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。
7．柔性化和集成化
数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：
从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、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，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。
柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。
其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成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；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。
1.2.3.开放性
为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。
1.2.4.出现新一代数控加工工艺与装备
1．为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头（有时带坐标变换）、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统；
2．FMC，FMSWeb-based制造及无图纸制造技术；
3．围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。
并联杆系结构的新型数控机床实用化。
这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域；
4．以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策系统。
对机械加工中海量信息进行存储和实时处理。
应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。
5．由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，机械加工向虚拟制造的方向发展。
第二章数控机床的组成及基本工作原理
2.1数控机床组成
数控机床由：
程序、输人/输出装置、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统、机床本体组成。
2.1.1输人/输出装置
1．对于穿孔纸带，配用光电阅读机；（过时、淘汰）；
2．对于盒式磁带，配用录放机；（过时、淘汰）；
3．对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡；
4．现代数控机床，还可以通过手动方式（MDI方式）；
5．DNC网络通讯、RS232串口通讯。
2.1.2CNC单元
CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。
CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。
其它的还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助指令信号等。
准备功能：
G00，G01，G02，G03
辅助功能：
M03，M04
刀具、进给速度、主轴：
T，F，S
2.1.3伺服系统
由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。
它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。
对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。
每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。
如三轴联动的机床就有三套驱动系统。
脉冲当量：
每一个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量。
常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。
2.1.4位置反馈系统（检测反馈系统）
伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构（工作台）的位移反馈。
包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。
（作业：
让同学们网上查找反馈元件，下节课用5分钟自述所查内容）
反馈装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。
反馈系统包括半闭环、闭环两种系统。
2.1.5机床的机械部件
1．主运动部件
2．进给部件（工作台、刀架）
3．基础支承件（床身、立柱等）
4．辅助部分，如液压、气动、冷却和润滑部分等
5．储备刀具的刀库，自动换刀装置（ATC）
置检测装置
伺服驱动及位
机床
主进辅
运给助
动运动
机动作
构机机
构构
数
控
装
置
CNC
电控制装置
辅助控制及强
程序编制
输入装置
图2.1数控机床的组成
对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统更便于实现自动化扩展，见图2.1。
2.2、按控制方式分类
实际上是按有无反馈及反馈的位置来分。
2.2.1开环数控机床
指不带反馈的控制系统，系统内没有位置反馈元件，通常采用步进电机作为执行机构。
输入的数据经过数控系统的运算，发出指令脉冲，通过环形分配器和驱动电路，使步进电机转过一个步距角，再经过传动机构带动工作台移动一个脉冲当量的距离。
移动部件的移动速度和位移由输入脉冲的频率和脉冲个数决定的，见图2.2：
图2.2开环系统
2.2.2半闭环数控机床
在驱动电机端部或在传动丝杠端部安装角位移检测装置（光电编码器或感应同步器），通过检测电机或丝杠的转角间接测量执行部件的实际位置或位移，然后反馈到数控系统中。
获得比开环系统更高的精度，但它的位移精度比闭环系统的要低，与闭环系统相比，易于实现系统的稳定性。
现在大多数数控机床都广泛采用这种半闭环进给伺服系统。
惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围内，见图2.3：
图2.3半闭环系统
2.2.3全闭环数控机床
在机床移动部件上直接接有检测装置，将测得的结果直接反馈到数控系统中。
实际上是将位移指令值与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，实时进行比较，根据其差值进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位，见图2.4：
图2.4全闭环系统
第三章磨床的介绍与功能改造
3.1磨床的概述
磨床类机床是以磨料，磨具（砂轮），沙带，油石，研磨料为工具进行磨削加工的机床，它们是由于精加工和硬表面加工的需要而发展起来的。
磨床（Grinder）广泛用于零件表面的精加工，尤其是淬硬钢件和高硬度特殊材料的精加工。
磨削加工较易获得高的加工精度和小的表面粗糙度值，在一般加工条件下，精度为IT5～IT6级，表面粗糙度为Ra0.3～Ra1.25um；在高精度外圆磨床上精度磨削时，尺寸精度可达0.2um，圆度可达0.1un，表面粗糙度可控制到Ra0.01un；精密平面磨削的平面可达1000：
0.0015。
近年来，由于科学技术的发展，对机器及仪器零件的精度和表面粗糙度要求越来越高，各种高硬度材料应用日益增多，同时，由于磨削本身工艺水平的不断提高，所以磨床的使用范围日益扩大，在金属切削机床中所占的比重不断上升。
目前在工业发达国家中磨床在金属切削机床中所占的比重约为31%～40%。
为了适应磨削各种加工表面，工件形状及生产批量要求，磨床的种类很多，其中主要类型有以下几种。
1．外圆磨床。
包括万能外圆磨床，外圆磨床，无心外圆磨床等。
2．内圆磨床。
包括普通内圆磨床，无心内圆磨床等。
3．平面磨床。
包括卧轴矩台平面磨床，立轴轴矩台平面磨床，卧轴圆台平面磨床，立轴圆台平面磨床等。
4．工具磨床。
包括工具曲线磨床，钻头沟槽磨床，丝锥沟槽磨床等。
5．刀具刃磨磨床。
包括万能工具磨床，拉刀刃磨床，滚刀刃磨床等。
6．各种专门化磨床。
它们专门用于磨削某一类零件的磨床，如曲轴磨床，凸轮轴磨床，花键轴磨床，球轴承套圆沟磨床，活塞环磨床，叶片磨床，导轴磨床，中心孔磨床等。
7．其他磨床。
如研磨床，抛光机，超精加工机床，砂轮机等。
在生产中应用最广泛的是外圆磨床，内圆磨床及平面磨床三类。
目前，数控磨床的应用也在发展。
现在磨床主要发展趋势是：
提高机床的加工效率，提高机床的自动化程度及进一步提高机床的加工精度和减小表面粗糙度值。
3.2磨床的发展动向
在工业、农业、交通运输和国防各个方面，凡要求较高的场合，都离不开自动控制。
所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。
自动控制系统性能的优劣，将直接影响到产品的产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的完成。
到70年代及以后，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，相继出现了大型多功能数控机床
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