毕业设计（论文）-齿轮轴零件加工工艺及程序编制【完整图纸】.doc

课题名称 齿轮轴零件加工工艺、程序编制及仿真全套设计，加153893706 姓 名： 学 号： 专 业： 机械制造工艺与设备（数控） 班 级： 指导老师： 2007 年 6 月前言在大学里学了几年的“机械制造工艺与设备（数控）”，仔细的想想自己学到了很多，相信自己也能对一个一般的零件进行数控分析了。这次的毕业设计是对在大学三年中学习成果的一个总结，也是一个毕业生将正式走入这个社会的开始。这份毕业设计是在学完机械制造工艺学（含机床夹具设计）和大部分相关专业课，并进行了生产实习的基础上进行的一个教学环节。这次的设计可以使我能综合的运用机械制造工艺学的基础理论，并结合生产实习中学到的实践知识，独立地分析和解决工艺问题具备了设计一个零件（高速铣头齿轮轴）的工艺规程的能力，也是熟悉和运用夹具设计的基本原理和方法，拟计夹具设计方案， 完成夹具结构设计的能力，也是熟悉和运用有关手册，图表等技术资料及编写技术文件等基本技能的一次实践机会，为今后的毕业设计及未来从事的相关工作打下良好的基础。我更可以自信的说我的大学是不会白费的，而是辉煌的。由于能力有限，经验不足设计中还有许多不足的地方，希望各位老师能多加指教。目 录一、数控机床的组成部分二、零件图三、加工分析工艺四、程序分析五、数控车床的概述六、数控车床的使用 七、车床的振动及控制 八、数控车间规定九、国内外数控系统发展概况十、数控技术发展趋势国十一、数控车工国家职业标准上十二、数控职业的趋向十三、参考文献十四、程序一、数控机床的组成部分数控机床的组成部分包括测量系统、控制系统、伺服系统及开环或闭环系统，在对数控零件进行实际程序设计之前，了解各组成部分是重要的。数控中，测量系统这一术语指的是机床将一个零件从基准点移动到目标点的方法。目标点可以是钻一个孔、铣一个槽或其它加工操作的一个确定的位置。用于数控机床的两种测量系统是绝对测量系统和增量测量系统。绝对测量系统（亦称坐标测量系统）采用固定基准点（原点），所有位置信息正是以这一点基准。换句话说，必须给出一个零件运动的所有位置相对于原始固定基准点的尺寸关系。X和Y两维绝对测量系统，每维都以原点为基准。增量测量系统有一个移动的坐标系统。运用增量系统时，零件每移动一次，机床就建立一个新的原点（基准点）。使用增量测量系统时的X和Y值。注意，使用这个系统时，每个新的位置在X和Y轴上的值都是建立在前一个位置之上的。这种系统的缺陷是，如果产生的任何错误没有被发现与校正，则错误会在整个过程中反复存在。用于数控设备的控制系统通常有两类，即点位控制系统和连续控制系统。点位控制数控系统机床（有时称为位置控制系统数控机床）只有沿直线运动的能力。然而，当沿两轴线以等值（X2.000,Y2.000)同时编程时，会形成45度斜线。点位控制系统常用于需确定孔位的钻床和需进行直线铣削加工的简单铣床上，以一系列小步运动形成弧形和斜线。然而，用这种方法时，实际加工轨迹与规定的切削轨迹略有不同。具有在两个或多个坐标轴方向上同时运动的能力的机床，归属连续轨迹控制或轮廓控制类机床。这些机床用于加工两维或三维空间中各种不同大小的弧形，圆角，圆及斜角。连续轨迹控制的数控机床比点位控制的机床贵得多，在加工复杂轮廓时，一般需要计算机辅助程序设计。数控伺服机构是使工作台或滑座沿坐标轴准确运动的装置。用于数控设备的伺服机构常有两种：步进电机和液压马达。步进电机伺服机构常用于不太贵重的数控设备上。这些电机通常是大转矩的伺服机构，直接安装在工作台或刀座的丝杠上。大多数步进电机是由来自定子和转子组件的磁力脉冲驱动的，这种作用的结果是电机轴转一转产生200步距。把电机轴接在10扣/英寸的丝杠上，每步能产生0.0005英寸的移动（1/200X1/10=0.0005英寸）。液压伺服马达使压力液体流过齿轮或柱塞，从而使轴转动。丝杠和滑座的机械运动是通过各种阀和液压马达的控制来实现的。液压伺服马达产生比步进电机更大的转矩，但比步进电机贵，且噪声很大。大多数大型数控机床使用液压伺服机构。使用开环系统的数控机床，没有反馈信号来确保机床的坐标轴是否运动了所需的距离。即，如果接受的输入信号是使一特定工作台坐标轴移动1.000英寸，伺服装置通常使工作台运动1.000英寸，但无法将共子台的实际运动与输入信号加以比较。