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I 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 設(shè)計(jì)題目：320mm 的數(shù)控車(chē)床總體設(shè)計(jì)及液壓尾座設(shè)計(jì) 學(xué) 生 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 繼 續(xù) 教 育 學(xué) 院 二零一二年九月 II 摘 要 數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、 批量、零件多變的問(wèn)題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。 本文的主要內(nèi)容有： 1介紹數(shù)控車(chē)床數(shù)控化設(shè)計(jì)的目的意義及設(shè)計(jì)的必要性； 2.對(duì) 320mm 數(shù)控車(chē)床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)詳細(xì)論證，確定數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)方案； 3.設(shè)計(jì)液壓尾座； 4.繪出相應(yīng)的裝備圖； 5給出數(shù)控車(chē)床的安裝、調(diào)試方法。 關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床，數(shù)控，設(shè)計(jì) III 目 錄 第 1 章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述.1 1.1 數(shù)控機(jī)床 .1 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) .1 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)史 .1 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi) .2 1.1.4 數(shù)控機(jī)床的組成 .5 1.1.5 數(shù)控機(jī)床的數(shù)字控制 .6 1.1.6 數(shù)控機(jī)床的伺服機(jī)構(gòu) .6 1.1.7 數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵零部件 .7 1.1.8 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 .7 1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 .11 1.2.1 工藝范圍 .11 1.2.2 加工精度 .11 1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 .12 1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向 .14 第 2 章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較.15 2.1 總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容 .15 2.1.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 .15 2.1.2 伺服系統(tǒng)的選擇 .16 2.1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 .16 2.1.4 計(jì)算機(jī)的選擇 .16 2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 .17 2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 .17 2.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) .17 2.2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 .17 第 3 章 液壓尾座總體設(shè)計(jì).17 3.1 液壓尾座研究背景和意義 .17 3.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 .18 IV 3.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容 .21 3.4 尾座的整體設(shè)計(jì) .21 第 4 章 尾座各部分的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).23 4.1 尾座體的設(shè)計(jì) .23 4.2 尾座主軸的設(shè)計(jì) .24 4.3 尾座頂尖的設(shè)計(jì) .24 4.4 螺塞缸的設(shè)計(jì) .25 4.5 尾座導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) .25 4.6 尾座孔系設(shè)計(jì) .26 4.6.1 主軸孔的設(shè)計(jì) .26 4.6.2 孔和鍵的設(shè)計(jì) .27 4.6.3 配合 .27 4.6.4 密封及偏心軸的設(shè)計(jì) .28 4.7 撓度、轉(zhuǎn)角、鎖緊力的計(jì)算及校核 .28 4.7.1 撓度的計(jì)算 .29 4.7.2 轉(zhuǎn)角的計(jì)算 .29 4.7.3 壓板處螺栓的選擇及校核 .29 第 5 章 尾座精度的確定.31 5.1 表面粗糙度的確定 .31 5.2 尾座與機(jī)床形位公差的確定 .31 5.3 底面及立導(dǎo)向面形位公差的確定 .32 第 6 章 數(shù)控硬件電路設(shè)計(jì).33 6.1 硬件電路設(shè)計(jì) .33 6.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) .33 6.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 .33 6.2 關(guān)于各線路元件之間線路連接 .34 6.3 關(guān)于電路原理圖的一些說(shuō)明 .35 總 結(jié).38 參考文獻(xiàn).39 V 致 謝.40 1 第 1 章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 1.1 數(shù)控機(jī)床 數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息（程序指令） ，控制刀具按給定的工作程 序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令；加工 性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻 繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車(chē)床、車(chē)床、鏜床、 鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、一次裝卡進(jìn) 行多工序加工的加工中心、車(chē)削中心等。 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)史 1948 年，美國(guó)帕森斯公司接受美國(guó)空軍委托，研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓樣板的加 工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出計(jì) 算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想。1949 年，該公司在美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）伺服機(jī)構(gòu)研究室 的協(xié)助下，開(kāi)始數(shù)控機(jī)床研究，并于 1952 年試制成功第一臺(tái)由大型仿形車(chē)床改裝而成 的三坐標(biāo)數(shù)控車(chē)床，不久即開(kāi)始正式生產(chǎn)，于 1957 年正式投入使用。這是制造技術(shù)發(fā) 展過(guò)程中的一個(gè)重大突破，標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時(shí)代的開(kāi)始。數(shù)控加工是現(xiàn)代 制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對(duì)于制造行業(yè)而言，具有劃時(shí)代的意義和深遠(yuǎn)的影響。世 界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。 當(dāng)時(shí)的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價(jià)格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有 特殊需要的部門(mén)用來(lái)加工復(fù)雜型面零件；1959 年，制成了晶體管元件和印刷電路板， 使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960 年以后，較為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì) 的點(diǎn)位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控車(chē)床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè) 各部門(mén)逐步獲得推廣。我國(guó)于 1958 年開(kāi)始研制數(shù)控機(jī)床，成功試制出配有電子管數(shù)控 系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，1965 年開(kāi)始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標(biāo)數(shù)控車(chē)床。 1965 年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠 2 性提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60 年代末，先后出現(xiàn) 了由一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制多臺(tái)機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 DNC） ，又稱群控系統(tǒng)；采 用小型計(jì)算機(jī)控制的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 CNC）,使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計(jì)算機(jī)化 為特征的第四代。 1974 年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（簡(jiǎn)稱 MNC） ，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴(kuò)大了一倍，而 體積則縮小為原來(lái)的 1/20，價(jià)格降低了 3/4，可靠性也得到極大的提高。 80 年代初，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話式自動(dòng)編制 程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化 程度進(jìn)一步提高，具有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損和自動(dòng)檢測(cè)工件等功能。 