回转工作台设计说明书.doc

设计 论文 专用纸 镗铣加工中心系统设计 镗铣加工中心数控回转工作台设计 学学 校 校 昆昆 明明 理理 工工 大大 学学 专专 业 业 机械工程及自动化机械工程及自动化 班班 级 级 2008 级级 3 班班 学生姓名 学生姓名 代代 祖祖 民民 指导教师 指导教师 彭彭 用用 新新 教师单位 教师单位 机电工程学院机电工程学院 教师职称 教师职称 讲讲 师师 时时 间 间 2012 年年 6 月月 设计 论文 专用纸 The Design of Boring Milling Machining Center System Subtitle The NC Rotary Table Design for Boring Milling Machining Center University Kunming University of Science and Technology Major Mechanical Engineering and Automation Grade Grade 2008 Name Dai Zumin Advisor Peng Yongxin Department Mechanical and Electrical Engineering Date June 2012 设计 论文 专用纸 目录 摘要 1 ABSTRACT 2 前言 3 第 1 章 数控机床概述 5 1 1 数控机床的基本概念 5 1 1 1 什么是数控机床 5 1 1 2 数控机床的产生 5 1 2 数控机床的发展史 6 1 2 1 数控机床的发展 6 1 2 2 发展数控机床的原因及特点 6 1 3 国内外数控技术发展现状和趋势 8 1 3 1 高精度化 8 1 3 2 高可靠性 9 1 3 3 高柔性化 9 1 3 4 复合化 10 1 3 5 高速度化 10 1 3 6 制造系统自动化 10 第 2 章 数控机床的机械结构 11 2 1 数控机床的构成及分类 11 2 1 1 数控机床的构成 11 2 1 2 功能及特点 11 2 2 数控机床的分类 13 2 2 1 按控制系统的特点分类 13 2 2 2 按执行机构的伺服系统类型分类 14 2 2 3 按数控装置类型分类 15 设计 论文 专用纸 I 2 2 4 按功能水平分类 17 2 3 典型的数控机床 18 2 3 1 数控车床 18 2 3 2 数控铣床 18 2 3 3 数控模仿形铣床 19 2 3 4 加工中心 20 2 3 5 数控钻床及镗床 20 2 3 6 数控磨床 21 2 3 7 数控电加工机床 21 2 3 8 数控重型机床 22 第 3 章 数控回转工作台 23 3 1 五轴联动机床简介及加工特点 23 3 1 1 简介 23 3 1 2 加工特点 23 3 2 五轴联动机床的结构类型 25 3 2 1 依靠立式主轴头的回转 25 3 2 2 依靠回转工作台的回转 25 3 2 3 分度工作台 26 3 3 数控回转工作台 26 3 3 1 开环数控回转工作台 27 3 3 2 闭环数控回转工作台 27 第 4 章 回转工作台的设计及计算 28 4 1 传动方案的分析 28 4 1 1 方案的确定 29 4 2 电动机的选择 30 4 2 1 各轴的转动惯量和回转工作台的转动惯量 30 4 3 斜齿圆柱齿轮的传动设计及计算 31 4 3 1 第一对齿轮啮合的计算 31 设计 论文 专用纸 II 4 3 2 其他齿轮的相关参数值 37 4 4 输出轴与轴承的校核 37 4 5 齿轮上键的选取与校核 41 4 5 1 取键连接的型号尺寸 41 4 5 2 键连接的强度 41 4 6 轴承的设计 41 4 6 1 滚动轴承的结构 41 4 6 2 滚动轴承的作用 42 4 6 3 滚动轴承的性能 42 4 6 4 滚动轴承类型的选择 42 4 6 5 轴承的拆装 43 4 6 6 轴承的润滑 43 4 6 7 轴承的游隙及轴上零件的调配 44 4 6 8 滚动轴承的配合 44 第 5 章 结论 45 结论与心得 46 谢辞 47 参考文献 48 附录 49 外语文献 49 中文翻译 50 设计 论文 专用纸 第 0 页 摘要 数控机床已经用它所显示的效益和巨大的潜力 引起了世界各国科技界和工业 界的普遍重视 发展现代数控机床是当今机械改造 技术更新的必由之路 是未来 工厂自动化的基础 现在发展多自由度数控机床 多轴联动机床 减少加工工序 缩短加工时间 提高加工效率 能实现一次装夹 一次编程完成全部加工过程 实 现加工自动化 数控回转工作台的设计是在普通三轴联动机床的基础上改进工作台 使工作台 不仅仅只有 X Y Z 三方向上的平面移动 而且在 Z 向上有回转运动 增加了机床的 加工空间 即加工多维化 使机床不仅可以加工简单的直线 斜线 圆弧 还可适 应更复杂的曲面和球形零件的加工 本课题主要是对回转工作台的机械机构和原理 的设计 及各个轴强度的校核 关键词 数控机床 多轴联动 回转工作台 设计 论文 专用纸 第 1 页 ABSTRACT The benefit and huge potential of the numerical control machine cause the all countries in the world pay attention to the science and industry