数控车床论文大全11篇

绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇数控车床论文范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。

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油管螺纹牙型尺寸有两种，一种为每英寸8牙的圆顶圆底的V形锥管螺纹，一种为每英寸10牙的圆顶圆底的V形锥管螺纹。

油管扣与普通螺纹相比具有许多特点，它可拆性好，连接强度高，它的牙型分布在1:16的圆锥体上，技术要求高。油管螺纹加工完后应试压，试压要求用规定的螺纹脂(丝扣油)并经过机紧后在规定的最小静水压试验压力下不出现渗漏(并保持规定的时间)。一般为25MPa～45MPa,保压5分钟左右。

下面介绍的是在数控车床上用梳刀加工油管螺纹的实例，图1是泄油体零件图，加工设备是济南机床一厂生产的JICNC-IV数控车床，数控系统是航空航天部七六所生产的MNC826。

2成形梳刀车削油管螺纹的加工原理

我们知道，数控车床加工的基本原理就是插补原理。无论机床是作直线插补、圆弧插补还是螺纹插补，刀具实际的轨迹都是折线。即机床X轴走1步，Z轴走1步，刀具始终是围绕着理论轨迹作阶梯运行。利用插补原理，我们用梳刀对油管螺纹进行成形加工。所不同的是，机床的插补功能是数控系统内部设定的，只要给其坐标值后，系统既能自动进行插补运算，使刀具走出理想轨迹。而梳刀的插补运行是靠程序编制完成的，通过程序的计算和运行，不断改变刀具的起刀位置，从而能做到直接用梳刀加工出油管螺纹。这种加工方法尤其能达到油管螺纹的技术要求，保证精度，密封性好。

3对油管扣加工进行分析、计算

我们从零件图1中可知，这是一个两头对称的27/8TBG油管螺纹，固其加工工艺分为在普通车床上加工外圆、内孔至尺寸，1:16外锥留适量余量；然后在数控车床上用油管螺纹梳刀分六次车削油管螺纹。图2为用2齿梳刀车削27/8TBG螺纹的切削图形。计算尺寸如图3。

4编制加工程序

27/8TBG油管螺纹分六刀车削完毕，其中每一刀的程序编制除尺寸有所变化外，其它基本一样，也可编成一个车螺纹的子程序。其循环过程为：

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如果对所用的普通车床和长时间使用的车床不进行改造，仅购买新的数控车床，则会增加许多生产厂家设备方面的成本。所以生产厂家对普通车床及长时间使用的车床进行数控化改造是必经之路。

由于进行数控化改造对于改造厂家来说，较杂又乱，但如何对改造的数控机床进行质量控制则是我们一直以来需要探讨的问题，在此谈一下如何进行改造数控车床的质量控制。

普通车床数控改造分为新机改造和旧机改造，新机改造是用户购买普通车床或普通光机（指仅带床头箱和纵、横向导轨的车床），改造厂家根据其要求进行数控化改造。旧机改造是指用户将已经使用过的普通车床或数控车床进行翻新并进行数控化改造。其中旧机改造包括大修车床改造和用户旧机部件改造。在此浅谈改造数控车床在机械方面的质量控制方法、着重控制点和检验过程。

1新机改造和旧机大修车床改造都必须经过如下相同改造

(1)更换X轴、Z轴丝杆、轴承、电机。

(2)增加电动刀架和主轴编码器。

(3)增加轴向电机的驱动装置，限制运行超程的行程开关，加装变频器（客户需要）以及为了加工和安全所需的电气部分。

(4)X轴、Z轴的丝杆两端支承面的配刮、滚珠丝杆副托架与床鞍的配刮、床身与床鞍导轨副进行配刮。

(5)据需要增加防护设施，如各向丝杆的防护罩，安全防护门，行程开关的防护装置。

2新机改造和旧机大修车床改造的不同点

(1)新机改造的主轴和尾座部分未进行改动，主轴部分和尾座部分无须进行再改造。

(2)旧机大修车床由于经过长时间使用，导轨已磨损，为了保证大修后，能继续长时间使用而不变形，必须经过淬火工序，然后磨导轨，且磨导轨后必须保证导轨硬度≥HRC47。

(3)旧机大修车床应根据客户需要对主轴部分和尾座部分进行改造和调整。

3新机改造和大修机床改造的精度检验是检验的重要项目

精度检验执行JB/T8324.1-1996《简式数控卧式车床精度》。

4新车床改造的精度质量控制如下

(1)铲刮检验。新车床改造经过对X轴、Z轴的丝杆两端支承面的进行配刮、对滚珠丝杆副托架与床鞍进行配刮、床身与床鞍导轨副进行配刮等。车床的主轴、尾座部分未拆动。检验方法如下：用配合面进行涂色，相互配合面进行结合，并相对摩擦，然后对铲刮面进行铲刮点数检验，并对结合处用塞尺进行结合程度检验，其中刮研点不得低于6点/25*25mm，0.03mm的塞尺塞结合处，不入。

(2)丝杆与导轨平行度检验：装配丝杆时，丝杆与导轨的平行度必须≤0.02mm。

(3)精度检验的G1项中导轨在垂直平面内的直线度(只许凸)应由普通车床厂家进行保证，不作为重点检验项目。

(4)精度检验中的主轴部分精度G4、G5、G6项也应由普通车床厂家进行保证，不作为重点检验项目。

(5)G11项床头、尾座两顶尖的等高度由普通车床厂家进行保证，不作为改造厂家质量控制的重点项目。

5用户大修车床改造的精度检验

由于进行了磨导轨，基准面已变动，所以精度检验中的所有项目必须进行检验，且应严格进行控制，以保证改造后的使用性能。

6大修车床改造和新机改造的其它质量重要控制点

(1)锈蚀检查：各横、纵向导轨面，主轴、主轴法兰盘，尾座空心套和各

(2)外露非油漆表面都必须采取防锈措施，如清洗干净后，用脂等进行防锈检查：铲刮面、丝杆和轴承在进行装配前必须清洗干净，不得留有红丹粉、铁削和其它脏物质；电箱内侧、防护罩内侧无灰尘、脏物。

(3)渗漏检查：大修车床改造的主轴轴承和齿轮等必须保持，大修车床改造和新车床改造的轴向丝杆和轴承必须有，必须有冷却装置，且以上和冷却中接头处，油、水箱等处都不得有渗漏现象。

