4数控车床进给轴控制设计

1常州车电职业技术学院毕业设计（论文）作者：郝荣荣学号：10761311系部：机械工程系专业：数控设备的应用与维护题目：数控车床进给轴控制设计指导者：杨红霞评阅者：2010年03月2数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电车通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。本文针对配置FANUC0IMATE系列数控系统的数控车床，介绍了其进给系统的技术需求、工作原理、控制原理、系统设计、进给轴调试、伺服报警处理及实例。改进了进给系统的控制设计，使其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。使加工过程能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。这对我国国产车床的生产和发展前景具有重要的意义。关键词：数控车床进给系统进给轴调试3CNClathefeedingsystemandaqualitativedifferencebetweenordinarylathe,conventionallathewithfeedboxesandswitchinggearrack,andCNClathesareusedforservodrivetrainbytheballslidingboardandknifetoachievefeedmotion,thusfeedingstructureofthesystemgreatlysimplified.Inthispaper,configurationFANUC0IMATECNCCNClathe,introduceditstechnologyneedsofthefeedsystem,workingprinciple,controltheory,systemdesign,thefeedaxisdebugging,servoalarmandInstance.Improvedfeedcontrolsystemdesign,itsfeedtransmissiondrivesystemhasahighaccuracy,highsensitivity(fastresponse),stable,hasahighflexuralrigidityandservicelife,smallfrictionandmovementofinertia,andtoclearthetransmissiongap.Makingprocesstomaintainthebestworkingconditions,whicharehighprecisionandlowsurfaceroughness,butalsocanimprovetoollifeandequipmentproductivity.Thisismyhomemadelatheproductionanddevelopmentprospectsofgreatsignificance.Keywords:CNClatheFeedingsystemFeedshaftdebugging4目录绪论………………………………………………………………………61.数控车床的介绍1.1数控车床的概述………………………………………………71.2数控车床的组成……………………………………………71.3数控车床加工的工作原理……………………………………102.数控车床的进给系统2.1进给系统的概述………………………………………………112.1.1进给系统的分类及工作理…………………………………112.1.2进给系统的控制原理………………………………………133.进给系统控制的实现3.1进给系统的硬件连接…………………………………………153.2进给系统PLC控制设计………………………………………164.进给轴调试4.1数控车床基本操作与调试……………………………………224.2进给系统传动部件…………………………………………234.2.1进给系统机械结构特点…………………………………255.伺服报警处理5.1进给伺服系统各类故障的表现形式…………………………265.2软件报警（CRT显示）故障及处理…………………………265结论……………………………………………………………………27致谢……………………………………………………………………38参考文献………………………………………………………………3961.绪论普通车床作为简单的机电一体化产品将逐渐被数控车床取代,数控系统对进给轴的控制最终表现在对位置的控制随着机床行业的发展,市场需求的机床逐渐趋向高效率和高精度化。而受人为因素影响较大的普通机并能对位置运动做时时监控,系统对位置运动的控制效果最终将影响机床的精度。所以随着数控机床的逐渐普及，分析和掌握各控制系统原理对各工程技术人员极为重要，此控制原理将始终贯穿于机床设计、调试和故障排除等实际生产环节中。但是在进给轴控制方面，仍存在着一些问题，进给轴速度不稳定、振动、抖动的现象时常发生，特别是使用了一定年限的机床，更易发生这种现象。这类故障常常伴有伺服单元过流、失速报警、数控系统的误差过大报警以及轮廓监控或位置失掉信号报警。近年来，随着7我国经济水平的发展，数控机床也渐渐占据了装备制造业的主导地位，数控技术也成为了衡量一个国家经济发展水平及国防建设能力的一个重要的标准之一。数控机床的可靠性直接影响数控机床的使用,影响加工精度及生产率,更影响人们对数控机床的使用信心。随着数控机床行业不断发展，对数控系统控制精度和稳定性要求也越来越高。