XK6132数控铣床总体及主运动传动系统设计【含CAD高清图纸和说明书】
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毕业设计(论文)XK6132数控铣床总体及主运动传动系统设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要针对现有常规XK6132数控铣床铣床的缺点提出数控设计方案和单片机系统设计,提高加工精度和扩大机床使用范围,并提高生产率。本论文说明了万能升降台铣床的数控化设计的设计过程,较详尽地介绍了XK6132数控铣床铣床机械设计部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理,由I/O接口输出步进脉冲,经一级齿轮传动减速后,带动滚动丝杠转动,从而实现垂直的进给运动。设计过程如下:(1)机械部分的设计,包括总体设计方案的确定和纵向进给方向的设计。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及垂直进给机构装配图方案的制定。(2)电气控制部分的设计,主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。关键词:数控,单片机,步进电机,滚珠丝杠,设计67ABSTRACTConventional existing XK6132 universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the disadvantages of the proposed scheme and design of a single chip microcomputer system, improve the processing precision and extend the machines usage, and to improve productivity. This paper illustrates the universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the design process, a more detailed description of the XK6132 universal lifting platform milling machine transformation part of the design and numerical control system design. Using 8031 as the CPU control system of signal processing by the I/O interface, and output the step pulse, through a gear reducer, drive the leading screw to roll, so as to realize the vertical movement of the feed.Reform process as follows: ( 1) the reformation of machine part, including the overall reconstruction scheme and vertical feed direction of reformation. Consisting mainly of ball screw pair and reaction stepper motor selection and calculation of vertical feeding mechanism assembly plan. ( 2) the electrical control design, including MCS-51 Series MCU and the expansion of the chip selection and electrical control diagram design.Keywords: numerical control ,single-chip ,stepping motor ,ball screw shaft ,reform 目 录目 录4第1章 数控机床发展概述11.1数控机床及其特点101.2数控机床的适用范围111.3 数控机床的工艺范围及加工精度111.3.1数控机床加工工艺分析111.3.2数控加工工艺的设计121.3.3分析加工工艺路线121.3.4编程原点的选择121.4 模拟仿真技术121.5 数控机床的精度影响及分析131.5.1 间隙误差的影响131.5.2度的反向误差控制141.6数控机床的经济分析151.6.1控制系统的选择161.6.2 选择设计对象要适宜171.6.3 机床的机械设计范围要适当171.6.4 辅助设计要合适181.7数控机床的发展趋向191.7.1 个性化的发展趋势191.7.2 个性化是市场适应性发展趋势201.7.3 开放性是体系结构的发展趋势20第2章 数控机床总体方案的制订及比较212.1 设计任务212.2 总体方案设计的内容212.2.1伺服驱动212.2.2数控装置222.2.3系统功能222.2.4采用环形分配器222.2.5采用滚珠丝杠螺母副22第3章 确定切削用量及选择刀具233.1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae243.2.进给量f 与进给速度Vf的选择263.3.切削速度Vc27第4章 传动系统图的设计计算304.1 参数的确定304.2 传动设计324.3转速图的拟定35第5章 主运动传动系统装配图和零件图的设计计算385.1 带轮传动部分的设计385.2 齿轮传动部分的设计425.3电磁离合器的选择475.4 轴的设计计算48第6章 硬件电路图的设计556.1微机控制系统组成及特点556.1.1微机控制系统的组成556.1.2微机数控系统的特点556.2微机控制系统设备介绍566.2.1主控制器CPU的选择566.2.2存储器电路的扩展576.2.3 I/O口电路的扩展586.2.4 步进电机驱动电路586.2.5其它辅助电路设计596.3程序部分60总结与展望64参考文献65致 谢66 第1章 数控机床发展概述数控机床发展史20世纪中期,随着电子技术的发展,自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现,给自动化技术带来了新的概念,用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制,推动了机床自动化的发展。 