areas To find the numerical control machine is the only way of mechanical transformation and update technology as the basis of factory automation Nowadays to develop the more freedom numerical control machine the multiaxial linkage machine tools reduce processing operations shorten the processing time increase processing efficiency can realize a fixture and a programming finish all the processing procedure to make processing automation come true The design of numerical control rotary table is improvement of operating platform bases on the ordinary three axis machine to make it not only plane mobile of X Y Z three directions what s more it turns up in z direction to increase the processing space it also called processing diversification It not only to process the simple straight line slash and arc but also to process the more complex curved surface and spherical parts The paper is mainly to check the mechanism the principle of design and the axial intensity Key words Numerical control machine Multi axis linkage Rotary worktable 设计 论文 专用纸 第 2 页 前言 1 设计目的及意义 此次毕业设计是对机械专业学生四年来的一次全方位 具体的专业考察 是一 次各个专业知识的集合 是对学生专业知识进一步的巩固和温习 它给了学生一次 理论联系实际的机会 学着用自己所学过的专业知识来解决生活中遇到的实际问题 用机械专业知识来设计新的机械结构 无疑让学生知道了设计机构的一般步骤 一 般的传动原理 一般的解决方案和该项研究在世界乃至国内的发展历史和前景 是 一次学生自我能力的提升和体现 2 该设计的应用范围 数控回转工作台是一种由计算机控制编程的多工位 多自由度的工作台 它由 于数控机床的发展而发展 由于科学技术水平的进步 国际生产水平的要求而随着 数控机床的提升而改进 由原来的平面移动发展到现在的多工位 它越来越具有通 用型 它可以用于各种大小 各种型号 各种类型的机床 如数控车床 数控铣床 数控镗床 数控磨床 加工中心等间互换 这样提高了工作台的生产率 生产质量 生产规模 降低了生产成本和人工操作量 3 设计要求 通过此次设计可以初步树立正确的设计思想 了解有关的工业政策 学会运用 手册 标准 规范等资料 培养学生分析问题解决问题的实际能力 并在教师的指 导下 系统地运用课程和选修课程的知识 独立完成规定的设计任务 课程设计的内容是改造设备 实现以下几部分内容的设计训练 如机床的总体 设计 精密执行机构 或装置 的设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等 说明书的内容应包括 课程设计题目总体方案的确定 机械传动设计计算以及 机械和其他部分的说明 1 4 数控回转工作台的传动 现阶段数控回转工作台有多种传动技术 如 带轮传动 链条传动 齿轮传动 和蜗杆涡轮传动 现在应用比较广泛的是蜗杆涡轮传动 带传动传动精度较低 链 设计 论文 专用纸 第 3 页 传动抗冲击性能差 噪音大 润滑效果差 只适用于低速段 这里我主要研究的是 齿轮传动 对其进行设计 改进 校核 5 设计内容 第 1 章对数控机床基本概念的简述 在这章中回答了什么是数控机床 数控机 床的产生原因及发展历史 国内外发展情况相对比 数控机床有哪些特点 现阶段 的发展情况和往后的发展前景 第 2 章是对数控机床结构特点及分类的介绍 它从不同的角度对数控机床进行 全方位的描述 分析 第 3 章对数控回转工作台的现有技术和发展进行概述分析 为下一章回转工作 台的设计奠定基础 发掘思路理念 第 4 章回转工作台的相关设计及计算 里面包括 电动机型号及参数的选定 齿轮系传动比的分配 齿轮的基本参数的设定计算 轴的强度校核和相关参数的选 定 第 5 章对本次设计进行总结 分析这次设计的优点 意义及不足 设计 论文 专用纸 第 4 页 第 1 章 数控机床概述 1 1 数控机床的基本概念 1 1 1 什么是数控机床 数字控制 numerrical control 是近代发展起来的一种自动控制技术 