各系统生产商在不断挖掘系统新功能和扩大系统控制轴数的同时，不断完善和提高系统的综合性能，然而数控车床的进给轴控制系统始终基于上述控制理论。对于数控系统二次开发的车床生产厂商来说，此控制理论将贯穿整个车床设计和调试过程，也为产品故障诊断和解决提供理论基础支持。2.数控车床的介绍2.1数控车床的概述数控车床又称为CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。82.2数控车床的组成虽然数控车床种类较多，但一般均由车床主体、数控装置和伺服系统三大部分组成。图1-1是数控车床的基本组成方框图。图2-1数控车床的基本组成方框图1.车床主体除了基本保持普通车床传统布局形式的部分经济型数控车床外，目前大部分数控车床均已通过专门设计并定型生产。1）主轴与主轴箱主轴数控车床主轴的回转精度，直接影响到零件的加工精度；其功率大小、回转速度影响到加工的效率；其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。主轴箱具有有级自动调速功能的数控车床，其主轴箱内的传动机构已经大大简化；具有无级自动调速(包括定向准停)的数控车床，起机械传动变速和变向作用的机构已经不复存在了，其主轴箱也成了轴承座及润滑箱的代名词；对于改造式(具有手动操作和自动控制加工双重功能)数控车床，则基本上保留其原有的主轴箱。2）导轨数控车床的导轨是保证进给运动准确性的重要部件。它在很大程度上影响车床的刚度、精度及低速进给时的平稳性，是影响零件加工质量的重要因素之一。除部分数控车床仍沿用传统的滑动导轨(金属型)外，定型生产的数控车床已较多地采用贴塑导轨。9这种新型滑动导轨的摩擦系数小，其耐磨性、耐腐蚀性及吸震性好，润滑条件也比较优越。3）机械传动机构除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上，作了大幅度的简化。如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺旋传动机构，并在驱动电动机至丝杠间增设了(少数车床未增设)可消除其侧隙的齿轮副。螺旋传动机构数控车床中的螺旋副，是将驱动电动机所输出的旋转运动转换成刀架在纵、横方向上直线运动的运动副。构成螺旋传动机构的部件，一般为滚珠丝杠副，如图1-2所示。1一螺母2一丝杠3一滚珠4一滚珠循环装置图1-2滚珠丝杠副滚珠丝杠副的摩擦阻力小，可消除轴向间隙及预紧，故传动效率及精度高，运动稳定，动作灵敏。但结构较复杂，制造技术要求较高，所以成本也较高。另外，自行调整其间隙大小时，难度亦较大。齿轮副在较多数控车床的驱动机构中，其驱动电动机与进给丝杠间设置有一个简单的齿轮箱（架）。齿轮副的主要作用是，保证车床进给运动的脉冲当量符合要求，避免丝杠可能产生的轴向窜动对驱动电动机的不利影响。4）自动转动刀架除了车削中心采用随机换刀(带刀库)的自动换刀装置外，数控车床一般带有固定刀位的自动转位刀架，有的车床还带有各种形式的双刀架。105）检测反馈装置检测反馈装置是数控车床的重要组成部分，对加工精度、生产效率和自动化程度有很大影响。检测装置包括位移检测装置和工件尺寸检测装置两大类，其中工件尺寸检测装置又分为机内尺寸检测装置和机外尺寸检测装置两种。工件尺寸检测装置仅在少量的高档数控车床上配用。6）对刀装置除了极少数专用性质的数控车床外，普通数控车床几乎都采用了各种形式的自动转位刀架，以进行多刀车削。这样，每把刀的刀位点在刀架上安装的位置，或相对于车床固定原点的位置，都需要对刀、调整和测量，并以确认，以保证零件的加工质量。（2）数控装置和伺服系统数控车床与普通车床的主要区别就在于是否具有数控装置和伺服系统这两大部分。如果说，数控车床的检测装置相当于人的眼睛，那么，数控装置相当于人的大脑，伺服系统则相当于人的双手。这样，就不难看出这两大部分在数控车床中所处的重要位置了。数控装置数控装置的核心是计算机及其软件，它在数控车床中起“指挥”作用：数控装置接收由加工程序送来的各种信息，并经处理和调配后，向驱动机构发出执行命令；在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，以便经处理后发出新的执行命令。伺服系统伺服系统准确地执行数控装置发出的命令，通过驱动电路和执行元件（如步进电机等），完成数控装置所要求的各种位移。1.3数控车床加工的工作原理数控车床的工作过程如图1-3所示。图1-3数控车床的工作过程（1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。（2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。11（3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。（4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。（5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统统发出执行的命令。（6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。第二章数控车床的进给系统2.1进给系统的概述数控机床的进给系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元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装置，亦称检测系统。数控机床进给系统中的机械传动装置和器件具有