采用数字技术进行机械加工,最早是在40年代初,由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司(Parsons Corporation)实现的。他们在制造飞机的框架及直升飞机的转动机翼时,利用全数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理,并考虑到刀具直径对加工路线的影响,使得加工精度达到0.0381mm(0.0015in),达到了当时的最高水平。 1952年,麻省理工学院在一台立式铣床上,装上了一套试验性的数控系统,成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。 这台机床是一台试验性机床,到了1954年11月,在派尔逊斯专利的基础上,第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司(Bendix-Cooperation)正式生产出来。 在此以后,从1960年开始,其他一些工业国家,如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机床。 数控机床中最初出现并获得使用的是数控铣床,因为数控机床能够解决普通机床难于胜任的、需要进行轮廓加工的曲线或曲面零件。 然而,由于当时的数控系统采用的是电子管,体积庞大,功耗高,因此除了在军事部门使用外,在其他行业没有得到推广使用。 到了1960年以后,点位控制的数控机床得到了迅速的发展。因为点位控制的数控系统比起轮廓控制的数控系统要简单得多。因此,数控铣床、冲床、坐标镗床大量发展,据统计资料表明,到1966年实际使用的约6000台数控机床中,85%是点位控制的机床。 数控机床的发展中,值得一提的是加工中心。这是一种具有自动换刀装置的数控机床,它能实现工件一次装卡而进行多工序的加工。这种产品最初是在1959年3月,由美国卡耐;特雷克公司(Keaney & Trecker Corp.)开发出来的。这种机床在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具,根据穿孔带的指令自动选择刀具,并通过机械手将刀具装在主轴上,对工件进行加工。它可缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。加工中心现在已经成为数控机床中一种非常重要的品种,不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣类加工中心,还有用于回转整体零件加工的车削中心、磨削中心等。 1967年,英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统,这就是所谓的柔性制造系统(Flexible Manufacturing SystemFMS)之后,美、欧、日等也相继进行开发及应用。 1974年以后,随着微电子技术的迅速发展,微处理器直接用于数控机床,使数控的软件功能加强,发展成计算机数字控制机床(简称为CNC机床),进一步推动了数控机床的普及应用和大力发展。 80年代,国际上出现了14台加工中心或车削中心为主体,再配上工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造单元(Flexible Manufacturing CellFMC)。这种单元投资少,见效快,既可单独长时间少人看管运行,也可集成到FMS或更高级的集成制造系统中使用。目前,FMS也从切削加工向板材冷作、焊接、装配等领域扩展,从中小批量加工向大批量加工发展。 所以机床数控技术,被认为是现代机械自动化的基础技术。那什么是铣床呢?据资料所载,所谓铣床,是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在铣床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。铣床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件,是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。古代的铣床是靠手拉或脚踏,通过绳索使工件旋转,并手持刀具而进行切削的。1797年,英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的现代铣床,并于1800年采用交换齿轮,可改变进给速度和被加工螺纹的螺距。1817年,另一位英国人罗伯茨采用了四级带轮和背轮机构来改变主轴转速。 为了提高机械化自动化程度,1845年,美国的菲奇发明转塔铣床;1848年,美国又出现回轮铣床;1873年,美国的斯潘塞制成一台单轴自动铣床,不久他又制成三轴自动铣床;20世纪初出现了由单独电机驱动的带有齿轮变速箱的铣床。第一次世界大战后,由于军火、汽车和其他机械工业的需要,各种高效自动铣床和专门化铣床迅速发展。为了提高小批量工件的生产率,40年代末,带液压仿形装置的铣床得到推广,与此同时,多刀铣床也得到发展。50年代中,发展了带穿孔卡、插销板和拨码盘等的程序控制铣床。数控技术于60年代开始用于铣床,70年代后得到迅速发展。 铣床依用途和功能区分为多种类型。 普通铣床的加工对象广,主轴转速和进给量的调整范围大,能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。这种铣床主要由工人手工操作,生产效率低,适用于单件、小批生产和修配车间。 转塔铣床和回转铣床具有能装多把刀具的转塔刀架或回轮刀架,能在工件的一次装夹中由工人依次使用不同刀具完成多种工序,适用于成批生产。 自动铣床能按一定程序自动完成中小型工件的多工序加工,能自动上下料,重复加工一批同样的工件,适用于大批、大量生产。多刀半自动铣床有单轴、多轴、卧式和立式之分。