是用数字 化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法 简称为数控 NC 数控机床 就是采用了数控技术的机床 或者说是装备了数控系统的机床 国际信息处理联盟 International Federation of Information Processing 即 IFIP 第 五技术委员会 对数控机床作了如下定义 数控机床是一个装有程序控制系统的机床 该系统能够逻辑地处理具有使用号 码 或其他符号编码指令规定的程序 定义中指出的那种程序控制系统 就是所说的数控系统 数控系统是一种控制系统 它自动阅读输入载体上事先给定的数字值 并将其 译码 从而使机床运动和加工零件 数控系统包括 数控装置 可编程序控制器 主轴驱动及进给驱动装置等部分 数控机床是一种高度机电一体化的产品 2 1 1 2 数控机床的产生 随着产生和科学技术的发展 机械产品日趋精密 复杂 而且改型频繁 因此 对加工机械产品的机床提出了新的要求 即高性能 高精度和高自动化 在机械产 品中单件和小批量产品占到 70 80 1948 年 美国帕森斯公司接受美国空军委托 研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的 加工设备 由于样板形状复杂多样 精度要求高 一般加工设备难以适应 于是提 出来计算机控制机床的设想 1949 年 该公司和麻省理工学院开始研制数控机床 于 1952 年试制成了世界上第一台三坐标数控铣床 设计 论文 专用纸 第 5 页 1 2 数控机床的发展史 1 2 1 数控机床的发展 1952 年 第一台数控机床问世后 随着微电子技术 控制技术 通信技术的不 断发展 数控系统也在不断地更新换代 先后经历了电子管 1952 年 晶体管 1959 年 集成电路 1965 年 小型计算机 1970 年 微处理器 1974 年 和 基于工控 PC 机的通用型 CNC 系统 1990 年 六代 其中前三代为第一阶段 称为 硬件直接数控 简称为 NC 系统阶段 后三代为第二阶段 称为计算机软件数控系 统 简称 CNC 系统阶段 我国从 1958 年由清华大学和北京机床研究所研制了第一 台数控机床以来 也同样经历了这六代数控系统 我国与世界上其他国家机床的发 展情况对比如表 1 1 所列 表 1 1 我国与世界其他国家机床的发展情况对比 3 数控系统发展的历史 世界上发达国家数 控机床的发展史 我国数控机床的 发展史 NC 阶段 第一代电子管数控系统 第二代晶体管数控系统 第三代集成电路数控系统 1952 年 1959 年 1965 年 1958 年 1964 年 1972 年 NCN 阶段 第四代小型计算机数控系统 第五代微处理器数控系统 第六代基于工控 PC 机的通用 型 CNC 系统 1970 年 1974 年 1990 年 1978 年 1981 年 1992 年 从国际上来看 对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下 1 技术水平上 与国外先进水平大约落后 10 15 年 在高精尖技术方面则更 大 2 产业化水平上 市场占有率低 品种覆盖率小 还没有形成规模生产 功能 部件专业化生产水平及成套能力较低 外观质量相对差 可靠性不高 商品化程度 不足 国产数控系统尚未建立自己的品牌效应 用户信心不足 3 可持续发展的能力上 对竞争前数控技术的研究开发 工程化能力较弱 数 控技术应用领域拓展力度不强 相关标准规范的研究 制定滞后 设计 论文 专用纸 第 6 页 分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面 1 认识方面 对国产数控产业进程艰巨性 复杂性和长期性的特点认识不足 对市场的不规范 国外的封锁加扼杀 体制等困难估计不足 对我国数控技术应用 水平及能力分析不够 2 体系方面 从技术的角度关注数控产业化问题的时候多 从系统的 产业链 的角度综合考虑数控产业化问题的时候少 没有建立完整的高质量的配套体系 完 善的培训 服务网络等支撑体系 3 机制方面 不良机制造成人才流失 又制约了技术及技术路线创新 产品创 新 且制约了规划的有效实施 往往规划理想 实施困难 4 技术方面 企业在技术方面自主创新能力不强 核心技术的工程化能力不强 机床标准落后 水平较低 数控系统新标准研究不够 4 1 2 2 发展数控机床的原因及特点 近代 大工业生大量采用了刚性自动化 在汽车工业及轻工消费品生产方面 采用了大量的组合机床自动线 生产流水线 在标准件 如螺钉 螺母及带轮等 的生产中则采用凸轮控制等用于特殊加工的专用机床 这类机床 适用于大批量零 件的生产 但由于建立制造过程较难 所以更换产品及修改生产工艺需要较长的时 间和比较多的费用 进入 80 年代以来 随着航空工业 汽车工业以及轻工消费品生产的高速增长 复杂图形的零件越来越多 精度要求也越来越高 这就使传统的刚性自动化不能满 足要求 而柔性加工的重要性更加突出 可调的柔性自动化也就迅速地发展起来 数控机床就是实现柔性自动化最重要的装备 是发展柔性制造的基础 数控机床的有点 1 能完成很多普通机床难以完成 或者根本不能加工的复杂型面的零件加工 因此 数控机床首先在航空 航天等领域或得应用 在复杂型面的模具加工中 在 涡轮叶片及螺旋桨的加工中 