基于PLC的数控机床的应用设计

精选优质文档-----倾情为你奉上精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业专心---专注---专业精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业南京工程高等职业学校五年制高职毕业设计姓名：武陈学号：系部：电子工程系专业：电气自动化技术设计题目：基于PLC的数控机床的应用设计指导教师：魏小林职称：副教授年月日摘要中国是一个机械制造大国，但由于技术和资金等方面限制其装备水平却较落后，在现有条件下用现代化技术对旧的设备进行技术改造和提升是我国制造业发展的一个方向。本文作者针对已报废的CA6140普通废旧车床进行数控化设计及实现，其意义在于寻找一种可行的、具有推广价值的设备改造方法，可解决目前设备老化所带来的问题。本文介绍了用广州数控系统对CA6140普通车床的改造设计方法，重点阐述了机械改造、机床电气设计、PLC控制及间隙补偿等几个方面的内容。利用广州数控系统对CA6140车床改造后，与以前相比，该机床的操作更加方便，大大降低了劳动者的劳动强度，提高了生产效率，并经测试，其各项技术指标均已达到工业标准，系统运行平稳。关键词：车床，数字化设计，机械改造目录第一章绪论………………………11.1本文选题背景及意义……………………11.2对机床的认识……………11.3机床改造意义……………21.4改造的总体方案设计……………………2第二章机床的机械结构改造…………………42.1主轴系统的改造……………42.2进给系统的改造……………42.3导轨的改造…………………72.4刀架的改造………………102.5安全防护装置……………11第三章机床的电气改造………123.1数控系统的选择…………123.2数控系统电气控制线的连接……………123.2.1系统的安装………123.2.2系统的连接…………143.3数控系统内部总线上数据信息的传输………………153.3.1与驱动器的连接…………………153.3.2与主轴编码器的连接……………173.3.3与手轮的连接……………………183.3.4与变频器的连接…………………193.3.5系统与PC机的连接………………203.3.6与电源接口的连接………………203.3.7I/O接口定义……………………213.4数控系统与进给控制模块间信息传输…………………233.5数控系统与输入输出模块间信息传输…………………233.5.1变频调速的特点及基本原理……243.5.2变频器……………25PLC的控制原理及程序设计…………274.1PLC的基本结构及工作原理……………274.2PLC在数控机床控制中的应用…………284.3CNC加工代码在PLC上的实现方法……304.3.1T功能代码的实现方法……………314.3.2M功能代码的实现方法……………31第五章机床的加工精度检验及间隙补偿…………………325.1影响加工精度的因素……………………325.1.1静态误差……………325.1.2动态误差……………385.2加工精度的提高…………39第六章机床的验收与性能比较………………456.1引言………………………456.2外观检查………………456.3机床性能与数控功能的验收……………456.3.1机床性能的验收………………456.3.2数控功能的验收………………456.4改造后机床的精度验收…………………466.4.1机床几何精度的检验…………466.4.2机床定位精度的检验……………486.4.3机床切削精度的检验……………48第七章结论与展望………………507.1结论………………………507.2后续工作展望……………50参考文献…………51致谢…………53第一章绪论1.1本文选题背景及意义工业发达国家在上个世纪70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床，目前数控技术已经成为制造业自动化的核心技术，同时机床数控化也是推行CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。当前，衡量一个国家机械制造业现代化水平的一个重要指标是数控化机床的比重(数控率)。发达国家机床拥有量和数控化率有的己高达30%以上，我国仅为2.8%(包括以单板机和步进电机为特征的经济型数控机床)，和发达国家相比，差了一个数量级。如果我们要赶上国外对手，仅仅依靠添置新的数控机床，是我们发展中国家的财力所不能承受的。在美国、日本和德国等发达国家，机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，已经形成了一定的规模和市场。