单轴卧式的布局形式与普通铣床相似,但两组刀架分别装在主轴的前后或上下,用于加工盘、环和轴类工件,其生产率比普通铣床提高35倍。 仿形铣床能仿照样板或样件的形状尺寸,自动完成工件的加工循环,适用于形状较复杂的工件的小批和成批生产,生产率比普通铣床高1015倍。有多刀架、多轴、卡盘式、立式等类型立式铣床的主轴垂直于水平面,工件装夹在水平的回转工作台上,刀架在横粱或立柱上移动。适用于加工较大、较重、难于在普通铣床上安装的工件,一般分为单柱和双柱两大类。 铲齿铣床在车削的同时,刀架周期地作径向往复运动,用于铲车铣刀、滚刀等的成形齿面。通常带有铲磨附件,由单独电动机驱动的小砂轮铲磨齿面。 专门铣床是用于加工某类工件的特定表面的铣床,如曲轴铣床、凸轮轴铣床、车轮铣床、车轴铣床、轧辊铣床和钢锭铣床等。联合铣床主要用于车削加工,但附加一些特殊部件和附件后,还可进行镗、铣、钻、插、磨等加工,具有“一机多能”的特点,适用于工程车、船舶或移动修理站看机床的水平主要看金属切削机床,其他机床技术和复杂性不高,就是近几年很流行的电加工机床,也只是方法的改变,没什么复杂性和科技含量。我国的数控磨床水平不错,每年都有大量出口,因为它简单,基本属于劳动密集型。 金属加工主要是去除材料,得到想得到的金属形状。去除材料,主要靠车和铣,铣床发展为数控铣床,铣床发展为加工中心。高精度多轴机床,可以让复杂零件在精度和形状上一次到位,例如,飞机上的一个复杂零件,以前由很多种工人:车工、铣工、磨床工、画线工、热处理工用好几个月干,其中还有报废的,最新的复合数控机床几天甚至几个小时就全干好了,而且精度比你设计的还高。零件精度高就意味着寿命长,可靠性好。由普通发展到数控,一个人顶原来的十个,在精度上,更是没法说,适应性上,零件变了,换个程序就行。把人的因素也降为最低,以前在工厂,谁要时会车涡轮、蜗杆,没个10年8年的不行,要是谁掌握了,那牛得很。现在用数控设备,只要你会编程,把参数输进去就可以了,很简单,刚毕业的技校学生都会,而且批量的产品质量也有保证。自美国在50年代末搞出世界一台数控铣床后,机床制造业就进入了数控时代,中国在六十年代也搞出了第一代数控机床,但后来中国进入了什么年代,大家都知道。等80年代我们再去看世界的数控机床水平,差距就是20年了,其实奋起直追还有希望,但国营工厂不思进取,到了90年代,我们再去看世界水平,已有30年的差距了。中国改革开放前走的是苏联的路子,什么叫苏联的路子,举个例子来讲:比如,生产一根轴,苏联的方式是建一个专用生产线,用多台专用机床,好处是批量很容易上去,但一旦这根轴的参数发生了变化,这条线就报废了,生产人员也就没事做了。在19601980年代,国营工厂一个产品生产几十年不变样。到了1980年代后,当时搞商品经济,这些厂不能迅速适应市场,经营就困难了,到了90年代就大量破产,大量职工下岗。现代的生产也有大批量生产,但主要是单件小批量,不管是那种,只要你的设备是数控的,适应起来就快。专业机床的路子已经到头了, ;西方走的路和前苏联不一样,当年的“东芝”事件,就是日本东芝卖给苏联了几台五轴联动的数控铣床,让苏联在潜艇的推进螺旋桨上的制造,上了一个档次,让美国的声纳听不到潜艇声音了,所以美国要惩处东芝公司。由此也可见,前苏联的机床制造业也落后了,他们落后,我们就更不用说了。虽然,美国搞出了世界第一台数控机床,但数控机床的发展,还是要数德国。德国本来在机械方面就是世界第一,数控机床无非就是搞机电一体化,机械方面德国已没问题,剩下的就是电子系统方面,德国的电子系统工业本来就强大,所以在上世纪六、七十年代,德国就执机床界的牛耳了。但日本人的强项就是仿造,从上世纪70年代起,日本大量从德国引进技术,消化后大量仿造,经过努力,日本在90年代起,就超越了德国,成为世界第一大数控机床生产国,直到现在还是。他们在机床制造水平上,有一些也走在了世界前面,如在机床复合(一机多种功能)化方面,是世界第一。数控机床的核心就在数控系统方面,日本目前在系统方面也排世界第一,主要是它的发拿科公司。第一代的系统用步进电机,我们现在也能造,第二代用交流伺服电机。现在的数控系统的核心就是交流伺服电机和系统内的逻辑控制软件,交流伺服电机我们国家目前还没有谁能制造,这是一个光学、机械、电子的综合体。逻辑控制软件就是控制机床的各轴运动,而这些轴是用伺服电机驱动的,一般的系统能同时控制3轴,高级系统能控制五轴,能控5轴的,五轴以上也没问题。我们国家也由有5轴系统,但“做秀”的成份多,还没实用化。我们的工厂用的五轴和五轴以上机床,100进口。机床是一个国家制造业水平高低的象征,其核心就是数控系统。我们目前不要说系统,就是国内造的质量稍微好一点的数控机床,所用的高精度滚珠丝杠,轴承都是进口的,主要是买日本的,我们自产的滚珠丝杠、轴承在精度、寿命方面都有问题。目前国内的各大机床厂,数控系统100外购,各厂家一般都买日本发那科、三菱的系统,占80以上,也有德国西门子的系统,但比较少。德国西门子系统为什么用的少呢?早期,德国系统不太能适合我们的电网,我们的电网稳定性不够,西门子系统的电子伺服模块容易烧坏。日本就不同了,他们的系统就烧不坏。近来西门子系统改进了不少,价格方面还是略高。德国人很不重视中国,所以他们的系统汉语化最近才有,不像日本,老早就有汉语化版的。就国产高级数控机床而言,其利润的主体是被外国人拿走了,中国只是挣了一个辛苦钱。美国为什么没有能成为数控机床制造大国呢?这个和他们当时制定产业政策的人有关,再加上当时美国的劳动力贵,买比制造划算。机床属于投资大,见效慢,回报率底的产业,而且需要技术积累。不太附和美国情况。但后来美国发现,机床属于战略物资,没有它,飞机、大炮、坦克、军舰的制造都有问题,所以他们重新制定政策,扶植了一些机床厂,规定了一些单位只能买国产设备,就是贵也得买,这就为美国保留了一些数控机床行业。美国机床在世界上没有什么竞争力。欧洲的机床,除德国外,瑞士的也很好,要说超高精密机床,瑞士的相当好,但价格也是天价。一般用户用不起。意大利、英国、法国属于二流,中国很少买他们的机床。西班牙为了让中国进口他们的机床,不惜贷款给中国,但买的人也很少?借钱总是要还的。韩国、台湾的数控机床制造能力比大陆地区略强,不过水平差不多。他们也是在上世纪90年代引进日本技术发展的。韩国应该好一点,它有自己制造的、已经商业化了的数控系统,但进口到中国的机床,应我们的要求,也换成了日本系统。我们对他们的系统信不过。韩国数控机床主要有两家:大宇和现代。大宇目前在我国设有合资企业。台湾机床和我们大体一样,自己造机械部分,系统采购日本的。