数控车床的设计研究.doc

结构设计大作业数控车床 目录摘要- 11、车床主传动方式的选择 2、功率扭矩特性 3、主轴组件的设计 4、 温升及热变形情况 一、数控车床的机械结构分析-4l、 主传动系统2、 进给传动系统3、 刀架系统4 、工件装夹系统5、 床身和防护系统二、数控车床主轴驱动系统设计-61、 主轴驱动系统的要求2、 主轴变频器选用3、 变频器接线4 、变频器参数调整三、 数控机床进给传动系统优化设计研究-81、 建立系统优化目标函数2 、确定约束条件3 、综合分析四、 数控车床液压系统设计-13l 、数控车床对液压系统的要求2、 数控车床液压系统的主要动作3、 液压系统的其他要求4、 典型数控车床液压系统举例5 、液压系统元件的选择五 数控车床交流伺服系统及应用-191 、交流伺服电动机工作原理及速度控制2 、交流伺服电动机位置控制六·、总结-221CNC控制器的性能进一步提高、具有更多功能 2控制器的开放 数控车床摘要：数控机床分类UG逆向工程应用实例析正向造型法（下）采用直线电机驱动的新一代DMG车床 润滑油基础知识近几年我国机械业企业是如何进行ERP选型？济南四机两种数控磨床专机通过鉴定机械方案创新设计过程模型的研究再谈如何成功实施pdm不锈钢材料车削质量控制方案探讨子程序调用M98编程举例精镗循环 G76推广5轴高速设备在汽车覆盖件模中的应用 金属陶瓷在推广应用中的几个限制因素预合金粉末与金刚石的扩散连接一种车床主轴密封的新结构焊接机器人在长安汽车股份公司的应用及存在问题车刀片磨损分析和改进办法镗床加工方孔工装SINUMERIK 810D/840D 简明调试手册-轴类机床数据（下浅谈数控车削加工教学方法 标签:tag 1序言 数控车床是高度自动化机床，数控车床主传动系统的特点是：机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效率加工的需要；主轴转速的变换迅速可靠，一般能自动变速；主轴应有足够高的刚度和回转精度；主轴转速范围应很广，如对铝合金材料的高速切削，几乎没有. 数控车床是高度自动化机床，数控车床主传动系统的特点是：机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效率加工的需要；主轴转速的变换迅速可靠，一般能自动变速；主轴应有足够高的刚度和回转精度；主轴转速范围应很广，如对铝合金材料的高速切削，几乎没有上限的限制，主轴最高转速取决于主传动系统中传动元件的允许极限(如主轴轴承允许的极限转速)，而最低转速则根据加工不锈钢等难加工材料的要求来确定。现以我们厂自行设计生产的DS11型全功能数控车床为例，介绍主传动系统的设计。 1、车床主传动方式的选择 图1是该车床主传动系统图，主传动采用分离传动。运动是从15kW的直流主电机经三角皮带传至变速箱，通过齿轮变速使主轴获得4级固定转速，再由主电机调速使主轴转速达到262360r/min，在4档范围内均可进行恒速切削。主轴的4级机械变速是用油缸推动滑移齿轮来实现的。在变速时，主电机低速转动。齿轮啮合后压上行程开关。同时发令，使电机停止摇摆，并启动主轴运动。当改变主电机旋转方向时，可以得到相同的主轴正、反转。螺纹切削是通过与主轴11传动的主轴脉冲发生器发出同步脉冲讯号来实现的。 变速箱固定在主轴箱上，靠法兰盘定心。法兰盘内孔与主轴的中间轴承外圆相配，法兰盘外圆与变速箱体孔相配，以保证主轴三个轴承孔同心，并使齿轮正确啮合。这种分离传动将变速箱直接把在主轴箱上，即变速齿轮直接传动主轴，省去皮带传动的中间环节，使结构紧凑。同时，主轴与变速齿轮分装于两箱，以达到分离、减少主轴的热变形、提高主轴的刚性和精度的目的。 2、功率扭矩特性 图2是功率扭矩特性及转速图。主电机的最高转速为3500r/min，额定转速为1160r/min，恒功率调速范围为3，皮带轮的传动比为133236。由功率特性曲线可见，功率曲线重合，无缺口，即在计算转速142r/min以上，均可达到最大功率13kW(机械效率0.87)。但功率曲线重合部分太多，有些浪费。3、主轴组件的设计 图3是主轴结构图。主轴为三支承，前、中轴承在主轴箱内，是主要支承，后轴承在变速箱中，是辅助支承。