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车床MJ50研究论文要点

数控车床MJ-50研究论文

学校：

大连交通大学

专业及班级：

机械工程及自动化 茅以升10-2班

成员：

刘启超、侯志如、张海、代云龙、孟学聪、胡晓晨

研究对象：

MJ-50数控车床

指导教师：

沙智华

一引言

1、数控机床的起源：

1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。

由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。

1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。

这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。

数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。

2、数控机床的兴起：

1952年美国麻省理工学院和吉丁斯·路易斯公司首先联合研制出世界上第一台数控升降台铣床，随后德国、日本、苏联等国于1956年分别研制出本国的第一台数控机床。

60年代初，美国、日本、德国、英国相继进入商品化试生产，由于当时数控系统处于电子管、晶体管、和集成电路初期，设备体积大、线路复杂、价格昂贵、可靠性差，数控机床大多是控制简单的数控钻床，数控技术没有普及推广，数控机床技术发展整体进展缓慢。

70年代，出现了大规模集成电路和小型计算机，特别是微处理器的研制成功，实现了数控系统体积小、运算速度快、可靠性提高、价格下降，使数控系统总体性能、质量有了很大提高，同时，数控机床的基础理论和关键技术有了新的突破，从而给数控机床发展注入了新的活力，世界发达国家的数控机床产业开始进入了发展阶段。

80年代以来，数控系统微处理器运算速度快速提高，功能不断完善、可靠性进一步提高，监控、检测、换刀、外围设备得到了应用，使数控机床得到了全面发展，数控机床品种迅速扩展，发达国家数控机床产业进入了发展应用阶段。

90年代，数控机床得到了普遍应用，数控机床技术有了进一步发展，柔性单元、柔性系统、自动化工厂开始应用，标志着数控机床产业化进入成熟阶段。

3、数控机床的高潮：

进入21世纪，军事技术和民用工业的发展对数控机床的要求越来越高，应用现代设计技术、测量技术、工序集约化、新一代功能部件以及软件技术，使数控机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大地提高。

科学技术特别是信息技术的发展迅速，高速高精控制技术、多通道开放式体系结构、多轴控制技术、智能控制技术、网络化技术、CAD/CAM与CNC的综合集成，使数控机床技术进入了智能化、网络化、敏捷制造、虚拟制造的更高阶段。

我国于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1958~1979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。

4、MJ-50数控车床：

MJ-50数控车床是由济南一机床团体有限公司出产，主要由主轴箱、床鞍、尾座、刀架、对刀仪、液压系统、光滑系统、气动系统以及数控装置等形成。

其形状尺寸为：

长2995㎜，宽1667㎜，高1796㎜。

其形状如图所示。

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、成型回转体表面。

对于盘类零件可进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等加工。

机床还可以完成车端面、切槽、倒角等加工。

图1 MJ-50数控车床外观图

MJ-50数控车床为两坐标两轴联动的卧式车床。

如图所示，床身14为平床身床身导轨上支承着30°倾斜布置的滑板13，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8.床身的左上方安装有主轴箱4，主轴有交流主轴电动机经1：

1带传动直接驱动主轴，结构十分简单。

为了快速而省力地装加工件，主轴卡盘3的加紧与松开是由主轴尾端的液压缸来控制的。

床身右上方装有尾座12.该机床有两种可配置的尾座，一种是标准尾座，另一种是液压驱动的尾座。

滑板的倾斜导轨上按装有回转刀架11，其刀盘上有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。

根据用户的需要，主轴箱前端面上可以按装对刀仪2，用于机床的机内对刀。

检测刀具时对刀仪的转臂9摆出，其上端的接触式传感的测头对所用刀具进行检测。

检测完成后，对刀仪的转臂摆回图中所示的原位，且测头被锁在对刀仪防护罩7中。

10是操作面板，5是机床防护门，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6显示。

1是主轴卡盘加紧与松开的脚踏开关。

二数控车床MJ-50介绍

2.1车床的主要参数

2.1.1机床主体部分主要技术参数

允许最大工件回转直径：

500mm

最大车削直径：

310mm

极限车削直径（调整刀具）：

350mm

最大加工长度：

650mm

主轴驱动电动机：

AC11/15kW（连续/30min）

床鞍有效行程：

X方向为182mm；Z方向为675mm

床鞍快速移动速度：

X方向为10m/min:

Z方向为15m/min

床鞍定位精度：

X方向为+-0.015/100mm;Z方向为+-0.025/300mm

床鞍重复定位精度：

X方向为+-0.003mm；Z方向为+-0.005mm

刀架装刀数：

10把

刀架转位数：

10位

刀架分度重复定位精度：

X方向为+-0.003mm:

