【正文】 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 1 緒論 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡史及國外發(fā)展現(xiàn)狀 1949年美國帕森公司首先提出了機(jī)床數(shù)字控制的概念。 1952年第一代數(shù)控系統(tǒng) —— 電子管數(shù)控系統(tǒng)的誕生。 20世紀(jì) 50年代末，完全由固定布線的晶休管元器件電路所組成的第二代數(shù)控系統(tǒng) —— 晶體管數(shù)控系統(tǒng)被研制成功，取代了昂貴的、易壞的、難以推廣的電子管控制裝置。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展， 1965 年出現(xiàn)了第三代數(shù)控系統(tǒng) —— 集成電路數(shù)控系統(tǒng)。 1970 年，在美國芝加哥國際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了第四代數(shù)控系統(tǒng) —— 小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，然后，隨著微型計(jì)算機(jī)以其無法比擬 的性能價(jià)格比滲透各個(gè)行業(yè)， 1974 年，第五代數(shù)控系統(tǒng) —— 微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了。應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心組件的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) (CNC)。綜上所述，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)也隨著不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎 5年左右時(shí)間就更新?lián)Q代一次 [1]。 數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)制造業(yè)的基礎(chǔ)機(jī)械，是最典型的多品種、小批量、高科技含量的機(jī)電一體化產(chǎn)品。歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)程， 1990 年日本機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá) 75％，美國達(dá) 70． 1％，德國達(dá) 57％ 。目前世界數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量超過 15萬臺(tái)，品種超過 1500多種 [2]。 我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 數(shù)控技術(shù)狀況 目前，我國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡的關(guān)鍵時(shí)期，也是由封閉型向開放型過渡的時(shí)期。 我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù) (包括核心技術(shù) )，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對(duì)我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。例如，曾長期困擾我國、并受到西方國家封鎖的多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)技術(shù) 對(duì)我們已不再是難題， m? 當(dāng)量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿型系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進(jìn)給數(shù)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于 PC 機(jī)的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)線等功能既可作為獨(dú)立產(chǎn)品，又是一代開放式的開發(fā)平臺(tái)，為機(jī)床廠 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 及軟件開發(fā)商二次開發(fā)創(chuàng)造了條件。特別重要的是，我國數(shù)控系統(tǒng)的可靠性已有很大提高， MPBF值可以在 15000h以上。同時(shí)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)，自我配套率超過 60%。這些成功為中國數(shù)控系統(tǒng)的自行 開發(fā)和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ) [1]。 我國進(jìn)行改革開 放后，由于政策的開放，使得金屬切削行業(yè)得以和世界上先進(jìn)的機(jī)床制造國家進(jìn)行技術(shù)交流，并通過引進(jìn)技術(shù)，到 80年代初，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)入實(shí)用化階段， 1991年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值數(shù)控化率為 14． 3％，到 1997年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率為 24． 5％。目前，我國數(shù)控機(jī)床 (包括經(jīng)濟(jì)型機(jī)床 )品種約有 500個(gè) [2]。 但是，與國外數(shù)控車床相比，在性能、質(zhì)量 設(shè)計(jì)、制造等各方面存在較大差異，并存在許多不足：機(jī)械件的材質(zhì)、加工精度、加工工藝存在較大差距，裝配工藝也存在一定差距；主軸及卡盤剛性 差，主軸定位準(zhǔn)停不好；安全性較差，軟硬件保護(hù)功能不夠；刀片磨損快，生產(chǎn)成本高，效率低；硬件設(shè)計(jì)方面不規(guī)范，不符合國標(biāo)，比如使用電壓等級(jí)、電線顏色使用、圖紙資料的繪制裝訂、提交等等，有的機(jī)床廠家甚至仍然停留在十年二十年前的設(shè)計(jì)思想；程序設(shè)計(jì)方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)，不規(guī)范，邏輯性不強(qiáng)，故障率高，在使用過程中需不斷對(duì)程序進(jìn)行修改；外圍元件布置及走線不規(guī)范，標(biāo)牌線號(hào)不清，圖紙與實(shí)物不符，維修困難；使用的元器件本身質(zhì)量差，使用壽命短，故障率高，有的機(jī)床廠家為了降成本卻忘記了質(zhì)量、忘記了可靠性，選用一些國產(chǎn)的軸承、接觸器、繼電器 、接近開關(guān)等元件，在生產(chǎn)過程中小故障連綿不斷；柔性化不強(qiáng)，多品種生產(chǎn)困難。而國外數(shù)控車床無論是設(shè)計(jì)水平，還是制造水平，都要高出國內(nèi)數(shù)控車床。機(jī)械件材質(zhì)、加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設(shè)計(jì)有專門的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)規(guī)范合理，配套件齊全，標(biāo)牌標(biāo)示清楚齊全；使用的元器件質(zhì)量好，故障率低；新技術(shù)的應(yīng)用及時(shí)領(lǐng)先；概括來說，精度及可靠性高、性能穩(wěn)定故障率低 [3] 。 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日臻完善，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技發(fā)展的需 要，數(shù)控系統(tǒng)正朝著高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及開放性等方向發(fā)展。 伺服系統(tǒng)的特點(diǎn) 數(shù)字控制，是一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)控制對(duì)象加以控制的一種方法。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 1. 信息載體 信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床上加工一個(gè)零件所必需的各種信息，以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過相應(yīng)的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系 統(tǒng)中。