使工作台实际移动了1.000英寸的唯一保证是所用的伺服机构的准确性。当然，开环系统比闭环系统便宜。闭环系统能将实际输出（工作台一英寸的运动量）与输入信号加以比较，并对任何误差进行了比较。用于闭环系统的一些反馈装置是传感器，电尺或磁尺以及同步器等。闭环系统大大增加了数控机床的准确性。二、零件图三、加工分析工艺（1） 零件图工艺分析该零件由圆柱面、螺纹及中心孔组成，该零件的尺寸的尺寸精度和表面粗糙度要求很高，该图尺寸标注完整，轮廓描述清楚。材料为40Cr，有热处理和硬度要求。通过以上描述，可以采取以下几点工艺措施：（一） 对图样上给定的有精度要求的尺寸，因为公差数值很小，所以编程时不可以取平均值，或者不能省去小数点后面的，要对好刀。（二） 在轮廓曲线上，没有要进行间隙补偿的。但也要保证轮廓曲线的准确性。（三） 为便于装夹，采用三角卡盘，先车左端面，再车出一个夹头，再打中心孔。然后掉头，车右端面，打中心孔，再进行精车。再掉头，进行精车。（2） 确定装夹方案 确定坯件轴线和右端大端面（设计基准）为定位基准。左端采用三角自定心卡盘夹紧。（3） 确定加工顺序及走刀路线加工顺序的确定按由左到右、由粗到精、由近到远的原则确定，在一次装夹中尽可能加工出较多的工作表面。结合本零件的结构特征，可以加工外轮廓表面，然后加工内孔各表面，由于该零件为单件中批量生产，走刀路线设计不必考虑最短进给路线或最短空行程路线，外轮廓表面车削走刀路线可沿零件轮廓顺序进行。（4） 刀具的选择将所选定的刀具参数填入表所示的数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。注意：在车削外轮廓时，为防止副刀面与工件表面发生干涉，应选择较大的副谝角，必要时可作图检验。（5） 切削用量选择根据被加工表面质量要求、刀具材料和工件材料，参考切削用量手册或有关资料选取切削速度与每转进给量，然后公式计算主轴转速与进给速度，计算结果填入背吃刀量的选择因粗、精加工而有所不同。粗加工时，在工艺系统刚性和机床功率允许的情况下，尽可能取较大的背吃刀量，以减少进给次数；精加工时，根据材料以保证零件表面粗糙度要求，一般要多次加工。（6） 数控加工工艺卡片拟定将前面分析的各项内容综合成表所示的数控加工工艺卡片，此表是编制加工程序的主要依据和操作人员配合数控加工的指导性文件，主要内容包括：工步顺序、工步内容、各工步所用的刀具及切削用量等。 四、程序分析O0608N010 T0101 90外圆车刀主轴用1号刀 N020 M03S500主轴正转,转速500N030 G90G95G0X32Z2 加工零件右端绝对值，快速定位到(32,2)N040 G71U1R0.5外圆粗切循环N050 G71P60Q110U0.2W0F0.2N060 G1X9F0.1S800精加工程序第一个程序段，转速800，进给速度为0.1N070 X15Z-1 车 15倒角1X45直线插补到(15,-1)N080 Z-79 车 15 直线插补到(15,-79)N090 X22直线插补到(22,-79)N100 X24Z-80 车24倒角1X45直线插补到(24,-80)N110 Z-140 车 24直线插补到(110,-115)N120 G70P60Q110精加工程序最后一个程序段N130 G0X100Z100快速定位到(100,100)N140 T0202 宽1.1切槽刀换2号刀N150 M03S300主轴正转,转速300N160 G0X17Z-5快速定位到(17,-5)N170 G1X14.3F0.05 15上切宽深切至14.3直线插补到(14.3,-5)N180 G4X2延时2秒N190 G0X26快速定位到(26,-5)N200 Z-79快速定位到(26,-79)N210 G1X14F0.05 切20.5的槽直线插补到(26,-79) ,进给速度为0.05N220 G4X2延时2秒N230 G0X17快速定位到(17,-79)N240 Z-78.1快速定位到(17,-78.1)N250 G1X14F0.05 直线插补到(14,-78.1),进给速度为0.05N260 G4X2延时2秒N270 G0X100快速定位到(100,-78.1)N280 Z100快速定位到(100,100)N290 