普車數(shù)控化改造開題講述

1、學(xué)號：2014240124西北工業(yè)大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生論文選題報告表（工程碩士）學(xué) 院 電子信息學(xué)院姓 名馬小飛工程領(lǐng)域電子與通信工程第一導(dǎo)師張怡第二導(dǎo)師報告日期2014-10研究生院西北工業(yè)大學(xué)專業(yè)學(xué)位論文選題報告要求一、論文選題1論文選題應(yīng)直接來源于生產(chǎn)實際或者具有明確的應(yīng)用背景和實用價值， 可以是一個完整的工程設(shè)計項目或技術(shù)改造項目， 可以是技術(shù)攻關(guān)研究課題， 也 可以是新工藝、新設(shè)備、新材料、新產(chǎn)品的研制與開發(fā)。2論文選題應(yīng)有一定的技術(shù)難度、先進性和工作量，能體現(xiàn)作者綜合運用 科學(xué)理論、方法和技術(shù)手段解決工程實際問題的能力。3論文形式可以是工程設(shè)計、研究論文、技術(shù)改造或工程管理。無論是那

2、 一種論文形式，論文都應(yīng)至少有局部深入的理論分析。4正式開題之前，工程碩士生在廣泛閱讀中外文獻資料的基礎(chǔ)上，深入了 解擬選課題的國內(nèi)外研究動態(tài)， 把握所選課題的目的、 意義和預(yù)期結(jié)果， 明確課 題工作的設(shè)想、方法和研究路徑。5工程碩士生所在單位應(yīng)為工程碩士生的學(xué)位論文提供必要的時間和實驗 條件等方面的保證。6. 在規(guī)定的時間內(nèi)，由所在學(xué)院確定第一導(dǎo)師和聘請校外指導(dǎo)教師（即第 二導(dǎo)師）。學(xué)生應(yīng)認真填寫論文選題報告表，并向評議小組作選題報告。報告通 過后，由指導(dǎo)教師組織論文開題并填寫論文選題報告評議表。 評議未通過者重新 開題，若第二次選題報告未通過者， 則按有關(guān)規(guī)定終止學(xué)籍。 第二導(dǎo)師應(yīng)參與指

3、導(dǎo)學(xué)位論文工作的全過程。7選題報告應(yīng)在入學(xué)后的兩年半內(nèi)完成。如有不能按期完成者，應(yīng)及時向 學(xué)院提出延期報告；8. 論文研究如果涉及保密內(nèi)容，必須同時向?qū)W校提出保密申請，并及時辦 理保密手續(xù)，過期不予辦理。辦理時間須在論文計劃表中填寫清楚。 二、填表注意事項選題報告會應(yīng)以學(xué)術(shù)活動的方式公開進行。本表可以打印或用鋼筆認真填 寫，若不夠填寫時，可另加附頁。工程碩士學(xué)位論文選題報告表2016年9月16日論文題目基于數(shù)控機床改造的機床控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)論文是否涉及保密內(nèi)容否論文類型（在有關(guān)項目 下作記號）工程設(shè)計研究論文技術(shù)改造工程管理V內(nèi)容包括：1. 國內(nèi)外研究動態(tài)；（不少于 3500字）2. 課題的

4、理論意義、實用價值和社會經(jīng)濟效益；3. 課題研究的目標、研究內(nèi)容和研究方法；4. 論文工作量的估計，關(guān)鍵技術(shù)以及所遇到的困難和問題，擬采取的解決措施。1 課題來源課題來源于作者所在的單位。該課題一方面研究如何淘汰不用的普通車床改 為數(shù)控機床，以降低機床采購成本，提高機床整體利用率。另一方面通過機床改 造可將加工效率提升3-5倍，實現(xiàn)一人多機，大大降低人工成本。2國內(nèi)外研究動態(tài)1）國內(nèi)外的數(shù)控機床研究和應(yīng)用現(xiàn)狀工業(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(yīng) 用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、

5、FMS夕卜，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推 行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS 等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用 信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的 產(chǎn)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(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn) 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(chǎn) 品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。長期以來，國產(chǎn)數(shù)控 機床始終處于低檔迅速