Z方向为+-0.005mm

2.1.2数控装置

本机床采用FANUCOTEMODELA—2系统。

数控系统主要性能如下：

控制轴数：

2轴

同时控制轴数：

2轴

最小输入增量：

X方向为0.001mm；Z方向为0.001mm

最小指令增量：

X方向为0.005mm/P；Z方向为0.001mm/P

最大编程尺寸：

+-9999.999mm

数控系统直线插补、全象限圆弧插补、刀具补偿以及实现进给功能、主轴功能、刀具功能、辅助功能、编程功能、安全功能、手动数据输入（MDI）、自诊断等功能

数据显示：

CRT

定位精度和重复定位精度是体现数控机床质量的两个重要性能指标。

按ISO规定，定位精度是指机床的工作台（或刀架）所要求达到的实际位置与理想位置的一致程度。

如MJ-50数控机床床鞍在X方向的定位精度为+-0.015/100mm，表示刀架任意移动100mm的距离，其误差为+-0.015mm/它与伺服系统、检测系统、工作台进给系统等的误差和工作台导轨的几何误差有关，他影响加工零件的位置精度。

同时ISO还规定了重复定位精度。

重复定位精度是指在同一条件下，操作方法不变，按规定次数进行测量所得到的多次结果的一致程度。

一般是正态分布的偶然性误差，即在相同条件下，取在某一点的位置时的预计离散度作为其重复精度，在数值上用3σ值来表示。

它影响一批零件加工的一致性，所以是一项非常重要的指标。

例如MJ-50数控车床X方向的重复定位精度为+-0.006mm。

它受伺服系统的开关特性、进给部件的间隙、刚性和摩擦特性等的影响。

2.2机床的传动系统

1．主运动传动系统

图2.1-5为MJ—50数控车床的传动系统图。

其中主运动传动系统由功率为11/15kW的交流伺服（变频调速）电动机驱动，经一级速比为1:

1的弧齿同步齿形带轮传动，直接带动主轴旋转。

主轴在35~3500r/min的转速范围内实现无级调速。

由于主轴的调速范围不是很大，所以在主轴箱内省去看齿轮传动变速机构，因此减少了齿轮传动对主轴精度的影响。

2.纵、横向进给传动系统

纵向进给系统由功率为108kW的交流伺服电机驱动，经一级速比为1:

1.25弧齿同步齿形带轮传动，带动导程P=10mm的滚珠丝杠旋转，将电动机的回转运动转化成鞍的纵向直线运动。

横向进给系统由功率为0.9kW的交流伺服电动机驱动，经一级速比为1:

1.2的弧齿同步齿形带轮传动，带动导程P=6mm的滚珠丝杠旋转，将电动机的回转运动转化成横刀架的横向直线进给运动。

3.回转刀架传动系统

数控车床换刀时，需要刀架作回转的分度运动，刀架回转角度取决于装刀数目。

MJ—50共有10把刀具，分度角以36度为单位。

回转刀架的动力源为液压马达，通过起分度作用的平板共轭分度凸轮，将分度运动传递给一对齿轮副，进而带动刀架回转。

图2 MJ-50数控车床传动系统图

2.3MJ—50数控车床典型结构

2.3.1主轴箱

主轴箱是机床结构中最重要的部件之一，如图2.1-6所示，主轴箱由主轴箱体9、轴承座18、主轴7、主轴轴承11、轴承调整螺母8、主轴脉冲发生器4及弧齿同步齿形带轮副等组成。

AC主轴电动机通过弧齿同步齿形带轮副直接驱动主轴，由于采用了强力型AC主轴电动机，所以主轴有足够的输出转矩。

主轴采用两点支承结构适宜高转速的要求。

前轴承采用高精度双列圆柱滚子轴承11和高精度双列组合接触球轴承10（背靠背）组成，后轴承采用高精度双列圆柱滚子轴承。

主轴轴承采用油脂润滑，靠非接触式迷宫套密封。

润滑脂的封入量对主轴轴承寿命和运转时的温升有很大影响，机床说明书对油脂牌号和封入量均有规定。

图3 MJ-50数控车床主轴箱

2.3.2纵向进给传动装置

MJ—50数控车床纵向（Z向）进给传动装置简图如图2.1-7a所示。

AC伺服电动机14、传动同步带轮12和2传到滚珠丝杠5，由螺母4带动床鞍连同刀架沿床身13的矩形导轨移动，实现Z轴的进给运动。

如图2.1-7b所示，电动机轴21与同步带轮12之间用锥环无键联结，局部放大视图中19和20是锥面相互配合的内锥环，当拧紧螺钉17时，法兰18的端面压迫外锥环20，使其向外膨胀，内锥环19受力后向电动机轴收缩，从而使电动机轴与同步带轮连接在一起。

