数控机床的设计精选(九篇)

第1篇：数控机床的设计范文

关键词 GPRS；监控系统

中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）84-0195-02

GPRS对于我们来说并不陌生，可是我们了解GPRS最开始是知道他是应用于手机，再后来是汽车的导航，而本文所要论述的是在数控机床上，GPRS如何去应用尤其是对于数控机床的远程监控方面。

1 GPRS设计的背景

科技的发展带动了很多行业的发展，当然也包括工业企业，数控技术作为科学技术的产物在现代企业已经有了举足轻重的作用，加快了制造业迈向数字化的脚步。众所周知，数控机床的优点是非常突出的包括工作效率非常高、精度高、操作起来非常方便等等。这样的优点使数控机床的价格始终居高不下，而且在维修是也是需要一些专业的人员去进行的，无形之中成本增加了更多。因此，只有找到一个适当的方式来对数控机床进行管理才能使得数控机床为企业创造最大的价值。

现在来看，数控机床虽然基本实现了自动控制，然而在管理方式上仍然是采用一些原始的人工来控制的方式例如在特定的实际进行上报、打电话汇报等等诸如此类的形式。这样的管理方式，最大的弊端就是由于故障出现的时候不能第一时间被发现所以使得系统运行的整体效率不能满足之前的设计，所以说原始的人工控制管理对数控机床实现灵活、集中的监控和管理起到了一定的抑制。

真是在这样的背景下，笔者受到GPRS在其它各个领域当中的应用，开发了本系统。整个系统以先进的GPRS技术为基础，融合了包括通信、计算机、远程故障诊断等目录来说最先进的技术，实现了对数控机床在管理上进行实时监控、故障的诊断以及报警等功能改变了之前数控机床的原始的人工控制，也就是说减少了人力成本的使用，而且提高了监控效率。由于这种方式当数控机床发生故障的时候可以第一时间进行诊断，从而缩减了各种故障给机床及生产说产生的一些负面的问题，也就是说可以使数控机床的使用年限延长的同时也给企业创造更多的经济价值。

2 数控机床中GPRS监控系统的设计思想

2.1 系统的整体设计

整个数控机床中GPRS监控系统的主要部分分别是GPRS网络、Internet以及数控机床监控中心以及监控终端这四大块来组成， Internet将数控机床的监控中心和GPRS网络连接起来，这样就可以将数控机床是实时工作情况传送到数控机床的监控中心，GPRS监控系统并不复杂，可是却实实在在的解决了数控机床之前无法第一时间发现和了解数控机床工作状态的问题。

2.2 各个部分的设计

下面我们就要看一些各个部分的具体设计，首先说一些数控机床的监控中心，它通过Internet上，同时采用IP+UDP协议（IP+UDP协议最大的优点是开销较小）来同GPRS实现互动和对话，将监控中心所发出的一些命令，这些命令包括实时监控、故障的诊断以及报警等等，它会以UDP数据报文的形式通过GPRS发送到数控机床的监控终端，反过来监控终端的信息同时也会反馈给监控中心；在整系统中Internet的作用是一个纽带的作用，它是将GPRS网络同监控中心连接在一起的纽带；如果是Internet的作用是一个纽带那么GPRS就是这个系统的一个通信载体，我们都知道GPRS技术目前在我国，已经广泛地被应用于整个通信领域当中，它的最大优点就是传输速率够强大，GPRS不仅仅是传输速度块而且同时具有速率传输准确两大特点这就是为什么说GPRS对于信息的传输是一个最佳的选择。整个数控机床的监控系统可以通过GPRS来实现数控机床监控中心和监控中心通过Internet来实现互传；数控机床的监控终端作为系统的一个中心，它的主要工作就是对现场数据进行采集之后传送到数控机床监控中心，另外一个作用就是对数控机床监控中心通过Internet发送过来的数据进行接收并进行相应的处理。

3 数控机床中GPRS监控系统的软件设计

3.1 系统所采用的通信协议

数控机床的监控终端和监控中心之间是以GPRS为媒介通过Internet来实现互联，以实现将数据采集之后第一时间发送到出去及时的进行处理，并且还有实现对监控中心实现远程控制。这时候就必须要有个相应的协议来实现数控机床和监控中心终端之间的有意义约定。

首先我们给所要传送的数据设定上起始和结束标志，然后在监控终端不同的监控终端设定上不同的序号，每个不同的数控机床都有不同的监控终端，也就是说这个序号就是区分不同数控机床的一个标志；控制信息是监控中心发给监控终端的控制信息；当监控中心在发现数控机床有不正常的现象时就会发出报警信息传送到监控终端；这样我们就可以结合GPRS技术通过通信协议来实现整个工厂不同的数控机床的集中管理和控制了。

3.2 系统的软件设计

监控终端和监控中心两大模块是整个系统软件模块当中最重要模块。首先我们来看一下监控中心的组成是由数据库服务器、应用服务器以及通信前置机来组合构成的，来实现一些信息之间的整体互通。所以说在计算机上分别有不同的软件来进行运行，当然还有分别为两个系统来设计不同的数据库。监控终端数控的功能是要将数据从数控机床的监控终端进行集中字一起，执行监控终端所发出的命令，将各个终端传输过来的数据进行存储已经进行必要的分析，这时候通过分析、比对就会发现数控机床的运行是够是按照既定的运行轨迹进行的，如果发现异常那么就会立刻做报警处理，并在数据库中将得到的数据进行备份处理。

数控机床监控终端的软件部分模块分别是不同信号处理和传输。数控机床的监控中心监与控终端始终是以GPRS为媒介通过Internet来相连的，监控终端对监控中心发来的数据会第一时间去分析、处理，发现有异常的时候会第一时间发出警报，同时对异常的类型发出提示。

4 结论

上面所阐述的数控机床中GPRS监控系统是以GPRS作为这个系统的一个平台，它将GPRS在数据传输上速率传输准确以及速度快的有点体现的淋漓尽致。同时将数控机床本身的特点融合在整个系统当中，使得整个系统在一些大型的工业企业当中可以被大力推广。本系统已经在一些工业企业当中被实验使用了，已经证明了这个系统的使用性和经济性。

参考文献

[1]刘利，邓志良.基于GPRS的摊铺机远程故障诊断系统[J].微计算机信息，2008，12：181-183.

