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数控机床电气设计字数:8717,页数:22 论文编号:JX076摘 要数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发 展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。FBs系列PLC的NC定位功能较其它PLC更精准，且程序的设计和调试相当方便。本文提出的是如何应用PLC的NC定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。 关键词： 数控机床、 电气控制系统、 控制软件总体结构设计、 机电一体化、机电传动、 电子技术、 传感器技术、数控加工、 CAD/CAM技术、 电力电子技术、 机械设计原理、 电气控制系统、 单片机、PLC;目 录第一章 绪 论 课题的来源 目的和意义 机电一体化系统的简介 机电传动概述 数控加工的概述 数控加工的设备 国内外动态 国内研究的状况 国外研究的状况 机电一体化技术的发展与展望 9第二章 系统的总体设计 机械部分 电气控制系统方案 11 注：附图（共七张；元器件清单1份） 以上回答来自:
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数控车床实习报告前 言机床是人类进行生产劳动的重要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。普通机床经经历了近两百年的历史。随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，生产了机电一体化的新型机床一一数控机床。数控机床一经使用就显示出了它独特的优越性和强大生命力，使原来不能解决的许多问题，找到了科学解决的途径。数控车床是数字程序控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点于一身，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，也是是一种通过数字信息，控制机床按给定的运动轨迹，进行自动加工的机电一体化的加工装备，经过半个世纪的发展，数控机床已是现代制造业的重要标志之一，在我国制造业中，数控机床的应用也越来越广泛，是一个企业综合实力的体现。实 习 报 告 正 文自从走进了大学，就业问题就似乎总是围绕在我们的身边，成了说不完的话题。在现今社会，招聘会上的大字报都总写着“有经验者优先”，可还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢？为了拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高自己的能力，以便在以后毕业后能真正真正走入社会，能够适应国内外的经济形势的变化，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题，在这个假期里我开始了自己的校外实习。.，把所学的理论知识，运用到客观实际中去，使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践，所学的就等于零,理论应该与实践相结合.另一方面，实践可为以后找工作打基础.通过这段时间的实习，学到一些在学校里学不到的东西。因为环境的不同，接触的人与事不同，从中所学的东西自然就不一样了。要学会从实践中学习，从学习中实践.而且在中国的经济飞速发展，又加入了世贸，国内外经济日趋变化，每天都不断有新的东西涌现，在拥有了越来越多的机会的同时，也有了更多的挑战，中国的经济越和外面接轨，对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学好学校里所学到的知识，还要不断从生活中，实践中学其他知识，不断地从各方面武装自已，才能在竞争中突出自已，表现自已。1. F功能F功能指令用于控制切削进给量。在程序中，有两种使用方法。(1)每转进给量编程格式 G95 F~F后面的数字表示的是主轴每转进给量，单位为mm/r。如：G95 表示进给量为 mm/r。(2)每分钟进给量编程格式G94 F~F后面的数字表示的是每分钟进给量，单位为 mm/min。如：G94 F100 表示进给量为100mm/min。2. S功能S功能指令用于控制主轴转速。编程格式 S~S后面的数字表示主轴转速，单位为r/min。在具有恒线速功能的机床上，S功能指令还有如下作用。(1)最高转速限制设定加工坐标系编程格式 G50 S～S后面的数字表示的是最高转速：r/min。如：G50 S3000 表示最高转速限制为3000r/min。(2)恒线速控制编程格式 G96 S～S后面的数字表示的是恒定的线速度：m/min。如：G96 S150 表示切削点线速度控制在150 m/min。(3)恒线速取消编程格式 G97 S～S后面的数字表示恒线速度控制取消后的主轴转速，如S未指定，将保留G96的最终值。