数控四方刀架拆装调试

数控四方刀架拆装调试

企业名称姓 名考评职业资阳晨风电气有限公司 李 文 锋

资阳晨风电气有限公司 摘 要

本文介绍了四工位简易刀架。刀架采用三相异步电动机驱动，刀位检测采用霍尔元件。这种刀架只能单方向换刀，电动机正转换刀，反转锁紧。本文还介绍了刀架的拆装调试及刀架常见故障及排除。

关键词：拆装；刀架控制原理；刀架电气控制系统；自动换刀。

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资阳晨风电气有限公司 目 录

摘 要 ......................................................................................................................... I 第1章 机械结构 ....................................................................................................... 1

1.1 刀架总述 ......................................................................................................................... 1 1.2 数控车床的刀架分类 ..................................................................................................... 1 1.3数控车床四工位刀架 ...................................................................................................... 3 1.3.1换刀工作原理 .............................................................................................................. 3 1.3.2刀架拆装 ...................................................................................................................... 6

第2章：数控车刀架电气控制系统设计 ................................................................... 9

2.1霍尔原理在刀架中运用的简单概述 ............................................................................... 9 2.2四工位刀架PLC接线原理图 ........................................................................................ 10

第3章：刀架调试及故障分析 ................................................................................. 12

3.1机械与电气调试部分 .................................................................................................... 12 3.2数控车床刀架常见故障的实例分析 ............................................................................. 13 3.3 刀架使用注意事项 ..................................................................................................... 14

第4章 结论 ............................................................................................................. 15 参 考 文 献 ......................................................................................................... 16

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资阳晨风电气有限公司 第1章 机械结构

1.1 刀架总述

数控刀架安装在数控车床的滑板上。它上面可以装夹多把刀具，在加工中实现自动换刀刀架的作用是装夹车刀，孔加工刀具及螺纹刀具并能准确迅速的选择刀具进行对工件的切削。刀架滑板由纵向（Z轴）滑板和横向（X轴）滑板组成，Z轴滑板安装在床身导轨上，可以沿床身纵向运动，横向滑板安装在纵向滑板上，能沿纵向滑板的导轨进行横向运动，刀架滑板的作用是安装在其上的刀架刀具在加工中实现纵向和横向的进给运动。

1.2 数控车床的刀架分类

1.排刀式刀架一般用于小规格的数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。在排刀式刀架中，夹持着各种不同用途的刀具沿着机床X坐标方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图1-1，所示：

图1-1常见排刀式刀架

这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这样换刀方式迅速省时，有利于提高机床的效率。

2.回转刀架

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资阳晨风电气有限公司 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，是一种最简单的自动换刀装置。回转刀架上回转头各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转、分度和定位，实现机床的自动换刀。回转刀架分度准确、定位可靠、重复定位精度高、转位速度快、夹紧性好，可以保障数控车床的高精度和高效率。回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。

数控机床使用的回转刀架是比较简单的自动换刀装置，常用的类型有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。回转刀架根据刀架回转轴与安装地面的相对位置，又分为立式刀架和卧式刀架两种，立式回转轴垂直于机床主轴，多用于经济型数控车床，卧式回转刀架的回转轴平行于机床主轴，可径向与轴向安装刀具。

图1-2常见回转刀架结构

3.带刀库的自动换刀装置

上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。

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资阳晨风电气有限公司 图1-3常见带刀库的换刀装置

1.3数控车床四工位刀架

1.3.1换刀工作原理

按下换刀键或输入换刀指令后，电机正转，并经联轴器，由滑键带动蜗杆、涡轮、轴、轴套转动。轴套的外圆上有两处凸起，可在套筒内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒相连的刀架及上端齿盘，使齿盘与下端齿盘分开，完成刀架抬起动作。刀架抬起后，轴套仍在继续转动，同时带动刀架转过90°（如不到位，刀架还可继续转位180°、270°、360°)，并由微动开关发出信号给数控装置。刀架转到位后，由微动开关的信号使电动机反转，利用销使刀架定位而不再随轴套回转，于是刀架向下移动，上下端齿盘合拢压紧。蜗杆继续转动并产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的外圆曲面压缩开关使电动机停止旋转，从而完成一次转位。

对于四工位自动回转刀架来说，它最多装有4 把刀具，微机系统控制的任务，就是选中任意一把刀具，让其回转到工作位置。现以其中任意一把刀具1#刀为例简述刀架换刀的过程。