前轴承是NN3024SKM-SP及234424MA-SP，中间轴承为NN3022SKM-CP。这种轴承配列具有很高的刚性，轴向力及径向力分别由不同的轴承负担，轴向热膨胀可由圆柱滚子轴承吸收。后轴承是向心球轴承D220。由于三个轴承孔的同轴度很难保证，所以后轴承与箱体孔的配合较松，前、中轴承用长效润滑脂润滑，并用主轴中间的两个背帽调节。主轴前端的两个半圆垫在装配时配磨，用来调整前轴承的预负荷。主轴孔径为70。4、 温升及热变形情况 由于中间轴承位于变速箱与主轴箱之间，散热条件较差，致使中间轴承的温升高于前轴承。变速箱的润滑采用体外循环形式，且油量较大，可以把轴承处的部分热量带走，因此中间轴承的温升并不太高。 下面是主轴温升及热变形情况： 主轴中速1180r/min，时间180min，室温25.5； 前轴承最高温度32.0，温升7； 中间轴承最高温度32.4，温升6.4； 主轴中心线在主平面上的变形量为9.5m； 主轴中心线在次平面上的变形量为8.5m； 主轴轴向变形量为18.5m； 主轴高速2360r/min，时间180min，室温25； 前轴承最高温度44.6，温升19.6； 后轴承最高温度51.5，温升26.5。 一、数控车床的机械结构分析l、 主传动系统 实现工件的旋转主运动，特点是速度较高，消耗动力较大。目前数控车床的主运动通常有以下几种类型：(1)机械有级手动变速型：它与普通车床基本相同。要变换工件的转速，必须先停车，再手动选速，然后再启动。这种型式结构复杂、性能低下，主要用于简易数控车床。(2)机械有级半自动变速型：它是在普通车床的基础上，采有电磁离合器，利用速度编程代码，可以自动实现主轴转速的有级变换。主轴变速实现分级自动化，可相对提高加工效率。这种型式价格较低，在简易数控车床中广泛应用。(3)变频无级自动变速型：利用变频调速技术，通过控制信号，可使变频电机实现连续无级自动变速，简化机械结构；用户可按加工状态，选择最合理的主轴转速。这种型式价格适中，缺点是低速时主轴输出扭矩较小，不适于低速重负荷切削。(4)交流主轴伺服无级自动变速型：利用主轴高速响应矢量控制技术，可实现电机连续无级自动变速。同变频调速相比，其低速特性好，恒功率范围广，但价格较高。这种型式是数控车床最理想的配置2、 进给传动系统 主要实现刀具的纵横向进给运动，特点是速度较低，消耗动力较小。数控车床的进给传动系统主要由驱动电机和滚珠丝杠副组成。(1)驱动电机有步进电机和伺服电机两种。伺服电机可分直流伺服电机和交流伺服电机，目前多用交流伺服电机。步进电机不带编码器，为开环控制系统；伺服电机带编码器，为半闭环控制系统。二者相比，伺服电机具有过载能力大和控制精度高的特点；而步进机具有价格低的优势。(2)滚珠丝杠副按回珠方式和螺母予紧方式有多种结构，目前最常用内循环双螺母垫片予紧型，可使机床达到较好的定位精度。3、 刀架系统主要实现刀盘的自动转换、定位及刀具的装夹，通常是数控车床的核心配套件，需要保证工件一次装夹后能够自动完成车削外圆、端面、圆弧、螺纹、镗孔、切槽、切断等加工工序。刀架系统按实现刀盘的松开、分度转位及夹紧定位的驱动方式分有液压和电动两种，目前后者用得较广，是因无需配套液压系统，结构也较紧凑。按刀架的功能分为全功能型和普通型，根本差异在于是否具有双向回转和任意刀位就近选刀功能，决定着刀架换刀的时间长短，从而影响着数控车床的加工效率。按刀架的分度定位元件分为双齿盘和三齿盘两种。三齿盘结构实现刀架转位时，刀盘无需抬起即可实现转位刹紧，刀架自身的防护性能也较好。目前三齿盘式(不抬起式)刀架趋向为首选结构。4 、工件装夹系统 主要实现工件的装夹，通常由卡盘及尾座组成，决定着上下工件是否方便和省力。目前，卡盘有手动、电动、液压三种；尾座多为手动和液压两种。液压结构复杂，价格稍高，但是装夹效率高，省力方便，还易实现安全保护功能。电动卡盘，因夹紧力难以控制，应用范围较小。手动卡盘价格低廉，简易数控车床中应用较广。5、 床身和防护系统 它们决定着数控车床的整体布局和外观造型。目前的数控车床有两大类型。(1)简易数控车床：整体布局由普通车床演变而来，多为平床身平拖板结构，刀架前置，切削区为半封闭或全封闭布局。因其构造同普通车床有很大的继承性，加工制造容易，成本较低。