如：G97 S3000 表示恒线速控制取消后主轴转速3000 r/min。3. T功能T功能指令用于选择加工所用刀具。编程格式 T～T后面通常有两位数表示所选择的刀具号码。但也有T后面用四位数字，前两位是刀具号，后两位是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。例：T0303 表示选用3号刀及3号刀具长度补偿值和刀尖圆弧半径补偿值。T0300 表示取消刀具补偿。4. M功能M00： 程序暂停，可用NC启动命令（CYCLE START）使程序继续运行；M01：计划暂停，与M00作用相似，但M01可以用机床“任选停止按钮”选择是否有效；M03：主轴顺时针旋转；M04：主轴逆时针旋转；M05：主轴旋转停止；M08：冷却液开；M09：冷却液关；M30：程序停止，程序复位到起始位置。5. 加工坐标系设置G50编程格式 G50 X～ Z～式中X、Z的值是起刀点相对于加工原点的位置。G50使用方法与G92类似。在数控车床编程时，所有X坐标值均使用直径值，如图所示。如：按图设置加工坐标的程序段如下：G50 . 快速定位指令G00G00指令命令机床以最快速度运动到下一个目标位置，运动过程中有加速和减速，该指令对运动轨迹没有要求。其指令格式：G00 X(U)____ Z(W)____；当用绝对值编程时，X、Z后面的数值是目标位置在工件坐标系的坐标。当用相对值编程时，U、W后面的数值则是现在点与目标点之间的距离与方向。如图所示的定位指令如下：G50 ; 设定工件坐标系G00 ； 绝对值指令编程A→C或G00 ； 相对值指令编程A→C因为X轴和Z轴的进给速率不同，因此机床执行快速运动指令时两轴的合成运动轨迹不一定是直线，因此在使用G00指令时，一定要注意避免刀具和工件及夹具发生碰撞。如果忽略这一点，就容易发生碰撞，而快速运动状态下的碰撞就更加危险7. 直线插补指令G01G01指令命令机床刀具以一定的进给速度从当前所在位置沿直线移动到指令给出的目标位置。指令格式：G01 X(U)____Z(W)____F ；其中F是切削进给率或进给速度，单位为mm/r或mm/min，取决于该指令前面程序段的设置。使用G01指令时可以采用绝对坐标编程，也可采用相对坐标编程。当采用绝对坐编程时，数控系统在接受G01指令后，刀具将移至坐标值为X、Z的点上；当采用相对坐编程时，刀具移至距当前点的距离为U、W值的点上。如图所示的直线运动指令如下：G01 Z20. ; 绝对值指令编程G01 ; 相对值指令编程8. 圆弧插补指令G02、G03圆弧插补指令命令刀具在指定平面内按给定的F进给速度作圆弧插补运动，用于加工圆弧轮廓。圆弧插补命令分为顺时针圆弧插补指令G02和逆时针圆弧插补指令G03两种。其指令格式如下：顺时针圆弧插补的指令格式：G02 X(U)____Z(W)____I____K____F____；G02 X(U)____Z(W)___R___ F____；逆时针圆弧插补的指令格式：G03 X(U)____Z(W)____ I____K____F____；；G03 X(U)____Z(W)___R___ F____；使用圆弧插补指令，可以用绝对坐标编程，也可以用相对坐标编程。绝对坐标编程时，X、Z是圆弧终点坐标值；增量编程时，U、W是终点相对始点的距离。圆心位置的指定可以用R，也可以用I、K，R为圆弧半径值；I、K为圆心在X轴和Z轴上相对于圆弧起点的坐标增量; F为沿圆弧切线方向的进给率或进给速度。当用半径R来指定圆心位置时，由于在同一半径R的情况下，从圆弧的起点到终点有两种圆弧的可能性，大于180°和小于180°两个圆弧。为区分起见，特规定圆心角α≤180°时，用“+R”表示；α>180°时，用“-R”。注意：R编程只适于非整圆的圆弧插补的情况，不适于整圆加工。例如，图3-13中所示的圆弧从起点到终点为顺时针方向，其走刀指令可编写如下：G02 ； 绝对坐标，直径编程，切削进给率 ； 相对坐标，直径编程，切削进给率 X 50. 0 ； 绝对坐标，直径编程，切削进给率 ； 相对坐标，直径编程，切削进给率. 暂停指令G04G04指令用于暂停进给，其指令格式是：G04 P____或G04 X(U)____暂停时间的长短可以通过地址X(U)或P来指定。其中P后面的数字为整数，单位是ms；X(U)后面的数字为带小数点的数，单位为s。有些机床，X(U)后面的数字表示刀具或工件空转的圈数。该指令可以使刀具作短时间的无进给光整加工，在车槽、钻镗孔时使用，也可用于拐角轨迹控制。例如，在车削环槽时，若进给结束立即退刀，其环槽外形为螺旋面，用暂停指令G04可以使工件空转几秒钟，即能将环形槽外形光整圆，例如欲空转时其程序段为： G04 或G04 或G04 P2500；G04为非模态指令，只在本程序段中才有效。10. 英制和米制输入指令G20、G21G20表示英制输入，G21表示米制输入。G20和G21是两个可以互相取代的代码。机床出厂前一般设定为G21状态，机床的各项参数均以米制单位设定，所以数控车床一般适用于米制尺寸工件加工，如果一个程序开始用G20指令，则表示程序中相关的一些数据均为英制(单位为英寸)；如果程序用G21指令，则表示程序中相关的一些数据均为米制(单位为mm)。