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业，有Bertsche、ayton、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等；在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业，从事改造业的公司有大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格，显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力。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，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行业。我国虽已跻身机床生产大国行列，但要实现“十一五”期末成为机床生产强国的目标仍任重道远。在我国，大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且约有半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等缺点，从而在国际、国内市场缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场和效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。然而，从目前企业面临的情况看，数控机床价格昂贵，一次性投资较大，使有些企业难以承担。为此投入少、收效大的机床数控化改造是提高机床数控化率的捷径和有效手段，符合中国的国情。1.2对机床的认识CA6140车床是我国制造业使用比较普遍的机床，该机床加工范围宽，可以实现轴类、套类、圆锥面、成型面、螺纹和较复杂工件的加工，能适应较大的切削力，加工工件的精度也较高。但是该类机床在我国使用时间大多数已经超过十年，一些机床的精度及性能已远远达不到需要，有些甚至被闲置。重新大修后也达不到使用要求，而且操作者劳动强度比较大，生产效率低，不适合现代化生产的要求。1.3机床改造意义数控机床在机械制造业中日益被广泛应用，与普通机床相比具有以下优点：（l）加工适应性强，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，为多品种小批量的生产和新产品的研制提供了有利的条件。（2）加工精度高，质量好，加工质量稳定。（3）加工生产效率高、经济效益好。（4）工序集中，可实现一机多用。（5）可实现加工自动化，操作简单，减轻了操作者的劳动强度。（6）有利于生产管理的现代化。数控机床有着普通机床所没有的诸多优点，已逐步代替了普通机床在机械制造业的主导地位，为提高生产效率和保证零件加工质量提供了有利的保障。对机床进行数控改造还有助于促进工人去适应现代制造业的飞速发展。可以通过改造后的机床，了解数控机床的构成及工作原理，掌握数控加工方法。这对于提高工人素质，提高企业形象以及在市场中的竞争能力都起到积极作用。改造后的车床应达到以下基本要求:（1）提高原机床加工工件时所能达到的精度。（2）能实现工件加工的自动循环要求，缩短辅助时间，提高加工效率。（3）保持车床所具有的一切加工性能，即具有加工内、外圆柱面、曲面、端平面，内、外圆锥面及公制、英制螺纹等的能力及其他复杂型面的加工。（4）根据表面粗糙度的要求，允许机床在同一工作循环中采用高速精加工操作。（5）控制系统可靠，拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能。（6）车床总体造型要美观、大方。1.4改造的总体方案设计查看原车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体方案为：①恢复机床原功能，对机床存在故障的部分进行诊断并恢复；②对机床的改造部位是：拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杠、光杠、进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；拆掉主轴箱并在主轴后端装上光电编码器，供加工螺纹使用。③数控系统选用国产广州数控系统。④驱动系统的设计，主轴系统采用交流伺服电机驱动，需要实现无级调速，且调速范围宽，并需要数控制动停车装置。进给系统由交流伺服电机驱动滚珠丝杠副实现进给运动，纵向（Z向）脉冲当量为0.001mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.0005mm/脉冲。