(2)全功能数控车床：整体布局多为斜床身平拖板(平床身斜拖板)结构，刀架后置，切削区为全封闭；上下工件操作方便，排屑容易，易实现自动化；切削区与纵横导轨完全隔离，具有良好的防水防尘性能，但其成本较高。二、数控车床主轴驱动系统设计1、 主轴驱动系统的要求 在切削过程中，工件与刀具的相互作用形成负载转矩。理论上讲，切削功率用于切削金属的剥落和变形，故切削力正比于切削的材料性质和截面积，而截面积由切削深度和走刀量决定。切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，其大小与切削深度、进刀量、工件的材质等因素有关。这使得数控车床主轴系统负载具有如下特点：(1)在大的转速范围内，数控车床允许切削深度与进刀量都是相等的，因而具有恒转矩性质。(2)在高速段，受床身机械强度及振动等影响，速度越高，允许的切削深度和进刀量越小，负载转矩也越小，因此具有恒功率性质。 数控车床要求主轴输出功率大，调速范围足够大，并具有主轴与进给驱动同步控制、准停控制、角度分度控制等控制功能。为满足上述数控要求，首先主轴电动机应具备以下性能：(1)电机功率大，且在调速范围内速度稳定，恒功率调速范围宽；(2)在断续负载下，电机的转速波动要小；(3)加、减速时间短；(4)电动机过载能力强；(5)噪声低、温升低、震动小、寿命长。2、 主轴变频器选用 本设计选用西门子MM440变频器，最大功率可达250kw，选择无速度传感器矢量控制方式。矢量控制法可使交流电动机变频调速后的机械特性和动态性能足以和直流电动机相比。而无速度传感器的矢量控制变频器不仅能够改善转矩控制的特性，而且能够改善针对各种负载变化产生的不同环境下的速度可控性。将2HZ的矢量变频控制和VF控制变频进行比较可发现前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段相同。矢量控制模式可提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力。主要具有以下特点：(1)变频器效率96至97；(2)过载能力强，内置制动单元，5分钟内持续时间6O秒150（恒转矩)负载电流过载，或1分钟内持续3秒200过载；(3)起动冲击电流小于额定输入电流；(4)各种保护齐全。 由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。电机除了考虑常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还应考虑定子电阻、定子漏感抗、转子电阻、转子漏感抗、互感抗和空载电流。3、 变频器接线 变频器与数控装置的联系通常包括：(1)数控装置至变频器的正反转信号；(2)数控装置至变频器的速度或频率信号；(3)变频器至数控装置的故障显示等状态信号。因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。 图1所示为MM440变频器外部接线。其中速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定电压，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置来控制主轴的速度。在该设计中，变频器AIN1十，AIN1一端子接收来自数控系统的速度模拟量信号，该信号为010V模拟电压。DIN1、DIN2端子由数控系统发出的正、反转信号所驱动的继电器进行控制，以实现主轴正反转。通过合理设置变频器参数，实现主轴转速从低速到高速的调速。4 、变频器参数调整4.1 P1000频率设定 模拟量输入AIN1可接收0一IOV，120mA 或-10V一+lOV的信号，该参数缺省值为2，此时选择01OV范围，对应频率范围050HZ60HZ。4.2 P1 300控制方式设定 将变频器P1300参数设置为20，控制方式则设定为无传感器矢量控制方式。4.3 电机参数设置(1)P1120 斜坡上升时间(2)P1121 斜坡下降时间(3)P0304 电机额定电压(4)P0305 电机额定电流(5)P0307 电机额定功率(6)P0308 电机额定功率因数(7)P0310 电机额定频率(8)P0311 电机额定速度电机各项额定参数设置应以电机铭牌为准。