第2篇：数控机床的设计范文

关键词：智能控制器 数控机床 模糊控制

中图分类号:TP273.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)05-0013-01

1、国外数控机床控制器的情况

目前国外数控机床控制器中发那科（FANUC）和西门子（SIEMENS）仍占领中高档控制器的主导地位，这两家公司在世界市场的占有率超过80%，其早期的传统式控制器（如FANUCO系列）占领了大部分市场，但近年来逐步被开放式控制器（如FANUC18i,16i,Siemens840D）取代，这类控制器结构复杂，功能强大，但价格也非常昂贵。

其次就是数控机床生产商自行开发的专用控制器，如美国的哈斯，赫克，日本的沙迪克，他们大多开发出自己的数控系统软件，移植到通过OEM贴牌定制的其它品牌数控系统上，甚至直接兼并一些小的数控品牌，从而拥有自主知识产权的专利技术，在一些特殊加工领域有其独到之处，适用于专业规模化生产中的整条流水线的集中装备。

2、相关模糊控制理论和方法

模糊控制的理论和方法从属于智能控制的范畴，其实质是一种非线性控制。模糊控制作为一种发展多年的控制技术，具有较强的系统性，并有着很广泛的应用背景。该控制理论和方法具有不依赖受控对象数学模型的特性，同时还具有设计方法简单、较强的适应应用环境的优越特点、而且具有很强的纠错能力。正是模糊控制理论的这些优点决定了其在直线电机位置控制上具有较高的可行性。

数控机床的加工对象多样，这就决定了直线电机的所驱动的有关对象也是各种各样，各具特点。所以说在直线电机的选择上，以及相关的要求方面也不尽相同。因此对于模糊控制器的类型、量化因子、隶属度函数、控制规则、论域也有着不同的要求。

在本文中，以在高精数控机床中应用较多的西门子（SIEMENS）厂家生产的直线电动机为主要的研究对象，在设计的过程中，把传统的PID控制与模糊控制相结合，并把这一设计应用于直线电机位置伺服系统，从而达到缩短反应时间、精确定位、抗干扰和扰动的目的，并对模糊控制应用于高档数控机床的可行性进行了进一步的验证。

3、数控机床常用的伺服电机

直线交流伺服电机往往具有耦合，非线性负载扰动，随时间变化的不确定性等特点，所以对于直线交流伺服电机而言也就难以建立精确的数学模型，采用常规PID控制器是难以达到所需的控制效果，通过负载26千克、20公斤、12公斤步骤响应曲线对比可以看出，当负载的增加，对原有系统的响应速度慢，易出现过冲。精密数控机床是不允许过冲发生，该产品将成为次品。

在数控机床控制系统中，直线伺服系统所应用的驱动电机主要分为永磁直线电机，以及直线感应电动机，这两种电动机在实际应用过程中各具优点，随着材料学研究的不断深入，尤其是随着铁硼等具有高矫顽力和高磁能积磁性材料的出现，永磁直线电机的性能得到了大幅改善，这也就决定了直线伺服单元的驱动越来越适合应用于直线伺服系统。

4、自调整位置比例增益kp的模糊控制器设计

在经过Simulink对控制器进行仿真，我们可以从中发现，对系统性能影响较大的是系统控制器中的参数-位置调节器比例增益kp，因此我们需要首先对调整位置比例增益kp进行设计，从而完成整个模糊控制器的设计工作，这样就可以大大改善系统性能。

在系统中应用模糊理论建立位置比例增益变化Δkp与控制偏差e和偏差的变化率ec间的二元关系是模糊自整定位置调节器比例增益控制器的特点,在这一控制器中，在建立二者关系后，根据输入e和ec自整定控制器的参数Δkp再用Δkp来修正kp。在机床的实际应用过程中,模糊推理过程主要还是通过查表来实现的。

自适应模糊控制器采用e和ec为输入语言变量Δkp为输出语言变量,Δkp，e和ec、的论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，模糊集均为{PS,PM,PB，NB,NM,NS,ZO,},,所使用的隶属函数均为三角函数。针对不同的控制偏差e和偏差的变化率ec,归纳出Δkp的整定原则:

当|e|较大时,为使响应尽快接近给定值,|Δkp|也相应大些。并且在同样大小的e时,若ec越大,则|Δkp|应越小。

当|e|较小时,为避免出现超调,|Δkp|取0或较小值。

当e

当e>0时，说明给定大于响应，Δkp取正值。

当e=0时，Δkp为0。

模糊控制系统应用于系统后，响应速度更快，不容易产生过控问题。负载18公斤，传统的控制系统会出现较大的超调，模糊控制并没有出现有关问题。精密数控机床是不允许超调的发生，如果出现了超调，该产品将成为缺陷产品。模糊控制的稳态误差比传统大，在进行了相关分析后，我们发现这一问题的出现主要是为了获得较大的负载，并使其不超过超调，在设置集模糊规则是，以便加载大，反应仍然没有出现过冲时，把误差为PS时,kp设置为ZO或PS,相对应的kp值较小,稳态误差自然也就比较大。

第3篇：数控机床的设计范文

【关键词】可靠性；数控；PLC；PID

【中图分类号】TP27【文献标识码】A【文章编号】1008-1151(2015)09-0079-02

【作者简介】韦艳珍（1971－），女，广西柳州人，广西大学在读硕士，从事自动控制领域研究

1前言

近年来，我国数控系统产业发展迅猛，系统功能多方面取得突破，在国际竞争中低端数控系统市场占有率上升明显,但纵观10年来的发展，高档数控系统市场仍然被日本、欧美等国家控制，在控制精度、速度、加工工艺、数控系统可靠性等方面与国外数控系统相比仍有很大差距。其中，可靠性问题是突出明显，已经成为制约我国高端数控机床发展的关键瓶颈。数控系统的可靠性是关系到数控系统性能的一个重要指标。目前针对数控系统可靠性的设计研究有很多，然而绝大多数针对数控系统的研究往往是以一些具体的应用目标，或典型的数控系统为研究对象。其所开发设计的数控系统可靠性设计方法和技术往往不具备通用性，也不能够为系统的可靠性设计提供一个完整全面的设计方法和流程。本文针对数控机床可靠性设计的应用需求，构建了一套完整的高可靠性数控机床设计方法和流程。

2可靠性数控系统设计

高可靠性数控机床设计步骤包括功能分析、功能组合及切分、专用芯片设计、干扰划分、抗干扰设计、布线规划、重新布线以及铺设屏蔽。本文设计的这种高可靠性数控机床设计方法，涵盖了数控机床可靠性设计的多个环节，能够全面的提高数控机床的可靠性。数控机床的主要组成部分包括CPU模块、位置控制模块、存储模块、PLC模块、接口模块、电源模块、图形显示模块等关键部件。要提高数控机床的可靠性能，在功能设计方面要尽可能多的将多个功能模块融合在一起，将融合到的功能模块描述结果进行切分，形成颗粒度更大的少量几个功能模块单元。合并后的每个功能单元采用专用芯片进行设计，在进行实现时可以先用可编程逻辑器件进行仿真，再用专用芯片完成最终设计。干扰划分为用户针对数控机床各功能模块所实现的功能进行干扰分析及划分，将该数控机床功能模块组成结构中所有可能产生干扰的部分进行划分和提取。布线规划为对各功能模块之间的连线进行布线规划，按照布线规划的详细约束及流程完成布线规划及调整。重新布线功能模块负责完成对各功能模块连线进行重新布线完成布线的具体实施。铺设屏蔽主要包括铺设安装屏蔽外壳，铺设电磁屏蔽网手段实现。上述所述布线规划具体布线原则和方法分为三步进行：首先对待布线区域的逻辑单元进行分析，将所有的供电线独立出来，采用单独布线的方式完成供电线的布线；其次，分析布线的逻辑单元中的动力线和信号线，将所有的动力线和信号线进行分离，分两个部分进行布线；最后，再对所有的信号线再次进行处理，所有的信号线都按照绞合的方式进行布线。完成信号线的布线之后，对地线进行布线，在布线规划中，地线分为三类信号地、框架地和系统地；其中信号地直接连接0伏的电压，框架地的布线全部连接在设备的外壳上，系统地通过一个电阻连接在配电盘地线上，其电阻阻值小于100欧姆，系统地的连接电缆截面大于或等于供电电缆的截面。

