【文章內容簡介】 了同批零件加工的一致性，使產品質量穩(wěn)定； 提高生產效率，一般約提高效率 3~5 倍，使用數控加工中心機床則可提高生率5~10 倍； 可加工形狀復雜的零件； 減輕了勞動強度，改善了勞動條件； 有利于生產管理和機械加工綜合自動化的發(fā)展 。 數控系統(tǒng)的發(fā)展簡史及國外發(fā)展現狀 1949年美國帕森公司首先提出了機床數字控制的概念。 1952年第一代數控系統(tǒng) ——電子管數控系統(tǒng)的誕生。 20 世紀 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控系統(tǒng) ——晶體管數控系統(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。隨著集成電路技術的發(fā)展， 1965 年出現了第三代數控系統(tǒng) ——集成電路數控系統(tǒng)。 1970 年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了第四代數控系統(tǒng) ——小型計算機數控系統(tǒng)，然后，隨著微型計算機以其無法比擬的性能價格比滲透各個行業(yè)， 1974 年，第五代數控系統(tǒng) ——微型計算機數控系統(tǒng)也出現了。應用一個或多個計算機作為數控系統(tǒng)的核心組件的數控系統(tǒng)統(tǒng)稱為計算機數控系統(tǒng) (CNC)。綜上所 述，由于微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，數控機床的數控系統(tǒng)也隨著不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎 5 年左右時間就更新?lián)Q代一次 [1]。 數控機床是先進制造業(yè)的基礎機械，是最典型的多品種、小批量、高科技含量的機電一體化產品。歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數控機床產品進程， 1990 年日本機床產值數控化率達 75%，美國達 70． 1%，德國達 57%。目前世界數控機床年產量超過 15 萬臺，品種超過 1500 多種 [2]。 我國數控系統(tǒng)的發(fā)展現狀及趨勢 數控技術狀況 目前，我國數控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應用階段過渡的關鍵時期，也是由封閉型向開放型過渡的時期。 我國數控系統(tǒng)在技術上已趨于成熟，在重大關鍵技術 (包括核心技術 )，已達到國際先進水平。自“七五”以來，國家一直把數控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現已開沈陽理工大學學士學位論文 3 發(fā)出具有中國版權的數控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關鍵技術。例如，曾長期困擾我國、并受到西方國家封鎖的多坐標聯(lián)動技術對我們已不再是難題， m? 當量的超精密數控系統(tǒng)、數控仿型系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進給數控系統(tǒng)、 實時多任務操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于 PC 機的開放式智能化數控系統(tǒng)，可實施多軸控制，具備聯(lián)網進線等功能既可作為獨立產品，又是一代開放式的開發(fā)平臺，為機床廠及軟件開發(fā)商二次開發(fā)創(chuàng)造了條件。特別重要的是，我國數控系統(tǒng)的可靠性已有很大提高， MPBF 值可以在 15000h 以上。同時大部分數控機床配套產品已能國內生產，自我配套率超過 60%。這些成功為中國數控系統(tǒng)的自行開發(fā)和生產奠定了基礎 [1]。 我國進行改革開 放后，由于政策的開放，使得金屬切削行業(yè)得以和世界上先進的機床制造國家進行技術交流，并通過引進技術，到 80年代初，國產數控機床進入實用化階段，1991年數控機床的產值數控化率為 14． 3%，到 1997年數控機床產值數控化率為 24． 5％ 。目前，我國數控機床 (包括經濟型機床 )品種約有 500 個 [2]。 但是，與國外數控車床相比，在性能、質量 設計、制造等各方面存在較大差異，并存在許多不足：機械件的材質、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，主軸定位準停不好；安全性較差，軟硬件保護功能不夠；刀片磨損快，生產成本高，效率低；硬件設計方面不規(guī)范，不符合國標，比如使用電壓等級、電線 顏色使用、圖紙資料的繪制裝訂、提交等等，有的機床廠家甚至仍然停留在十年二十年前的設計思想；程序設計方面缺乏標準，不規(guī)范，邏輯性不強，故障率高，在使用過程中需不斷對程序進行修改；外圍元件布置及走線不規(guī)范，標牌線號不清，圖紙與實物不符，維修困難；使用的元器件本身質量差，使用壽命短，故障率高，有的機床廠家為了降成本卻忘記了質量、忘記了可靠性，選用一些國產的軸承、接觸器、繼電器、接近開關等元件，在生產過程中小故障連綿不斷；柔性化不強，多品種生產困難。而國外數控車床無論是設計水平，還是制造水平，都要高出國內數控車床。 機械件材質、加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設計有專門的標準，設計規(guī)范合理，配套件齊全，標牌標示清楚齊全；使用的元器件質量好，故障率低；新技術的應用及時領先；概括來說，精度及可靠性高、性能穩(wěn)定故障率低 [3] 。 數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，數控系統(tǒng)性能日臻完善，數控系統(tǒng)應用領域日益擴大。