(4)机床噪声、温升、转速、空运转试验：

①主轴在各种转速下连续空运转4min，其中最高转速运转时间不小于2小时。整机空运行时间≥16h，对圆弧、螺纹、外圆、端面等循环车削进行模拟空运行试验。

②主轴轴承温度稳定后，测轴承温度及温升滚动轴承：温度≤70℃，温升≤40℃；滑动轴承：温度≤60℃，温升≤30℃。

③机床噪声声压级空运转条件下≤83dB(A)，且机床有无不正常尖叫、冲击声。各轴方向进给运动进行应平稳，无明显振动、颤动和爬行现象。

④机床连续空运转试验在规定连续空运转时间内，无故障，运行可靠，稳定。

(5)用户更换部件（包括机床部分的维修）的改造：由于车床更换部件的改造项目较多，主要是更换主轴轴承、轴向丝杆、轴向电机、轴向轴承和系统。

①更换主轴轴承：由于更换主轴轴承是为了保证加工外圆和端面的精度，必须在更换轴承后，先行检验主轴的噪声在无异常的情况下，整机噪声声压级不得超过83dB（A），然后进行加工精度检验，并检验加工工件的表面粗糙度。

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项目教学是一个将实践教学与理论教学完美结合的教学方法，简单来说项目教学就是指教育教学过程中，教师通过制定一个完整的项目方案，让学生按照方案内容自主的进行项目的操作，其中包括工作安排、探究学习、自主动手等等。就数控车床实训教学而言，在其中应用项目教学法，主要就是让学生进行一项具体而完整的工作。如，产品的生产等。项目教学需要学生对理论知识有一个基础性的把握，并且在实际操作的过程中可以将所学知识与实践内容相结合，最终提升学生对知识的应用能力，为学生今后的实际工作打好基础。

（二）项目教学法的特点

1.内容综合，利于探究

项目教学在应用的过程中主要将教学内容与实际工作内容相融合，每一个操作项目都具有一定的独立性以及明确的教学内容和教学目标。因此每一个项目教学内容都包含了理论知识、技术应用、设备操作等多项内容，使得项目教学趋于综合性，更加利于学生进行探究。

2.团队合作，共同进步

项目教学与一般的探究教学相比较，其教学内容更加具体，操作流程更加完整，并且在参与人数方面也更加侧重于团体合作。教师在进行项目教学的过程中，通常会对学生进行分组，让每一个学生都可以参与到项目之中，成为项目操作的主体，使得学生可以共同学习，相互促进。

3.注重过程，结果多样

传统的教育教学侧重于教学的结果而对教学过程则稍显忽视，而在项目教学进行的过程中，教师在进行成果验收方面并没有采取统一的标准，并且也不要求学生一定要得出正确的结果。相反，教师更注重的是学生在项目完成过程中，是否对所学知识进行了应用，是否发挥了自身作用，是否对个人能力有所提升等。

4.角色转变，生本为主

项目教学是现代教育发展的产物，因此在进行教育教学的过程中一直奉行的是生本思想。所以，数控车床实训教师在进行教学的过程中，将课堂的主导交给了学生，让学生围绕项目内容进行探究与学习，而教师在这一过程中仅起到辅助作用。

二、项目教学法在数控车床实训教学中的应用

（一）项目设计

项目设计是项目教学的基础，因此在进行项目教学之前相关教师一定要搞好项目设计工作。首先，项目设计应围绕教材内容展开，符合教材的要求。并且项目设计要有一定的针对性，教师在进行项目设计的过程中，需要先为项目设定明确而具体的项目目标，在围绕项目目标进行内容的设计和任务的安排。其次，项目设计要与实际工作相结合，必须保证设计的项目各个流程与数控车床的实际应用相符。无论是刀具的选择、数据的编辑还是最终的操作与总结，项目设计都要忠于现实，进而增加学生操作过程中的实践性。

(二)方案拟定

由于项目教学与实际工作之间有着密切的关系，因此在进行项目教学的过程中，教师必须根据实际工作的需要对学生进行分组，让学生以小组为单位对项目进行有效的探究与操作。为了保障每一组学生都可以顺利的对项目进行完成，学生在进行项目操作之前需要先进行方案的拟定。首先，教师需要对小组内部成员在分工上给予指导，选出小组的负责人。其次，小组成员要对设计图样、应用工艺、注意事项问题进行思考，并以书面的形式进行方案的拟定，以此为项目的实际操作打好基础。

（三）方案展示

数控车床的实际工作具有着一定的灵活性，一个零件的制作可以通过不同工艺的应用进行完成。因此学生拟定的方案经常是多种多样的。所以在正式执行之前，教师可以组织学生按照小组顺序，将自己拟定的方案进行展示，并和全体学生一起讨论，探究方案的合理性。这样，不仅保障了项目操作的质量，同时也让学生在表达方面有所提高。

（四）项目执行

项目执行是项目教学中的核心内容，这一部分工作主要由学生自主进行完成。首先，分组后的学生，需要在小组内部对成员的工作任务进行安排，小组成员在明确各自任务后应围绕任务内容展开工作。其次，小组成员需要注重彼此间的协作，按照拟定方案中的工艺和流程进行项目的操作。最后，小组成员需要借助计算机软件进行模拟操作，确保拟定方案准确无误后，开始具体的实践。

（五）综合评价

项目教学完成后，为了让项目教学的作用充分的发挥出来，教师需要组织学生进行综合的评价。综合评价应分为两个部分。第一部分是由学生自主评价，通常是由小组的负责人进行。负责人需要根据小组从方案设计到最终加工完成，整个过程的表现予以总结和评价，让学生对自己的学习情况和动手能力等有一个自我的感知。其次，教师也要对学生项目操作情况进行评价。这种评价应趋于综合性和全面性，包括团队合作情况、工艺应用水平、加工消耗时间、零件是否合格等。

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本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。

2数控车床主轴变频的系统结构与运行模式

2.1主轴变频控制的基本原理

由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为:

n=(60f/p)×(1-s)

其中P—电动机的极对数，s—转差率，f—供电电源的频率，n—电动机的转速。从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400Hz(甚至更高频率)之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。

当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定。

图1所示为变频器在数控车床的应用，其中变频器与数控装置的联系通常包括:(1)数控装置到变频器的正反转信号;(2)数控装置到变频器的速度或频率信号;(3)变频器到数控装置的故障等状态信号。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。

2.2主轴变频控制的系统构成

不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。如果被加工件如图2(1)所示所示形状，则由图2(1)中看出，对应于工件的AB段，主轴速度维持在1000rpm，对应于BC段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变化的，从而实现高精度切削。

