机电一体化在数控机床中应用

1、机电一体化在数控机床中应用毕业论文题目:机电一体化在数控机床中的应用2015年3月学院年 级2012级专业学号学生姓名指导教师1 / 25机电一体化在数控机床中 应用毕业设计鉴定表院系 汽车及信息工程系专 业机电一体化技术年级2012级（1）班姓名题目机电一体化在数机床中的应用指导教师评 语/ 25指导老师评分：指导教师签字）答辩成绩：答辩小组组长签字）毕业设计总成绩:等级：年月日机电一体化在数控机床中 应用关键词：设计控制制造操作维修目 录第一章数控车床的基本组成和工作原理1.1任务准备错误味指定书签。1.1.1机床结构错误味指定书签。1.2工作原理错误!未指定书签。1.3数控车床的分类错误

2、味指定书签。1.4数控车床的性能指标错误味指定书签。1.5数控车床的特点错误味指定书签。第二章 数控车床编程及操作错误!未指定书签。2.1数控车床概述错误味指定书签。2.1.1数控车床的组成错误味指定书签。2.1.2数控车床的机械构成错误味指定书签。2.1.3数控系统错误!未指定书签。2.1.4数控车床的特点错误味指定书签。2.1.5数控车床的分类错误味指定书签。2.1.6数控车床(6153)的主要技术规格。错误味指定书签。2.1.7数控车床(6153)的润滑及冷却错误!未指定书签。2.2数控车床的编程方法错误!未指定书签。2.2.1设定数控车床的机床坐标系错误味指定书签。III / 25机电

3、一体化在数控机床中 应用第三章 数控车床加工工艺分析错误!未指定书签。3.1零件图样分析错误味指定书签。3.2工艺分析错误I未指定书签。3.3车孔的关键技术错误味指定书签。3.4解决排屑问题错误味指定书签。3.5加工方法错误!未指定书签。第四章当前数控机床技术发展趋势错误!未指定书签。4.1是精密加工技术有所突破错误味指定书签。4.2是技术集成和技术复合趋势明显错误!未指定书签。第五章 结语错误!未指定书签。参考文献错误!未指定书签。11/25机电一体化在数控机床中 应用12/25第一章数控车床的基本组成和工作原理1.1任务准备1.1.1机床结构数控机床一般由输入输出设备、装f（或称单元）、伺

4、服单元、驱动装f（或称执行机构）、可编程控制器及电气控制装f辅助装置、机床本体及测量反馈装置组成。如下图是数控机床的组成框图。机床本体数控机床的机床本体及传统机床相似，由主轴传动装置、进机电一体化在数控机床中 应用给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、 传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大 的变化，这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥 数控机床的特点。单元单元是数控机床的核心，单元由信息的输入、处理和输出三 个部分组成。单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和 逻辑电路进行译码、插补

5、、逻辑处理后，将各种指令信息输出给 伺服系统，伺服系统驱动执行部件。输入/输出设备输入装置将各种加工信息传递于计算机的外部设备。在数控 机床产生初期，输入装置为穿孔纸带，现已淘汰，后发展成盒式 磁带，再发展成键盘、磁盘等便携式硬件，极大方便了信息输入 工作，现通用网络通讯串行通信的方式输入。输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的 原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这 些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出及原始资料作 比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。伺服单元伺服单元由驱动器、驱动电机组成，并及机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系

6、统。它的作用是把来自数 控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。对于步进电机来 说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部 件移动一个微小距离。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服 驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。驱动装置驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机 械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格 的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对 应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作 的动力装置，装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺 服驱动系统是数控

7、机床的重要组成部分。可编程控制器可编程控制器(,)是一种以微处理器为基础的通用型自动 控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制，故把称它为可编程逻辑控制器(，)0当用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器(，)0己成为数控机床不可缺少的控制装置。和协调配合，共同完成对数控机床的控制。测量反馈装置测量装置也称反馈元件，包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作 台的实际位移转变成电信号反馈给装置，供装置及指令值比较产 生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。1.2工作原理使用数控