為了滿足社會經濟發(fā)展和科技發(fā)展的需要，數控系統(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。 沈陽理工大學學士學位論文 4 伺服系統(tǒng)的特點 數字控制，是一種自動控制技術，是用數字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數控機床是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統(tǒng)的機床。數控機床是典型的數控化設備，它一般由信息載體、計算機數控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床四部分組成。 信息載體 信息載體又稱控制介質，用于記錄數控機床上加工一個零件所必需的各種信息，以控制機床的運動，實現零件的機械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過相應的輸入裝置將信息輸入到數控系統(tǒng)中。數控機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，或通過竄行口將計算機上編寫的加工程序輸 入到數控系統(tǒng)。高級的數控系統(tǒng)可能還包含一套自動編程機或者 CAD/CAM 系統(tǒng)。 計算機數控系統(tǒng) 計算機數控系統(tǒng)是數控機床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經計算和處理后去控制機床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機外，其外圍設備主要包括光電閱讀機、 CRT、鍵盤、面板、機床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組成。數控裝置控制機床的動作可概括為：機床主運動、機床的進給運動、刀具的選擇和刀具的補償、其它輔助運動等。 伺服系統(tǒng) 它是數控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅動機構和機床移動部件 ,它接受數控裝置發(fā)來的 各種動作命令，驅動受控設備運動。伺服電動機可以是步進電機、電液馬達、直流伺服電機或交流伺服電機。 機床 它是用于完成各種切削加工的機械部分，是在普通機床的基礎上發(fā)展起來的，但也做了很多改進和提高，它的主要特點是：由于大多數數控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此數控機床的機械傳動結構得到了簡化，傳動鏈較短；為了適應數控機床連續(xù)地自動化加工，數控機床機械結構具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??；更多地采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌等；不少數控機床還采用了刀庫和自動換刀裝置以 提高機床工作效率 [1]。 數控機床集中了傳統(tǒng)的自動機床、精密機床和萬能機床三者的優(yōu)點，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數控機床技術水平的提高首先依賴于進給和主軸驅動特性的改善以及功能的擴大，為此數控機床對進給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電沈陽理工大學學士學位論文 5 機、機械傳動等方面都有很高的要求。 伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在數控機床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標軸進給驅動的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自 CNC 裝置的進給脈沖，經變換和放大，再驅動各加工坐標軸按指令脈沖運動。這些軸有的帶動工作臺，有 的帶動刀架，通過幾個坐標軸的綜合聯(lián)動，使刀具相對于工件產生各種復雜的機械運動，加工出所要求的復雜形狀工件。 進給伺服系統(tǒng)是數控裝置和機床機械傳動部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數控機床的重要組成部分。它包含機械、電子、電機 (早期產品還包含液壓 )等各種部件，并涉及到強電與弱電控制，是一個比較復雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個既能使各部件互相配合協(xié)調工作，又能滿足相當高的技術性能指標的控制系統(tǒng)，的確是一個相當復雜的任務。提高伺服系統(tǒng)的技術性能和可靠性，對于數控機床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現代數控機床的關鍵 技術之一。 由于各種數控機床所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應并無超調；高精度；低速大轉矩。 伺服系統(tǒng)對伺服電機的要求： 1）從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如 /min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現象。 2）電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載 4～ 6 倍而不損壞。 3）為了滿足快速響應的要求，電機應 有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。