数控车床论文范文

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数控车床毕业论文参考文献：

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[4]吴祖育，秦鹏飞.数控机床[M].上海：上海科学技术出版社，1994：242.？

[5]毕妍.科技创新与应用：经济型数控机床改造的优化方案研究[J].科技创新与应用，2014：26.

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[3]姚雪莲.浅谈数控车床操作技术常见问题分析[J].科技创新导报，2012（35）.

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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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（一）、数控机床工作原理及组成

1.数控机床工作原理：

数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。

2.数控机床的组成：

数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成（二）、设计内容及任务

普通车床（C618）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。。

本设计任务是对C618卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。

（三）、数控部分的设计改造

1、数控系统运动方式的确定

数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于C618车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。

2、伺服进给系统的设计改造

数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。

闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。

半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。

开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。

经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。

3、数控系统的硬件电路设计

数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。

数控装置的设计方案通常有：

可以全部自己设计制作

可以采用单板机或STD模块或工控机改制

可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动

在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。

（四）、机械改造部分的设计

1、主传动部分的改造设计

将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。

2、进给机构的改造

将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。

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一、换刀装置故障

数控车换刀一般的过程是：换刀电机接到换刀信号后，通过蜗轮蜗杆减速带动刀架旋转，由霍尔元件发出刀位信号，数控系统再利用这个信号与目标值进行比较以判断刀具是否到位。刀换到位后，电机反转缩紧刀架。在我维修数控车的过程中遇到了以下几个故障现象。

故障一：一台四刀位数控车床，发生一号刀位找不到，其它刀位能正常换刀的故障现象。

故障分析：由于只有一号刀找不到刀位，可以排除机械传动方面的问题，确定就是电气方面的故障。可能是该刀位的霍尔元件及其周围线路出现问题，导致该刀位信号不能输送给PLC。对照电路图利用万用表检查后发现：1号刀位霍尔元件的24V供电正常，GND线路为正常，T1信号线正常。因此可以断定是霍尔元件损坏导致该刀位信号不能发出。

解决办法：更换新的霍尔元件后故障排除，一号刀正常找到。

故障二：一台六刀位数控车床，换刀时所有刀位都找不到，刀架旋转数周后停止，并且数控系统显示换刀报警：换刀超时或没有信号输入。

故障分析查找：对于该故障，仍可以排除机械故障，归咎于电气故障所致。产生该故障的电气原因有以下几种：1.磁性元件脱落；2.六个霍尔元件同时全部损坏；3.霍尔元件的供电和信号线路开路导致无电压信号输出。其中以第三种原因可能性最大。因此找来电路图，利用万用表对霍尔元件的电气线路的供电线路进行检查。结果发现：刀架检测线路端子排上的24V供电电压为0V，其它线路均正常。以该线为线索沿线查找，发现从电气柜引出的24V线头脱落，接上后仍无反应。由此判断应该是该线断线造成故障。

解决办法：利用同规格导线替代断线后，故障排除。

故障三：一台配有FANUC-0imate系统大连机床厂的六刀位车床，选刀正常但是当所选刀位到位之后不能正常锁紧。系统报警：换刀超时。

故障分析查找：刀架选刀正常，正转正常，就是不能反向锁紧。说明蜗轮蜗杆传动正常，初步定为电气线路问题。在机床刀架控制电气原理图上，发现刀具反向锁紧到位信号是由一个位置开关来控制发出的，是不是该开关即周围线路存在问题呢?为了确认这个故障原因，打开刀架的顶盖和侧盖，利用万用表参照电路图检查线路，发现线路未有开路和短路，通过用手按动刀架反向锁紧位置开关，观察梯形图显示有信号输入，至此排除电气线路问题。推断可能是挡块运动不到位，位置微动开关未动作。于是重新换刀一次来观察一下，结果发现：果然挡块未运动到位。于是把挡块螺栓拧紧，试换刀一次正常。再换一次刀，原故障又出现了，同时发现蜗杆端的轴套打滑并且爬升现象。难道是它造成了电机反转锁紧时位置开关的挡块不能到位?于是把该轴套进行了轴向定位处理，将刀架顶盖装好。结果刀架锁紧正常了。

