数控车床纵向进给系统设计.docx
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数控车床纵向进给系统设计
学号
密级________________
兰州城市学院本科毕业论文
数控车床纵向进给系统设计
学院名称:
培黎工程技术学院
专业名称:
机械设计制造及其自动化
学生姓名:
指导教师:
二○一三年六月
摘要
随着科学技术的飞速发展,机械产品的性能和质量不断提高,产品的更新换代也不断加快。
随之而来对机床的加工精度和生产率的要求也不断提高。
在这种形势下传统的旧式机床越来越不能适应新的要求。
随着电子技术的发展,把计算机技术引入机床中的数控机床技术得到了飞速发展。
数控机床在国民经济建设中的作用越来越重要,在数控机床技术飞速发展的今天,对数控机床技术的研究已经成为世界各国非常重视的一块领域。
本课题对于数控机床纵向进给系统设计计算过程作了详细论述。
在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算。
比如:
导轨的设计选型、滚珠丝杠螺母副的选型与计算。
还进行了进给传动系统的刚度计算、进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型计算、驱动电机与滚珠丝杠的联接、驱动电机与进给传动系统的动态特性分析等。
关键词:
数控车床电子技术设计
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,constantlyimprovethemechanicalperformanceandqualityofproducts,productupgradinghasbeenquickened.Alongwiththemachiningaccuracyandproductivityrequirementsisalsorising.Inthissituationtheoldmachineandtraditionalcannotadapttothenewrequirements.Withthedevelopmentofelectronictechnology,thecomputertechnologyintoCNCmachinetoolshasmaderapiddevelopment.CNCmachinetoolmoreandroleinnationaleconomicconstructionandmoreimportant,intherapiddevelopmentofCNCmachinetoolsandtechnologytoday,researchontheNCmachinetooltechnologyhasbecomeafieldofveryattentionallovertheworld.
TheissueforthedesignoftheCNCverticalfeedsystemcalculationprocesswerediscussedindetail.Inthedesignofconcretefortheselectionandcalculationofthevariouscomponentsindetail.Forexample:
guidetheselectionofthedesign,theballscrewnutpairselectionandcalculation.Alsothefeeddrivesystemstiffnesscalculation,feeddrivesystemerroranalysis,thedrivemotor,theselectionandcalculationofthedrivemotorandballscrewconnection,thedrivingmotorandthefeeddrivesystemdynamicanalysis.
Keywords:
CNClatheelectronictechnologydesign
第一章绪论
数控机床是数字控制机床(Computernumericalcontrolmachinetools)的简称,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,并将其译码,用代码化的数字表示,通过信息载体输入数控装置。
经运算处理由数控装置发出各种控制信号,控制机床的动作,按图纸要求的形状和尺寸,自动地将零件加工出来。
与普通机床相比,数控机床有如下特点:
图1.1数控机床
1.对加工对象的适应性强,适应模具等产品单件生产的特点,为模具的制造提供了合适的加工方法;
2.加工精度高,具有稳定的加工质量;
3.可进行多坐标的联动,能加工形状复杂的零件;
4.加工零件改变时,一般只需要更改数控程序,可节省生产准备时间;
5.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3~5倍);
6.机床自动化程度高,可以减轻劳动强度;
7.有利于生产管理的现代化数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息,使用了计算机控制方法,为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础;
8.对操作人员的素质要求较高,对维修人员的技术要求更高;
9.可靠性高。
第二章数控系统的发展简史及发展现状
1949年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。
1952年第一代数控系统——电子管数控系统的诞生。
20世纪50年代末,完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统——晶体管数控系统被研制成功,取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。
随着集成电路技术的发展,1965年出现了第三代数控系统——集成电路数控系统。
1970年,在美国芝加哥国际机床展览会上,首次展出了第四代数控系统——小型计算机数控系统,然后,随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业,1974年,第五代数控系统——微型计算机数控系统也出现了。
应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。
综上所述,由于微电子技术和计算机技术的不断发展,数控机床的数控系统也随着不断更新,发展非常迅速,几乎5年左右时间就更新换代一次[1]。
数控机床是先进制造业的基础机械,是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。
欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程,1990年日本机床产值数控化率达75%,美国达70.1%,德国达57%。
目前世界数控机床年产量超过15万台,品种超过1500多种
目前,我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期,也是由封闭型向开放型过渡的时期。
我国数控系统在技术上已趋于成熟,在重大关键技术(包括核心技术),已达到国际先进水平。
自“七五”以来,国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持,现已开发出具有中国版权的数控系统,掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。
例如,曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题,0.1mµ当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。
尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统,可实施多轴控制,具备联网进线等功能既可作为独立产品,又是一代开放式的开发平台,为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。
特别重要的是,我国数控系统的可靠性已有很大提高,MPBF值可以在15000h以上。
同时大部分数控机床配套产品已能国内生产,自我配套率超过60%。
这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础[1]。