3可靠性数控系统的实现

3.1数控机床PLC模块可靠性的实现

PLC具有较强的抗干扰能力和准确的精度，把它应用到数控机床领域有比较明显的优势，它可以大大提高数控机床的操作性和控制性能。下面可以通过工作环境、数控机床电气改造、控制电路等方面对数控系统PLC的可靠性进行改造与优化。首先，对PLC工作环境进行高要求的控制。数控系统PLC控制部分工作环境温度控制在0度到50度之间，PLC控制器要避免阳光直射，在安装的时候，避免有振动的干扰，尽可能的远离发热物体，保持良好通风条件和散热的空间，环境相对湿度维持在90%以下，确保PLC具有良好的绝缘性能。其次，按照国家电气标准要求，做好数控机床PLC的接地工作。PLC控制器的接地分工作接地和安全接地两种。其中，前者主要是PLC控制模块设备本身的外壳的接地连接；后者则是为了确保PLC的操作人员的操作安全进行的接地工作。为了保证PLC能够正常运行，对PLC设备上极其容易发生触碰的地方以及接地电位连接要严格按要求设计，采用专用接地的方式，采用直径大于6mm导线，小于10欧姆电阻进行接地线，构建安全、良好的接地系统。最后，通过软件设计，控制PLC系统的输入模拟量和数字量等信号，设置专门定时器，监控PLC运行状况，提高输入电路的元器件的可靠性，从而提高PLC控制系统的工作性能。

3.2基于体系结构的数控系统软件可靠性分配

当前，数控系统高速高精化和智能化已经成为趋势，数控系统的功能越复杂、越强大，软件的设计复杂度也在不断扩大，软件的可靠性就难以得到保证。因此，在设计过程中，我们必须对数控系统各个组成部分进行区别对待。通过引用组件技术方式，对数控系统软件体系进行建模，根据建立的数控系统软件体系结构，在各功能组件间进行可靠性指标调配。具体方法如下：首先，根据功能特点，认真分析数控系统的硬件与软件的组成结构，重新构建数控系统的体系结构。为了便于可靠性调配，把数控系统软件分即中断型和前后台型两种。中断型数控系统按级别高低不同设置中断程序，数控系统整体由一个大的中断服务程序组成，通过管理每个中断程序完成数控系统整体运行。前后台型数控系统由前台程序和后台程序组成。前台程序具有位置控制、逻辑计算、插补等功能，作为中断程序实现数控系统的实时功能。后台型程序通过循环方式完成系统译码、计算、管理等功能。其次，通过组件技术，完成数控系统软件体系结构建模。组建具有即插即用、标准化、接口为交互等特点，为软件间进行交换提供标准，能够根据用户需求，利用来自不同厂商的组件搭建自身应用程序，大大减少用户对特定数控系统厂商的依赖性。数控系统软件由彼此独立各个功能模块组成，通过组建方式可以满足数控系统软件各功能间的关联和协作需求。最后，构建数控系统目标函数，根据实用性要求，对数控系统软件体系结构进行分层，采用AHP方法各层元素相对权值，通过文化算法求出不同组件的分配值，完成功能组件的可靠度和费用函数的可靠性分配。

3.3基于故障率的数控系统软件可靠性实现

软件是数控车床的主要组成部分，可靠性是软件体系结构的核心。要完成数控车床的软件可靠性设计，必要利用正确的数学算法搜集的软件故障数据，对故障进行分类，以代码的方式表示预处理组件故障和实时处理组件故障，对它们进行进行分析和处理，从而方便预测以后可能发生故障的概率。引进BP神经网络算法，构建数控系统软件可靠性预测模型，根据数控车床软件故障的特点，根据预先设计的数控系统软件故障周期，对BP神经网络进行训练，收集软件故障的分布规律，从而可以找出软件的设计缺陷，为以后的系统优化和更新提供可靠的依据。

4系统性能分析

本文研究的目的是为数控机床的设计提供一种高可靠性的设计方法，并明确数控这种高可靠性数控机床设计的详细流程，以及每个实现环节中的具体实现方法。本文提出的控制系统相对于传统的控制系统具有以下几个方面优势：

（1）大幅度提高数控机床的可靠性：数控机床可靠性设计流程，涵盖了数控机床可靠性设计的多个环节，能够全面的提高数控机床的可靠性。

（2）提高了数控机床可靠性设计流程的科学性，本设计的数控机床设计方法对数控机床的详细设计和实现流程进行了科学合理的规划，提高了数控机床设计过程中各环节的衔接合理性，进一步提高了数控机床可靠性设计的科学性。

（3）所设计的数控机床可靠性设计方法，宜于操作和实现，尤其是专门设计的布线规划既容易实现，也能够得到较好的可靠性设计效果。

5总结

可靠性是数控机床固有的特性，它意味着数控系统设计的目标能够满足用户的要求。数控机床的可靠性涉及硬件和软件方面的领域，本文所提出的方案更多的偏重数控系统软件方面。为提高数控系统软件可靠性，文本对PLC模块的进行详细的设计，对软件故障分析技术进行了初步的探讨，尽可能完善软件可靠性设计方法。由于篇幅有限，论文未能对软件可靠性分配、数控系统软件故障定位、核心模块软件故障预测等方面进行深入的研究，无法为软件缺陷、系统潜伏故障的排除提供更为精确的方法和依据。今后，将根据数控机床运行过程中出现的干扰和故障进行及时的分析，在满足用户需求、降低成本同时，还能保证系统的可靠性水平。

参考文献

[1]冯玉英.提高数控机床PLC可靠性的方法[J].质量与安全,2015,(11):58-59.

[2]杨志波,林浒,陶耀东.数控装置可靠性预计方法的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2011,(1):1-4.

[3]刘恒.一种高可靠性数控机床设计方法:中国,CN103745045A[P].2014-04-23.

第4篇：数控机床的设计范文

【关键词】数控；控制器；系统；效率；质量

中图分类号： S611 文献标识码： A

现在的数控机床由于在汽车、国防、航空、航天等工业的广泛应用，数控机床加工的高速化业发展很快。近年来，数控机床主轴转速已翻了几翻。2O世纪8O年代中期，中等规格的加工中心主轴最高转速为4000～6000RPM，90年代初提高到8000～12000RPM。到9O年代末，主轴转速在20000 RPM以上的已不鲜见，有的已经达到40000 RPM，有的主轴最高转数已经达到了3O00r/s，即180000RPM。智能化是2l世纪制造技术发展的一个总的方向，所渭智能加工就是基于网络技术，数字技术，电子技术和模糊控制的一种加工的更高级形式。智能加工是为了在加工过程中模拟人类智能的活动，以解决加工过程中许多不确定性因素，并利用人类智能进行预见及干预这些不确定性，使加工过程实现高速安全化。

