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I 畢業(yè)設(shè)計說明書 設(shè)計題目：320mm 的數(shù)控車床總體設(shè)計及液壓尾座設(shè)計 學 生 班 級 學 號 指導教師 繼 續(xù) 教 育 學 院 二零一二年九月 II 摘 要 數(shù)控機床作為機電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機械制造中結(jié)構(gòu)復雜、精密、 批量、零件多變的問題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。 本文的主要內(nèi)容有： 1介紹數(shù)控車床數(shù)控化設(shè)計的目的意義及設(shè)計的必要性； 2.對 320mm 數(shù)控車床進行經(jīng)濟性評價詳細論證，確定數(shù)控車床設(shè)計方案； 3.設(shè)計液壓尾座； 4.繪出相應(yīng)的裝備圖； 5給出數(shù)控車床的安裝、調(diào)試方法。 關(guān)鍵詞：數(shù)控車床，數(shù)控，設(shè)計 III 目 錄 第 1 章 數(shù)控機床發(fā)展概述.1 1.1 數(shù)控機床 .1 1.1.1 數(shù)控機床的特點 .1 1.1.2 數(shù)控機床的發(fā)展簡史 .1 1.1.3 數(shù)控機床的分類 .2 1.1.4 數(shù)控機床的組成 .5 1.1.5 數(shù)控機床的數(shù)字控制 .6 1.1.6 數(shù)控機床的伺服機構(gòu) .6 1.1.7 數(shù)控機床的關(guān)鍵零部件 .7 1.1.8 數(shù)控機床的發(fā)展方向 .7 1.2 數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 .11 1.2.1 工藝范圍 .11 1.2.2 加工精度 .11 1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 .12 1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向 .14 第 2 章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較.15 2.1 總體方案設(shè)計的內(nèi)容 .15 2.1.1 系統(tǒng)運動方式的確定 .15 2.1.2 伺服系統(tǒng)的選擇 .16 2.1.3 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定 .16 2.1.4 計算機的選擇 .16 2.2 總體設(shè)計方案的確定 .17 2.2.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 .17 2.2.2 計算機系統(tǒng) .17 2.2.3 機械傳動方式 .17 第 3 章 液壓尾座總體設(shè)計.17 3.1 液壓尾座研究背景和意義 .17 3.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 .18 IV 3.3 論文的主要研究內(nèi)容 .21 3.4 尾座的整體設(shè)計 .21 第 4 章 尾座各部分的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計.23 4.1 尾座體的設(shè)計 .23 4.2 尾座主軸的設(shè)計 .24 4.3 尾座頂尖的設(shè)計 .24 4.4 螺塞缸的設(shè)計 .25 4.5 尾座導軌的設(shè)計 .25 4.6 尾座孔系設(shè)計 .26 4.6.1 主軸孔的設(shè)計 .26 4.6.2 孔和鍵的設(shè)計 .27 4.6.3 配合 .27 4.6.4 密封及偏心軸的設(shè)計 .28 4.7 撓度、轉(zhuǎn)角、鎖緊力的計算及校核 .28 4.7.1 撓度的計算 .29 4.7.2 轉(zhuǎn)角的計算 .29 4.7.3 壓板處螺栓的選擇及校核 .29 第 5 章 尾座精度的確定.31 5.1 表面粗糙度的確定 .31 5.2 尾座與機床形位公差的確定 .31 5.3 底面及立導向面形位公差的確定 .32 第 6 章 數(shù)控硬件電路設(shè)計.33 6.1 硬件電路設(shè)計 .33 6.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) .33 6.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 .33 6.2 關(guān)于各線路元件之間線路連接 .34 6.3 關(guān)于電路原理圖的一些說明 .35 總 結(jié).38 參考文獻.39 V 致 謝.40 1 第 1 章 數(shù)控機床發(fā)展概述 1.1 數(shù)控機床 數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息（程序指令） ，控制刀具按給定的工作程 序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。 1.1.1 數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工 性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻 繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、 鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進 行多工序加工的加工中心、車削中心等。 1.1.2 數(shù)控機床的發(fā)展簡史 1948 年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機螺旋槳葉片輪廓樣板的加 工設(shè)備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出計 算機控制機床的設(shè)想。1949 年，該公司在美國麻省理工學院（MIT）伺服機構(gòu)研究室 的協(xié)助下，開始數(shù)控機床研究，并于 1952 年試制成功第一臺由大型仿形車床改裝而成 的三坐標數(shù)控車床，不久即開始正式生產(chǎn)，于 1957 年正式投入使用。這是制造技術(shù)發(fā) 展過程中的一個重大突破，標志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時代的開始。數(shù)控加工是現(xiàn)代 制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對于制造行業(yè)而言，具有劃時代的意義和深遠的影響。世 界上主要工業(yè)發(fā)達國家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。 當時的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有 特殊需要的部門用來加工復雜型面零件；1959 年，制成了晶體管元件和印刷電路板， 使數(shù)控裝置進入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960 年以后，較為簡單和經(jīng)濟 的點位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控車床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機床在機械制造業(yè) 各部門逐步獲得推廣。我國于 1958 年開始研制數(shù)控機床，成功試制出配有電子管數(shù)控 系統(tǒng)的數(shù)控機床，1965 年開始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標數(shù)控車床。 1965 年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠 2 性提高，價格進一步下降，促進了數(shù)控機床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60 年代末，先后出現(xiàn) 了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數(shù)控系統(tǒng)（簡稱 DNC） ，又稱群控系統(tǒng)；采 用小型計算機控制的計算機數(shù)控系統(tǒng)（簡稱 CNC）,使數(shù)控裝置進入了以小型計算機化 為特征的第四代。 1974 年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數(shù)控裝置（簡稱 MNC） ，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴大了一倍，而 體積則縮小為原來的 1/20，價格降低了 3/4，可靠性也得到極大的提高。 