这种连接方式无须在被连接件上开键槽，而且两锥环的内外圆锥面压紧后，使连接配合面无间隙，对中性较好。

选用锥环对数的多少，取决于所传递转矩的大小。

滚珠丝杠的左支承由三个角接触球轴承15组成。

其中右边两个轴承与左边一个轴承大口相对布置，由调整螺母16进行预紧。

滚珠丝杠的右支承7为一个圆柱滚子轴承，只用于承受径向载荷，轴承间隙用调整螺母8来调整。

滚珠丝杠的支承形式为左端固定、右端浮动，留有丝杠受热膨胀后向右伸长的余地。

3和6为缓冲挡块，起超程保护作用，B向视图中的螺钉10将滚珠丝杠的右支承座9固定在床身13上。

Z轴进给装置的脉冲编码器1与滚珠丝杠5相连接，实现速度反馈和位置反馈，从而提高系统对Z向进给的精度控制。

滚珠丝杠螺母轴向间隙可通过预紧方法消除，预紧载荷以能有效地减少弹性变形所带来的轴向位移为度，过大的预紧力将增加摩擦阻力，降低传动效率，并使寿命大为缩短。

所以，一般要经过几次仔细调整才能保证机床在最大轴向载荷下，及消除间隙，又能灵活运转。

目前，滚珠丝杠螺母副已由专业厂家生产，其预紧力由制造厂调好供用户使用。

图4 MJ-50数控车床纵向（Z向）进给传动装置

2.4横向进给传动装置

MJ-50数控车床横向（X向）进给传动装置简图如图所示。

途中AC私服电动及15经同步带轮14和10以及同步带12带动滚珠丝杠6回转，其上螺母7带动刀架21沿床鞍1的导轨实现X轴的进给运动。

电动机轴与同步带轮14用键13联结。

滚珠丝杠有前后两个支承。

图5横向传动装置图

前支撑3由三个角接触球轴承组成，其中一个轴承大口向前，两个轴承大口向后，分别接触球轴承，轴承大口相背放置，由锁紧螺母11进行预紧。

这种丝杠采用两端固定的支承形式，其结构和工艺都较复杂，但可以保证提高丝杠的轴向刚度。

脉冲编码器16安装在伺服电动机的尾部，实现速度反馈和位置反馈，反冲块5和8起保护作用。

A-A剖面图表示滚珠丝杠前支承的轴承座4用螺钉20固定在床鞍上。

床鞍导轨如B-B剖视图所示为矩形导轨，镶条17、18、19用来调整刀架和床鞍的间隙。

图2.1-8b中22为导轨护板，26、27为机床参考点的限位开关和撞块。

镶条23、24、25用于调整床鞍与床身导轨的间隙。

因为床鞍顶面导轨与水平面倾斜30°，回转到家的自身重力使其下滑，滚珠丝杠和螺母不能以自锁阻止其下滑，故机床依靠AC伺服电动机的电磁制动来实现自锁。

2.5数控机床的自动换刀装置

数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。

数控车床上的回转刀架就是一种简单的自动换刀装置，所不同的是在多工序数控机床出现之后，逐步发展和完善了各类回转道具的自动换刀装置，扩大了换刀数量，从而实现更为复杂的换刀操作。

在自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：

换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。

MJ-50数控车床采用的是由液压系统驱动的转刀架换刀。

回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。

MJ-50数控车床就是在回转刀架上安装四把刀具，并按数控装置的指令换刀。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。

由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001~0.005）。

回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。

如图所示为MJ-50液压式刀架，它利用摆动液压缸来控制刀架转位，       图6 MJ-50液压式刀架

图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸；拨爪带动

刀架转位，小液压缸向下拉紧，产生10KN以上的拉紧力。

此刀架的特点是转位可靠，拉紧力可以再加大，但其缺点是液压件难制造，还需多一套液压系统，有液压油泄漏及发热问题。

刀架抬起。

当数控装置发出换刀指令后，压力油由A进入压紧液压缸的下腔，活塞上升，刀架体抬起，是定位活动插销与固定插销脱离。

同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。

刀架转位。

当刀架抬起之后，压力油从C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过90度。

活塞的行程应等于齿轮节圆周长的四分之一，并由限位开关控制。

刀架压紧。

刀架转位之后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。

缸体的底盘上精确的安装4个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。

刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。

这时，端齿离合器与空套齿轮脱开。

转位液压缸复位。

刀架压紧后，压力油从D孔进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。

如果定位和压紧动作正常，拉杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结束，可以继续进行切削加工。