8、机床时，首先要将被加工零件图纸的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序；然后将加工程序 输入到数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理、分 配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具及工件的相对运 动，完成零件的加工。1.3数控车床的分类数控车床的品种和规格繁多,一般可以用下面三种方法分类。按控制系统分目前市面上占有率较大的有法拉克、华中、广数、西门子、 三菱等。按运动方式分类 点位控制数控机床 点位/直线控制数控机床 连续控制数控机床按控制方式分类按控制方式分类可以分为开环控制数控机床、闭环控制数控 机床和半闭环控制数控机床o1.4数控车床的性能指标主要规格尺寸数控车床主要

9、有床身及刀架最大回转直径、最大车削长度、 最大车削直径等。主轴系统数控车床主轴采用直流或交流电动机驱动，具有较宽调速范 围和较髙回转精度，主轴本身刚度及抗振性比较好。现在数控机 床主轴普遍达到500010000r/甚至更髙的转速，对提髙加 工质量和各种小孔加工极为有利；主轴可以通过操作面板上的转 速倍率开关调整转速；在加工端面时主轴具有恒线切削速度（恒 线速单位：）,是衡量车床的重要性能指标之一。进给系统该系统有进给速度范围、快速（空行程）速度范围、运动分辨率（最小移动增量）、定位精度和螺距范围等主要技术参数。进给速度是影响加工质量、生产效率和刀具寿命的主要因素, 直接受到数控装置运算速度、机

10、床动特性和工艺系统刚度限制。数控机床的进给速度可达到1030m/其中最大进给速度为加 工的最大速度，最大快进速度为不加工时移动的最快速度，进给 速度可通过操作面板上的进给倍率开关调整。脉冲当量（分辨率）是重要的精度指标。有其两个方面的内容， 一是机床坐标轴可达到的控制精度冋以控制的最小位移增量）， 表示每发出一个脉冲时坐标轴移动的距离，称为实际脉冲当量或 外部脉冲当量；二是内部运算的最小单位，称之为内部脉冲当量,一般内部脉冲当量比实际脉冲当量设置得要小，为的是在运算过 程中不损失精度，数控系统在输出位移量之前，自动将内部脉冲 当量转换成外部脉冲当量。实际脉冲当量决定于丝杠螺距、电动机每转脉冲数

11、及机械传 动链的传动比，其计算公式为实际脉冲当沪传动比 缶需脣数控机床的加工精度和表面质量取决于脉冲当量数的大小。普通数控机床的脉冲当量一，般为0.001,简易数控机床的脉冲 当量一般为0.01,精密或超精密数控机床的脉冲当量一般为0.0001,脉冲当量越小，数控机床的加工精度和表面质量越高。定位精度和重复定位精度，定位精度是指数控机床各移动轴 在确定的终点所能达到的实际位置精度，其误差称为定位误差。定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等的误差，还包括 移动部件导轨的几何误差等。它将直接影响零件加工的精度。重复定位精度是指在数控机床上，反复运行同一程序代码, 所得到的位置精度的一致程度。重

12、复定位精度受伺服系统特性、 进给传动环节的间隙及刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情 况下，重复定位精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零 件加工的一致性，是一项非常重要的精度指标。一般数控机床的 定位精度为0.001,重复定位精度为0.005。刀具系统数控车床包括刀架工位数、工具孔直径、刀杆尺寸、换刀时 间、重复定位精度各项内容。加工中心刀库容量及换刀时间直接 影响其生产率，换刀时间是指自动换刀系统，将主轴上的刀具及 刀库刀具进行交换所需要的时间，换刀一般可在520s的时间 内完成。数控机床性能指标还有电机、冷却系统、机床外形尺寸、机 床重量等。1.5数控车床的特点及普通车床相比，数控车