80 年代初，隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進行人機對話式自動編制 程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數(shù)控機床的自動化 程度進一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。 1.1.3 數(shù)控機床的分類 數(shù)控機床的品種很多，根據(jù)其加工、控制原理、功能和組成，可以從以下幾個不 同的角度進行分類。 一、按加工工藝方法分類 1金屬切削類數(shù)控機床 與傳統(tǒng)的車、銑、鉆、磨、齒輪加工相對應(yīng)的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控車床、 數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機床等。盡管這些數(shù)控機床在加工工藝方法上存 在很大差別，具體的控制方式也各不相同，但機床的動作和運動都是數(shù)字化控制的， 具有較高的生產(chǎn)率和自動化程度。 在數(shù)控數(shù)控機床加裝一個刀庫和換刀裝置就成為數(shù)控加工中心機床。加工中心機 床進一步提高了數(shù)控數(shù)控機床的自動化程度和生產(chǎn)效率。例如銑、鏜、鉆加工中心， 它是在數(shù)控車床基礎(chǔ)上增加了一個容量較大的刀庫和自動換刀裝置形成的，工件一次 裝夾后，可以對箱體零件的四面甚至五面大部分加工工序進行銑、鏜、鉆、擴、 鉸以 及攻螺紋等多工序加工，特別適合箱體類零件的加工。加工中心機床可以有效地避免 由于工件多次安裝造成的定位誤差，減少了機床的臺數(shù)和占地面積，縮短了 輔助時間， 大大提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。 2特種加工類數(shù)控機床 除了切削加工數(shù)控機床以外，數(shù)控技術(shù)也大量用于數(shù)控電火花線切割機床、數(shù)控 電火花成型機床、數(shù)控等離子弧切割機床、數(shù)控火焰切割機床以及數(shù)控激光加工機床 3 等。 3板材加工類數(shù)控機床 常見的應(yīng)用于金屬板材加工的數(shù)控機床有數(shù)控壓力機、數(shù)控剪板機和數(shù)控折彎機 等。 近年來，其它機械設(shè)備中也大量采用了數(shù)控技術(shù)，如數(shù)控多坐標測量機、自動繪 圖機及工業(yè)機器人等。 二、按控制運動軌跡分類 1點位控制數(shù)控機床 點位控制數(shù)控機床的特點是機床移動部件只能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精 確定位，在移動和定位過程中不進行任何加工。機床數(shù)控系統(tǒng)只控制行程終點的坐標 值，不控制點與點之間的運動軌跡，因此幾個坐標軸之間的運動無任何聯(lián)系。可以幾 個坐標同時向目標點運動，也可以各個坐標單獨依次運動。 這類數(shù)控機床主要有數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點焊機等。點位 控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置稱為點位數(shù)控裝置。 2直線控制數(shù)控機床 直線控制數(shù)控機床可控制刀具或工作臺以適當?shù)倪M給速度，沿著平行于坐標軸的 方向進行直線移動和切削加工，進給速度根據(jù)切削條件可在一定范圍內(nèi)變化。 直線控制的簡易數(shù)控車床，只有兩個坐標軸，可加工階梯軸。直線控制的數(shù)控車 床，有三個坐標軸，可用于平面的銑削加工?，F(xiàn)代組合機床采用數(shù)控進給伺服系統(tǒng)， 驅(qū)動動力頭帶有多軸箱的軸向進給進行鉆鏜加工，它也可算是一種直線控制數(shù)控機床。 數(shù)控鏜車床、加工中心等機床，它的各個坐標方向的進給運動的速度能在一定范 圍內(nèi)進行調(diào)整，兼有點位和直線控制加工的功能，這類機床應(yīng)該稱為點位/直線控制的 數(shù)控機床。 3輪廓控制數(shù)控機床 輪廓控制數(shù)控機床能夠?qū)蓚€或兩個以上運動的位移及速度進行連續(xù)相關(guān)的控制， 使合成的平面或空間的運動軌跡能滿足零件輪廓的要求。它不僅能控制機床移動部件 的起點與終點坐標，而且能控制整個加工輪廓每一點的速度和位移，將工件加工成要 求的輪廓形狀。 4 常用的數(shù)控車床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機床。數(shù)控火焰 切割機、電火花加工機床以及數(shù)控繪圖機等也采用了輪廓控制系統(tǒng)。輪廓控制系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)要比點位/直線控系統(tǒng)更為復雜，在加工過程中需要不斷進行插補運算，然后進行 相應(yīng)的速度與位移控制。 現(xiàn)在計算機數(shù)控裝置的控制功能均由軟件實現(xiàn)，增加輪廓控制功能不會帶來成本 的增加。因此，除少數(shù)專用控制系統(tǒng)外，現(xiàn)代計算機數(shù)控裝置都具有輪廓控制功能。 三、按驅(qū)動裝置的特點分類 1開環(huán)控制數(shù)控機床 這類控制的數(shù)控機床是其控制系統(tǒng)沒有位置檢測元件，伺服驅(qū)動部件通常為反應(yīng) 式步進電動機或混合式伺服步進電動機。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個進給指令，經(jīng)驅(qū)動電路 功率放大后，驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個角度，再經(jīng)過齒輪減速裝置帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，通過 絲杠螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移。移動部件的移動速度與位移量是由輸 入脈 沖的頻率與脈沖數(shù)所決定的。此類數(shù)控機床的信息流是單向的，即進給脈沖發(fā)出去后， 實際移動值不再反饋回來，所以稱為開環(huán)控制數(shù)控機床。 開環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。但是，系統(tǒng)對移動部件的實際位 移量不進行監(jiān)測，也不能進行誤差校正。因此，步進電動機的失步、步距角誤差、齒 輪與絲杠等傳動誤差都將影響被加工零件的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)僅適用于加工精度要 求不很高的中小型數(shù)控機床，特別是簡易經(jīng)濟型數(shù)控機床。 2閉環(huán)控制數(shù)控機床 閉環(huán)控制數(shù)控機床是在機床移動部件上直接安裝直線位移檢測裝置，直接對工作 臺的實際位移進行檢測，將測量的實際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移 值進行比較，用差值對機床進行控制，使移動部件按照實際需要的位移量運動，最終 實現(xiàn)移動部件的精確運動和定位。從理論上講，閉環(huán)系統(tǒng)的運動精度主要取決于 檢測 裝置的檢測精度，也與傳動鏈的誤差無關(guān)，因此其控制精度高。圖 1-3 所示的為閉環(huán) 控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖。圖中 A 為速度傳感器、 C 為直線位移傳感器。當位移指令 值發(fā)送到位置比較電路時，若工作臺沒有移動，則沒有反饋量，指令值使得伺服電動 機轉(zhuǎn)動，通過 A 將速度反饋信號送到速度控制電路，通過 C 將工作臺實際位移量反饋 回去，在位置比較電路中與位移指令值相比較，用比較后得到的差值進行位置控制， 直至差值為零時為止。這類控制的數(shù)控機床，因把機床工作臺納入了控制環(huán)節(jié)，故稱 5 為閉環(huán)控制數(shù)控機床。 閉環(huán)控制數(shù)控機床的定位精度高，但調(diào)試和維修都較困難，系統(tǒng)復雜，成本高。 3半閉環(huán)控制數(shù)控機床 半閉環(huán)控制數(shù)控機床是在伺服電動機的軸或數(shù)控機床的傳動絲杠上裝有角位移電 流檢測裝置（如光電編碼器等） ，通過檢測絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測移動部件的實際位移， 然后反饋到數(shù)控裝置中去，并對誤差進行修正。圖 1-4 所示的為半閉環(huán)控制數(shù)控機床 的系統(tǒng)框圖。圖中速度傳感器、角度傳感器。通過測速元件 A 和光電編碼盤 B 可 間接檢測出伺服電動機的轉(zhuǎn)速，從而推算出工作臺的實際位移量，將此值與指令值進 行比較，用差值來實現(xiàn)控制。