改造后的机床应具有以下特点：①具有足够的刚度与强度；②可以实现各种复杂型面的加工；③有高的定位精度和重复定位精度；④生产效率高；⑤减轻劳动强度，改善劳动条件；⑥改造后的机床外形将类似于国产经济型数控车床，整体较美观、大方。第二章机床的机械结构改造2.1主轴系统的改造将原主轴箱内的齿轮和离合器以及挂轮等拆除，主轴箱仅仅用于支撑主轴，因此主轴不会受到热量和动力传递因素的影响，主轴是机床的重要部件，它应满足传递精度高，刚性好、旋转精度高、热变形小、噪声低等要求。主轴部件改造后结构如图2-1，前支撑采用双列圆柱滚子轴承和60°角接触双列球轴承，后支撑采用成对安装的角接触轴承。这样配置可以使主轴的综合刚度得到大幅度的提高。图2-1主轴组件在主轴前端安装主轴脉冲编码器及编码器支架，通过同步带轮带动脉冲编码器与主轴同步运动。加工螺纹或丝杠时,为保证主轴每转一转,刀具准确移动一个导程,须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。主轴脉冲发生器安装时须注意:①小心轻放,不能有较大的冲击和振动,以防损坏光栅盘。②车床主轴的转速必须小于主轴脉冲发生器的最高允许转速,以免损坏编码器。2.2进给系统的改造一、数控机床对进给传动系统的要求有：1、摩擦阻力小；2、运动惯量小；3、无间隙传动，高的传动精度与定位精度；4、宽调速范围，响应速度要快；5、稳定性好，使用维护方便，寿命长。对CA6140车床的进给系统改造时应将机床的进给箱、溜板箱、丝杠、光杠、滑板及刀架全部拆除，只保留溜板。横、纵向进给由固定在床身上的交流伺服电机驱动，经联轴器与滚珠丝杠螺母副连接，带动溜板运动而实现进给运动。滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动相互转换的传动装置。滚珠丝杠螺母副的结构原理示意图如图2-2所示：图2-2滚珠丝杠螺母副的结构原理图1-螺母2-滚珠3-丝杠α-滚珠回路管道在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道a，将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠2。当丝杠旋转时，丝杠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。二、滚珠丝杠螺母的特点1、传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率η=0.92～0.96,比常规的丝杠螺母副提高3～4倍。因此功率消耗只是常规丝杠螺母副的1/4～1/3。2、给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。3、运动平稳，无爬行现象，传动精度高。4、有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。5、磨损小，使用寿命长。6、但是制造工艺复杂，不能自锁。三、滚珠丝杠螺母副的预紧和滚珠丝杠的预拉伸由于制造和装配的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙，同时，滚珠丝杠在轴向载荷的作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形。因此在反向转动时，就会产生空程误差，从而降低了滚珠丝杠副的轴向刚度，影响传动精度。通常采用施加预紧力的方法来提高滚珠丝杠的轴向刚度，这样可以消除丝杠、滚珠和螺母之间的间隙，可以将整个丝杠螺母副的弹性变形量减少到最小，从而提高滚珠丝杠副的刚度。如图2-3所示，表示施加了预紧力的滚珠丝杠副与没有施加预紧力的滚珠丝杠副的弹性变形曲线，曲线1表示无预紧，曲线2表示预加载荷。根据这个曲线图可知，当施加的载荷恰好为预紧力的3倍时，预紧的滚珠丝杠的刚度是没有预紧的滚珠丝杠的刚度的2倍。而弹性变形量是没有预紧的滚珠丝杠的1/2。滚珠丝杠螺母副的预紧一般采用各种形式的双螺母机构和带预紧的滚珠丝杠螺母副，把弹性变形量控制在最小限度内。对于不同形式的螺母结构，采用的预紧方式也不同。下面主要介绍双螺母预紧时的方法，应用此结构时应注意预紧力不能太大，否则会使驱动力矩大，位移效率降低和寿命缩短。用双螺母消除间隙时，有三种方法:(l)垫片调隙式。通常用螺钉连接滚珠丝杠副两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片，通过调整垫片的厚度，使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。