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1、结构设计大作业数控车床 目录摘要- 11、车床主传动方式的选择 2、功率扭矩特性 3、主轴组件的设计 4、 温升及热变形情况 一、数控车床的机械结构分析-4l、 主传动系统2、 进给传动系统3、 刀架系统4 、工件装夹系统5、 床身和防护系统二、数控车床主轴驱动系统设计-61、 主轴驱动系统的要求2、 主轴变频器选用3、 变频器接线4 、变频器参数调整三、 数控机床进给传动系统优化设计研究-81、 建立系统优化目标函数2 、确定约束条件3 、综合分析四、 数控车床液压系统设计-13l 、数控车床对液压系统的要求2、 数控车床液压系统的主要动作3、 液压系统的其他要求4、 典型数控车床液压系统举
2、例5 、液压系统元件的选择五 数控车床交流伺服系统及应用-191 、交流伺服电动机工作原理及速度控制2 、交流伺服电动机位置控制六、总结-221CNC控制器的性能进一步提高、具有更多功能 2控制器的开放 数控车床摘要：数控机床分类UG逆向工程应用实例析正向造型法（下）采用直线电机驱动的新一代DMG车床 润滑油基础知识近几年我国机械业企业是如何进行ERP选型？济南四机两种数控磨床专机通过鉴定机械方案创新设计过程模型的研究再谈如何成功实施pdm不锈钢材料车削质量控制方案探讨子程序调用M98编程举例精镗循环 G76推广5轴高速设备在汽车覆盖件模中的应用 金属陶瓷在推广应用中的几个限制因素预合金粉末与
3、金刚石的扩散连接一种车床主轴密封的新结构焊接机器人在长安汽车股份公司的应用及存在问题车刀片磨损分析和改进办法镗床加工方孔工装SINUMERIK 810D/840D 简明调试手册-轴类机床数据（下浅谈数控车削加工教学方法 标签:tag 1序言 数控车床是高度自动化机床，数控车床主传动系统的特点是：机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效率加工的需要；主轴转速的变换迅速可靠，一般能自动变速；主轴应有足够高的刚度和回转精度；主轴转速范围应很广，如对铝合金材料的高速切削，几乎没有. 数控车床是高度自动化机床，数控车床主传动系统的特点是：机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效率加工的需要；主轴转速的变
4、换迅速可靠，一般能自动变速；主轴应有足够高的刚度和回转精度；主轴转速范围应很广，如对铝合金材料的高速切削，几乎没有上限的限制，主轴最高转速取决于主传动系统中传动元件的允许极限(如主轴轴承允许的极限转速)，而最低转速则根据加工不锈钢等难加工材料的要求来确定。现以我们厂自行设计生产的DS11型全功能数控车床为例，介绍主传动系统的设计。 1、车床主传动方式的选择 图1是该车床主传动系统图，主传动采用分离传动。运动是从15kW的直流主电机经三角皮带传至变速箱，通过齿轮变速使主轴获得4级固定转速，再由主电机调速使主轴转速达到262360r/min，在4档范围内均可进行恒速切削。主轴的4级机械变速是用油缸
5、推动滑移齿轮来实现的。在变速时，主电机低速转动。齿轮啮合后压上行程开关。同时发令，使电机停止摇摆，并启动主轴运动。当改变主电机旋转方向时，可以得到相同的主轴正、反转。螺纹切削是通过与主轴11传动的主轴脉冲发生器发出同步脉冲讯号来实现的。 变速箱固定在主轴箱上，靠法兰盘定心。法兰盘内孔与主轴的中间轴承外圆相配，法兰盘外圆与变速箱体孔相配，以保证主轴三个轴承孔同心，并使齿轮正确啮合。这种分离传动将变速箱直接把在主轴箱上，即变速齿轮直接传动主轴，省去皮带传动的中间环节，使结构紧凑。同时，主轴与变速齿轮分装于两箱，以达到分离、减少主轴的热变形、提高主轴的刚性和精度的目的。 2、功率扭矩特性 图2是功率