由于工作臺沒有包括在控制回路中，因而稱為半閉環(huán)控 制數(shù)控機床。 半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度 檢測裝置和伺服電動機設(shè)計成一體，這樣，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。 4混合控制數(shù)控機床 將以上三類數(shù)控機床的特點結(jié)合起來，就形成了混合控制數(shù)控機床。混合控制數(shù) 控機床特別適用于大型或重型數(shù)控機床，因為大型或重型數(shù)控機床需要較高的進給速 度與相當高的精度，其傳動鏈慣量與力矩大，如果只采用全閉環(huán)控制，機床傳動鏈和 工作臺全部置于控制閉環(huán)中，閉環(huán)調(diào)試比較復雜?；旌峡刂葡到y(tǒng)又分為兩種形 式： （1）開環(huán)補償型。圖 1-5 為開環(huán)補償型控制方式。它的基本控制選用步進電動機 的開環(huán)伺服機構(gòu)，另外附加一個校正電路。用裝在工作臺的直線位移測量元件的反饋 信號校正機械系統(tǒng)的誤差。 （2）半閉環(huán)補償型。圖 1-6 為半閉環(huán)補償型控制方式。它是用半閉環(huán)控制方式取 得高精度控制，再用裝在工作臺上的直線位移測量元件實現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速 度與高精度的統(tǒng)一。其中是速度測量元件（如測速發(fā)電機） ，B 是角度測量元件，C 是直線位移測量元件。 1.1.4 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng) 組成。控制系統(tǒng)用于數(shù)控機床的運算、管理和控制，通過輸入介質(zhì)得到數(shù)據(jù)，對這些 數(shù)據(jù)進行解釋和運算并對機床產(chǎn)生作用；伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動機床，把 來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換成機床移動部件的運動指令，使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代 6 碼規(guī)定的運動；檢測系統(tǒng)則是用來檢測機床執(zhí)行件(工作臺、轉(zhuǎn)臺、滑板等)的位移和速 度變化量，并將檢測結(jié)果反饋到輸入端，與輸入指令進行比較，根據(jù)其差別調(diào)整機床 運動；機床傳動系統(tǒng)是由進給伺服驅(qū)動元件至機床執(zhí)行件之間的機械進給傳動裝置； 輔助系統(tǒng)種類繁多，如：固定循環(huán)(能進行各種多次重復加工)、自動換刀(可交換指定 刀具)、傳動間隙補償償機械傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙誤差)等等。 1.1.5 數(shù)控機床的數(shù)字控制 數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運算部分、控制部分 和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實現(xiàn)的控制功能分為點位控制、直線控制、連續(xù)軌跡 控制三類。 點位控制是只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準確定位，然后進行定點加 工，而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐 標鏜床等。 直線控制是除控制直線軌跡的起點和終點的準確定位外，還要控制在這兩點之間 以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有平面銑削用的數(shù)控車床，以及階 梯軸車削和磨削用的數(shù)控車床和數(shù)控磨床等。 連續(xù)軌跡控制（或稱輪廓控制）能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標方向的聯(lián)合運 動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補運算的功能， 使刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐標方向的運動速度， 以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數(shù)控 車床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。 1.1.6 數(shù)控機床的伺服機構(gòu) 伺服機構(gòu)分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種類型。開環(huán)伺服機構(gòu)是由步進電機驅(qū)動線 路，和步進電機組成。每一脈沖信號使步進電機轉(zhuǎn)動一定的角度，通過滾珠絲杠推動 工作臺移動一定的距離。這種伺服機構(gòu)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度 和速度的提高受到限制。 半閉環(huán)伺服機構(gòu)是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達、速度檢測器和位置檢 測器組成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達的端部，利用絲杠的回轉(zhuǎn)角度間接測出工 作臺的位置。常用的伺服馬達有寬調(diào)速直流電動機、寬調(diào)速交流電動機和電液伺服馬 7 達。位置檢測器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機構(gòu)所能達 到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機構(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機床所采用。 閉環(huán)伺服機構(gòu)的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機構(gòu)相同，只是位置檢測器安裝在 工作臺上，可直接測出工作臺的實際位置，故反饋精度高于半閉環(huán)控制，但掌握調(diào)試 的難度較大，常用于高精度和大型數(shù)控機床。閉環(huán)伺服機構(gòu)所用伺服馬達與半閉環(huán)相 同，位置檢測器則用長光柵、長感應(yīng)同步器或長磁柵。 1.1.7 數(shù)控機床的關(guān)鍵零部件 為了保證機床具有很大的工藝適應(yīng)性能和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè) 計的特點是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進給系統(tǒng)的機 械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。機床采 用塑料減摩導軌、滾動導軌或靜壓導軌，以提高運動的平穩(wěn)性并使低速運動時不出現(xiàn) 爬行現(xiàn)象。 由于采用了寬調(diào)速的進給伺服電動機和寬調(diào)速的主軸電動機，可以不用或少用齒 輪傳動和齒輪變速，這就簡化了機床的傳動機構(gòu)。機床布局便于排屑和工件裝卸，部 分數(shù)控機床帶有自動排屑器和自動工件交換裝置。大部分數(shù)控機床采用具有微處理器 的可編程序控制器，以代替強電柜中大量的繼電器，提高了機床強電控制的可靠性和 靈活性。 隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益 趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本 身將普遍實現(xiàn)自動編程。 1.1.8 數(shù)控機床的發(fā)展方向 未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來越多； 激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機 床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加 便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。 數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功 能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河，成為先進制造技術(shù)中 的一項核心技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進為數(shù)控機床的技術(shù)進步提供了條件。