MJ50型车床的数控化改造设计.docx

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MJ50型车床的数控化改造设计

摘要

数控车床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。

是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。

数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。

数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。

因此了解数控车床的结构与工作原理是操作、维修、改进数控车床的前提，也是设计一款数控车床的基本。

基于此本文介绍了数控车床的主轴系统、伺服进给系统、刀架系统等的特点、设计要求及结构特点，对于系统部件也作了介绍。

关键词：

数控车床主轴系统伺服进给系统刀架系统

Abstract

Numerical-controlledLatheisaelectromechanicalintegrationproduct,whichismultinomialtechnologyforone-piece.Numerical--controlledLatheismultitudedbymechanism、electric、hydraulic、pressure,pneumatic、electrino、informationandsoon.Itismainworkingmachineandpossesseshighprecision、highefficiency、highautomationandhighflexibilityinthemechanicalmanufacturingequipment.ThetechnologycapabilityofNumerical-controlledLatheandpercentageofmachineoutputandinpossessionofamountisoneoftheimportantsignalweightingthewholelevelofonestatenationaleconomyextendandcommercialmanufactureNumerical-controlledLatheisoneofmainvarietyofNumerical-controlledMachine,ittakeaimportantplaceintheNumerical-controlledMachine,andfordecadeyears,itisgiventheprevalenceregardfromalltheworldandgetthepromptdevelop.

Thereforestudythestructureandworkingprincipleisthepremiseofoperate、maintain、improveNumerical-controlledLathe,alsoitisthebasicofdesigningNumerical-controlledLathe.Introducedthecharacteristics,thedesignrequestandthestructurecharacteristicses

ofPrincipalaxissystemServosystemandToolssystemofNumerical-controlledLatheaccordingtothistext,alsomadeaintroductionforthesystemparts.

Keywords:

NCLathePrincipalaxissystemServosystemToolssystem

1绪论

科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。

机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。

它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。

大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位多面同时加工，以达到高效率和高自动化。

但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。

而从某种程度上说，数控机床的出现正是很地满足了这一要求。

1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的试验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。

当时用的电子元件是电子管，这就是第一代世界上的第一台数控机床。

我国是从1958年开始研究数控技术，一直到60年代中期处于研制、开发时期。

当时，一些高等院校、科研单位研制出试验样机，开发也是从电子管开始的。

1965年国内开始研制晶体管数控系统。

从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。

在这一时期，数控线切割机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。

80年代，我国从日本发那科公司引进了5、7、3等系列的数控系统和交流伺服电机、交流主轴电机技术，以及从美国、德国引进一些新技术。

这使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。

1985年，我国数控机床品种有了新的发展。

90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。

1.1数控机床的组成与适用范围

1.1.1数控机床的组成

如图所示，数控机床由以下几个不分组成。

1、程序介质

根据零件的几何和工艺要求，确定零件加工的工艺过程和工艺参数，然后按规定的代码和格式编制数控加工程序。

编制程序的工作可由人工完成，也可以用计算机自动编程系统来完成。

比较先进的数控机床，可以在它的数控装置上直接编程。

编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储介质上，称为程序介质，可以是穿孔纸带、磁带、磁盘等。

2、输入输出装置

输入输出装置主要用于零件数控程序的编制、存储、打印和显示等。

简单的输入输出装置只包括键盘和发光二极管显示器。

一般的输入输出装置除了人机对话编程键盘和CRT外，还包括纸带、磁带和磁盘输入机、穿孔机等。

高级的数控系统还使用自动编程机或CAD/CAM系统。

3、数控装置

数控装置是数控机床的核心。

它根据输入的程序和数据，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令。

4、伺服驱动系统、位置检测装置及辅助控制装置

伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并于机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。

它根据数控装置发出来的速度和位移指令，控制执行部件的进给速度、方向和位移。

每个进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。

伺服驱动系统由开环、半闭环和闭环之分。

在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。

5、机床的机械部件

数控机床的机械部件包括：

主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板及其传动部件和床身立柱等支承部件，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。

对于加工中心车床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。

1.1.2数控机床的使用范围

数控机床适用于加工：

（1）生产批量小的零件（100件以下）；

（2）加工精度高、结构形状复杂的零件，如箱体类，曲线、曲面类的零件；

（3）需要进行多次改型设计的零件；

（4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件；

（5）价格昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出现错而报废，将产生巨大的经济损失。

1.2数控机床的特点与分类

1.2.1数控机床的特点

数控机床是一种高效能自动化加工机床。

与普通机床相比，数控机床具有如下特点。

1、适应性强

数控机床是按照被加工零件数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时,只要改变数控程序软件，而不需要改变机械部分和控制部分的硬件，就能适应加工。