M02程序停止换头O0420N010 T0101 90外圆车刀主0轴用1号刀N020 M03S500主轴正转,转速500N030 G90G95G0X32Z2绝对值，快速定位到(32,2)N040 G71U1R0.5外圆粗切循环N050 G71P60Q140U0.2W0F0.2N060 G1X4F0.1S800精加工程序第一个程序段，转速800，进给速度为0.1N070 X9.87Z-1 M10倒角145直线插补到(9.87,-1)N080 Z-23 车 M10直线插补到(9.87,-23)N090 X14直线插补到(14,-23)N100 Z-51 车 14直线插补到(14,-51)N110 X18直线插补到(18,-51)N120 Z-82 车 18直线插补到(18,-82)N130 X20直线插补到(20,-82)N140 X26Z-85 24倒角245直线插补到(26,-85)N150 G70P350Q440精加工程序最后一个程序段N160 G0X100Z100快速定位到(100,100)N170 T0202 宽1.1切槽刀主轴用2号刀N180 M03S300主轴正转,转速300N190G0X16Z-23快速定位到(16,-23)N200 G1X7.8F0.05 M10上切31.1的槽直线插补到(7.8,-23), 进给速度为0.05N210 G4X2延时2秒N220 G0X16快速定位到(16,-23)N230 Z-22快速定位到(16,-22)N240 G1X7.8F0.05 进给速度为0.05N250 G4X2延时2秒N260 G0X12快速定位到(12,-22)N270 Z-21.1快速定位到(84,0)N280 G1X7.8F0.05直线插补到(7.8,0),进给速度为0.05N290 G4X2延时2秒N300 G0X20快速定位到(20,0)N310 Z-51快速定位到(22,-51)N320 G1X13F0.05 14上切20.5的槽直线插补到(13,-51),进给速度为0.05N330 G4X2延时2秒N340 G0X16快速定位到(16,-51)N350 Z-50.1快速定位到(16,-50.1)N360 G1X13F0.05直线插补到(13,-50.1),进给速度为0.05N370 G4X2延时2秒N380 G0X20快速定位到(20,-50.1)N700 Z-54.1快速定位到(20,-54.1)N390 G1X17F0.05 18上切宽深至直线插补到(17,-54.1),进给速度为0.05N400 G4X2延时2秒N410 G0X24快速定位到(24,-54.1)N420 Z-82快速定位到(24,-82)N430 G1X17F0.05 18上切20.5的槽直线插补到(17,-82),进给速度为0.05N440 G4X2延时2秒N450 G0X24快速定位到(24,-82)N780 Z-81.1快速定位到(24,-81.1)N460 G1X17F0.05直线插补到(17,-81.1),进给速度为0.05N470 G4X2延时2秒N480G0X100快速定位到(100,-81.1)N490 Z100快速定位到(100,-81.1)N500 T0303 主轴用3号刀 60螺纹刀N510 G0X12Z5快速定位到(12,5)N520 G76P021060Q100R0.1 攻螺纹M10-6h螺纹切削循环N530 G76X8.05Z-22P975Q400F1.5螺纹切削循环终点（8.05，-22）N540 G0X100快速定位到(100,-22)N550 Z100快速定位到(100,100)N560 M05主轴停N570 M02程序结束五、数控车床的概述数控车床是目前使用较广泛的数控机床之一，主要用在加工轴类和盘类回转体零件的内外圆柱面、锥面、圆弧、螺纹面，并能进行切槽、钻、扩、铰等工作，特别适用于形状复杂的零件加工。一般数控车床的主轴由直流或交流调速电动机驱动，主轴作主运动，刀架的纵、横向分别由伺服电动机驱动。为了车削螺纹，在主传动系统里装有主轴脉冲发生器，以检测主轴的转速，保证车削螺纹时，主轴（工件）每转一转，Z轴（刀具）移动一个加工螺纹的导程。 普通数控车床的主轴不是卧式的，刀架运动的纵方向即为Z 方向，刀架的横向即为X方向，当刀架沿Z向和X向协调运动时，可形成各种复杂的平面曲线，以这条曲线绕轴线回转时，可形成各种复杂的回转体。