當前， 8 數(shù)控機床的發(fā)展主要體現(xiàn)為以下幾方面： 1 高速、高效 機床向高速化方向發(fā)展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可 提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對制造業(yè)實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本 生產(chǎn)有廣泛的適用性。20 世紀 90 年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高 速數(shù)控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速 15000 100000r/min） 、高速且高加/減速度的進給運動部件（快移速度 60120m/min，切削進 給速度高達 60m/min） 、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破， 達到了新的技術(shù)水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具， 大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅(qū)動進給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控 系統(tǒng)）和防護裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，為開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控 機床提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達到 50008000m/min 以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在 30000 轉(zhuǎn)/分（有的高達 10 萬 r/min）以上；工作 臺的移動速度（進給速度）：在分辨率為 1 微米時，在 100m/min（有的到 200m/min） 以上，在分辨率為 0.1 m 時，在 24m/min 以上；自動換刀速度在 1 秒以 內(nèi)；小線段插補進給速度達到 12m/min。 2 高精度 從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微 米級到亞微米級，乃至納米級（#lt;10nm） ，其應(yīng)用范圍日趨廣泛。當前，在機械加工 高精度的要求下，數(shù)控級數(shù)控機床的加工精度已由10 m 提高到5 m；精密級加工中 心的加工精度則從35 m，提高到11.5 m，甚至更高；超精密加工精度進入納米 級（0.001m） ，主軸回轉(zhuǎn)精度要求達到 0.010.05 m，加工圓度為 0.1m，加工表面粗糙 度 Ra=0.003 微米等。這些機床一般都采用矢量控制的變頻驅(qū)動電主軸（電機與主軸一 體化） ，主軸徑向跳動小于 2 m，軸向竄動小于 1 m，軸系不平衡度達到 G0.4 級。高速 高精加工機床的進給驅(qū)動，主要有#quot;回轉(zhuǎn)伺服電機加精密高速滾珠絲杠#quot;和 #quot;直線電機直接驅(qū)動#quot;兩種類型。此外，新興的并聯(lián)機床也易于實現(xiàn)高速進給。 滾珠絲杠由于工藝成熟，應(yīng)用廣泛，不僅精度能達到較高（ISO34081 級） ，而且實現(xiàn) 高速化的成本也相對較低，所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當前使用滾珠絲 杠驅(qū)動的高速加工機床最大移動速度 90m/min，加速度 1.5g。滾珠絲杠屬機械傳動， 9 在傳動過程中不可避免存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)地造成運動滯后和其它 非線性誤差，為了排除這些誤差對加工精度的影響，1993 年開始在機床上應(yīng)用直線電 機直接驅(qū)動，由于是沒有中間環(huán)節(jié)的#quot;零傳動#quot;，不僅運動慣量小、系統(tǒng)剛度 大、響應(yīng)快，可以達到很高的速度和加速度，而且其行程長度理論上不受限制，定位 精度在高精度位置反饋系統(tǒng)的作用下也易達到較高水平，是高速高精加工機床特別是 中、大型機床較理想的驅(qū)動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床最大快移速 度已達 208 m/min，加速度 2g，并且還有發(fā)展余地。 3 高可靠性 隨著數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)控機床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商 和數(shù)控機床制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在 16 小 時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率在 P（t） 99%以上，則數(shù)控機床的平均無故障運行時 間 MTBF 就必須大于 3000 小時。我們只對一臺數(shù)控機床而言，如主機與數(shù)控系統(tǒng)的 失效率之比為 10:1（數(shù)控的可靠比主機高一個數(shù)量級） 。此時數(shù)控系統(tǒng)的 MTBF 就要 大于 33333.3 小時，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動等的 MTBF 就必須大于 10 萬小 時。當前國外數(shù)控裝置的 MTBF 值已達 6000 小時以上，驅(qū)動裝置達 30000 小時以上， 但是，可以看到距理想的目標還有差距。 4 復合化 在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調(diào)整、換刀 和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整 合在同一臺機床上，因此，復合功能的機床成為近年來發(fā)展很快的機種。柔性制造范 疇的機床復合加工概念是指將工件一次裝夾后，機床便能按照數(shù)控加工程序，自動進 行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個復雜形狀零件的主要 乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。就棱體類零件而 言，加工中心便是最典型的進行同一類工藝方法多工序復合加工的機床。事實證明， 機床復合加工能提高加工精度和加工效率，節(jié)省占地面積特別是能縮短零件的加工周 期。 5 多軸化 隨著 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的普及，5 軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控車床 已經(jīng)成為當前的一個開發(fā)熱點，由于在加工自由曲面時，5 軸聯(lián)動控制對球頭銑刀的 10 數(shù)控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削 3 維曲面的過程中始終保持合理的切速， 從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在 3 軸聯(lián)動控制的機床無 法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削，因此，5 軸聯(lián)動機床以其無可替代的 性能優(yōu)勢已經(jīng)成為各大機床廠家積極開發(fā)和競爭的焦點。最近，國外還在研究 6 軸聯(lián) 動控制使用非旋轉(zhuǎn)刀具的加工中心，雖然其加工形狀不受限制且切深可以很薄，但加 工效率太低一時尚難實用化。 6 智能化 智能化是 21 世紀制造技術(shù)發(fā)展的一個大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、 模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工，它是要在加工過程中模擬人類專家的智能 活動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預才能解決的問題。