在本系统中，速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，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，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。

3无速度传感器的矢量控制变频器

3.1主轴变频器的基本选型

目前较为简单的一类变频器是V/F控制(简称标量控制)，它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性V/F控制(用于恒转矩)和平方V/F控制(用于风机水泵变转矩)。

标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1:10)，因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。

所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。

矢量控制相对于标量控制而言，其优点有:(1)控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;(2)能适应要求高速响应的场合;(3)调速范围大(1:100);(4)可进行转矩控制。

当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五)，而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。

3.2无速度传感器的矢量变频器

无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的特点，它们都具有以下特点:(1)电机参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强，如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;(3)低频高输出转矩，如150%额定转矩/1HZ;(4)各种保护齐全(通俗地讲，就是不容易炸模块)。

无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性，而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。图3所示，为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据(电机为5.5kW/4极)。从图中可知，其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。在实验中，我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段(如30Hz或50Hz)相同。

3.3矢量控制中的电机参数辨识

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。从图4的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流)。

参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。

在参数辨识中，必须注意:(1)若旋转辨识中出现过流或过压故障，可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。

3.4数控车床主轴变频矢量控制的功能设置

从图1中可以看出，使用在主轴中变频器的功能设置分以下几部分:

(1)矢量控制方式的设定和电机参数;

(2)开关量数字输入和输出;

(3)模拟量输入特性曲线;

(4)SR速度闭环参数设定。

4结束语

对于数控车床的主轴电机，使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后，具有以下显著优点:大幅度降低维护费用，甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。

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一、问题的提出

数控车削加工主要包括工艺分析、程序编制、装刀、装工件、对刀、粗加工、半精加工、精加工。而数控车削的工艺分析是数控车削加工顺利完成的保障。

数控车削加工工艺是采用数控车床加工零件时所运用的方法和技术手段的总和。其主要内容包括以下几个方面：

(一)选择并确定零件的数控车削加工内容；(二)对零件图纸进行数控车削加工工艺分析；(三)工具、夹具的选择和调整设计；(四)切削用量选择；(五)工序、工步的设计；(六)加工轨迹的计算和优化；(七)编制数控加工工艺技术文件。

笔者观察了很多数控车的技术工人，阅读了不少关于数控车削加工工艺的文章，发现大部分的使用者采用选择并确定零件的数控车削加工内容、零件图分析、夹具和刀具的选择、切削用量选择、划分工序及拟定加工顺序、加工轨迹的计算和优化、编制数控加工工艺技术文件的顺序来进行工艺分析。

但是笔者分析了上述的顺序之后，发现有点不妥。因为整个零件的工序、工步的设计是工艺分析这一环节中最重要的一部分内容。工序、工步的设计直接关系到能否加工出符合零件形位公差要求的零件。工序、工步的设计不合理将直接导致零件的形位公差达不到要求。换言之就是工序、工步的设计不合理直接导致产生次品。

二、分析问题

目前，数控车床的使用者的操作水平非常高，并且能够独立解决很多操作上的难题，但是他们的理论水平不是很高，这是造成工艺分析顺序不合理的主要原因。

造成工艺分析顺序不合理的另一个原因是企业的工量具设备不足。

三、解决问题

其实分析了工艺分析顺序不合理的现象和原因之后，解决问题就非常容易了。需要做的工作只要将对零件的分析顺序稍做调整就可以。

笔者认为合理的工艺分析步骤应该是：

(一)选择并确定零件的数控车削加工内容；(二)对零件图纸进行数控车削加工工艺分析；(三)工序、工步的设计；(四)工具、夹具的选择和调整设计；(五)切削用量选择；

(六)加工轨迹的计算和优化；(七)编制数控加工工艺技术文件。

本文主要对二、三、四、五三个步骤进行详细的阐述。

(一)零件图分析

零件图分析是制定数控车削工艺的首要任务。主要进行尺寸标注方法分析、轮廓几何要素分析以及精度和技术要求分析。此外还应分析零件结构和加工要求的合理性，选择工艺基准。

1.选择基准

零件图上的尺寸标注方法应适应数控车床的加工特点，以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注方法既便于编程，又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。

2.节点坐标计算

在手工编程时，要计算每个节点坐标。在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义。

3.精度和技术要求分析

对被加工零件的精度和技术进行分析，是零件工艺性分析的重要内容，只有在分析零件尺寸精度和表面粗糙度的基础上，才能正确合理地选择加工方法、装夹方式、刀具及切削用量等。

(二)工序、工步的设计

1.工序划分的原则

在数控车床上加工零件，常用的工序的划分原则有两种。

(1)保持精度原则。工序一般要求尽可能地集中，粗、精加工通常会在一次装夹中全部完成。为减少热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影响，则应将粗、精加工分开进行。

(2)提高生产效率原则。为减少换刀次数，节省换刀时间，提高生产效率，应将需要用同一把刀加工的加工部位都完成后，再换另一把刀来加工其他部位，同时应尽量减少空行程。

2.确定加工顺序

制定加工顺序一般遵循下列原则：

(1)先粗后精。按照粗车半精车精车的顺序进行，逐步提高加工精度。

(2)先近后远。离对刀点近的部位先加工，离对刀点远的部位后加工，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间。此外，先近后远车削还有利于保持坯件或半成品的刚性，改善其切削条件。

(3)内外交叉。对既有内表面又有外表面需加工的零件，应先进行内外表面的粗加工，后进行内外表面的精加工。

(4)基面先行。用作精基准的表面应优先加工出来，定位基准的表面越精确，装夹误差越小。

(三)夹具和刀具的选择

1.工件的装夹与定位

数控车削加工中尽可能做到一次装夹后能加工出全部或大部分代加工表面，尽量减少装夹次数，以提高加工效率、保证加工精度。对于轴类零件，通常以零件自身的外圆柱面作定位基准；对于套类零件，则以内孔为定位基准。数控车床夹具除了使用通用的三爪自动定心卡盘、四爪卡盘、液压、电动及气动夹具外，还有多种通用性较好的专用夹具。实际操作时应合理选择。

2.刀具选择

刀具的使用寿命除与刀具材料相关外，还与刀具的直径有很大的关系。刀具直径越大，能承受的切削用量也越大。所以在零件形状允许的情况下，采用尽可能大的刀具直径是延长刀具寿命，提高生产率的有效措施。数控车削常用的刀具一般分为3类。即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀。