在一个程序内，不能同时使用G20或G21指令，且必须在坐标系确定前指定。G20或G21指令断电前后一致，即停电前使用G20或G21指令，在下次后仍有效，除非重新设定。11. 进给速度量纲控制指令G98、G99在数控车削中有两种切削进给模式设置方法，即进给率(每转进给模式)和进给速度(每分钟进给模式)。（1）进给率，单位为mm/r，其指令为：G99； 进给率转换指令G01X____Z____F____； F的单位为mm/r(2)进给速度，单位为mm/min，其指令为： ．G98； 进给速度转换指令G01X____Z____F____； F的单位为mm/minG98和G99都是模态指令，一旦指定就一直有效，直到指定另一方式为止。车削CNC系统缺省的进给模式是进给率，即每转进给模式，只有在用动力刀具铣削时才采用每分钟进给模式。12. 参考点返回指令G27、G28、G30参考点是CNC机床上的固定点，可以利用参考点返回指令将刀架移动到该点。可以设置最多四个参考点，各参考点的位置利用参数事先设置。接通电源后必须先进行第一参考点返回，否则不能进行其它操作。参考点返回有两种方法：(1)手动参考点返回。(2)自动参考点返回。该功能是用于接通电源已进行手动参考点返回后，在程序中需要返回参考点进行换刀时使用的自动参考点返回功能。自动参考点返回时需要用到如下指令：（1）返回参考点检查G27G27用于检验X轴与Z轴是否正确返回参考点。指令格式为：G27 X(U)____ Z(W)____X(U)、Z(W)为参考点的坐标。执行G27指令的前提是机床通电后必须手动返回一次参考点。执行该指令时，各轴按指令中给定的坐标值快速定位，且系统内部检查检验参考点的行程开关信号。如果定位结束后检测到开关信号发令正确，则参考点的指示灯亮，说明滑板正确回到了参考点位置；如果检测到的信号不正确，系统报警，说明程序中指令的参考点坐标值不对或机床定位误差过大。（2）参考点返回指令G28、G30G28 X(U) ____ Z(W) ____； 第一参考点返回，其中X(U)、Z(W)为参考点返回时的中间点，X、Z为绝对坐标，U、W为相对坐标。参考点返回过程如图3-14所示。G30 P2 X(U)____ Z(W)____； 第二参考点返回，P2可省略G30 P3 X(U)____ Z (W)____； 第三参考点返回G30 P4 X(U)____ Z(W)____； 第四参考点返回第二、第三和第四参考点返回中的X(U)、Z (W)的含义与G28中的相同。刀具返回参考点的过程，刀具从当前位置经过中间点(190，50)返回参考点，其指令为：G30 X190 Z50；G30 U100 W30。数控机床一般由输入装置、数控系统、伺服系统、测量环节和机床本体(组成机床本体的各机械部件)组成。如数控机床组成示意图所示。数控机床组成示意图1) 输入输出装置操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具组成：按钮站/状态灯/按键阵列/显示器。下图为西门子的一款数控系统的操作面板，控制介质人与数控机床之间建立某种联系的中间媒介物就是控制介质，又称为信息载体。常用的控制价质有穿孔带、穿孔卡、磁盘和磁带。人机交互设备数控机床在加工运行时，通常都需要操作人员对数控系统进行状态干预，对输入的加工程序进行编辑、修改和调试，对数控机床运行状态进行显示等，也就是数控机床要具有人机联系的功能。具有人机联系功能的设备统称人机交互设备。常用的人机交互设备有键盘、显示器、光电阅读机等。通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通讯（RS-232等串口）自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）网络技术（internet，LAN等）。DNC是Direct Numerical Control或Distributed Numerical Control英文一词的缩写，意为直接数字控制或分布数字控制。2) 计算机数控（CNC）装置数控装置是数控机床的中枢。CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心3) 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电动机组成。伺服驱动的作用，是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件，即把数控装置送来的微弱指令信号，放大成能驱动伺动电动机的大功率信号。常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。根据接收指令的不同，伺服驱动有脉冲式和模拟式，而模拟式伺服驱动方式按驱动电动机的电源种类，可分为直流伺服驱动和交流伺服驱动。步进电动机采用脉冲驱动方式，交、直流伺服电动机采用模拟式驱动方式。4) 机床电气控制机床电气控制包括两个方面，可如图所示箭头所指的内容。