1、精選優質文檔-傾情為你奉上畢業論文題目:機電一體化在數控機床中的應用 學 院 年 級 2012級 專 業 學 號 學生姓名 指導教師 2015 年 3月專心-專注-專業畢業設計鑒定表院 系 汽車與信息工程系 專 業 機電一體化技術 年 級 2012級（1）班 姓 名 題 目 機電一體化在數機床中的應用 指導教師 評 語 指導老師評分： 指導教師 (簽字) 答辯成績： 答辯小組組長 (簽字)畢業設計總成績: 等級： 年 月 日摘 要機電一體化發展至今已經成為一門有著自身體系的新型學科，隨著科學技術的不斷發展，還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為:機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術

2、、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術及電力電子技術，根據系統功能目標要求，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。迄今為止，世界各國都在大力推廣機電一體化技術1。因此，作為一種典型的機電一體化產品，數控機床得到了廣泛應用，其技術范圍覆蓋很多領域:（1）機械制造技術；（2）信息處理、加工、傳輸技術；（3）自動控制技術；（4）伺服驅動技術；（5）傳感器技術；（6）軟件技術等。于此同時，機電一體化技術在機床領域的發展空間也越來越廣闊。關鍵詞：設計 控制 制造 操作 維修目 錄 第一章 數控車床的

3、基本組成和工作原理1.1任務準備1.1.1 機床結構數控機床一般由輸入輸出設備、CNC裝置（或稱CNC單元）、伺服單元、驅動裝置（或稱執行機構）、可編程控制器PLC及電氣控制裝置、輔助裝置、機床本體及測量反饋裝置組成。如下圖是數控機床的組成框圖。電 氣 回 路輔 助 裝 置PLC主軸伺服單元操 作 面 板主軸驅動裝置進給驅動裝置測量反饋裝置進給伺服單元輸入/輸出設 備計算機數 控裝 置機 床 本 體 圖1-1機床機構機床本體數控機床的機床本體與傳統機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統、潤滑系統、冷卻裝置等組成。但數控機床在整體布局、外觀造型、傳動系

4、統、刀具系統的結構以及操作機構等方面都已發生了很大的變化，這種變化的目的是為了滿足數控機床的要求和充分發揮數控機床的特點。CNC單元CNC單元是數控機床的核心，CNC單元由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成。CNC單元接受數字化信息，經過數控裝置的控制軟件和邏輯電路進行譯碼、插補、邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統，伺服系統驅動執行部件。不要有內似空格輸入/輸出設備輸入裝置將各種加工信息傳遞于計算機的外部設備。在數控機床產生初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現已淘汰，后發展成盒式磁帶，再發展成鍵盤、磁盤等便攜式硬件，極大方便了信息輸入工作，現通用DNC網絡通訊串行通信的方式輸入。輸出指輸出內部工

5、作參數（含機床正常、理想工作狀態下的原始參數，故障診斷參數等），一般在機床剛工作狀態需輸出這些參數作記錄保存，待工作一段時間后，再將輸出與原始資料作比較、對照，可幫助判斷機床工作是否維持正常。伺服單元伺服單元由驅動器、驅動電機組成，并與機床上的執行部件和機械傳動部件組成數控機床的進給系統。它的作用是把來自數控裝置的脈沖信號轉換成機床移動部件的運動。對于步進電機來說，每一個脈沖信號使電機轉過一個角度，進而帶動機床移動部件移動一個微小距離。每個進給運動的執行部件都有相應的伺服驅動系統，整個機床的性能主要取決于伺服系統。驅動裝置驅動裝置把經放大的指令信號變為機械運動，通過簡單的機械連接部件驅動機床，

6、使工作臺精確定位或按規定的軌跡作嚴格的相對運動， 最后加工出圖紙所要求的零件。和伺服單元相對應，驅動裝置有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機等。伺服單元和驅動裝置可合稱為伺服驅動系統，它是機床工作的動力裝置，CNC裝置的指令要靠伺服驅動系統付諸實施，所以，伺服驅動系統是數控機床的重要組成部分。可編程控制器可編程控制器 (PC，Programmable Controller) 是一種以微處理器為基礎的通用型自動控制裝置，專為在工業環境下應用而設計的。由于最初研制這種裝置的目的是為了解決生產設備的邏輯及開關控制， 故把稱它為可編程邏輯控制器( PLC， Programmable Logic Co