6、扭矩特性及转速图。主电机的最高转速为3500r/min，额定转速为1160r/min，恒功率调速范围为3，皮带轮的传动比为133236。由功率特性曲线可见，功率曲线重合，无缺口，即在计算转速142r/min以上，均可达到最大功率13kW(机械效率0.87)。但功率曲线重合部分太多，有些浪费。3、主轴组件的设计 图3是主轴结构图。主轴为三支承，前、中轴承在主轴箱内，是主要支承，后轴承在变速箱中，是辅助支承。前轴承是NN3024SKM-SP及234424MA-SP，中间轴承为NN3022SKM-CP。这种轴承配列具有很高的刚性，轴向力及径向力分别由不同的轴承负担，轴向热膨胀可由圆柱滚子轴承吸收。后
7、轴承是向心球轴承D220。由于三个轴承孔的同轴度很难保证，所以后轴承与箱体孔的配合较松，前、中轴承用长效润滑脂润滑，并用主轴中间的两个背帽调节。主轴前端的两个半圆垫在装配时配磨，用来调整前轴承的预负荷。主轴孔径为70。4、 温升及热变形情况 由于中间轴承位于变速箱与主轴箱之间，散热条件较差，致使中间轴承的温升高于前轴承。变速箱的润滑采用体外循环形式，且油量较大，可以把轴承处的部分热量带走，因此中间轴承的温升并不太高。 下面是主轴温升及热变形情况： 主轴中速1180r/min，时间180min，室温25.5； 前轴承最高温度32.0，温升7； 中间轴承最高温度32.4，温升6.4； 主轴中心线在
8、主平面上的变形量为9.5m； 主轴中心线在次平面上的变形量为8.5m； 主轴轴向变形量为18.5m； 主轴高速2360r/min，时间180min，室温25； 前轴承最高温度44.6，温升19.6； 后轴承最高温度51.5，温升26.5。 一、数控车床的机械结构分析l、 主传动系统 实现工件的旋转主运动，特点是速度较高，消耗动力较大。目前数控车床的主运动通常有以下几种类型：(1)机械有级手动变速型：它与普通车床基本相同。要变换工件的转速，必须先停车，再手动选速，然后再启动。这种型式结构复杂、性能低下，主要用于简易数控车床。(2)机械有级半自动变速型：它是在普通车床的基础上，采有电磁离合器，利用
9、速度编程代码，可以自动实现主轴转速的有级变换。主轴变速实现分级自动化，可相对提高加工效率。这种型式价格较低，在简易数控车床中广泛应用。(3)变频无级自动变速型：利用变频调速技术，通过控制信号，可使变频电机实现连续无级自动变速，简化机械结构；用户可按加工状态，选择最合理的主轴转速。这种型式价格适中，缺点是低速时主轴输出扭矩较小，不适于低速重负荷切削。(4)交流主轴伺服无级自动变速型：利用主轴高速响应矢量控制技术，可实现电机连续无级自动变速。同变频调速相比，其低速特性好，恒功率范围广，但价格较高。这种型式是数控车床最理想的配置2、 进给传动系统 主要实现刀具的纵横向进给运动，特点是速度较低，消耗动
10、力较小。数控车床的进给传动系统主要由驱动电机和滚珠丝杠副组成。(1)驱动电机有步进电机和伺服电机两种。伺服电机可分直流伺服电机和交流伺服电机，目前多用交流伺服电机。步进电机不带编码器，为开环控制系统；伺服电机带编码器，为半闭环控制系统。二者相比，伺服电机具有过载能力大和控制精度高的特点；而步进机具有价格低的优势。(2)滚珠丝杠副按回珠方式和螺母予紧方式有多种结构，目前最常用内循环双螺母垫片予紧型，可使机床达到较好的定位精度。3、 刀架系统主要实现刀盘的自动转换、定位及刀具的装夹，通常是数控车床的核心配套件，需要保证工件一次装夹后能够自动完成车削外圆、端面、圆弧、螺纹、镗孔、切槽、切断等加工工序