一般数控车床只需要两坐标联动。同样数控立式车床也是刀架沿着工件的轴向和径向运动实现两坐标联动数控车床又称为CNC(Computer Numerical Control)车床，既用计算机数字控制的车床。普通卧式车床是靠手工操作机床来完成各种切削加工，而数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过车床X、Z坐标轴的伺服电动机去控制车床进给运动部件的动作顺序、移动量和进给速度，再配以主轴转速的转向，和自动换刀系统，使能加工出各种形状不同的轴类或盘类回转体零件。因此，数控车床是目前使用较为广泛的机床。 六、数控车床的使用 数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥 了良好的经济效果。合理选用数控车床，应遵循如下原则： 1. 选用原则 1) 前期准备 确定典型零件的工艺要求、加工工件的批量，拟定数控车床应具有的功能是做好前期准备，合理选用数控车床的前提条件 满足典型零件的工艺要求 典型零件的工艺要求主要是零件的结构尺寸、加工范围和精度要求。根据精度要求，即工件的尺寸精度、定位精度和表面粗糙度的要求来选择数控车床的控制精度。 根据可靠性来选择 可靠性是提高产品质量和生产效率的保证。数控机床的可靠性是指机床在规定条件下执行其功能时，长时间稳定运行而不出故障。即平均无故障时间长，即使出了故障，短时间内能恢复，重新投入使用。选择结构合理、制造精良，并已批量生产的机床。一般，用户越多，数控系统的可靠性越高。 2) 机床附件及刀具选购 机床随机附件、备件及其供应能力、刀具，对已投产数控车床、车削中心来说是十分重要的。选择机床，需仔细考虑刀具和附件的配套性。 3) 注重控制系统的同一性 生产厂家一般选择同一厂商的产品，至少应选购同一厂商的控制系统，这给维修工作带来极大的便利。教学单位，由于需要学生见多识广，选用不同的系统，配备各种仿真软件是明智的选择。 4) 根据性能价格比来选择 做到功能、精度不闲置、不浪费，不要选择和自已需要无关的功能。 5) 机床的防护 需要时，机床可配备全封闭或半封闭的防护装置、自动排屑装置。 在选择数控车床、车削中心时，应综合考虑上述各项原则。 2. 安装方法 1) 起吊和运输 机床的起吊和就位，应使用制造厂提供的专用起吊工具，不允许采用其他方法进行。不需要专用起吊工具，应采用钢丝绳按照说明书规定部位起吊和就位。 2) 基础及位置 机床应安装在牢固的基础上，位置应远离振源；避免阳光照射和热幅射；放置在干燥的地方，避免潮湿和气流的影响。机床附近若有振源，在基础四周必须设置防振沟。 3) 机床的安装 机床放置于基础上，应在自由状态下找平，然后将地脚螺栓均匀地锁紧。对于普通机床，水平仪读数不超过0.04/1000mm，对于高精度的机床，水平仪超过0.021000mm。在测量安装精度时，应在恒定温度下进行，测量工具需经一段定温时间后再使用。机床安装时应竭力避免使机床产生强迫变形的安装方法。机床安装时不应随便拆下机床的某些部件，部件的拆卸可能导致机床内应力的重要新分配，从而影响机床精度。 3. 试运转前的准备 机床几何精度检验合格后，需要对整机进行清理。用浸有清洗剂的棉布或绸布，不得用棉纱或纱布。清洗掉机床出厂时为保护导轨面和加工面而涂的防锈油或防锈漆。清洗机床外表面上的灰尘。在各滑动面及工作面涂以机床规定使滑油。 仔细检查机床各部位是否按要求加了油，冷却箱中是否加足冷却液。机床液压站、自动间润滑装置的油是否到油位批示器规定的部位。 检查电气控制箱中各开关及元器件是否正常，各插装集成电路板是否到位。 通电启动集中润滑装轩，使各润滑部位及润滑油路中充满润滑油。做好机床各部件动作前的一切准备。 数控车床调试与验收 数控车床的验收应按国家颁布实行的数控卧式车床制造与验收技术要求进行，在验收过程中，如发生争执，应以国家有关标准为依据，通过协商解决。 1）开箱验收 按随机装箱单和合同中特定附件清单对箱内物品逐一核对检查。并做检查记录。有如下内容： 包装箱是否完好，机床外观有无明显损坏，是锈蚀、脱漆； 有无技术资料，是否齐全； 附件品种、规格、数量； 备件品种、规格、数量； 工具品种、规格、数量； 刀具刀片品种、规格、数量； 安装附件； 电气元器件品种、规格、数量； 2）开机试验 机床安装调试完成后，即通知制造厂派人调试机床。