回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机-马氏机构转位和鼠盘定位，以及其他转位和定位机构。

图7 回转刀架内部结构图

2.6自动定心卡盘

车床夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受加工或检测并保证加工要求的车床附加装置。

主要由定位元件、夹紧装置、对刀或导向装置、连接元件、夹具体五部分组成。

机床夹具在机械加工中的作用：

（1）保证加工精度

（2）提高生产率、降低成本

（3）扩大机床的工艺范围

（4）减轻工人的劳动强度

车床夹具的种类主要包括角铁和花盘式夹具（图8）、心轴式车床夹具（图9）、以工件顶尖孔定位的车床夹具（图10）以及组合夹具（图11）。

图8                           图9

图10                          图11

为减少工件装夹辅助时间和减轻劳动强度，适应自动化和半自动化加工的需要，数控车床多采用动力卡盘装夹工件，目前使用较多的是自动定心液压或气动动力卡盘。

图2.1-10为MJ50数控车床上采用的一种液压驱动动力自定心卡盘，卡盘3用螺钉固定在主轴端，液压缸5固定在主轴后端，改变液压缸左、右腔的通油状态，活塞杆4带动卡盘内的驱动爪1驱动卡爪2，夹紧或松开工件，并通过行程开关6和7发出相应信号。

图12数控车床液压自动定心卡盘

图2.1--11为夹紧装置的简要结构，通过气缸1产生加紧作用力，利用连杆2传递力到压板3，通过压板3与工件直接接触完成夹紧作用。

图13

2.7机床尾座

MJ-50数控车床出厂时配置了标准尾座，图2.1-11为尾座结构简图。

尾座体的移动由滑板带动来实现。

尾座体移动后，由手动控制的液压缸将其锁紧在床身上。

调整机床时，可以手动控制尾座套筒移动。

顶尖1与尾座套筒2用锥孔连接，尾座套筒可带动顶尖一起移动。

在机床自动工作循环中，可通过加工程序由数控系统控制尾座套筒的移动。

当数控系统发出尾座套筒伸出的指令后，液压电磁阀动作，压力油通过活塞杆4的内孔进入尾座套筒2液压缸的左腔，推动尾座套筒2伸出。

当数控系统指令其退回时，压力油进入套筒液压缸的右腔，从而使尾座套筒2退回。

尾座套筒移动的行程，靠调整套筒外部连接的行程杆10上面的移动挡块6来完成。

图中所示移动挡块的位置在右端极限位置时，套筒的行程最长。

当套筒伸出到位时，行程杆上的挡块6压下确认开关9，向数控系统发出尾座套筒到位信号。

当套筒退回时，行程杆上的固定挡块7压下确认开关8，向数控系统发出套筒退回到位信号。

图14 数控车床尾架套筒的液压控制

三数控机床的发展展望

3.1现代数控机床的特征

随着新材料和新工艺的出现，对数控机床的要求越来越高，数控机床已经出现与传统机床完全不同的特征和结构。

概括起来，数控机床的未来发展趋势主要有以下几个方面：

（1）高速化。

随着汽车、航空航天工业的发展，铝合金及其他新材料的应用日益广泛，对高速加工的需求越来越强劲。

（2）高精度。

机床的加工精度，以及其可重复性和可信赖度高，性能长期稳定，能够在不同运行条件下“保证”零件的加工质量。

（3）工序集约化。

在一台机床上尽可能加工完一个零件的所有工序，同时又保持机床的通用性，能够迅速适应加工对象的改变。

（4）机床的智能化。

加工设备不仅提供“体力”，也有“头脑”，能够在线监测工况、独立自主地管理自己，并与企业的生产管理系统通信。

（5）机床的微型化。

随着各种产品的小型化以及微机电系统的迅速发展，对机床微型化提出了强烈的需求。

3.2我国数控机床的发展现状

数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。

我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距，直到目前为止，技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位，高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。

因此，尽管当前市场活跃、需求旺盛，如果只顾眼前利益，满足于产品有销路，不深入研究国外数控机床的发展趋势，提高自主开发能力，积极培育新产品，那么在投资高潮过去以后，我国的机床工业将更加缺乏竞争力。

3.3未来的展望

随着现代制造技术向高精度、高效率、自动化、信息化和微型化发展，对现代数控机床的要求越来越高。

借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。

因此，我国机床工业不能安于现状，当前的市场兴旺不是永恒的，必须改变观念，立足创新，迎头赶上。

中国要成为制造强国，必须解决人才和装备问题，中国制造谁来造？

谁来装备中国制造业？

我们的教育界和工业界要联合起来迎接这个严峻的挑战。

"

四致谢

本文是在沙智华老师精心指导和大力支持下完成的。

沙老师一起严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我们产生重要影响。

她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我们深深的启迪。

同时，图书馆的老师也对我们此次的论文给予极大的帮助,在此衷心的感谢。

在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我们查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我们完整的写完了整个论文。

另外，要感谢所有传授我们知识的老师，是你们的悉心教导使我们有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。

参考文献

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[2]王启义,等.金属切削机床设计[M].上海科学技术出版社,1985.5

[3]戴曙.金属切削机床[M].机械工业出版社,1993.5

[4]杜君文,机械制造技术装备及设计[M].天津大学出版社,2008.5