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图1-4为1#刀转到工作位置的流程图

经济型数控车床刀架式在普通车床四方位刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方位刀架一样：有四个刀位，能夹持四把不同功能的刀具，方刀架回转90度时，刀架交换一个刀位，但方刀架回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、

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资阳晨风电气有限公司 刀架定位和夹紧。完成上述动作要求，要有相应的机构来实现，下面就以四工位刀架为例来说明其结构与原理，如图1-4所示。

图1-5 刀架结构

1—电动机；2—联轴器；3—涡轮轴；4—蜗轮丝杠；5—刀架底座；6—粗定位盘；7—刀架体；8—球头销；9—转位套；10—电刷座；11—发信体；12—螺母；13.14—电刷；15—粗定位销；

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资阳晨风电气有限公司 该刀架可以安装4把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。当换刀指令发出后，小型电动机1启动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。涡轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称为蜗轮丝杠。刀架体7内孔加工有内螺纹，与涡轮丝杠旋合。蜗轮丝杠与刀架中心轴外圆是滑动配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当涡轮开始旋转时，由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在黏合状态，且涡轮丝杠轴向固定，这时刀架体7抬起。当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠4连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160°（如图A-A所示），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。刀架体7转动时带着电刷10转动，当转到程序指定的刀号时，定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，使电动机1反转，由于粗定位槽的，刀架体7不能转动，使其在该位置上垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿黏合，实现精确定位。电动机继续反转，此时涡轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，随着夹紧力的增加，转矩不断扩大，达到一定值时，在传感器控制下，电动机1停止转动。

译码装置由发信体11、电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。刀架不定期会出现过位或不到位时，可松开螺母12调好发信体11与电刷14的相对位置。

这种刀架在经济型数控车床及普及车床的控制化改造中广泛运用。 通常为90° 1.3.2刀架拆装

（1）拆下闷头，用内六角扳手顺时针转动蜗杆，使离合盘松开，其外形结构如

图1-6所示。

图1-6 刀架外形图

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资阳晨风电气有限公司 （2）拆下铝盖，罩座。

（3）拆下刀位线，拆下小螺母，取出发讯盘。如图1-7所示

图1-7 发信体

（4）拆下大螺母，止退圈，取出键，轴承。

（5）取下离合盘，离合销（球头销）及弹簧。如图1-8所示

图 1-8 定位销、反靠销（粗定位销）、弹簧

（6）夹住反靠销逆时针旋转上刀体，取出上刀体。如图1-9所示

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图1-9 上刀体（刀架体）

（7）拆下电机罩，电机，联接座，轴承盖，蜗杆。

（8）拆下螺钉，取出定轴，蜗轮，螺杆，轴承。如图1-10所示

图1-10 蜗轮丝杆

（9）拆下反靠盘，防护圈。 （10）拆下外齿圈。

2）装配顺序

（1）装配时所有零件清洗干净，传动部件上润滑脂。 （2）按拆卸反顺序装配。

转动电动机，是否能轻松实现刀架抬起、刀架转位、刀架定位、刀架锁紧，若无法实现则未装配好，必须拆卸蜗轮丝杆、转位套、球头销、刀架体、定位销等重新装配。

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资阳晨风电气有限公司 第2章：数控车刀架电气控制系统设计

电气是机械的大脑，通过对电气原理的设计可以执行复杂的机械动作。本章主要讲述的是数控刀架电气知识，通过对霍尔效应、刀架的接线原理图和具体的经济型刀架换刀过程的梯形图介绍让我们对刀架的电气原理运用有更深一步的认识。

2.1霍尔原理在刀架中运用的简单概述

精度是一台数控机床的生命，假如机床丧失了精度也就丧失了加工生产的意义了，数控机床精度的保障很大一部分源于霍尔元件的检测精准性。

在数控机床上常用到的是霍尔接近开光：霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。

用霍尔开关检测刀位。首先，得到换刀信号，即换刀开关接通先接通。随后电机通过驱动放大器正转，刀架抬起，电机继续正转，刀架转过一个工位，霍尔元件检测是否为所需刀位，若是，则电机停转延时再反转刀架下降压紧，若不是，电机继续正转，刀架继续转位直至所需刀位。