(四)切削用量选择

数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速S(或切削速度υ)及进给速度F(或进给量f)。

切削用量的选择原则，合理选用切削用量对提高数控车床的加工质量至关重要。确定数控车床的切削用量时一定要根据机床说明书中规定的要求，以及刀具的耐用度去选择，也可结合实际经验采用类比法来确定。一般的选择原则是：粗车时，首先考虑在机床刚度允许的情况下选择尽可能大的背吃刀量ap；其次选择较大的进给量f；最后再根据刀具允许的寿命确定一个合适的切削速度υ。增大背吃刀量可减少走刀次数，提高加工效率，增大进给量有利于断屑。精车时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高加工效率，因此宜选用较小的背吃刀量和进给量，尽可能地提高加工速度。主轴转速S(r/min)可根据切削速度υ(mm/min)由公式S=υ1000/πD(D为工件或刀/具直径mm)计算得出，也可以查表或根据实践经验确定。

三、结语

数控机床作为一种高效率的设备，欲充分发挥其高性能、高精度和高自动化的特点，除了必须掌握机床的性能、特点及操作方法外，还应在编程前进行详细的工艺分析和确定合理的加工工艺，以得到最优的加工方案。

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对于毛坯尺寸偏差大的工件的数控加工，若按传统的编程方式，就必须按照最大毛坯尺寸编程。如果按最大尺寸编程，一则加工效率较低，再则会在某种情况下造成空切，而在另外某种情况可能会造成过切。过切的后果，轻则影响刀具耐用度，重则损坏刀具影响机床的精度。所以，毛坯偏差大的工件的数控加工最好是根据每个工件的具体情况，来确定加工该工件的切削参数(如切削余量、走刀次数等)。本编程系统借助数控系统的刀具监控功能，在线测量工件上的一些关键点(称作测量点)的加工余量分布情况，在加工过程规划中确定工步所通过的测量点(一个或多个)，由此得到本工步的切削参数。本文以我们为马钢公司车轮轮箍分公司开发的“双刀架数控车床图形自动编程系统”为例，研究双刀架数控编程系统的CAPP技术。该自动编程系统以Microstation为图形平台，实现了CAD/CAPP/NCP的系统集成。

2双刀架数控车床自动编程CAPP的特点

双刀架数控车床是一种高效的数控机床，由于采用双刀同时切削，所以能够有效地缩短单件加工时间，显著地提高了生产率。而生产率提高的程度取决于左右刀架重叠加工时间的长短，也就是说双刀应尽可能地同时加工工件的不同表面。本文以德国Diedesheim机床公司生产的VF120—RW双刀架立式数控车床(该机床配有两套SINUMERIK—810T数控系统)加工火车车轮为例进行分析研究。该机床的数控系统采用主从控制方式，其左刀架数控系统为主系统(机床主轴速度等由左数控系统控制)，右刀架数控系统为从系统，左、右两个数控系统以M21指令来协调两个刀架的动作，以R参数传递数据。据统计其加工效率可以比单刀架数控车床提高30%以上。

双刀架数控车床自动编程的加工过程规划CAPP有别于普通的单刀架数控车床自动编程的CAPP过程。因为在进行CAPP时，加工的切削参数是未知的，实际使用的切削参数是在加工过程中通过测量得到的。在进行CAPP时，必须要指定工步加工轨迹所经过的测量点(一个测量点或多个测量点)的信息。双刀架数控车床加工过程规划CAPP的复杂性还体现在必须保证能对用户的规划过程实施足够的监控，确保不会造成加工时工艺系统的几何干涉和工艺干涉。加工过程规划CAPP以数控系统的M21指令(左右刀架动作协调指令)来对用户的规划进行可行性检验，以确保加工时左、右刀架在任何情况下都能正确工作，不会有干涉现象发生。系统设计为用户的CAPP提供了极大的方便，左、右刀架工步的规划既可以轮流进行，也可以一边完成后再规划另一边的工步。

3零件的几何信息和工艺信息的提取

加工过程规划CAPP是以人机交互方式规划零件加工的一个工序的各工步，工步是加工过程规划CAPP数据存取的基本单元，以工步ID来标识工步；以双向链表来组织规划数据，方便数据的存储和修改操作，从而确保加工过程规划CAPP有足够的灵活性(规划过程及工步工艺参数的可修改)。每个工步数据由刀具运动轨迹数据和切削工艺数据两个部分构成。由于记录工步数据量很大，故用结构来记录这些信息，以协调数据的内在联系，同时又方便了数据的操作。

系统充分利用Microstation系统的GUI技术，以对话框和符合Motif标准的控制进行人机交互。系统人机界面友好、操作方便。用户以鼠标和键盘进行人机交互，工步的几何数据用鼠标在CAPP图形文件中点取零件轮廓的方式获得；工步的工艺数据用鼠标和键盘结合的方式输入。

加工过程规划CAPP以测量过程规划的图形文件和测量点R参数文件为输入，以刀具清单为加工的装刀依据；输出加工规划图形文件，加工过程规划CAPP数据文件。

一般工步规划由五个部分组成，它们分别为：切削段、切入段、切出段、试刀段和工步ID放置。加工轮廓的切削段一般由若干个几何图素(直线或圆弧)组成，进行CAPP时按切削的顺序依次选取这些图素。工步规划的顺序为：切削段的规划，切入段的规划，切出段的规划，试刀段的规划(可选)和工步ID的放置。工步以工步ID进行标识。

在进行加工过程规划CAPP模块设计时(图1，图2)，为了适应不同类工件的加工，提高数控加工的柔性，设计了多种刀具切入模式以供选择，这主要有：

(1)法向到工件首先选择切入点所在图素，然后再选择切入段起点，加工时刀具从规划的切入段起点沿加工面的法向切入。这种方法主要用于已知切入段起点位置的场合。

(2)法向从工件先选择切入段的终点，然后再确定切入段起点的位置。这种方法主要用于已知切入段终点位置的场合。加工时沿加工面的法向切入。

(3)切向到工件首先选择切入点所在图素，然后再选择切入段起点，加工时刀具从规划的切入段起点沿加工面的切向切入。这种方法主要用于已知切入段起点位置的场合。加工时沿加工面的切向切入。

(4)切向从工件先选择切入段的终点，然后再确定切入段起点的位置。这种方法主要用于已知切入段终点位置的场合。加工时沿加工面的切向切入。

(5)斜向从工件先选择切入段的终点，然后再选择切入段起点的位置。这种方法主要用于已知切入段起点和终点位置的场合。加工时沿规划的切入段起点到终点切入。

为了满足毛坯制造精度低(例如：加工余量大，偏心大，曲率大或余量不均匀等)的工件的数控加工，若按常规的方法加工将会损坏刀具甚至无法加工。为了适应这种类型的毛坯的加工，因而定义了几种特殊类型的加工方法：