一、数控机床组成结构及工作过程

（1）数控机床的组成。数控机床由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床本体等组成。（2）装置过程。输入设备是将不同的加工信息传输给计算机处理。由于数控机床发展早期阶段，输入设备是一个简单的穿孔纸带，目的是记录信息数据，现已淘汰。数控机床设备是机床本体的核心，核心时的数据处理全部完工后，可以运行命令指挥数据的工作。其功能是接收送来的脉冲信号的，通过系统软件或逻辑的过程中，执行各个部分进行规定的、有序的动作。主轴控制可编程控制器是通过命令处理控制转速，控制主轴正反转和停止，进给保持，切削液开关，卡盘夹紧松开等动作;还涉及了关于机床开关外部控制。测试反馈装置，主要是检测速度和位移，并将信息传递给数控设备，实现闭环控制的反馈，以确保数控加工精度。（3）合理的安排。数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制及使用方法等。首先要由编程人员或操作人员通过对零件图作深入分析，特别是工艺分析，确定合适的加工工艺，其中也包含了装夹方法的确定、工序划分、走刀路线及其切削用量的选择等。

二、机床数控系统需要解决的几个问题

机床是由机械和电气两部分组成，在设计总体方案时应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方案，数控机床的机械要求和数控系统的功能都很复杂，所以更应机电沟通，扬长避短。机床控制系统选件、装配、程序编制及操作都应该比较合理，精度和稳定性都必须满足使用要求。同时为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及开关等。

在实际控制中如何既能提高定位速度，同时又能保证定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。

三、机床定位伺服控制系统分析

1 浅谈数控机床

数控机床是一种高效率，高精度的自动化现代化设备，提高数控机床的可靠性，安全性已变得非常重要。可靠性评估主要指标之一是可靠性。机床功能部件对数控机床的性能和功能有拥有开拓的非常重要的作用。

2 单步功能

单步动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。机床的机械允许界限和实际加工要求的选择决定于伺服系统最高速度，速度提高生产率也提高，但对驱动设施要求也就提高了 。

四、 PLC程序设计与操作

随着计算机技术的发展，可编程序控制器（PLC）的功能越来越强，使用越来越方便；但是，如果PLC的工作环境过于恶劣，如温度过大、振动和冲击过强，以及电磁干扰严重或安装不等，都会直接影响整个控制系统的正常、安全和可靠运行，加上电路的抗干拢措施不力，而使整个控制系统的可靠性大大降低，甚至出现故障。因此，PLC系统的抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。工业PLC控制系统的设计必须从硬件和软件两方面把可靠性放在第一位。

PLC控制系统通常由PLC和生产现场设备组成。PLC包括中央处理器、主机箱、扩展机箱及相关的网络设备与外部设备；生产现场包括继电器、接触器、各种开关、极限位置、安全保护、传感器、仪表、接线端子、电动机、电源线、地线、信号线等。

在PLC控制系统故障中，PLC的故障仅占系统故障的5%。PLC控制系统的故障主要发生在生产现场设备中，通常占系统故障的95%。与PLC相接的输入、输出设备的可靠性是影响PLC控制系统可靠性的主要原因。

PLC控制系统可简单划分为三部分：发讯元件(输入部分)、记忆网络(程序部分)和电气执行元件(输出部分)。对于用继电器控制的系统，影响系统可靠性的主要因素是中间继电器组成的记忆网络。对于PLC控制系统，高可靠性的PLC取代了中间继电器组成的记忆网络，克服了机械动作式中间继电器可靠性不高的固有毛病，使系统可靠性大为提高。此时，与PLC自身的安全性与PLC输入、输出连接的"发讯元件"和"电气执行元件"的可靠性，己变成影响整个电气系统可靠性的主要因素。提高"发讯元件"和"电气执行元件"可靠性的同时，也就提高了PLC的安全性，通常有两种方法：一种是选用高质量的元器件；另一种是对这些故障率较高的元器件进行状态检测和故障诊断，但都受硬件条件和经济条件的影响而限制了应用范用。

PLC具有丰富的软元件(如内部计时器、计数器、辅助继电器等)，因此可以利用它来设计一些程序，屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作。最实用的方法有(l)采用软硬件互锁设计，防止误发讯和误动作；(2)在输入输出端提高配线的可靠性，提高PLC的安全性。 PLC通过编程器输入程序，达到控制目的。由于PLC的工作过程是循环性的，因此会快速的执行程序。另外针对软件故障，必须在设计上采用直接导入程序，执行自动停止运行，这时机器会停止运作程序，有效地减少事故的发生。

小结

我国目前对数控技床的需求日益增加，国内市场的需求量很大，所以我国机床企业必须奋发图强，不断扩大技术队伍和提高人员的技术素质，学习和引进国外技术的先进科学技术，以便早日赶上世界先进水平。

参考文献

[1] 戴 同.CAD/CAPP/CAM基本教程.机械工业出版社.1997.4

[2] 薛劲松 宋 宏等.CIMS的总体设计.机械工业出版社.1997.4

[3] 数控加工编程的理论基础.刘雄伟.机械工业出版社.2000

第5篇：数控机床的设计范文

设计夹具前,需要确定加工时使用的定位基准。通过图纸分析出设计基准,明确产品需要加工的部位,这些加工部位相对于设计基准都有尺寸和形位关系,如位置度、垂直度或平行度等。设计基准可能不止一个,只有先加工出确定某一部位位置的设计基准才能以该设计基准作为定位基准加工这个部位,这样才能满足图纸上要求的各加工部位与设计基准间的形位和尺寸关系,加工出质量合格的产品。由此分析知,工件定位基准与工件设计基准其实是一个部位,即基准重合的原则。加工设计基准往往是工艺的最先工序,选择毛坯的外形或毛坯孔作为定位基准先加工,然后将设计基准变为夹具定位基准进行各部位的加工即基准统一原则。也可以先加工与设计基准有尺寸及形位关系的某一部位,然后以该部位作为定位基准加工设计基准,最后再以加工好的设计基准作为定位基准加工其余部位,即互为基准原则。

分析出工件加工时采用的定位基准,就可以开始确定夹具的结构方案。通常夹具是由定位元件、夹紧装置、对刀引导装置及夹具体组成。定位元件如支承钉、支承板、V形块、定位销等用以确定工件在夹具中的位置,使工件在加工时相对于刀具及切削成形运动处于正确的位置。工件加工时会受到切削力等外力作用而产生移动无法加工,同时为防止工件振动,工件在夹具上定位后还需要通过夹紧装置将工件固定。无论是定位元件还是夹紧装置都是通过连接件如螺栓、键及定位件如定位销等将其固定在夹具体上,而夹具体一般是设计成一块平板或T形板的样式。对刀引导装置是确定夹具相对于刀具的位置或引导刀具进行加工,如对刀块、钻套、镗套等,由于数控机床中一般配有接触式测头、刀具预调仪及对刀部件等设备,同时由程序控制的准确的定位精度,因此数控机床中的夹具不需要对刀引导装置,只要求有定位和夹紧的功能,如加工一组孔,孔的位置已经在程序中确定,加工时刀具直接按程序要求的各参数运行,因此数控机床夹具比普通机床夹具的结构要简单,制造费用减少了,节约了成本。