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi) 數(shù)控機(jī)床的品種很多，根據(jù)其加工、控制原理、功能和組成，可以從以下幾個(gè)不 同的角度進(jìn)行分類(lèi)。 一、按加工工藝方法分類(lèi) 1金屬切削類(lèi)數(shù)控機(jī)床 與傳統(tǒng)的車(chē)、銑、鉆、磨、齒輪加工相對(duì)應(yīng)的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車(chē)床、數(shù)控車(chē)床、 數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床等。盡管這些數(shù)控機(jī)床在加工工藝方法上存 在很大差別，具體的控制方式也各不相同，但機(jī)床的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)都是數(shù)字化控制的， 具有較高的生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度。 在數(shù)控?cái)?shù)控機(jī)床加裝一個(gè)刀庫(kù)和換刀裝置就成為數(shù)控加工中心機(jī)床。加工中心機(jī) 床進(jìn)一步提高了數(shù)控?cái)?shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。例如銑、鏜、鉆加工中心， 它是在數(shù)控車(chē)床基礎(chǔ)上增加了一個(gè)容量較大的刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置形成的，工件一次 裝夾后，可以對(duì)箱體零件的四面甚至五面大部分加工工序進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)、 鉸以 及攻螺紋等多工序加工，特別適合箱體類(lèi)零件的加工。加工中心機(jī)床可以有效地避免 由于工件多次安裝造成的定位誤差，減少了機(jī)床的臺(tái)數(shù)和占地面積，縮短了 輔助時(shí)間， 大大提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。 2特種加工類(lèi)數(shù)控機(jī)床 除了切削加工數(shù)控機(jī)床以外，數(shù)控技術(shù)也大量用于數(shù)控電火花線切割機(jī)床、數(shù)控 電火花成型機(jī)床、數(shù)控等離子弧切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床以及數(shù)控激光加工機(jī)床 3 等。 3板材加工類(lèi)數(shù)控機(jī)床 常見(jiàn)的應(yīng)用于金屬板材加工的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控剪板機(jī)和數(shù)控折彎?rùn)C(jī) 等。 近年來(lái)，其它機(jī)械設(shè)備中也大量采用了數(shù)控技術(shù)，如數(shù)控多坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、自動(dòng)繪 圖機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等。 二、按控制運(yùn)動(dòng)軌跡分類(lèi) 1點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是機(jī)床移動(dòng)部件只能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精 確定位，在移動(dòng)和定位過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)只控制行程終點(diǎn)的坐標(biāo) 值，不控制點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此幾個(gè)坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)無(wú)任何聯(lián)系?？梢詭?個(gè)坐標(biāo)同時(shí)向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，也可以各個(gè)坐標(biāo)單獨(dú)依次運(yùn)動(dòng)。 這類(lèi)數(shù)控機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)等。點(diǎn)位 控制數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位數(shù)控裝置。 2直線控制數(shù)控機(jī)床 直線控制數(shù)控機(jī)床可控制刀具或工作臺(tái)以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給速度，沿著平行于坐標(biāo)軸的 方向進(jìn)行直線移動(dòng)和切削加工，進(jìn)給速度根據(jù)切削條件可在一定范圍內(nèi)變化。 直線控制的簡(jiǎn)易數(shù)控車(chē)床，只有兩個(gè)坐標(biāo)軸，可加工階梯軸。直線控制的數(shù)控車(chē) 床，有三個(gè)坐標(biāo)軸，可用于平面的銑削加工?，F(xiàn)代組合機(jī)床采用數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)， 驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭帶有多軸箱的軸向進(jìn)給進(jìn)行鉆鏜加工，它也可算是一種直線控制數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控鏜車(chē)床、加工中心等機(jī)床，它的各個(gè)坐標(biāo)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度能在一定范 圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，兼有點(diǎn)位和直線控制加工的功能，這類(lèi)機(jī)床應(yīng)該稱為點(diǎn)位/直線控制的 數(shù)控機(jī)床。 3輪廓控制數(shù)控機(jī)床 輪廓控制數(shù)控機(jī)床能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)的位移及速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制， 使合成的平面或空間的運(yùn)動(dòng)軌跡能滿足零件輪廓的要求。它不僅能控制機(jī)床移動(dòng)部件 的起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)，而且能控制整個(gè)加工輪廓每一點(diǎn)的速度和位移，將工件加工成要 求的輪廓形狀。 4 常用的數(shù)控車(chē)床、數(shù)控車(chē)床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機(jī)床。數(shù)控火焰 切割機(jī)、電火花加工機(jī)床以及數(shù)控繪圖機(jī)等也采用了輪廓控制系統(tǒng)。輪廓控制系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)要比點(diǎn)位/直線控系統(tǒng)更為復(fù)雜，在加工過(guò)程中需要不斷進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，然后進(jìn)行 相應(yīng)的速度與位移控制。 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的控制功能均由軟件實(shí)現(xiàn)，增加輪廓控制功能不會(huì)帶來(lái)成本 的增加。因此，除少數(shù)專(zhuān)用控制系統(tǒng)外，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置都具有輪廓控制功能。 三、按驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)分類(lèi) 1開(kāi)環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 這類(lèi)控制的數(shù)控機(jī)床是其控制系統(tǒng)沒(méi)有位置檢測(cè)元件，伺服驅(qū)動(dòng)部件通常為反應(yīng) 式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或混合式伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)進(jìn)給指令，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路 功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再經(jīng)過(guò)齒輪減速裝置帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，通過(guò) 絲杠螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線位移。移動(dòng)部件的移動(dòng)速度與位移量是由輸 入脈 沖的頻率與脈沖數(shù)所決定的。此類(lèi)數(shù)控機(jī)床的信息流是單向的，即進(jìn)給脈沖發(fā)出去后， 實(shí)際移動(dòng)值不再反饋回來(lái)，所以稱為開(kāi)環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。但是，系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)部件的實(shí)際位 移量不進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也不能進(jìn)行誤差校正。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步、步距角誤差、齒 輪與絲杠等傳動(dòng)誤差都將影響被加工零件的精度。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)僅適用于加工精度要 求不很高的中小型數(shù)控機(jī)床，特別是簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 2閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床是在機(jī)床移動(dòng)部件上直接安裝直線位移檢測(cè)裝置，直接對(duì)工作 臺(tái)的實(shí)際位移進(jìn)行檢測(cè)，將測(cè)量的實(shí)際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移 值進(jìn)行比較，用差值對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件按照實(shí)際需要的位移量運(yùn)動(dòng)，最終 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)部件的精確運(yùn)動(dòng)和定位。從理論上講，閉環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度主要取決于 檢測(cè) 裝置的檢測(cè)精度，也與傳動(dòng)鏈的誤差無(wú)關(guān)，因此其控制精度高。圖 1-3 所示的為閉環(huán) 控制數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)框圖。圖中 A 為速度傳感器、 C 為直線位移傳感器。