6、膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家 重點工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進口，技術(shù)受制于人。究其原因，國內(nèi)本土數(shù) 控機床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了 5-10年;在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達到了 10-15 年。同時我國在應(yīng)用技術(shù)及技術(shù)集成方面的能力也還比較低，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和 標準的研究制定相對滯后，國產(chǎn)的數(shù)控機床還沒有形成品牌效應(yīng)。同時，我國的 數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)目前還缺少完善的技術(shù)培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系，市場營銷能力 和經(jīng)營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識產(chǎn) 權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)少之又少，制約了數(shù)

7、控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，我國進口的數(shù)控系 統(tǒng)基本為德國西門子（SIMENS）和日本發(fā)那科（FANUC ）兩家公司所壟斷，這 兩家公司在世界市場的占有率超過 80%。在國內(nèi)尚無自主知識產(chǎn)權(quán)高端數(shù)控系統(tǒng) 替代的前提下，西門子和發(fā)那科擁有絕對的價格優(yōu)勢。加上高性能數(shù)控系統(tǒng)具有 超越經(jīng)濟價值的戰(zhàn)略意義，發(fā)達國對出口中國的數(shù)控系統(tǒng)始終有所限制，甚至像 五軸聯(lián)動以上的高性能數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品絕對禁止向中國出口。 另外，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。1、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲 線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時

8、準確地計算出 每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。2、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37倍。3、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”。4、可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。5、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。6、節(jié)省資金。機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省 60%左右的費用，大型及特殊設(shè)備 尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的 1/3。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進 行徹底改造升級也只需花費購買新機床 60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。7、性

9、能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精 度。由以上七條派生的好處如：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(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需 求作出快速反應(yīng)等等。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)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技 術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。機床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3%。我國大量的普通機床應(yīng)用于生產(chǎn)第一線， 用普通機床加工出來的產(chǎn)品普 遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨

10、期長，從而在國際、國內(nèi)市場上 缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展， 數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)等先進技術(shù)，最適宜加 工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需 要換零件加工程序，無需對機床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的 加工要求，所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功 能、高性能；另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能， 操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為 驅(qū)動元件，無檢測反饋機構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達土0.01，已能

11、滿足加工零件的精度要求。這幾年，國家加大了對這類機床的改造力度，國防科工委更是推 行了萬臺機床數(shù)控化計劃，車床、銑床的數(shù)控化改造需求量很大。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)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(shù)的不斷進步，機床改造是個永恒的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、 德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù) 控改造的新的行業(yè)。2) 目前數(shù)控化改造主要涉及以下幾個方面研究：1、數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾研究。數(shù)控系統(tǒng)主要的控制部件就是 CNC( Computernumber con

12、trol)，它是專門為工業(yè)環(huán)境設(shè)計的控制裝置，其在數(shù)控機床上起著中央控制的作用。它能對人機界面指令進行編碼處理，還能接受外部信號進行運 算，直接控制或是間接通過PLC控制伺服裝置及外的執(zhí)行裝置，并將接收外圍的 回饋狀態(tài)信號。但是，如果工業(yè)環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強烈，或安裝使用 不當，都不能保證系統(tǒng)的正常安全運行。干擾可能使NC接收發(fā)送到錯誤的信號， 造成誤動作，或使NC內(nèi)部的數(shù)據(jù)丟失，嚴重時甚至?xí)瓜到y(tǒng)失控。因此，為提高 生產(chǎn)的安全性和控制精度，消除由于干擾出現(xiàn)的故障，應(yīng)在系統(tǒng)使用時，采取有 效的抗干擾措施，保證系統(tǒng)的正常運行。對于數(shù)控系統(tǒng)本身的抗干能力的研究與 實踐，國內(nèi)外系統(tǒng)生產(chǎn)廠家均

13、已非常成熟，如日本 FANUC系統(tǒng)、三菱及德國西門 子等，國內(nèi)的廣數(shù)、華興、華中、大地等，目前對于使用方層面來講主要研究的 干擾方面如下： 電源系統(tǒng)干擾。數(shù)控機床控制系統(tǒng)的供電電源由電網(wǎng)供給，由于電網(wǎng)覆蓋 范圍廣，存在多種設(shè)備共享一個電網(wǎng)，尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，電源開關(guān)操作、 雷擊浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊 等，都通過輸電線路傳到電源原邊，使電壓暫變，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動。此外，電 源線在傳輸過程也會產(chǎn)生噪聲以及快速瞬變的脈沖串，污染電網(wǎng)。這些都會通過 輸電線路傳到數(shù)控機床控制系統(tǒng)，影響其的正常運行。據(jù)統(tǒng)計，電源的瞬時短路， 欠壓，過壓和電網(wǎng)竄入的噪聲引起C

