毕业论文
题目:机电一体化在数控机床中的应用
年 级 2012级 专 业 学 号 学生姓名 指导教师
2015 年 3月学 院
摘 要
机电一体化发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术及电力电子技术，根据系统功能目标要求，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。迄今为止，世界各国都在大力推广机电一体化技术[1]。因此，作为一种典型的机电一体化产品，数控机床得到了广泛应用，其技术范围覆盖很多领域:（1）机械制造技术；
（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。于此同时，机电一体化技术在机床领域的发展空间也越来越广阔。
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 ............................................................. 1
1.1.1 机床结构 . ...................................................... 1
1.2工作原理 ............................................................. 3
1.3数控车床的分类 ....................................................... 3
1.4数控车床的性能指标 ................................................... 3
1.5数控车床的特点 ....................................................... 5
第二章 数控车床编程与操作 ............................. 7
2.1数控车床概述 ......................................................... 7
2.1.1数控车床的组成 ................................................. 7
2.1.2数控车床的机械构成 ............................................. 7
2.1.3数控系统 ....................................................... 8
2.1.4数控车床的特点 ................................................. 8
2.1.5数控车床的分类 ................................................. 9
2.1.6数控车床（CJK6153）的主要技术规格。 ............................ 9
2.1.7数控车床（CJK6153）的润滑与冷却 ................................ 9
2.2数控车床的编程方法 .................................................. 10
2.2.1设定数控车床的机床坐标系 ...................................... 10
第三章 数控车床加工工艺分析 .......................... 11
3.1零件图样分析 ........................................................ 11
3.2工艺分析 ............................................................ 11
3.3车孔的关键技术 ...................................................... 12
3.4解决排屑问题 ........................................................ 12
3.5加工方法 ............................................................ 13
第四章 当前数控机床技术发展趋势 ......................... 15
4.1是精密加工技术有所突破 .............................................. 15
4.2是技术集成和技术复合趋势明显 ........................................ 15
第五章 结语 ............................................ 16
参考文献 ................................................ 17
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、CNC 装置（或称CNC 单元）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC 及电气控制装置、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。
图1-1机床机构
⑴机床本体
数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、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。
⑵CNC 单元
CNC 单元是数控机床的核心，CNC 单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。CNC 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、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。
⑶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DNC 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，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。
⑷伺服单元
伺服单元由驱动器、驱动电机组成，并与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。
⑸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，CNC 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机床的重要组成部分。
⑹可编程控制器
可编程控制器 (PC，Programmable Controller) 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( PLC， Programmable Logic Controller)。当PLC 用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器( PMC ， Programmable Machine Controller ) 。PLC 己成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC 和PLC 协调配合，共同完成对数控机床的控制。
⑺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CNC 装置，供CNC 装置与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，实现刀具与工件的相对运动，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。
⑴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。 ⑵按运动方式分类
①点位控制数控机床
②点位/直线控制数控机床
③连续控制数控机床
⑶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。
1.4数控车床的性能指标
⑴主要规格尺寸
数控车床主要有床身与刀架最大回转直径、最大车削长度、最大车削直径等。
⑵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高回转精度，主轴本身刚度与抗振性比较好。现在数控机床主轴普遍达到5000～10000r ／min 甚至更高的转速，对提高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：mm/min)，是衡量车床的重要性能指标之一。
⑶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10～30m ／min 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CNC 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(可以控制的最小位移增量) ，表示CNC 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、电动机每转脉冲数及机械传动链的传动比，其计算公式为
实际脉冲当量＝传动比 丝杠螺距
电动机每转脉冲数