试验主要有如下： 3) 各种手动试验 a. 手动操作试验 试验手动操作的准确性。 b. 点动试验 c. 主轴变档试验 d. 超程试验 2) 功能试验 a. 用按键、开关、人工操纵对机床进行功能试验。试验动作的灵活性、平稳性及功能的可靠性。 b. 任选一种主轴转速做主轴启动、正转、反转、停止的连续试验。操作不少于7次。 c. 主轴高、中、低转速变换试验。转速的指令值与显示值允差为5%。 d. 任选一种进给量，在XZ轴全部行程上，连续做工作进给和快速进给试验。快速行程应大于1/2全行程。正反方和连续操作不少于7次。 e. 在X、Z轴的全部行程上，做低、中、高进给量变换试验。 转塔刀架进行各种转位夹紧试验。 f. 液压、润滑、冷却系统做密封、润滑、冷却性试验，做到不渗漏。 g. 卡盘做夹紧、松开、灵活性及可靠性试验。 h. 主轴做正转、反转、停止及变换主轴转速试验。 i. 转塔刀架进行正反方向转位试验。 j. 进给机构做低中高进给量为快速进给变换试验。 k. 试验进给坐标超程、手动数据输入、位置显示，回基准点，程序序号批示和检索、程序暂停、程序删除、址线插补、直线切削徨、锥度切削循环、螺纹切削循环、圆弧切削循环、刀具位置补偿、螺距补偿、间隙补偿等功能的可靠性、动作灵活性等。 4) 空动转试验 a. 主动动机构运转试验，在最高转速段不得少于1小时，主轴轴承的温度值不超过70 ，温升值不超过40； b. 连续空运转试验，其运动时间不少于8小时，每个循环时间不大于15分钟。每个循环终了停车，并模拟松卡工件动作，停车不超过一分钟，再继续运转。 5) 负荷试验 用户准备好典型零件的图纸和毛坯，在制造厂调试人员指导下编程和输入程序，选择切削刀具和切削用量。负荷试验可按如下三步进行，粗车、重切削、精车。每一步又分单一切削和循环程序切削。每一次切削完成后检验零件已加工部位实际尺寸并与指令值进行比较，检验机床在负荷条件下的运行精度、即机床的综合加工精度，转塔刀架的转位精度。 6） 验收 机床开箱验收，功能试验，空运转试验、负荷试验完成后，加工出合格产品，即可办理验收移交手续。如有问题，制造厂应负责解决。 4数控车床的使用条件 数控车床的正常使用必须满足如下条件，机床所处位置的电源电压波动小，环境温度低于30摄示度，相对温度小于80%。 1）机床位置环境要求 机床的位置应远离振源、应避免阳光直接照射和热辐射的影响，避免潮湿和气流的影响。如机床附近有振源，则机床四周应设置防振沟。否则将直接影响机床的加工精度及稳定性，将使电子元件接触不良，发生故障，影响机床的可靠性。 2）电源要求 一般数控车床安装在机加工车间，不仅环境温度变化大，使用条件差，而且各种机电设备多，致使电网波动大。因此，安装数控车床的位置，需要电源电压有严格控制。电源电压波动必须在允许范围内，并且保持相对稳定。否则会影响数控系统的正常工作。 3）温度条件 数控车床的环境温度低于30摄示度，相对温度小于80%。一般来说，数控电控箱内部设有排风扇或冷风机，以保持电子元件，特别是中央处理器工作温度恒定或温度差变化很小。过高的温度和湿度将导致控制系统元件寿命降低，并导致故障增多。温度和湿度的增高，灰尘增多会在集成电路板产生粘结，并导致短路。 4）按说明书的规定使用机床 用户在使用机床时，不允许随意改变控制系统内制造厂设定的参数。这些参数的设定直接关系到机床各部件动态特征。只有间隙补偿参数数值可根据实际情况予以调整。 用户不能随意更换机床附件，如使用超出说明书规定的液压卡盘。制造厂在设置附件时，充分考虑各项环节参数的匹配。盲目更换造成各项环节参数的不匹配，甚至造成估计不到的事故。 使用液压卡盘、液压刀架、液压尾座、液压油缸的压力，都应在许用应力范围内，不允许任意提高。 数控车削的工艺与工装数控车床加工的工艺与普通车床的加工工艺类似，但由于数控车床是一次装夹，连续自动加工完成所有车削工序，因而应注意以下几个方面。 1合理选择切削用量 对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件。 切削条件的三要素：切削速度、进给量和切深直接引起刀具的损伤。