解决办法：对轴套进行轴向定位故障解决。

二、稳压电源故障

机床在运行时机床照明灯突然不亮，机床操作面板灯也不亮，系统电源正常，同时系统急停报警，和主轴无信号警。关机后重新上电故障依旧。

故障分析检查：经询问当时操作人员，没有违规操作，排除人为原因，也可以排除机械原因，应该是电气故障引起。该机床的电器原理图显示，这些失电区域都和24V有关，并且该机床拥有两个稳压电源，一个是I/O接口电源，另一个为系统电源。失电区域都与I/O接口有关，于是打开电气柜观察发现I/O接口稳压电源指示灯未能点亮，说明该电源未能正常工作或损坏。由稳压电源的工作原理知道，稳压电源有电流短路和过载保护的功能，当电源短路或过载时自动关断电源输出，以保护电源电路不被损坏。于是试着把电源的输出负载线路拆下来，结果发现重新上电后电源指示灯亮了。这说明电源本身没有损坏。通过分析得知该电源为I/O接口电源，负载不大，也不会出现过载现象，应该是输出回路中有短路故障。沿着输出线号进行检查发现有一根24V+输出线接头从绝缘胶布中露出并接触到机床床体。原因很明显：由于该线与机床发生对地短路，造成该稳压电源处于自我保护状态，使得操作面板和一些I/O接口继电器供电停止，导致发生以上故障。至于变频器报警可能24V信号不能到位发出报警。

解决办法：用绝缘胶布把接头处重新包好，重新上电开机所有故障解决，报警解除照明灯也亮了。

三、系统程序锁故障

一台数控车，配有FANUC-0i-mate系统，无法输入对刀值等参数，不能编辑程序，并伴有报警。

故障分析检查：对此现象首先想到了程序保护开关，通过对比正常的系统发现：与系统锁住时现象一样。所以怀疑系统锁开关坏了，但经过短接，仍不能解决问题。通过观察故障系统的梯形图发现X56输入点无信号输入，说明这条输入线路断路。沿着这条线号利用万用表检查，发现在操作面板后面选轴开关接头处线头脱落，导致线路无法输入信号，使PLC逻辑关系不正确，才出现以上故障。

解决办法：用烙铁焊锡把脱落的线头重新焊接好，报警解除，参数输入正常，故障消失。

四、结束语

以上维修案例，可作为类似故障的排除参考。一般地，对于任何故障，首先是根据现象，根据原理来判断故障点，分析每一个可能性，如一个开关，一个线接头，一个螺钉都会是都会是故障原因，参照之前的操作、维修历史进行分析，能有利于缩小查找范围，有利于提高维修的效率。

参考文献：

[1]FANUC-0i-mate使用说明书.

[2]大连机床集团数控车床电器说明书.

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关键词:数控车床进给系统机构

Abstract

Thisarticlemainlytoldtheresearch,thedesigningandtransformationonthelongitudinalmotionsystemandtracklubricationmechanismofCA6140economicmediumprecisionNCmachine.ThearticlemadeabrilliantexpositiononthedesigningandtransformationschemeofthelongitudinalmotionsystemandtracklubricationmechanismofNCmachine.Thearticlealsoexposedbrilliantlythemechanism’smailparts:theball-racebearing,theservo-electricmachine,thecouplingandsoon.Doingthedesignisforthesakeofimprovingthesiteprecision,duplicatesiteprecisionandtransformatingtheLongitudinalmotionsystem.Soitcanworkcredibility,meettherequestofeverypropertynorm,cometotheexpectedconsequence,andfulfilltherequireofdesignassignmentlist.Besides,theauthorhasdesignedanddrawedallofmechanism’parts,andalsodrawedtheassemblechart.Thismechanismissimpleandreliable,itcanapplytoeverysimilarNCmachine.

Keywords:NCmachineLongitudinalmotionsystemTracklubricationmechanism

数控机床简介

数控机床是一种高科技的机电一体化产品,是综合应用计算机技术、精密测量及现在机械制造技术等各种先进技术相结合的产物。数控机床作为实现柔性制造系统、计算机集成制造系统和未来工厂自动化的基础已成为现在制造技术中不可缺少的生产手段,是机电一体化技术的重要组成部分。随着科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩大。数控机床已成为现在机械制造业中的主要技术装备。