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—，般为0.001mm ，简易数控机床的脉冲当量一般为0.01mm ，精密或超精密数控机床的脉冲当量一般为0.0001mm ，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。重复定位精度受伺服系统特性、进给传动环节的间隙与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0.001mm ，重复定位精度为 0.005mm 。
⑷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。加工中心刀库容量与换刀时间直接影响其生产率，换刀时间是指自动换刀系统，将主轴上的刀具与刀库刀具进行交换所需要的时间，换刀一般可在5～20s 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
与普通车床相比，数控车床具有以下几个特点：
⑴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NC 程序。
⑵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。
⑶效率高
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100m/min以上，最小分辨率达0.01um 。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高达90％，而普通机床仅为30％～50％。
⑷精度高
数控机床有较高的加工精度，一般在0.005mm ～0.1mm 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。
⑸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 数控车床编程与操作
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、铰孔等工作，而近年来研制出的数控车削中心和数控车铣中心，使得在一次装夹中可以完成更多得加工工序，提高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。
与普通车床所不同的是数控车床的进给系统与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NC 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。与普通车床所不同的是数控车床的进给系统与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CNC ，因此，数控车床要有CNC 装置电器. 控制和CRT 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。
(2)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高，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、高速度、更可靠的交流伺服
电机作为电机控制技术的发展成果越来越多地被人们利用起来。
(3)夹紧装置
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。
(5)刀架
此装置可以固定刀具和索引刀具，使刀具在与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CRT 操作面板（执行NC 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CNC 装置、输入/输出设备、可编程控制器（PLC ）、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 CNC系统构成
数控车床通过CNC 装置控制机床主轴转速、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
（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。伺服电机直接与丝杠联结带动刀架运动，伺服电机与丝杠也可以按控制指令无级变速，它与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）刚性高
与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珠丝杠副，
为了提高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置。
2.1.5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，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。
2.1.6数控车床（CJK6153）的主要技术规格。
床身最大工具回转直径：ф530mm 。滑板最大工件回转直径：ф280mm ，机床顶尖距1000mm ，刀架最大X 向行程：260mm ，刀架最大Z 向行程：1000mm 。手动4级变频调速25~2000转/分。
2.1.7数控车床（CJK6153）的润滑与冷却
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，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与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（或参考点，该点为与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：开关置于“回零”位置。按手动轴进给方向键+X、+Z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。可利用数控车床高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。
图3-1
3.2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Ra1.6，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
要求比较高，在批量生产中，工艺路线大致为：
下料—热处理—车端面—车外圆—车内孔—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0.03mm 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
1
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5-8mm ，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YA6, 目前的M
类型，它的抗弯强度、耐磨、冲击韧度以及与钢的抗粘和温度都较好。
图3-4
刃磨时前角磨以圆以圆弧状角度10-15°后角根据加工圆弧离壁0.5-0.8mm （刀具底线顺弧度）如图4.c 切削刃角k 向为§0.5-1为沿切屑刃图4B 点；修光刃为R1-1.5副后角磨成7-8°为适图4E 内刃的A-A 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1mm 。经热处理调质定形、再精车留0.2mm 余量研磨。重新热处理碎火表面，硬度HRC50，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，毛胚留夹位和切断余量。
（3）先把毛胚作热处理调质定形，硬度为HRC28-30（可加工范围的硬度）。
(4)车刀采用C620，首先把前顶尖放进主轴锥位固定，为防止夹薄壁套时的工件变形，增加一个开环厚套如图6
3-6 图
第四章 当前数控机床技术发展趋势
4.1精密加工技术有所突破
通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1µm，进入亚微米超精加工时代。
4.2技术集成和技术复合趋势明显
技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型——车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合——金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床——复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。
第五章 结语
制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本文在对数控技术和发展趋势的分析，对我国数控领域存在的问题进行研究的基础上。对基础数控加工工艺的介绍，数控车床技术上的指导，对数控车床再加工零件中的所遇到问题加以解释。在此基础上，研究了发展新型数控系统、数控机床整机的具体技术途径。
参考文献
[1] 张耀宗. 机械加工实用手册编写组. 机械工业出版社，1997
[2] 李军. 数控机床参考点的设定间. 制造技术与机床，1994
[3] 许镇宇. 机械零件. 北京：高等教育出版社,1983
[4] 孔庆复. 计算机辅助设计与制造. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994