伴随着切削速度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化学的、热的磨损。切削速度提高20%，刀具寿命会减少1/2。 进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。但进给量大，切削温度上升，后面磨损大。它比切削速度对刀具的影响小。切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。 用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用的切削速度。如下表：最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的。有规则的、稳定的磨损达到寿命才是理想的条件。 然而，在实际作业中，刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表面质量、切削噪声、加工热量等有关。在确定加工条件时，需要根据实际情况进行研究。对于不锈钢和耐热合金等难加工材料来说，可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。 2. 合理选择刀具 1) 粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。 2) 精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。 3) 为减少换刀时间和方便对刀，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。 3. 合理选择夹具 1) 尽量选用通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具； 2) 零件定位基准重合，以减少定位误差。 4. 确定加工路线 加工路线是指数控机床加工过程中，刀具相对零件的运动轨迹和方向。 1) 应能保证加工精度和表面粗糙要求； 2) 应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程时间。 5. 加工路线与加工余量的联系 目前，在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。如必须用数控车床加工时，则需注意程序的灵活安排。 6. 夹具安装要点 目前液压卡盘和液压夹紧油缸的连接是靠拉杆实现的，如图1。液压卡盘夹紧要点如下：首先用搬手卸下液压油缸上的螺帽，卸下拉管，并从主轴后端抽出，再用搬手卸下卡盘固定螺钉，即可卸下卡盘。 刀具上的 修光刃 指的是在刀具刀刃后面副偏角方向磨出的一小段与刀尖平行的刀刃 主要用于刀刃切削后进行一次二次切削 相当于精加工过程 去处毛刺等伤痕 目的是提高工件的表面粗糙度 多应用于进行精加工的刀具上 七、车床的振动及控制 1 振动 车削加工过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，破坏和干扰了正常的切削加工，是一种极其有害的现象。当车床发生震动时，工件表面质量恶化，产生明显的表面振纹，工件的粗糙度增大，这时必须降低切削用量，使车床的工作效率大大降低。强烈振动时，会时车床产生崩刃现象，使切削加工过程无法进行下去。由于振动，将使车床和刀具磨损加剧，从而缩短车床和刀具的使用寿命；振动并伴随有噪音，危害工人身心健康，使工作环境恶化。车床振动可公为自由振动、强迫振动和自系振动，据测算，这三类振动分别5%，30%，65%。 当振动系统的平衡被破坏，弹性力来维持系统的振动，称为自由振动(如图1)，在外界周期性干扰力持续作用下，被迫产生的振动称为强迫振动(如图2)，由振动过程本身引起切削力周期性变化，又由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持的振动称为自激振动。2 车床振动的振源 寻找振动的来源，并加以排除或限制，是有效控制振动的途径。振源来自车床内部的，称为机内振源；来自车床外部的，称为机外振源。 由于自由振动是由切削力的突然变化或其它外力冲击引起的，可快速衰减，对车床加工过程影响非常小，可以忽略不计。 