与普通机床相比数控机床的夹具有很多优点,其中最主要的是提高了加工效率,数控机床如加工中心因为自带有自动换刀系统,刀具库中可以存放各种不同类型的刀具如钻头、铣刀,加工时若工件某一部位需要先铣后钻的可以将在普通机床如钻床、铣床上加工部位合并到一台数控机床上用同一个夹具上加工,这样只需一套夹具,节省了成本。如下图1所示夹具,在这道工序中即有铣面又有钻孔。因为加工中心用程序控制不同刀具,夹具结构可以不用对刀装置结构相对简单,根据需要还可以将不同工序的夹具放在一起同时加工,前道工序的工件加工完后装到下道工序的夹具中,同时向前道工件的夹具装入下一个工件,这可以通过编程实现。一般在普通机床上如钻床,夹具一次加工一个工件,而在加工中心中可以设计成能加工多个工件的夹具。如图2所示,一个夹具同时固定两个相同的工件;还可以在工作台上放置一个工件两道工序的夹具同时加工。

通过以上概述,数控机床夹具能适应数控机床的高精度、高效率、多方向同时加工及单小批生产的特点。

参考文献

第6篇：数控机床的设计范文

关键词：数控机床；防护；人机工程学

1.数控机床操作站的人机工程学

1.1 对数控机床的操作，主要是通过操作站发送指令信息来操纵数控机床及监视数控机床执行指令的情况。数控机床的操作站分为悬挂式、立柱式、镶嵌式、独立式四大类型。对于操作站位置的设计要符合人机工程学的设计要求，要考虑操作者的视野和视距的限制。在水平面内的视野是：双眼视区大约在左右60°以内的区域，在这个区域里还包括字、字母和颜色的辨别范围，辨别字的视线角度为10°-20°；辨别字母的视线角度为5°-30°，在各自的视线范围以外，字和字母趋于消失。对于特定的颜色的辨别，视线角度为30°-60°。人的最敏锐的视力是在标准视线每侧1度的范围内；单眼视野界限为标准视线每侧94°-104°。

1.2 在垂直平面的视野是：假定标准视线是水平的，定为0°，则最大视区为视平线以上50°。和视平线以下70°。颜色辨别界限为视平线以上30°。，视平线以下40°。实际上人的自然视线是低于标准视线的，在一般状态下，站立时自然视线低于水平线10°，坐着时低于水平线15°；在很松弛的状态中，站着和坐着的自然视线偏离标准线分别为30°。和38°。观看展示物的最佳视区在低于标准视线30°的区域里。

1.3 视距是指人在操作系统中正常的观察距离。一般操作的视距范围在38.76cm之问。 视距过远或过近都会影响认读的速度和准确性，而且观察距离与工作的精确程度密切相关，因而应根据具体任务的要求来选择最佳的视距。

1.4 多数操作站（独立式操作站除外）一般都放置在数控机床拉门的右侧。这是因为数控机床的拉门多数是向右侧推拉或是门，操作站放置在拉门的右侧符合多数操作者的动作习惯。对于悬挂式、立柱式和镶嵌式的操作站的高度的设计要满足人体站姿的视野和视距的参数，而对独立式操作站要满足人体坐姿的参数。这样安置操作站可以提高操作者的工作效率，也体现了与人为本的设计理念。

2.数控机床人机界面设计

数控机床的人机界面设计包括显示系统、操作系统及辅助系统，其中显示装置主要包括显示屏，操作系统包括按钮、旋钮、手柄等，辅助装簧包括工作台、安全防护罩等。对操作者而言，机床的人机界面可以分为三个区：监控区、操作区、工作处理区。监控区是显示比较集中的区域，操作区是人完成主要操作的区域，工作处理区是装卸工件的区域。这三个区在结构、功能上构成相对独立的单元，监控区和操作区组合为一个单元，成为控制区，集成在一个控制面板中。

3.数控机床显示系统

在数控机床上采用的显示器是视觉显示器。现在液晶屏逐渐代替了传统的阴极射线显示器了，液晶显示器体积小，重量轻，占用空间小，在高级的数控机床上都采用的是液晶屏，缺点是造价高，维修难。显示器是人了解数控机床运行状况而作出判断的前提之一。显示器所显示的信息要为人所观察，而人的眼高是在一定的范围的高度上的，因此，显示器的位置要根据人的眼高来确定，以保证数控机床的操作者都能准确的获取显示信息。那么，人眼的高度和对可视范围的要求就是显示器位置设计的基本前提，显示器的安放高度选择就要根据人机工程学中的产品设计中人体尺寸数据的应用原理来确定，产品最小功能尺寸是相应百分位数的人体尺寸与功能修正量之和。站立式观察的数控机床显示器中心距离地面的高度根据人机工程学的理论应设定在上限为1685mm，下限为1387mm的范围内。同理，可知坐姿式观察的数控机床显示器的高度。

4.数控机床操作装置的人机工程学

数控机床的自动化程度越高，人的操作活动就越少，也就更加强调使用的方便性和舒适性。对于数控机床的操作者而言，数控机床的操作活动主要集中在显示控制区和工 件处理区。在工件处理区，人主要进行工件的装卸操作。人的其他各种尺寸也会对数控机床的可操作性有着不同的影响作用，例如，操作者在进行装卸工件或操作数控面板时，人的脚会很容易就碰到机床的床脚，设计时为人的脚留出应有的空间；当操作人员要进行机床维修的时候，给操作人员维修所提供的足够的维修空间。

5.观察床设计的人机工程学

对于全封闭防护的数控机床，观察窗的设置是十分必要的。观察窗的作用主要是操作者可通过它对加工工件和机床的运动进行观察。观察窗的设计主要以人的眼高为依据，以方便操作者观察为前提。不同类型的机床的观察窗由于功能的差异，其尺寸大小差别较大。根据视距推荐数据表的立姿人体的眼高尺寸和水平、垂直视野数据，可确定观察窗的最小高度和宽度尺寸。

式中：为观察窗的最小宽度尺寸，单位为mm；

为操作者视距观察窗的距离，单位为mm；

为水平视野的角度，单位为°。

根据抽样调查，将设定为250mm，根据人的水平视野数据可知，观看展示物的最佳视线在标准视线30°的区域内，所以的值为30°。

同理可知：

式中：为观察窗的最小高度尺寸，单位为mm

为操作者视距观察窗的距离，单位为mm；

为垂直视野的角度，单位为°；

根据抽样调查，将设定为25mm，由垂直视野数据可知，观看展示物的最佳视线在低于标准视线25°和°的区域内，所以的值定为25°和°

由上述公式可知，对于全封闭数控机床的观察窗自身的最小高度和宽度尺寸分别为260mm和289mm。

6.结语

从以上的分析中，可以看出人体各部分的基本测量尺度是决定安全性措施设计的前提。人的安全是对人的首要的关怀，同时也是“人一数控机床一环境”这个系统的发展的基本保证。

第7篇：数控机床的设计范文

一、引言

数控机床是现代制造系统的基本装备，是科技含量很高的工作母机。数控机床作为一种结构复杂的先进加工设备，在现代机械加工中处于比较重要的地位，为机床用户带来了巨大的效益。目前国内研发的数控机床在精度、速度、多轴联动和复合加工等先进功能方面取得了比较明显的进步，但功能和性能指标的维持能力与国外高档产品还存在较大差距，数控机床可靠性问题已经成为各方关注的焦点。

2009年和2010年，工信部共了13个机床可靠性技术研究类重大专项课题。“可靠性设计与性能试验技术”排在机床共性技术的首位，是共性技术中课题数量最多的，目的之一是充分发挥各单位的可靠性研究特长，形成完善的机床可靠性技术体系。最后将各单位的研究特长进行整合，并将可靠性技术成果在数控机床上进行应用，对数控机床可靠性水平的提高起到积极的技术支持作用。