當(dāng)位移指令 值發(fā)送到位置比較電路時(shí)，若工作臺(tái)沒(méi)有移動(dòng)，則沒(méi)有反饋量，指令值使得伺服電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò) A 將速度反饋信號(hào)送到速度控制電路，通過(guò) C 將工作臺(tái)實(shí)際位移量反饋 回去，在位置比較電路中與位移指令值相比較，用比較后得到的差值進(jìn)行位置控制， 直至差值為零時(shí)為止。這類(lèi)控制的數(shù)控機(jī)床，因把機(jī)床工作臺(tái)納入了控制環(huán)節(jié)，故稱 5 為閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。 閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的定位精度高，但調(diào)試和維修都較困難，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。 3半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床是在伺服電動(dòng)機(jī)的軸或數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)絲杠上裝有角位移電 流檢測(cè)裝置（如光電編碼器等） ，通過(guò)檢測(cè)絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測(cè)移動(dòng)部件的實(shí)際位移， 然后反饋到數(shù)控裝置中去，并對(duì)誤差進(jìn)行修正。圖 1-4 所示的為半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 的系統(tǒng)框圖。圖中速度傳感器、角度傳感器。通過(guò)測(cè)速元件 A 和光電編碼盤(pán) B 可 間接檢測(cè)出伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而推算出工作臺(tái)的實(shí)際位移量，將此值與指令值進(jìn) 行比較，用差值來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。由于工作臺(tái)沒(méi)有包括在控制回路中，因而稱為半閉環(huán)控 制數(shù)控機(jī)床。 半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度 檢測(cè)裝置和伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成一體，這樣，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。 4混合控制數(shù)控機(jī)床 將以上三類(lèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，就形成了混合控制數(shù)控機(jī)床?；旌峡刂茢?shù) 控機(jī)床特別適用于大型或重型數(shù)控機(jī)床，因?yàn)榇笮突蛑匦蛿?shù)控機(jī)床需要較高的進(jìn)給速 度與相當(dāng)高的精度，其傳動(dòng)鏈慣量與力矩大，如果只采用全閉環(huán)控制，機(jī)床傳動(dòng)鏈和 工作臺(tái)全部置于控制閉環(huán)中，閉環(huán)調(diào)試比較復(fù)雜?；旌峡刂葡到y(tǒng)又分為兩種形 式： （1）開(kāi)環(huán)補(bǔ)償型。圖 1-5 為開(kāi)環(huán)補(bǔ)償型控制方式。它的基本控制選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，另外附加一個(gè)校正電路。用裝在工作臺(tái)的直線位移測(cè)量元件的反饋 信號(hào)校正機(jī)械系統(tǒng)的誤差。 （2）半閉環(huán)補(bǔ)償型。圖 1-6 為半閉環(huán)補(bǔ)償型控制方式。它是用半閉環(huán)控制方式取 得高精度控制，再用裝在工作臺(tái)上的直線位移測(cè)量元件實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速 度與高精度的統(tǒng)一。其中是速度測(cè)量元件（如測(cè)速發(fā)電機(jī)） ，B 是角度測(cè)量元件，C 是直線位移測(cè)量元件。 1.1.4 數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng) 組成。控制系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算、管理和控制，通過(guò)輸入介質(zhì)得到數(shù)據(jù)，對(duì)這些 數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和運(yùn)算并對(duì)機(jī)床產(chǎn)生作用；伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)機(jī)床，把 來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)指令，使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代 6 碼規(guī)定的運(yùn)動(dòng)；檢測(cè)系統(tǒng)則是用來(lái)檢測(cè)機(jī)床執(zhí)行件(工作臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)、滑板等)的位移和速 度變化量，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到輸入端，與輸入指令進(jìn)行比較，根據(jù)其差別調(diào)整機(jī)床 運(yùn)動(dòng)；機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)是由進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)元件至機(jī)床執(zhí)行件之間的機(jī)械進(jìn)給傳動(dòng)裝置； 輔助系統(tǒng)種類(lèi)繁多，如：固定循環(huán)(能進(jìn)行各種多次重復(fù)加工)、自動(dòng)換刀(可交換指定 刀具)、傳動(dòng)間隙補(bǔ)償償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙誤差)等等。 1.1.5 數(shù)控機(jī)床的數(shù)字控制 數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運(yùn)算部分、控制部分 和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實(shí)現(xiàn)的控制功能分為點(diǎn)位控制、直線控制、連續(xù)軌跡 控制三類(lèi)。 點(diǎn)位控制是只控制刀具或工作臺(tái)從一點(diǎn)移至另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，然后進(jìn)行定點(diǎn)加 工，而點(diǎn)與點(diǎn)之間的路徑不需控制。采用這類(lèi)控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐 標(biāo)鏜床等。 直線控制是除控制直線軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)的準(zhǔn)確定位外，還要控制在這兩點(diǎn)之間 以指定的進(jìn)給速度進(jìn)行直線切削。采用這類(lèi)控制的有平面銑削用的數(shù)控車(chē)床，以及階 梯軸車(chē)削和磨削用的數(shù)控車(chē)床和數(shù)控磨床等。 連續(xù)軌跡控制（或稱輪廓控制）能夠連續(xù)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)方向的聯(lián)合運(yùn) 動(dòng)。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算的功能， 使刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)速度， 以便在切削過(guò)程中始終保持規(guī)定的進(jìn)給速度。采用這類(lèi)控制的有能加工曲面用的數(shù)控 車(chē)床、數(shù)控車(chē)床、數(shù)控磨床和加工中心等。 1.1.6 數(shù)控機(jī)床的伺服機(jī)構(gòu) 伺服機(jī)構(gòu)分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種類(lèi)型。開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線 路，和步進(jìn)電機(jī)組成。每一脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，通過(guò)滾珠絲杠推動(dòng) 工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。這種伺服機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度 和速度的提高受到限制。 半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達(dá)、速度檢測(cè)器和位置檢 測(cè)器組成。位置檢測(cè)器裝在絲杠或伺服馬達(dá)的端部，利用絲杠的回轉(zhuǎn)角度間接測(cè)出工 作臺(tái)的位置。常用的伺服馬達(dá)有寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)、寬調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)和電液伺服馬 7 達(dá)。位置檢測(cè)器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá) 到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床所采用。 閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)相同，只是位置檢測(cè)器安裝在 工作臺(tái)上，可直接測(cè)出工作臺(tái)的實(shí)際位置，故反饋精度高于半閉環(huán)控制，但掌握調(diào)試 的難度較大，常用于高精度和大型數(shù)控機(jī)床。閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)所用伺服馬達(dá)與半閉環(huán)相 同，位置檢測(cè)器則用長(zhǎng)光柵、長(zhǎng)感應(yīng)同步器或長(zhǎng)磁柵。 1.1.7 數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵零部件 為了保證機(jī)床具有很大的工藝適應(yīng)性能和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)的特點(diǎn)是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī) 械傳動(dòng)鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無(wú)間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。機(jī)床采 用塑料減摩導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，以提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性并使低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不出現(xiàn) 爬行現(xiàn)象。 