因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。

2、精度高，质量稳定

数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，加工零件按数控程序自动进行，可以避免人为的误差。

因此，数控机床可以获得比普通机床更高的加工精度。

尤其提高了同批零件生产的一致性，产品质量稳定。

3、生产率高

数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机加工时。

还有自动换刀转速、自动换刀和其它辅助操作自动化等功能，而且无需工序间的检验与测量，故使辅助时间大为减缩。

4、能完成复杂型面的加工

许多复杂曲线和曲面的加工，普通机床无法实现，而数控机床完全可以完成。

5、减轻劳动轻度，改善劳动条件。

由于数控机床是自动完成对零件的加工的，许多动作不需要操作者进行，因此劳动条件和劳动强度大为改善。

6、有利于生产管理

采用数控机床，有利于向计算机控制和管理生产方向发展，为实现制造和生产管理自动化创造了条件。

1.2.2数控机床的分类

1、按工艺用途分类：

（1）普通数控机床

（2）数控加工中心（带有刀库和自动换刀装置的数控机床）

2、按控制运动的方式分类：

（1）点位控制数控机床

（2）点位直线控制数控机床

（3）轮廓控制数控机床

3、按伺服系统的控制方式分类：

（1）开环数控机床

（2）半闭环控制数控机床

（3）闭环控制数控机床

4、按所用数控系统的档次分类

（1）低档数控机床（主要用于车床、线切割机床及旧机床改造）

（2）中档数控机床（伺服进给采用半闭环及直、交流伺服控制,三至四轴联动制）

（3）高档数控机床（伺服进给采用闭环及直、交流伺服控制，五轴或以上联动制）

以上中、高档数控机床一般称为全功能数控或标准型数控。

1.3数控技术的发展趋势

随着先进生产技术的发展，要求现代数控机床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向发展。

1、高速、高精度

高速化指数控机床的高速切削和高速插补进给，目标是在保证加工精度的前提下，提高加工速度。

这不仅是要求数控系统的处理速度快，同时还要求数控机床具有大功率和大转矩的高速主轴、高速进给电动机、高性能的刀具、稳定的高频动态刚度。

高精度包括高进给分辨率、高定位精度和重复定位精度、高动态刚度、高性能闭环交流数字伺服系统等。

2、“开放式”

要求新一代数控机床的控制系统是一种开放式、模块化的体系结构。

系统的构成要素应是模块化的，同时各模块之间的接口必须是标准的；系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”；系统应具有“连续升级”的能力。

3、智能化

所谓智能化数控系统，是指具有拟人智能特征，智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征，自动感知加工系统得内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、背吃刀量、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。

（1）在数控系统中引进自适应控制技术自适应控制实在加工过程中不断检查某些能代表加工状态的参数

（2）设置故障自诊断功能

（3）具有人机对话自动编程功能

（4）应用图像识别和声控技术

4、复合化

复合化加工，即在一台机床上工件一次装夹便可以完成多工种、多工序的加工，通过减少装卸刀具、装卸工件、调整机床的辅助时间，实现一机多能，最大限度的提高机床的开机率和利用率。