这种结构简单，可靠性好，刚度好及装卸方便，但调整较复杂，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。(2)螺纹调隙式。双螺母中一个螺母的外端有凸缘而另一个没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并可产生预紧力。调整好后，再用另一个圆螺母把它锁紧。其结构紧凑，调整方便，故应用广泛，但不是很精确。(3)齿差调隙式。在两个螺母的凸缘上分别有圆柱齿轮，两者相差一个齿，装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母相对于滚珠丝杠副的螺旋滚道产生相对位移，达到消除间隙并施加预紧力的目的。结构尺寸大，装配比较复杂，使用于高精度的传动机构。比较几种结构，本机床采用螺纹调隙方式。2.3导轨的改造一、导轨精度对机床精度的影响床身导轨面是测量机床各项几何精度和反映加工精度的基准面，导轨的精度直接影响机床的精度,对被加工零件的精度也起着决定性作用。床身导轨的精度包括导轨的导向精度、刚度等。(1)导轨的导向精度主要是指导轨运动轨迹的精确度。影响导向精度的因素包括导轨的几何精度和接触精度、导轨的结构形式、导轨及其支承件的刚度和热变形、静(动)压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等。(2)导轨的刚度包括导轨的自身刚度和接触刚度,它表示导轨受载后抵抗变形的能力,是导轨工作质量的重要指标。若导轨变形过大,则刚度很差,这不仅严重破坏导轨的导向精度和影响各部件之间的相对位置,还会使工作条件恶化,导轨上的比压分布不均,加剧导轨的磨损。尤其在机床低速运行时,则伴随有振动出现,此时还要求导轨要有良好的阻尼特性,以抑制和衰减振动,减少被加工表面的波纹度和振纹。二、床身导轨磨损导轨磨损后,导轨面的形状精度就会下降,使机床的一些几何精度项目受到直接影响，必然影响工件的尺寸公差、形状误差和位置误差及表面粗糙度。导轨在水平面内的直线度超差,导轨面磨损值。如图2-4所示,在导轨全长上不均匀地磨损δ值(导轨面磨损值),加工轴类零件时,直线度误差Δ1直接影响工件直径的误差,使工件直径增大了2Δ1。图2-4导轨在水平面内的直线度误差对工件的影响V型导轨与平导轨的磨损量不等,使溜板移动时产生倾斜误差。如图2-5所示,由于V型导轨与平导轨的磨损量不等,使刀具绕顺时针方向偏转α角,造成工件上的半径误差Δ2。图2-5导轨的倾斜对工件的影响(3)导轨在垂直平面内的直线度超差。如图2-6所示,由于导轨在全长上的磨损不均匀而产生垂直平面内的直线度误差δ,将使溜板运动出现升降,刀具的高度位置就发生δ变化,反映在工件上的半径误差Δ3。图2-6导轨在垂直面内的直线度误差对工件的影响实践证明,上述3种情况中,在精加工长轴类零件时,以第1种情况对加工精度影响最大。在综合影响方面,以第2种情况的磨损对圆柱工件精度影响最大,而以第3种情况的影响为最弱,有时可忽略不计。2、床身导轨磨损类型造成床身导轨磨损的原因是多方面的。(1)磨粒磨损。溜板在导轨面上移动时,两表面之间产生相对滑动,由于细微的铁屑落入滑动表面之间而产生的磨损就属于磨粒磨损。磨粒磨损不可避免,只能设法尽量减少。(2)粘着磨损。粘着磨损是指相对滑动的两个表面相互咬啮造成的磨损,其磨损的特点是出现咬裂痕迹(即擦伤)，严重的粘着磨损容易使2个导轨面无法运动。一般情况下,磨粒磨损是产生粘着磨损的原因,粘着磨损反过来又会加剧磨粒磨损。(3)腐蚀磨损。腐蚀磨损与环境、温度、滑动速度、载荷和润滑条件有关,相互关系极为复杂。防止腐蚀磨损应从选材(如用不锈钢和耐蚀合金等)、表面保护处理、降低表面工作温度和选择适当的润滑剂等入手。3、降低导轨磨损速度的措施导轨的磨损是可控而不可除的。在实际导轨工作中,各种磨损会同时出现,只是随着各种因素的影响,其中某一种磨损会慢慢地更突出一些。因此,需根据主要的磨损形式提出降低导轨磨损速度的措施。改变摩擦形式。采用滚动摩擦代替滑动摩擦的导轨结构,在正常使用条件下,磨损速度会降低。因此,在一些特殊的机床中,宜采用滚动导轨来提高其耐磨性。(2)改变滑动摩擦的规范。通过增加润滑油层的厚度,使干摩擦变为混合摩擦或液体摩擦,从而使磨损速度显著降低。(3)改善油的性能。采用具有表面活性添加剂的润滑油(如导轨防爬油),可提高承载能力和寿命。如对重载部件采用具有含硫、氯、磷及其它元素的化学作用添加剂的抗擦伤润滑油可有效防止摩擦副粘合。(4)提高摩擦副材料的硬度和韧性。对于在磨粒磨损条件下工作的导轨,提高导轨材料的硬度是提高其耐磨性的方向。