由于采用了寬調(diào)速的進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)和寬調(diào)速的主軸電動(dòng)機(jī)，可以不用或少用齒 輪傳動(dòng)和齒輪變速，這就簡(jiǎn)化了機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)床布局便于排屑和工件裝卸，部 分?jǐn)?shù)控機(jī)床帶有自動(dòng)排屑器和自動(dòng)工件交換裝置。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用具有微處理器 的可編程序控制器，以代替強(qiáng)電柜中大量的繼電器，提高了機(jī)床強(qiáng)電控制的可靠性和 靈活性。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益 趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本 身將普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。 1.1.8 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 未來(lái)數(shù)控機(jī)床的類(lèi)型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來(lái)越多； 激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機(jī) 床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè)柔性制造單元，更加 便于納入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中。 數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功 能引起世人矚目，它開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，成為先進(jìn)制造技術(shù)中 的一項(xiàng)核心技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進(jìn)為數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件。當(dāng)前， 8 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展主要體現(xiàn)為以下幾方面： 1 高速、高效 機(jī)床向高速化方向發(fā)展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可 提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本 生產(chǎn)有廣泛的適用性。20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)應(yīng)用新一代高 速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速 15000 100000r/min） 、高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（快移速度 60120m/min，切削進(jìn) 給速度高達(dá) 60m/min） 、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破， 達(dá)到了新的技術(shù)水平。隨著超高速切削機(jī)理、超硬耐磨長(zhǎng)壽命刀具材料和磨料磨具， 大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控 系統(tǒng)）和防護(hù)裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，為開(kāi)發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控 機(jī)床提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，在超高速加工中，車(chē)削和銑削的切削速度已達(dá)到 50008000m/min 以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在 30000 轉(zhuǎn)/分（有的高達(dá) 10 萬(wàn) r/min）以上；工作 臺(tái)的移動(dòng)速度（進(jìn)給速度）：在分辨率為 1 微米時(shí)，在 100m/min（有的到 200m/min） 以上，在分辨率為 0.1 m 時(shí)，在 24m/min 以上；自動(dòng)換刀速度在 1 秒以 內(nèi)；小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到 12m/min。 2 高精度 從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)致力發(fā)展的方向。其精度從微 米級(jí)到亞微米級(jí)，乃至納米級(jí)（#lt;10nm） ，其應(yīng)用范圍日趨廣泛。當(dāng)前，在機(jī)械加工 高精度的要求下，數(shù)控級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10 m 提高到5 m；精密級(jí)加工中 心的加工精度則從35 m，提高到11.5 m，甚至更高；超精密加工精度進(jìn)入納米 級(jí)（0.001m） ，主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到 0.010.05 m，加工圓度為 0.1m，加工表面粗糙 度 Ra=0.003 微米等。這些機(jī)床一般都采用矢量控制的變頻驅(qū)動(dòng)電主軸（電機(jī)與主軸一 體化） ，主軸徑向跳動(dòng)小于 2 m，軸向竄動(dòng)小于 1 m，軸系不平衡度達(dá)到 G0.4 級(jí)。高速 高精加工機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主要有#quot;回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)加精密高速滾珠絲杠#quot;和 #quot;直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)#quot;兩種類(lèi)型。此外，新興的并聯(lián)機(jī)床也易于實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給。 滾珠絲杠由于工藝成熟，應(yīng)用廣泛，不僅精度能達(dá)到較高（ISO34081 級(jí)） ，而且實(shí)現(xiàn) 高速化的成本也相對(duì)較低，所以迄今仍為許多高速加工機(jī)床所采用。當(dāng)前使用滾珠絲 杠驅(qū)動(dòng)的高速加工機(jī)床最大移動(dòng)速度 90m/min，加速度 1.5g。滾珠絲杠屬機(jī)械傳動(dòng)， 9 在傳動(dòng)過(guò)程中不可避免存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)地造成運(yùn)動(dòng)滯后和其它 非線性誤差，為了排除這些誤差對(duì)加工精度的影響，1993 年開(kāi)始在機(jī)床上應(yīng)用直線電 機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，由于是沒(méi)有中間環(huán)節(jié)的#quot;零傳動(dòng)#quot;，不僅運(yùn)動(dòng)慣量小、系統(tǒng)剛度 大、響應(yīng)快，可以達(dá)到很高的速度和加速度，而且其行程長(zhǎng)度理論上不受限制，定位 精度在高精度位置反饋系統(tǒng)的作用下也易達(dá)到較高水平，是高速高精加工機(jī)床特別是 中、大型機(jī)床較理想的驅(qū)動(dòng)方式。目前使用直線電機(jī)的高速高精加工機(jī)床最大快移速 度已達(dá) 208 m/min，加速度 2g，并且還有發(fā)展余地。 3 高可靠性 隨著數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商 和數(shù)控機(jī)床制造商追求的目標(biāo)。對(duì)于每天工作兩班的無(wú)人工廠而言，如果要求在 16 小 時(shí)內(nèi)連續(xù)正常工作，無(wú)故障率在 P（t） 99%以上，則數(shù)控機(jī)床的平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí) 間 MTBF 就必須大于 3000 小時(shí)。我們只對(duì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，如主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的 失效率之比為 10:1（數(shù)控的可靠比主機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí)） 。此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的 MTBF 就要 大于 33333.3 小時(shí)，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動(dòng)等的 MTBF 就必須大于 10 萬(wàn)小 時(shí)。當(dāng)前國(guó)外數(shù)控裝置的 MTBF 值已達(dá) 6000 小時(shí)以上，驅(qū)動(dòng)裝置達(dá) 30000 小時(shí)以上， 但是，可以看到距理想的目標(biāo)還有差距。 4 復(fù)合化 在零件加工過(guò)程中有大量的無(wú)用時(shí)間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、換刀 和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無(wú)用時(shí)間，人們希望將不同的加工功能整 合在同一臺(tái)機(jī)床上，因此，復(fù)合功能的機(jī)床成為近年來(lái)發(fā)展很快的機(jī)種。柔性制造范 疇的機(jī)床復(fù)合加工概念是指將工件一次裝夾后，機(jī)床便能按照數(shù)控加工程序，自動(dòng)進(jìn) 行同一類(lèi)工藝方法或不同類(lèi)工藝方法的多工序加工，以完成一個(gè)復(fù)雜形狀零件的主要 乃至全部車(chē)、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種加工工序。就棱體類(lèi)零件而 言，加工中心便是最典型的進(jìn)行同一類(lèi)工藝方法多工序復(fù)合加工的機(jī)床。事實(shí)證明， 機(jī)床復(fù)合加工能提高加工精度和加工效率，節(jié)省占地面積特別是能縮短零件的加工周 期。 5 多軸化 隨著 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的普及，5 軸聯(lián)動(dòng)控制的加工中心和數(shù)控車(chē)床 已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，由于在加工自由曲面時(shí)，5 軸聯(lián)動(dòng)控制對(duì)球頭銑刀的 10 數(shù)控編程比較簡(jiǎn)單，并且能使球頭銑刀在銑削 3 維曲面的過(guò)程中始終保持合理的切速， 從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在 3 軸聯(lián)動(dòng)控制的機(jī)床無(wú) 法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削，因此，5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床以其無(wú)可替代的 性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為各大機(jī)床廠家積極開(kāi)發(fā)和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。