也得到了广泛的应用 2 采用数控机床 可以提高零件的加工精度 稳定产品的质量 由于数控机 床是按照预定的程序进行自动加工 加工过程不需要人工干预 而且加工精度还可 设计 论文 专用纸 第 7 页 以利用软件来进行校正及补偿 因此 可以获得比机床本身精度要求还高的加工精 度及重复精度 3 可以提高生产率 采用数控机床比普通机床可提高生产率 2 3 倍 尤其 对某些复杂零件的加工 生产率可提高十几倍甚至几十倍 4 可以实现一机多用 一些数控机床 例如加工中心 车削中心等 都可以 自动换刀 一次装卡后 几乎能完成零件的全部加工部位的加工 可以替代 5 7 台 普通机床 并节省了厂房面积 5 几乎不需要专用的工装卡具 采用普通的通用工夹具 只需更换程序 就 可以适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工 6 加少了在制品 从而加速了流动资金的周转 提高经济效率 7 大大减轻了工人的劳动强度 数控机床与普通机床的性能对比见表 1 2 表 1 2 数控机床与普通机床的对比 序号项目数控机床普通机床 1加工异型复杂零件的能力强弱 2改变加工对象的柔性程度高低 3加工零件质量和加工精度高低 4加工效率高低 5设备利用率高低 6产品优化设计与 CAD 连接功能高低 7初期投资高低 8对操作人员的素质要求高低 9对生产计划 生产准备和生产调 度的要求 高低 10运转费 包括人力 原材料 电 力 厂房 低高 11维修技术及费用高低 设计 论文 专用纸 第 8 页 12对不合格产品在加工 即回用 的费用 低高 从表 1 2 可以看出 数控机床不仅可以节约劳动力 提高劳动生产率 而且可 以提高产品质量 对开发新产品和促进老产品的更新换代 加速流动资金运转和缩 短交货期 都起着很大的作用 综上所述 对于单件 中小批量生产 形状比较复杂 精度要求较高的零件加 工 产品更新频繁 生产周期要求短的加工 大都采用数控机床 可以提高产品质 量 降低生产成本 满足用户的要求 获得很好的经济效益 1 3 国内外数控技术发展现状和趋势 随着科学技术的发展 特别是微电子技术 计算机控制技术 通信技术的不断 发展 世界先进制造技术的兴起和不断成熟 数控设备性能日趋完善 应用领域不 断扩大 成为新一代设备发展的主流 而作为数控设备中的最典型代表 数控机床 已成为衡量一个国家工业化水品和综合实力的重要标志 1 3 1 高精度化 高精度化一直是数控机床加工所追求的指标 提高数控机床的加工精度 一般 是通过减少数控系统误差 提高数控机床基础部件结构特性和热稳定性 采用补偿 技术和辅助措施来达到的 在减少 CNC 系统误差方面 通常采取提高数控系统分辨 力 使 CNC 控制单元精细化 提高位置检测精度以及在位置伺服系统中为改善伺服 系统的响应特性 采用前馈与非线性控制等方法 1 3 2 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标 数控机床能否发挥 其高性能 高精度 高效率 并获得良好的效益 关键取决于它的可靠性 近些年 来 已在数控机床产品中应用了可靠性技术 并获得了明显的进展 衡量可靠性的重要量化指标是平均无故障时间 MTBF 作为数控机床的大脑 数控系统的 MTBF 值已经由 20 世纪 70 年代时的大于 3000h 提高到 20 世纪 90 年 代初的大于 30000h 日本 FANUC 公司 CNC 系统 MTBF 值已达 125 个月 设计 论文 专用纸 第 9 页 数控机床整机的可靠性水平也有显著提高 整机的 MTBF 值由 20 世纪 80 年代 初的 100h 200h 提高到现在的 1000h 以上 目前 很多企业正在对可靠性设计技术 可靠性试验技术 可靠性评价技术 可靠性增长技术以及可靠性提高到一个新的水平 增强市场的竞争力 1 3 3 高柔性化 柔性是数控机床最主要的特点 也是在数控机床的各种发展趋势中 隐含在所 有新发技术中的主导思想 柔性化是指机床适应加工对象变化的能力 传统的自动化生产线 由于是由机 械或刚性连接和控制的 当被加工对象变化时 调整很困难 甚至不可能的 有时 值得全部更新 更换 数控机床的出现 开创了柔性自动化加工的新纪元 对于满 足加工对象的变化 已具有很强的适应能力 目前 在进一步提高单机柔性化的同 时 正努力向单元柔性化和系统柔性化的方向发展 近些年来 不仅中小批量的生产在努力提高柔性化能力 就是在大批量生产中 也积极向柔性化方面转向 如出现了 PLC 控制的可调组合机床 数控多轴加工中心 换刀换箱式加工中心 数控三坐标动力单元等具有柔性的高效加工中心和介于传统 自动线与 FMS 之间的柔性自动线 FTL 在 1988 年至 1992 年 日本组合机床和自 动线产量的数控化率已达 32 39 德国组合机床和自动线产量的数控化率为 18 62 这些数字表明 近十年来 组合机床的数控化发展是十分迅速的 1 3 4 复合化 复合化是包括工序复合化和功能复合化 数控机床的发展也模糊了粗 精加工 工序的概念 加工中心的出现 又把车 铣 镗 钻等工序集中到一台机床机床来 完成 打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程 一台具有自动换刀装置 自 动交换工作台和自动转换立卧主轴头的镗铣加工中心 不仅一次装夹便可完成镗 铣 钻 铰 