5、高可靠性

高可靠性的数控系统是提高数控机床可靠性的关键。

6、多种插补功能

数控机床除具有直线插补、圆弧插补功能外，有的还具有样条插补、渐开线插补、螺旋插补、极坐标插补、指数曲线插补、圆柱插补、假想坐标插部等。

7、人机界面的友好

2设计基本思想和主要参数

2.1课题要求

1题目名称

数控车床机械结构设计（加工直径500mm）

2课题内容及工作量

（1）数控车床总装配图设计

（2）主轴部件设计

（3）刀具进给系统设计

（4）设计图量Ao4张、设计说明书一份

（5）外文翻译5000汉字；

全部图纸用计算机辅助绘图，说明书由计算机输出打印。

2.2设计思想

参照济南第一机床厂的MJ-50型数控车床来进行设计：

床身和导轨的布局采用水平床身斜滑板；主轴驱动采用交流伺服电动机无机调速，采用V型带带动主轴旋转：

进给系统也使用交流伺服电动机驱动，使用同步带机构减速，采用滚珠丝杠副进行传动；刀架系统使用回转刀架机构；尾座使用标准尾座。

下面对MJ-50进行介绍：

2.2.1MJ-50数控车床的用途

MJ-50数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、形成回转体表面。

对于盘类零件可进行钻孔、扩孔、铰空、镗孔等加工。

机床还可以完成车端面、切槽、倒角的加工。

2.2.2MJ-50数控车床的布局

MJ-50数控车床为两坐标连续控制的卧式车床。

床身为平床身，床身导轨上面支承着30度倾斜布置的滑板，排屑方便。

导轨的横截面为矩形，支承刚性好，且导轨上配置有防护罩。

床身的左上方安装有主轴箱，主轴有AC交流伺服电动机驱动，免去变速传动装置，因此使主轴箱的结构变得十分简单。

为了快速而省力地装夹工件，主轴卡盘的夹紧与松开是由主轴尾端的液压缸来控制的。

床身右上方安装有尾座。

该机床有两种可配置的尾座，一种是标准尾座，另一种是选择配置的尾座。

滑板的倾斜导轨上安装有回转刀架，其刀盘上由10个工位，最多安装10把刀具。

滑板上分别安装有X轴和z轴的进给传动装置。

根据用户的要求，主轴箱前端上可以安装对刀仪，用于机床的机内对刀。

检测刀具时，对刀仪的转臂摆出，其上端的接触式传感器测头对所有刀具进行检测。

检测完成后，对刀仪的转臂摆回到原位，且测头被锁在对刀仪防护罩中。

机床上配置有操作面板，机床防护门，可以配置手动防护门，也可以配置气动防护门。

液压系统的压力由压力表显示。

附有主轴卡盘夹紧与松开的脚踏开关。

2.2.3MJ-50数控车床的主要技术参数

允许最大工件回转直径500mm

最大切削直径310mm

最大切削长度650mm

主轴转速范围35~3500r/min（连续无级）

其中恒扭矩范围35~437r/min

其中恒功率范围437~3500r/min

主轴通孔直径80mm

拉管直径65mm

刀架有效行程X轴182mm;Z轴675mm

快速移动速度X轴10m/min;Z轴15m/min

安装刀具数10把

刀具规格车刀25mmx25mm;镗刀￠12mm~￠45mm

选刀方式刀盘就近转位

分度时间单步0.8s;180°2.2s

尾座套筒直径90mm

尾座套筒行程130mm

主轴AC伺服电动机连续/30min超载11/15kw

进给伺服电动机X轴AC0.9kw;Z轴AC1.8kw

机床外形尺寸（长x宽x高）2995mmx1667mmx1796mm

3主轴系统设计与结构说明

3.1主传动系统概述

3.1.1主传动系统特点

1、目前数控机床的主传动电动机已不再采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机，它们已逐步被新型的交流调速电动机和直流调速电动机所代替。

2、转速高，功率大。

它能使数控机床进行大功率的切削和高速切削，实现高效率加工。

3、变速范围大。

数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn＞100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

4、主轴速度的变换迅速可靠。

数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。

由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。

3.1.2对主传动系统的要求

数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还提出如下要求：

1.具有较大的调速范围，并实现无级调速。

数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。

对于自动换刀的数控机床，工序集中工件一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。

2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。

数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。

为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。

3.良好的抗振兴和热稳定性。

数控机床一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀运动部件不平稳以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。

因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力—抗振性。

抗振性用动刚度或动柔度来衡量。

例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度阻尼比及固有频率等参数。

机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。

为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。

3.2主轴驱动装置、工作特性及速度控制

为了满足数控机床对主轴驱动要求，主轴电动机须具备下述性能：

电机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范围要宽；

在断续负载下电机转速波动要小；

加速、减速时间短；

温升低，振动小，噪声小，可靠性高，寿命长，易维护，体积小，重量轻；

电动机过载能力强。

（一）交流主轴驱动装置及其工作特性

大多数进给交流伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应异步电动机，这是因为数控机床主轴驱动系统不必像进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。

鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床的主轴的要求。

交流主轴电机的性能可由图所示功率/速度曲线反应过来。

从图中曲线可见交流主轴电机的特性曲线与直流电机类似，即在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。

但有些电机，如图中所示那样，当电机速度超过某一定值后，其功率/速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。

