车床数控改造
数控车床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。
因此了解数控车床的结构与工作原理是操作、维修、改进数控车床的前提，也是设计一款数控车床的基本。基于此本文介绍了数控车床的主轴系统、伺服进给系统、刀架系统等的特点、设计要求及结构特点，对于系统部件也作了介绍。
第一章 概述
一 数控机床的产生及发展
科学技术的不断发展，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是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。
大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位多面同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现正是很地满足了这一要求。
1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的试验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是第一代世界上的第一台数控机床。
我国是从1958年开始研究数控技术，一直到60年代中期处于研制、开发时期。
当时，一些高等院校、科研单位研制出试验样机，开发也是从电子管开始的。1965年国内开始研制晶体管数控系统。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代，我国从日本发那科公司引进了5、7、3等系列的数控系统和交流伺服电机、交流主轴电机技术，以及从美国、德国引进一些新技术。这使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。1985年，我国数控机床品种有了新的发展。90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。
二 数控机床的组成与适用范围
（一）数控机床的组成
如图所示，数控机床由以下几个不分组成。
1、程序介质
根据零件的几何和工艺要求，确定零件加工的工艺过程和工艺参数，然后按规定的代码和格式编制数控加工程序。编制程序的工作可由人工完成，也可以用计算机自动编程系统来完成。比较先进的数控机床，可以在它的数控装置上直接编程。 编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储介质上，称为程序介质，可以是穿孔纸带、磁带、磁盘等。 2、输入输出装置
输入输出装置主要用于零件数控程序的编制、存储、打印和显示等。简单的输入输出装置只包括键盘和发光二极管显示器。一般的输入输出装置除了人机对话编程键盘和CRT外，还包括纸带、磁带和磁盘输入机、穿孔机等。高级的数控系统还使用自动编程机或CAD/CAM系统。 3、数控装置
数控装置是数控机床的核心。它根据输入的程序和数据，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令。
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4、伺服驱动系统、位置检测装置及辅助控制装置
伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并于机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发出来的速度和位移指令，控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统由开环、半闭环和闭环之分。在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。 5、机床的机械部件
数控机床的机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板及其传动部件和床身立柱等支承部件，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心车床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。
(二) 数控机床的使用范围
数控机床适用于加工：
（1）生产批量小的零件（100件以下）；
（2）加工精度高、结构形状复杂的零件，如箱体类，曲线、曲面类的零件； （3）需要进行多次改型设计的零件；
（4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件； （5）价格昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出现错而报废，将产生巨大的经济损失。
三 数控机床的特点与分类
（一）数控机床的特点
数控机床是一种高效能自动化加工机床。与普通机床相比，数控机床具有如下特点。
1、适应性强
数控机床是按照被加工零件数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时,只要改变数控程序软件，而不需要改变机械部分和控制部分的硬件，就能适应加工。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。 2、精度高，质量稳定
数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，加工零件按数控程序自动进行，可以避免人为的误差。因此，数控机床可以获得比普通机床更高的加工精度。尤其提高了同批零件生产的一致性，产品质量稳定。 3、生产率高
数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机加工时。还有自动换刀转速、自动换刀和其它辅助操作自动化等功能，而且无需工序间的检验与测量，故使辅助时间大为减缩。
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4、能完成复杂型面的加工
许多复杂曲线和曲面的加工，普通机床无法实现，而数控机床完全可以完成。 5、减轻劳动轻度，改善劳动条件。
由于数控机床是自动完成对零件的加工的，许多动作不需要操作者进行，因此劳动条件和劳动强度大为改善。 6、有利于生产管理
采用数控机床，有利于向计算机控制和管理生产方向发展，为实现制造和生产管理自动化创造了条件。
(二) 数控机床的分类
1、按工艺用途分类： （1）普通数控机床
（2）数控加工中心（带有刀库和自动换刀装置的数控机床） 2、按控制运动的方式分类： （1）点位控制数控机床 （2）点位直线控制数控机床 （3）轮廓控制数控机床
3、按伺服系统的控制方式分类： （1）开环数控机床
（2）半闭环控制数控机床 （3）闭环控制数控机床
4、按所用数控系统的档次分类
（1）低档数控机床(主要用于车床、线切割机床及旧机床改造)
（2) 中档数控机床(伺服进给采用半闭环及直、交流伺服控制,三至四轴联动制） （3) 高档数控机床(伺服进给采用闭环及直、交流伺服控制，五轴或以上联动制） 以上中、高档数控机床一般称为全功能数控或标准型数控。
四 数控技术的发展趋势
随着先进生产技术的发展，要求现代数控机床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向发展。 1、高速、高精度
高速化指数控机床的高速切削和高速插补进给，目标是在保证加工精度的前提下，提高加工速度。这不仅是要求数控系统的处理速度快，同时还要求数控机床具有大功率和大转矩的高速主轴、高速进给电动机、高性能的刀具、稳定的高频动态刚度。
高精度包括高进给分辨率、高定位精度和重复定位精度、高动态刚度、高性能闭环交流数字伺服系统等。
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2、“开放式”
要求新一代数控机床的控制系统是一种开放式、模块化的体系结构。系统的构成要素应是模块化的，同时各模块之间的接口必须是标准的；系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”；系统应具有“连续升级”的能力。 3、智能化
所谓智能化数控系统，是指具有拟人智能特征，智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征，自动感知加工系统得内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、背吃刀量、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 （1）在数控系统中引进自适应控制技术 自适应控制实在加工过程中不断检查某些能代表加工状态的参数 （2）设置故障自诊断功能
（3）具有人机对话自动编程功能 （4）应用图像识别和声控技术 4、复合化
复合化加工，即在一台机床上工件一次装夹便可以完成多工种、多工序的加工，通过减少装卸刀具、装卸工件、调整机床的辅助时间，实现一机多能，最大限度的提高机床的开机率和利用率。 5、高可靠性
高可靠性的数控系统是提高数控机床可靠性的关键。 6、多种插补功能
数控机床除具有直线插补、圆弧插补功能外，有的还具有样条插补、渐开线插补、螺旋插补、极坐标插补、指数曲线插补、圆柱插补、假想坐标插部等。 7、人机界面的友好
第二章 设计基本思想和主要参数
一 课题要求
（一）题目名称
数控车床机械结构设计（加工直径500mm）
（二）课题内容及工作量
（1）数控车床总装配图设计 （2）主轴部件设计 （3) 刀具进给系统设计
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