4.4 电机识别 将P1910=1后，BOP面板显示A501，表示现在正在做电机辨识计算，应启动变频器ON信号，辨识过程大约3-5分钟。当变频器自动OFF后，表示识别通过。 使用MM440变频器必须进行建模，对电机进行识别。即必须将P1910设置为1。否则运行参数与实际电机模型不符，工作会不正常。交流控制有别于直流控制的特点之一就是需要在控制器里对受控电机进行建模。三、数控机床进给传动系统优化设计研究 数控机床进给传动系统一般如附图所示 在进行该系统的设计时，通常是根据系统的要求对各个部件进行单独设计如滚珠丝杠副、齿轮副等零部件的设计设计过程中，对各参数的选择要采用试凑法、初选验算法等来满足设计要求设计计算花费的时间长 即使各零部件的设计达到要求，就整体系统来说，也很难达到系统的整体优化指标随着计算机应用的普及、优化设计技术的成熟和广泛使用，完全可以采用优化设计的理论和方法对该系统进行整体优化设计1、 建立系统优化目标函数11 设计变量的确定 在进行系统整体优化设计时，设计变量的选择应把对系统目标函数影响较大的、对零部件计起主要作用的那些参数作为设计变量如附图所示，该系统的机械零部件主要是滚珠丝枉副、齿轮副两大部分滚珠丝杠副的参数较多，如丝杠直径、导程、滚珠直径 、丝杠全长等齿轮副的设计参数有模数、齿数、速比、齿宽等按照设计变量的确定原则，丝杠直径d。、齿轮模数m、齿数z 对本优化设计所选目标函数影响较大而丝杠导程t、速比 i之间有确定的等式关系 此外，对于丝杠，有了d。、t，则可以选择丝杠生产厂家生产的各个系列的丝杠产品f有了m、 z，则可以算出标准齿轮的各部分尺寸综合上述分析，确定do、t、i、m、z (齿轮1齿数)作为优化设计的设计变量12 目标函数的确定 数控机床进给系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两个方面同时卖现自动控制因此，与普通机床相比，数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还 应具有良好的动态响应特性：系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好要满足数控机床对伺服系统的要求，除了在设计中采取无间隙、低摩擦、高刚度等措施外， 系统的转动惯量低则直接对系统的运动特性有很大影响它不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，在闭环或半闭环系统中还往往影响系统的稳定性 因此将系统折算到马达上的转动惯量Jmin，作为系统的优化目标函数 系统折算到马达上的转动惯量公式为：式中：J1，J2、 分别为齿轮1、齿轮2的转动惯量， J。为滚珠丝杠的转动惯量， ；t为滚珠丝杠基本导程，cm；W 为工件及工作台重量，N 按照各个零件的转动惯量计算方法有：式中，b为齿宽式中，d1 为丝杠底径对于外循环在一般情况下，将以上各式代入(5)式有：式中： l为丝杠长度把(2)式、(3)式、(6)式代入(1)式，得：将(7)式中的do、t 、i、m、Z1作为设计变量，取 其它参数定为设计常量，按照CA6140数控改造方案的原有设计：b=2 cm， l=100 cm，W=1500 N将设计变量和设计常量代入(7)式，则有以系统折算到马达上的转动惯量最小的目标函数2 、确定约束条件 按照优化设计的理论，约束条件分为边界约束和性能约束两类笔者根据本文系统的原设计经验对设计变量的取值范围(即边界约束)、丝杠副、齿轮的刚度、强度等允许范围限制(即性能约束)做了适当选取21 丝杠导程与逮比关系 设系统脉冲当量 =001 mm，伺服电机为功率步进电机，其步距角=075。，丝杠导程与速比有下述等式关系：22 滚珠丝杠直径的经验约柬 d。