我国进行改革开放后,由于政策的开放,使得金属切削行业得以和世界上先进的机床制造国家进行技术交流,并通过引进技术,到80年代初,国产数控机床进入实用化阶段,1991年数控机床的产值数控化率为14.3%,到1997年数控机床产值数控化率为24.5%。
目前,我国数控机床(包括经济型机床)品种约有500个[2]。
但是,与国外数控车床相比,在性能、质量设计、制造等各方面存在较大差异,并存在许多不足:
机械件的材质、加工精度、加工工艺存在较大差距,装配工艺也存在一定差距;主轴及卡盘刚性差,主轴定位准停不好;安全性较差,软硬件保护功能不够;刀片磨损快,生产成本高,效率低;硬件设计方面不规范,不符合国标,比如使用电压等级、电线颜色使用、图纸资料的绘制装订、提交等等,有的机床厂家甚至仍然停留在十年二十年前的设计思想;程序设计方面缺乏标准,不规范,逻辑性不强,故障率高,在使用过程中需不断对程序进行修改;外围元件布置及走线不规范,标牌线号不清,图纸与实物不符,维修困难;使用的元器件本身质量差,使用寿命短,故障率高,有的机床厂家为了降成本却忘记了质量、忘记了可靠性,选用一些国产的轴承、接触器、继电器、接近开关等元件,在生产过程中小故障连绵不断;柔性化不强,多品种生产困难。
而国外数控车床无论是设计水平,还是制造水平,都要高出国内数控车床。
机械件材质、加工精度、加工工艺、装配工艺比较好;软硬件设计有专门的标准,设计规范合理,配套件齐全,标牌标示清楚齐全;使用的元器件质量好,故障率低;新技术的应用及时领先;概括来说,精度及可靠性高、性能稳定故障率低。
随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈,产品更新速度越来越快,复杂形状的零件越来越多,精度要求越来越高,多品种、中小批量生产的比重明显增加。
传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量的加工要求。
为了满足社会经济发展和科技发展的需要,数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及开放性等方向发展。
第三章数控机床的组成与分类
3.1数控机床的组成
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。
图3.1数控机床的组成
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。
⑵、CNC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作进给运动。
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,ProgrammableController)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,ProgrammableLogicController)。
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,ProgrammableMachineController)。
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。
3.2数控机床的分类
一、按加工方式和工艺用途分类
1、普通数控机床
普通数控机床一般指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床,如数控铣床、数控车床、数控钻床、数控磨床与数控齿轮加工机床等。
普通数控机床在自动化程度上还不够完善,刀具的更换与零件的装夹仍需人工来完成。
2、加工中心
加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床,它将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能组合在一起,零件在一次装夹后,可以将其大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工。
由于加工中心能有效地避免由于多次安装造成的定位误差,所以它适用于产品更换频繁、零件形状复杂、精度要求高、生产批量不大而生产周期短的产品。
二、按运动方式分类
1、点位控制数控机床
点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位,然后进行定点加工,而点与点之间的路径不需控制。
采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等
2、点位直线控制数控机床
点位直线控制是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外,还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。
采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。
3、轮廓控制数控机床
亦称连续轨迹控制,能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。
为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓,数控装置具有插补运算的功能,使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线,并协调各坐标方向的运动速度,以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。
采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。
三、按控制方式分类
1、开环控制系统
开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统,由步进电机驱动线路和步进电机组成。
数控装置经过控制运算发出脉冲信号,每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度,通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。
这种伺服机构比较简单,工作稳定,容易掌握使用,但精度和速度的提高受到限制。
2、半闭环控制系统
半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置,通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移,然后反馈到数控装置的比较器中,与输入原指令位移值进行比较,用比较后的差值进行控制,使移动部件补充位移,直到差值消除为止的控制系统。
这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构,为大多数中小型数控机床所采用。
3、闭环控制系统
闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置,将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中,与输入的原指令位移值进行比较,用比较后的差值控制移动部件作补充位移,直到差值消除时才停止移动,达到精确定位的控制系统
闭环控制系统的定位精度高于半闭环控制,但结构比较复杂,调试维修的难度较大,常用于高精度和大型数控机床。
四、按联动轴数分类
数控系统控制几个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动,称为坐标联动,按照联动轴数可以分为:
1、两轴联动
数控机床能同时控制两个坐标轴联动,适于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮廓。
2、两轴半联动
在两轴的基础上增加了Z轴的移动,当机床坐标系的X、Y轴固定时,Z轴可以作周期性进给。
两轴半联动加工可以实现分层加工。
3、三轴联动
数控机床能同时控制三个坐标轴的联动,用于一般曲面的加工,一般的型腔模具均可以用三轴加工完成。
4、多坐标联动
数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联动。
多坐标数控机床的结构复杂,精度要求高、程序编制复杂,适于加工形状复杂的零件,如叶轮叶片类零件。
通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工;五轴机床也可以只用到三轴联动加工,而其他两轴不联动。