用整体或表面热处理、化学处理、敷以耐磨镀层、堆焊耐磨材料等方法,都可提高导轨材料的耐磨性,降低导轨的磨损速度。(5)用彼此不易粘合的材料制作导轨副。比如用塑料-金属副导轨、塑性金属-脆性金属副等,在工作时因材质特性差异,比较难粘合而降低粘着磨损速度,若通过淬火以降低金属的塑性,则效果会更佳。(6)保证摩擦压力均匀分布。在结构设计时,应考虑零部件压力均匀分布,无局部高压或倾斜重压出现。为节约成本，我们采用原导轨，将原导轨重磨，重磨后导轨面的平面度为0.015mm，长度方向直线度为0.01mm，侧导向面的直线度为0.015mm，侧导向面之间的平行度为0.014mm，侧导向面对导轨底面的垂直度为0.01mm，然后在导轨上贴上Turcite-B塑料软带，使贴塑导轨具有以下工作特性：1、摩擦因数低，其动、静摩擦因数相近，运动平稳性和爬行性能好。2、具有良好的自润滑性，在断油或干摩擦下也不致拉伤导轨面，耐磨性好。3、吸振性好，具有良好的阻尼性。4、化学稳定性好，耐磨、耐低温、耐强酸、耐碱、强氧化剂及各种有机溶剂。5、维护修理方便，软带耐磨，损坏后更换容易。6、经济性好，结构简单，成本低。2.4刀架的改造选用WZD4四方位电动刀架，如图2-7所示。该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定，当换刀指令发出后，电动机1起动正转，通过联轴器2使蜗杆轴转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。刀架体7内孔加工有内螺纹，与蜗杆丝杠旋合，当蜗轮开始转动时，由于在刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体抬起，当抬至一定距离后，端面齿脱开，转位套9用销钉与蜗轮丝杠4联接，随着蜗轮丝杠一起转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160°，球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀位体转位。刀位体转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13，14接触导通，使电动机反转，由于粗定位槽的限制，刀位体7和刀架底座5上的端面齿啮合，实现精确定位。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杠轴3继续转动，随夹紧力增加，转矩不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下，电动机停止转动，译码装置由发信体11、电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断，刀架不定期会出现过位或不到位时，可松开螺母12调好发信体11与电刷14的相对的位置。图2-7数控车床四方刀架结构1-电动机2-联轴器3-蜗杆轴4-蜗轮丝杠5-刀架底座6-粗定位盘7-刀架体8-球头销9-转位套10-电刷座11-发信体12-螺母13、14-电刷15-粗定位销电动刀架的安装较为方便,安装时须注意以下两点:①电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行。②电动刀架与系统的连线在安装时应合理,以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。2.5安全防护装置由于滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑进入，因此暴露在外边的丝杠采用防护罩以防尘埃和磨粒黏附到丝杠表面上，防护装置一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式，滚珠丝杠采用钢带缠绕式，它与导轨的防护罩相似，一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支撑座上。为保障操作者的安全，在数控机床上安装了防护门，防护门采用推拉式，防护玻璃采用亚克力材料，操作者可以很清楚的看到整个加工过程，操作方便安全。第三章机床的电气改造3.1数控系统的选择机床的数控系统(CNC系统)是数控机床的核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显著。目前市场上流行的数控系统多种多样，在我国应用比较广泛的有日本FANUC系统、德国的SIEMENS系统，此外我国的系统功能也日益完善，国产系统的代表有广州数控、华中数控等等。