应大于丝杠工作长度130 设丝杠工作长度约为1000 mm则有do1003023 滚珠丝杠的刚度约柬 滚璩丝杠受工作负载P和扭矩M的作用将引起导程t的变化由于扭矩作用引起的误差较小可忽略不计按照丝杠精度要求，导程变形误差的允许值为：式中：15×为E级滚珠丝杠每l米因弹性变形所允许的导程误差值；E为弹性模数，对钢E=206×Nem ；A为滚珠丝杠截面积，按内径确定，P为工作负载，取P=1790 N24 齿轮齿数约柬防止轮齿根切的最小齿数1725 单豫蘧比约柬数控机床单级常用速比为1i526 齿轮模数的限制对于传递动力的齿轮要求模数不小于2 mm27 齿轮接触疲劳强度约束 齿轮接触疲劳强度校核公式为：式中：为区域系数，当 a=2时，=25；为弹性影响系数，；K为载荷系数，取k=12； 为泊松比，=03；T 为齿轮1传递的扭矩，由已知电机条件有T1=800 Ncm；b为齿宽，b=2 cm； 为许用接触疲劳强度，取=600 MPa将上面各数据代入校核公式有3 、综合分析31 优化结果分析 本文的目标函数和约束条件中，设计变量和设计常量的确定是基于原有CA6140普通车床数控改造的设计该设计的系统主要参数及系统转动惯量为：将本文以系统折算到马达上的转动惯量最小为目标进行优化计算，结果为：按照设计参数的可行性要求，将上面各参数凑整后有：do=35 mm，t= 6 mm， i=123，M=3 mm，z=18 其 优化方案的转动惯量比原设计方案降低了356 ，优化方案参数凑整后的转动惯量降低了278由此可见，优化设计得到的系统转动惯量降低是比较显著的32 设计变量值分析优化设计得到的各个参数与原设计方案比较，除模数加大外，其它各参数均有降低这与目标函数有直接关系特别是与降低转动惯量有直接影响的丝杠直径和齿轮齿数下降较多齿轮齿数降低了，而模数由O2增大到028，这主要是受到齿轮强度的约束各参数的优化值是正常的33 约束条件分析为了减少优化设计的约束条件，笔者在系统优化设计的性能约束中未考虑丝杠强度和齿轮弯曲疲劳强度约束这是依据本文系统的原设计经验：在满足丝杠刚度和齿轮接触疲劳强度的条件下，丝杠强度和齿轮弯曲疲劳强度均能满足要求将优化结果代入相应公式验算也证明了这一点(计算从略)此外，齿轮的齿数由原来的32下降到l8，齿数减少的幅度很大，虽然模数增加了，但齿轮的结构还是受到影响 按齿轮结构设计要求，如果齿轮齿根圆到齿轮轴孔的壁厚e不满足e>2m(模数)，则应将齿轮制成齿轮轴而在本设计中，齿轮1必须安装在电机轴上由于将z1=18代入壁厚公式验算后满足e>2m，所以本优化设计中未将此约束放入约束条件中但是如果考虑在系统中设置消除齿轮间隙的结构(如双片薄齿轮消隙结构)，则齿轮2直径应加大，此时对齿轮2应另加最小齿轮直径的约束四、数控车床液压系统设计l 、数控车床对液压系统的要求数控车床液压系统同液压机、磨床、工程机械液压系统相比有其特定之处，主要完成加工零件所需的一些辅助动作。数控车床液压系统所承担的辅助动作所需力及流量变化较小，主要负载是提供加工零件的夹紧力、顶紧力以及刀盘的锁紧力和一些油缸换位动作及大倾斜角度拖板的平衡。为满足上述功能，一般采用中低压系统，压力在7 MPa以下，液压系统流量一般在05× s(3O Lmin)以下。2、 数控车床液压系统的主要动作 a)工件的夹紧、松开：数控车床因其工件在高速旋转中进行切削加工，故对工件的可靠夹紧有其特殊的要求，并要保证在特殊情况下如：机床切削过程中出现故障、突然停电等情况下，工件被可靠夹持。因此对其工件夹紧液压装置在安全可靠性方面需有多重保护装置。 工件的夹持通常通过液压旋转油缸提供。轴向推拉力经拉杆连接到动力卡盘上，并经斜楔机构等将轴向力放大成夹紧工件的径向夹紧力。详见示意图1。 b)工件的轴向顶紧：数控车床加工轴类零件其长径比超过3倍时，根据零件的加工要求，一般需用活动顶尖顶紧工件，以加强工件的刚性，防止在切削过程中发生振动。数控车床为体现其高效、自动化，尾座套筒的伸缩与普通车床有所不同。普车套筒伸缩由手动完成，数控车床尾座套筒的伸缩一般通过液压油缸推动套筒来实现。 c)工件的径向辅助支承：车床加工细长轴时，为保证切削的顺利进行，一般需在工件中间加装中心架。普车的中心架通常为手动来完成工件的支承；数控车床的中心架大多采用液压自定心中心架。 d)拖板的平衡：数控车床的刀台、刀盘、小拖板等联成一体，由 轴滚珠丝杠通过伺服电动机带动而上下移动。当小拖板倾斜角度>45。时，为保证零件加工精度，减小滚珠丝杠的轴向受力，整个小拖板运动部分的质量所产生的下滑力，需采用平衡法加以处理。