【文章內(nèi)容簡介】 運算，并通過與各坐標伺服系統(tǒng)的位置、速度反饋信號的比較，從而控制機床各坐標軸的位移。而時序邏輯控制通常由可編程控制器 PLC 來完成，它根據(jù)機床各個部件有條不紊地按順序工作。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 9 3）伺服系統(tǒng)：伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)和機床本體之間的電傳動聯(lián)系環(huán)節(jié)。主要由伺服電動機、驅(qū)動控制系統(tǒng)和位置檢測與反饋裝置等組成。伺服電動機是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，驅(qū)動控制系統(tǒng)則是伺服電動機的動力源。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號與位置反饋信號比較后作為位移指令，再經(jīng)過驅(qū)動系統(tǒng)的功率放大后，驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，通過機械傳動裝置拖動工作臺或刀架運 動。 4）強電控制柜：強電控制柜主要用來安裝機床強電控制的各種電氣元件，除了提供數(shù)控、伺服等一類弱電控制系統(tǒng)的輸入電源以及各種短路、過載、欠壓等電氣保護外，主要在 PLC 的輸出接口與機床各類輔助裝置的電氣執(zhí)行元件之間起橋梁連接作用，控制機床輔助裝置的各種交流電動機、液壓系統(tǒng)電磁閥或電磁離合器等。此外，它也與機床操作臺有關(guān)手動按扭連接。強電控制柜由各種中間繼電器、接觸器、變壓器、電源開關(guān)、接線端子和各類電氣保護元器件等構(gòu)成。它與一般普通機床的電氣類似，但為了提高對弱電控制系統(tǒng)的抗干擾性，要求各類頻繁啟動或切換的 電動機、接觸器等電磁感應(yīng)器件中均必須并接 RC 阻容吸收器；對各種檢測信號的輸入均要求用屏蔽電纜連接。 5）機床本體：數(shù)控機床的本體指其機械結(jié)構(gòu)實體。它與傳統(tǒng)的普通機床相比較，同樣由主傳動系統(tǒng)、進給傳動機構(gòu)、工作臺、床身以及立柱等部分組成，但數(shù)控機床的整體布局、外觀造型、傳動機構(gòu)、工具系統(tǒng)及操作機構(gòu)等方面都發(fā)生了很大變化。為了滿足數(shù)控技術(shù)的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機床的特點，歸納起來包括以下幾個方面的變化。 6）輔助裝置：輔助裝置主要包括自動換刀裝置 ATC（ Automatic Tool Changer ） 、自動交換工作臺機構(gòu) APC（ Automatic Pallet Changer）、工件夾緊放松機構(gòu)、回轉(zhuǎn)工作臺、液壓控制系統(tǒng)、潤滑裝置、銑削液裝置、排屑裝置、過載和保護裝置等。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 10 下圖所示為 XK5040A 式數(shù)控銑床的整體圖，及各部件名稱： 數(shù)控機床的分類 數(shù)控機床的品種規(guī)格很多，分類方法也各不相同。一般可根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)，按下面四種原則進行分類。 按機床運動的控制軌跡分類 1）點位控制的數(shù)控機床：點位控制只要求控制機床的移動部件從一點移動到另一點的準確定位，對于點與點之間的運動軌跡的要求并不嚴格， 在移動過程中不進行加工，各坐標軸之間的運動是不相關(guān)的。 2）直線控制數(shù)控機床：又稱平行控制數(shù)控機床，其特點是除了控制河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 點與點之間的準確定位外，還要控制兩相關(guān)點之間的移動速度和路線，但其運動路線只是與機床坐標軸平行移動，也就是說同時控制的坐標軸只有一個，在移位的過程中刀具能以指定的進給速度進行銑削，一般只能加工矩形、臺階形零件。 3）輪廓控制數(shù)控機床：也稱連續(xù)控制數(shù)控機床，其控制特點是能夠?qū)蓚€或兩個以上的運動坐標的位移和速度同時進行控制。為了滿足刀具沿工件輪廓的相對運動軌跡符合工件加工輪廓的要求，必須將各坐標運動的位移控制和速度控制按照規(guī)定的比例關(guān)系精確地協(xié)調(diào)起來。因此在這類控制方式中，就要求數(shù)控裝置具有插補運算功能，所謂插補就是根據(jù)程序輸入的運算器的數(shù)學(xué)處理，把直線或圓弧的形狀描述出來，也就是一邊計算，一邊根據(jù)計算結(jié)果向各坐標軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標軸的聯(lián)動位移量與要求的輪廓相符合。在運動過程中刀具對工件表面連續(xù)進行銑削，可以進行各種直線、圓弧、曲線的加工。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向 隨著世界對數(shù)控機床研究的深入化及行業(yè)需求標準的精確化，世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工提出了更高的要求， 超高速銑削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，要求數(shù)控機床的各個組成部分具有更高的性能指標。當今的數(shù)控機床正在不斷采用最新技術(shù)成就，超著高速化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個方面： 1）高速度與高精度化 速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是在超高速銑削、超精密加工技術(shù)的實施中，它對機床各坐標軸位移速度和定位精度提出了更高的要求；另外，這兩項技術(shù)指標又是相互制約的，也就是說要求位移速度越高，定位精度越難提高。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 12 2）多功能化 ① 數(shù)控機床采用一機多用途，以最大限度地提高設(shè)備利用效率。 ② 前臺加工、后臺編輯的前后臺功能，以充分提高其工作效率和機床利用率。 ③ 具有更高的通訊功能，現(xiàn)代數(shù)控機床除具有通訊口、 DNC 功能外，還有網(wǎng)絡(luò)功能。 3）智能化 ① 引進自適應(yīng)控制技術(shù)：自適應(yīng)控制 AC（ Adaptive Control）技術(shù)的目的是要求在隨機變化的加工過程中，通過自動調(diào)節(jié)加工過程中所得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價指標 自動校正自身的工作參數(shù)，以達到或接近最佳工作狀態(tài)。由于在實際加工過程中，大約有 30 余種變量直接或間接地影響加工效果，如工件毛坯余量不均勻、材料硬度不均勻、刀具磨損、工件變形、機床熱變形等。這些變量事先難預(yù)知，編制加工程序時只能依據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，以致在實際加工中，很難用最佳參數(shù)、銑削用量等，使加工過程中能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)率。 ② 采用故障自診斷、自修復(fù)功能：主要是利用 CNC 系統(tǒng)的內(nèi)裝程序?qū)崿F(xiàn)在線故障診斷， 一旦出現(xiàn)故障時，立即采取停機等措施，并通過 CRT進行故障報警，提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用“戎余”技術(shù)，自動使故障模塊脫機，接通備用模塊。 ③ 刀具壽命自動檢測和自動換刀功能：利用紅外、聲發(fā)射、激光等檢測手段，對刀具和工件進行檢測。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損等，進行及時報警、自動補償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。 ④ 引進模式識別技術(shù)：應(yīng)用圖象識別和聲控技術(shù)，使機器自己辨別圖樣，按照語言命令進行加工。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 13 4）高的可靠性 數(shù)控機床的可靠性一直是用 戶最關(guān)心的主要指標，它取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動單元的可靠性，為了提高可靠性，目前主要采取以下幾個方面的措施： ① 提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量； ② 采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標準化、通用化方式； ③ 增強故障自診斷、自恢復(fù)和保護功能。 除上述幾方面外，數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)正向小型化、數(shù)控編程自動化等方向發(fā)展。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 14 2 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的 變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。主傳動系統(tǒng)還應(yīng)必須盡量滿足下面的要求，才能夠做到符合要求： 、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能實現(xiàn)運動的開停、變速，換向和制動，以滿足機床的運動要求。 ，全部結(jié)構(gòu)和元件具有足夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。 ，特別是主軸組件要有足夠高的精度，抗振性、熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床餓工作性能要求。 活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。 ，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。 相比之下，數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調(diào)速來承擔(dān)，省之了復(fù)雜的齒輪變速機構(gòu)，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調(diào)速的范圍。 與普通機床比較，數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)具有下列特點： ①轉(zhuǎn)速高、功率大。它能使數(shù)控機床進行大功率銑削和高速銑削，實現(xiàn)高效率加工。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 15 ②變速范圍寬。 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)有較寬的調(diào)速范圍，一般 Rn＞ 100，以保證加工時能選用合理的銑削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。 ③主軸變速迅速可靠。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電動機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，所以不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。 ④主軸組件的耐磨性高，使傳動系統(tǒng)具有良好的精度保持性。凡有機械摩擦的部位，如軸承、錐孔等都有足夠的硬度，軸承處還有良好的潤滑。 主傳動系統(tǒng)可按不同的 特征來分類： (1)按動力源的類型 可分為交流電動機驅(qū)動和直流電動機驅(qū)動。交流電動機驅(qū)動中又可分為單速交流電動機驅(qū)動、調(diào)速交流電動機驅(qū)動和交流伺服電動機驅(qū)動。