[5] 雷宏，机械工程基础. 哈尔滨：黑龙江出版社2002
[6] 王中发. 实用机械设计。北京：北京理工大学出版社1998
[7] 唐宗军，机械制造基础。大连：机械工业出版社.1997
毕业论文
题目:机电一体化在数控机床中的应用
年 级 2012级 专 业 学 号 学生姓名 指导教师
2015 年 3月学 院
摘 要
机电一体化发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术及电力电子技术，根据系统功能目标要求，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。迄今为止，世界各国都在大力推广机电一体化技术[1]。因此，作为一种典型的机电一体化产品，数控机床得到了广泛应用，其技术范围覆盖很多领域:（1）机械制造技术；
（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。于此同时，机电一体化技术在机床领域的发展空间也越来越广阔。
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 ............................................................. 1
1.1.1 机床结构 . ...................................................... 1
1.2工作原理 ............................................................. 3
1.3数控车床的分类 ....................................................... 3
1.4数控车床的性能指标 ................................................... 3
1.5数控车床的特点 ....................................................... 5
第二章 数控车床编程与操作 ............................. 7
2.1数控车床概述 ......................................................... 7
2.1.1数控车床的组成 ................................................. 7
2.1.2数控车床的机械构成 ............................................. 7
2.1.3数控系统 ....................................................... 8
2.1.4数控车床的特点 ................................................. 8
2.1.5数控车床的分类 ................................................. 9
2.1.6数控车床（CJK6153）的主要技术规格。 ............................ 9
2.1.7数控车床（CJK6153）的润滑与冷却 ................................ 9
2.2数控车床的编程方法 .................................................. 10
2.2.1设定数控车床的机床坐标系 ...................................... 10
第三章 数控车床加工工艺分析 .......................... 11
3.1零件图样分析 ........................................................ 11
3.2工艺分析 ............................................................ 11
3.3车孔的关键技术 ...................................................... 12
3.4解决排屑问题 ........................................................ 12
3.5加工方法 ............................................................ 13
第四章 当前数控机床技术发展趋势 ......................... 15
4.1是精密加工技术有所突破 .............................................. 15
4.2是技术集成和技术复合趋势明显 ........................................ 15
第五章 结语 ............................................ 16
参考文献 ................................................ 17
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、CNC 装置（或称CNC 单元）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC 及电气控制装置、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。
图1-1机床机构
⑴机床本体
数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、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。
⑵CNC 单元
CNC 单元是数控机床的核心，CNC 单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。CNC 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、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。
⑶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DNC 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，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。
⑷伺服单元
伺服单元由驱动器、驱动电机组成，并与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。
⑸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，CNC 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机床的重要组成部分。
⑹可编程控制器
可编程控制器 (PC，Programmable Controller) 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( PLC， Programmable Logic Controller)。当PLC 用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器( PMC ， Programmable Machine Controller ) 。PLC 己成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC 和PLC 协调配合，共同完成对数控机床的控制。
⑺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CNC 装置，供CNC 装置与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，实现刀具与工件的相对运动，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。
⑴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。 ⑵按运动方式分类
①点位控制数控机床
②点位/直线控制数控机床
③连续控制数控机床
⑶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。
1.4数控车床的性能指标
⑴主要规格尺寸
数控车床主要有床身与刀架最大回转直径、最大车削长度、最大车削直径等。
⑵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高回转精度，主轴本身刚度与抗振性比较好。现在数控机床主轴普遍达到5000～10000r ／min 甚至更高的转速，对提高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：mm/min)，是衡量车床的重要性能指标之一。
⑶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10～30m ／min 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CNC 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(可以控制的最小位移增量) ，表示CNC 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、电动机每转脉冲数及机械传动链的传动比，其计算公式为
