《毕业论文--cnc数控车床纵向进给系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文--cnc数控车床纵向进给系统设计（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 前言前言我国数控车床从 20 世纪 70 年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例.但我国在五轴加工技术、高速加工技术、精密加工技术等方面与国外方面还有很大的差距。主要问题有：1 缺乏系统深入的科研工作, 难以对各种技术资料进行积累, 设计方法陈旧。2、缺乏实事求是的科学精神, 忽视了数控机床本身的技术特点、发展规律, 没有实事求是地制定数控机床发展的规划, 盲目性大。3、没有合理地运用资源。各个研究所孤军奋战,不通力合作,并且床行业人员素
2、质低, 缺乏各方面人才。4、我国制造业大环境的制约。我国依靠引进和合作生产来发展各类主机, 至今我国许多高性能、新结构的数控机床大都为合作产品, 基本处于仿制阶段。国产数控机床及其功能部件无论在技术参数上，还是在各种动态指标上，与工业发达国家的同类产品均存在一定差距。目前，国内沈阳机床集团在引进技术的基础上成功开发出 BW60HSI 型系列高速卧式加工中心，并已批量进入市场。该机采用电主轴，主轴最高转速 16 000 rmin，由零至最高转速的时间为 l s，快速移动速度 60 mmin。宁江集团开发的高速加工中心主轴转速高达 40 000 rmin。当前，在数控机床精密化方面，美国的水平最高
3、，不仅生产中小型精密机床，而且由于国防和尖端技术的需要，研究开发了大型精密机床。其代表产品有 LLL 实验室研制成功的 DTM 一 3 型精密车床和 LODTM 大型光学金刚石车床，它们是世界公认水平最高的、达到当前技术最前沿的大型精密机床。其它国家也相应研制成功各种类似的装备，如英国的 Cranfield、日本的东芝机械等。近年来我国对超精密机床的研制也一直在进行。北京机床研究所研制成功了JCS 一 027 型超精密车床、JCS 一 03 型超精密铣床、JCS 一 035 型数控超精密车床等。1.1 设计的目的设计的目的机床课程设计目的在于通过机床进给运动系统的结构设计，使学生在结构方案过程
4、中，得到结构构思、方案分析、结构工艺性、机械制图、零件设计、编写技术文件和查阅技术资料的等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，并培养学生具有初步的结构分析、结构设计与计算能力。1.2 数控机床的基本概念数控机床的基本概念科学技术的发展，对机械产品提出了高精度、高复杂性的要求，而且产品的更新换代也在加快，这对机床设备不仅提出了精度和效率的要求，而且也对其提出了通用性和灵活性的要求。数控机床就是针对这种要求而产生的一种新型自动化机床。数控机床集微电子技术、计算机技术、自动控制技术及伺服驱动技术、精密机械技术于一体，是高度机电一体化的典型产品。它本身又是机电一体化的重要组成部分，
5、是现代机床技术水平的重要标志。数控机床体现了当前世界机床技术进步的主流，是衡量机械制造工艺水平的重要指标，在柔性生产和计算机集成制造等先进制造技术中起着重要的基础核心作用。数控机床（Numerical Control Machine Tools）是指采用数字形式信息控制的机床。详言之，凡是用数字化的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上送入计算机或数控系统经过译码、运算及处理，控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件的一类机床即为数控机床1。数控机床的工作原理就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、工件的松开与夹紧、进刀与退刀、开车
6、与停车、自动关停冷却液）和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件。所以，数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。数控加工一般包括以下几个内容：（1）对图纸进行分析，确定需要数控加工的部分；（2）利用图形软件（如 CAXA 制造工程师）对需要数控加工的部分造型；（3）根据加工条件，选择合适的加工参数，生成加工轨迹（包括粗加工、半精加工、精加工轨迹） ；（4）轨迹的仿真检验；（5）生成 G 代码；（6）传给机
7、床加工。1.3 数控机床的组成数控机床的组成数控机床的种类繁多，但从一台完整的数控机床上讲，数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体组成，如图 1.1 所示为数控机床的组成的基本框图。为了提高本机床的加工精度，达到高精度的设计要求，在上述系统中加入一个测量装置，这样构成了由闭环控制的数控机床的框图。开环控制系统的工作过程是：将控制机床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算机得出进给脉冲序列（包含有上述四个参量） ，然后经伺服系统转换放大，最后控制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。闭环控制：是在机床
8、的最终的运动部件的相应位置直接直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动2。介 介介 介介 介 介 介介 介介 介 介 介介 介介 介 介 介图 1.1 数控机床的组成1.3.1 控制介质控制介质数控机床工作时，不需要工人去摇手柄操作机床，但又要自动的执行人们的意图，这就必须在人和数控机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称为控制介质（或称程序介质、输入介质、信息载体）3。控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间的媒介物质，反映了数控加工中全部信息。控制介质有多种形式，它随着数控装置
9、的类型不同而不同，常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等。还有的采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接将程序及数据输入。另外，随着 CAD/CAM 技术的发展，有些数控设备利用 CAD/CAM 软件在其计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。 1.3.2 数控装置数控装置数控装置是数控系统的核心。现代的数控装置普遍采用通用计算机作为数控装置主要硬件：包括微型机系统的基本组成部分，CPU、存储器、局部总线以及输入输出接口等；软件部分：就是我们所说的数控系统软件基本功能：读入零件加工程序，根据加工程序所指定零件形状，计算出刀具中心的移动轨迹，并按照程序指定的进给速