13、床具有以下几个特点：适应性强由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能加工 形状复杂的零件，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的零 件，加工非常方便。更换加工零件时，数控机床只需更换零件加 工的程序。加工质量稳定对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序, 刀具的运动轨迹完全相同这就保证了零件加工的一致性好，且质 量稳定。效率髙数控机床的主轴转速及进给范围比普通机床大。目前数控机 床最高进给速度可达到100以上，最小分辨率达0.01。一般来 说，数控机床的生产能力约为普通机床的三倍，甚至更高。数控 机床的时间利用率髙达90%,而普通机床仅为30%50%。精度髙数控机床有较高的

14、加工精度，一般在0.0050.1之间。数 控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向 齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补 偿。因此，数控机床的定位精度比较高。减轻劳动强度在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至完 毕。这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。还有能实现复杂的运动、产生良好的经济效益、利于生产管 理现代化等特点。第二章数控车床编程及操作2.1数控车床概述数控车床作为当今使用最广泛的数控机床之一，主要用于加 工轴类、盘套类等回转体零件，能够通过程序控制自动完成内外 圆柱面、锥面、圆弧、螺纹等工序的切削加工，并进行切槽、钻、 扩、较孔等

15、工作，而近年来研制出的数控车削中心和数控车铳中 心，使得在一次装夹中可以完成更多得加工工序，提髙了加工质 量和生产效率，因此特别适宜复杂形状的回转体零件的加工。2.1.1数控车床的组成数控车床由床身、主轴箱、刀架进给系统、冷却润滑系统及数控系统组成。及普通车床所不同的是数控车床的进给系统及普 通车床有质的区别，它没有传统的走刀箱溜板箱和挂轮架，而是 直接用伺服电机或步进电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀具，实现 进给运动。数控系统由单元及输入输出模块，操作面板组成。从机械结构上看，数控车床还没有脱离普通车床的结构形式, 即由床身、主轴箱、刀架进给系统，液压、冷却、润滑系统等部 分组成。及普通车床所不

16、同的是数控车床的进给系统及普通车床 有质的区别，它没有传统的走刀箱、溜板箱和挂轮架，而是直接 用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀具，实现运动，因而大大简化了进给系统的结构。由于要实现，因此，数控车床要有装扌 电器控制和操作面板。2.1.2数控车床的机械构成(1) 主轴箱数控车床主轴箱的构造，主轴伺服电机的旋转通过皮带轮送 刀主轴箱内的变速齿轮，以此来确定主轴的特定转速。在主轴箱 的前后装有夹紧卡盘，可将工件装夹在此。主轴伺服电机主轴伺服电机有交流和直流。直流伺服电机可靠性髙，容易 在宽范围内控制转矩和速度，因此被广泛使用，然而，近年来小 型、髙速度、更可靠的交流伺服电机作为电机控制技术的发展成

17、果越来越多地被人们利用起来。(3)夹紧装?这套装置通过液压自动控制卡爪的开/合。（4）往复拖板在往复拖板上装有刀架，刀具可以通过拖板实现主轴的方向 定位和移动，从而同Z轴伺服电机共同完成长度方向的切削。刀架此装置可以固定刀具和索引刀具，使刀具在及主轴垂直方向 上定位，并同Z轴伺服电机共同完成截面方向的切削。（6）控制面板控制面板包括操作面板（执行数据的输入/输出）和机床操 作面板（执行机床的手动操作）。2.1.3数控系统数控车床的数控系统是由装置、输入/输出设备、可编程控 制器（）、主轴驱动装置和进给驱动装置以及位置测量系统等几 部分组成，如图2-4所示。图2-1系统构成数控车床通过装置控制机

18、床主轴转速、各进给轴的进z给速 度以及其他辅助功能。2.1.4数控车床的特点10/25机电一体化在数控机床中 应用(1) 传动链短数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电机驱动。伺 服电机直接及丝杠联结带动刀架运动，伺服电机及丝杠也可以按 控制指令无级变速，它及主轴之间无须再用多级齿轮副来进行变 速。随着电机宽调速技术的发展，目标是取消变速齿轮副，目前 还要通过一级齿轮副变几个转速范围。因此，床头箱内的结构已 比传统车床简单得多。(2) 刚性髙及控制系统的高精度控制相匹配，以便为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。适应高精度 的加工。(3) 轻拖动刀架移动一般采用滚