但他们的机床质量差,寿命短,目前在大陆影响很坏。其实他们比我们国产的要好一点。但我们自己的差,我们还能容忍,台湾的机床是用美金买来的,用的不好,那火就大了。台湾最主要的几家机床厂已打算把工厂迁往大陆,大部分都在上海。这些厂目前在国内的竞争中,也打着“国产”的旗号。近来随着中国的经济发展,也引起了世界一些主要机床厂商的注意,2000年,日本最大的机床制造商“马扎克”在中国银川设立了一家数控机床合资厂,据说制造水平相当高,号称“智能化、网络化”工厂,和世界同步。今年日本另外一家大机床厂大隈公司在北京设立了一家能年产1000台数控机床的控股公司,德国的一家很有名的企业也在上海设立了工厂。目前,国家制定了一些政策,鼓励国民使用国产数控机床,各厂家也在努力追赶。国内买机床最多的是军工企业,一个购买计划里,80是进口,国产机床满足不了需要。今后五年内,这个趋势不会改变。不过就目前国内的需要来讲,我国的数控机床目前能满足中低档产品的订货。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上,技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同,各有特点。 1.美国的数控发展史美国政府重视机床工业,美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费,且网罗世界人才,特别讲究“效率”和“创新”,注重基础科研。因而在机床技术上不断创新,如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求,充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线,而且电子、计算机技术在世界上领先,因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实,且一贯重视科研和创新,故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床,其存在的教训是,偏重於基础科研,忽视应用技术,且在上世纪80代政府一度放松了引导,致使数控机床产量增加缓慢,于1982年被后进的日本超过,并大量进口。从90年代起,纠正过去偏向,数控机床技术上转向实用,产量又逐渐上升。2.德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位,在多方面大力扶植。,於1956年研制出第一台数控机床后,德国特别注重科学试验,理论与实际相结合,基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作,对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究,在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件,在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统,均为世界闻名,竞相采用。3.日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视,通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国,在质量管理及数控机床技术上学习美国,甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后,1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台),至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台,出口27,409台,占59%)。战略上先仿后创,先生产量大而广的中档数控机床,大量出口,占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研,向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确,仿创结合,针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统,在技术上领先,在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人,科研人员超过600人,月产能力7,000套,销售额在世界市场上占50%,在国内约占70%,对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。4.我国的现状我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代, 中国于1958年研制出第一台数控机床,发展过程大致可分为两大阶段。在19581979年间为第一阶段,从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识,在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下,一哄而上又一哄而下,曾三起三落、终因表现欠佳,无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大,缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术,从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产,解决了可靠性、稳定性问题,数控机床开始正式生产和使用,并逐步向前发展。