(1)变进给量切入当刀具进入切入段后，逐渐提高进给量。该方法主要用于毛坯偏心较大部分的加工。

(2)工步交叉切削当前工步走完某一刀后，转而跳到下一工步进行切削，完成下一工步的加工后，再继续完成当前工步未完成的走刀。该方法主要用于工件轮廓曲率较大而且加工余量不均匀处的加工。

(3)多刀切削差异允许多次走刀时，刀具切入点、切出点位置可变。该方法主要用于加工余量特别大处的加工，以防止刀具在切入点或切出点处包容量过大而发生过切现象损坏刀具。

(4)中断切入点允许加工过程中断后，刀具沿另外设定的进刀轨迹切入工件。该方法主要用于防止中断后继续进行切削时，可能发生的刀具和工件的干涉。

为了方便操作，一方面提供了完善的在线帮助和操作向导，使得用户可以在系统的提示下完成CAPP过程(图3)；另一方面为了方便规划，在切入、切出段规划时系统提供了刀具动态，用户可以直观地确定切入、切出段位置。

4加工过程规划CAPP数据的存储

加工过程规划CAPP数据以记录形式存储工步数据，一个记录存储一个工步的数据。由前述可知左、右刀架的工步由工步ID标识，左、右刀架的CAPP数据分两个文件存储。实际存储时，又将一个工步数据分为3个部分进行存储：其一为走刀轨迹几何数据，其二为工步工艺数据，此外还有测量点信息。

工艺数据又分为工步工艺数据和走刀工艺数据，前者决定整个工步的切削参数(如：主轴速度档，最大走刀次数，刀座号T，刀补地址D等)；而后者为工步中每个轮廓段(直线或圆弧)所独有(如：进给速度F，主轴转速S，刀具监控号递增值，精切余量，刀具半径补偿方式(G40，G41，G42)等)。工步走刀的几何数据一般由4个部分组成：切削段数据、切入段数据、切出段数据、试刀段数据。测量点信息由测量点ID标识。

双刀架数控机床加工时必须确保左右两个刀架不会发生几何干涉，而两个刀架的位置又由NC系统的左右刀架协调指令M21来协调，这就要求在加工过程规划CAPP时必须保证两个刀架的M21在数量上保持一致。所以当用户发出CAPP数据存盘命令后，系统首先将检查左右刀架的M21匹配情况，若不匹配，系统将在警告框中给出错误揭示，并拒绝存盘命令，在M21匹配情况对话框中给出左、右刀架M21匹配表。

5系统的修改功能和容错性设计

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中图分类号 TH16 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2010)16-0149-02

普通车床上多头螺纹的加工主要依赖于操作者的丰富经验和高超的技能,然而,在批量生产中,单靠操作者的个人经验和技能是无法保证生产效率和产品质量的。在制造业高速发展的今天,高精度数控机床和高性能数控系统的应用使许多普通机床和传统工艺难以解决的问题变得相对容易,而且生产效率和产品质量得到了很大提高。以下将从4个方面对多头螺纹的数控车床加工进行阐述。

1 螺纹的基本特征

螺纹是机械零件上最常用的联接结构之一,它具有结构简单、拆装方便及联接可靠等优点,在机械制造业中广泛应用,如数控车床的主轴与卡盘的联结,方刀架上螺钉对刀具的坚固,丝杠螺母的传动等。螺纹的种类较多,按断面形状一般可分为三角形、矩形、梯形、锯齿形和圆形螺纹;按照螺纹的线数不同,又可分为单线螺纹和多线螺纹。由于用途不同,它们的技术要求和加工方法也不一样。

2 螺纹的加工方法

2.1 螺纹的加工方法

随着制造技术的发展,螺纹的加工,除采用普通机床加工外,常采用数控机床加工。这样既能减轻加工螺纹的加工难度又能提高工作效率,并且能保证螺纹加工质量。在目前的数控车床中,螺纹切削一般有3种加工方法:

1)直进法

易获得较准确的牙型,但切削力较大,常用于螺距小于3mm的三角螺纹。加工方法是在加工过程中对刀具的Z轴(轴向方向)不进行改变,分次进给(直径方向),来完成螺纹的切削。

2)斜进法

在每次往复行程后,除了做横向进刀以外,只在纵向的一个方向微量进给。

3)左右车削法

在每次往复行程后,除了做横向进刀外,还需要向左或向右微量进给。对于加工大螺距的螺纹,多头螺纹等零件,由于加工面太宽,接触面大。用直进法的话,对于机床,刀具,工件都会产生很大的影响,甚至产生打刀,飞活,蒙车等现象。所以,只有采取左右车削法来完成。 加工方法是通过改变Z轴的方向,也就是进刀起始点,来完成对螺纹一个侧面的加工,完了再加工另一侧面,最后对两侧面和底面修光。这种方法叫左右进刀法。注:是一个侧面一个侧面的加工,以减小刀具和工件的接触面积。可一刀左,下一刀右的方法加工。

2.2 多头螺纹加工的控制

在运用程序加工多头螺纹时,要注意对以下问题的控制:1) 主轴转速的确定。在车削螺纹时,车床的主轴转速将受到螺纹的螺距(或导程)大小、驱动电机的升降频特性,以及螺纹插补运算速度等多种因素影响,不同的数控系统,推荐的主轴转速选择范围也不同。所以,编程时应按照数控车床操作说明书所规定的主轴转速车削螺纹,同时,在车削螺纹的过程中,尽量不要改变主轴转速,以防车出不完全螺纹;2)表面粗糙度要求。螺纹加工的最后一刀基本采用重复切削的办法,这样可以获得更光滑的牙表面,达到粗糙度要求;3)批量加工过程控制。对试件切削运行程序之前除正常要求对刀外,在数控系统中要设定刀具磨损值,第一次加工完后用螺纹千分尺进行精密测量并记录数据,将磨损值相应减少,进行第二次自动加工,并将测量数据记录,以后将磨损补偿值的递减幅度减少并观察它的减幅与中径的减幅的关系,重复进行,直至将中径尺寸调试到公差带的中心为止。在以后的批量加工中,尺寸的变化可以用螺纹环规抽检,并通过更改程序中的X数据,也可以通过调整刀具磨损值进行补偿。