PLC（可编程的逻辑控制器）用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，而机床I/O电路和装置则是用来 实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；5) 测量装置数控机床中的测量装置数控机床中的反馈系统的工作，反馈系统的作用是通过测量装置将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到CNC装置中，使CNC能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。在其它的控制领域，测量装置也有其应用机械手中的控制电机与测量装置测量装置安装在数控机床的工作台或丝杠上，按有无检测装置，CNC系统可分为开环和闭环系统，而按测量装置安装的位置不同可分为闭环与半闭环数控系统。开环控系统无测量装置，其控制精度取决于步进电机和丝杠的精度，闭环数控系统的精度取决于测量装置的精度。因此，检测装置是高性能数控机床的重要组成部分。6) 机床本体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，床身、立柱等支承部件；此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。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。数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，与普通机床相比，应具有更好的抗振性和刚度，要求相对运动面的摩擦因数要小，进给传动部分之间的间隙要小。所以其设计要求比通用机床更严格，加工制造要求精密，并采用加强刚性、减小热变形、提高精度的设计措施。辅助控制装置包括刀库的转位换刀以上是一般数控车床的组成结构，在实习的过程中，我了解了一下公司生产的CJK0620型的数控机床，它由以下单元组成：变频器（型号lnovance），两个全数字交流伺服单元（型号 SD20B），控制变压器（型号BK1500，容量,频率50-60HZ，机级电压380V，次级电压220V），控制变压器（型号BK150，容量150V/A，频率50-60HZ，绝缘等级B，机级电压380V，次级电压11-12：36V；11-13：220V），风扇一个，丝杆两个，工作台，两个交流伺服电机，刀架，润滑装置，拖板等等尾 声时光如流水，两周的时间转眼即逝，这次实习给我的体会是：① 通过这次实习我们了解了现代数控机床的生产方式和工艺过程。熟悉了一些材料的成形方法和主要机械加工方法及其所用主要设备的工作原理和典型结构、工夹量具的使用以及安全操作技术。了解了数控机床方面的知识和新工艺、新技术、新设备在机床生产上的应用。② 在数控机床的生产装配以及调试上，具有初步的独立操作技能。③ 在了解、熟悉和掌握一定的数控机床的基础知识和操作技能过程中，培养、提高和加强了我的动手能力、创新意识和创新能力。④ 这次实习，让我们明白做事要认真小心细致，不得有半点马虎。同时也培养了我们坚强不屈的本质，不到最后一秒决不放弃的毅力！⑤培养和锻炼了劳动观点、质量和经济观念，强化遵守劳动纪律、遵守安全技术规则和爱护国家财产的自觉性，提高了我们的整体综合素质。是的，课本上学的知识都是最基本的知识，不管现实情况怎样变化，抓住了最基本的就可以以不变应万变。如今有不少学生实习时都觉得课堂上学的知识用不上，出现挫折感，可我觉得，要是没有书本知识作铺垫，又哪应付瞬息万变的社会呢？经过这次实习，虽然时间很短，可我学到的却是我一个学期在学校难以了解的。就比如何与同事们相处，相信人际关系是现今不少大学生刚踏出社会遇到的一大难题，于是在实习时我便有意观察前辈们是如何和同事以及上级相处的，而自己也尽量虚心求教。要搞好人际关系并不仅仅限于本部门，还要跟别的部门例如市场部的同事相处好，那工作起来的效率才高，人们所说的“和气生财”在我们的日常工作中也是不无道理的。而且在工作中常与前辈们聊聊天不仅可以放松一下神经，而且可以学到不少工作以外的事情，尽管许多情况我们不一定遇到，可有所了解做到心中有底，也算是此次实习的其中一个目的了。很快我们就要步入社会，面临就业了，就业单位不会像老师那样点点滴滴细致入微地把要做的工作告诉我们，更多的是需要我们自己去观察、学习。不具备这项能力就难以胜任未来的挑战。随着科学的迅猛发展，新技术的广泛应用，会有很多领域是我们未曾接触过的，只有敢于去尝试才能有所突破，有所创新。就像我在实习中接触到的零件的加工，虽然它的危险性很大，但是要亲自去操作而且要作出成品，这样就锻炼了我敢于尝试的勇气。
机械类的毕业论文题目有很多，学术堂整理了十五个题目供大家进行参考：1、某型汽车发动机曲轴的加工工艺及测试研究2、舞台升降装置的设计研究3、按摩机器人控制器的设计与研究4、垂直升降式立体停车设备的结构设计5、CA6140普通车床纵向数控改装6、汽车电磁涡流减震器力学性能研究7、自动下料机的机械结构设计与研究8、智能清洁机器人的设计9、低破碎玉米脱粒机的设计与分析10、马铃薯连续式机械化去皮关键技术研究11、排气隔热罩的设计与研究12、汽车电动玻璃升降器结构设计13、胡萝卜自动削皮机虚拟样机设计14、山药全自动削皮机装置与控制系统研究15、自动化甘蔗削皮装置的研制