7、ntroller)。當PLC用于控制機床順序動作時，也可稱之為編程機床控制器( PMC， Programmable Machine Controller )。PLC己成為數控機床不可缺少的控制裝置。CNC和PLC協調配合，共同完成對數控機床的控制。測量反饋裝置測量裝置也稱反饋元件，包括光柵、旋轉編碼器、激光測距儀、磁柵等。通常安裝在機床的工作臺或絲杠上，它把機床工作臺的實際位移轉變成電信號反饋給CNC裝置，供CNC裝置與指令值比較產生誤差信號，以控制機床向消除該誤差的方向移動。1.2工作原理使用數控機床時，首先要將被加工零件圖紙的幾何信息和工藝信息用規定的代碼和格式編寫成加工程序; 然后將加工

8、程序輸入到數控裝置，按照程序的要求，經過數控系統信息處理、 分配，使各坐標移動若干個最小位移量，實現刀具與工件的相對運動，完成零件的加工。1.3數控車床的分類數控車床的品種和規格繁多，一般可以用下面三種方法分類。按控制系統分目前市面上占有率較大的有法拉克、華中、廣數、西門子、三菱等。按運動方式分類點位控制數控機床點位/直線控制數控機床 連續控制數控機床按控制方式分類 按控制方式分類可以分為開環控制數控機床、閉環控制數控機床和半閉環控制數控機床。1.4數控車床的性能指標主要規格尺寸數控車床主要有床身與刀架最大回轉直徑、最大車削長度、最大車削直徑等。 主軸系統 數控車床主軸采用直流或交流電動機驅動

9、，具有較寬調速范圍和較高回轉精度，主軸本身剛度與抗振性比較好。現在數控機床主軸普遍達到500010000rmin甚至更高的轉速，對提高加工質量和各種小孔加工極為有利；主軸可以通過操作面板上的轉速倍率開關調整轉速；在加工端面時主軸具有恒線切削速度(恒線速單位：mm/min)，是衡量車床的重要性能指標之一。進給系統 該系統有進給速度范圍、快速(空行程)速度范圍、運動分辨率(最小移動增量)、定位精度和螺距范圍等主要技術參數。進給速度是影響加工質量、生產效率和刀具壽命的主要因素，直接受到數控裝置運算速度、機床動特性和工藝系統剛度限制。數控機床的進給速度可達到1030mmin其中最大進給速度為加工的最大

10、速度，最大快進速度為不加工時移動的最快速度，進給速度可通過操作面板上的進給倍率開關調整。脈沖當量(分辨率)是CNC重要的精度指標。有其兩個方面的內容，一是機床坐標軸可達到的控制精度(可以控制的最小位移增量)，表示CNC每發出一個脈沖時坐標軸移動的距離，稱為實際脈沖當量或外部脈沖當量；二是內部運算的最小單位，稱之為內部脈沖當量，一般內部脈沖當量比實際脈沖當量設置得要小，為的是在運算過程中不損失精度，數控系統在輸出位移量之前，自動將內部脈沖當量轉換成外部脈沖當量。實際脈沖當量決定于絲杠螺距、電動機每轉脈沖數及機械傳動鏈的傳動比，其計算公式為 數控機床的加工精度和表面質量取決于脈沖當量數的大小。普通

11、數控機床的脈沖當量，般為0.001mm，簡易數控機床的脈沖當量一般為0.01mm，精密或超精密數控機床的脈沖當量一般為0.0001mm，脈沖當量越小，數控機床的加工精度和表面質量越高。 定位精度和重復定位精度，定位精度是指數控機床各移動軸在確定的終點所能達到的實際位置精度，其誤差稱為定位誤差。定位誤差包括伺服系統、檢測系統、進給系統等的誤差，還包括移動部件導軌的幾何誤差等。它將直接影響零件加工的精度。重復定位精度是指在數控機床上，反復運行同一程序代碼，所得到的位置精度的一致程度。重復定位精度受伺服系統特性、進給傳動環節的間隙與剛性以及摩擦特性等因素的影響。一般情況下，重復定位精度是呈正態分布的