通过“六五”期间引进数控技术,“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”,我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年,我国数控产业发展迅速,19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此,进口机床的发展势头依然强劲,从2002年开始,中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国,2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元,国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显,70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力,究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势,充分认识国产数控机床的不足,努力发展先进技术,加大技术创新与培训服务力度,以缩短与发达国家之问的差距。 在20余年间,数控机床的设计和制造技术有较大提高,主要表现在三大方面:培训一批设计、制造、使用和维护的人才;通过合作生产先进数控机床,使设计、制造、使用水平大大提高,缩小了与世界先进技术的差距;通过利用国外先进元部件、数控系统配套,开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床,供应国内市场的需求,但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑,不能独立发展,基本上处于从仿制走向自行开发阶段,与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括:缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引;严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人;缺少深入系统的科研工作;元部件和数控系统不配套;企业和专业间缺乏合作,基本上孤军作战,虽然厂多人众,但形成不了合力。 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代,通过“六五”期间引进数控技术,“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”,我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年,我国数控产业发展迅速,19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此,进口机床的发展势头依然强劲,从2002年开始,中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国,2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元,国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显,70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力,究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势,充分认识国产数控机床的不足,努力发展先进技术,加大技术创新与培训服务力度,以缩短与发达国家之问的差距。2003年开始,中国就成了全球最大的机床消费国,也是世界上最大的数控机床进口国。目前正在提高机械加工设备的数控化率,1999年,我们国家机械加工设备数控华率是58,目前预计是1520之间。 一、 什么是数控机床 车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法,所谓机械加工,就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状,包含尺寸精度和几何精度两个方面。能完成以上功能的设备都称为机床,数控机床就是在普通机床上发展过来的,数控的意思就是数字控制。给机床装上数控系统后,机床就成了数控机床。当然,普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单,例如:从铣床发展到加工中心,机床结构发生变化,最主要的是加了刀库,大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。 我们一般所说的数控设备,主要是指数控铣床和加工中心。 我国目前各种门类的数控机床都能生产,水平参差不齐,有的是世界水平,有的比国外落后1015年,但如果国家支持,追赶起来也不是什么问题,例如:去年,沈阳机床集团收购了德国西思机床公司,意义很大,如果大力消化技术,可以缩短不少差距。大连机床公司也从德国引进了不少先进技术。上海一家企业购买日本著名的机床制造商池贝。, 近几年随着中国制造的崛起,欧洲不少企业倒闭或者被兼并,如马毫、斯滨纳等。日本经济不景气,有不少在80年代很出名的机床制造商倒闭,例如:新泻铁工所。 二、 数控设备的发展方向 六个方面:智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高,综合起来,德国的水平最高,日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言,我们应该能进世界前4名。 三、 数控系统由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是:日本发那客、德国西门子、日本三菱;其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。 华中数控这几年发展迅速,软件水平相当不错,但差就差在电器硬件上,故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军,但机床的硬件方面不行,质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。 我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。 1.1数控机床及其特点数控机床与普通机床的区别 数控机床对零件的加工过程,是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床,与普通机床相比,具有以下明显特点: 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工,因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制,排除人为误差,零件的加工一致性好,质量稳定可靠。 