數(shù)控機(jī)床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過竄行口將計(jì)算機(jī)上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級(jí)的數(shù)控系統(tǒng)可能還包含一套自動(dòng)編程機(jī)或者 CAD/CAM系統(tǒng)。 2. 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經(jīng)計(jì)算和處理后去控制機(jī)床的動(dòng)作。它由硬件和軟件組成。硬件除計(jì)算機(jī)外，其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)、 CRT、鍵盤、面板、機(jī)床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組成。數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作可概括為：機(jī)床主運(yùn)動(dòng)、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償、其它輔 助運(yùn)動(dòng)等。 3. 伺服系統(tǒng) 它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動(dòng)部件 ,它接受數(shù)控裝置發(fā)來的各種動(dòng)作命令，驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、電液馬達(dá)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。 4. 機(jī)床 它是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但也做了很多改進(jìn)和提高，它的主要特點(diǎn)是：由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸及伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，因此數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動(dòng)鏈較短；為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)地自動(dòng)化加工，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??；更多 地采用高效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等；不少數(shù)控機(jī)床還采用了刀庫和自動(dòng)換刀裝置以提高機(jī)床工作效率 [1]。 數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)床、精密機(jī)床和萬能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng)特性的改善以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)等方面都有很高的要求。 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自 CNC裝置的進(jìn)給脈 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。這些軸有的帶動(dòng)工作臺(tái)，有的帶動(dòng)刀架，通過幾個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。它包含機(jī)械、電子、電機(jī) (早期產(chǎn)品還包含液壓 )等各種部件，并涉及到強(qiáng)電與弱電控制，是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個(gè)既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當(dāng)高的技術(shù)性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，的確是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù) 性能和可靠性，對(duì)于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示： 由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆運(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動(dòng)剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。 伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求： 1） 從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如 /min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。 2） 電機(jī) 應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載 46倍而不損壞。 3） 為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受 4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在 。 4） 電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式 走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字 PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高 [4]。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 圖 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)的內(nèi)容、目的和方法 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容是機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)及總體布局圖繪制、縱向及橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制裝配圖、典型零件繪制、數(shù)控系統(tǒng)（硬件連接圖）設(shè)計(jì)、典型零件的數(shù)控車削加工程序編制及外文資料文獻(xiàn)翻譯，并撰寫畢業(yè)設(shè) 計(jì)論文。 設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，解決工程實(shí)際問題的能力，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊(cè)等基本技能得到訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神。 在設(shè)計(jì)中，先通過參觀及查閱等了解有關(guān)系統(tǒng)的工作原理，作用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。選擇合適的算法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果查閱手冊(cè)，得出相關(guān)的結(jié)構(gòu)或零件。在圖紙的繪制中，充分利用軟件的先進(jìn)性，完成三張 A0 圖紙。最后，完成硬件連接設(shè)計(jì)，編制典型零件的車削 程序，撰寫說明書。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 2 總體方案設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)及總體布局 機(jī)床結(jié)構(gòu)可以布置成臥式、立式、倒立式及斜置式等，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù) —— 加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，采用臥式斜床身形式。主軸水平安裝，橫向成 45176。布置。根據(jù)縱橫向長度定外觀總長度，布局圖如附錄 1所示。 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床主體的重要部分，在設(shè)計(jì)中，在伺服方式上選擇最廣泛應(yīng)用的半閉環(huán)方式。采用螺旋傳動(dòng)，計(jì)算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進(jìn)行絲杠的校核并進(jìn)行精度等驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算的扭矩選擇伺服電機(jī)。 主切削力的計(jì)算 切削力的大小可用各種測力儀測得，也可用實(shí)驗(yàn)得出的近似公式計(jì)算： PZ PZXYZ PZP C t s k?