第四章伺服系统
4.1伺服系统的组成和分类
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,它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移量。
每个进给运动的执行部件都配有一套伺服系统。
如果说CNC装置是数控机床的大脑,发布命令的指挥机构,那么伺服系统就是数控机床的四肢,是一种执行机构。
它忠实而准确的执行着CNC装置发来的行动命令。
伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动,它相当于手工操作人员的手,使工作台(或溜板)精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动,最后加工出符合图样要求的零件。
图4.1伺服系统结构示意图
数控机床伺机服进给系统是由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。
数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统;按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统
1.开环控制数控系统:
这类数控系统不带检测装置,也无反馈电路,以步进电动机为驱动元件,CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大,转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电/断电的电流脉冲信号,驱动步进电动机转动,再经机床传动机构(齿轮箱,丝杠等)带动工作台移动。
这种方式控制简单,价格比较低廉,被广泛应用于经济型数控系统中。
2.半闭环控制数控系统:
位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端,通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置(直线位移),并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较,用差值进行控制。
由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节,由这些环节造成的误差不能由环路所矫正,其控制精度不如闭环控制数控系统,但其调试方便,可以获得比较稳定的控制特性,因此在实际应用中,这种方式被广泛采用。
3.全闭环控制数控系统:
位置检测装置安装在机床工作台上,用以检测机床工作台的实际运行位置(直线位移),并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较,用差值进行控制。
这类控制方式的位置控制精度很高,但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内,调试时,其系统稳定状态很难达到。
由于各种数控机床所完成的加工任务不同,它们对进给伺服系统的要求也不尽相同,但通常可概括为以下几方面:
可逆运行;速度范围宽;具有足够的传动刚度和高的速度稳定性;快速响应并无超调;高精度;低速大转矩。
4.2纵向伺服进给系统的基本要求
数控机床进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的相应位移或直线位移,带动运动部件运动。
根据工件加工的需要,在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的,也可以是联动的。
总之,数控机对进给系统的要求集中在精度、稳定性和快速响应三个方面。
为满足这些要求,首先需要高性能的伺服驱动电机,同时也需要高质量的机械结构与之匹配。
为提高进给系统机械结构性能主要采取以下措施:
(1)提高系统机械结构的传动刚度:
主要是从传动元件的刚度、消除传动元件之间的间隙、尽可能缩短进给传动链的长度、采用预紧措施这几方面为出发点考虑。
(2)采用低而稳定的摩擦传动副:
因为数控铣床进给系统多采用刚度高、摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副,如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。
(3)惯量匹配:
最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求。
由于在通常情况下传动系统机械结构的惯量总是大于要求的数值,故而在设计时为得到最佳的惯量匹配,总是希望传动系统中元件的质量和惯量要小一些,降速比则要大一些。
(4)提高传动件精度:
高质量的机械传动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高。
4.3伺服系统对伺服电机的要求
1从最低速到最高速电机都能平稳运转,转矩波动要小,尤其在低速如0.1r/min或更低速时,仍有平稳的速度而无爬行现象。
2电机应具有大的较长时间的过载能力,以满足低速大转矩的要求。
一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。
3为了满足快速响应的要求,电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩,并具有尽可能小的时间常数和启动电压。
电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力,才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。
4电机应能随频繁启动、制动和反转。
随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展,数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。
使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。
由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID,使用灵活,柔性好。
数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施,使控制精度和品质大大提高。
第五章设计计算部分
方案设计及总体布局:
机床结构可以布置成卧式、立式、倒立式及斜置式等,此次设计选取在我国应用广泛的CK6160系列数控车床进行计算。
数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分,在设计中,在伺服方式上选择最广泛应用的半闭环方式。
采用螺旋传动,计算滚珠丝杠副尺寸规格,接着进行丝杠的校核并进行精度等验算,根据计算的扭矩选择伺服电机。
CK6160数控车床主要技术参数:
(1)、床身上最大回转直径:
600mm;
(2)、最大车削直径:
600mm;
(3)、最大车削长度:
1000mm(最大行程:
1050mm);
(4)、横向最大行程:
350mm;
(5)、主电机功率:
11kw
(6)、主轴最高转速:
2500rpm;
(7)、X向/Z向参数:
快速进给速度16m/8m/min,最小移动单位0.001mm,最小输入单位0.001mm。
图5.1CK6160数控机床
(8)、其余:
床身为矩形导轨,与其接触的工作台面贴塑
5.1滚珠丝杠副的计算及选型
为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求,必须合理选择滚珠丝杠副,并进行必要的校核计算。
计算参数:
纵向工作台总重量W=2000N
工作台Z向最大行程1050mm
纵向快速进给速度=8m/min
定位精度±0.01mm
重复定位精度±0.005mm
下表给出了工作台的切削状况,以此为前提进行传动部件的设计
表5.1轴向受力状况
切削方式
轴向力(N)
进给速度(r/min)
工作时间百分比%
强力切削
6900
50
20
一般切削
3900
100
50
精切削
1400
500
30
5.1.1确定滚珠丝杠的导程t
根据机床传动要求、负载大小和传动效率等因素综合考虑确定导程t。
先按机床传动要求确定,其公式为:
=/(5.1)
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