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机械设计类论文题目1. 300×400数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计 2. DTⅡ型固定式带式输送机的设计 3. FXS80双出风口笼形转子选粉机 4 .JLY3809机立窑（加料及窑罩部件）设计 5 .JLY3809机立窑(窑体及卸料部件) 6 .JLY3809机立窑（总体及传动部件）设计 7. MR141剥绒机锯筒部、工作箱部和总体设计 8 .PB006糖尿病专家系统开发 9. PB012自动组卷系统 10. PF455S插秧机及其侧离合器手柄的探讨和改善设计 11. PLC在高楼供水系统中的应用 12. Q3110滚筒式抛丸清理机的设计(总装、弹丸循环及分离装置、集尘器设计) 13. Q3110滚筒式抛丸清理机的设计(总装、滚筒及传动机构设计) 14 .SF500100打散分级机回转部分及传动设计 15 .SF500100打散分级机内外筒体及原设计改进探讨 16 .SF500100打散分级机总体及机架设计 17 .VC005基于WebCam的人脸检测技术 18 .X700涡旋式选粉机 19. YQP36预加水盘式成球机设计 20 .Z30130×31型钻床控制系统的PLC改造 21 .Φ3×11M水泥磨总体设计及传动部件设计 22 .Φ1200熟料圆锥式破碎机 23. 半精镗及精镗气缸盖导管孔组合机床设计（镗削头设计） 24 .柴油机齿轮室盖钻镗专机总体及夹具设计 25 .柴油机气缸体顶底面粗铣组合机床总体及夹具设计 26 .车床变速箱中拔叉及专用夹具设计 27. 乘客电梯的PLC控制 28. 出租车计价器系统设计 29. 电动自行车调速系统的设计 30. 多用途气动机器人结构设计 31 .工艺-WH212减速机壳体加工工艺及夹具设计 32 .管套压装专机 33 .机油冷却器自动装备线压紧工位装备设计 34 .基于AT89C2051单片机的温度控制系统的设计 35 .基于普通机床的后托架及夹具的设计开发 36 .减速器的整体设计 37. 金属粉末成型液压机的PLC设计 38. 可调速钢筋弯曲机的设计 39 .空气压缩机V带校核和噪声处理 40 .螺旋管状面筋机总体及坯片导出装置设计 41 .模具-Φ药瓶注塑模设计 42 .模具-冰箱调温按钮塑模设计 43 .模具-电机炭刷架冷冲压模具设计 44 .模具-水泥瓦模具设计与制造工艺分析 45 .膜片式离合器的设计 46. 内循环式烘干机总体及卸料装置设计 47. 全自动洗衣机控制系统的设计 48 .设计-AWC机架现场扩孔机设计 49 .设计-CG2-150型仿型切割机 50 .设计-ZL15型轮式装载机 51. 设计-插秧机系统设计 52. 设计-工程钻机 的 设 计 53 .设计机床-S195柴油机机体三面精镗组合机床总体设计及夹具设计 54 .设计机床-车床主轴箱箱体右侧10-M8螺纹底孔组合钻床设计 55 .设计-搅拌器的设计 56 .设计-精密播种机 57 .设计一用于带式运输机传动装置中的同轴式二级圆柱齿轮减速器 58 .生产线上运输升降机的自动化设计 59 .实验用减速器的设计 60 .双铰接剪叉式液压升降台的设计 61. 四层楼电梯自动控制系统的设计 62 .万能外圆磨床液压传动系统设计 63 .卧式钢筋切断机的设计 64 .锡林右轴承座组件工艺及夹具设计 65 .新KS型单级单吸离心泵的设计 66 .新型组合式选粉机总体及分级部分设计 67 .压燃式发动机油管残留测量装置设计 68 .知识竞赛抢答器PLC设计 69 .知识竞赛抢答器设计 70 .自动洗衣机行星齿轮减速器的设计
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通过以上几项措施和方法在数控实习中的应用，学生的实习积极性和创新意识得到了较好的发挥，并在没有经过强化培训的情况下，两年内已有许多学生报考且一次通过“数控车床操作工国家中级技能鉴定考试”;同时，从聘用我系毕业生的企业反馈信息上也了解到，我系毕业生在数控加工技术应用方面有较强的适应能力和创新能力。这充分说明我系的数控实习效果得到了提高，取得了成效。
参考文献：略