四．经济型数控车床的改造

纵横向进给系统原机床挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠,光杠等全部拆除,纵、横向以伺服电机作为驱动元件,经一级齿轮减速转矩增大后,由滚珠丝杠传动。纵向进给机构：纵向伺服电机为P20B200DxS，2.0的交流伺服电机,滚珠丝杠仍利用原丝杠位置,其螺母副通过托架安装在床鞍底部,滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承,与床身尾部步进电机相联接。伺服电机经减速后,减速器输出轴用套筒联轴器与丝杠直接联接,这种结构简单,径向尺寸小,可防止被联接轴的位移和偏斜所带来装配困难和附加应力。

改造后的数控机床应有以下发展方向：单一的数字控制应向数控中心发展，数控机床总体布局更加合理，机床控制系统的控制和运算功能更进一步加强，机床的伺服系统采用交流数字伺服系统代替直流伺服系统，编程更趋合理化，加工工艺更趋简单化90%机床的检测和监控系统要能实现自动化。

随着科学技术水平和人类生活水平的提高，对机械产品的质量要求越来越高，产品品种越来越多，中大批量的产品需求越来越少，而单件小批量生产模式迅速增加。作为实现单件小批量加工自动化的数控机床，由于其突出的优点而得到广泛应用。目前,国外数控机床的性能正朝着高精度、高效率、高柔性、高自动化方向迅速发展,这将对数控机床机械结构设计和制造的质量和可靠性提出更高的要求。“十五”期间,我国机械制造行业必须瞄准国际数控机床发展的科学前沿,开拓创新,消化吸收国外先进技术,开创我国数控机床设计和制造技术的新局面。

总体设计方案论证

数控车床的进给系统包括横向进给系统(X轴)和纵向进给系统(Z轴),它们是由伺服电机经同步齿形带传动,驱动滚珠丝杠螺母副机构,来实现刀架的运动。根据GB/T16462-1996《数控卧式车床精度检验》,机床的位置精度包括重复定位精度、反向偏差和定位精度。当机床的中心距DC=3000mm时,其重复定位精度X轴0.0075mm,Z轴0.010mm;反向偏差X轴为0.006mm,Z轴为0.012mm;定位精度X轴为0.035mm,Z轴为0.040mm。可以看出,进给轴设计与主轴设计相比,具有相同的重要性。因而,进给轴的设计应从动、静两方面充分考虑,位置精度才能达到该标准的要求。在数控车床进给系统的设计中,根据横向、纵向的不同精度要求,不同移动质量及转动惯量等特点,分别解决设计中的主要矛盾。以期望设计结果能满足各项性能指标的要求,达到预期的结果,即满足设计任务书的要求。

驱动元件：

各种数控机床加工的对象不同，工艺要求不同，所以对进给驱动的要求不尽相同，但基本要求是一样的，大致有四个方面。

（1）高精度使用数控机床主要是解决零件加工质量的稳定性，一致性，减少废品率；解决复杂空间曲面零件的加工；解决复杂零件的加工精度，缩短制造周期等。为了满足这些要求，必须保证数控机床的定位精度和加工精度。要求定位精度和轮廓切削精度能达到机床要求的指标。在位置控制中要求有高的定位精度，而在速度控制中，要求有高的调速精度，强的抗负载扰动的能力，即静态和动态速度降尽可能小。

（2）快速响应为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。

（3）调速范围宽在各种数控机床中，由于加工用刀具，被加工零件的材质及加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。

