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C616數(shù)控車床改造
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緒論
1.1 數(shù)控設(shè)備與技術(shù)現(xiàn)狀[1]
1.1.1 數(shù)控設(shè)備
近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)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(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。
2001年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24.06億美元，比上年增長27.3%。
近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎機(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等，出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。
1.1.2 數(shù)控技術(shù)
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，有什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)” 。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用的數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動(dòng)態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)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(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：（1）機(jī)械制造技術(shù)；（2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；（3）自動(dòng)控制技術(shù)；（4）伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；（5）傳感器技術(shù)；（6）軟件技術(shù)等。
1.1.3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
一 、戰(zhàn)略考慮
我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。我們以資源。環(huán)境、市場為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。
我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(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(huì)的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，多我國實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。
二 、發(fā)展戰(zhàn)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(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(jī)（如量大面廣的數(shù)控技術(shù)、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品；當(dāng)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(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、買得掉”為目標(biāo)，按國家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國家之急需。
在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
1.2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況[2]
1949年，美國帕森公司與美國空軍合作，研制了一種計(jì)算裝置，用于滿足日益復(fù)雜的飛機(jī)葉片的自動(dòng)加工，于是，帕森公司首先提出了機(jī)床數(shù)字控制的概念。在半個(gè)世紀(jì)里，數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了電子管數(shù)控系統(tǒng)、晶體管數(shù)控系統(tǒng)、集成電路數(shù)控系統(tǒng)到微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）四個(gè)階段。
現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的機(jī)床控制新技術(shù)，它綜合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的核心。而采用數(shù)控技術(shù)的典型產(chǎn)品——數(shù)控機(jī)床是機(jī)電工業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，是汽車、石化、電子等支柱產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要手段。
從20世紀(jì)80年代開始，我國的數(shù)控機(jī)床在引進(jìn)、消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，到1995年底，我國數(shù)控機(jī)床的可供品種已超過300種，其中數(shù)控車床占40%以上。
1.2.1 數(shù)控機(jī)床的一般原理
一 、數(shù)字控制的基本概念
數(shù)字控制（Numerical Control——NC），簡稱為數(shù)控，是一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對控制對象加以控制的一種方法。數(shù)字控制是相對于模擬控制而言的，數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制信息是數(shù)字量，而模擬控制系統(tǒng)中的控制量是模擬量。數(shù)字控制與模擬控制相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如可用不同的字長表示不同精度的信息，可對數(shù)字化信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算等復(fù)雜的信息處理工作，特別是可用軟件來改變信息處理的方式或過程，而不用改動(dòng)電路或機(jī)械機(jī)構(gòu)，從而使機(jī)械設(shè)備具有很大的“柔性”。因此數(shù)字控制已被廣泛用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的軌跡控制和機(jī)械系統(tǒng)的開關(guān)量控制，如機(jī)床的控制、機(jī)器人的控制等。
數(shù)字控制的對象是多種多樣的，但數(shù)控機(jī)床是最早應(yīng)用數(shù)控技術(shù)的控制對象，也是最典型的數(shù)控化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國際信息處理聯(lián)盟（International Federation of Information Processing——IFIP）第五技術(shù)委員會(huì)對數(shù)控機(jī)床作了如下定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號(hào)碼或其它符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。
定義中所提的程序控制系統(tǒng)，就是數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)輸入載體上事先給定數(shù)字量，并將其譯碼，在進(jìn)行必要的信息處理和運(yùn)算后，控制機(jī)床動(dòng)作和加工零件。最初的數(shù)控系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)已逐漸被淘汰，取而代之的是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical Control）簡稱CNC。CNC系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)承擔(dān)數(shù)控中的命令發(fā)生器和控制器的數(shù)控系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)可完全由軟件來確定數(shù)字信息的處理過程，從而具有真正的“柔性”，并可以處理硬件邏輯電路難以處理的復(fù)雜信息，使數(shù)字控制系統(tǒng)的性能大大提高。
二、 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成，如圖1-1所示
圖1-1 數(shù)控機(jī)床的組成
1. 信息載體
信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床加工一個(gè)零件所必需的各種信息，如零件加工位置數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)等，以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械加工。常用的信息載體有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等，并通過相應(yīng)的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機(jī)床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過竄行口將計(jì)算機(jī)上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級的數(shù)控系統(tǒng)可能還包括一套自動(dòng)編程機(jī)或者CAD/CAM系統(tǒng)。由這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)編制程序、輸入程序、輸入數(shù)據(jù)以及顯示、模擬顯示、存儲(chǔ)和打印等功能。
2. 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經(jīng)計(jì)算和處理后去控制機(jī)床的動(dòng)作。它由硬件和軟件組成。硬件除計(jì)算機(jī)外，其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)、CRT、鍵盤、棉板、機(jī)床接口等。光電閱讀機(jī)是輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序；CRT供顯示和監(jiān)控用；鍵盤用于輸入操作命令及編輯、修改程序段，也可輸入零件加工程序；操作面板可供操作人員改變操作方式、輸入整定數(shù)據(jù)、啟停加工等；機(jī)床接口是計(jì)算機(jī)和機(jī)床之間聯(lián)系的橋梁，機(jī)床接口包括伺服驅(qū)動(dòng)接口及機(jī)床輸入/輸出接口。伺服驅(qū)動(dòng)接口主要是進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)化，以及對反饋元件的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理并記錄，以供計(jì)算機(jī)采樣；機(jī)床輸入/輸出接口是用于處理輔助功能。軟件由管理軟件和控制軟件組成。管理軟件主要包括輸入輸出、顯示、診斷等程序；控制軟件包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度控制、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等部分組成。數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作可概括為：
（1）機(jī)床主運(yùn)動(dòng)，包括主軸的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向和速度選擇等 ；
（2）機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如點(diǎn)位、直線、圓弧、循環(huán)進(jìn)給的選擇，坐標(biāo)方向進(jìn)給速度的選擇等；
（3）刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償（長度、半徑）；
（4）其它輔助運(yùn)動(dòng)，如各種輔助操作，工作臺(tái)的鎖緊和松開，工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與分度和冷卻泵的開、停等。
3. 伺服系統(tǒng)
它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動(dòng)部件，它接受數(shù)控裝 ...
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