对于一般主轴电机，这个恒功率的速度范围只有1：

3的速度比。

另外交流主轴电机也有一定的过载能力，一般为额定值的1.2倍~1.5倍，过载时间则从几分钟到半个小时不等。

（二）交流主轴电机的调速

交流主轴电机属于交流感应电机，当定子三相绕组通上三相交流电时，将建立起旋转磁场，其主轴磁通￠m的空间转速为同步转速no，其值为

no=60f1/p（r/min）

式中，f1为定子供电电源频率（Hz）；p为旋转磁场极对数。

感应电机转子的转数n为

n=no（1-s）=60f1（1-s）/p

式中，s为转数差，s=（no-n）/no

由上面可知调速方法分为两类。

第一类改变同步转速no的调速，它可以改变极对数p，由于p是正整数，所以只能得到级差很大的有级调速，仅适用于不要求平滑调速的场合；另外是变频调节，采用连续地调节定子电源频率f1，来实现连续地改变电动机的转速，它是一种高效型交流调速，范围宽，精度高，是数控机床中常用的方法。

第二类是不改变同步转速的调速，常用的有调压调速和电磁调速，由于有转差功率损耗，效率低，特性软，不适合数控机床调速。

从以上分析中，可知改变电源频率的调速是一种最有前途的调速方案，只要改变f1就能实现no的调速。

但实际调速中单纯改变频率是不够的，因为当磁场以no速度切割定子绕组，则在每组绕组感应电势为

E1=4.44f1K1w1￠m≈u1

式中，K1w1为定子每组绕组等效匝数；￠m为每极磁通量；u1为定子相电压。

所以

￠m=u1/4.44f1K1w1

由此可知，保持定子电压u1不变，则主磁通￠m的大小将会发生变化。

在调速过程中，如果频率从工频往下调节，则￠m上升，将导致铁心过饱和而使励磁电流迅速上升，铁心过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。

因此，必须在降低频率的同时，降低电压，以保持￠m不变。

这就是恒磁通变频调速中的“调频调压控制”。

变频调速有下面几种控制方式：

（1）恒转矩调速

（2）恒最大转矩调速

（3）恒功率调速为了扩大调速范围，可以使f1大于I频频率，得到n﹥no的调速。

由于定子电压不许超过额定电压，因此￠m将随着f1的升高而降低。

这时相当于额定电流时的转矩也减少，特性变软。

可得到近似恒功率的调速特性。

3.3主轴部件

主轴部件是机床的一个关键部件，数控机床的主轴部件，既要满足精加工时高精度的要求，又要具备粗加工时高效切削性能的要求，因此，数控机床对主轴回转精度部件的结构刚度和抗振性，运转温度和热稳定性，以及部件的耐磨性和精度的保持能力等方面，都有很高的要求。

3.3.1主轴部件的性能要求

主轴部件是机床主要部件之一。

它的性能，对整机的性能有很大的影响。

主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴部件的主要性能特提出如下要求：

1、旋转精度

主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心短锥、锥孔，铣床轴端的7：

24锥孔）的径向和轴向跳动。

旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。

工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。

2、刚度

刚度主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。

影响刚度的因素很多，如主轴的的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支撑的跨距和主轴的前悬伸，传动件的布置方式等。

数控机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的刚度应提出更高的要求。

3、温升

温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。

因此，对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。

4、可靠性

数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性。

5、精度保持性

对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。

以上这些要求，有的还是矛盾的。

例如高刚度与高速，高速与低升温，高速与高精度等。

这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度机床时，主轴应满足高刚度低温升的要求。

3.3.2主轴组件的动态特性

1.平移主轴作为一个刚体（实际上略有弯曲），在弹性支承上作平移振动，主轴各点的振动方向一致。

2.摇摆主轴在弹性支座上摇摆，左右振动方向相反。

3.弯曲主轴本身作弯曲振动，主轴中间与两端的振动方向相反，有两个节点。

这两节点位于支承点附近。

每个振型都有其固有频率。

每个振型按固有频率排列的次序，称为阶。

上述三个振型的固有频率，以平移振型为最低，弯曲振型为最高，三个振型分别为第一二三振型，振型和固有频率合称为模态。

可以看出，第一二阶模态的弹性环节主要是轴承；第三阶则主要是轴承。

当轴的刚度提高时，第一二阶模态的固有频率也随之提高，但第三阶模态提高不多