强迫振动的振源 机内振源：车床上各个电动机的振动，包括电动机转子旋转不平衡及电磁力不平衡引起的振动；机床回转零件的不平衡，如皮带轮、卡盘、刀盘和工件不平衡引起的振动；运动传递过程中引起的振动，如变速操纵机机构中的齿轮啮合时的冲击力，卸荷带轮把径向载荷卸给箱体时的振动，三角皮带的厚度不均匀，皮带轮质量偏心，双向多片摩擦离合器，滑动轴承和滚动轴承尺寸及形位误差引起的振动；往复部件运动的惯性力，如离和器控制箱体的正反转引起的惯性力振动；切削时的冲击振动，如切削带有键槽的工件表面时循环冲击载荷引起的振动；车床液压传动系统的压力脉动。 机外振源：其它机床、锻压设备、火车、汽车等通过地基传给车床的振动。 自激振动的振源 引起自激振动的振源主要有车削时切削量过大、主切削力的方向、车刀的几何角度的选择不当等。 3 振源分析 1）查找车床振动振源的框图。 查找车床振动振源的框图2）车床主轴箱内振源分析 一方面主轴箱中齿轮、轴承等零部件设计、制造及装配过程中存在某些不足之处，另一方面长期工作过程中使得某些零件失效，导致主轴箱在工作过程中产生了振动。齿轮在啮合时引起冲击产生频率为啮合频率的振动，主轴安装偏心所引起周期性振动；轴承的损伤所引起周期性冲击或者激发自身的各个元件以固有频率振动；以及其它因素所引起的振动。现以CA6140车床为例。对CA6140主轴箱传动系统中轴的回转频率和齿轮啮合频率进行计算和实际测量(计算过程从略)。由于主轴转速档位较多，故仅选取主轴转速为200rpm时计算主轴箱内各轴的回转频率和齿轮啮合频率，计算结论数据如表1所示；主轴前端D3182121双列向心短圆柱滚子轴的有关元件脉动频率计算结论。回转轴号 理论频率(HZ) 实际频率(HZ) 回转频率 啮合频率 回转频率 啮合频率 f=13 f56=760 f=14.15 f56=792 f=19 f38=730 f=20.8 f38=792 f22=423 f22=459 f=7.29 f58=423 f=7.9 f50=364.5 f50=364.5 f50=395 f=7.29 f50=364.5 f=7.9 f51=371.8 f50=395 f51=403.8 f=7.44 f50=371.8 f=8 f50=403.8 f26=193.3 f26=210 f=3.333 f58=193.3 f=3.6 f58=210 表2 内圈滚道波度 172.8HZ 滚珠通过内圈的频率 60.5HZ 外圈的频率 47.5HZ 滚珠自转频率 29.4HZ 3）数据分析 经过大量实践分析对比，发现主轴箱内频率为f=173HZ、f=790HZ对切削力影响很大，f=173HZ频率的振动主要是通过工件直接传输给刀架的，而f=790HZ一部分能量通过车床床身传递给刀架，一部分能量通过工件传递给刀架。 进一步对f=173HZ，f=790HZ频率所产生振动原因进行分析=计算并与表1、表2对比。得出如下结果：f=173HZ是由主轴前端的双列向心短圆柱滚子轴承的内圈滚道表面粗糙度很大所引起的，f=790HZ为轴承上齿轮(Z=56)的啮合频率，由摩擦片离合器在啮合处刚性不足造成齿轮啮合时不平稳所引起的。 通过以上分析可知，在切削过程中，f=173HZ和f=790HZ振动频率对切削力影响很大。f=173HZ是由主轴前端的双列向心短圆柱滚子轴承所引起的；f=790HZ是由轴承上的齿轮啮合时不平稳所引起的。 4 车床振动的控制 1）对强迫振动的控制 将振源与车床隔离。设置隔振装置，将振源所产生的振动由隔振装置大部分吸收，减少振源对车削加工的干扰。挖防振沟，将车床安置在防振地基上，设置弹簧或橡皮垫减少振动。 减少激振力。如精确平衡回转零部件，将电动机转子、皮带轮和卡盘作静平衡和动平衡试验，提高轴承装配精度。 提高车床传动的制造精度。如将变速操纵机构中齿轮啮合的制造精度提高，可以减少因齿轮啮合传动而引起的振动。 提高工艺系统的刚度及阻尼。车床系统刚度增加，对振动的抵抗能力提高，亦可减少振动。 调节系统的固有频率，避免共振现象发生。 采用减振器和阻尼器。 2）对自激振动的控制 合理选择与切削有关的系数； 合理选择车刀的几何参数； 合理安排刀尖高低、润滑； 提高工艺系统的抗振性。 