（4）低速大转矩根据机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。

附件清单

1.毕业设计任务书1份

2.毕业设计说明书1份

3.总装图CK000A31份

4.进给系统装配图CK001A01份

5.机构装配图CK002A11份

6.床鞍零件图CK124A11份

7.电机支座零件图CK117A11份

8.螺母支架零件图CK110A21份

9．连接轴零件图CK101A31份

10．面板零件图CK102A31份

11．端盖零件图CK106A31份

12．法兰零件图CK108A31份

13．滚珠丝杠副零件图CK112A31份

14．支座零件图CK114A31份

15．垫圈零件图CK103A41份

16．套筒零件图CK104A41份

17．连接法兰零件图CK105A41份

18．侧板零件图CK107A41份

19．法兰零件图CK109A41份

20．法兰零件图CK111A41份

21．法兰零件图CK113A41份

22．小端盖零件图CK115A41份

23．防护罩零件图CK116A41份

24．锥销零件图CK118A41份

25．连接管零件图CK119A41份

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2项目教学法在数控车床编程中的应用

2.1对项目进行确定

首先需要对项目进行确定，了解项目中的任务。项目中的任务也需要合理的计划，这是实施项目教学的首要前提，在项目确定的时候有几个因素需要考虑：第一，在项目进行选择的时候要按照教学中的内容，结合教学大纲中的要求，将教学大纲中的知识和每一个项目结合在一起，还需要一定的想象空间，这样不仅能够提高学生学习知识的能力，还能培养学生的创新能力。其次，根据学生的学习水平、学习层次来制定项目的难易程度，来提高学生的学习兴趣，每一个项目都尽量能让学生接受。最后，设定的项目要有一定的实用价值，例如：在在数控车床编程中可以选用一些小酒杯来作为项目中的教学，分析小酒杯中的零件图纸，通过图纸上的尺寸要求，来对尺寸进行控制并进行加工。

2.2制定相应的计划

要制定计划的时候，需要提供相应的资料。可以将学生分为几个小组，并从其中选出一个组长，在老师的指导下，对本组人员进行职务上的分配。老师给学生提供相应的零件加工资料，并且告诉学生需要完成的项目是什么以及这个项目的操作顺序，这样可以减少学生在操作中容易出现差错。每个小组可以根据酒杯的零件图纸来进行加工，小组成员通过一起商量和探讨来进行编写，教师可以通过对加工工艺的程序进行相应的指导，对小组中出现程序错误的进行改正。这样一来，不仅能够提高学生的合作能力、交流能力，还能达到教学中的目的。

2.3对计划的实施

在确定好项目之后，教师需要对项目在实施过程中遇到的一些问题进行解决，这样能够总结经验，来更好的对学生指导。在教学中，可以给学生展示一些关于数控车床编程中的案例，来提高学生的学习兴趣。在实施项目计划的过程中，教师要不断地激励学生勇敢的尝试，提高学生的自主学习能力，学生之间也可以互相的交流和合作，来对项目中的任务更好的完成。学生在项目完成之后，老师可以通过阶段性测试，来检验学生对知识的掌握程度，学生也能清楚的知道自己哪方面知识不足，教师也可以看到学生知识存在的漏洞，可以进行再次的讲解和指导，来增加学生的理解能力和学习兴趣，更好的完成项目中的任务。

2.4进行总结和评价

在学生对项目加工完之后，教师可以让每一组学生的作品结果进行展示，找出符合加工要求、质量比较高的小组，来进行讲评和总结。对在加工中出现问题的小组，找出出现问题的原因，并进行一定程度上的指导，给出相应的解决办法。例如：学生在对酒杯进行加工的过程中，内孔刀的选择和切削用量对准确对酒杯的内表面的加工质量是比较重要的。因此，教师可以让学生对项目加工中需要注意的事项进行总结，以及学生在项目学习过程中的表现进行评价，教师对这些问题进行纠正，并给出相应的建议，方便学生在下一个项目任务中更好的表现。

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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。

.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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1 引言

随着可编程逻辑控制器（PLC）技术的逐渐发展，很多工业生产要求实现自动化控制的功能，都采用PLC来构建自动化控制系统，尤其是对于一些电气控制较为复杂的电气设备和大型机电装备，PLC在电气化和自动化控制方面具有独到的优势，如顺序控制，可靠性高，稳定性好，易于构建网络化和远程化控制，以及实现无人值守等众多优点。基于此，PLC技术逐渐成为工业电气自动化控制的主要应用技术。

本论文主要结合数控机床的电气化功能的改造，详细探讨数控机床电气化改造过程中基于PLC技术的应用，以及PLC技术在实现数控机床自动化控制功能上的应用，以此和广大同行分享。

2 数控机床的电气化改造概述

2.1 数控机床的主要功能

数控机床是实现机械加工、制造和生产中应用的最为广泛的一类机电设备。数控机床依托数控化程序，实现对零部件的自动切削和加工。但是目前我国仍然有超过近1000万台的数控机床，主要依靠手动控制完成切削加工，无法实现基本的电气化和自动化控制。为此，本论文的主要的目的是基于PLC控制技术，实现数控机床的电气化改造，主要实现以下功能：