攻螺丝和检验等工序 而且还可以完成箱体件五个面粗 精加工的全 部工序 设计 论文 专用纸 第 10 页 1 3 5 高速度化 提高生产率是数控机床技术发展追求的基本目标之一 而实现这个目标的最主 要 最直接的方法就是提高切削速度和减少辅助时间 提高主轴转速是提高切削速度的最有效方法 近十年来 主轴转速已翻了几番 20 世界 80 年代中期 中等规格的加工中心主轴最高转速为 4000r min 6000r min 20 世界 90 年代初期 提高到 8000r min 12000r min 目前 有的主轴最高转速已达到 100000r min 以上 减少辅助时间 主要体现在提高快速移动速度和缩短换刀时间与工作台交换时 间上 目前 快速移动速度已由 10 年前的 8m min 12m min 提高到现在的 18m min 24m min 因而大大减少了辅助时间 在缩短换刀时间和交换工作台时间方面也取得了较大的进展 数控机床刀架的 转位时间从过去的 1s 3s 减少到 0 4s 0 6s 加工中心由于倒库和换刀结构的改进 使换刀时间从 5s 10s 减少到 0 5s 3s 而工作台交换时间也由 12s 20s 减少到 6s 10s 有的达到 2 5s 以内 1 3 6 制造系统自动化 制造系统的自动化除进一步提高其自动编程 自动换刀 自动上下料 自动加 工等自动化程度外 在自动检测 自动监控 自动诊断 自动对刀 自动传输 自 动调度 自动管理等方面也进一步得到发展 同时也提高了其标准化的适应能力 达到 无人化 管理正常生产的目标 设计 论文 专用纸 第 11 页 第 2 章 数控机床的机械结构 2 1 数控机床的构成及分类 2 1 1 数控机床的构成 数控机床一般由下列几个部分组成 1 主机是数控机床的上体 包括床身 立柱 主轴 进给机构等机械部件 2 CNC 装置是数控机床的核心 包括硬件 印刷电路板 CRT 显示器 键 盘 纸袋阅读机等 以及相应的软件 3 驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件 包括主轴驱动单元 进给驱动 单元 主轴电机及进给电机等 4 数控机床的辅助装置指数空机床的一些必须的配套部件 用于保证数控机 床运行 它包括液压和气动装置 排屑装置 交换工作台 数控转台和数控分度头 还包括刀具及监控检测装置 5 编程机及其他的一些附属装备 2 1 2 功能及特点 1 主机 主机是数控机床的主体 是用于完成各种切削加工的机械部分 根据不同的零 件加工要求 有车车 铣床 钻床 镗床 磨床 重型机床 电加工机床以及其它 类型 与普通机床不同的是 数控机床的主机结构具有以下特点 由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统 因此数控机床的 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 数控机床机械结构具有较高的动态刚 度 阻尼精度及耐磨性 热变形较小 更多地采用高效传动部件 如滚珠丝杆副 直线滚动导轨等 2 CNC compurterized numerical control 装置 只是数控机床的核心 用于实现输入数字化的零件程序 并完成输入信息的存 设计 论文 专用纸 第 12 页 储 数据的变换 插补运算及实现各种控制功能 现代数控机床的数控装置都具有下面的一些功能 多坐标控制 多轴联动 实现多种函数的插补 直线 圆弧 抛物线等 代码转换 EIA ISO 代码转换 英制 公制转换 二 十进制转换 绝对值 增 量值转换等 人机对话 手动数据输入 加工程序输入 编辑及修改 加工选择 各种加工循环 重复加工 凹 凸 模加工 镜像加工等 可实现各种补偿功能 进行刀具半径 刀具长度 穿的间隙 螺距误差的补 偿 实现故障自诊断 CRT 显示 实现图形 轨迹 字符显示 联网及通信功能 3 驱动装置 是数控机床执行机构的驱动部件 普通机床的主轴和进给系统 主要由电机驱动进给箱主轴箱的齿轮来实现运动 和变速 而数控机床主轴和进给则是由数控装置发出进给指令 通过电气或电液伺 服系统实现的 当几个进给轴实现了联动时 可以完成点位 直线 平面曲线或空 间曲面的加工 一般来说 数控机床的伺服驱动 要求有好的快速响应性能 能灵敏而准确的 跟踪由数字控制装置发送来的数字指令信号 4 数控机床的辅助装置 他是保证机床功能充分发挥所需要的配套零件 由于这些配套装置包括的面很广 有电器 液压 气动元件及系统 冷却 排 屑 防护 润滑 照明 储运等一系列装置 它对开发数控机床本身的功能具有很 大的作用 因此受到了各产业部门的重视 发展及其迅速 5 编程机及其他一些附属设备 现代数控机床 不仅可以利用 CNC 装置上的键盘直接输入零件的程序 也可以 利用自动程编机 在机外进行零件的程序编程 将程序记录在信息载体上 如织带 设计 论文 专用纸 第 13 页 磁带 磁盘等 然后送人数控装置 对于较复杂的零件 一般采用这种方法 对这 种方式 我们称为自动程序编制 或计算机程序编制 数控机床构成框图见图 2 1 图 2 1 数控机床构成框图 大型的 特殊曲面的零件程序 往往要用小型计算机来实现 还可以利用电子 计算机的通用外围设备 如打印机 自动穿孔机来制作程序单及控制带 现在随着微电子技术及计算机技术的发展 大多数零件的程序编制工作 已经 可以由微型计算来实现了 