数控机床是一个复杂的机电液复合系统，不同于一般的电子产品和机械产品那样具备相对完整的可靠性理论体系，同时不像军工装备那样可以不计成本地进行可靠性技术体系的建设与实施，也不具备汽车及消费电子产品的批量大、工艺成熟及基础数据积累丰富的优势。针对数控机床进行可靠性技术研究应该在借鉴其他领域可靠性技术研究的经验及成果上，紧密结合数控机床自身特点制定并实施正确的技术路线，才能形成有工程价值的数控机床可靠性技术。

结合多年来可靠性工作的经验，笔者认为数控机床的可靠性首先是设计出来的，没有设计环节的确立、生产环节的保证和使用环节的保持就无从谈起，因此想要提高数控机床产品可靠性必须要从设计和分析环节入手，将数控机床可靠性技术贯彻到产品的设计、分析和评审环节，才可以从根本上提高产品的可靠性水平。笔者认为目前针对数控机床可靠性研究的现状，在可靠性设计与分析环节应该分别进行如图1和图2中所示的各项工作项目。

二、数控机床可靠性分析技术

1.故障信息收集及分析

针对已有数控机床故障信息的分析不仅可以了解产品的可靠性薄弱环节，更重要的是可以为改进并提高产品可靠性提供依据。由于可靠性数据的收集、获取及分析是可靠性工作的基础，因此应该高度重视可信数据的获取及分析。

为了数控机床可靠性技术研究的需要，可以规划将收集的可靠性数据类型分类为故障数据、维修数据和载荷数据三类，数据来源为用户处及厂内可靠性试验、厂内装配车间出厂试验以及加工车间实际使用过程中暴露出的相关问题，采取“一外三内”的可靠性数据来源途径。由于可靠性关键可靠性度量指标MTBF需要精确的时间统计，因此一定要对数控机床的实际工作时间进行尽可能精确的统计。

可以利用Excel、Mintab和Foxtable等软件实现对机床可靠性数据的存储以及进行基本的数据统计，得出不同类别数控机床故障高发系统等信息，并将不同类型、规格数控机床数据进行了分类保存。也可以通过购置Relex等专业可靠性分析软件进行数据统计，可将收集的可靠性数据汇总存储专业数据库软件中，通过Relex软件方便地对数据进行管理和调用，并实现专业的数据统计分析，将大幅提高机床可靠性数据统计的专业性以及工作效率。

2.可靠性匹配分析

通过对某数控机床产品故障信息进行分析，电气系统、液压系统、排屑系统为故障高发系统，故障数累计占到总故障的76%，经过对故障原因的溯源，除装配调整环节占29.5%之外，其余70.5%以上是外购件问题。因此要结合产品使用特点、工况谱、零件谱和载荷谱等信息，综合分析外购件、功能部件与整机的匹配性，合理选择外购件来保障整机的可靠性。

3.故障模式、影响及危害性分析（FMECA）

FMECA应该作为数控机床可靠性设计过程的主体工作贯穿可靠性设计过程的始终，FEMCA分析的原则应该遵循“谁设计、谁分析”、“边设计、边分析、边改进”，在实施过程中应该由负责设计的工程师直接、主动地联系有关部门的代表，FMECA应该成为促进相关部门充分交换意见的催化剂，在每一个分析小组还要配备一名可靠性专业技术人员作为技术支持。

针对不同数控机床产品要建立相应的故障模式表单，故障模式一般的获取方式有：①以相似产品在过去使用中的故障模式为基础，通过使用环境的异同判定故障模式，该方法适用于产品改型等情况；②对新产品应该从功能、结构出发并结合相似产品故障模式，分析判定其故障模式；③对于外购件可以向供货商索取其产品的故障模式。

在分析故障原因时从两方面入手：①导致故障的各环节缺陷等直接原因；②由外部因素引起故障的间接原因。同时为了便于提高设计人员FMECA分析效率，可靠性技术部门可以建立“FMECA字典”，即固化不同产品的故障部位、故障模式、故障原因，形成查找模板并定期更新，产品设计人员可以进行“菜单式”的选择，规范了流程、提高了效率。

在实际的FEMCA分析中还可以结合危害性矩阵、RPN分析等方法充实完善FMECA过程。

4.故障树分析（FTA）

故障树分析是一种图形演绎法，主要目的是针对重点故障进行因果逻辑分析，找出其发生的所有可能原因和原因组合，便于故障的归零处理。在故障树分析的过程中要多部门共同参与，并明确建树的边界条件。

三、数控机床可靠性设计技术

1.可靠性建模

数控机床的可靠性模型是对系统及其组成单元之间的可靠性/故障逻辑关系的描述。可靠性模型一般包括两类：一是可靠性框图，二是其相应的数学模型。针对数控机床的可靠性框图属于串联模型，因此可靠性建模的重点是梳理及明确产品定义，并结合故障信息建立整机及各子系统的可靠度、故障率数学模型，得出可靠性特征量，为后期的可靠性预计、分配奠定基础。

2.可靠性分配

可靠性分配是将产品可靠性的定量要求合理分配到子系统、组件、零件等单元上的分解过程，在具体操作过程中首先要形成分配的方法和流程，以及各功能部件的具体MTBF指标，使各单元的可靠性定量要求得到明确。对数控机床进行可靠性分配主要的目的有：明确各子系统、部件的可靠性定量要求，为外购件及外协件的可靠性指标提供初步依据；发现设计中的薄弱环节；对不同的设计方案进行比较等。

结合数控机床的实际特点，批量小的新产品由于缺少可靠性数据可以采用评分分配法，针对改型产品应该采取比例组合法进行可靠性分配。

3.可靠性预计

可靠性预计是为了评估数控机床在给定工作条件下的可靠性而进行的工作，通过组成数控机床的各子系统的可靠性来推算整机的可靠性，主要目的有：对整机可靠性指标进行预计；明确设计中的薄弱环节，以便加以改进；为后期可靠性试验等提供数据。可靠性预计采用的方法为评分预计法。

四、数控机床可靠性设计准则

1.建立丰富的可靠性设计规范

应通过长期的工作及研究建立可靠性设计规范，设计规范将针对数控机床在设计环节进行的可靠性设计、分析工作进行需求与约束，明确不同产品采取的可靠性设计、分析手段及实施方法，验证条件等信息。

2.建立可靠性设计评审大纲及流程

建立的评审大纲将评审内容涵盖产品从概念到生产的所有开发阶段，还可延伸到产品的使用阶段。在可靠性设计评审过程中要邀请在产品设计、可靠性、制造、材料、应力分析、人为因素、安全和维修等各专业领域具有丰富经验的专家参与评审。

五、数控机床可靠性分析技术应用实例

本文受篇幅所限无法对数控机床设计与分析技术进行详细介绍，因此以“量大面广”的立式加工中心为例，对如何利用软件平台对立式加工中心进行FMECA分析过程进行简单介绍。该软件平台为沈阳机床集团与东北大学在国家科技重大专项“五轴联动加工中心可靠性设计与性能试验技术”

执行过程中联合研发，依据所述，分析过程分为故障数据的调研和收集、故障数据库的建立、主要故障模式与薄弱环节的确定三个主要环节，下面将举例说明VMC650加工中心主要故障模式与薄弱环节的确定与分析。