八、数控车间规定1、进入车间实习时，要穿好工作服，大袖口要扎紧，衬衫要系入裤内。女同学要戴安全帽，并将发辫纳入帽内。不得穿凉鞋、拖鞋、高跟鞋、背心、裙子和戴围巾进入车间。2、严禁在车间内追逐、打闹、喧哗、阅读与实习无关的书刊、背诵外语单词、收听广播和MP3等。3、应在指定的机床和计算机上进行实习。未经允许，其它机床设备、工具或电器开关等均不得乱动。4、操作前必须熟悉机床的一般性能、结构、传动原理及控制程序，严禁超性能使用。在弄懂整个操作过程前，不要进行机床的操作和调节。5、开动机床前，要检查车床电气控制系统是否正常，润滑系统是否畅通、油质是否良好，并按规定要求加足润滑油，各操作手柄是否正确，工件、夹具及刀具是否已夹持牢固，检查周围有无障碍物，然后开慢车试转35分钟，检查各传动部件是否正常，确认无故障后，才可正常使用。6、机床操作时，必须严格按数控车床操作步骤进行，不允许跳步骤执行。7、程序调试完成后，必须经指导老师同意方可进行切削加工。未经指导老师许可，擅自操作或违章操作，成绩作零分处理，造成事故者，按相关规定处分并赔偿相应损失。8、加工零件前，必须严格检查各切削刀具，防止相邻刀具在切削时干涉。9、加工零件时，必须关上防护门，不准把头手抻入防护门内，加工过程中不允许打开防护门。10、加工过程中，操作者不得擅自离开机床，应保持思想高度集中，观察机床的运行。若发生不正常现象或事故时，应立即按“急停”键，并及时报告指导老师。11、严禁用力拍打控制面板、触摸显示屏。严禁敲击中心架、顶尖、刀架和导轨。12、严禁私自打开数控系统控制柜进行观看和触摸。13、机床控制微机上，除进行程序操作和传输及程序拷贝外，不允许作其它操作。14、数控车床属于大精设备，机床上严禁堆放任何工、夹、刃、量具、工件和其它杂物。15、工作完后，应切断电源，清扫切屑，擦净机床，在导轨面上，加注润滑油，各部件应调整到正常位置，打扫现场卫生，填写设备使用记录。 九、国内外数控系统发展概况随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。十、数控技术发展趋势国1性能发展方向(1)高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。(2)柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。(3)工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。(4)实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。2功能发展方向(1)用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。数控技术发展趋势智能化数控系统 (2)科学计算可视化科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。(3)插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。(4)内装高性能PLC数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。(5)多媒体技术应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。3体系结构的发展(1)集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。(2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。(3)网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。(4)通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。4智能化新一代PCNC数控系统当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。 5关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