（1） 数控机床的所有电机、接触器等实现基于PLC的自动化控制；

（2）数控机床的进给运动由PLC控制自动完成，无需人工手动干预；

（3） 自动检测零部件切削过程中的相关参数，如加工参数、状态参数等等；

（4） 结合上位机能够实现对数控机床的远程控制，以达到无人值守的目的。

2.2 电气化改造的总体方案

结合上文对于数控车床的电气化、自动化改造的功能要求，确定了采用上位机与下位机结合的自动化改造方案。该方案总体结构分析如下：

（1） 上位机借助于工控机，利用工控机强大的图像处理能力，重点完成数控车床的生产组态画面显示，以及必要的生产数据的传输、保存、输出，同时还要能够实现相关控制指令的下达，确保数控车床能够自动完成所有切削加工生产任务。

（ 2）下位机采用基于PLC技术的电气控制模式，由传感器、数据采集板卡负责采集数控车床的生产数据、环境数据、状态数据等所有参数，由PLC实现对相关数据的计算，并传输给上位机进行相关数据的图形化显示和保存；另一方面，PLC控制系统还接收来自于上位机的控制指令，实现对数控车床的远程控制。

（3） 对于数控车床最为关键的控制――进给运动的控制，利用PLC+运动控制板卡的模式实现电气化和自动化的控制。具体实现方式为：选用合适的运动控制板卡，配合PLC的顺序控制，对进给轴电机实现伺服运动控制，从而实现对数控车床进给运动的自动化控制。

3 数控车床电气化自动控制改造的实现

3.1 系统改造结构设计

数控车床的电气化自动控制改造，其整体结构如下图1所示，其整体结构主要由以下几个部分构成：

3.1.1 底层设备

底层设备主要包括两个方面，首先是实现数控车床自动切削加工运转等基本功能的必要电气、机电设备，如电源模块、电机模块等，这些机电设备能够保证数控车床的基本功能的稳定可靠的实现；其次，底层设备还包括各类传感器，比如监测电机转速、温度的速度传感器和温度传感器，监测进给轴运动进给量的光栅尺等，这些传感类和数据采集类设备为实现数控车床自动化控制提供了基础数据源。

3.1.2 本地PLC站

本地PLC站主要负责接收底层传感设备传送过来的传感参数、状态参数及其他检测参数，通过内部程序的运算，判断整个数控车床的工作状态，并将其中的重点参数上传到远程控制终端进行数据的图形化显示、存储、输出打印等操作；另一方面，本地PLC站同时还接收来自于远程控制终端所下达的控制指令，比如停机、启动等控制指令，PLC站通过对相应执行器（比如电机）的控制，从而实现自动化控制的功能。

3.1.3 远程控制终端

远程控制终端主要是依赖于工控机实现的上位机数据管理和状态监控，需要专门开发一套面向数控车床加工、生产和自动控制的软件程序，以实现对数控车床的远程化、网络化、自动化控制，真正实现无人值守的功能。

基于PLC的数控车床电气自动化改造框图

3.2 PLC电气控制系统的设计实现

本研究论文以CK6140普通数量机床为具体研究对象，详细探讨其电气化、自动化控制的改造。通过上文对机床改造方案和结构功能的分析，可以确定整个机床电气化、自动化改造，一共需要实现14个系统输入，9个系统输出。结合控制要求，这里选用日本三菱公司的FX2N-48MR型PLC，输入回路采用24V直流电源供电方式。根据对数控机床的各模块控制功能的分析，选用合适的接触器、继电器、开关、辅助触点等电气控制元件，与PLC共同实现对电气设备的控制，比如PLC通过接触器控制电机模块，PLC通过继电器控制电磁阀等部件，从而完成基于PLC控制的数控车床电气化改造。

4 结语

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随着科技的迅猛发展，计算机辅助软件在数控加工制造中被广泛的应用。在数控加工制造业中广泛应用计算机辅助数控技术，数控专业是具有很强的理论性和实践性特征的专业，计算机辅助教学技术极大的提高数控教学效果和降低教学成本，本文研究了计算机辅助教学技术在数控教学中的应用。

