数控车床电气系统设计【文献综述】.doc

1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 数控车床电气系统设计 前 言 机床是对金属或其它材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何精度和表面质量的机器，机床是用以制造一切机械 (包括能制造机床自身 )的机器，机床是机械制造业的基本加工装备。它的品种、性能、质量和技术水平直接影响着其它机电产品的性能、质量、生产技术水平和企业的经济效益。随着科学技术的高速发展，以电子信息技术为主体，世界机床产业已进入机电一体化时代，其代表产品就是数控机床。 CNC6136A 数控车床就是典型的现代化设备，它的出现 是机械加工 设备的新突破。 随着科学技术和市场经济的不断发展，人们对机械产品的质量、生产率和新

2、产品开发的周期提出了越来越高的要求，所以，新一代的数控车床便应运而生。 CNC6136A 数控车床是基于华中数控“世纪星” HNC-21TD系统的数控车床，其中一个主要的环节就是电气系统设计 ,其中包括强电设计，弱电设计，以及 PLC接口设计等。电气系统是整个车床的控制中心，所以设计工作尤为重要。 数控车床的现状与发展方向 数控车床的现状： 1床身和导轨 (1)床身 机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件，床身的结构对机床的布局有很大的影响。 一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身

3、，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难；刀架横滑 板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响 外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。 (2)导轨 车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制 造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生 行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。导轨刚度

4、的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状。 2主轴变速系统 经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。 目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮 (以获得更大的转矩 )带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩。 3刀架系统 数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架

5、用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀具结构形式 也在不断翻新。 刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，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。由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等 要求。 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。 4进给传动系统 数控车床的进

6、给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内， 后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统 的位置检

7、测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必 须对机电部件的结构参数进行综合考 虑才能满足系统的要求。因此全闭环 系统对机床的要求比较高，且造价也 较昂 贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和

8、激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有 直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 数控车床发展趋势： 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业 (IT、汽车、轻 工、医疗等 )的发展起着越来越重要的 作用，因为这些行业所需装 备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。 1高速、高精密化 高速、精密是机床发展永恒的目 标。随着科学技术突飞猛进的发展，机 电产品更新换代速

9、度加快，对零件加 工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机 的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温 高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。 数 控车床采用电主轴，取消了皮 带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响 应速度和工作精度，彻底解决了主轴 高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电 _乇轴结构可使主轴转速达到10000r min以上。 直线电机

10、驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙 (包括反向间隙 )，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极人地提高了伺服精度。 直线滚动导轨副，由于其具有各 向问隙为零和非常小的滚动摩擦，磨 损小 ，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。 通过直线电机和直线滚动导轨副 的应用，可使机床的快速移动速度由 目前的10 20m min提高到 60 80m min，甚至高达 120m min。 2高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床 能否发挥其高性

11、能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可 靠性的高低。 3数控车床设计 CAD化、结构设 计模块化 随着计算机应用的普及及软件技 术的发展， CAD技术得到了广泛发展。 CAD不仅可以替代人工完成繁琐的 绘 图工作，更重要的是可以进行设计方 案选择和大件整机静、动态特性分 析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用 CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。 通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市

12、场，缩短产品开发设计周期。 4功能复合化 功能复合化的目的是进一步提高 机床的生产效率，使用于非加工辅助 时间减至最少。通过功能的复合化。 可以扩大机床的使用范围、提高效率，实 现一机多用、一机多能，即一台数控车 床既可以实现车削功能，也可以实现 铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。 5智能化 网络化、柔性化和集 成化 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动 生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的 自适应运算、自动识别负载自动选定

13、模型、自整定等；简化编程、简化操作 方面的智能化，如智能化的自动编程 、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容、以方便系统 的诊断及维修等。 网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点 (数控单机、加工中心和数控复合加工机床 )、线 (FMC、 FMS、 FTL、 FML)向面 (工段车间独立制造岛、 FA)、体 (CIMS，分布式网络集成制造系统 )的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。

14、柔性 自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。 CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、 CAM、 CAPP及 MTS等联结，向 信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 参考文献 1 毕承恩，丁乃建 .现代数控机床 .北京：机械工业出版社， 1991. 2 秦鹏 飞现代制造工程 M上海：中国纺织大学出版社， 1998 3 毕承恩，丁乃建 .现代数控机床 .北京：机械工业出版社， 1991. 4 王贵成 .数控机床故障诊断技术 .北京 :化学工业出版社 ,2005. 5 齐占庆 . 机床电气自动控制 .北京：机械工业出版社 .1997. 6 廖兆荣机床电气自动控制北京：化学工业出版社， 2004 7 韩鸿鸾 ,荣维芝 .数控机床的结构与维修 .北京：机械工业出版社 ,2004. 8 任志锦电机与电气控制 . 北京 :机械工业出版社 ， 2002. 9 龚仲华主编 .数控机床故障诊断与维修 500 例 .北京：机械工业出版社 ,2005