12、偶然性誤差，它影響一批零件加工的一致性，是一項非常重要的精度指標。一般數控機床的定位精度為0.001mm，重復定位精度為0.005mm。 刀具系統數控車床包括刀架工位數、工具孔直徑、刀桿尺寸、換刀時間、重復定位精度各項內容。加工中心刀庫容量與換刀時間直接影響其生產率，換刀時間是指自動換刀系統，將主軸上的刀具與刀庫刀具進行交換所需要的時間，換刀一般可在520s的時間內完成。 數控機床性能指標還有電機、冷卻系統、機床外形尺寸、機床重量等。1.5數控車床的特點與普通車床相比，數控車床具有以下幾個特點：適應性強由于數控機床能實現多個坐標的聯動，所以數控機床能加工形狀復雜的零件，特別是對于可用數學方程式

13、和坐標點表示的零件，加工非常方便。更換加工零件時，數控機床只需更換零件加工的NC程序。加工質量穩定對于同一批零件，由于使用同一機床和刀具及同一加工程序，刀具的運動軌跡完全相同這就保證了零件加工的一致性好，且質量穩定。效率高數控機床的主軸轉速及進給范圍比普通機床大。目前數控機床最高進給速度可達到100m/min以上，最小分辨率達0.01um。一般來說，數控機床的生產能力約為普通機床的三倍，甚至更高。數控機床的時間利用率高達90，而普通機床僅為3050。精度高數控機床有較高的加工精度，一般在0.005mm0.1mm之間。數控機床的加工精度不受零件復雜程度的影響，機床傳動鏈的反向齒輪間隙和絲杠的螺距

14、誤差等都可以通過數控裝置自動進行補償。因此，數控機床的定位精度比較高。減輕勞動強度在輸入程序并啟動后，數控機床就自動地連續加工，直至完畢。這樣就簡化了工人的操作，使勞動強度大大降低。還有能實現復雜的運動、產生良好的經濟效益、利于生產管理現代化等特點。第二章 數控車床編程與操作2.1數控車床概述數控車床作為當今使用最廣泛的數控機床之一，主要用于加工軸類、盤套類等回轉體零件，能夠通過程序控制自動完成內外圓柱面、錐面、圓弧、螺紋等工序的切削加工，并進行切槽、鉆、擴、鉸孔等工作，而近年來研制出的數控車削中心和數控車銑中心，使得在一次裝夾中可以完成更多得加工工序，提高了加工質量和生產效率，因此特別適宜復

15、雜形狀的回轉體零件的加工。2.1.1數控車床的組成數控車床由床身、主軸箱、刀架進給系統、冷卻潤滑系統及數控系統組成。與普通車床所不同的是數控車床的進給系統與普通車床有質的區別，它沒有傳統的走刀箱溜板箱和掛輪架，而是直接用伺服電機或步進電機通過滾珠絲杠驅動溜板和刀具，實現進給運動。數控系統由NC單元及輸入輸出模塊，操作面板組成。 從機械結構上看，數控車床還沒有脫離普通車床的結構形式，即由床身、主軸箱、刀架進給系統，液壓、冷卻、潤滑系統等部分組成。與普通車床所不同的是數控車床的進給系統與普通車床有質的區別，它沒有傳統的走刀箱、溜板箱和掛輪架，而是直接用伺服電機通過滾珠絲杠驅動溜板和刀具，實現運動，

16、因而大大簡化了進給系統的結構。由于要實現CNC，因此，數控車床要有CNC裝置電器.控制和CRT操作面板。 2.1.2數控車床的機械構成(1)主軸箱 數控車床主軸箱的構造，主軸伺服電機的旋轉通過皮帶輪送刀主軸箱內的變速齒輪，以此來確定主軸的特定轉速。在主軸箱的前后裝有夾緊卡盤，可將工件裝夾在此。(2)主軸伺服電機 主軸伺服電機有交流和直流。直流伺服電機可靠性高，容易在寬范圍內控制轉矩和速度，因此被廣泛使用，然而，近年來小型、高速度、更可靠的交流伺服電機作為電機控制技術的發展成果越來越多地被人們利用起來。(3)夾緊裝置這套裝置通過液壓自動控制卡爪的開/合。(4)往復拖板在往復拖板上裝有刀架，刀具可

17、以通過拖板實現主軸的方向定位和移動，從而同Z軸伺服電機共同完成長度方向的切削。(5)刀架 此裝置可以固定刀具和索引刀具，使刀具在與主軸垂直方向上定位，并同Z軸伺服電機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（執行NC數據的輸入/輸出）和機床操作面板（執行機床的手動操作）。2.1.3數控系統數控車床的數控系統是由CNC裝置、輸入/輸出設備、可編程控制器（PLC）、主軸驅動裝置和進給驅動裝置以及位置測量系統等幾部分組成,如圖2-4所示。 圖2-1 CNC系統構成圖號從2-1開始數控車床通過CNC裝置控制機床主軸轉速、各進給軸的進z給速度以及其他輔助功能。2.1.4數控車床