電機應具有耐受 4000rad/s2 以上的角加速度的能力，才能保證電機可在 以內從靜止啟動到額定轉速。 4）電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。 隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展，數控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數字化、軟件處理數字 PID，使用靈活，柔性好。數字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高 [4]。 沈陽理工大學學士學位論文 6 本課題的研究內容和方法 本 次設計的內容是車床進給系統(tǒng)方案設計及總體布局圖繪制、縱向及橫向伺服進給機構的理論計算、結構設計及繪制裝配圖、典型零件繪制及外文資料文獻翻譯，并撰寫畢業(yè)設計論文。 在設計中 通過查閱資料確定數控車床的切削力，由切削力的大小來確定數控車床伺服進給系統(tǒng)的各種 運動參數及傳動方案，然后通過計算當量動載荷選擇滾珠絲杠，通過計算最大切削負載轉矩，負載慣量選擇伺服電動機。 本章小結 本章先介紹了數控機床的分類，特點與研究現狀，介紹了數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，以及伺服系統(tǒng)的特點。最后介紹了本課題研究的主要內容和研究方法。 沈陽理工大學學士學位論文 7 2 進給系統(tǒng)的總體方案設計 機床的主要性能 本設計對數控車床的進給系統(tǒng)進行了設計，該車床主要用于小尺寸的軸類零件和盤類零件的精密加工。 該數控車床具有剛度高、排屑功能流暢、運轉噪音低、傳動效率高、精度保持性好、有效壽命長等優(yōu)點。為保證機床運轉的穩(wěn)定性，采用了高精密孔式主軸結構和大功率交流伺服主軸電機，并具備良好的抗振 性設計。 車床的進給伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機驅動，選用精密數控系統(tǒng)，并合理選用高精度元器件，保證了伺服系統(tǒng)達到要求的精度、重復定位精度，并使其具有高剛度和良好的穩(wěn)定性。 進給系統(tǒng)的精度要求 進給伺服系統(tǒng)的精度對機床的加工精度有很大的影響，良好的電氣部件設計和機械結構設計，能保證進給伺服系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。 本設計著重進行進給伺服系統(tǒng)的機械結構設計、傳動設計。本車床精度較高，能進行微米級加工，能獲得高質量的加工表面。進給系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母副傳動， Z、 X兩軸聯(lián)動，單軸具有較高的定位精度和重復定位精度。 進給傳動控制伺服系統(tǒng)的選擇 開環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng)是數控機床中最簡單的伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件一般為步進電機。開環(huán)進給伺服系統(tǒng)的精度較低，速度也受到步進電動機性能的限制。但由于其結構簡單，易于調整，在精度要求不太高的場合中得到較廣泛的應用。 閉環(huán)控制系統(tǒng) 因為開環(huán)系統(tǒng)的精度不能很好地滿足數控機床的要求，所以為了保證精度，最根本的辦法是采用閉環(huán)控制方式。閉環(huán)控制系統(tǒng)是采用直線型位置檢測裝置對數控機床工作臺位移進行直接測量并進行反饋控制的位置伺 服系統(tǒng)。 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 采用旋轉型角度測量元件（脈沖編碼器、旋轉變壓器、圓感應同步器等）和伺服電動機按照反饋控制原理構成的位置伺服系統(tǒng)，稱作半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的沈陽理工大學學士學位論文 8 檢測裝置有兩種安裝方式：一種是把角位移檢測裝置安裝在絲杠末端；另一種是把角位移檢測裝置安裝在電動機軸端。 數控機床要求達到預定的精度要求以外，根據需求，并且考慮到經濟的效益，還要求具有良好的穩(wěn)定性和快速響應能力?；谶@些要求，本設計采用閉環(huán)控制方式，包含位置反饋環(huán)合速度反饋環(huán)閉環(huán)控制能夠較好地減小誤差，有利于提高機床性能 . 進給系統(tǒng)的傳動要求及傳動類型的選擇 進給系統(tǒng)的傳動要求 數控機床進給傳動裝置的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，將直接影響工件的加工精度。為此，數控機床的進給傳動系統(tǒng)必須滿足 :（ 1）傳動精度高；（ 2）摩擦阻力??；（ 3）運動部件慣量小。 傳動類型的選擇 數控機床進給傳動系統(tǒng)的基本傳動方式常用的有兩種：滾珠絲杠螺母副和靜壓絲杠螺母副。 滾珠絲杠螺母副 在數控機床上，將回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置一般采用滾珠絲杠螺母副。其特點是：傳動效率高，一般為η =～ ；傳動靈 敏，摩擦力小，不易產生爬行；使用壽命長；具有可逆性，不僅可以將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，亦可將直線運動變成旋轉運動；軸向運動精度高，施加預緊力后，可消除軸向間隙，反向時無空行程；因此，在數控機床上得到了廣泛的應用，是目前中、小型數控機床的常見的傳動方式。 靜壓絲杠螺母副 其特點是：摩擦系數小，僅為 ，；平穩(wěn)性高；反向間隙??；但是，靜壓絲杠螺母副應有一套供油系統(tǒng)，而且