4. 高柔性 加工对象改变时,一般只需要更改数控程序,体现出很好的适应性,可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上,可以组成具有更高柔性的自动化制造系统FMS。 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量,生产率高,一般为普通机床的 35 倍,对某些复杂零件的加工,生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6. 劳动条件好 机床自动化程度高,操作人员劳动强度大大降低,工作环境较好。 7. 有利于管理现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展,为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大,使用费用高 9. 生产准备工作复杂 由于整个加工过程采用程序控制,数控加工的前期准备工作较为复杂,包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床是典型的机电一体化产品,技术含量高,对维修人员的技术要求很高。 1.2数控机床的适用范围由于数控机床的上述特点,适用于数控加工的零件有: 批量小而又多次重复生产的零件; 几何形状复杂的零件; 贵重零件加工; 需要全部检验的零件; 试制件。 对以上零件采用数控加工,才能最大限度地发挥出数控加工的优势。1.3 数控机床的工艺范围及加工精度数控机床综合了精密机械、电子、电力拖动、自动控制、自动检测、故障诊断和计算机等多方面的技术,是典型的高精度、高效率及高柔性的机电一体化产品,近年 来我国的数控机床技术正处在突飞猛进的阶段,在数控机床的使用过程中,加工工艺和精度分析对于机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响,本文结合笔者 多年的操作经验,研究了数控加工工艺的主要步骤和精度研究中容易出现的问题以及解决方法。1.3.1数控机床加工工艺分析数控机床是是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,其数控加工工艺以自动化和高速精密性为 主。高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势,近几年来,数控机床的在机械加工中的作用更为突出。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、 发展而不断创新的一种应用技术,所谓数控加工工艺就是用数控机床加工零件的一种工艺方法。随着我国数控机床用户的不断增加,数控加工工艺在应用的领域的重 要性日益突出,数控加工工艺以改善加工性能和提高加工效率为主要发展方向,并将二者融合到控制程序之中,运用自动化控制系统的规范处理方式,融合多种加工 方法,以达到工序集中的复合加工方式为目的,提供更高水平的加工技术,从而进一步推动数控技术在制造业中应用与发展。数控加工技术的地位如此重要就必须首 先了解数控加工工艺的主要特点和技术原则要求:(1) 数控加工的工艺内容要按照零件加工的要求进行工步细化,所以在进行施工的过程中必须要依据加工要求进行准确编程;(2) 数控加工工艺路线设计应合理,以保证数控机床的加工所产生的误差最小化;(3) 数控加工的工序相对集中,以提高加工效率,对于复杂的加工过程,需要进行必要的数控仿真技术支持。1.3.2数控加工工艺的设计数控机床有着高度的自动化特点,其加工工艺要依靠数控模块对设计好的程序进行实施,因此要求加工的工艺线路在规划时必须精准,同时要把握好加工程序的编 制,因为编程函盖了数控机床加工的重要内容,也是其工艺质量得以保证的重要指标。对于数控机床来说,必须先有合理有效的编程工艺路线设计,然后才能保证加 工工艺进程的完整。1.3.3分析加工工艺路线数控机床的加工工艺路线设计要考虑到具体的加工环节,尤其是对数控镗铣床的加工环节更要重视,要根据具体情况做出明确的分辨。在数控车、镗铣床或加工中心 上加工有同轴度要求的内、外圆柱面或端面与外圆、内孔有垂直度要求时,均应在一次装夹中完成。在数控镗铣床或加工中心上加工有孔与端面有垂直度要求或平面 与平面有位置精度要求时,应注意尽可能在一次装夹中完成。1.3.4编程原点的选择编程原点的设计基础和工艺基准尽量重合,避免产生尺寸链误差及不必要的尺寸换算。设定的编程原点应使工件容易找正,方便对刀,编程简便,有利于编程数值 的计算。对称零件的编程原点应选在零件的对称中心。在加工零件上的工件原点应容易准确的确定,尽可能使加工余量均匀。例如:以孔定位的零件,应以孔的中心 作为编程原点,对于一些形状不规则的零件,可在其基准面( 或线) 上选择编程原点,当加工路线呈封闭形式时,应在精度要求较高的表面选择编程原点( 或加工起始点)。1.4 模拟仿真技术智能化模拟仿真技术,可以通过对数控机床的加工工艺路线进行仿真模拟而得出适合加工的一种软件控制手段,结合运用成组技术可以提高数控加工编程效率。例 如:根据其外形结构、技术要求和加工方法的相似性,把零件分成若干组,在每一组零件中选出一个代表性零件( 它可以是实际存在的,也可以是假想的,但必须包括组内所有零件的加工要素),根据这个代表零件模拟出一套典型的工艺规程,选定和设计一组机床及工艺设备, 并把它们组成一个专门的加工设计,如果模拟仿真技术成功就只需要略微做一下调整,便可以进行加工生产。例如,运用奥匹兹分类方法拆分代号为12031 的零件结构,如图1 所示。该零件是一个回转体零件, 所以第一位数是1;一端有台阶,并有紧固螺纹,所以第二位数是2;无内孔,所以第三位数是0;需要加工键槽,所以第四位数是3;有四个轴向孔,与其他要素 无位置要求,所以第五位数是1。按成组方式来组织零件生产时,首先按照零件的结构特征、工艺特征以及加工设备的特征,将各种零件进行分组、归类与编码,然 后建立每类零件的典型图库和成组加工工艺库。1.5 数控机床的精度影响及分析数控机床的加工精度目前已经有了高速的发展,数控机床的加工精度已从原来的丝级(0.01mm) 提升到目前的微米级(0.001mm)。