智能化的內(nèi) 容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應(yīng)控 制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電 機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作 的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；智能診斷、智能監(jiān)控，方便 系統(tǒng)的診斷及維修等。世界上正在進行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智 能化數(shù)控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。 7 網(wǎng)絡(luò)化 數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化，主要指機床通過所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或 上位計算機進行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控機床一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場和企業(yè)內(nèi)部的 局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂 Internet/Intranet 技術(shù)。隨著網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又稱#quot;e-制 造#quot;，是機械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標志之一，也是國際先進機床制造商當今標準配置 的供貨方式。隨著信息化技術(shù)的大量采用，越來越多的國內(nèi)用戶在進口數(shù)控機床時要 求具有遠程通訊服務(wù)等功能。機械制造企業(yè)在普遍采用 CAD/CAM 的基礎(chǔ)上，越加廣 泛地使用數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控應(yīng)用軟件日趨豐富和具有#quot;人性化#quot;。虛擬設(shè)計、 虛擬制造等高端技術(shù)也越來越多地為工程技術(shù)人員所追求。通過軟件智能替代復雜的 硬件，正在成為當代機床發(fā)展的重要趨勢。在數(shù)字制造的目標下，通過流程再造和信 息化設(shè)計，ERP 等一批先進企業(yè)管理軟件已經(jīng)脫穎而出，為企業(yè)創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟效 益。 11 8 柔性化 數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點（數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復 合加工機床） 、線（FMC、 FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨立制造島、FA） 、體 （CIMS 、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟性方 向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是 各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點是以提高系統(tǒng)的可 靠性、實用化為提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標；注重加強單元技術(shù)的開拓、完善； CNC 單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數(shù)控機床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方 便地與 CAD、CAM 、CAPP、MTS 聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集 成和智能化方向發(fā)展。 9 綠色化 21 世紀的金切機床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實現(xiàn)切削加工工藝的綠 色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因為切削液既污 染環(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進行， 但也包括在特殊氣體氛圍中（氮氣中、冷風中或采用干式靜電冷卻技術(shù)）不使用切削 液進行的切削。不過，對于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目 前尚難與實際應(yīng)用，故又出現(xiàn)了使用極微量潤滑（MQL ） 的準干切削。目前在歐洲的 大批量機械加工中，已有 1015%的加工使用了干和準干切削。對于面向多種加工方 法/工件組合的加工中心之類的機床來說，主要是采用準干切削，通常是讓極微量的切 削油與壓縮空氣的混合物經(jīng)由機床主軸與工具內(nèi)的中空通道噴向切削區(qū)。在各類金切 機床中，采用干切削最多的是滾齒機?？傊瑪?shù)控機床技術(shù)的進步和發(fā)展為現(xiàn)代制造 業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使制造業(yè)向著高效、優(yōu)質(zhì)以及人性化的方向發(fā)展?？?以預見，隨著數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用，制造業(yè)將迎來一次足以撼 動傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。 1.2 數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 1.2.1 工藝范圍 數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機床， 約占數(shù)控機床總數(shù)的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的 12 軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧 面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。 1.2.2 加工精度 由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數(shù)控車床還具有 非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比 數(shù)控車床要寬得多。 1.精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 由于數(shù)控車床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和 自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以車代磨。 2.表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 數(shù)控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線 速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小 又一致。數(shù)控車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選 用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。 3.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件 由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和 平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零件。 4.帶特殊螺紋的回轉(zhuǎn)體零件 數(shù)控車床所能車削的螺紋類型相當有限，它只能車等導程的直、錐面公、英制螺 紋，而且一臺車床只能限定加工若干導程的螺紋。而數(shù)控車床不但能車削任何等導程 的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。 