最近，國(guó)外還在研究 6 軸聯(lián) 動(dòng)控制使用非旋轉(zhuǎn)刀具的加工中心，雖然其加工形狀不受限制且切深可以很薄，但加 工效率太低一時(shí)尚難實(shí)用化。 6 智能化 智能化是 21 世紀(jì)制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、 模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工，它是要在加工過(guò)程中模擬人類(lèi)專(zhuān)家的智能 活動(dòng)，以解決加工過(guò)程許多不確定性的、要由人工干預(yù)才能解決的問(wèn)題。智能化的內(nèi) 容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應(yīng)控 制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電 機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作 的智能化，如智能化的自動(dòng)編程，智能化的人機(jī)界面等；智能診斷、智能監(jiān)控，方便 系統(tǒng)的診斷及維修等。世界上正在進(jìn)行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智 能化數(shù)控裝置研究會(huì)針對(duì)鉆削的智能加工方案具有代表性。 7 網(wǎng)絡(luò)化 數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化，主要指機(jī)床通過(guò)所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或 上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控機(jī)床一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和企業(yè)內(nèi)部的 局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂 Internet/Intranet 技術(shù)。隨著網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又稱#quot;e-制 造#quot;，是機(jī)械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，也是國(guó)際先進(jìn)機(jī)床制造商當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)配置 的供貨方式。隨著信息化技術(shù)的大量采用，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)用戶在進(jìn)口數(shù)控機(jī)床時(shí)要 求具有遠(yuǎn)程通訊服務(wù)等功能。機(jī)械制造企業(yè)在普遍采用 CAD/CAM 的基礎(chǔ)上，越加廣 泛地使用數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控應(yīng)用軟件日趨豐富和具有#quot;人性化#quot;。虛擬設(shè)計(jì)、 虛擬制造等高端技術(shù)也越來(lái)越多地為工程技術(shù)人員所追求。通過(guò)軟件智能替代復(fù)雜的 硬件，正在成為當(dāng)代機(jī)床發(fā)展的重要趨勢(shì)。在數(shù)字制造的目標(biāo)下，通過(guò)流程再造和信 息化設(shè)計(jì)，ERP 等一批先進(jìn)企業(yè)管理軟件已經(jīng)脫穎而出，為企業(yè)創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟(jì)效 益。 11 8 柔性化 數(shù)控機(jī)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是：從點(diǎn)（數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù) 合加工機(jī)床） 、線（FMC、 FMS、FTL、FML）向面（工段車(chē)間獨(dú)立制造島、FA） 、體 （CIMS 、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方 向發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng)態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是 各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可 靠性、實(shí)用化為提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)；注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開(kāi)拓、完善； CNC 單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方 便地與 CAD、CAM 、CAPP、MTS 聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開(kāi)放、集 成和智能化方向發(fā)展。 9 綠色化 21 世紀(jì)的金切機(jī)床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實(shí)現(xiàn)切削加工工藝的綠 色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因?yàn)榍邢饕杭任?染環(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進(jìn)行， 但也包括在特殊氣體氛圍中（氮?dú)庵?、冷風(fēng)中或采用干式靜電冷卻技術(shù)）不使用切削 液進(jìn)行的切削。不過(guò)，對(duì)于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目 前尚難與實(shí)際應(yīng)用，故又出現(xiàn)了使用極微量潤(rùn)滑（MQL ） 的準(zhǔn)干切削。目前在歐洲的 大批量機(jī)械加工中，已有 1015%的加工使用了干和準(zhǔn)干切削。對(duì)于面向多種加工方 法/工件組合的加工中心之類(lèi)的機(jī)床來(lái)說(shuō)，主要是采用準(zhǔn)干切削，通常是讓極微量的切 削油與壓縮空氣的混合物經(jīng)由機(jī)床主軸與工具內(nèi)的中空通道噴向切削區(qū)。在各類(lèi)金切 機(jī)床中，采用干切削最多的是滾齒機(jī)?？傊?，數(shù)控機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展為現(xiàn)代制造 業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使制造業(yè)向著高效、優(yōu)質(zhì)以及人性化的方向發(fā)展?？?以預(yù)見(jiàn)，隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，制造業(yè)將迎來(lái)一次足以撼 動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。 1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 1.2.1 工藝范圍 數(shù)控車(chē)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機(jī)床， 約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的 12 軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過(guò)程序控制自動(dòng)完成園柱面、圓錐面、圓弧 面和各種螺紋的切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等加工。 1.2.2 加工精度 由于數(shù)控車(chē)床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補(bǔ)功能，有些數(shù)控車(chē)床還具有 非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過(guò)程中具有自動(dòng)變速功能等特點(diǎn)，所以它的工藝范圍要比 數(shù)控車(chē)床要寬得多。 1.精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 由于數(shù)控車(chē)床剛性好，制造和對(duì)刀精度高，以及能方便和精確地進(jìn)行人工補(bǔ)償和 自動(dòng)補(bǔ)償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以車(chē)代磨。 2.表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 數(shù)控車(chē)床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線 速切削功能，就可選用最佳速度來(lái)切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小 又一致。數(shù)控車(chē)床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選 用較大的進(jìn)給量，要求小的部位選用小的進(jìn)給量。 3.輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件 由于數(shù)控車(chē)床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，部分車(chē)床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和 平面曲線插補(bǔ)功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零件。 4.帶特殊螺紋的回轉(zhuǎn)體零件 數(shù)控車(chē)床所能車(chē)削的螺紋類(lèi)型相當(dāng)有限，它只能車(chē)等導(dǎo)程的直、錐面公、英制螺 紋，而且一臺(tái)車(chē)床只能限定加工若干導(dǎo)程的螺紋。而數(shù)控車(chē)床不但能車(chē)削任何等導(dǎo)程 的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車(chē)變螺距螺紋，還可以車(chē)高精度螺紋。 