NC 霍尔元件 系统 T 功能 指令 换刀指令 刀位选择 驱动放大与逻辑保护电路 图2-1 霍尔元件执行图

执行元件 接通整个电路电源，将换刀开关置于自动挡，再按下开始开关进行换刀，正传线圈自锁，自动进行换刀。当转到所需刀位时，刀位对应霍尔元件自动断

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资阳晨风电气有限公司 开，电机停止正转。并接通反转电路，延时反转，刀架下降并压紧。

从执行图与分析中可以看出霍尔元件在数控机床中的重要作用。它不但起到了检测与反馈作用，而且也是数控机床精度可靠性的保障。

2.2四工位刀架PLC接线原理图

数控机床刀架是由机床PLC来进行控制，对于普通的四工位刀架来说，控制比较简单，一般用于普通的车床。我们分析车床刀架的控制原理其实就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实是通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算。实现刀架的顺序控制。另外为了保证换刀能够正确进行，系统一般还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。在分析之前，我们首先了解刀架控制的电气部分。刀架电气控制部分如图2-2所示。图中的a是刀架控制的强电部分，主要是控制刀架电机的正转和反转，来控制刀架的正转和反转；图b是刀架控制的交流控制回路，主要是控制两个交流接触器的导通和关闭来实现a中的强电控制；图c部分是刀架控制的继电器控制回路及PLC的输入及输出回路，整个过程的控制最终是由这个模块来完成的。

刀架强电

刀架正转 刀架反转

10.63670.76776刀架正传

刀架反转

1号刀位信号

56935610652号刀位信号 3号刀位信号 4号刀位信号 手动刀选择 手动刀启动

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刀架电机

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(a)强电电路 （b）接触器电路 （c）PLC输入/输出电路

图2-2 刀架控制接线回路

图中各器件的作用如下： 序号 名称 含义 1 M2 刀架电动机

2 QF3 刀架电动机带过载保护的电源空开 3 KM5、KM6 刀架电动机正、反转控制交流接触器 4 KA1 由急停控制的中间继电器

5 KA6、KA7 刀架电动机正、反转控制中间继电器 6 S1~S4 刀位检测霍尔开关 7 SB11 手动刀位选择按钮 8 SB12 手动换刀启动按钮 9 RC3 三相灭弧器

10 RC9、RC10 单相灭弧器 自动刀架控制涉及到的I/O信号如下：

PLC输入信号： X3.0~X3.3：1~4号刀到位信号输入； X30.6：手动刀位选择按钮信号输入； X30.7：手动换刀启动按钮信号输入；

PLC输出信号： Y0.6：刀架正转继电器控制输出； Y0.7：刀架反转继电器控制输出。

接线回路图简析：假设，PLC输入/输出电路中输入1号刀同时选择手动刀选择。这时，SB11闭合KA6线圈得电反转KA6触点断开实现互锁。接触器回路中的KA6触点导通（KA1始终处于闭合状态）KM5线圈得电反转KM5反转触点断开实现双重互锁。刀架正转接触器回路导通，在强电回路总的KM5触点闭合刀架正转。当霍尔元件检测到1号刀的到位信号时，刀架开始定位锁紧，电机停转，换到结束。其他3把刀换刀方式依次类推。

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资阳晨风电气有限公司 第3章：刀架调试及故障分析

3.1机械与电气调试部分

1．刀架不能启动

机械方面：刀架预紧力过大。当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力时，可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动。此种现象出现，可确定刀架不能启动的原因是预紧力过大，可通过调小刀架电机夹紧电流即可。

刀架内部机械卡死。当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，其原因是机械卡死。首先，检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接；其次，检查主轴螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋转件研死，此时，应拆开，观察实际情况，加以润滑处理。

电气方面：电源不通、电机不转。检查溶芯是否完好、电源开关是否良好接通、开关位置是否正确。当用万用表测量电容时，电压值是否在规定范围内，可通过更换保险、调整开关位置、使接通部位接触良好等相应措施来排除。除此以外，电源不通的原因还可考虑刀架至控制器断线、刀架内部断线、电刷式霍尔元件位置变化导致不能正常通断等情况。

