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1、1 绪论1.1 数控系统发展简史1952年第一代数控系统电子管数控系统诞生。20世纪50年代末，完全由固定布线晶休管元器件电路所组成第二代数控系统晶体管数控系统被研制成功，替换了昂贵、易坏、难以推广电子管控制装置。伴随集成电路技术发展，1965年出现了第三代数控系统集成电路数控系统。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统小型计算机数控系统，然后，伴随微型计算机以其无法比拟性能价格比渗透各个行业，1974年，第五代数控系统微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为数控系统关键组件数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。总而言之，因为微电子技术和计算机技术不停
2、发展，数控机床数控系统也伴随不停更新，发展很快速，几乎5年左右时间就更新换代一次1。数控机床是优异制造业基础机械，是最经典多品种、小批量、高科技含量机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已前后完成了数控机床产品进程，1990年日本机床产值数控化率达75，美国达701，德国达57。现在世界数控机床年产量超出15万台，品种超出1500多个2。1.2 中国数控系统发展现实状况及趋势1.2.1 数控技术情况现在，中国数控系统正处于由研究开发阶段向推广应用阶段过渡关键时期，也是由封闭型向开放型过渡时期。中国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包含关键技术)，已达成国际优异水平。自“七五”以来，国
3、家一直把数控系统发展作为重中之重来支持，现已开发出含有中国版权数控系统，掌握了国外一直对中国封锁部分关键技术。比如，曾长久困扰中国、并受到西方国家封锁多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1当量超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统全部已研制成功。尤其是基于PC机开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，含有联网进线等功效既可作为独立产品，又是一代开放式开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发发明了条件。尤其关键是，中国数控系统可靠性已经有很大提升，MPBF值能够在15000h以上。同时大部分数控机床配套产品已能中国生产，自我配套率超出60%。这些成功为
4、中国数控系统自行开发和生产奠定了基础1。中国进行改革开放后，因为政策开放，使得金属切削行业得以和世界上优异机床制造国家进行技术交流，并经过引进技术，到80年代初，国产数控机床进入实用化阶段，1991年数控机床产值数控化率为143，到1997年数控机床产值数控化率为245。现在，中国数控机床(包含经济型机床)品种约有500个2。 不过，和国外数控车床相比，在性能、质量 设计、制造等各方面存在较大差异，并存在很多不足：机械件材质、加工精度、加工工艺存在较大差距，装配工艺也存在一定差距；主轴及卡盘刚性差，主轴定位准停不好；安全性较差，软硬件保护功效不够；刀片磨损快，生产成本高，效率低；硬件设计方面不
5、规范，不符合国家标准，比如使用电压等级、电线颜色使用、图纸资料绘制装订、提交等等，有机床厂家甚至仍然停留在十年二十年前设计思想；程序设计方面缺乏标准，不规范，逻辑性不强，故障率高，在使用过程中需不停对程序进行修改；外围元件部署及走线不规范，标牌线号不清，图纸和实物不符，维修困难；使用元器件本身质量差，使用寿命短，故障率高，有机床厂家为了降成本却忘记了质量、忘记了可靠性，选择部分国产轴承、接触器、继电器、靠近开关等元件，在生产过程中小故障连绵不停；柔性化不强，多品种生产困难。而国外数控车床不管是设计水平，还是制造水平，全部要高出中国数控车床。机械件材质、加工精度、加工工艺、装配工艺比很好；软硬件
6、设计有专门标准，设计规范合理，配套件齐全，标牌标示清楚齐全；使用元器件质量好，故障率低；新技术应用立即领先；概括来说，精度及可靠性高、性能稳定故障率低3 。1.2.2 数控系统发展趋势伴随微电子技术和计算机技术发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展需要，数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功效、智能化及开放性等方向发展。1.3 伺服系统特点数字控制，是一个自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制一个方法。数控机床是采取了数控技术机床，或说是装备了数控系统机床。数控机床是经典数控化设备，它通常由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部
7、分组成。1. 信息载体信息载体又称控制介质，用于统计数控机床上加工一个零件所必需多种信息，以控制机床运动，实现零件机械加工。常见信息载体有穿孔带等，经过对应输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采取操作面板上按钮和键盘将加工信息直接输入，或经过窜行口将计算机上编写加工程序输入到数控系统。高级数控系统可能还包含一套自动编程机或CAD/CAM系统。2. 计算机数控系统计算机数控系统是数控机床关键，它功效是接收载体送来加工信息，经计算和处理后去控制机床动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备关键包含光电阅读机、CRT、键盘、面板、机床接口等。软件由管理软件和控制软件组成。数控装置控