为了便于使用 一些公司还可以提供一些专用的编程机 并配有完善的附属设 备 使用专门的程编软件 可以方便的 高质量的编制出各种需要零件程序 2 2 数控机床的分类 目前 为了研究数控机床 可以从不同的角度对数控机床进行分类 2 2 1 按控制系统的特点分类 1 点位控制数控机床 对于一些孔加工用数控机床 只要求获得精确的孔系 坐标定位精度 而不管从一个孔到另外一个孔是按照什么轨迹运动的 如坐钻床 坐标镗床以及冲床等 就是可以采用简单而价格低廉的点位控制系统 这种点位控制系统 为了确保准确的定位系统在高速运行后 采用 3 级减速 以减小定位误差 但是由于移动体本身存在惯性 而且在低速运动时 摩擦力有可 能变化 所以即使系统关断后 工作台并不立即停止 形成定位误差 d 而且这 设计 论文 专用纸 第 14 页 一值有一定的分散性 2 直线控制数控机床 某些数控机床不仅要求具有精确的定位功能 而且要 求从一点到另一点之间按直线移动 并能控制位移速度 因为这一类型的数控机床 在两点间移动时 要进行加工 所以对不同的刀具和工件 需要选用不同的切削用 量及进给速度 这一类的数控机床包括 数控铣床 数控车床 加工中心等 一般情况下这些 数控机床 有两个到三个控制轴 担同时控制轴这有一个 3 轮廓控制的数控机床 更多的数控机床 具有轮廓控制的功能 即可以加 工曲线或者曲面的零件 这类机床有二坐标及二坐标以上的数控铣床 可加工曲面 的数控车床 加工中心等 这类数控机床应能同时控制两个或者两个以上的轴具有插补功能 对位移和速 度进行严格的不间断控制 现代数控机床绝对多数都具有两坐标或两坐标以上联动功能 不仅有刀具半径 补偿 刀具长度补偿 还有机床轴向运动误差补偿 丝杆 齿轮的间隙误差补偿等 一系列功能 按照可联动 同时控制 轴数 且相互独立的轴数 可以有 2 轴控制 2 5 轴控 制 3 轴控制 4 轴控制 5 轴控制等 2 5 轴控制 两轴是连续控制 第三轴是点位或者直线控制 的原理 实现了三 个主要轴 X Y Z 内的两维控制 3 轴控制是三个坐标轴 X Y Z 都同时插补 是三维连续控制 5 轴连续控制是一种很重要的加工形式 这时 3 个坐标 X Y Z 与转台的回转 刀具的摆动 同时联动 也可以是与两轴的数控转台联动 或刀具做两个方向的摆动 2 2 2 按执行机构的伺服系统类型分类 1 开环伺服系统数控机床 这是比较原始的一种数控机床 这类机床的数控 系统将零件的程序处理后 输出数字指令信号给伺服系统 驱动机床运动 没有来 自位置传感器的反馈信号 最典型的系统就是采用步进电机的伺服系统 这类机床 设计 论文 专用纸 第 15 页 较为经济 但是速度及精度都较低 因此 目前在国内 仍作为一种经济型的数控 机床 多用于对旧机床的改造 2 闭环伺服系统数控机床 这里机床可以接受插补器的指令 而且随时接收 工作台端测的实际位置反馈信号进行比较 并根据其差值不断地进行误差修改 这 类数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响 图 2 2 数控机床按执行机构伺服系统的类型分类 这种采用闭环伺服系统的数控机床 见图 2 2 可以得到很高的加工精度 但 是由于很多的机械传动环节 如丝杆副 工作台与导轨的摩擦特性 各部件的刚性 以及位移测量元件安装的传动链间隙等等 都是可变的 都直接影响伺服系统的调 节参数 有一些是非线性的参数 因此闭环系统的设计和调整都有较大的难度 设 计和调整得不好 很容易形成系统的不稳定 所以 闭环伺服系统数控机床 主要用于一些精度要求很高的镗铣床 超精机 床 超精刨床等 3 半闭环伺服系统数控机床 大多数数控机床是半闭环伺服系统 将测量元 件从工作台移到电动机端头或丝杆端头 这种系统的闭环环路内不包括丝杆 螺母 副及工作台 因此可以获得稳定的控制特性 而且由于采用了高分辨率的测量元件 可以获得比较满意的精度及速度 2 2 3 按数控装置类型分类 1 硬件式数控机床 即 NC 机床 这是早期的数控机床 数控装置中的输 入 运算 插补运算以及控制功能均有集成电路或晶体管等器件组成 一般来说 不同的数控机床都需要专门设计不同的逻辑电路 这类数控机床数控装置的通用性 设计 论文 专用纸 第 16 页 较差 因其全部由硬件组成 所以功能和灵活性也较差 2 软件式数控机床 即 CNC 机床 70 年代中期 随着微电子技术的发展 芯片的集成度越来越高 利用中 大规模及超大规模的集成电路 组成 CNC 装置成 为可能 采用这一类装置的数控机床 其主要功能 几乎全部由软件来完成 对于 不同的数控机床 只需要编制不同的软件就可以实现 而硬件几乎是可以通用的 这就为硬件的大批量生产提供了条件 批量生产有利于保证产品的质量 缩短生产 周期 降低生产成本 所以现代数控机床 都采用 CNC 装置 这种软件式数控 由于有很高的柔性 给机床厂以及机床的用户有很大的方便 他们可以根据各自的需要开发出不同的用户程序 使得数控机床的应用更加的广泛 并能深入到机械加工的各个领域 2 2 4 按加工方式分类 1 金属切削类数控机床 如数控车床 加工中心 数控铣床 数控钻床 数 控镗床 数控磨床等 2 金属成型类数控机床 如数控折弯机 数控折弯管机 数控回转头压力机 等 3 数控特种加工机床 如数控线 电极 切割机床 数控电火花加工机床 数控激光切割机床等 4 其他类型数控机床 如火焰切割机 