1.VMC650加工中心的FMEA分析VMC650加工中心的子系统，包括工作台、换刀系统、辅助系统、主轴箱部位、机械传动系统、床身尾座系统、电气控制系统、液压系统、装夹系统及CNC控制系统，由于加工中心部件层次结构已经基本确定，各子系统的分析步骤是相同的。下面仅以VMC650加工中心换刀系统为例，说明应用所开发软件平台实施FMEA分析的具体步骤。

用户登陆软件平台后，通过单击顶部的tab控件菜单，选择FMEA故障记录管理，进入FMEA分析。单击左侧的VMC650加工中心表示其整体构造层次关系的树状结构进行查询。分析换刀系统，即单击换刀系统，数据显示区显示VMC650加工中心换刀系统的故障，如图3所示。如果想对单个记录进行显示，单击右侧的修改选中记录项，可以具体查看换刀系统某个FMEA具体描述，如图4所示。

同时，用户也可以对其中的故障项目进行更新操作。为了结果更直观，在图3所示的操作界面上，单击右侧的按钮第五项，输出为Excel功能，进行输出，如图5所示，输出结果如图6所示。

该软件平台还可以进行“CA”分析，本文就不进行赘述了。

2.VMC650加工中心FMECA结果分析及薄弱环节的确定

经过在加工中心软件平台下进行的FMECA分析，在导出的FMECA故障Excel表中，通过Excel饼状图或柱形图的输出，可以更直观地把握产品VMC650加工中心不同子系统的运行情况和危害度状况等。

（1）产品危害度分析。

对现有VMC650加工中心不同子系统的分析结果表明，子系统危害度大小排序依次为电气控制子系统、机械传动子系统、刀架子系统、液压控制子系统、床身尾座子系统、装夹子系统、子系统、测量子系统及CNC控制子系统。其余系统的产品危害度较小。各个子系统的危害度情况如图7所示。

（2）典型子系统故障模式概率（频率比）分析。

选择典型的刀库系统进行子系统故障模式概率（频率比）分析，如图8所示。值得注意的是刀库系统中，不能换刀故障模式频发。

3.分析结论

由前述的分析结果，可以得到以下结论，如图9所示。

（1）产品危害度的分析结果显示了不同子系统的危害程度，分析表明电气控制子系统的产品危害度最大，VMC650加工中心电气控制子系统对整个加工中心的运行、可靠性的保证起着至关重要的作用。建议对电气系统零部件采购、研发需要加强控制管理。

（2）对各个子系统故障模式频率比的研究揭示了子系统中哪些故障频出。例如，在刀库子系统中70%的故障是刀库不能换刀，排除工人的操作不当，这种现象非常不正常，已经严重影响了加工中心的日常运行。

（3）VMC650加工中心FMECA分析结果可以为机床的日常维护、产品改进设计提供宝贵的依据。对于频出的故障，企业用户有必要提高其安全等级，即提高检修频次，以保证系统的正常运行。最终，在产品升级过程中，对因结构设计缺陷引起故障频发的部分，需要进行结构、工艺上的改进和完善。

第8篇：数控机床的设计范文

关键词：方案设计立式车铣数控机床

一、立式车铣复合数控机床

与传统机床相比，多功能复合加工机床具有多种加工功能，可在一台机床上完成工件多道加工工序。因此多功能复合机床具有如下优点：1.避免了多次装卡和定位带来的误差，提高了加工精度。2.缩短了装卡的时间和零部件转序的时间，提高了加工效率。3.加工设备需求量减少，有利于节约成本。

车铣复合加工技术可以将几种不同的加工工艺，在一台机床上实现。车铣复合机床相当于一台数控车床和一台加工中心的复合，可以使工件在一次装夹中完成车、铣、钻、镗等不同方法加工。

二、车铣复合数控机床方案设计

车铣复合数控机床应能够兼顾车、铣加工的特点，并以车为主，具有加工内外圆柱面、圆锥面、圆弧、螺纹等的加工能力，兼顾同时各类较复杂的平面、曲面，钻削轴向或径向孔等的能力。

图2.1 车铣复合数控机床典型结构

2.1高精度工作台主轴结构设计

立式车铣复合加工中心工作台主轴（C轴）用于承载和带动工件做回转运动并进行精确分度定位。轴承是工作台主轴系统最核心的部分，所采用轴承的形式决定着性能的优劣，目前在机床上主要采用的轴承形式如下：

（1）双列圆柱滚子轴承和高精度推力滚柱轴承组合结构：其优点是径向和轴向刚度很高，可承受较大载荷，缺点是限制了主轴最高转速和精度。

（2）单列圆锥交叉滚子轴承结构：主要应用于立车转盘主轴。不仅具有较强的抗翻倾扭矩的性能，还具有低震动、低噪音、低发热以及、冷却油用量少的优点，但其安装难度大，加工和装配工艺要求高，因此应用成本较高。

（3）静压轴承结构

工作台承重采用静压轴承支撑技术，具有极好的运转能力和极高的表面加工性能。工作台轴承不易磨损，从而保证工作台的精度和机床的长寿命。静压轴承的优点是 ：启动和运转期间摩擦副均被压力油膜隔开且受压力均匀，可靠性高、摩擦因数小、工作寿命长；具有“均化”误差的功能，能减小制造中不精确性产生的影响。轴承的温度分布较均匀，热膨胀问题低于动压轴承。考虑到静压轴承的上述优点，本结构采用静压轴承。

2.2 高精度镗铣滑枕结构设计

滑枕作为立式车铣复合加工中心中关键的部件，其性能的优劣直接影响机床性能。结构上将动力电机和减速机安装在滑枕的顶端，通过传动轴传至滑枕的下部直至附件头。结构的优点为滑枕内部空间大，可以为附件头提供更多的动力和通道；电机外置便于大功率和大扭矩的实现。因此本文设计滑枕采用此结构。

2.3 工作台恒流静压结构设计

采用恒流静压导轨技术。选用12头等量齿轮分流器，单泵单腔均匀的向工作台导轨腔进行恒流量供油，其特点时压力及溢流损失小，发热量和工作台面变形小，可以实现较高精度的工件切削。

（1）确定导轨结构尺寸

工作台底座导轨结构尺寸需通过多次设计验算及筛选最佳方案确定。

（2）确定工作台导轨油膜间隙

油膜间隙应根据工厂实际加工能力以及工作台台面耐磨材料及刮研工艺确定。本文油膜间隙h0为0.06-0.12mm。

图2.4 工作台底座导轨结构尺寸示意图

（3）受力估算

其受力分析图如图2.5所示：

图2.5 受力分析图

①切削力在X和Y轴上分力PX、PY与刀架切削力Pz的关系为：Px=Py=0.5Pz

②主电机传动齿轮对齿圈的作用力：

Pz'=Mmax/（D1/2）

式中：Mmax为工作台最大扭矩，D1为齿圈节圆直径。

③齿轮对齿圈作用力在X和Y轴的分力Px'和Py'为：

Px'=Pz'cosαsinβ/（cosαcosβ-fsinαs）

Py'=Pz'（sinα+fcosαs）/（cosαcosβ-fsinαs）

tanαs=tanα/cosβ

式中：f为摩擦系数0.1；α为法面压力角；β为齿圈螺旋升角；αs为径面压力角。

④颠覆力矩作用产生力Fd

My=Pz（h+a）-Pz'（q/2）-Px'（D1/2）

Mz=Py（h+a）-Px（0.8Dmax/2）-Py'（q/2）

M2=Mz2+My2

Fd=（1/2）×（M/D3）

式中：M为颠覆力矩；My和Mz分别为力系对Y轴和Z轴的力矩。

（4）流量计算

①单个支承座有效承载面面积：

A'=（2LB+2lb+Lb+lB）/6；

②作用于单个支承座的最小和最大压力P0、Pi为：P0=（1/i）Wmin /A'