1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 將數(shù)控機床設(shè)計成數(shù)控機床, 是許多機械生產(chǎn)廠家在沒有大量資金投入的情況下所 走的設(shè)備技術(shù)設(shè)計之路 1 經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計方案不同 1 得到的經(jīng)濟效益也不同 1 針 對常德紡織機械廠提出的經(jīng)濟型數(shù)控車床設(shè)計的技措任務(wù), 結(jié)合其它廠家以往數(shù)控車床 設(shè)計的經(jīng)驗教訓, 我們開展了深入細致的調(diào)研工作, 特別是對沈陽第一機床廠的數(shù)控車 床進行了熟悉了解, 下面分析經(jīng)濟型數(shù)控車床設(shè)計的價值效益 經(jīng)濟型數(shù)控車床設(shè)計方案初探 13 數(shù)控系統(tǒng)及電氣控制部份: 目前我國生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的廠家有 70 余家, 知名 的有常州寶馬集團公司 BKC2 系列, 北京航天數(shù)控集團, 南京大方數(shù)控公司 J WK 系列 及重慶巴山儀器廠 2385 系列等 1 這些廠家在研制數(shù)控系統(tǒng)時都從系統(tǒng)功能、可靠性、 操作宜人性等方面作了大量工作,克服了單板機 TP - 801(Z80)系統(tǒng)的缺點,從而促進了我 國經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展,為經(jīng)濟型數(shù)控機床的生產(chǎn)和設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ) 1 沈 陽一機廠在研制 CAK - 6150 時選用了多家系統(tǒng), 經(jīng)過了長時間的反復考驗、篩選, 最 后選用了重慶巴山儀器廠 2385 - IT 系統(tǒng) 1 該系統(tǒng)性能較好, 可靠性高, 具有細分斬波先 進技術(shù), 有良好的性價比 1 步進電機選擇了華中理工大學試驗工廠產(chǎn)品, 切削扭矩大, 這方面是值得我們借鑒的 1 機床電氣控制還需考慮: 主軸馬達啟停、變速控制、轉(zhuǎn)塔刀 架、冷卻泵等控制 1 保證機床可靠性, 此處不可忽視, 須有一定的投入 1212主軸系統(tǒng): 一般經(jīng)濟型數(shù)控車床設(shè)計主軸系統(tǒng)是較困難的或根本不加設(shè)計, 這勢必影響機床主軸速 度控制的自動化程度, 并且復雜工藝零件加工的適應(yīng)性差, 這是不可取的 1 常紡機廠車 床設(shè)計可以考慮以下兩種方案: (1) 按沈陽一機廠方案, 即保留一級手柄三檔變速操作, 另加每檔位四檔自動變速, 用系統(tǒng) S 指令控制, 即 S1S4, 加上手動共 34 = 12 級主 軸速度, 如此設(shè)計需增加雙速電機一臺 615/ 8 KW , 電磁離合器兩只, 機械結(jié)構(gòu)也需作 部分設(shè)計 1 (2) 選用變頻器控制主軸速度 , 原機床主軸電機保留, 主軸手動變速取消 1 可以考慮高低檔齒輪變速, 通過電磁閥啟動切換, 全部變速系統(tǒng) S 指令控制, 但數(shù)控系 統(tǒng)需選用南京大方公司 J WK - 21T 數(shù)控系統(tǒng), 具有 12 級 S 指令, 此方案主軸變速自動 化程度更高, 但費用也相應(yīng)高些, 若典型加工零件四檔自動變速可以滿足工藝要求, 則 考慮方案(1) 性價比更高些 1213進給系統(tǒng): 對于數(shù)控機床, 進給系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的 1 它直接影響機床的定位精度以及零件的加工精度,除了數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)的有效保證 外, 機械執(zhí)行機構(gòu)的合理選擇和設(shè)計不容忽視 1 首先是螺旋傳動, 數(shù)控車床采用數(shù)控絲 桿, 主要缺點是精度差, 間隙小, 且傳動機械效率低, 一般僅為 g = 50 %左右, 即使用于 精度要求不高的機床也容易造成步進電機丟步或機械爬行 1 因此, 必須采用滾珠絲桿, 其特點是: 傳動效率高 g = 90 %以上, 反向間隙小, 運動平穩(wěn), 傳動精度高且保持性好, 壽命長, 但設(shè)計成本也要增加, 一味追求數(shù)控化而忽視數(shù)控系統(tǒng)對機械的要求, 是很不 合理的 1 其次機床導軌也不可忽視, 對原機床導軌要進行檢查, 對磨損部位通過磨削, 配研予以修復 1 為了減少摩擦力、振動以及爬行, 增加機床精度保持性, 可考慮床鞍貼 塑即 TSF 軟帶 1 最后還須考慮絲桿預拉伸、軸承座、聯(lián)軸節(jié)等機械結(jié)合件的設(shè)計制造 14 以盡可能減少它們對機械精度的影響 1214自動轉(zhuǎn)塔刀架: 一般來說自行設(shè)計制造轉(zhuǎn) 塔刀架是可以做到的, 但其結(jié)構(gòu)的合理性, 加工工藝、安裝精度是難以與專業(yè)廠家相比 的 1 為了提高機床可靠性, 外購專業(yè)廠家產(chǎn)品很有必要, 如煙臺機床附件廠、瓦房店機 床附件廠的產(chǎn)品 13設(shè)計車床與成品數(shù)控車床的比較 311機床性能: 在選用相同數(shù)控 系統(tǒng)和參照 CAK - 6150 進行設(shè)計, 可以說機床性能將不會有很大差異 1312機床結(jié)構(gòu) 及外觀: 由于 CAK - 6150 是按數(shù)控機床要求設(shè)計, 因此結(jié)構(gòu)合理性超過設(shè)計車床, 其外 觀美也是設(shè)計機床無法達到的 1313機床精度: 由于一般廠家加工設(shè)備及工藝手段無 法與專業(yè)廠家相比, 加之員工素質(zhì)的影響, 在剛性、動靜摩擦力等諸多方面, 設(shè)計的環(huán) 節(jié)將可能影響機床精度, 想要達到加工 IT6 級的零件, 還有一定距離 1314機床可靠 性: 沈陽一機廠經(jīng)三年時間研制開發(fā), 且又經(jīng)過兩年多時間廠內(nèi)使用, 投入了相當?shù)娜?力、物力, 不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題, 使 CAK - 6150 達到了一定的可靠性 1 他們也有 過慘痛教訓, 就是用 BS03 系統(tǒng)改進 100 臺數(shù)控車床 , 由于可靠性差, 除少數(shù)幾臺還在 使用外, 其余全部報廢或改為數(shù)控車床, 非常類似我廠的情況 1 雖然我們現(xiàn)在已經(jīng)認識 到可靠性的重要, 也有一定的措施和把握, 但與沈陽一機廠相比, 無論是技術(shù)素質(zhì)上以 及投入的人力、物力上均有天壤之別, 因此可靠性無法與之相比 1315經(jīng)濟性: 按 CAK - 6150 的檔次進行設(shè)計, 需外購的裝置及部件有: (1) 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)及伺服裝置, 估價 115 萬元2 萬元 (2) 主軸雙速電機 615/ 8 KW 一臺, 估價 0115 萬元012 萬元 (3) 滾珠絲桿兩根 , 估價 0135 萬元 (4) 電磁離合器兩只 , 估價 0105 萬元 (5) 轉(zhuǎn)塔刀架四工位 AKZ11504 型, 估價 013 萬元015 萬元 (6) 電氣控制柜設(shè)計安裝 , 估價 013 萬元 另外, 自制機械零部件, 安裝、調(diào)試、差旅費等估計 018 萬元, 以上各項總計 4 萬 元左右, 原數(shù)控車床 CA6140 以 82 年產(chǎn)品估價 4 萬元, 則設(shè)計后機床價值 8 萬元左右 1 而沈陽一機 CAK - 6150 型報價 10 萬元, 與設(shè)計相比, 價值基本接近 1 4 結(jié)論 經(jīng)濟型數(shù)據(jù)控車床設(shè)計應(yīng)根據(jù)各廠的具體情況, 典型零件的加工工藝及精度要求, 批量大小, 決定進行設(shè)計的程度 1 設(shè)計的程度越高 , 機床性能越好, 加工零件的適應(yīng)性 15 越強, 所花費的設(shè)計費用也就越大, 若要求設(shè)計車床的性能接近和達到 CAK - 6150 層 次, 則設(shè)計從經(jīng)濟角度來看意義并不太大, 從機床可靠性方面來看更是得不償失。 1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向 4 月 19 日從第七屆中國國際機床展獲悉，隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控機床的發(fā) 展也越來越快，數(shù)控機床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向 發(fā)展。 高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強，數(shù)控機床也實現(xiàn)多臺集中控制，甚至遠 距離遙控。高精度：數(shù)控機床本身的精度和加工件的精度越來越高，而精度的保持性 要好。