14、PU誤動作及數(shù)據(jù)丟失占各種干擾的90%以上。 因此電源的抗干擾非常重要。 磁場耦合干擾。在大功率電動機，變壓器和有大電流通過的電線周圍都有 較強的磁場。此磁場可在場內(nèi)的導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在數(shù)控機床工作時，其 主軸電動機動作所產(chǎn)生的干擾，有可能使位控模塊中的信號出錯，存儲器內(nèi)數(shù)據(jù) 改變，導(dǎo)致伺服電動機工作失常。 漏電耦合干擾。絕緣電阻降低而由漏電流引起的干擾。多發(fā)生于工作條件 比較惡劣的環(huán)境或器件性能退化，器件本身老化的情況下。 接地干擾。數(shù)控機床控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地，屏蔽地，交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂會引起各個接地點電位分布不均，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。2、機械裝置及伺服

15、系統(tǒng)的定位精度研究。數(shù)控機床定位精度是機床的運動部 件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運動所能達到的位置精度，它與機床的加工能力密切相關(guān)。目 前國內(nèi)外在數(shù)控機床精度和定位精度的研究方面做了大量工作，然而理論成果在實際應(yīng)用中仍然存在一定的局限性。生產(chǎn)中影響定位精度的因素有很多，針對不 同機床的具體結(jié)構(gòu)，主要有半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的誤差、熱誤差以及導(dǎo)軌幾何精度 的影響等。 半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的誤差。這類伺服系統(tǒng)的位置檢測點是從驅(qū)動電機 （常 用交直流伺服電機）或絲杠端引出，通過檢測電機和絲杠旋轉(zhuǎn)角度來間接檢測工 作臺的位移量，而不是直接檢測工作臺的實際位置。由于在半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括 或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可

16、獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不 如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。另外，由于在位置環(huán)內(nèi)各組成環(huán)節(jié)的誤差可得到某 種程度的糾正，而位置環(huán)外的各環(huán)節(jié)如絲杠的螺距誤差、齒輪間隙引起的運動誤 差均難以消除。因此，其精度比開環(huán)要好，比閉環(huán)要差。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較 高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應(yīng)用。 熱誤差。數(shù)控機床熱誤差是指：機床熱變形致使機床按某種操作規(guī)程指令 所產(chǎn)生的實際響應(yīng)與該操作規(guī)程所預(yù)期產(chǎn)生的響應(yīng)之間的差異。大量研究表明，熱變形誤差是數(shù)控機床的最大誤差源，占總誤差的40% 70%，因此由熱變形導(dǎo)致的精度下降問題就顯

17、得日益突出，所以熱誤差的控制是提高精密機床特別是 精密高速數(shù)控機床精度的關(guān)鍵技術(shù)。 導(dǎo)軌幾何精度。就數(shù)控車床而言：是指機床的運動部件沿導(dǎo)軌移動時的直 線性和它與有關(guān)基面之間相互位置的準確性。也可以說導(dǎo)軌沿支撐導(dǎo)軌運動時， 其運動軌跡的的準確程度，即直線運動導(dǎo)軌的直線性和圓周運動導(dǎo)軌的真圓性。 影響導(dǎo)向精度的主要因素有導(dǎo)軌的幾何精度和接觸精度、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、導(dǎo)軌 和支承件的剛度、導(dǎo)軌副的油膜厚度和油膜剛度，以及導(dǎo)軌和支承件的熱變形等。3. 課題的理論意義由于運用普通機床加工出來的產(chǎn)品大多存在著質(zhì)量差、品種少、檔次低、成 本大、供貨期長等原因，所以普通機床的數(shù)控化改造具有相當?shù)囊饬x。首先，提 高