经考证，广州数控性价比较高，界面友好，操作方便，符合学校教学要求，因此我们采用了GSK980TD系统，作为经济型数控系统的升级换代产品，其具有以下技术特点：（1）采用先进的插补技术，实现高速μm级控制；（2）集成度高，整机工艺结构合理，可靠性高；（3）液晶（LCD）中文显示，全屏幕编辑界面、操作方便易用；（4）内嵌PLC系统，可按使用需求变更I/O控制逻辑；（5）加减速可调，可配套伺服驱动器；（6）可变电子齿轮比，应用方便。3.2数控系统电气控制线的连接3.2.1系统的安装增加一个电控柜，根据改造后的电气原理图，设计制作电控柜，图中原有元器件仍放置在原柜中，按电气原理图做必要的改动，该电控柜除放置数控系统和伺服系统外，还必须具有接管原电控柜部分功能的能力。两柜之利用电缆进行传输。电柜必须能够有效地防止灰尘、冷却液及有机溶液的进入。设计电柜时，系统后盖和机箱的距离不小于20cm，需考虑当电柜内的温度上升时，必须保证柜内和柜外的温差不超过10℃。电柜必须安装风扇以保证内外空气流通，显示面板必须安装在冷却液不能喷射到的地方，设计电柜时，还必须考虑要尽量降低外部电气干扰，防止干扰向系统传送。系统在设计时已经采取了屏蔽空间电磁辐射、吸收冲击电流、滤除电源杂波等稳定工作，在系统安装连接时有必要采取以下措施：1、CNC要远离产生干扰的设备（如变频器、交流接触器、静电发生器、高压发生器以及动力线路的分段装置等）。2、要通过隔离变压器给系统供电，安装系统的机床必须接地，CNC和驱动器必须从接地点连接独立的地线。3、抑制干扰：在交流线圈两端并联RC回路（0.01μF，100～200Ω，如图3-1），RC回路安装时要尽可能靠近感性负载；在直流线圈的两端反向并联续流二极管（如图3-2）；在交流电机的绕组端并接浪涌吸收器（如图3-3）。抗干扰措施，可以在一定程度上防止外部干扰源对系统本身的影响。为了确保系统图3-1RC回路图3-2并联二极管图3-3接浪涌吸收器4、CNC的引出电缆采用绞合屏蔽电缆或屏蔽电缆，电缆的屏蔽层在系统侧采取单端接地，信号线应尽可能短。5、为减小CNC信号电缆间以及与强电电缆间的相互干扰，布线时应遵循以下原则：3.2.2系统连接系统后盖接口布局图3-4系统后盖接线布局接口说明电源盒：采用GSK-PB电源盒，提供+5V、+24V、+12V、-12V、GND电源滤波器（选配）：输入端为交流220V电源输入，PE端接地，输出端GSK-PB电源盒的L、N端XS30、XS33、XS31：15芯D型孔插座，连接X、Y、Z轴驱动器XS32：15芯D型孔插座，连接主轴编码器XS36：9芯D型孔插座，连接PC机RS232接口XS37：9芯D型针插座，连接变频器XS38：9芯D型针插座，连接手轮XS39：25芯D型孔插座，系统接收机床信号的接口XS40：25芯D型针插座，系统信号输出到机床的接口XS41：25芯D型针插座，扩展输入信号的接口XS42：25芯D型孔插座，扩展输出信号的接口总体连线图图3-5总体连线图3.3数控系统内部总线上数据信息的传输3.3.1与驱动器的连接驱动接口定义图3-6XS30、XS31、X33驱动接口注：n代表X、Y或Z，“*”表示负逻辑，对于I/O信号，带“*”记的输入信号与+24V接通时输入功能无效，与+24V断开时输入功能有效；对于其它输出信号，带“*”记表示输出0电平有效。二、指令脉冲与方向信号nCP+，nCP-为脉冲信号，nDIR+，nDIR-为方向信号，这两组信号均为差分输出n代表X、Y或Z），外部使用26LS32连接，内部电路见下图：图3-7指令脉冲和方向信号电路三、驱动器报警信号nDALM由系统参数NO.009的Bit0、Bit1位设定驱动器报警电平是低电平还是高电平。内部电路见图：四、系统准备好信号nEN系统正常工作时nEN输出低电平，当系统报警时，nEN电平发生转换。内部接口电路见下图：五、设定信号*nSET*nSET用于控制伺服输入禁止，提高CNC和驱动器之间的抗干扰能力，该信号在系统无脉冲信号输出时为高电平，有脉冲信号输出时为低电平。内部接口电路见图3-10。六、零点信号nPC机械回零时用电机编码器的旋转信号或接近开关信号等作为零点信号，内部连接电路见下图：注：上图的PC信号采用+24V电平，如果驱动器输出的PC信号采用+5V电平，则系统中电阻阻值3K3改为470Ω。与驱动器的连接图3-12系统与驱动器连接3.3.2与主轴编码器的连接一、主轴编码器接口定义3-13XS32编码器接口二、信号说明本系统要求使用增量式编码器。*PCS/PCS、*PBS/PBS、*PAS/PAS分别为编码器的C相、B相、A相的差分输入信号，采用26LS32接收；*PAS/PAS、*PBS/PBS为相差90°的正交方波，最高信号频率<1MHz；内部连接电路如图3-14：（图中n=A、B、C）三、主轴编码器接口连接系统与主轴编码器的连接如下图所示，连接时采用双绞线。