1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 將數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)成數(shù)控機(jī)床, 是許多機(jī)械生產(chǎn)廠家在沒(méi)有大量資金投入的情況下所 走的設(shè)備技術(shù)設(shè)計(jì)之路 1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方案不同 1 得到的經(jīng)濟(jì)效益也不同 1 針 對(duì)常德紡織機(jī)械廠提出的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)的技措任務(wù), 結(jié)合其它廠家以往數(shù)控車(chē)床 設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn), 我們開(kāi)展了深入細(xì)致的調(diào)研工作, 特別是對(duì)沈陽(yáng)第一機(jī)床廠的數(shù)控車(chē) 床進(jìn)行了熟悉了解, 下面分析經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)的價(jià)值效益 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)方案初探 13 數(shù)控系統(tǒng)及電氣控制部份: 目前我國(guó)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的廠家有 70 余家, 知名 的有常州寶馬集團(tuán)公司 BKC2 系列, 北京航天數(shù)控集團(tuán), 南京大方數(shù)控公司 J WK 系列 及重慶巴山儀器廠 2385 系列等 1 這些廠家在研制數(shù)控系統(tǒng)時(shí)都從系統(tǒng)功能、可靠性、 操作宜人性等方面作了大量工作,克服了單板機(jī) TP - 801(Z80)系統(tǒng)的缺點(diǎn),從而促進(jìn)了我 國(guó)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展,為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ) 1 沈 陽(yáng)一機(jī)廠在研制 CAK - 6150 時(shí)選用了多家系統(tǒng), 經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)考驗(yàn)、篩選, 最 后選用了重慶巴山儀器廠 2385 - IT 系統(tǒng) 1 該系統(tǒng)性能較好, 可靠性高, 具有細(xì)分?jǐn)夭ㄏ?進(jìn)技術(shù), 有良好的性價(jià)比 1 步進(jìn)電機(jī)選擇了華中理工大學(xué)試驗(yàn)工廠產(chǎn)品, 切削扭矩大, 這方面是值得我們借鑒的 1 機(jī)床電氣控制還需考慮: 主軸馬達(dá)啟停、變速控制、轉(zhuǎn)塔刀 架、冷卻泵等控制 1 保證機(jī)床可靠性, 此處不可忽視, 須有一定的投入 1212主軸系統(tǒng): 一般經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)主軸系統(tǒng)是較困難的或根本不加設(shè)計(jì), 這勢(shì)必影響機(jī)床主軸速 度控制的自動(dòng)化程度, 并且復(fù)雜工藝零件加工的適應(yīng)性差, 這是不可取的 1 常紡機(jī)廠車(chē) 床設(shè)計(jì)可以考慮以下兩種方案: (1) 按沈陽(yáng)一機(jī)廠方案, 即保留一級(jí)手柄三檔變速操作, 另加每檔位四檔自動(dòng)變速, 用系統(tǒng) S 指令控制, 即 S1S4, 加上手動(dòng)共 34 = 12 級(jí)主 軸速度, 如此設(shè)計(jì)需增加雙速電機(jī)一臺(tái) 615/ 8 KW , 電磁離合器兩只, 機(jī)械結(jié)構(gòu)也需作 部分設(shè)計(jì) 1 (2) 選用變頻器控制主軸速度 , 原機(jī)床主軸電機(jī)保留, 主軸手動(dòng)變速取消 1 可以考慮高低檔齒輪變速, 通過(guò)電磁閥啟動(dòng)切換, 全部變速系統(tǒng) S 指令控制, 但數(shù)控系 統(tǒng)需選用南京大方公司 J WK - 21T 數(shù)控系統(tǒng), 具有 12 級(jí) S 指令, 此方案主軸變速自動(dòng) 化程度更高, 但費(fèi)用也相應(yīng)高些, 若典型加工零件四檔自動(dòng)變速可以滿足工藝要求, 則 考慮方案(1) 性價(jià)比更高些 1213進(jìn)給系統(tǒng): 對(duì)于數(shù)控機(jī)床, 進(jìn)給系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的 1 它直接影響機(jī)床的定位精度以及零件的加工精度,除了數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)的有效保證 外, 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的合理選擇和設(shè)計(jì)不容忽視 1 首先是螺旋傳動(dòng), 數(shù)控車(chē)床采用數(shù)控絲 桿, 主要缺點(diǎn)是精度差, 間隙小, 且傳動(dòng)機(jī)械效率低, 一般僅為 g = 50 %左右, 即使用于 精度要求不高的機(jī)床也容易造成步進(jìn)電機(jī)丟步或機(jī)械爬行 1 因此, 必須采用滾珠絲桿, 其特點(diǎn)是: 傳動(dòng)效率高 g = 90 %以上, 反向間隙小, 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn), 傳動(dòng)精度高且保持性好, 壽命長(zhǎng), 但設(shè)計(jì)成本也要增加, 一味追求數(shù)控化而忽視數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)械的要求, 是很不 合理的 1 其次機(jī)床導(dǎo)軌也不可忽視, 對(duì)原機(jī)床導(dǎo)軌要進(jìn)行檢查, 對(duì)磨損部位通過(guò)磨削, 配研予以修復(fù) 1 為了減少摩擦力、振動(dòng)以及爬行, 增加機(jī)床精度保持性, 可考慮床鞍貼 塑即 TSF 軟帶 1 最后還須考慮絲桿預(yù)拉伸、軸承座、聯(lián)軸節(jié)等機(jī)械結(jié)合件的設(shè)計(jì)制造 14 以盡可能減少它們對(duì)機(jī)械精度的影響 1214自動(dòng)轉(zhuǎn)塔刀架: 一般來(lái)說(shuō)自行設(shè)計(jì)制造轉(zhuǎn) 塔刀架是可以做到的, 但其結(jié)構(gòu)的合理性, 加工工藝、安裝精度是難以與專(zhuān)業(yè)廠家相比 的 1 為了提高機(jī)床可靠性, 外購(gòu)專(zhuān)業(yè)廠家產(chǎn)品很有必要, 如煙臺(tái)機(jī)床附件廠、瓦房店機(jī) 床附件廠的產(chǎn)品 13設(shè)計(jì)車(chē)床與成品數(shù)控車(chē)床的比較 311機(jī)床性能: 在選用相同數(shù)控 系統(tǒng)和參照 CAK - 6150 進(jìn)行設(shè)計(jì), 可以說(shuō)機(jī)床性能將不會(huì)有很大差異 1312機(jī)床結(jié)構(gòu) 及外觀: 由于 CAK - 6150 是按數(shù)控機(jī)床要求設(shè)計(jì), 因此結(jié)構(gòu)合理性超過(guò)設(shè)計(jì)車(chē)床, 其外 觀美也是設(shè)計(jì)機(jī)床無(wú)法達(dá)到的 1313機(jī)床精度: 由于一般廠家加工設(shè)備及工藝手段無(wú) 法與專(zhuān)業(yè)廠家相比, 加之員工素質(zhì)的影響, 在剛性、動(dòng)靜摩擦力等諸多方面, 設(shè)計(jì)的環(huán) 節(jié)將可能影響機(jī)床精度, 想要達(dá)到加工 IT6 級(jí)的零件, 還有一定距離 1314機(jī)床可靠 性: 沈陽(yáng)一機(jī)廠經(jīng)三年時(shí)間研制開(kāi)發(fā), 且又經(jīng)過(guò)兩年多時(shí)間廠內(nèi)使用, 投入了相當(dāng)?shù)娜?力、物力, 不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題, 使 CAK - 6150 達(dá)到了一定的可靠性 1 他們也有 過(guò)慘痛教訓(xùn), 就是用 BS03 系統(tǒng)改進(jìn) 100 臺(tái)數(shù)控車(chē)床 , 由于可靠性差, 除少數(shù)幾臺(tái)還在 使用外, 其余全部報(bào)廢或改為數(shù)控車(chē)床, 非常類(lèi)似我廠的情況 1 雖然我們現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識(shí) 到可靠性的重要, 也有一定的措施和把握, 但與沈陽(yáng)一機(jī)廠相比, 無(wú)論是技術(shù)素質(zhì)上以 及投入的人力、物力上均有天壤之別, 因此可靠性無(wú)法與之相比 1315經(jīng)濟(jì)性: 按 CAK - 6150 的檔次進(jìn)行設(shè)計(jì), 需外購(gòu)的裝置及部件有: (1) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)及伺服裝置, 估價(jià) 115 萬(wàn)元2 萬(wàn)元 (2) 主軸雙速電機(jī) 615/ 8 KW 一臺(tái), 估價(jià) 0115 萬(wàn)元012 萬(wàn)元 (3) 滾珠絲桿兩根 , 估價(jià) 0135 萬(wàn)元 (4) 電磁離合器兩只 , 估價(jià) 0105 萬(wàn)元 (5) 轉(zhuǎn)塔刀架四工位 AKZ11504 型, 估價(jià) 013 萬(wàn)元015 萬(wàn)元 (6) 電氣控制柜設(shè)計(jì)安裝 , 估價(jià) 013 萬(wàn)元 另外, 自制機(jī)械零部件, 安裝、調(diào)試、差旅費(fèi)等估計(jì) 018 萬(wàn)元, 以上各項(xiàng)總計(jì) 4 萬(wàn) 元左右, 原數(shù)控車(chē)床 CA6140 以 82 年產(chǎn)品估價(jià) 4 萬(wàn)元, 則設(shè)計(jì)后機(jī)床價(jià)值 8 萬(wàn)元左右 1 而沈陽(yáng)一機(jī) CAK - 6150 型報(bào)價(jià) 10 萬(wàn)元, 與設(shè)計(jì)相比, 價(jià)值基本接近 1 4 結(jié)論 經(jīng)濟(jì)型數(shù)據(jù)控車(chē)床設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)各廠的具體情況, 典型零件的加工工藝及精度要求, 批量大小, 決定進(jìn)行設(shè)計(jì)的程度 1 設(shè)計(jì)的程度越高 , 機(jī)床性能越好, 加工零件的適應(yīng)性 15 越強(qiáng), 所花費(fèi)的設(shè)計(jì)費(fèi)用也就越大, 若要求設(shè)計(jì)車(chē)床的性能接近和達(dá)到 CAK - 6150 層 次, 則設(shè)計(jì)從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看意義并不太大, 從機(jī)床可靠性方面來(lái)看更是得不償失。 1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向 4 月 19 日從第七屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展獲悉，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的發(fā) 展也越來(lái)越快，數(shù)控機(jī)床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向 發(fā)展。 高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強(qiáng)，數(shù)控機(jī)床也實(shí)現(xiàn)多臺(tái)集中控制，甚至遠(yuǎn) 距離遙控。高精度：數(shù)控機(jī)床本身的精度和加工件的精度越來(lái)越高，而精度的保持性 要好。高速度：數(shù)控機(jī)床各軸運(yùn)行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控機(jī)床的柔性化將 向自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應(yīng)輔機(jī)集成柔性制造系統(tǒng)。模塊 化：數(shù)控機(jī)床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商 又有利于客戶。 我國(guó)近幾年數(shù)控機(jī)床雖然發(fā)展較快，但與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定的 差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，應(yīng)變能力差。