1 数控教学中存在的问题

数控专业涉及多门学科，且交叉程度高，具有很强的其理论性和实践性，数控专业的理论知识体系很复杂，实践操作要求高，因此数控专业的实践教学在教学中起着极为关键的作用，通过有效的计算机辅助实践教学能够促进学生了解数控车床的基本原理与结构，能够让学生加快掌握数控车床的基本操作技能，熟练操作CAD/CAM应用的方法与流程，最终提高综合能力，但是在实际数控教学过程中，往往受到教学条件和专业特征等因素的制约，导致在具体的教学中存在一些常见问题:(1)由于数控车床涉及多门学科，因此数控这门专业所需的理论知识体系相当复杂，而且许多教学内容很抽象、知识结构复杂，以往教师在课堂上单纯的讲解课本教学方式，导致学生难以理解，学习过程中选择逃过复杂的数控理论体系，导致学生普遍理论知识欠缺，最后必然导致学生难以理解接受理论知识;(2)数控车床综合应用多种技术，结构原理和生产过程是非常复杂，车床产品类型极为复杂，广泛应用于各行各业模型和各种数控车床，其价格远高于普通车床。数控车床价格太贵导致教学成本太高，因此学校在教学中不能将用于数控车床模型和数量配置完整，从而影响教学效果;(3)车床型号太多且价格昂贵，导致学校配置不能配齐所有车床型号，因此在实际教学中，学生不能对所有型号的数控车床进行实际的实践操作，导致学生在学校学校学到的知识，不能实际应用到企业；(4)当前职业教育广泛采用班级授课制，数控实训往往是一个班的同学在同一时间对数控实习室培训操作，训练设备的限制，很难确保每个学生数控车床操作培训，培训指导老师不能到每个学生调度监控和指导，这将导致在训练过程中存在安全隐患。

2 计算机辅助教学在数控教学中的应用措施

根据以上所述数控专业的专业特征及数控专业教学中存在的问题，可以利用现代技术计算机辅助数控教学，凭借计算机辅助教学有效的模拟效果提高数控专业的教学效果，具体措施包括:(1)数控专业理论中存在大量的抽象复杂的理论知识，传统的教学方式将导致学生很难理解，应用计算机辅助教学技术提高教学效果，数控车床的结构与原理极为复杂，而且很难找到实物演示观察，教师在讲解时难以表达清楚，学生很难理解掌握；这些抽象概念学生很难理解，采用计算机辅助教学技术，可以将复杂和抽象的教学内容简单化和具体化，从而让学生轻松地掌握这些复杂难懂的理论知识；在讲解数控指令等抽象内容时，可以运用计算机辅助教学技术将其实现功能形象地表达出来，从而将抽象内容具体化，应用计算机辅助教学技术可将教学内容形象化、具体化，还能突出重点、简化难点，并且能激发学生的学习兴趣，从而提高教学效果。(2)计算机辅助教学即利用硬件与软件结合构建虚拟实验室，在计算机网络上进行模拟、仿真各种实验操作，替代部分甚至全部传统的常规实验仪器设备，由于数控车床的型号和种类繁多，且更新换代极为快速，以职业学校的经济实力，不能将所有型号的实验设备配备齐全，可以充分利用计算机辅助软件构建虚拟实验室进行仿真。随着计算机辅助教学技术的日趋成熟，计算机仿真系统越来越完善，可模拟数控实际设备加工环境以及其工作状态也更加全面，可以验证数控加工程序更高的正确性和可靠性，计算机辅助数控加工仿真在数控教学中起着十分重要的作用，是现代数控专业实践教学的有效辅助方式。在虚拟实验室，利用计算机辅助处于虚拟环境中可动态分析观察数控工件制作程序的正确性和完整性，教师利用仿真平台进行工件加工操作演示，学生都能清楚的观察到每一个详细的操作步骤，学生自己也可以在虚拟实验室进行仿真实验操作，学生通过仿真实验，学校不必花费太多的经济就能够使学生得到实践练习的机会，仿真实验让学生加深对数控指令的理解，缩短对实际数控车床的熟悉时间，减少加工材料损耗和浪费，节约时间；(3)在学习一个段落或者一个知识点后，有必要进行一次有效的教学效果评价，但传统的单一的书面考试形式的评价模式的运作程序，将不能够提高学生的学习兴趣，不但影响评定效果，也不利于教学。应用计算机辅助教学技术教学的效果是可以测试学生在学习效果，通过仿真实验，对学生所学知识进行测试，可以直接反映教学效果，同时增加学生的学习兴趣。

3 结语

本文对数控专业教学的现状及存在的问题进行分析，对计算机辅助教学技术在数控专业中的应用进行研究，且提出了计算机辅助软件在数控专业教学中的具体的实施方案，计算机辅助在教学能够将抽象复杂的理论知识具体简单化，促进学生对其的理解，从而可以提高教学效果，提高了学生的知识与技能。

参考文献

[1] 薛成，罗霞.浅谈五年制高职数控专业的教学改革[J].中国科技信息，2009(10).