18、的特點（1）傳動鏈短 數控車床刀架的兩個方向運動分別由兩臺伺服電機驅動。伺服電機直接與絲杠聯結帶動刀架運動，伺服電機與絲杠也可以按控制指令無級變速，它與主軸之間無須再用多級齒輪副來進行變速。隨著電機寬調速技術的發展，目標是取消變速齒輪副，目前還要通過一級齒輪副變幾個轉速范圍。因此，床頭箱內的結構已比傳統車床簡單得多。（2）剛性高 與控制系統的高精度控制相匹配，以便為了拖動輕便，數控車床的潤滑都比較充分，大部分采用油霧自動潤滑。適應高精度的加工。（3）輕拖動刀架移動一般采用滾珠絲杠副，為了提高數控車床導軌的耐磨性，一般采用鑲鋼導軌，這樣機床精度保持的時間就比較長，也可延長使用壽命。另外，數控車床

19、還具有加工冷卻充分、防護嚴密等結構特點，自動運轉時都處于全封閉或半封閉狀態。數控車床一般還配有自動排屑裝置。2.1.5數控車床的分類數控車床品種繁多，按數控系統功能和機械構成可分為簡易數控車床（經濟型數控車床）、多功能數控車床和數控車削中心。(1）簡易數控車床（經濟型數控車床）。是低檔次數控車床，一般是用單板機或單片機進行控制，機械部分是在普通車床的基礎上改進設計的。(2）多功能數控車床。也稱全功能型數控車床，由專門的數控系統控制，具備數控車床的各種結構特點。(3)數控車削中心。在數控車床的基礎上增加其他的附加坐標軸。2.1.6數控車床（CJK6153）的主要技術規格。床身最大工具回轉直徑：5

20、30mm。滑板最大工件回轉直徑：280mm，機床頂尖距1000mm，刀架最大X向行程：260mm，刀架最大Z向行程：1000mm。手動4級變頻調速252000轉/分。2.1.7數控車床（CJK6153）的潤滑與冷卻該機床的潤滑分床頭箱的潤格及其它部件的潤滑兩個部分。有齒輪變速的床頭箱均采用油潤滑，由擺線泵進行強迫潤滑，擺線泵吸油時，先通過精制過濾器，再進過磁性濾清器而后送到各潤滑部件或經分油器對主軸軸承及所有其它運轉零件進行強迫潤滑和噴油潤滑。機床上其它部件的潤滑，如尾架、道軌及絲杠螺母等均采用油潤滑，采用間歇潤滑泵對X軸、Z軸的各導軌潤滑面及滾珠絲杠螺母、尾架套筒外圓等部位進行自動間歇式潤滑

21、。在呈透明狀態的油箱內，帶有一個液位報警開關，當箱內油液低于規定值時，機床會發出潤滑報警。 該機床冷卻系統采用泵冷卻。冷卻裝置的日常維修主要是冷卻水的補給更換及過濾器的清洗。在冷卻箱內未灌入冷卻液前，嚴禁啟動冷卻泵，以免使冷卻泵燒壞。當冷卻水減少時，應及時補給。冷卻水發生污染變質時，應全部更換，冷卻液應注意選擇防銹性能好的，以免機床生銹。2.2數控車床的編程方法要學好數控車床的編程，必須了解數控車床的操作要點，現有教材大多沒把數控車床的操作與編程作為一個整體來講。2.2.1設定數控車床的機床坐標系機床坐標系是機床固有的坐標系，是制造和調整機床的基礎，也是設置工件坐標系的基礎。機床坐標系在出廠前

22、已經調整好，一般不允許隨意變動。參考點也是機床上的一個固定不變的極限點，其位置由機械擋塊或行程開關來確定。通過回機械零點來確認機床坐標系。回機械零點前先要開機，數控車床開機前先要熟悉數控車床的面板。面板的形式同數控系統密切相關。數控車床的開機有難有易。對于配圖產系統的車床。開機大都比較簡單，一般打開電源后，直接啟動數控系統即可。開機后，通過回零，使工作臺回到機床原點（或參考點，該點為與機床原點有一固定距離的點）。數控車床的回零（回參考點）步驟為：開關置于“回零”位置。按手動軸進給方向鍵+X、+Z至回零指示燈亮。開機后必須先回零（回參考點），若不作此項工作，則螺距誤差補償、背隙補償等功能將無法實