小拖板的平衡可由配重法，溢流阀、减压阀或平衡阀加平衡油缸来实现。详见图2和图3。 采用溢流阀、减压阀平衡重量时，由溢流阀的启闭特性、响应性及两阀的其余各项静、动态性能可知其平衡效果不很理想。而平衡阀兼具有两重性于一体，大大改善了工作特性。平衡阀一般选用先导式平衡阀，主阀为滑阀式结构，详见图4(a)，图4(b)。工作原理详见图5。数控机床在加工时，小拖板向上移动，带动平衡油缸中的活塞向上移动，平衡阀工作状况如图5(a)所示，此时C口压力未到达设定压力，滑阀在弹簧力的作用下处于图示位置，阀口A开启，压力油由P口到C口，平衡缸油腔补油。当小拖板在x轴方向无运动时，即活塞停止时的工况，平衡阀工况见图5(b)，当C口压力达到设定压力后，导阀开启，滑阀上的节流孔使滑阀两端产生压差，滑阀左移减压，直至阀口A关闭；若泄漏使C口压力下降，则滑阀右移，P口向c口供油，从而使c口压力恒定，达到平衡状态。当小拖板向下移动时，带动平衡油缸活塞向下移动，平衡阀工况见图5(c)，此时由于油缸加上外负载，C口压力大于设定压力，滑阀两端压差增大，滑阀左移到图示位置，阀口B打开，油液由C口流向0口，从而降低油缸油腔压力。 为了使平衡效果达到最佳，要求平衡油缸启动压力小，活塞运动灵活，且油缸静动磨擦力小。活塞密封采用格来圈，以保证有效、可靠、低磨擦，采用斯来圈，使其具有极佳的耐磨损与滑动性能，没有忽阻忽滑的毛病，亦即尽可能地 肖除爬行现象，保证x轴加工零件时上下运动位置精度的准确性。3、 液压系统的其他要求 数控机床对整个液压系统的要求是外观整齐，易于调整维修，在部分管路中需设置压力表，测压接点；油路管道排列整齐，至各个运动部件的液压软管，为防止损伤应尽可能采用管道防护导套。液压泵站在正常工作中，为保证液压油的工作特性，要求系统油温不得超过60 ，从开机至泵站热平衡温升不得超过3O ，泵站噪声不得超过72dB(A)。4、 典型数控车床液压系统举例 下面以图6某型数控车床液压系统为例，对其组成及工作中的调整加以简要说明。液压系统泵站运动时序：打开机床电源，启动电动机1，变量叶片泵2运转，溢流阀3起安全阀作用，调节变量泵2，使其输出压力到达5 MPa，并将安全阀6调至6MPa，以确保限压式变量叶片泵在限压失效时起溢流安全阀作用。泵站上同时装有液位计和压力管路滤油器4，滤油器过滤精度为10 I,rm，当压力管路滤油器进出口压差>03 MPa时，机床电器系统报警。 b)工件夹紧：数控车床切削工件通过动力卡盘夹紧，在高速液压旋转油缸规格确定后，其夹紧方式(正夹、反撑)和夹紧力的大小通过压力口减压阀5和电磁换向阀6和手动转位阀7(在油管不变的情况下实现夹与撑工件的切换)完成，压力继电器8用以检测工作压力达到设定值后，主轴方能旋转，以确保工件被可靠夹持。液压锁9确保意外故障等情况下油缸两腔油被困，确定工件不松脱，起安全保障锁作用。 C)工件轴向顶紧和中心辅助支承：数控车床加工细长轴时经常采用中心架支承或跟刀架支承，轴向由尾顶针顶紧，以确定工件加工刚性和精度。执行动作分别由换向阀10和12完成。力的大小控制分别由减压阀11和13来调整。压力继电器12、14则分别检测工件是否被可靠支承和轴向顶紧。 d)尾架的紧固与移动：当尾架体需在工件加工过程中进行z轴前后移动时，可由多种方式实现。尾架体实现与拖板耦合，由 向丝杠带动前后移动为其之一。阀l6控制尾架体与拖板耦合、分离同时通过薄膜油缸实现尾架体与尾架导轨的松开、夹紧。当尾架体与拖板分离，薄膜油缸实现尾架体与导轨的夹紧后，压力继电器l8发讯，此时尾架套筒伸出顶紧工件。 e)液压平衡装置的调整：此处溢流阀21起安全阀作用，调至平衡压力的12倍。调整平衡压力时，调节平衡阀22的先导阀，在z轴伺服电机上接测量电流装置，使得小拖板上、下移动时测得电流值相近，变化最小，则表示平衡油缸处于最佳工作状态。f)主轴变速：当主轴变速箱需换档变速时，主轴处于低速状态；通过阀l9完成高低速之间的转换。油缸移动速度由双单向节流阀20调节。 g)刀盘的换位与锁紧：采用液压马达实现刀盘换位是数控车床刀盘换位中常见的方式之一。换向阀23控制刀架端面齿盘的啮合与分离，阀24完成刀盘逻辑就近换位(即液压马达的正、反转)，液控节流调速阀25通过阀26的左右换位来控制刀盘旋转时快速和慢速，以节省换位时间并确保到位时的减速，防止刀盘越位和端齿盘啮合时的冲击，确保换位的正确性和定位精度。