高速度：數(shù)控機床各軸運行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控機床的柔性化將 向自動化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應(yīng)輔機集成柔性制造系統(tǒng)。模塊 化：數(shù)控機床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商 又有利于客戶。 我國近幾年數(shù)控機床雖然發(fā)展較快，但與國際先進水平還存在一定的 差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長，應(yīng)變能力差。為了縮 小與世界先進水平的差距，有關(guān)專家建議機床企業(yè)應(yīng)在以下 6 個方面著力研究： 1加大力度實施質(zhì)量工程，提高數(shù)控機床的無故障率。 2跟蹤國際水平，使數(shù)控機床向高效高精方面發(fā)展。 3加大成套設(shè)計開發(fā)能力上求突破。 4發(fā)揮服務(wù)優(yōu)勢，擴大市場占有率。 5多品種制造，滿足不同層次的用戶。 6模塊化設(shè)計，縮短 開發(fā)周期，快速響應(yīng)市場。 數(shù)控機床使用范圍越來越大， 國內(nèi)國際市場容量也越來越大，但競爭也會加劇，我們只有緊跟先進技術(shù)進步的大方 向，并不斷創(chuàng)新，才能趕超世界先進水平。 第 2 章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案設(shè)計的內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選 擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 2.1.1 系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)和點位/直線控制系 16 統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。例如，數(shù)控 鉆床，在工作臺移動過程中鉆頭并不進行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點位控制方 式。對于點位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 連續(xù)控制系統(tǒng)要求工作臺和刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，能夠控制 刀具沿任意直線或曲線運動，控制每一個軸的位置和速度，使得各個軸同步協(xié)調(diào)到達 目標點。連續(xù)控制系統(tǒng)不僅控制目標點，而且控制刀具到達這些目標點的整個路徑， 使刀具始終接觸工件并制造出希望的形狀，所以具有連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床可以加 工各種外形輪廓復雜的零件，故而連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)或仿型系統(tǒng)。在 點位控制系統(tǒng)中不具有連續(xù)控制系統(tǒng)中所具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻 具有點位系統(tǒng)的功能。例如，數(shù)控車床、數(shù)控車床等。 點位-直線系統(tǒng)，不但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿坐標軸運動過 程中切削工作，進行簡單的車削和銑削作業(yè)。其控制方法與點位系統(tǒng)十分相似，故有 時也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點位控制系統(tǒng)。例如，數(shù)控鏜車床等。 2.1.2 伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指 令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。開 環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡單。目前國內(nèi)大力 發(fā)展的經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實際位移量， 能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流伺服 電機驅(qū)動。但閉環(huán)系統(tǒng)造價高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復雜，多用于精度要求高的場合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移半閉環(huán)控制系統(tǒng) 與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角， 再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng) 之間。 2.1.3 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定 為確定數(shù)控系統(tǒng)傳動精度和工件平穩(wěn)性，在設(shè)計機械傳動裝置時，通常提出低摩 17 擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及適當?shù)淖枘岜纫蟆Ｔ谠O(shè)計中應(yīng)考慮以下 幾點： 盡量采用低摩擦的傳動和導向元件。例如，采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、 貼塑導軌等。 盡量消除傳動間隙。例如，采用消隙齒輪等。 提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度、減小傳動鏈誤差。也可以 用預緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如，采用預加負載的滾動導軌和滾動絲杠副等。 2.1.4 計算機的選擇 微機數(shù)控系統(tǒng)由 CPU、存儲擴展電路、I/O 接口電路、伺服電機驅(qū)動電路、檢測電 路等組成。 2.2 總體設(shè)計方案的確定 2.2.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于設(shè)計后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補、順圓插補、逆圓插補、暫 停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型 數(shù)控機床加工精度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本容易調(diào)試和維護，經(jīng)濟型數(shù)控車床 應(yīng)選用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 計算機系統(tǒng) 根據(jù)機床要求采用 8 位微機。由于 MCS-51 系列單片機具有集成度高、可靠性好、 功能強、速度快、抗干擾能力強性能價格比高等特點，決定采用 MCS-51 系列的 80C31 單片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、顯示器，I/O 接口及光隔離電路，步進電機功率放大 電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示 加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。 2.2.3 機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動給絲杠。為保證一 定的傳動精度和平穩(wěn)性，應(yīng)盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時為提高傳動 剛度和消除間隙，采用有預加負載的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 18 第 3 章 液壓尾座總體設(shè)計 3.1 液壓尾座研究背景和意義 從 20 世紀中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來革命性的變化，近 年來，由于液壓技術(shù)廣泛應(yīng)用了高技術(shù)成果，如自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子 技術(shù)、磨練磨損技術(shù)、可靠性技術(shù)及新工藝和新材料，使傳統(tǒng)技術(shù)有了新的發(fā)展，也 使液壓系統(tǒng)和元件的質(zhì)量、水平有一定的提高。