3 螺纹的编程方法

多头螺纹的编程方法和单头螺纹相似,采用改变切削螺纹初始位置或初始角来实现。螺纹的编程方法很多,我们可以严格按照数控系统规定的螺纹循环指令格式来进行编程,如日本FANUC系统加工螺纹常用G32、G92和G76三条指令。其中指令G32用于加工单行程螺纹,编程任务重,程序段较长;而采用指令G92,可以实现简单螺纹切削循环,使程序编辑大为简化,但是依然需要设置每次走刀量;指令G76克服了G92的缺点,只要设置好参数即可完成螺纹的一次性加工,且程序简捷,可节省编程时间。具体指令的应用我们只要按照机床编程说明书的要求完成相应零件的编程就可以了。

我们也可以不用什么专用指令,不管是什么数控系统,都用一种方法来解决:即只要保证加工第2条螺旋线的起点跟加工第1条螺旋线的起点Z方向相差一个螺距就行了,加工3,4,5,6......线道理也是一样,下面我来举例说明。

例:公称直径30,导程4,双头螺纹。编程如下:

G00X35Z5(第一条螺旋线的起点)

G76(加工第一条螺旋线。注意:F值为导程,牙型高的计算是以螺距计算的。)

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0前言

机械结构虚拟优化设计是以计算机建模和仿真技术为基础，集计算机图形学、虚拟现实技术、机械动力学、有限元分析、优化设计等技术为一体，由多学科知识组成的综合系统技术，是机械结构动力学设计技术在计算机环境中数字化、图像化的映射。本文分析了机械产品虚拟动态优化设计的一般过程，以数控车床关键部件一尾架为例，建立了三维可视化的有限元CAE模型，通过对模型进行结构分析，实现该部件结构的动态优化。

1机械结构虚拟动态优化设计过程

机械产品虚拟动态设计的一般过程是:先建立满足工作性能要求的产品初始CAD模型(初步设计图样)，然后对产品结构进行动力学建模和动态特性分析，再根据工程实际情况，给出结构动态特性的要求或预定的动态设计目标，按结构动力学“逆问题”方法直接求解设计参数，或按结构“正问题”分析法，进行结构改进设计，直到满足预期性能设计要求，从而获得一个具有良好静、动态特性的产品设计方案，如图1所示。结构动态设计的主要内容包括:

(1)建立一个切合实际的结构动力学模型;

(2)选择有效的动态优化设计方法。

2机械结构建模分析及优化实例

以数控车床关键部件尾架为例进行研究。数控车床动态设计是在“正问题”处理方法的基础上进行的，数控车床共有零、部件800多个，其中对整机结构性能影响大的零、部件主要有以下几个:床身、主轴箱、尾架等。为使整机具有良好的动态性能，必须对关键部件进行优化。为此，应先建立数控车床主要部件的几何模型和满足其动力学特征的有限元模型，进行动态分析，根据动态分析的结果对原部件结构设计的薄弱环节进行动力学修改和结构分析优化，最终得到一个具有良好静、动态特性的产品设计方案。

数控车床的尾架安置在床身的尾架导轨上，并可沿此导轨调整其纵向位置。尾架套筒的锥孔装有后顶尖，用以支撑工件。由于尾架顶尖与主轴箱卡盘的同轴度直接影响着车床加工零件的精度，因此，尾架的结构是否合理对保证车床加工高精度很重要。

如图2为尾架系统的有限元模型，考虑到实际情况，将尾架导轨与两导轨座作为一体处理，尾架体与导轨之间以互为接触单元为主，每个导轨座均布4个全约束点，系统共有单元7 049个。得到尾架系统前三阶振型如图3(a)，3(b)，3(c)所示。表1列出了尾架系统计算频率及振型特性。

由分析可知，该尾架系统刚度很弱，相当于简支梁，是整机结构中非常薄弱的部分。综合新车床的布局，考虑铸造工艺性，尾架的导轨直接与床身一体，优化后的尾架由上下2部分组成，如图4所示，其有限元模型如图5所示。

建立改进尾架的有限元模型，系统共有2 210个体单元，对尾架上下2部分祸合12个节点，前三阶固有振型如表2所示。

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在数控车实训教学中，由于学生对机床的操作不熟练，在加工实训中有时不慎会使刀具或刀架撞到工件或卡盘上，轻者会撞坏刀具和被加工的零件，影响教学的正常进行，重者会造成人身事故。因此，在数控车实训教学过程中为了防止学生在实际操作时发生撞刀现象的发生，总结出以下几种常见的撞刀现象与解决方法。

一、常见数控车床加工的撞刀现象

（一）建立机床工件坐标系引起的撞刀现象

我校在数控车实训教学过程中，采用G54-G59指令结合试切法建立工件坐标系，一个学生在用试切法对刀时，采用MDI指令试切，采用指令G90 U-1.5 W-20.0 F0.06试切完成后，在建立工件坐标系坐标值X坐标忘记+输入-1.5，编好程序后试运行一切正常，就放心的加工，结果在加工中发生撞刀现象。

（二）、编程错误引起的撞刀现象

在实训加工中，由于学生对车床编程指令理解的不透彻，常常由于编程错误引起撞刀现象的出现。例如，有位学生在数控车床加工时，在加工锥面螺纹时，用G92指令编程，在第三次循环加工时，发生撞刀现象。螺纹刀尖崩坏，工件报废。论文写作，解决方法。停机检查程序，发现在G92指令第三刀X19.50写成19.05，背吃刀量过大，引起撞刀现象；

（三）工件装夹不当引起的撞刀现象

在一次实训中，在加工零件左侧部分时，由于零件可装夹长度只有15MM,装夹距离短，一位同学在装夹时，卡盘卡爪只有一个卡齿夹到工件表面，在用G92指令加工锥面螺纹时，由于径向力过大，发生撞刀现象。

（四）操作不当引起的撞刀现象

学生在数控车床操作时，在对刀过程中因为操作失误， 把Z向0.01误认为是0.1所以用手脉时控制走刀过快，导致撞刀刀尖碎裂。

二、防止数控车床加工中撞刀常见现象的三点解决方法

（一）、输入程序并校验

程序的输入与校验在数控车床加工操作中是一个重要的环节，它主要是把输入的加工程序用数字指令形式将加工过程中刀具的运行轨迹以最快的速度通过显示面板显示出来。然后观察零件加工图形是否正确是否有危险指令，因此在操作中应注意以下几个问题。