数控三坐标测量机等 见表 2 1 表 2 1 数控机床分类表 数控机床的种类控制系统类别执行机构类别加工对象类别 点位 直线控制开环 半闭环没锥度 圆弧的轴数控车床 轮廓控制开环 半闭环 闭环有锥度 圆弧的轴 点位 直线控制开环 半闭环齿轮箱 框架等箱体加工中心机床 特殊用途的轮廓控制开环 半闭环 闭环飞机零件的轮廓加工 点位 直线控制开环 半闭环箱体数控铣床 轮廓控制开环 半闭环 闭环平面轮廓的凸体 样板 冲模 压 铸模 数控钻床点位控制开环 半闭环印刷电路基板 多孔零件 设计 论文 专用纸 第 17 页 开环 半闭环箱体数控镗床点位 直线控制 闭环精密箱体 数控磨床轮廓控制半闭环 闭环凸轮 轧辊 冲模 数控电加工机床轮廓控制开环 半闭环模具 数控金属成型机床点位直线轮廓加工半闭环 开环冲压 板材 弯管等 2 2 4 按功能水平分类 可以把数控机床分为高 中 低档 经济型 三类 这种分类方法 目前在我国用的很多 但是因为没有一个确切的定义 所以含 义不是很明确 这里 我们试图对按照功能水平分类的界限作一个限定 1 分辨率和进给速度 分辨率为 10um 进给速度在 8 15m min 为低档 分 辨率为 1um 进给速度为 15 24m min 为中档 分辨率为 0 1um 进给速度为 15 100m min 为高档 2 伺服进给类型 采用开环 步进电机进给系统为低档 中高档则采用半闭 环的直流伺服系统及交流伺服系统 也包括采用闭环伺服系统 3 联动轴数 低档数控机床最多联动轴数为 2 3 轴 中 高档则为 2 4 轴 或 3 5 轴以上 4 通信功能 低档数控一般无通信功能 中档则可以有 RS 232 或 DNC direct numerical control 直接数字控制 接口 高档的还可以有 MAP manufacturing automation protocal 制造自动化协议 通信接口 具有联网功 能 5 显示功能 低档数控一般只有简单的数码管显示或简单的 CRT cathode ray tube 阴极射线管 字符显示 而中档数控则具有较齐全的 CRT 显示 不仅有 字符 而且有图形 人机对话 自诊断等功能 高档数控还可以有三维图形的显示 6 内装 PC programmable controller 可编程控制器 低档数控一般没有内 装 PC 中 高档数控都有内置 PC 高档的数控具有强大的内装 PC 有轴控制的扩 展功能 设计 论文 专用纸 第 18 页 7 主 CPU central processing unit 中央处理单元 低档数控机床一般采用 8 位 CPU 中档及高档的已逐步由 16 位向 32 位 CPU 过度 外国的一些新的数控系 统已经选用 64 位 CPU 并选用具有精简指令集的 RISC 中央处理单元 以提高运算 速度 根据以上的一些功能及指标 就可以将各种类型的产品分为低 中 高档三类 数控系统 所谓的经济型数控 都是相对标准型数控而言的 在不同的国家和不同的时期 含意是不同的 其目的是根据实际机床的使用要求 合理地简化系统 以降低产品 价格 在我国 把由单板机 单片机和步进电机组成的数控系统和其它功能简单 价 格低的系统称为经济型数控 主要用于车床 线切割机床 以及老机床改造等 它 是属于低档数控机床的一种 目前在我国 这类数控有一定的批量生产 区别于经济型数控 则把功能比较齐全的数控系统 称为全功能数控 或者标 准型数控 2 3 典型的数控机床 数控机床的品种很多 几乎各种类型的机床都有成功的数控产品 下面介绍几 种典型的数控机产品 其中包括数控车床 数控铣床 加工中心 数控钻 镗床 数控磨床 数控电加工机床及一些特殊类型的数控机床 介绍各类主控机床的特点 以及这类数控机床的典型产品 2 3 1 数控车床 数控车床是目前使用较广泛的数控机床 主要用于轴类和盘类回转体零件的加 工 能自动完成内弯圆柱面 锥面 圆弧 螺纹等工序的切削加工 并能进行切槽 钻 扩 铰孔等工作 特别适宜复杂形状零件的加工 在车床上由程序确定主轴转速是必要的 应该有刀具补偿功能 由程序选定刀 具并控制转塔刀架 对于工件轮廓形状不太复杂 控制系统带有圆弧插补器 有一个转塔刀架的数 设计 论文 专用纸 第 19 页 控车床 常常采用手工编制程序 只有在加工复杂轮廓或同时有两把刀具进行加工 时 才采用计算机自动编程程序 2 3 2 数控铣床 主要用于各类较复杂的平面 曲面和壳体零件的加工 如各类模具 样板 叶 片 凸轮 连杆和箱体等 铣削轮廓外形需要轨迹控制 而铣削框型可以用直线控制 铣削加工平面零件 只要二轴轨迹控制 2 轴控制是指用二轴作为轨迹控制 第三轴逐步进刀运动 三轴轨迹控制 则是切深运动也与其他两轴联动 这样可以进行空间铣削加工 线性插补器是不不可少的 圆弧插补器是用于手工编程的简单铣削加工 主轴 转速有时要用手动调整 在轨迹控制时 进给量由程序确定 对称功能用途很大 零件偏移对所有铣床都很有作用 铣削曲面时建议用刀具直径补偿 能够在垂直于轮廓的任何方向作直径补偿时 在铣削精密零件时很有用 其数控系统可以控制 x y z 三个坐标轴 并可同时联动 能完成直线铣削 组成 各种往复循环和框式循环或按坐标位置加工 也可铣削具有曲线轮廓的零件 主轴半自动变速 采用电液控制 可以远距离控制 导轨采用镶钢淬火 以提高寿命和精度保证性 主传动齿轮均采用铬钼钢制造 并经淬火和磨齿 花键轴亦经淬火并磨削 而且是内径定心的 