10、度，求出每个微小的时间段（插补周期）内刀具应该移动的距离，在每个时间段结束前，把下一个时间段内刀具应该移动的距离送给伺服单元。1.3.3 伺服系统伺服系统伺服系统是数控机床的执行结构，是数控系统和机床本体之间的电气联系环节。主要由伺服电动机、驱动控制系统和位置检测与反馈装置等组成。目前数控机床的伺服系统中，常用的控制对象可以是步进电动机、直流伺服电动机或交流伺服电动机（后两者等带有光电编码器等位置测量元件）4。1.3.4 机床机床数控机床的本体是指机械结构实体。可以在普通机床的基础上改装，也可以单独设计。与传统通机床相比较，数控机床的机械部分有以下特点： （1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服
11、传动系统，机械传动结构简化，传动链较短，传动精度高等特点。（2）数控机床机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。 （3）更多地采用高效传动部件，一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副或塑料涂层导轨等。具有完善的刀具自动交换及管理系统。 1.4 数控机床的分类数控机床的分类数控机床的品种规格很多，分类方法也各不相同。一般可根据功能和结构，按下面 4 种原则进行分类5。1.4.1 按机床运动的控制轨迹分类按机床运动的控制轨迹分类（1） 点位控制的数控机床点位控制只要求控制机床的移动部件从一点移动到另一点的准确定位对于点与点之间的运动轨迹的要求并不严格，在移动过程中不进行加工，各坐标轴之间的
12、运动是不相关的。为了实现既快又精确的定位，两点间位移的移动一般先快速移动，然后慢速趋近定位点，以保证定位精度。具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、数控镬床、数控冲床等。随着数控技术的发展和数控系统价格的降低，单纯用于点位控制的数控系统已不多见。（2） 直线控制数控机床直线控制数控机床也称为平行控制数控机床，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（轨迹） ，但其运动路线只是与机床坐标轴平行移动，也就是说同时控制的坐标轴只有一个（即数控系统内不必有插补运算功能） ，在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。其有直线控制功能的
13、机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床、数控磨床等。这种机床的数控系统也称为直线控制数控系统。同样，单纯用于直线控制的数控机床也不多见。（3） 轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床也称连续控制数控机床，其控制特点是能够对两个或两个以 h 的运动坐标的位移和速度同时进行控制。为了满足刀具沿工件轮廓的相对运动轨迹符合工件加工轮廓的要求，必须将各坐标运动的位移控制和速度控制按照规定的比例关系精确地协调起来。因此在这类控制方式中，就要求数控装置具有插补运算功能所谓插补就是根据程序输入的基本数据（如直线的终点坐标、圆弧的终点坐标和圆心坐标或半径） ，通过数控系统内插补运算器的数学处理，把直线或圆弧的形状描述
14、出来，也就是一边计算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与要求的轮廓相符合在运动过程中刀具对工件表面进行连续切削，可以进行各种直线、圆弧、曲线的加工轮廓控制的加工。 。这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机冰、加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统根据它所控制的联动坐标轴数不同，又可以分为下面几种形式 二轴联动：主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。 二轴半联动主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期胜进给。 三轴联动：一般分为两类，一类就是 x 、 y 、 z 三个直线坐标轴联动，比较多的用于数
15、控铣床、加工中心等，用球头铣刀铣切三维空间曲面另一类是除了同时控制 x 、 y 、 z 中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（z 轴） 、横向（x 轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕 z 轴旋转的主轴（c 轴）联动。 四轴联动：同时控制 x 、 y 、 z 三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动。 五轴联动：除同时控制 x 、 y 、 z 三个育线坐标轴联动外还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的 a 、 b 、 c 坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动这时刀具可以被定在空间的任意方向比如控制刀具同时绕 x 轴和 y 轴两个方
16、向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度1.4.2 按伺服控制的方式分类按伺服控制的方式分类（1） 开环控制数控机床这类机床的进给伺服驱动是开环的，即没有检测反馈装置，一般它的驱动电动机为步进电机，步进电机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，并且电动机本身就有自锁能力其控制系统，数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驱动电路，它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向。因此这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜数控系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但由于机械传动的误差不经过反馈校正，故位移精度不高。早期的数控机床均采用这种控制方式，只是故障率比较高，目前由于驱动电路的改进，使其仍得到了较多的应用。尤其是在我国，一般经济型数控系统和旧设备的数控改造多采用这种控制方式。另外，这种控制方式可以