19、珠丝杠副,为了提髙数控车床导轨的耐磨性，一般采用镶钢导轨，这样 机床精度保持的时间就比较长，也可延长使用寿命。另外，数控 车床还具有加工冷却充分、防护严密等结构特点，自动运转时都处于全封闭或半封闭状态。数控车床一般还配有自动排屑装f2.1.5数控车床的分类数控车床品种繁多，按数控系统功能和机械构成可分为简易 数控车床(经济型数控车床)、多功能数控车床和数控车削中心。(1)简易数控车床(经济型数控车床)。是低档次数控车床,11 / 25机电一体化在数控机床中应用一般是用单板机或单片机进行控制，机械部分是在普通车床的基 础上改进设计的。(2) 多功能数控车床。也称全功能型数控车床，由专门的数 控系

20、统控制，具备数控车床的各种结构特点。(3) 数控车削中心。在数控车床的基础上增加其他的附加坐标轴O2.1.6数控车床(6153)的主要技术规格。床身最大工具回转直径：中530。滑板最大工件回转直径: 中280,机床顶尖距1000,刀架最大X向行程：260,刀架 最大Z向行程：1000。手动4级变频调速252000转/分。2.1.7数控车床(6153)的润滑及冷却该机床的润滑分床头箱的润格及其它部件的润滑两个部分。 有齿轮变速的床头箱均采用油润滑，由摆线泵进行强迫润滑，摆 线泵吸油时，先通过精制过滤器，再进过磁性滤清器而后送到各 润滑部件或经分油器对主轴轴承及所有其它运转零件进行强迫 润滑和喷油

21、润滑。机床上其它部件的润滑，如尾架、道轨及丝杠 螺母等均采用油润滑，采用间歇润滑泵对X轴、Z轴的各导轨润 滑面及滚珠丝杠螺母、尾架套筒外圆等部位进行自动间歇式润 滑。在呈透明状态的油箱内，带有一个液位报警开关，当箱内油 液低于规定值时，机床会发出润滑报警。该机床冷却系统采用 泵冷却。冷却装置的日常维修主要是冷却水的补给更换及过滤器 的清洗。在冷却箱内未灌入冷却液前，严禁启动冷却泵，以免使13 / 25机电一体化在数控机床中 应用冷却泵烧坏。当冷却水减少时，应及时补给。冷却水发生污染变 质时，应全部更换，冷却液应注意选择防锈性能好的，以免机床 生锈。2.2数控车床的编程方法要学好数控车床的编程，

22、必须了解数控车床的操作要点，现 有教材大多没把数控车床的操作及编程作为一个整体来讲。2.2.1设定数控车床的机床坐标系机床坐标系是机床固有的坐标系，是制造和调整机床的基础, 也是设置工件坐标系的基础。机床坐标系在出厂前已经调整好, 一般不允许随意变动。参考点也是机床上的一个固定不变的极限 点，其位置由机械挡块或行程开关来确定。通过回机械零点来确 认机床坐标系。回机械零点前先要开机，数控车床开机前先要熟 悉数控车床的面板。面板的形式同数控系统密切相关。数控车床 的开机有难有易。对于配图产系统的车床。开机大都比较简单, 一般打开电源后，直接启动数控系统即可。开机后，通过回零,使工作台回到机床原点（