5 、液压系统元件的选择 a)液压泵的选择1)确定液压泵的最大工作压力P ：液压泵的最大工作压力P。由下式确定：PpPl+ P(MPa) 式中：P 工作元件的最大工作压力(进口)； P 由泵出口到工作元件进口之间的管路沿程阻力损失和局部阻力损失之和。 一般选用最大工作压力为70 MPa的液压泵。2)确定液压泵的流量Q 液压泵系统中使用蓄能器，液压泵流量按系统在一个循环周期中的平均流量选取。即：式中： Ui 液压缸(马达)在工作周期中的总耗油量，m3； Ti-数控车床的工作周期，s； z 执行元件(液压缸、马达)的个数。 一般选用限压式变量叶片泵，以实现节能、降低温升。 b)控制阀的选择：选择依据为额定压力、最大流量、动作方式、安装固定方式、压力损失数值、工作性能参数和工作寿命等。根据数控车床上用控制阀其流量小，普遍选用具备国际标准连接尺寸的各类6通径的叠加式压力阀、流量阀和方向阀。 c)管道的选择：选择管道主要根据压力损失、发热量和液压冲击，合理确定管道内径、壁厚和材料往往根据已定的元件的连接13来确定管道尺寸。一般选用外径为6，8，10，12，14壁厚为1 mm冷拔无缝钢管及其相应的液压软管。 d)确定油箱容量：合理确定油箱容量是保证液压系统正常工作的重要条件。 数控车床油箱容量一般按经验公式选定：V= a·Q式中：9液压箱的总额定流量，1min； a-经验系数，中压系统：a=57并根据国家标准确定液压泵站油箱公称容量。 f)滤油器的选择：根据其承受压力能力、过滤精度、通流能力、阻力压降、安装方式确定其型号，一般过滤精度在1O15 m等级。选用压力管路滤油器或回油管路滤油器。 液压油一般选用机械油或精密机床液压油，由其工作环境等要求确定。五数控车床交流伺服系统及应用1 、交流伺服电动机工作原理及速度控制 目前应用较为广泛的交流伺服电动机以永磁同步为主，永磁直流无刷次之，因此在这里只介绍永磁直流无刷伺服电动机和永磁同步式交流伺服电动机(1)水磁血流无刷伺服电动机 三相永磁直流无刷伺服电动机主要由电动机、位置传感器和电子开关线路3部分组成(见图1)借助较简单的位置传感器的信号，控制电枢绕组的换向，由于每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组的数目通常只采用三相相当于只有3个换向片的直流电动机，因此运行时电动机的脉动转矩大，造成速度的脉动，需要采用速度闭环才能较低转速运行。(2)永磁同步交流伺服电动机 永磁同步式交流伺服电动机的定子绕组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用。使定子带动转子一起旋转(见图2)。所不同的是转子磁极不是由转子的三相绕组产生，而是由永久磁铁产生。 转子速度n,=6Ofp式中 f 电源交流电的频率； p 定子和转子的极对数。交流伺服电机的转矩一速度特性曲线如图3所示2 、交流伺服电动机位置控制 位置控制是伺服系统的重要组成部分，是保证位置控制精度的重要环节。按位置反馈和比较方式不同可分为以下4种。(1)相位伺服驱动系统 图4为相位伺服驱动框图，相位伺服驱动系统利用相位比较的原理进行工作。位置检测采取相位方式，指令信号和反馈信号都变成某个载波的相位，通过两者相位的比较，来获得实际位置与指令位置的偏差。(2)幅值伺服驱动系统 图5幅值伺服驱动系统框图。幅值伺服驱动系统所用的位置检测元件工作在幅值工作方式，它利用位置检测信号的幅值大小反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。(3)脉冲(数字)比较伺服驱动系统 该系统是采用脉冲(或数字)比较构成位置闭环控制，它是将数控装置发出的指令信号与检测装置测得的反馈信号进行比较，产生位置误差，以达到闭环控制。如图6所示。(4)全数字伺服驱动系统的特点 采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳最优控制数字伺服驱动系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器2个基本环节组成。