[2] 梁家强.数控专业教学体系研究与实践[J].科技信息，2010(36).

[3] 刘峻，朱敏红.高职数控技术专业教学改革的核心——课程体系改革[J].科技信息，2011(10).

[4] 杨丽.浅谈中职数控专业实行“学分制”的必要性以及课程设置[J].科技资讯，2010(06).

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随着科技的迅猛发展,计算机辅助软件在数控加工制造中被广泛的应用。在数控加工制造业中广泛应用计算机辅助数控技术,数控专业是具有很强的理论性和实践性特征的专业,计算机辅助教学技术极大的提高数控教学效果和降低教学成本,本文研究了计算机辅助教学技术在数控教学中的应用。

1 数控教学中存在的问题

数控专业涉及多门学科,且交叉程度高,具有很强的其理论性和实践性,数控专业的理论知识体系很复杂,实践操作要求高,因此数控专业的实践教学在教学中起着极为关键的作用,通过有效的计算机辅助实践教学能够促进学生了解数控车床的基本原理与结构,能够让学生加快掌握数控车床的基本操作技能,熟练操作cad/cam应用的方法与流程,最终提高综合能力,但是在实际数控教学过程中,往往受到教学条件和专业特征等因素的制约,导致在具体的教学中存在一些常见问题:(1)由于数控车床涉及多门学科,因此数控这门专业所需的理论知识体系相当复杂,而且许多教学内容很抽象、知识结构复杂,以往教师在课堂上单纯的讲解课本教学方式,导致学生难以理解,学习过程中选择逃过复杂的数控理论体系,导致学生普遍理论知识欠缺,最后必然导致学生难以理解接受理论知识;(2)数控车床综合应用多种技术,结构原理和生产过程是非常复杂,车床产品类型极为复杂,广泛应用于各行各业模型和各种数控车床,其价格远高于普通车床。数控车床价格太贵导致教学成本太高,因此学校在教学中不能将用于数控车床模型和数量配置完整,从而影响教学效果;(3)车床型号太多且价格昂贵,导致学校配置不能配齐所有车床型号,因此在实际教学中,学生不能对所有型号的数控车床进行实际的实践操作,导致学生在学校学校学到的知识,不能实际应用到企业；(4)当前职业教育广泛采用班级授课制,数控实训往往是一个班的同学在同一时间对数控实习室培训操作,训练设备的限制,很难确保每个学生数控车床操作培训,培训指导老师不能到每个学生调度监控和指导,这将导致在训练过程中存在安全隐患。

2 计算机辅助教学在数控教学中的应用措施

根据以上所述数控专业的专业特征及数控专业教学中存在的问题,可以利用现代技术计算机辅助数控教学,凭借计算机辅助教学有效的模拟效果提高数控专业的教学效果,具体措施包括:(1)数控专业理论中存在大量的抽象复杂的理论知识,传统的教学方式将导致学生很难理解,应用计算机辅助教学技术提高教学效果,数控车床的结构与原理极为复杂,而且很难找到实物演示观察,教师在讲解时难以表达清楚,学生很难理解掌握；这些抽象概念学生很难理解,采用计算机辅助教学技术,可以将复杂和抽象的教学内容简单化和具体化,从而让学生轻松地掌握这些复杂难懂的理论知识；在讲解数控指令等抽象内容时,可以运用计算机辅助教学技术将其实现功能形象地表达出来,从而将抽象内容具体化,应用计算机辅助教学技术可将教学内容形象化、具体化,还能突出重点、简化难点,并且能激发学生的学习兴趣,从而提高教学效果。(2)计算机辅助教学即利用硬件与软件结合构建虚拟实验室,在计算机网络上进行模拟、仿真各种实验操作,替代部分甚至全部传统的常规实验仪器设备,由于数控车床的型号和种类繁多,且更新换代极为快速,以职业学校的经济实力,不能将所有型号的实验设备配备齐全,可以充分利用计算机辅助软件构建虚拟实验室进行仿真。随着计算机辅助教学技术的日趋成熟,计算机仿真系统越来越完善,可模拟数控实际设备加工环境以及其工作状态也更加全面,可以验证数控加工程序更高的正确性和可靠性,计算机辅助数控加工仿真在数控教学中起着十分重要的作用,是现代数控专业实践教学的有效辅助方式。在虚拟实验室,利用计算机辅助处于虚拟环境中可动态分析观察数控工件制作程序的正确性和完整性,教师利用仿真平台进行工件加工操作演示,学生都能清楚的观察到每一个详细的操作步骤,学生自己也可以在虚拟实验室进行仿真实验操作,学生通过仿真实验,学校不必花费太多的经济就能够使学生得到实践练习的机会,仿真实验让学生加深对数控指令的理解,缩短对实际数控车床的熟悉时间,减少加工材料损耗和浪费,节约时间；(3)在学习一个段落或者一个知识点后,有必要进行一次有效的教学效果评价,但传统的单一的书面考试形式的评价模式的运作程序,将不能够提高学生的学习兴趣,不但影响评定效果,也不利于教学。应用计算机辅助教学技术教学的效果是可以测试学生在学习效果,通过仿真实验,对学生所学知识进行测试,可以直接反映教学效果,同时增加学生的学习兴趣。