8、制机床动作可概括为：机床主运动、机床进给运动、刀具选择和刀具赔偿、其它辅助运动等。3. 伺服系统它是数控系统实施部分，包含驱动机构和机床移动部件,它接收数控装置发来多种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机能够是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。4. 机床它是用于完成多种切削加工机械部分，是在一般机床基础上发展起来，但也做了很多改善和提升，它关键特点是：因为大多数数控机床采取了高性能主轴及伺服传动系统，所以数控机床机械传动结构得到了简化，传动链较短；为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构含有较高动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；更多地采取高效传动部件，如滚珠丝杠
9、副、直线滚动导轨等；不少数控机床还采取了刀库和自动换刀装置以提升机床工作效率1。数控机床集中了传统自动机床、精密机床和万能机床三者优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水平提升首先依靠于进给和主轴驱动特征改善和功效扩大，为此数控机床对进给伺服系统位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面全部有很高要求。伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象自动控制系统。在数控机床中，伺服系统关键指各坐标轴进给驱动位置控制系统。伺服系统接收来自CNC装置进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有带动工作台，有带动刀架，经过多个坐标轴综合联动，使刀具相对于工件产生多种
10、复杂机械运动，加工出所要求复杂形状工件。进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间联络步骤，是数控机床关键组成部分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等多种部件，并包含到强电和弱电控制，是一个比较复杂控制系统。要使它成为一个既能使各部件相互配合协调工作，又能满足相当高技术性能指标控制系统，确实是一个相当复杂任务。提升伺服系统技术性能和可靠性，对于数控机床含有重大意义，研究和开发高性能伺服系统一直是现代数控机床关键技术之一。数控机床伺服系统通常结构以下图所表示：因为多种数控机床所完成加工任务不一样，它们对进给伺服系统要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；含有足
11、够传动刚度和高速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。伺服系统对伺服电机要求：1） 从最低速到最高速电机全部能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳速度而无爬行现象。2） 电机应含有大较长时间过载能力，以满足低速大转矩要求。通常直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。3） 为了满足快速响应要求，电机应有较小转动惯量和大堵转转矩，并含有尽可能小时间常数和开启电压。电机应含有耐受4000rad/s2以上角加速度能力，才能确保电机可在0.2s以内从静止开启到额定转速。4） 电机应能随频繁开启、制动和反转。伴随微电子技术、计算机技术和伺服控制技术发
12、展，数控机床伺服系统已开始采取高速、高精度全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方法、混合方法走向全数字方法。由位置、速度和电流组成三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采取了很多新控制技术和改善伺服性能方法，使控制精度和品质大大提升4。 图1.1 伺服系统结构图1.4 设计内容、目标和方法此次设计内容是机床总体方案设计及总体布局图绘制、纵向及横向伺服进给机构理论计算、结构设计及绘制装配图、经典零件绘制、数控系统（硬件连接图）设计、经典零件数控车削加工程序编制及外文资料文件翻译，并撰写毕业设计论文。设计目标是培养综合利用基础知识和专业知识，处理工程实际问题能力，提
13、升综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作基础训练，使工程绘图、数据处理、外文文件阅读、程序编制、使用手册等基础技能得到训练和提升，培养正确设计思想、严厉认真科学态度，加强团体合作精神。在设计中，先经过参观及查阅等了解相关系统工作原理，作用及结构特点。选择适宜算法，依据计算结果查阅手册，得出相关结构或零件。在图纸绘制中，充足利用软件优异性，完成三张A0图纸。最终，完成硬件连接设计，编制经典零件车削程序，撰写说明书。2 总体方案设计2.1 方案设计及总体布局 机床结构能够部署成卧式、立式、倒立式及斜置式等，依据设计任务加工轴类和直径不太大盘、套类零件，采取卧式斜床身形式。主轴水平安装
14、，横向成45部署。依据纵横向长度定外观总长度，布局图如附录1所表示。数控机床伺服系统是连接数控系统和机床主体关键部分，在设计中，在伺服方法上选择最广泛应用半闭环方法。采取螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠校核并进行精度等验算，依据计算扭矩选择伺服电机。2.2 主切削力计算切削力大小可用多种测力仪测得，也可用试验得出近似公式计算： (2.1) (2.2) (2.3)式中 系数。决定于工件材料和加工方法，在一定切削条件（v、s、t固定）下，为一常数。大表示工件材料加工性差；小表示工件材料加工性好。 k总修正系数。决定于工件材料、切削用量和刀具几何形状等。分别为工件材料、切削速度、主偏角
15、、前角、刀具磨损程度对P修正系数。、指数。通常情况下。这说明吃刀深度对切削力影响要比走刀量对切削力影响大。下表所列为系数、指数和修正系数。这些系数在下列条件下制订：刀片材料为硬质合金，工件材料为碳素结构钢，后刀面磨损程度，切削时不用冷却液，车削外圆。它们系数、指数和修正系数之值也各有不一样，可从相关手册中查得。表 2.1系 数 及 指 数工件材料结构钢16710075修 正 系 数工 件材 料4050506060707080809090100=08409009510104109切 削速 度v=50100200300400500=10090082077074071主 偏角=3045607090=10810094094089前 角=+20+100-10