数控机床可维修性设计及其关键技术研究摘要]故障作为随机事件是不可避免的,而可靠性设计从某种意义上讲又是靠大量的可靠性测量分析与储备。为此人们在设计中,在对关键的零部件进行适当的可靠性储备的同时,应更多地注重于产品的可维修性设计,可维修性设计虽然会使成本有所增加,但较之在产品开始产生之后,再对设计进行修改而带来的经济损失和声誉损失,仍然是相当经济的。本文重点从设计措施入手研究提高数控设备维修性的新途径,使数控产品的故障诊断和维修既方便又快捷,并在此基础分析冗余设计的维修性设计技术。[关键词]数控机床;可维修性设计;设计准则;技术分析;冗余设计设计质量对于产品而言至关重要,而以最少的成本获得高质量的产品已经成为当今产品设计的主要追求。可维修性设计就是其中一个非常重要的内容,可维修性设计就是把维修性纳入产品设计过程,通过设计与验证实现维修性要求,这不仅是提高产品质量水平的客观需要,也是用户的迫切需求。因为一件产品的维修工作越简单,那么它对顾客的吸引力也就越大。随着数控技术的发展,设计人员在产品设计中引入了大量的电子技术元件,这一方面改善了数控产品的性能,而另一方面给产品的可靠性设计也带来了新问题。因为故障作为随机事件是不可避免的,而可靠性设计从某种意义上讲又是靠大量的可靠性测量分析与储备。为此人们在设计中,在对关键的零部件进行适当的可靠性储备的同时,应更多地注重于产品的可维修性设计,使产品的故障诊断和维修既方便又快捷。1维修性方案人们现在所关心的已不仅仅是产品的初始性能,而是产品在整个生命周期中的性能变化。而产品的使用性能受到其使用方法的影响。因此一方面,我们需要知道产品是如何被使用的,这些信息可以从它的前代产品中得到。另一方面,设计者在设计时可以采取一定措施来改变产品将来被使用以及维修的方式。例如,设计者需要判断那种零件更加耐磨,以及零件的替换方式等等,这些都将直接关系到产品的拆卸性能、维修性能。因此我们需要做的不仅仅是预测产品或部件的故障发生率,则是要求以最少的操作和成本完成一件产品或一个系统的维修工作。现在,制造商们已经意识在产品设计和制造过程中考虑产品的可维修性。现代设计的数控设备不仅要功能佳,而且也要使用、维修方便,这样整台设备的综合效率才高。在产品论证、方案设计时,设计者要有现代设计意识,采用并行工程的原理,考虑到从产品概念到投入使用过程中的整个寿命周期中所有的因素,包括设计、制造、安装、调试、使用、维修等阶段。因此,设计者在产品设计建模时,就应当考虑到产品拆卸的可能性及修理的结构工艺性,整台设备不能有不可到达的死角,所有部件尽量采用快速解脱装置,以便拆装。2维修性设计与分析2. 1可达性设计可达性就是在进行设备维修、更换时,能够方便地接近维修部位和进行维修作业,是一种设计布局与装配特性。可达性又分为:安装场所可达性;设备外部可达性;内部可达性三类。良好的可达性,能减少维修牵连和差错,使维修作业方便舒适。在进行可达性设计过程中,可以重点从以下几个方面去把握:(1)所有的零部件都应在不拆卸其他零部件的情况下也能直接看到或碰到; (2)更换零部件时间:为了缩短更换零部件的时间,从布局观点应考虑,把故障出现频数多的零部件、更换时间长的零部件,放在可达性好的部位; (3)零部件的尺寸与质量:对于大的、重的零部件等,在布局时应考虑尽可能放置在开口部分近旁;并且在更换时不致损坏其他零部件的部位; (4)诊断的难易:机器内零部件配置应多考虑进行诊断的程序,即维修人员一边直接检查零部件,一边判定故障位置。一般来说,零部件的配置方法可分为下面四类:A标准配置:配置零部件时,要考虑其重量、热分布、工作性能等方面,也要考虑其强度、耐久性和制造工艺性,但对下述方法不作考虑; B零部件的分类配置:把同类的结构单元、零部件(例如继电器)等安装在一起,这种方法对定期的预防维修(定期检果、定期更换等)是方便的; C电路的分类配置:这是电子设备中常用的一种方法,它是把由多个零部件组成的结构单元(用途不同也可以)集中在一处。这样,有利于实现元部件的标准化,并可简化测试程序和缩短测试时间;D逻辑式配置:按照功能方框图的各方框来进行配置。维修人员在理解了工作原理之后,就能很容易地对照框图来寻求故障位置。(5)设整检查的难易:最现想的零部件配置是,不用打开机器就能检查或设整机器。即使机器内有调整处,也必须使其不停机就能进行调整; (6)零部件周围的空间:在更换零部件时,如无适当的空间,就会严重妨碍作业。(7)目视:在配置零部件时为了能用目视,应考虑以下几点:A、拆下盖板时,要能以正常的视角看到所有的零部件; B、取放零部件时,要能从开口部分看到零部件; C、配置零部件时,要使零部件上的金属件、螺丝等能看到清而不受其他零部件遮蔽,也不受工作人员的手和工具的遮蔽; D、为了能识别,要在机体上和零部件上作出标记; E、需要调整的零部件,既要看得见调整外,又要在机体上或对应的显示器上显示其调整范围。2. 2模快化设计在整体式结构中,失效的零部件或元器件是分立而离散分布的,判明故障点比较困难,在维修中往往需大拆大卸,并受工具、测试设备、操作空间等维修条件的限制,不仅修复和更换速度慢,而且易影响维修后的质量,并且对维修人员的技术和技能要求比较高。模块是将一个单元体、组件、部件或零部件,设计成一个可以单独处理的单元,使其便于供应和安装、使用、维修。由于整机中的模块便于拆装、测试,所以模块化对维修有特别重大的意义,它使维修工作产生了革命性的变化,或者说,模块化带来了维修工作的革命。(1)简化维修,缩短维修时间:从维修着眼,模块是以从整机上整个地拆下来的设计部件,维修是以模块为单位进行的。由于模块易于从整机中拆卸和组装,简化了维修工作,缩短了维修时间。(2)易于测试诊断:模块间有明确的功能分割,能单独调试,且常有故障指示,出现故障后易于判断,并迅速找到有故障模块,缩短了故障诊断、定位时间。(3)降低对维修人员水平的要求:由于维修方式和维修条件和改善,可大大降低对维修人员的技术水平和技能的要求,并易于保证维修质量。