实际脉冲当量＝传动比 丝杠螺距
电动机每转脉冲数
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—，般为0.001mm ，简易数控机床的脉冲当量一般为0.01mm ，精密或超精密数控机床的脉冲当量一般为0.0001mm ，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。重复定位精度受伺服系统特性、进给传动环节的间隙与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0.001mm ，重复定位精度为 0.005mm 。
⑷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。加工中心刀库容量与换刀时间直接影响其生产率，换刀时间是指自动换刀系统，将主轴上的刀具与刀库刀具进行交换所需要的时间，换刀一般可在5～20s 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
与普通车床相比，数控车床具有以下几个特点：
⑴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NC 程序。
⑵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。
⑶效率高
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100m/min以上，最小分辨率达0.01um 。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高达90％，而普通机床仅为30％～50％。
⑷精度高
数控机床有较高的加工精度，一般在0.005mm ～0.1mm 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。
⑸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 数控车床编程与操作
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、铰孔等工作，而近年来研制出的数控车削中心和数控车铣中心，使得在一次装夹中可以完成更多得加工工序，提高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。
与普通车床所不同的是数控车床的进给系统与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NC 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。与普通车床所不同的是数控车床的进给系统与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CNC ，因此，数控车床要有CNC 装置电器. 控制和CRT 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。
(2)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高，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、高速度、更可靠的交流伺服
电机作为电机控制技术的发展成果越来越多地被人们利用起来。
(3)夹紧装置
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。
(5)刀架
此装置可以固定刀具和索引刀具，使刀具在与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CRT 操作面板（执行NC 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CNC 装置、输入/输出设备、可编程控制器（PLC ）、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 CNC系统构成
数控车床通过CNC 装置控制机床主轴转速、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
（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。伺服电机直接与丝杠联结带动刀架运动，伺服电机与丝杠也可以按控制指令无级变速，它与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）刚性高
与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珠丝杠副，
为了提高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置。
2.1.5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，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。
2.1.6数控车床（CJK6153）的主要技术规格。
床身最大工具回转直径：ф530mm 。滑板最大工件回转直径：ф280mm ，机床顶尖距1000mm ，刀架最大X 向行程：260mm ，刀架最大Z 向行程：1000mm 。手动4级变频调速25~2000转/分。
2.1.7数控车床（CJK6153）的润滑与冷却
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，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与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（或参考点，该点为与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：开关置于“回零”位置。按手动轴进给方向键+X、+Z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。可利用数控车床高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。
图3-1
3.2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Ra1.6，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
要求比较高，在批量生产中，工艺路线大致为：
下料—热处理—车端面—车外圆—车内孔—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0.03mm 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
1
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5-8mm ，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YA6, 目前的M
类型，它的抗弯强度、耐磨、冲击韧度以及与钢的抗粘和温度都较好。
图3-4
刃磨时前角磨以圆以圆弧状角度10-15°后角根据加工圆弧离壁0.5-0.8mm （刀具底线顺弧度）如图4.c 切削刃角k 向为§0.5-1为沿切屑刃图4B 点；修光刃为R1-1.5副后角磨成7-8°为适图4E 内刃的A-A 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1mm 。经热处理调质定形、再精车留0.2mm 余量研磨。重新热处理碎火表面，硬度HRC50，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，毛胚留夹位和切断余量。
（3）先把毛胚作热处理调质定形，硬度为HRC28-30（可加工范围的硬度）。
(4)车刀采用C620，首先把前顶尖放进主轴锥位固定，为防止夹薄壁套时的工件变形，增加一个开环厚套如图6
3-6 图
第四章 当前数控机床技术发展趋势
4.1精密加工技术有所突破
通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1µm，进入亚微米超精加工时代。
4.2技术集成和技术复合趋势明显
技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型——车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合——金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床——复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。
第五章 结语
制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本文在对数控技术和发展趋势的分析，对我国数控领域存在的问题进行研究的基础上。对基础数控加工工艺的介绍，数控车床技术上的指导，对数控车床再加工零件中的所遇到问题加以解释。在此基础上，研究了发展新型数控系统、数控机床整机的具体技术途径。
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