為了縮 小與世界先進(jìn)水平的差距，有關(guān)專(zhuān)家建議機(jī)床企業(yè)應(yīng)在以下 6 個(gè)方面著力研究： 1加大力度實(shí)施質(zhì)量工程，提高數(shù)控機(jī)床的無(wú)故障率。 2跟蹤國(guó)際水平，使數(shù)控機(jī)床向高效高精方面發(fā)展。 3加大成套設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力上求突破。 4發(fā)揮服務(wù)優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。 5多品種制造，滿足不同層次的用戶。 6模塊化設(shè)計(jì)，縮短 開(kāi)發(fā)周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)。 數(shù)控機(jī)床使用范圍越來(lái)越大， 國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)容量也越來(lái)越大，但競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)加劇，我們只有緊跟先進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的大方 向，并不斷創(chuàng)新，才能趕超世界先進(jìn)水平。 第 2 章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選 擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 2.1.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)和點(diǎn)位/直線控制系 16 統(tǒng)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。例如，數(shù)控 鉆床，在工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中鉆頭并不進(jìn)行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點(diǎn)位控制方 式。對(duì)于點(diǎn)位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 連續(xù)控制系統(tǒng)要求工作臺(tái)和刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，能夠控制 刀具沿任意直線或曲線運(yùn)動(dòng)，控制每一個(gè)軸的位置和速度，使得各個(gè)軸同步協(xié)調(diào)到達(dá) 目標(biāo)點(diǎn)。連續(xù)控制系統(tǒng)不僅控制目標(biāo)點(diǎn)，而且控制刀具到達(dá)這些目標(biāo)點(diǎn)的整個(gè)路徑， 使刀具始終接觸工件并制造出希望的形狀，所以具有連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床可以加 工各種外形輪廓復(fù)雜的零件，故而連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)或仿型系統(tǒng)。在 點(diǎn)位控制系統(tǒng)中不具有連續(xù)控制系統(tǒng)中所具有的軌跡計(jì)算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻 具有點(diǎn)位系統(tǒng)的功能。例如，數(shù)控車(chē)床、數(shù)控車(chē)床等。 點(diǎn)位-直線系統(tǒng)，不但要求工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)坐標(biāo)，還要求工作臺(tái)沿坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)過(guò) 程中切削工作，進(jìn)行簡(jiǎn)單的車(chē)削和銑削作業(yè)。其控制方法與點(diǎn)位系統(tǒng)十分相似，故有 時(shí)也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點(diǎn)位控制系統(tǒng)。例如，數(shù)控鏜車(chē)床等。 2.1.2 伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可以分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，沒(méi)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)是單方向傳送的。指 令發(fā)出后，不再反饋回來(lái)，故稱為開(kāi)環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開(kāi) 環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單。目前國(guó)內(nèi)大力 發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件，用來(lái)檢測(cè)實(shí)際位移量， 能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流伺服 電機(jī)驅(qū)動(dòng)。但閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場(chǎng)合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位移半閉環(huán)控制系統(tǒng) 與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位移量，而是檢測(cè)元件測(cè)出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角， 再間接推算出工作臺(tái)實(shí)際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng) 之間。 2.1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 為確定數(shù)控系統(tǒng)傳動(dòng)精度和工件平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩 17 擦、低慣量、高剛度、無(wú)間隙、高諧振以及適當(dāng)?shù)淖枘岜纫?。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下 幾點(diǎn)： 盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。例如，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、 貼塑導(dǎo)軌等。 盡量消除傳動(dòng)間隙。例如，采用消隙齒輪等。 提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度、減小傳動(dòng)鏈誤差。也可以 用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如，采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)絲杠副等。 2.1.4 計(jì)算機(jī)的選擇 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由 CPU、存儲(chǔ)擴(kuò)展電路、I/O 接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電 路等組成。 2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于設(shè)計(jì)后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順圓插補(bǔ)、逆圓插補(bǔ)、暫 停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型 數(shù)控機(jī)床加工精度不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本容易調(diào)試和維護(hù)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床 應(yīng)選用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求采用 8 位微機(jī)。由于 MCS-51 系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、 功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用 MCS-51 系列的 80C31 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)、顯示器，I/O 接口及光隔離電路，步進(jìn)電機(jī)功率放大 電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示 加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 2.2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)給絲杠。為保證一 定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，應(yīng)盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)為提高傳動(dòng) 剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 18 第 3 章 液壓尾座總體設(shè)計(jì) 3.1 液壓尾座研究背景和意義 從 20 世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)革命性的變化，近 年來(lái)，由于液壓技術(shù)廣泛應(yīng)用了高技術(shù)成果，如自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子 技術(shù)、磨練磨損技術(shù)、可靠性技術(shù)及新工藝和新材料，使傳統(tǒng)技術(shù)有了新的發(fā)展，也 使液壓系統(tǒng)和元件的質(zhì)量、水平有一定的提高。液壓傳動(dòng)技術(shù)在數(shù)控自動(dòng)化機(jī)床上的 應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，而且也為機(jī)床工業(yè)的自動(dòng)化程度的提高上起到了重要的力量。盡 管如此，走向二十一世紀(jì)的液壓技術(shù)不可能有驚人的技術(shù)突破，應(yīng)當(dāng)主要靠現(xiàn)有技術(shù) 的改進(jìn)和擴(kuò)展，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域以滿足未來(lái)的要求。液壓傳動(dòng)是以流體作為工作 介質(zhì)對(duì)能量進(jìn)行傳動(dòng)和控制的一種傳動(dòng)形式。利用有壓的液體經(jīng)由一些機(jī)件控制之后 來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。相對(duì)于電力拖動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)而言，液壓傳動(dòng)具有輸出力大，重量 輕，慣性小，調(diào)速方便以及易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械，建筑機(jī)械和 機(jī)床等設(shè)備上。