如有备用模块、甚至设备的操作者就可及时进行快速更换。(4)减少预防性维修工作量:由于模块易于与产品剥离,许多模块可以拆下来,拿回到维修室进行维修,维修环境良好,维修工具齐全,可减少或避免现场维修;有时由于机器已装上备用模块而正常运转,对损坏的模块可从容不迫地进行维修,有助于保证修复性维修的质量。(5)有助于实施改进性维修:由于模块是“黑箱”型部件,有确定的功能和输入、输出接口,新技术模块只要功能与接口能相兼容,就可方便地用于改造老产品。(6)有助于售后服务(维修):现代企业都有一支数量不小的售后服务队伍,以便让用户满意。模块化产品不仅易于测试、诊断,并且由于模块通用性大、寿命长、生产批量大,大多数备件都是新产品上还在使用的零部件,易于取得,甚至可在市场上购得。(7)模块化设计对维修除有上述的技术性好处外,还可大大简化维修管理。2. 3测试诊断设计最基本的要求就是,测试诊断应准确、迅速、简捷。(1)对测试点配置的要求:A、测试点的种类与数量应适应各维修级别的需求,并考虑到测试技术不断发展的要求。B、测试点的布局要便于检测,并尽可能集中或分区集中,且可达性良好。其排列应有利于进行顺序的检测与诊断。C、测试点的选配应尽量适应原位检测的需要。产品内部及需修复的可更换单元还应配备适应数量供修理使用的测试点。D、测试点和测试基准不应设置在易损坏的部位。(2)对测试方式和设备的要求:A、应尽量采取原位(在线,实时与非实时的)测试方式。重要部位应尽量采用性能监测(视)和故障报警装置。对危险的征兆应能自动显示,自动报警。B、对复杂的设备系统,应采用机内测试(BIT),外部自动测试设备,测试软件,人工测试等,形成高的综合诊断能力,保证能迅速,准确地判明故障部位。要注意被测单元与测试设备的接口匹配。C、在机内测试、外部自动测试与人工测试之间要进行费用、效能的综合权衡,使系统诊断能力与费用达到最优化。D、测试设备应与主装备同时进行选配或研制、试验、交付使用。研制时应优先选用现行系统中适用的或通用的测试设备;必要时考虑测试技术的发展,研制新的测试设备。E、测试设备要求体积和质量小、在各种环境条件下可靠性高、操作方便、维修简单和通用化、多功能化。(3)故障诊断的一般要求:对于一个系统来说,故障诊断应该满足以下要求:A、对系统在各种方式和状态下均能可靠地进行检测,并能指出系统在各种方式下处于正常工作、发生故障、抑或性能退化的状态。B、能检测显示95%的系统故障,并能把其中90%的故障定位到更换单元。C、避免或尽量少使用外部测试仪器。D、故障检测和定位电路的失效率,不超过系统总失效率的5%。E、错误告警概率应小于1%。错误告警包括: a虚警:监控电路指示有故障,而实际上并不存在功能性故障; b故障没有被发现:发生了故障,但未显示出来; c故障识别错误:故障部位或性质显示的错误。(4)测试性设计一般准则:测试性是指产品(系统、子系统、设备或模块)能及时准确地确定其状态(可工作、不可工作、性能下降)和隔离其内部故障的一种设计特性。也就是须在产品设计时就考虑测试要素,使产品方便测试和(或)产品本身就能完成某些测试功能。测试性设计的一般要求如下: A、合理划分功能单元:只要有可能,应根据结构表示物理和电气的划分。因为实际维修单元是结构分解所得的模块。B、应为诊断对象配置内部和外部测试装置,并应确保BITE(内部测试装置)性能的修复和校准。C、测试过程(程序)和外部激励源,对部件本身及有关设备或整个系统不产生有害效果。尤其需注意检查会否构成影响安全的潜在通路。D、所有的总线系统对各种测量应都是可访问的。E、对于通用功能,应设计和编写诊断应用软件,以便维修人员可以迅速进行检测。F、应考虑维修中所需使用的外部设备及其测量过程,应考虑与外部设备的兼容性和配备必要的测试点。G、诊断系统应能通过相应的测量,对产品的使用功能、设计单元的状态和输出特性作出评价。H、测试方式的转换:每个诊断系统都不可能是完美无缺的,有时会造成对被测件(UUT)的测试不准;此时,可应用常规的、功能定位的测试方法,在可替换模块级确定故障位置,这些维修接口(测试点)也可用来检测模块的运行数据。2. 4防差错的设计防差错设计的一般要求如下: (1)设计时,应避免或消除在使用操作和维修时造成人失误的可能,即使发生失误也应不危机人机安全,并能立即发觉和纠正。(2)外形相近而功能不同的零部件,重要连接部位和安装时容易发生差错的零部件,应从构造上采取防差错措施或有明显的防止差错识别标志。(3)产品上应有必要的为防止差错和提高维修效率的标志。(4)测试点和与其他有关设备的连接点处,均应标明名称或用途以及必要的数据等,也可标明编号或代号。(5)需要进行注油保养的部位应设置永久性标志,必要时应设置标牌。(6)对可能发生操作差错的装置应有操作顺序号码和方向的标志。(7)对间隙较小,周围产品较多且安装定位困难的组合件、零部件等应有定位销、槽或安装位置的标志。(8)标志应根据产品的特点、使用、维修的需要,按照有关标准的规定采用规范化的文字,数字,颜色或光,图案或符号等表示。标志的大小和位置要适当,鲜明醒目,容易看到和辨认。(9)标牌和标志在装备使用、存放和运输条件下都必须是经久耐用的。