23、或参考点，该点为及机床原点有一固定距离的点）。数控车床的回零（回参考点）步骤为：开关f于“回0按手动轴进给方向键、至回零指示灯亮。开机后必须先回零（回参考点），若不作此项工作，则螺距误差补偿、背隙 补偿等功能将无法实现。设定机床机械原点同编程中的G54指 令直接有关。第三章 数控车床加工工艺分析3.1零件图样分析因为薄壁加工比较困难，尤其是内孔的加工，由于在切削过 程中，薄壁受切削力的作用，容易产生变形。从而导致出现椭圆 或中间小，两头大的“腰形”现象。另外薄壁套管由于加工时散 热性差，极易产生热变形，使尺寸和形位误差。达不到图纸要求, 需解决的重要问题，是如何减小切削力对工件变形的影响。薄壁

24、 零件的加工是车削中比较棘手的问题，原因是薄壁零件刚性差， 强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保 证零件的加工质量。可利用数控车床髙加工精度及高生产效率的 特点，并充分地考虑工艺问题对零件加工质量的影响，为此对工 件的装夹、刀具几何参数、程序的编制等方面进行试验，有效 地克服薄壁零件加工过程中出现的变形，保证了加工精度，为今 后更好的加工薄壁零件提供了好的依据及借鉴。无论用什么形式加工零件，首先都必须从查看零件图开始。 由图看见该薄壁零件加工,容易产生变形，这里不仅装夹不方便, 而且所要加工的部位也那难以加工，需要设计一专用薄壁套管、 护轴。15 / 25机电一体化在数控机

25、床中 应用图3-13.2工艺分析根据图纸提供的技术要求，工件采用无缝钢管进行加工，内 孔和外壁的表面粗糙度为1.6,用车削即可达到。但内孔的圆柱 度为0.03对于薄壁零件来讲要求比较髙，在批量生产中，工艺 路线大致为：下料一热处理一车端面一车外圆一车内孔一质检前面所述，薄壁件加工特点得知“内孔加工”工序是质量控 制的关键。我们抛开外圆，薄壁套管就内孔切削就难保证0.03 的圆柱，经过我们多次加工和实验，采用刀具新磨法，较好地解 决了这一问题材。3.3车孔的关键技术车孔的关键技术是解决内孔车刀的刚性和排屑问题。增加内孔车 刀的刚性，我采取了以下措施：(1) 尽量增加刀柄的截面积，通常内孔车刀的刀

26、尖位于刀柄 的上面，这样刀柄的截面积较少，还不到孔截面积的1/4,如图图3-2图3-3若使内孔车刀的刀尖位于刀柄的中心线上，那么刀柄在孔中的截 面积可大大地增加，（2）刀柄伸出长度尽能做到同加工工件长度长5-8,以增加车刀刀柄刚性，减小切削过程中的振动。3.4解决排屑问题主要控制切削流出方向，粗车刀要求切屑流向待加工表面（前排屑）为此。采用正刃倾角的内孔车刀，精车时，要求切屑流向向心倾前排屑（孔心排屑）因此磨刀 时要注意切削刃的磨削方向，要向前沿倾圆弧的排屑方法，如图 4精车刀合金用6,目前的M类型，它的抗弯强度、耐磨、冲击 韧度以及及钢的抗粘和温度都较好。图34刃磨时前角磨以圆以圆弧状角度1

27、0-15后角根据加工圆弧 离壁0.5-0.8(刀具底线顺弧度)如图4切削刃角k向为 0.5-1 为沿切屑刃图4E点；修光刃为R1-1.5副后角磨成7-8为适 图4E内刃的点磨成圆向外排屑。3.5加工方法(1) 加工前必须要做一件护轴；护轴主要目的：是把车好的薄 壁套内孔以原尺寸套住，用前后顶尖固定使它在不变形的情况下 加工外圆，保持外圆加工质量、精度。所以，护轴的加工对加工 薄壁套管的工序是关键环节。加工护轴毛胚用45#碳结构圆钢；车端面、开两头B型顶 尖孔，粗车外圆，留余量1。经热处理调质定形、再精车留0.2 余量研磨。重新热处理碎火表面，硬度50,再经外圆磨床磨成 如图5所示，精度达要求，完工后待用。图3-5(2) 为能使工件一次性加工完毕，毛胚留