电源通，电机反转。可确定为电机相序接反。通过检查线路，变换相序排除之。

手动换刀正常、机控不换刀。此时应重点检查微机与刀架控制器引线、微机I/O接口及刀架到位回答信号。

2．刀架连续运转、到位不停

由于刀架能够连续运转，所以，机械方面出现故障的可能性较小，主要从电气方面检查。

检查刀架到位信号是否发出，若没有到位信号，则是发讯盘故障。此时可检查：发讯盘弹性触头是否磨坏、发讯盘地线是否断路或接触不良或漏接，是否需要更换弹性片触头或重修，针对其线路中的继电器接触情况、到位开关接触情况、线路连接情况相应地进行线路故障排除。

当仅出现某号刀不能定位时，则一般是由于该号刀位线断路所至。 3．刀架越位过冲或转不到位

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资阳晨风电气有限公司 刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大。主要是后靠装置不起征作用。

检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳。此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧。

检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需更换连接销。若仍出现过冲现象，则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。

出现刀架运转不到位（有时中途位置突然停留），主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀位信号胶木盘位置固定偏移所至。此时，应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠。

4．刀架不能正常夹紧 出现该故障时应当:

检查夹紧开关位置是否固定不当，并调整至正常位置。

用万用表检查其相应线路继电器是否能正常工作，触点接触是否可靠。若仍不能排除，则应考虑刀架内部机械配合是否松动。有时会出现由于内齿盘上有碎屑造成夹紧不牢而使定位不准，此时，应调整其机械装配并清洁内齿盘。

3.2数控车床刀架常见故障的实例分析

在机械加工领域中，数控机床是集电力电子、自动控制、电机、传感器、计算机、机床、液压、气动等技术于一体的典型机电产品。它具有加工柔性好、精度高、生产效率高等优点。但在使用中也易出现问题，一旦出现了故障，往往比较棘手，尤其是在加工精度稳定性方面，轻则零件加工精度降低，重则导致零件报废甚至整个生产线停产。引起加工精度不稳定的因素是多方面的，刀架定位精度不准确是主要因素。以CK6140 数控车床为例，针对电动刀架发生定位精度不稳定现象做进一步的分析及其检修过程。

1.本厂有有10 台CK6140D 数控车床，系统配置采用SINUNER1K802D系统。经过一个月时间使用发现其中有1 台机床加工尺寸精度不稳定（30 个零件之中有6 个件尺寸达不到图纸要求）造成了小批量零件报废，其加工误差范围在0.03～0.08 mm之间。经过各项检测，引起此故障的原因是由于刀架定位精度不准确。

刀架定位精度不准确的原因

刀架动作顺序：换刀信号→电机正转→刀架转位→到位信号→电机反转→

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资阳晨风电气有限公司 初定位→精定位夹紧→电机过流停转→换刀信息反馈→换刀结束

弱电部分由位置传感器（霍尔元件）组成，每个霍尔元件对应电动刀架一个工位。对刀架控制工作原理及刀架机械传动原理进行分析，得知影响刀架的重复定位精度产生误差的原因：刀盘连接部件松动；定位牙盘内有污物；霍尔元件开关位置不良，造成电器控制失效；每次刀盘到位的夹紧力不均。

2 .刀架的检修过程

（1）对刀架机械传动部分进行检修。检修时拆下箱盖板发现此刀架传动螺杆与传动轴有污物，此时需进行刀架清洗上油。通过检修可以对刀架连接部件的松动、定位牙盘内的污物、霍尔元件开关位置的不良造成电器控制失效等故障排除。（2）检修刀架到位后的夹紧力不均导致加工精度不稳定。从刀架控制原理可以看出，正转由K1 继电器控制，反转由K2 控制，RC是抗干扰夹弧器，拆开刀架控制盒盖板，输入换刀指令，T2 计算机输出TL+ 正转信号，K1 继电器吸合，三相主触点闭合，电机得电正转。当二号刀到位后，霍尔元件与磁钢导通，发出到位信号送回数控系统，系统按到反馈信号电平后，中断正转信号。同时发出TL- 反转信号，K2 继电器吻合，反三相主触点闭合，电机反转使刀架锁紧。K2 继电器吸合时，用万用表测量其输出电压是否为AC380 V。如果此电压不是AC380 V，将可以断定K2 中间继电器。继电器触点接触不良，引起输出AC380 V三相电压不平衡。电机反转锁紧刀架时，保护空气开关没有出现过流断路，以致换刀时间短，电机反转瞬间。