3 结语

本文对数控专业教学的现状及存在的问题进行分析,对计算机辅助教学技术在数控专业中的应用进行研究,且提出了计算机辅助软件在数控专业教学中的具体的实施方案,计算机辅助在教学能够将抽象复杂的理论知识具体简单化,促进学生对其的理解,从而可以提高教学效果,提高了学生的知识与技能。

参考文献

[1] 薛成,罗霞.浅谈五年制高职数控专业的教学改革[j].中国科技信息,2009(10).

[2] 梁家强.数控专业教学体系研究与实践[j].科技信息,2010(36).

[3] 刘峻,朱敏红.高职数控技术专业教学改革的核心——课程体系改革[j].科技信息,2011(10).

[4] 杨丽.浅谈中职数控专业实行“学分制”的必要性以及课程设置[j].科技资讯,2010(06).

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一、数控车削加工工艺的内容

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）工序、工步的设计；（五）加工轨迹的计算和优化；（六）数控车削加工程序的编写、校验与修改；（七）首件试加工与现场问题的处理；（八）编制数控加工工艺技术文件；总之，数控加工工艺内容较多，有些与普通机床加工相似。

二、数控车削加工工艺分析

工艺分析是数控车削加工的前期工艺准备工作。工艺制定得合理与否，对程序的编制、机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响。为了编制出一个合理的、实用的加工程序，要求编程者不仅要了解数控车床的工作原理、性能特点及结构。掌握编程语言及编程格式，还应熟练掌握工件加工工艺，确定合理的切削用量、正确地选用刀具和工件装夹方法。因此，应遵循一般的工艺原则并结合数控车床的特点，认真而详细地进行数控车削加工工艺分析。其主要内容有：根据图纸分析零件的加工要求及其合理性；确定工件在数控车床上的装夹方式；各表面的加工顺序、刀具的进给路线以及刀具、夹具和切削用量的选择等。

（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．尺寸标注方法分析

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。如果零件图上各方向的尺寸没有统一的设计基准，可考虑在不影响零件精度的前提下选择统一的工艺基准。计算转化各尺寸，以简化编程计算。

2．轮廓几何要素分析

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。因此在零件图分析时，要分析几何元素的给定条件是否充分。

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。其主要内容包括：分析精度及各项技术要求是否齐全、是否合理；分析本工序的数控车削加工精度能否达到图纸要求，若达不到，允许采取其他加工方式弥补时，应给后续工序留有余量；对图纸上有位置精度要求的表面，应保证在一次装夹下完成；对表面粗糙度要求较高的表面，应采用恒线速度切削（注意：在车削端面时，应限制主轴最高转速)。

（二）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。

（1）尖形车刀。以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。其刀尖由直线性的主、副切削刃构成，如外圆偏刀、端面车刀等。这类车刀加工零件时，零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到。

（2）圆弧形车刀。除可车削内外圆表面外，特别适宜于车削各种光滑连接的成型面。其特征为：构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓误差很小的圆弧，该圆弧刃的每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。

（3）成型车刀。即所加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常用的成型车刀有小半径圆弧车刀、车槽刀和螺纹车刀等。为了减少换刀时间和方便对刀，便于实现机械加工的标准化。数控车削加工中，应尽量采用机夹可转位式车刀。

（三）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。

（四）划分工序及拟定加工顺序

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。

篇12

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。

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。

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。

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;

4SR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.