3冗余设计容错技术的关键是冗余技术,即采用备用的硬件或软件参与系统的运行或处于准备状态,一旦系统出现故障,能自动切换,保持系统不间断地正常工作。冗余控制的概念,严格来讲是采用一定或成倍量的设备或元器件的方式组成控制系统来参加控制。当某一设备或元器件发生故障而损坏时,它可以通过硬件、软件或人为方式,相互切换作为后备设备或元器件,替代因故障而损坏的设备或元器件,保持系统正常工作,使控制设备因意外而导致的停机损失降到最低。提到冗余,这里还有一个概念———同步(synchroniza-tion)。它是指冗余系统的两个或多个处理器之间要经常比较各自的状态,根据一定的规则以决定系统是否工作在正常的状态。这种状态比较和系统可靠性的判定被称作同步。冗余控制的方式在工控领域根据不同的产品和客户不同的需求有多种多样,采用的方式也不尽相同。一般根据产品应用和客户需求的不同,冗余控制可分为: (1)处理器冗余(CPU冗余); (2)通信冗余(网络冗余); (3)I/O冗余; (4)电源冗余。按冗余的实现方式来分大致可分为: (1)硬冗余(hard-redundancy),即采用特殊的硬件模块或PLC中固化的程序来实现PLC同步、故障切换的冗余方式。(2)软冗余(soft-redundancy),即采用编程的方式来实现PLC同步、故障切换的冗余方式。按冗余的切换方式来分大致可分为: (1)热冗余(热备hot-back),即硬冗余方式,当主设备故障时,通过特定硬件判别、备份方式无间隙地自动切换到备用设备上,保持系统正常运行。(2)暖冗余(暖备或温备warm-back),即软冗余方式,主要通过编程方式来实现冗余。由于软冗余的实现受多方因素制约,系统切换的时间较硬冗余稍长,因此部分软冗余可能会使主设备在发生切换时有间隙或需要人为简单干预或预置才得以完善。(3)冷冗余(冷备cold-back),即一套或部分冗余的设备(如: CPU)不通电、不工作,准备待命(人为预置好)。当主设备故障时需要人工恢复系统运行。按照现在的严格定义,这种方式,并不算是冗余,只作备件理解。这种冗余一般应用于实时性不强、工艺连续性要求不高的场合。I/O冗余、电源冗余大多数属于硬冗余范畴,而处理器冗余、通信冗余(网络冗余)既可采用硬冗余实现也可以采用软冗余实现。一般硬冗余与软冗余相比,硬冗余投入较大,冗余实现和系统维护相对简单,系统性能较可靠,系统的切换速度会较快。适合于生产工艺要求较高、反应速度较快的装置和生产线。软冗余投入的成本比硬冗余小,软冗余不需要特殊的冗余模块或软件支持,但在冗余实现和系统维护方面比较繁琐并且一般的软冗余切换的速度稍慢,系统性能主要取决于编程者的编程水平和所选硬件的品质,这类冗余方式比较适用于生产工艺流程要求不太高、反应速度较慢、开停要求不严的装置和生产线。为了提高设备的可靠性,降低故障率,在设计时,对关键的部件或分系统,可采取额外附加部件或采取其他手段。其优点在于设备的一部分发生故障时,整个系统仍能正常工作,改变传统的一坏就修的弊端。冗余性设计有以下3种形式: (1)工作储备设计:对某一关键部件,采用2个以上与其相同的单元,共同完成某一功能的设计,并联、并串联、串并联等就是其常见的形式(2)表决储备设计: n个相同的单元中,只要有k个以上的单元不发生故障,系统就能正常工作,又称“n中取k”储备设计。(3)非工作储备设计:当设备的一个单元(或分系统)发生故障时,另一个未工作的单元(或分系统)通过故障监测装置及转换进入工作状态的设计。这样设计的优点是系统的可靠性高,缺点是增加了转换装置,若采用手动转换,可能会造成暂短的停机损失;若采用自动转换,则会增加设备的制造成本,因此,采用这种设计时,要在设备的高性能与其生产成本之间求得平衡。4结束语在生产过程开始之后再对设计进行修改必将会带来成本的增加,因此设计者如果在设计的初始阶段就考虑到产品的可维修性,那么此时更改设计所带来的损失相对较小。可维修性设计所带来的收益包括:降低操作成本和生命周期费用。实行可维修性设计的着眼点在于用户产品使用中(上接第52页)的维修经济性,目的是获取潜在的、长期的经济和社会效益。可维修性设计虽然会使成本有所增加,但较之在产品开始产生之后,甚至在用户使用过程中发现维修性问题,再对设计进行修改而来经济损失和声誉损失,仍然是相当经济的。[参考文献][1]甘茂治.维修性设计与验证[M].北京:国防工业出版社, 1995.[2]童时中.模块化原理、设计方法及应用[M].北京:中国标准出版社, 2000.[3]陈璐,蔡建国.可维修性设计及其技术方法研究[J].机械设计与研究, 2002, (2).[4]范永海,齐铁力.液压系统可维修性设计研究[J].液压与气动, 2003, (8).[5]赵中敏.容错技术在数控机床中的应用研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2003, (10).[6]张会奇,陈春良,高连华.维修性对装备维修工作量的影响分析[J].装甲兵工程学院学报, 2005, (2).[7]赵中敏. 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