转功率不够，是因电机反相锁紧力达不到1.2 N，刀架夹紧力不够造成刀盘定位精度不准。此时应该拆下刀架控制盒，拔下K2 中间继电器，并更换，更换后，再连接好线路。刀架控制电路可以不采用刀架厂生产的刀架控制盒，而直接用交流接触器代替刀架控制盒K1，K2 中间继电器拖动刀架电机。这样可以增强刀架控制线路的稳定性。最后对多个零件进行试加工，结果显示，尺寸准确。表明故障已经排除。

3.3 刀架使用注意事项

1.刀架电机采用三相380V特殊刀架电机，刀架连续运行时，每分钟换刀

次数不得超过6次，否则会烧坏电机。

该刀架反转锁紧时间为1.2-1.3秒。反转锁紧时间设置过长会使电机温度过高而损坏电机。反转时间设置过短会使刀架不能充分锁紧。在每台刀架的合格证上都注明了该刀架的准确锁紧时间。

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资阳晨风电气有限公司 第4章 结论

通过努力，在老师的指导帮助下，我的数控车床四工位刀架拆装调试顺利完成。

本论文的结构大致分为三部分。第一部分阐述了刀架的机械原理，第二部分介绍的是数控刀架的电气方面知识，第三部分通过刀架调试及故障实例分析总结了刀架的更多细节原理。从这三部分的学习研究让我对刀架有了更深一步的认识。

同时，在这课程设计，我也发现了自己的许多不足。首先，在确定好课题时收集资料的不够及时和全面这也耽误了下面论文的进度。其次，由于时间的原因刀架中的一些更加细节的东西还没来的及更加深入的学习，如：刀架反转锁紧所需要的时间，霍尔效应在机床中更加详细的运用。课程设计对以前学过的理论知识起到了回顾作用，并对其加以进一步的消化和巩固。通过本次设计，我的知识领域得到了进一步扩展，专业技能得到了进一步提高，同时增强了分析和解决工程实际的综合能力。在技校的学习过程中，课程设计是一个重要的环节，我十分有幸能把课程设计和实际工作结合起来。

在工厂中我们遇到刀架类似故障一般采取更换新刀架的措施，LD4刀架2004年的价格是1200元一台，现在是3000多元一台。刀架从其结构看其易损件主要是定位销、球头销、粗定位销、弹簧这些配件价格比较便宜且易采购，做为维修人员来说要尽量减少维修成本，不要什么都换，能修则尽力修，这样巩固了维修基础也提高了个人的第二技能。做为现在的维修电工不光是电，在机械上也应该有所长这样才不会被高速发展的社会所淘汰，所以我选择了刀架拆装调试这个题目，以此说明机电一体化对我的重要性。

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致 谢

课程设计就这样忙碌与充实中顺利完成了。可是，当我正式开始做的时候才发现，原来我还欠缺的那么多。是机与电的结合，可是也要把两者分开并且针对每一部分都要详细阐述。这真的难道了我，一方面：在机械方面，我本身学的就是一般，这篇论文还要详细介刀架拆装的相关知识，所以我感到了莫大的压力；另一方面：在电气方面也存在一些内容我们之前并没有学到如：霍尔效应的等。面对这些困难，我得到了技校老师、周勇技能大师等帮助，同样我也感受到了自学的重要性。

通过这篇论文我进一步的了解了自己，明白了自身的不足。许多细节的把握，方向的确定还不够明确，这都需要我今后的努力，同时也明白了查阅资料在做论文中的重要性。

至此，我感谢南车，感谢四方技校，感谢谆谆教导我的老师们，感谢我的朋友们，是你们给了我信心，使我顺利完成这次课程设计。

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资阳晨风电气有限公司 参 考 文 献

[1] 张万忠、刘明芹.电器与PLC控制技术 [M].北京：化学工业出版社，2008. [2] 李发海、王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2008. [3] 王田苗,丑武胜.机电控制基础理论及应用[M].北京:清华大学出版社，2003. [4] 张凤珊,祖龙起.电气控制及可编程序控制器[M].中国轻工业出版社2003. [5] 王永章. 数控技术[M]. 北京：高等教育出版社，2001. [6] 李佳. 数控机床及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2001.. [7] 董玉红. 数控技术[M]. 北京：高等教育出版社，2004. [8] 林宋. 现代数控机床[M]. 北京：化学工业出版社，2003. [9] 许衡.数控机床故障诊断维修[M].北京:化学工业出版社,2005.

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