1、将刀架移动到安全位置，按下锁住机床和孔运行键进行空运行操作，主要观察运行轨迹是否正确，程序中的刀号与机床的刀号是否一致。

2、经校验后的程序如果没有出现危险指令和错误，也没有出现报警，校验出的图形也没有问题，线别急于加工，要再检查程序中的以下几个方面：

（1）、校验程序中是否有刀号；

程序中是否有刀号，这一问题往往被学生忽视。论文写作，解决方法。校验程序时没有刀号，程序照样加工运行，运行轨迹也正确。如果在实际加工中需要换刀加工而没有重新调用刀号时，此时加工时仍然使用前一把刀进行加工，就会出现撞刀。

（2）、换刀点是否安全；

换刀点一般选在机床参考点上，但为了节省加工时的辅助时间减少空程序可就近选取，要依照刀具探出的长度和加工零件的尺寸来定。换刀点确定之前，要首先确定上一刀尖所在位置，并合理利用G00指令移动刀架到达换刀点的过程中，防止撞刀。

（3）、G00指令、G01指令的使用是否正确；

G00指令：快速定位(G00或G0) 刀具以点位控制方式从当前所在位置快速移动到指令给出的目标位置。论文写作，解决方法。

G01指令：直线插补(G01或G1) 刀具以一定的进给速度从当前所在位置沿直线移动到指令给出的目标位置。

在程序校验过程中都是以最快的速度把加工轨迹表现出来，在校验中通过观察图形很难看出G00指令和G01指令的区别。如果在程序中刀具在工件表面上移动出现G00指令就必然会产生撞刀现象。论文写作，解决方法。

（4）、检查程序中是否存在移动指令与刀具指令同在一个程序中。

如G00 X42.0 Z3.0 T0101，因为在程序在执行时先执行移动指令后执行刀具指令或在移动中执行刀具指令。在这种情况下换刀，刀具与工件发生碰撞，正确的应该是分成两个程序段。

……

G00 X42.0 Z3.0 ;

T0101;

……

3、校验程序完毕后要回参考点，在校验程序时机床是锁住不动的，而刀具相对工件加工在模拟运行（绝对坐标和相对坐标在变化），这时的坐标与实际位置不符，需用返回参考点的方法，保证机械零点坐标与绝对和相对坐标一致。这一环节有时不注意在校验程序后没有发现问题就进行加工操作，会造成撞刀现象。

（二）试切法回工件坐标系原点校验

试切法对刀是实际中应用的最多的一种对刀方法。

工件和刀具装夹完毕，驱动主轴旋转，移动刀架至工件试切一段外圆。记下坐标系的X坐标再减直径（西门子系统减半径），以及刀尖在右端面的Z坐标，输入到坐标系的G54-G59当中。

例如：1#刀刀架在X为120.0车出的外圆直径为30.0，那么使用该把刀具切削时的程序原点X值为 120.0-30.0=90.0；刀架在Z为 100.0时接触工件右端面，分别将(90、100)存入到G54----G59里就可以成功建立出工件坐标系。论文写作，解决方法。

在对刀完成以后，校验工件坐标系是否正确，可以用MDI指令进行校验。

如：G54 G00 X100.0 Z100.0,使刀尖移动到距离当前工件坐标系的一个安全距离。论文写作，解决方法。在该指令执行完成后，可用手轮驱动刀架由快到慢移动到工件原点附近，观察坐标系值的变化情况，是否接近X0.0Z0.0。

（三）加工与运行

加工与运行是最后一个操作环节也是机床操作中的最后一道工序，虽然在前面采取了多项措施，但也不可以掉以轻心，因此在加工运行前要做好以下几个方面的工作：

1、光标必须要回到程序的开头，如果没有从程序开头加工容易出现撞刀现象；

2、当启动和程序结束的时候，要把倍率调低，在看清程序和刀具的位置后再给倍率，调试程序时快速进给要调到最慢档，最好手不离开进给保持，要养成先看后走的好习惯，这样会减少事故的发生；

3、在调试程序加工第一件工件时，一定要仔细检查程序，试加工时单段运行，随时控制进给率，随时看剩余行程，加工前应模拟运行一次，单段运行，再正式加工。看看有没有意外的刀具路径出现，一旦出错，迅速急停，特别是初学者，要注意急停按钮的应用。

参考文献：

【1】沈阳-机床：CAK3665使用说明书

【2】沈阳-机床：CAK3665操作编程说明书

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一、课题概述、背景及意义

工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、fmc、fms外，还包括在产品开发中推行cad、cae、cam、虚拟制造以及在生产管理中推行mis(管理信息系统)、cims等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达20.8%，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。

微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。① 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 ②可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。③ 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。④ 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。⑤ 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。此外，机床数控化还是推行fmc(柔性制造单元)、fms(柔性制造系统)以及cims计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。

机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。机床数控化改造有以下优点：①节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。②性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。③提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。

目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3%。我国大量的普通机床应用于生产第一线，用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求，所以必须大力提高机床的数控化率。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能;另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01，已能满足加工零件的精度要求。这几年，国家加大了对这类机床的改造力度，国防科工委更是推行了万台机床数控化计划，车床、铣床的数控化改造需求量很大。本课题以普通车床的数控改造为例，研究机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，机床改造后性能与精度的分析以及控制精度的措施等，普通车床应用微机控制系统进行改造数控改造后，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。基于上述分析，本课题的研究具有较高的现实意义。

二、主要研究内容

1.普通车床数控改造方案的确定，进行总体设计。

2.对普通车床数控改造进行结构设计与计算，包括主轴进给系统设计、机床纵、横进给伺服系统的设计等。

3. 对改造后的经济型数控车床伺服进给系统建立控制原理模型。

4. 根据进给系统的控制原理模型，对影响伺服系统系统的因素进行分析。

5. 对影响伺服传动精度的因素齿轮传动精度、滚珠丝杠副传动精度等进行深入研究，并提出相应的改进方法。

6. 对影响伺服元件伺服精度的因素步进电机步矩角精度等进行深入研究，并提出相应的改进方法。

三、拟解决的关键问题

1. 普通车床数控改造进给伺服系统机械部分的设计与计算。

2. 对经济型数控车床伺服进给系统建立控制原理模型。

3. 根据进给系统的控制模型，分析系统的误差来源及影响系统精度的因素。

4. 设计步进电机细分驱动电路，提高伺服进给系统的控制精度。

四、拟解决方案及关键技术

1. 普通车床数控改造进给伺服系统机械部分的设计与计算内容包括：确定系统的负载，运动部件惯量计算，步进电机的选择，滚珠丝杠副的选择和计算、滚珠丝杠副的刚度验算等。