而超精密数控机床的微细切削和磨削加工,精度可稳定达到0.05m 左右,形状精度可达0.01m 左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级(0.001m)。可以说,数控机床的精度已经进入亚微米、纳米级超精加工时代。在这样高精密 度要求下,必须要把握数控机床的精度分析,保证不会出现由于操作问题而导致的精度误差。1.5.1 间隙误差的影响进给机构的机械传动机构由减速齿轮、连轴节、滚珠丝杠副及支承轴承组成。在这些机构的组成之中,如果出现一定的连接不稳定就会导致间隙的产生,产生的间隙 就会改变整体的加工环节误差。滚珠丝杠与螺母之间的间隙直接影响工作台的进给精度。设滚珠丝杠与螺母之间的间隙为SF,则反转时造成工作台进给误差 1=SF。不仅如此,丝杠螺母副的间隙还影响丝杠螺母副的刚度,进而影响工作台进给精度。针对这些误差问题必须要转变为自动化操作控制方式,在机械换向 时,对换向时间和换向方式做出改变。而对于滚珠丝杠与螺母之间间隙的消除方法,要重视对间隙的偏差测定,通过反复的间隙测量来确定出具体的偏差基数,要求 测出机床各轴的各项原始误差,比较成熟的测量方法是激光干涉仪,测量精度高。用双频激光干涉仪进行误差测量,需时间长,对操作人员调试水平要求高,主要是 对误差测量环境要求高,常用于三坐标测量机的检测,不适宜生产现场操作。相对误差分解、合成补偿法,测量方法相对简单,一次测量可获得整个圆周的数据信 息,同时可以满足机床精度的检测和机床评价。目前也有不少的误差分解的方法,由于机床情况各异,难以找到合适的通用数学模型进行误差分解,并且对测量结果 影响相同的原始误差项不能进行分解,也难以推广应用。测定之后要再将这种基数输入到程序控制之中,这样就可以最大限度地保证数控程序进行时的偏差数据最小 化,做到补偿适当。具体的补偿方法如下:(1) 备份CNC 控制系统中的已有补偿参数;(2) 由计算机产生进行逐点定位精度测量的机床CNC 程序,并传送给CNC 系统;(3) 自动测量各点的定位误差;(4) 根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数,并传送给CNC 系统,螺距自动补偿完成;(5) 重复进行精度验证。除此之外,对于脉冲当量补偿就是指每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量它的大小视机床精度而定,一般为 0.010.0005mm。脉冲当量影响数控机床的加工精度,它的值取得越小,加工精度越高。当然,数控机床的误差调正有两种方法,一种是靠数控系统补 偿,一种是调整机械部分,如果对于数控系统来说进行数控补偿程序会十分复杂困难,那么就可以通过调整丝杠间隙进行消除。1.5.2度的反向误差控制机床的动态精度,即机床各轴的定位精度P、重复定位精度Ps 和反向误差U 等指标。它们是以VDI/DGQ3441 的方法进行检测。考核数控机床的定位精度P 是用以下公式进行计算“P=6+L/300”式中L 代表数控机床坐标轴的长度。针对数控机床的定位精度来说,应该是与机床的动态精度有着密切的利害关系。其中,反向偏差的测定方法:在所测量坐标轴的行程 内,预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准,再在同一方向给予一定移动指令值,使之移动一段距离,然后再往相反方向移动相同的距离,测量停止 位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定( 一般为七次),求出各个位置上的平均值,以所得平均值中的最大值为反向偏差测量值。在测量时一定要先移动一段距离。如:数控车轮车轴专用外圆,在磨削工件 的R 与外圆直径交界处后,发现有明显的过渡不圆滑痕迹。那么在处理这类问题的时候,就要考虑该设备在磨削工件时,采用宽砂轮一次性切入磨削,砂轮修正器的金钢 石笔安装在工作台上,利用工作台Z 轴和砂轮架X轴的复合插补运动,使砂轮的形状与精度修正成与工件完全一样,再用修正好的砂轮磨削工件。由于该工件外圆形状的特殊性,需要X 轴有正负方向的运行,在检查时发现X 轴和Z 轴均有明显的反向间隙存在,使砂轮修正作反向运行时二轴有瞬间停顿现象的出现,造成轮修圆弧连接处有痕迹,最终使该现象发生在砂轮磨削工件的表面上。由于 丝杠螺母副之间的间隙存在,当工作台反向时,必产生反向间隙误差而影响到工作台送料定位精度。丝杠螺母副之间的间隙具有两个特点:(1) 具有相对的稳定性,即在一定范围内间隙是一个常数;(2) 随着机械传动的磨损而相应增加。因此,在控制过程中可以预先测出其间隙,利用反向间隙的统计平均值,对其产生的定位误差进行软件补偿。在软件设计时,只需 设计一方向寄存器,用来判断工作台是否换向,采用不换向不补偿,每换向一次补偿一次来消除丝杠螺母的反向间隙误差。总之,对于数控机床的加工工艺和精度分析来说,都必须要把握技术尺度,将合理地操作原理运用到具体的加工环节中去,从数控机床的加工工艺来说,要重视有关 影响数控机床加工工艺的若干问题,结合具体的工艺加工情况,采用理论联系实际的操作方法,在编程过程中保证精准、细致,对出现的问题也要及时进行分析、总 结,确保整个加工工艺路线合理,以能够有加工出色的产品为最终目的。从数控机床的精度分析来看,要重视研究提高数控机床加工精度的方法,首先要对加工设备 产生误差原因和影响进行合理地剖析,研究影响数控机床精度的因素,找出间隙误差和反向误差的处理方法,开展定位精度的测量。对于数控机床的工艺和精度控制 来说要依靠数控编程和仿真技术的完善以及具体操作的合理,来进行合理有效的机床工艺控制,保证利用现今的数控技术来确保加工工艺和精度更加完美,以达到延 长数控机床使用寿命,提供加工产品优秀性的目的。1.6数控机床的经济分析由于历史的原因,我国普通加工设备多,数控加工设备少;老设备多,新设备少。许多企业的机床精度差、故障率高。通过机床数控设计使普通机床不仅具有好的加工精度,而且还具有数控机床的功能。对于中小型企业,没有足够的资金来购买全功能的数控机床,但是使用单板机控制步进电机的经济型开环数控机床,具有花钱少、见效快的特点。采用经济型数控技术改装加工批量零件的机床非常合适。微机技术实现机床简易数控的工作原理采用微机技术实现机床简易数控的装置,主要由单板机、控制程序、零件加工程序、驱动电源装置,收发信板、功率步进电机等部件组成。