11、。刀架系统按实现刀盘的松开、分度转位及夹紧定位的驱动方式分有液压和电动两种，目前后者用得较广，是因无需配套液压系统，结构也较紧凑。按刀架的功能分为全功能型和普通型，根本差异在于是否具有双向回转和任意刀位就近选刀功能，决定着刀架换刀的时间长短，从而影响着数控车床的加工效率。按刀架的分度定位元件分为双齿盘和三齿盘两种。三齿盘结构实现刀架转位时，刀盘无需抬起即可实现转位刹紧，刀架自身的防护性能也较好。目前三齿盘式(不抬起式)刀架趋向为首选结构。4 、工件装夹系统 主要实现工件的装夹，通常由卡盘及尾座组成，决定着上下工件是否方便和省力。目前，卡盘有手动、电动、液压三种；尾座多为手动和液压两种。液压结构
12、复杂，价格稍高，但是装夹效率高，省力方便，还易实现安全保护功能。电动卡盘，因夹紧力难以控制，应用范围较小。手动卡盘价格低廉，简易数控车床中应用较广。5、 床身和防护系统 它们决定着数控车床的整体布局和外观造型。目前的数控车床有两大类型。(1)简易数控车床：整体布局由普通车床演变而来，多为平床身平拖板结构，刀架前置，切削区为半封闭或全封闭布局。因其构造同普通车床有很大的继承性，加工制造容易，成本较低。(2)全功能数控车床：整体布局多为斜床身平拖板(平床身斜拖板)结构，刀架后置，切削区为全封闭；上下工件操作方便，排屑容易，易实现自动化；切削区与纵横导轨完全隔离，具有良好的防水防尘性能，但其成本较高
13、。二、数控车床主轴驱动系统设计1、 主轴驱动系统的要求 在切削过程中，工件与刀具的相互作用形成负载转矩。理论上讲，切削功率用于切削金属的剥落和变形，故切削力正比于切削的材料性质和截面积，而截面积由切削深度和走刀量决定。切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，其大小与切削深度、进刀量、工件的材质等因素有关。这使得数控车床主轴系统负载具有如下特点：(1)在大的转速范围内，数控车床允许切削深度与进刀量都是相等的，因而具有恒转矩性质。(2)在高速段，受床身机械强度及振动等影响，速度越高，允许的切削深度和进刀量越小，负载转矩也越小，因此具有恒功率性质。 数控车床要求主轴输出功率大，调速范围足够大，并
14、具有主轴与进给驱动同步控制、准停控制、角度分度控制等控制功能。为满足上述数控要求，首先主轴电动机应具备以下性能：(1)电机功率大，且在调速范围内速度稳定，恒功率调速范围宽；(2)在断续负载下，电机的转速波动要小；(3)加、减速时间短；(4)电动机过载能力强；(5)噪声低、温升低、震动小、寿命长。2、 主轴变频器选用 本设计选用西门子MM440变频器，最大功率可达250kw，选择无速度传感器矢量控制方式。矢量控制法可使交流电动机变频调速后的机械特性和动态性能足以和直流电动机相比。而无速度传感器的矢量控制变频器不仅能够改善转矩控制的特性，而且能够改善针对各种负载变化产生的不同环境下的速度可控性。将2HZ的矢量变频控制和VF控制变频进行比较可发现前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段相同。矢量控制模式可提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力。主要具有以下特点：(1)变频器效率96至97；(2)过载能力强，内置制动单元，5分钟内持续时间6O秒150（恒转矩)负载电流过载，或1分钟内持续3秒200过载；(3)起动冲击电流小于额定输入电流；(4)各种保护齐全。 由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。电机除了考虑常规的参数如电机极数、额定功率、额定电