有独立的轨道润滑泵 自动定时量润滑 有半径自动的刀具安装及拆卸 2 3 3 数控模仿形铣床 数控仿形铣床主要用于各种复杂型腔模具或工件的铣加工 特别对不规则的三 维曲面和复杂边界构成的工件更显示其优越性 新型的数控仿形铣床一般包括三个部分 1 数控 CNC 功能 它类似一台数控铣床具有的标准数控功能 有用户宏程 序 三轴联动 以及刀具半径及长度补偿等 还可以有手动数据输入 MDI 前后 设计 论文 专用纸 第 20 页 台编辑等 2 仿形加工 在机床上装有仿形仪 可以选用多种仿形方式 如笔式手动 双向 单向钳位 轮廓 部分轮廓 三向 NTC numerieal tracer control 数字仿型 等 还可以有多种离模方式 如切线离模 法向离模 z 轴快退等 3 数字化功能 在仿形加工的同时 要采集仿形指运动轨迹数据 并处理成 加工所需的标准指令 存入存储器 或其它介质 如软件 以后也可以利用存储的 数据进行加工 所以要求有大量的数据处理功能 2 3 4 加工中心 加工中心和数控车床一样 是目前世界上产量最高 应用最广泛的数控机床 它主要用于箱体类和复杂曲面零件的加工 能进行镗铣 钻 攻丝等工序 因为它 具有自动换刀功能 工件一次装卡后 能自动地完成或者接近完成工件各面的所有 加工工序 箱体类零件的加工中心 一般是在镗铣床的基础上发展起来的 可称为镗铣类 加工中心 习惯上简称为加工中心 另外还有一类加工中心 是以轴类零件为主要加工对象 是在车床基础上发展 起来的 一般具有 C 轴控制 除可以进行车削 镗削之外 还可以进行端面和周面 上任意部位的钻削 铣削和攻丝加工 在具有插补功能的条件下 可以实现各种曲 面铣削加工 这类加工中心也设有刀库 根据加工工件的需要 配置相应的动力或非动力刀 具 这类加工中心 习惯上称为车削中心 大多数加工中心带有轨迹控制 通常在同一系统内可以用增量数据输入 铣削 外形 也可以用绝大多数据输入 定位 要求多轴同时移动 否则定位时间过长 主轴转速应该由程序选定 进给量和更换刀具也由程序确定 在铣削外形时应有刀具直径补偿功能 在任意垂直于铣削曲面的刀具直径补偿 功能 对加工精密零件很有用 设计 论文 专用纸 第 21 页 2 3 5 数控钻床及镗床 由于加工中心的发展 绝大多数数控钻床已经被加工中心取代 但是有些以钻 为主要工序的零件仍需要应用数控钻床来加工 如 加工印刷电路板等 故数控钻 床还有一定的需求量 它是能自动进行钻孔的数控机床 大多数钻床用点控制 同时沿两轴或者三个轴移动可以减少定位时间 有时也采用直线控制 为的是进行平行于机床轴线的钻削加工 坐标钻床用作精密镗床孔 镗铣床配置直线或轨道控制 沿两个轴同时移动 使定位加快 多轴同时移动 使定位更快 圆弧插补器在轨迹控制器中很重要 快速不一定要由程序控制 但进给量一般要由程序确定 位置显示在镗铣床上很有用 2 3 6 数控磨床 近年来 由于磨具 磨料的发展 磨削技术在金属加工中 用得相当广泛 数控磨床要实行多种品种 中小批量零件的自动化加工 需要具备以下功能 1 零件搬运的自动化及工件识别功能 2 砂轮自动交换及砂轮形状精度 安装精度的检查功能 3 修整的数控化功能 4 监视功能 砂轮工作寿命 加工精度机械控制功能 5 适应控制功能 砂轮周转速度 砂轮切入等 对于高精度的数控磨床还需要 CNC 系统具有更高的分辨率 现在用的最多的是数控外圆磨床 数控平面成型磨床及数控坐标磨床 2 3 7 数控电加工机床 数控电加工机床是模具加工的重要设备 主要分为两大类 数控线 电极 切 割机床和数控电火花加工机床 1 数控线切割机床 在我国早期成功使用的最广泛的数控机床 就是数控线切割机床 它包括主机 设计 论文 专用纸 第 22 页 脉冲电源及数控系统三个部分 由于结构简单 价格便宜 使用方便 在模具行业 得到了广泛的应用 数控系统一般是单板机 称之为经济型数控线切割机床 新开发的数控线切割机床 是慢走丝数控电火花线切割机床 这类机床都是采 用半闭环控制 设有精度补偿装置 数控系统内存容量大 控制功能更智能化 x y u v 四轴控制 切割精度可达 0 005mm 切割表面粗糙度可达 Ra0 4um 最大 切割速度达 250mm min 切割锥度可达 30 2 数控电火花成型机床 数控电火花成型机床有主轴头 电源 以及数控系统等部分 主轴头有电源伺服主轴头 力矩主轴头 直流电机伺服主轴头等 电源主要有 两种 晶体管电源和可控制硅电源 近年来还发展了中 精加工低损耗电源 微机 控制电源 超光电源等 可达到工艺指标为 最大加工速度 10mm min 最佳表 面粗糙度为 Ra0 08um 超光电源 Ra1 25 0 32 一般电源 最小加工间隙 单边 0 008 0 02um 最小电极损耗 0 5 新型的电火花机床为了满足精度模具的加工 数控系统实现了 2 6 轴联动 x y z 轴均采用直流电机伺服系统 机床具有以下功能 1 自动交换工件 2 自动交换电极 3 电极位置测量校正 并在确定的范围内进行补偿 4 采用预先确定运动轨迹或三维几何图形 并包括预先确定冲液方式 定时器 地设定和过程控制等 2 3 8 数控重型机床 一般地说 金属切削机床的重量为 10t 以上者属于大型机床 30t 以上为重型机 床 100t 以上属于超重型机床 现代数控重型机床主要品种包括单柱和双柱数控立 车 数控刨台式镗铣床 数控落地铣镗床 数控龙门镗铣床 数控卧式