液壓傳動技術(shù)在數(shù)控自動化機床上的 應(yīng)用也越來越廣泛，而且也為機床工業(yè)的自動化程度的提高上起到了重要的力量。盡 管如此，走向二十一世紀的液壓技術(shù)不可能有驚人的技術(shù)突破，應(yīng)當主要靠現(xiàn)有技術(shù) 的改進和擴展，不斷擴大其應(yīng)用領(lǐng)域以滿足未來的要求。液壓傳動是以流體作為工作 介質(zhì)對能量進行傳動和控制的一種傳動形式。利用有壓的液體經(jīng)由一些機件控制之后 來傳遞運動和動力。相對于電力拖動和機械傳動而言，液壓傳動具有輸出力大，重量 輕，慣性小，調(diào)速方便以及易于控制等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于工程機械，建筑機械和 機床等設(shè)備上。 據(jù)統(tǒng)計，世界各主要國家液壓工業(yè)銷售額占機械工業(yè)產(chǎn)值的 2%3.5%，而我國只 占 1%左右，這充分說明我國液壓技術(shù)使用率較低，努力擴大其應(yīng)用領(lǐng)域，將有廣闊的 發(fā)展前景。液壓氣動技術(shù)具有獨特的優(yōu)點，如:液壓技術(shù)具有功率重量比大，體積小， 頻響高，壓力、流量可控性好，可柔性傳送動力，易實現(xiàn)直線運動等優(yōu)點；氣動傳動 具有節(jié)能、無污染、低成本、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，并易與微電子、電氣技術(shù) 相結(jié)合，形成自動控制系統(tǒng)。因此，液壓氣動技術(shù)廣泛用于國民經(jīng)濟各部門。但是近 年來，液壓氣動技術(shù)面臨與機械傳動和電氣傳動的競爭，如：數(shù)控機床、中小型塑機 已采用電控伺服系統(tǒng)取代或部分取代液壓傳動。其主要原因是液壓技術(shù)存在滲漏、維 護性差等缺點。為此，必須努力發(fā)揮液壓氣動技術(shù)的優(yōu)點，克服缺點，注意和電子技 術(shù)相結(jié)合，不斷擴大應(yīng)用領(lǐng)域，同時降低能耗，提高效率，適應(yīng)環(huán)保需求，提高可靠 性，這些都是液壓氣動技術(shù)繼續(xù)努力的永恒目標，也是液壓氣動產(chǎn)品參與市場競爭是 否取勝的關(guān)鍵。 今天，為了和最新技術(shù)的發(fā)展保持同步，液壓技術(shù)必須不斷發(fā)展，不斷提高和改 19 進元件和系統(tǒng)的性能，以滿足日益變化的市場需求。與世界上主要的工業(yè)國家相比， 我國的液壓工業(yè)還是相當落后的，標準化的工作有待于繼續(xù)做好，優(yōu)質(zhì)化的工作須形 成聲勢，智能化的工作則剛剛在準備起步，為此必須急起直追，才能迎頭趕上?？梢?預見，為滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需要，液壓技術(shù)也將繼續(xù)獲得飛速的發(fā)展，它在各個部門 中的應(yīng)用越來越廣泛。 在這樣一種背景下，我的課題選擇為數(shù)控臥式車床 320MM 液壓尾座的設(shè)計，用 以提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人勞動強度及降低企業(yè)成本。此外，力求完成課 題之余，熟悉國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及液壓技術(shù)的發(fā)展趨勢,增強對如何發(fā)展民族數(shù)控機床產(chǎn) 業(yè)的感性認識。 3.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 液壓傳動相對于機械傳動來說，是一門新興的技術(shù)。液壓技術(shù)具有獨特的優(yōu)點， 如:功率重量比大；可以實現(xiàn)大范圍的無級變速；體積?。活l響高；壓力、流量可控性 好；可柔性傳送動力；易實現(xiàn)直線運動等優(yōu)點；并易與微電子、電氣技術(shù)相結(jié)合，形 成自動控制系統(tǒng) 4?；谝陨弦幌盗袃?yōu)點，液壓技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機床、工程機械、 農(nóng)業(yè)機械和其它國民經(jīng)濟方面。 以數(shù)控機床為代表的數(shù)控設(shè)備的生產(chǎn)與應(yīng)用水平反映了一個國家的機械與電子工 業(yè)水平 6。它的推廣應(yīng)用對提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改變我國制造技術(shù)落后的狀 況起著極為重要的作用。液壓技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)字控制與機電液一體的關(guān)鍵技術(shù)之一，世 界各國對液壓工業(yè)的發(fā)展都給予很大重視。據(jù)統(tǒng)計，世界各主要國家液壓工業(yè)銷售額 占機械工業(yè)產(chǎn)值的 2%-3.5%，而我國只占 1%左右，這充分說明我國液壓技術(shù)使用率較 低，努力擴大其應(yīng)用領(lǐng)域，將有廣闊的發(fā)展前景。首先我們看下面的表格可清楚的看 出國內(nèi)國外液壓技術(shù)發(fā)展的狀況。 表 3.1 國內(nèi)外液壓發(fā)展方向 國 外 國 內(nèi) 高集成化、高功率、高密度 高性能、高質(zhì)量、高可靠性、系統(tǒng) 成套 機電一體化集成元件和系統(tǒng) 低能耗、低噪聲、低振動、 智能化自動控制元件和系統(tǒng) 集成化、輕小型微型、多樣化 20 水基介質(zhì)傳動與控制技術(shù) 機電一體化 液壓產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢: 1、減少損耗，充分利用能量 液壓技術(shù)在將機械能轉(zhuǎn)換成壓力能及反轉(zhuǎn)換過程中，總存在能量損耗。為減少能 量的損失，必須解決下面幾個問題：減少元件和系統(tǒng)的內(nèi)部壓力損失，以減少功率損 失；減少或消除系統(tǒng)的節(jié)流損失，盡量減少非安全需要的溢流量；采用靜壓技術(shù)和新 型密封材料，減少摩擦損失；改善液壓系統(tǒng)性能，采用負荷傳感系統(tǒng)、二次調(diào)節(jié)系統(tǒng) 和蓄能器回路。 2、泄漏控制 泄漏控制包括：防止液體泄漏到外部造成環(huán)境污染和外部環(huán)境對系統(tǒng)的侵害兩個 方面。今后，將發(fā)展無泄漏元件和系統(tǒng)，如發(fā)展集成化和復合化的元件和系統(tǒng)，實現(xiàn) 無管連接，研制新型密封和無泄漏管接頭，電機油泵組合裝置等。無泄漏將是世界液 壓界今后努力的重要方向之一。 3、污染控制 過去，液壓行業(yè)主要致力于控制固體顆粒的污染，而對水、空氣等的污染控制往 往不夠重視，今后應(yīng)重視并解決。嚴格控制產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的污染，發(fā)展封閉式系統(tǒng)， 防止外部污染物侵入系統(tǒng)；應(yīng)改進元件和系統(tǒng)設(shè)計，使之具有更大的耐污染能力。同 時開發(fā)耐污染能力強的高效濾材和過濾器。研究對污染的在線測量；開發(fā)油水分離凈 化裝置和分離元件，以及開發(fā)能清除油中的氣體、水分、化學物質(zhì)和微生物的過濾元 件及檢測裝置。 4、主動維護 開展液壓系統(tǒng)的故障預測，實現(xiàn)主動維護技術(shù)。必須使液壓系統(tǒng)故障診斷現(xiàn)代化， 加強專家系統(tǒng)的開發(fā)研究，建立完整的、具有學習功能的專家知識庫，并利用計算機 和知識庫中的知識，推算出引起故障的原因，提出維修方案和預防措施。 5、機電液一體化 機電液一體化可實現(xiàn)液壓系統(tǒng)柔性化、智能化，充分發(fā)揮液壓傳動動力大、慣性 小、響應(yīng)快等優(yōu)點，其主要發(fā)展方向如下：液壓系統(tǒng)將有過去的電液系統(tǒng)和開環(huán)比例 控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向閉環(huán)比例伺服系統(tǒng)，同時對壓力、流量、位置、溫度、速度等傳感器實 現(xiàn)標準化；提高液壓元件性能，在性能、可靠性、智能化等方面更適應(yīng)機電液一體化 21 需求，發(fā)展與計算機直接接口的高頻，低功耗的電磁電控元件；液壓系統(tǒng)的流量、壓 力、溫度、油污染度等數(shù)值將實現(xiàn)自動測量和診斷；電子直接控制元件將得到廣泛采 用，如電控液壓泵，可實現(xiàn)液壓泵的各種調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)軟啟動、合理分配功率、自 動保護等；借助現(xiàn)場總線，實現(xiàn)高水平信息系統(tǒng)，簡化液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、爭端和維護。 6、液