Pi=（Wmin+Wmax+Px+Px'+Fd）/iA'

式中：Wmin为工作台台面重量；Wmax为最大工件重量；i为工作台底座环型导轨油腔数。

③空载与最大载荷时工作台导轨所需的流量Q0和Qi分别为：

Q0=（iP0h30/3μ）[l/（B-b）+b/（L-l）]

Qi=（iPh30/3μ）[l/（B-b）+b/（L-l）]

第9篇：数控机床的设计范文

关键词：普通机床 数控改造 结构设计 精度 郑州论文 开题报告

一、课题概述、背景及意义

工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、fmc、fms外，还包括在产品开发中推行cad、cae、cam、虚拟制造以及在生产管理中推行mis(管理信息系统)、cims等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达20.8%，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。

微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。① 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 ②可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。③ 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。④ 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。⑤ 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。此外，机床数控化还是推行fmc(柔性制造单元)、fms(柔性制造系统)以及cims计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。

机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。机床数控化改造有以下优点：①节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。②性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。③提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。

目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3%。我国大量的普通机床应用于生产第一线，用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求，所以必须大力提高机床的数控化率。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能;另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01，已能满足加工零件的精度要求。这几年，国家加大了对这类机床的改造力度，国防科工委更是推行了万台机床数控化计划，车床、铣床的数控化改造需求量很大。本课题以普通车床的数控改造为例，研究机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，机床改造后性能与精度的分析以及控制精度的措施等，普通车床应用微机控制系统进行改造数控改造后，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。基于上述分析，本课题的研究具有较高的现实意义。

二、主要研究内容

1.普通车床数控改造方案的确定，进行总体设计。

2.对普通车床数控改造进行结构设计与计算，包括主轴进给系统设计、机床纵、横进给伺服系统的设计等。

3. 对改造后的经济型数控车床伺服进给系统建立控制原理模型。

4. 根据进给系统的控制原理模型，对影响伺服系统系统的因素进行分析。

5. 对影响伺服传动精度的因素齿轮传动精度、滚珠丝杠副传动精度等进行深入研究，并提出相应的改进方法。

6. 对影响伺服元件伺服精度的因素步进电机步矩角精度等进行深入研究，并提出相应的改进方法。

三、拟解决的关键问题

1. 普通车床数控改造进给伺服系统机械部分的设计与计算。

2. 对经济型数控车床伺服进给系统建立控制原理模型。

3. 根据进给系统的控制模型，分析系统的误差来源及影响系统精度的因素。

4. 设计步进电机细分驱动电路，提高伺服进给系统的控制精度。

四、拟解决方案及关键技术

1. 普通车床数控改造进给伺服系统机械部分的设计与计算内容包括：确定系统的负载，运动部件惯量计算，步进电机的选择，滚珠丝杠副的选择和计算、滚珠丝杠副的刚度验算等。

2. 对改造后的经济型数控车床伺服进给系统建立控制原理模型。

3. 根据伺服进给系统控制原理模型，分别对伺服驱动元件的伺服精度、伺服机械传动元件传动精度进行分析，分析影响经济型数控车床定位精度主要因素。

4. 在伺服进给系统控制电路中加入步进电机细分驱动设计，改善步矩角特性，提高经济型数控车床的定位精度。

五、创新点

1. 运用机电一体化系统设计思路与方法进行普通车床数控改造的结构设计，在设计上达到有高的静动态刚度;运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙;便于操作和维修。

2. 从经济型数控车床的控制原理模型分析影响整个系统精度的关键因素，分析影响机床机床定位精度的各项误差来源，提出相应的改进方法并应用于机床结构设计中。

3. 运用步进电机细分驱动技术，设计基于单片机控制的步进电机的细分驱动电路，减小步进电机的步距角及机床的脉冲当量，提高经济型数控车床的加工精度，改善电机运行的平稳性，减小噪声，增加控制的灵活性。

六、课题预计目标

1.普通车床数控改造的方案的研究，进行总体设计。

2. 对经济型数控车床的伺服进给系统建立控制原理模型，并根据进给系统的控制原理模型，对影响系统精度的关键因素进行分析。

3. 研究提高机械传动部件的传动精度与刚度的方法，对普通车床数控改造进行结构设计，改善伺服进给系统的伺服特性。

4. 设计一种基于单片机控制的步进电机的细分驱动电路，提高伺服进给系统的分辨率。

七、课题研究进展计划

预计本课题研究进展主要分以下几个阶段：

1. 2007年11月～2007年12月 查看文献资料并撰写开题报告

2. 2007年12月～2008年03月 收集相关方面的资料，以普通车床数控改造为例进行总体设计

3. 2008年03月～2008年04月 学习机床伺服进给系统的设计等方面知识

4. 2008年04月～2008年07月 进行结构设计，绘制普通车床数控改造纵、横向进给系统装配图

5. 2008年07月～2008年08月 学习机床控制精度等方面知识

6. 2008年08月～2008年09月 对机床进行精度分析

7. 2008年09月～2008年10月 研究提高机床控制精度的措施

8. 2008年11月～2008年12月 完成毕业论文

9. 2008年12月 毕业答辩

参 考 文 献

[1] 刘跃南.机床计算机数控及其应用[m].北京：机械工业出版社，1997.

[2] 王爱玲.现代数控机床结构与设计[m].北京：兵器工业出版社，1999.

[3] 周文玉.数控加工技术基础[m].北京：中国轻工业出版社，1999.

[4] 朱晓春.数控技术[m].北京：机械工业出版社，2003.

[5]张柱良. 数控原理与数控机床. 北京：化学工业出版社，2003.

[6]]朱正伟. 数控机床机械系统. 北京：中国劳动社会保障出版社，2004.

[7] c616车床经济型数控改造总体方案及主要部件的设计[j]，机床与液压，1999，3：50~52.

[8] 杨祖孝.数控机床进给滚珠丝杠的选择和计算[j]，机床与液压，1999，3：50~52.

[9] 徐桦.直线滚动导轨副的选择程序及寿命分析[j]，机械设计与制造，1999，3：3~5.

[10] 翁史烈.现代机械设备设计手册-设计基础[m].北京：机械工业出版社，1996.

[11] 吴宗泽.机械设计实用手册[m].北京：化工出版社，2003.

[12] 刘晓宇.刘德平.普通机床数控化改造关键技术的设计与计算[j]，机械设计与制造，2007，9：42~44.

[13] 唐林.c616车床的经济型数控改造总体方案及主要零部件的设计 [j]，新技术新工艺，2007，6：48~50.

[14] 南京工艺装备制造厂 精密滚珠丝杠副说明书

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