图1.1 经济型数控铣床的系统装置框图。在图1.1所示的系统装置中,单板机在控制程序的控制下,可以使数控系统具有直线插补和圆弧插补加工工件轮廓的功能;具有进给速度控制和快速回零的功能;具有刀具补偿和反向间隙补偿的功能,以及其它多种功能。当零件加工程序给出具体的位移尺寸、位移方向和进给速度后,控制程序就会通过单板机按照所输入的零件加工程序发出一系列的脉冲信号。经隔离放大以后,分别驱动 向和 向功率步进电机,使刀架按照要求的方向、速度和位移量实现纵向和横向运动。从而构成了一个经济型开环数控系统。用微机技术实现机床简易数控优化方案的确定原则1.6.1控制系统的选择目前数控系统的类型较多,选择前应对被设计机床的功能有个充分了解,再依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择数控系统。其中和单片机数控系统是用得较多的两种系统。系统的核心是系列的单片微机。它用三路驱动电路,分别控制、和向步进电动机,它进行机床的位移运动,并能实现任意二坐标联动或三坐标联动。单片机是系列微机的典型产品,其硬件功能远远高于单板机,尤其适合实时控制、智能仪表、自动机床,是控制类型领域中最理想的八位微型计算机,在全世界都得到广泛应用。数控装置是三坐标(铣床)数控系统,它用国际标准代码进行编程,除了能执行本身的编程指令外,还能执行二坐标机床数控系统的编程指令,而且三坐标系统的各种操作方法(如输入、修改、删除及运行加工程序)相同于二坐标系统。选择控制系统时应该注意以下几方面的问题:(1)在资金充足的情况下,尽量选用质量好的产品。因为此类数控系统零件筛选严格,制造工艺规范可靠,能很好地预防电器元件的故障或提前失效引起的设备故障。(2)应该注重数控功能的选择,不应单纯追求数控系统的高性能指标,这对实现较高的性能价格比非常重要。(3)数控系统所具有的功能要与准备设计的数控机床所能达到的功能相匹配,尽量减少过剩的数控功能。1.6.2 选择设计对象要适宜采用微机数控机床加工零件,必须首先编制出加工程序。通常适宜于加工具有一定批量的相类似零件。因此,在选择适宜于进行设计的机床时,首先必须对各类机床的零件加工情况进行调查研究,分类统计,看零件有无批量,看各类批量主要在哪种机床上进行加工,以及在哪种型号的机床上进行加工,这样才能确定出设计对象。一般中小铣床上的工件总是比较饱满,成批量的零件也比较多。因此,用微机技术把中小铣床设计成经济型数控铣床比较适宜。对于一些中小型企业,为了充分发挥铣床的作用,更需要经过设计的铣床。这样既能用数控系统加工批量零件,又具有卧式铣床的功能,以适于加工单件零件。对于一些形状复杂的零件,普通机床往往难于加工成形。如果采用机械仿形的方法进行加工,在不成批量的情况下很不合算。这时,用微机技术设计机床,就可以使问题得到解决,明显提高企业加工能力。编程要比制作靠模容易得多,灵活得多。用数控机床加工形状复杂的零件是非常适宜的。1.6.3 机床的机械设计范围要适当机床设计范围的大小,应根据机床自身精度及性能来决定。以卧式铣床为例加以说明。对于旧铣床的设计范围,一般都是把原来的机床进给传动系统,由主轴箱通过挂轮箱带动进给变速箱,将运动传给光杠或丝杠。然后再驱动溜板运动的传动过程,设计为由功率步进电机通过消隙减速齿轮,直接带动滚珠丝杠,使刀架分别实现纵向运动和横向运动,进行两个坐标的控制。对于精度符合要求的铣床,为了实现简易数控设计,一般都是对铣床的部件基本不动,只是把床鞍的纵向滑动丝杠副设计为纵向滚珠丝杠副。在纵向滚珠丝杠的右端安装一套消隙减速箱和功率步进电机。同时也把中滑板的横向滑动丝杠副设计为横向滚珠丝杠副,在横向滚珠丝杠的外端安装一套消隙减速箱和功率步进电机,从而使铣床的纵向和横向运动既能用微机系统进行控制,又能由操作者进行普通操作。在机床设计过程中,只要把溜板箱中的开合螺母及中滑板上的滑动螺母拆除,在合适的位置上安装好滚珠螺母座即可。在电气控制方面,为了避免数控操作与普通操作相干涉,发生操作失误现象,必须有电气连锁开关控制操作转换。对于全新或较新铣床,在进行简易数控设计时,一般都是全部保留机床的零部件。直接把消隙减速箱和功率步进电机分别按装在纵向滑动丝杠的右端和横向滑动丝杠的外端。从而也可以使铣床同时具有普通操作功能和简易数控功能。1.6.4 辅助设计要合适如果在设计后的简易数控铣床上,采用一把刀可以完成全部车工工序,就没有必要对刀架进行设计。但有时会出现一个工件需要两把刀或几把刀来分别完成两个或几个工序的情况,这时可根据每把刀的使用情况,分别进行编程,通过一个程序,使用一把刀,来完成一个工序。使原来普通操作使用的刀架在数控操作时也可以使用。这样,根据设计后铣床的主要加工对象,确定刀架是否需要进行设计,可以使设计费用使用得更加合理,避免发生设计过剩现象。如果设计后的简易铣床,主要用来加工比较复杂的零件,需要采用三、四把刀才能完成全部车工工序,就必须对刀架部件进行设计。一般可采用安装有四把刀、由鼠牙盘定位、进行绝对刀位控制的自动回转刀架比较合适。重复定位误差可小于 ,精度持久性比较好。这种刀架出厂时,就规定了刀号位置。当需要几号刀在加工位置时,只需对该刀控制信号口发出信号,刀架就会自动转到需要的位置。设计后的简易数控铣床需要加工螺纹时,可以在主轴后端同轴安装或异轴安装一个主轴脉冲发生器,作为主轴位置的信号反馈元件。目的是为了检测主轴转角的位置,并且将其变化情况输送给单板机,使单板机能按照所需加工的螺距进行处理。控制纵向步进电机运动,通过纵向滚珠丝杠带动刀架完成螺纹加工。4.结束语采用微机技术设计普通机床,选用优化方案,实现简易数控,对机床结构改动不大,安装简单,操作简便,测量精度较高,可以使机床实现自动化,提高生产效率,减轻工人劳动强度,适于加工具有复杂形状的零件和小批量零件。产品精度一般可以提高个等级,工效提高 ,改装费用几个月即可收回。这种技术在我国中小企业中,是适合于广泛推广的技术。1.7数控机床的发展趋向高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。数控技术的问世已有40多年的历史,它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。1.7.1 个性化的发展趋势1.高速化、高精度化、高可靠性高速化:提高
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