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界各主要國(guó)家液壓工業(yè)銷(xiāo)售額占機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值的 2%3.5%，而我國(guó)只 占 1%左右，這充分說(shuō)明我國(guó)液壓技術(shù)使用率較低，努力擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，將有廣闊的 發(fā)展前景。液壓氣動(dòng)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如:液壓技術(shù)具有功率重量比大，體積小， 頻響高，壓力、流量可控性好，可柔性傳送動(dòng)力，易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)；氣動(dòng)傳動(dòng) 具有節(jié)能、無(wú)污染、低成本、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，并易與微電子、電氣技術(shù) 相結(jié)合，形成自動(dòng)控制系統(tǒng)。因此，液壓氣動(dòng)技術(shù)廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)。但是近 年來(lái)，液壓氣動(dòng)技術(shù)面臨與機(jī)械傳動(dòng)和電氣傳動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)，如：數(shù)控機(jī)床、中小型塑機(jī) 已采用電控伺服系統(tǒng)取代或部分取代液壓傳動(dòng)。其主要原因是液壓技術(shù)存在滲漏、維 護(hù)性差等缺點(diǎn)。為此，必須努力發(fā)揮液壓氣動(dòng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，注意和電子技 術(shù)相結(jié)合，不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)降低能耗，提高效率，適應(yīng)環(huán)保需求，提高可靠 性，這些都是液壓氣動(dòng)技術(shù)繼續(xù)努力的永恒目標(biāo)，也是液壓氣動(dòng)產(chǎn)品參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)是 否取勝的關(guān)鍵。 今天，為了和最新技術(shù)的發(fā)展保持同步，液壓技術(shù)必須不斷發(fā)展，不斷提高和改 19 進(jìn)元件和系統(tǒng)的性能，以滿足日益變化的市場(chǎng)需求。與世界上主要的工業(yè)國(guó)家相比， 我國(guó)的液壓工業(yè)還是相當(dāng)落后的，標(biāo)準(zhǔn)化的工作有待于繼續(xù)做好，優(yōu)質(zhì)化的工作須形 成聲勢(shì)，智能化的工作則剛剛在準(zhǔn)備起步，為此必須急起直追，才能迎頭趕上?？梢?預(yù)見(jiàn)，為滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，液壓技術(shù)也將繼續(xù)獲得飛速的發(fā)展，它在各個(gè)部門(mén) 中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 在這樣一種背景下，我的課題選擇為數(shù)控臥式車(chē)床 320MM 液壓尾座的設(shè)計(jì)，用 以提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度及降低企業(yè)成本。此外，力求完成課 題之余，熟悉國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及液壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),增強(qiáng)對(duì)如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn) 業(yè)的感性認(rèn)識(shí)。 3.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 液壓傳動(dòng)相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，是一門(mén)新興的技術(shù)。液壓技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)， 如:功率重量比大；可以實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)級(jí)變速；體積??；頻響高；壓力、流量可控性 好；可柔性傳送動(dòng)力；易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)；并易與微電子、電氣技術(shù)相結(jié)合，形 成自動(dòng)控制系統(tǒng) 4?；谝陨弦幌盗袃?yōu)點(diǎn)，液壓技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)床、工程機(jī)械、 農(nóng)業(yè)機(jī)械和其它國(guó)民經(jīng)濟(jì)方面。 以數(shù)控機(jī)床為代表的數(shù)控設(shè)備的生產(chǎn)與應(yīng)用水平反映了一個(gè)國(guó)家的機(jī)械與電子工 業(yè)水平 6。它的推廣應(yīng)用對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改變我國(guó)制造技術(shù)落后的狀 況起著極為重要的作用。液壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制與機(jī)電液一體的關(guān)鍵技術(shù)之一，世 界各國(guó)對(duì)液壓工業(yè)的發(fā)展都給予很大重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界各主要國(guó)家液壓工業(yè)銷(xiāo)售額 占機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值的 2%-3.5%，而我國(guó)只占 1%左右，這充分說(shuō)明我國(guó)液壓技術(shù)使用率較 低，努力擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，將有廣闊的發(fā)展前景。首先我們看下面的表格可清楚的看 出國(guó)內(nèi)國(guó)外液壓技術(shù)發(fā)展的狀況。 表 3.1 國(guó)內(nèi)外液壓發(fā)展方向 國(guó) 外 國(guó) 內(nèi) 高集成化、高功率、高密度 高性能、高質(zhì)量、高可靠性、系統(tǒng) 成套 機(jī)電一體化集成元件和系統(tǒng) 低能耗、低噪聲、低振動(dòng)、 智能化自動(dòng)控制元件和系統(tǒng) 集成化、輕小型微型、多樣化 20 水基介質(zhì)傳動(dòng)與控制技術(shù) 機(jī)電一體化 液壓產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢(shì): 1、減少損耗，充分利用能量 液壓技術(shù)在將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能及反轉(zhuǎn)換過(guò)程中，總存在能量損耗。為減少能 量的損失，必須解決下面幾個(gè)問(wèn)題：減少元件和系統(tǒng)的內(nèi)部壓力損失，以減少功率損 失；減少或消除系統(tǒng)的節(jié)流損失，盡量減少非安全需要的溢流量；采用靜壓技術(shù)和新 型密封材料，減少摩擦損失；改善液壓系統(tǒng)性能，采用負(fù)荷傳感系統(tǒng)、二次調(diào)節(jié)系統(tǒng) 和蓄能器回路。 2、泄漏控制 泄漏控制包括：防止液體泄漏到外部造成環(huán)境污染和外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的侵害兩個(gè) 方面。今后，將發(fā)展無(wú)泄漏元件和系統(tǒng)，如發(fā)展集成化和復(fù)合化的元件和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) 無(wú)管連接，研制新型密封和無(wú)泄漏管接頭，電機(jī)油泵組合裝置等。無(wú)泄漏將是世界液 壓界今后努力的重要方向之一。 3、污染控制 過(guò)去，液壓行業(yè)主要致力于控制固體顆粒的污染，而對(duì)水、空氣等的污染控制往 往不夠重視，今后應(yīng)重視并解決。嚴(yán)格控制產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的污染，發(fā)展封閉式系統(tǒng)， 防止外部污染物侵入系統(tǒng)；應(yīng)改進(jìn)元件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使之具有更大的耐污染能力。同 時(shí)開(kāi)發(fā)耐污染能力強(qiáng)的高效濾材和過(guò)濾器。研究對(duì)污染的在線測(cè)量；開(kāi)發(fā)油水分離凈 化裝置和分離元件，以及開(kāi)發(fā)能清除油中的氣體、水分、化學(xué)物質(zhì)和微生物的過(guò)濾元 件及檢測(cè)裝置。 4、主動(dòng)維護(hù) 開(kāi)展液壓系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維護(hù)技術(shù)。必須使液壓系統(tǒng)故障診斷現(xiàn)代化， 加強(qiáng)專(zhuān)家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，建立完整的、具有學(xué)習(xí)功能的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，并利用計(jì)算機(jī) 和知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，推算出引起故障的原因，提出維修方案和預(yù)防措施。 5、機(jī)電液一體化 機(jī)電液一體化可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)柔性化、智能化，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)動(dòng)力大、慣性 小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，其主要發(fā)展方向如下：液壓系統(tǒng)將有過(guò)去的電液系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)比例 控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向閉環(huán)比例伺服系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)壓力、流量、位置、溫度、速度等傳感器實(shí) 現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化；提高液壓元件性能，在性能、可靠性、智能化等方面更適應(yīng)機(jī)電液一體化 21 需求，發(fā)展與計(jì)算機(jī)直接接口的高頻，低功耗的電磁電控元件；液壓系統(tǒng)的流量、壓 力、溫度、油污染度等數(shù)值將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和診斷；電子直接控制元件將得到廣泛采 用，如電控液壓泵，可實(shí)現(xiàn)液壓泵的各種調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、合理分配功率、自 動(dòng)保護(hù)等；借助現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)高水平信息系統(tǒng)，簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、爭(zhēng)端和維護(hù)。 6、液