23、現。設定機床機械原點同編程中的G54指令直接有關。第三章 數控車床加工工藝分析3.1零件圖樣分析因為薄壁加工比較困難，尤其是內孔的加工，由于在切削過程中，薄壁受切削力的作用，容易產生變形。從而導致出現橢圓或中間小，兩頭大的“腰形”現象。另外薄壁套管由于加工時散熱性差，極易產生熱變形，使尺寸和形位誤差。達不到圖紙要求，需解決的重要問題，是如何減小切削力對工件變形的影響。薄壁零件的加工是車削中比較棘手的問題，原因是薄壁零件剛性差，強度弱，在加工中極容易變形，使零件的形位誤差增大，不易保證零件的加工質量。可利用數控車床高加工精度及高生產效率的特點，并充分地考慮工藝問題對零件加工質量的影響，為此對工件

24、的裝夾、刀具幾何參數、程序的編制等方 面進行試驗，有效地克服薄壁零件加工過程中出現的變形，保證了加工精度,為今后更好的加工薄壁零件提供了好的依據及借鑒。無論用什么形式加工零件，首先都必須從查看零件圖開始。由圖看見該薄壁零件加工，容易產生變形，這里不僅裝夾不方便，而且所要加工的部位也那難以加工，需要設計一專用薄壁套管、護軸。 圖3-13.2工藝分析根據圖紙提供的技術要求，工件采用無縫鋼管進行加工，內孔和外壁的表面粗糙度為Ra1.6，用車削即可達到。但內孔的圓柱度為0.03對于薄壁零件來講要求比較高，在批量生產中，工藝路線大致為：下料熱處理車端面車外圓車內孔質檢 前面所述，薄壁件加工特點得知“內孔

25、加工”工序是質量控制的關鍵。我們拋開外圓，薄壁套管就內孔切削就難保證0.03mm的圓柱，經過我們多次加工和實驗，采用刀具新磨法，較好地解決了這一問題材。3.3車孔的關鍵技術 車孔的關鍵技術是解決內孔車刀的剛性和排屑問題。增加內孔車刀的剛性，我采取了以下措施：（1）盡量增加刀柄的截面積，通常內孔車刀的刀尖位于刀柄的上面，這樣刀柄的截面積較少，還不到孔截面積的1/4，如圖1 圖3-2 圖3-3若使內孔車刀的刀尖位于刀柄的中心線上，那么刀柄在孔中的截面積可大大地增加，（2）刀柄伸出長度盡能做到同加工工件長度長5-8mm，以增加車刀刀柄剛性，減小切削過程中的振動。3.4解決排屑問題主要控制切削流出方向

26、，粗車刀要求切屑流向待加工表面（前排屑）為此。采用正刃傾角的內孔車刀，精車時，要求切屑流向向心傾前排屑（孔心排屑）因此磨刀時要注意切削刃的磨削方向，要向前沿傾圓弧的排屑方法，如圖4精車刀合金用YA6,目前的M類型，它的抗彎強度、耐磨、沖擊韌度以及與鋼的抗粘和溫度都較好。 圖3-4刃磨時前角磨以圓以圓弧狀角度10-15后角根據加工圓弧離壁0.5-0.8mm（刀具底線順弧度）如圖4.c切削刃角k向為0.5-1為沿切屑刃圖4B點；修光刃為R1-1.5副后角磨成7-8為適圖4E內刃的A-A點磨成圓向外排屑。3.5加工方法(1)加工前必須要做一件護軸；護軸主要目的：是把車好的薄壁套內孔以原尺寸套住，用前后頂尖固定使它在不變形的情況下加工外圓，保持外圓加工質量、精度。所以，護軸的加工對加工薄壁套管的工序是關鍵環節。加工護軸毛胚用45碳結構圓鋼；車端面、開兩頭B型頂尖孔，粗車外圓，留余量1mm。經熱處理調質定形、再精車留0.2mm余量研磨。重新熱處理碎火表面，硬度HRC50，再經外圓磨床磨成如圖5所示，精度達要求，完工后待用。圖3-5（2)為能使工件一次性加工完畢，毛胚留夾位和切斷余量。（3）先把毛胚作熱處理調質定形，