18、了生產(chǎn)的效率。原普通機床經(jīng)數(shù)控化改造后就可以實現(xiàn)加工自動化，工作效率 可比普通機床提高近五倍；其次，性能更穩(wěn)定安全可靠。因為經(jīng)改造的數(shù)控機床 的各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期工作，幾乎不會產(chǎn)生因力變形而影響精度；再次，可以為生 產(chǎn)廠家節(jié)約資金。普通機床的數(shù)控化改造和購買新的數(shù)控機床相比一班可以節(jié)省 一半以上的費用，從大型的和特殊的設(shè)備上更能看出；最后，對于復(fù)雜的零件而 言難度越高功效提高的越多。且可不用或少用工裝，不但節(jié)約費用還可以縮短生 產(chǎn)的準備時間。4. 研究目標1、通過研究實現(xiàn)普車到數(shù)控車床的完美轉(zhuǎn)換。2、實現(xiàn)機床兩軸聯(lián)動插補，定位精度 0.01mm。3、實現(xiàn)四工位自動換刀。4、實現(xiàn)液壓卡盤在普車數(shù)控

19、化上的應(yīng)用。5. 研究內(nèi)容1普通車床數(shù)控改造方案的確定，進行總體設(shè)計。2對普通車床數(shù)控改造進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算，包括主軸進給系統(tǒng)設(shè)計、機床縱、 橫進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計等。3. 對機床改造中的抗干擾因素進行分析研究。4. 根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的控制原理，對影響伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的因素進行分析。5. 對影響伺服傳動精度的因素齒輪傳動精度、滾珠絲杠副傳動精度等進行深 入研究，并提出相應(yīng)的改進方法。6. 研究方法針對現(xiàn)有常規(guī)C6140普通車床的缺點，提出數(shù)控改裝方案,對C6140進行機械 改造部分的設(shè)計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。采用以 FANUC 0I TC的控制系統(tǒng)對信號 進行處理，使用FANUC半閉環(huán)伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行機

20、構(gòu)，加入滾珠絲杠副實現(xiàn)縱向、 橫向的進給運動。使用變頻器實現(xiàn)主軸無極變速，另加入電動刀臺及液壓卡盤等 實現(xiàn)一系列自動化。1、根據(jù)各書本資料公式計算出該選用的各零部件，如伺服電機、絲杠螺母等 型號。2、進給箱部分：全部折除，然后安裝縱向的伺服電動機用聯(lián)軸器和滾珠絲杠 直連。滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車尾座端原來裝軸承座的部位。3、溜板箱部分：全部拆除，在原處安裝滾珠絲杠的螺母座，絲杠螺母固定在 其上。4、橫溜板部分：將原來橫溜板中的滾珠絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進 給滾珠絲杠螺母副，橫向進給伺服電動機安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠用聯(lián)軸 器直連。5、刀架部分：拆除原刀架，在該處安裝宏達自動回

21、轉(zhuǎn)四方刀架總成。&液壓卡盤：去掉原來卡盤，重新制作液壓卡盤連接法蘭及后端回轉(zhuǎn)液壓缸 法蘭，中間使用M24螺桿連接。7 論文工作的進度安排1）文獻閱讀和科學(xué)調(diào)研（2016年07月一2016年9月）對課題相關(guān)資料進行收集、優(yōu)先閱讀與本階段工作重點有關(guān)的資料；完成開題報告；完成論文大綱；2）方案論證（2016年10月一2017年01月）收集課題相關(guān)的研究資料；在大綱的范圍內(nèi)，結(jié)合有關(guān)資料，完成詳細的論文提綱；3）設(shè)計或研究階段（2017年02月一2017年04月）進一步消化、整合前階段收集到的資料；在前階段詳細提綱的基礎(chǔ)上完成論文初稿；并對系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)冋題進行研究。4) 論文撰寫(2017年05月一2017年07月)完成所有碩士論文的撰寫工作。8關(guān)鍵技術(shù)以及所遇到的困難和問題，擬采取的解決措施1) .確定數(shù)控機床的整體改造方案；通過查閱沈陽第一機床廠的 CAK6150說明 說，參照其精密數(shù)控車床，確定數(shù)控銑床的整體改造方案。2) .電氣原理圖的設(shè)計以及機械改造；參閱FANUCfe氣連接說明書及滾珠絲杠 副選型手冊。3) .PMC程序的設(shè)計以及調(diào)試；因為 FANU