2. 对改造后的经济型数控车床伺服进给系统建立控制原理模型。

3. 根据伺服进给系统控制原理模型，分别对伺服驱动元件的伺服精度、伺服机械传动元件传动精度进行分析，分析影响经济型数控车床定位精度主要因素。

4. 在伺服进给系统控制电路中加入步进电机细分驱动设计，改善步矩角特性，提高经济型数控车床的定位精度。

五、创新点

1. 运用机电一体化系统设计思路与方法进行普通车床数控改造的结构设计，在设计上达到有高的静动态刚度;运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙;便于操作和维修。

2. 从经济型数控车床的控制原理模型分析影响整个系统精度的关键因素，分析影响机床机床定位精度的各项误差来源，提出相应的改进方法并应用于机床结构设计中。

3. 运用步进电机细分驱动技术，设计基于单片机控制的步进电机的细分驱动电路，减小步进电机的步距角及机床的脉冲当量，提高经济型数控车床的加工精度，改善电机运行的平稳性，减小噪声，增加控制的灵活性。

六、课题预计目标

1.普通车床数控改造的方案的研究，进行总体设计。

2. 对经济型数控车床的伺服进给系统建立控制原理模型，并根据进给系统的控制原理模型，对影响系统精度的关键因素进行分析。

3. 研究提高机械传动部件的传动精度与刚度的方法，对普通车床数控改造进行结构设计，改善伺服进给系统的伺服特性。

4. 设计一种基于单片机控制的步进电机的细分驱动电路，提高伺服进给系统的分辨率。

七、课题研究进展计划

预计本课题研究进展主要分以下几个阶段：

1. 2007年11月～2007年12月 查看文献资料并撰写开题报告

2. 2007年12月～2008年03月 收集相关方面的资料，以普通车床数控改造为例进行总体设计

3. 2008年03月～2008年04月 学习机床伺服进给系统的设计等方面知识

4. 2008年04月～2008年07月 进行结构设计，绘制普通车床数控改造纵、横向进给系统装配图

5. 2008年07月～2008年08月 学习机床控制精度等方面知识

6. 2008年08月～2008年09月 对机床进行精度分析

7. 2008年09月～2008年10月 研究提高机床控制精度的措施

8. 2008年11月～2008年12月 完成毕业论文

9. 2008年12月 毕业答辩

参 考 文 献

[1] 刘跃南.机床计算机数控及其应用[m].北京：机械工业出版社，1997.

[2] 王爱玲.现代数控机床结构与设计[m].北京：兵器工业出版社，1999.

[3] 周文玉.数控加工技术基础[m].北京：中国轻工业出版社，1999.

[4] 朱晓春.数控技术[m].北京：机械工业出版社，2003.

[5]张柱良. 数控原理与数控机床. 北京：化学工业出版社，2003.

[6]]朱正伟. 数控机床机械系统. 北京：中国劳动社会保障出版社，2004.

[7] c616车床经济型数控改造总体方案及主要部件的设计[j]，机床与液压，1999，3：50~52.

[8] 杨祖孝.数控机床进给滚珠丝杠的选择和计算[j]，机床与液压，1999，3：50~52.

[9] 徐桦.直线滚动导轨副的选择程序及寿命分析[j]，机械设计与制造，1999，3：3~5.

[10] 翁史烈.现代机械设备设计手册-设计基础[m].北京：机械工业出版社，1996.

[11] 吴宗泽.机械设计实用手册[m].北京：化工出版社，2003.

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篇（11）

前 言

数控车床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的70%～80%。基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换档和无级调速。

在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须有以下性能:(1)宽调速范围，且速度稳定性能要高;(2)在断续负载下，电机的转速波动要小;(3)加减速时间短;(4)过载能力强;(5)噪声低、震动小、寿命长。

本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。

第1章变频器矢量控制阐述

70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

第2章数控车床主轴变频的系统结构与运行模式

2.1 主轴变频控制的基本原理

由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为:

n=(60f/p)×(1-s)

其中P—电动机的极对数，s—转差率，f—供电电源的频率，n—电动机的转速。从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400Hz(甚至更高频率)之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。

当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定。

图2-1 变频器在数控床上的应用

图2-1所示为变频器在数控车床的应用，其中变频器与数控装置的联系通常包括:(1)数控装置到变频器的正反转信号;(2)数控装置到变频器的速度或频率信号;(3)变频器到数控装置的故障等状态信号。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。

2.2 主轴变频控制的系统构成

不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。如果被加工件如图2-2所示所示形状，则由图2-2中看出，对应于工件的AB段，主轴速度维持在1000rpm，对应于BC段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变化的，从而实现高精度切削。

图2-2 主轴变频器系统构成示意

在本系统中，速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，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，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。

第3章无速度传感器的矢量控制变频器

3.1 主轴变频器的基本选型

目前较为简单的一类变频器是V/F控制(简称标量控制)，它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性V/F控制(用于恒转矩)和平方V/F控制(用于风机水泵变转矩)。

标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1:10)，因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。

所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。

矢量控制相对于标量控制而言，其优点有:(1)控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;(2)能适应要求高速响应的场合;(3)调速范围大(1:100);(4)可进行转矩控制。

当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五)，而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。

3.2 无速度传感器的矢量变频器

无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的特点，它们都具有以下特点:(1)电机参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强，如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;(3)低频高输出转矩，如150%额定转矩/1HZ;(4)各种保护齐全(通俗地讲，就是不容易炸模块)。

无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性，而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。图3-1所示，为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据(电机为5.5kW/4极)。从图中可知，其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。在实验中，我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段(如30Hz或50Hz)相同。

图3-1 无传感器矢量变频器的转矩特性

3.3 矢量控制中的电机参数辨识

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。从图3-2的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流)。

参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。

图3-2 异步电动机稳定态等效电路

在参数辨识中，必须注意:(1)若旋转辨识中出现过流或过压故障，可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。

3.4 数控车床主轴变频矢量控制的功能设置

从图1-1中可以看出，使用在主轴中变频器的功能设置分以下几部分:

1 矢量控制方式的设定和电机参数;

2 开关量数字输入和输出;

3 模拟量输入特性曲线;

4 SR速度闭环参数设定。

第4章结束语

对于数控车床的主轴电机，使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后，具有以下显著优点:大幅度降低维护费用，甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。

参考文献

1. 王侃夫. 数控机床控制技术与系统[M]. 北京:机械工业出版社，2002.

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