离散系统的校正环节的PID控制可由软件实现。由位置、速度和电流构成的三环反馈实现全部数字化，由计算机处理。 数字伺服驱动系统具有较高的动、静态精度。采用新的控制方法：前馈控制；预测控制；学习控制。3 数控车床伺服电路 CK160数控车床配备FANUC全数字交流伺服系统。如图7，其中K1一Kl为交流接触器；K1一TC1为变压器：K1一QM1为动力电源保护开关；K1一A1、A2为伺服单元：K1一M1、M2为伺服电动机；M1一K2为急停继电器，当按下急停按钮或 X轴、Z轴超程时，断开伺服电路。CNC将位置、速度控制指令以数字量的形式输出至数字伺服系统，数字伺服驱动单元本身具有位置反馈和位置控制功能。CNC和数字伺服驱动单元采用串行通信的方式，减少了连接电缆，便于机床安装的维护，提高了系统的可靠性。FANUC全数字交流伺服系统，采用了许多新的控制技术的改进伺服性能的措施，控制精度和品质大大提高。 六、总结 数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术(IT)与制造技术(MT)结合发展的结果。最近20年来，信息技术的急剧发展大大激发和增加了制造系统的上层智能功能；下一个20年，智能将延伸到工厂的车间底层，控制器将具有更高性能和更多功能；由于控制器的柔性，单台机床将变得更加灵活和精巧；可以广泛地进行通信；方便地进行集成和重构；对过程进行测量，预示结果，诊断故障，避免事故；并按照科学的模式进行加工，达到最佳的生产效率。下面是一些关于控制器最新的发展情况。 1CNC控制器的性能进一步提高、具有更多功能 (1)多坐标、多系统控制 比如FANUC最新的高档控制器11S30iMODEL A系统，最大控制系统数为10个系统(通道)，最多轴数和最大主轴配置数为40轴，其中进给轴32轴，主轴为8轴，最大同时控制轴数为24轴系统。最大PMC系统为3个系统。最大IO点数为4096点4096点，PMC基本命令速度为25ns。最大可预读程序段：1000段。这是当前世界配置最高的数控系统。由于具有多轴多系统配置，因此特别适合大型自动机床，复合机床，多头机床等的需要。 (2)高精、高速加工功能 这是CNC系统最重要的功能，由于有了这个功能，使制造技术(MT)大大地向前发展了。数控机床采用计算机控制，可以保证加工的零件具有很高的精度重复性。但为了得到一定的功能，输入控制器的信号要经过一系列处理，不可避免地要失真、延时。因此在高速加工时，要保持高的加工精度就要采取一定的措施减少失真、延时。高精、高速的加工，除了机械设计和制造要保证能实现目标外，对CNC系统的要求主要是处理速度快、控制精度高。采用前馈控制，以补偿由于伺服滞后所产生的误差，提高加工精度。适当控制进给率和采用恰当的加减速曲线可以减少加减速滞后所产生的误差。“前瞻”控制在程序执行前对运动数据进行计算、处理和多段缓冲，从而控制刀具按高速运动，而且误差很小。对于机床平滑运行的高精度轮廓控制，采用对指令形式的实时识别，可以最佳地控制速度、加速度和加加速度，因而使加工总是保持在最佳状态。为了防止扰动，开发数字滤波器的技术，以消除机械的谐振，提高伺服系统的位置增益。高精进给和主轴的伺服系统对高速、高精和高效十分重要。目前主要从以下几方面提高其性能。减少电机和驱动器以及控制单元的大小，提高编码器的分辨率；直线移动轴可以来用直线伺服电机驱动；减少机械传动链，提高刚度，提高精度。当主轴电机采用同步电机时，它非常适用于齿轮机床的系统，齿轮机床有时需要很低的主轴速度，但精度很高。比如，FANUC伺服电机的设计体积小，采用高增益控制，伺服电机是无齿槽效应的电机，带有16xlo脉冲转分辨率的编码器。伺服控制采用交流数字伺服控制，具有很高电流检测精度，采用相应的硬件，可以产生所谓“纳米控制”，也就是在系统检测分辨率为1岭m时，插补分辨率可以达到1nm；它使在CNC内部的计算误差最小化，每次内部计算以纳米或更小的单位，大大提高了加工的质量。对于控制直线电机，设计数字滤波器以避免直接驱动机械带来的多点谐振特性，联合这些功能，机床刀具的运动就可以准确地按照着指令执行。对于加工具有自由曲面的模具，会在程序段之间出现条纹，为了解决这个问题，FANUC开发了“纳米平滑”