調(diào)速交流電動機驅(qū)動又有多速交流電動機驅(qū)動和變頻凋速交流電動機驅(qū)動。驅(qū)動方式的選擇主要根據(jù)變速形式和運動特性要求來確定。 (2)按傳動裝置類型 可分為機械傳動裝置、液壓傳動裝置、電氣傳動裝置以及它們的組合。 (3)按變速的連續(xù)性 可以分為分級變速傳動和無級變速傳動。 分級變速傳動是在一定的變速范圍內(nèi)均勻、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，變速級 數(shù)一般不超過 20 一 30 級。分級變速傳動方式有滑移齒輪變速、交換齒輪變速和離合器 (如摩擦片式、牙嵌式、齒輪式離合器 )變速。除摩棕片式離合器外，其它變速方式具有傳遞功率較大，變速范圍廣，傳動比推確，工作可靠等優(yōu)點。缺點是有速度損失，不能在運轉(zhuǎn)中進行變速。摩擦片式離合器可在運轉(zhuǎn)中變速，操縱方式可以是機械的、河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 16 電磁的或液壓的，便于實現(xiàn)自動化。缺點是傳動比不準確，發(fā)熱量大。 無級變速傳動可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到最有利的銑削速度；能在運轉(zhuǎn)中變速，便于實現(xiàn)變速自動化；能在負載下變速，便于銑削大端面、無級 變速器、液壓無級變速器和電氣無級變速器實現(xiàn)。機械摩擦無級變速器結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠，常用在中小型銑床、銑床等主傳動中。液壓無級變速器傳動平穩(wěn)、運動換向沖擊小，易于實現(xiàn)直線運動，常用于主運動為直線運動的機床，如磨床、拉床、刨床等機床的主傳動中。電氣無級變速器有直流電動機或交流調(diào)速電動機兩種，由于可以大大簡化機械結(jié)構(gòu)，便于實現(xiàn)自動變速、連續(xù)變速和負載下變速，應(yīng)用越來越廣泛，尤其在數(shù)控機床上，目前幾乎都采用電氣變速。 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的配置方式 數(shù)控機床的調(diào)速是按照按制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng) 自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級調(diào)速系統(tǒng)。為擴大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應(yīng)用齒輪合級調(diào)速和電動機無級調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要有四種配置方式。 (1)帶有變速齒輪的主傳動 大、中型數(shù)控機床采用這種變速方式。如圖 3— 1(a)所示，通過少數(shù)幾對齒輪降速，“大輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足主軸低速時對輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。數(shù)控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段元級變速。滑移齒輪的移位大都采用液壓缸加拔叉，或者直接由液壓缸帶 動齒輪來實現(xiàn)。 (2)通過帶傳動的主傳動 如圖 3— 1(b)所示，這種傳動主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調(diào)速就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動引起的振動與噪聲。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。常用的是 v 帶和同步齒形帶。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 17 (3)用兩個電動機分別驅(qū)動主軸 如圖 3— 1(c)所示，這是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種性能。高速時電動機通過帶輪直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)；低速時，另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴大了變 速范圍，克服了低速時轉(zhuǎn)矩不夠且電動機功率不能充分利用的缺陷。 (4)內(nèi)裝電動機主軸傳動結(jié)構(gòu) 如圖 3— 1(d)所示，這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動機發(fā)熱對主軸影響較大。 圖 2－ 1 數(shù)控機床主傳動的四種配置方式 主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計思想 數(shù)控銑床不同于一般的機械，它是用來生產(chǎn)其他機械的工作母機，和其他機床一樣的在剛度，精度及運動特性方面有其特殊要求。下面簡單介紹一下與上述特性相關(guān)的一些基礎(chǔ)理論和概念。 精度 機床精度是指機床 的主要部件的形狀、相互位置及相對運動的精確程度，包括幾何精度、傳動精度、定位精度及精度保持性等幾個方面。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 18 各類機床按精度可分為普通精度級、精密級和高精度級。以上三種精度等級的機床均有相應(yīng)的精度標準，其允差若以普通級為 1，則大致比例為 1： ： 。在設(shè)計階段主要從機床的精度分配、元件及材料選擇等方面來提高機床精度。它主要包括以下幾個方面： 1）幾何精度 幾何精度是指機床空載條件下，在不運動（機床主軸不轉(zhuǎn)或工作臺不移動等情況下）或運動精度較低時各主要部件的形狀、相互位置和相對運動的精度程度。如主軸徑向跳 動及軸向竄動、主軸中心線對滑臺一動方向的平行度或垂直度等。幾何精度直接影響加工工件的精度，是評價機床質(zhì)量的