图3-15系统与编码器的连接3.3.3与手轮的连接一、手轮接口定义图3-16XS38手轮接口二、信号说明HA、HB分别为手轮的A相、B相输入信号。内部连接电路如下图所示：图3-17手轮信号电路三、系统与手轮的连接图3-18系统与手轮的连接3.3.4与变频器的连接一、模拟主轴接口定义图3-19XS37模拟主轴接口二、信号说明模拟主轴接口SVC端可输出0-10V电压，信号内部电路见下图：图3-20SVC信号电路三、变频器接口连接图3-21系统与变频器连接3.3.5系统与PC机的连接一、通讯接口定义图3-22XS36通讯接口二、通讯接口连接本系统可通过RS232接口与PC机进行通讯，系统与PC机的连接如下图：图3-23系统与PC机的连接3.3.6电源接口连接本系统采用GSK-PB电源盒，共有四组电压：+5V（5A）、+12V（1A）、-12V（1A）、+24V（2A），共用公共端COM（0V）。产品出厂时，电源盒到系统XS2的连接已完成，用户只需要连接220V交流电源。外部连接如下图所示：图3-24电源盒的外部连接3.3.7I/O接口定义图3-25XS40机床输入图3-26XS39机床输出注1：部分输入、输出接口可定义多种功能，在上表中用“/”表示；注2：输出功能有效时，该输出信号与0V导通。输出功能无效时，该输出信号与0V截止；注3：输入功能有效时，该输入信号与+24V导通。输入功能无效时，该信号与+24V截止。带“*”记的输入信号与+24V导通时输入功能无效，与+24V截止时输入功能有效；注4：+24V、0V与系统配套电源盒的同名端子等效；注5：T07、T08输出口为复用输入口，主轴自动换挡功能及自动循环允许在输入设置为无效时，仍可作为T07、T08刀位输入口；扩展I/O接口定义XS41扩展输入和XS42扩展输出为预留接口，各预留16个I/O接口。图3-27XS41机床输入图3-28XS42机床输出输入信号是指从机床到系统的信号，该输入信号与+24V接通时，输入功能有效，该输入信号与+24V断开时，输入功能无效；带“*”记的输入信号与+24V接通时，输入功能无效，与+24V断开时输入功能有效。输入信号在机床侧的触点应满足下列条件：触点容量：DC30V、16mA以上；开路时触点间的泄漏电流：1mA以下；闭路时触点间的电压降：2V以下（电流8.5mA，包括电缆的电压降）输出信号用于驱动机床侧的继电器和指示灯，该输出信号与0V接通时，输出功能有效。与0V截止时输出功能无效，该输出信号；包括S1～S4、M3、M4、M5、M8、M10、M11、M32、TL-、TL+、UO0～UO5、DOQPJ、DOQPS、SPZD信号。除TL-、TL+、SPZD为脉冲信号（输出不保持）外，其它输出均为电平信号（输出保持），信号的公共端为＋24V。系统内用于输出信号的晶体管规格:输出有效时的最大负载电流，包括瞬间电流在200mA以下；输出有效时的饱和电压，在200mA时最大为1.6V，典型值为1V；输出无效时的耐电压，包括瞬间电压在28.8V以下；输出无效时的泄漏电流，在100μA以下。3.4数控系统与进给控制模块间信息传输该系统配用STZ系列交流永磁伺服电动机,伺服驱动装置为DA98交流伺服驱动装置,该装置采用数字信号处理器DSP、大规模可编程门阵列CPLD和智能化功率模块LPM,集成度高,体积小,保护完善,可靠性好。数控系统GSK980TD和驱动装置DA98及交流永磁伺服电动机的连接关系如图3-29所示。图3-29数控系统连接关系3.5数控系统与输入输出模块间信息传输数控系统及刀架电动机由电网提供220V电源,X轴和轴的驱动装置由隔离变压器提供AC220V电源。图3-30所示为机床电源配置。整个系统的电源配置应注意接地的可靠性,因为接地的好坏直接影响到系统的抗干扰性和安全性。图3-30机床电源配置3.5.1变频调速的特点及基本原理一、变频调速的特点在普及型数控车床主轴中,主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电机,它具有调速范围宽,速度稳定高,过载能力强,加减速时间短,噪声低,振动小,寿命长等特点。二、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=(60f1/p)(1-s)=n0-Δn(3-1)在忽略定子阻抗压降的情况下,异步电机定子电路的电压平衡方程为:U1≈E1=4.44f1N1ΦmKw1(3-2)式中:p—电动机的极对数;S——转差率;f1——供电电源的频率;n0——同步转速;U1——定子绕组相电压;E1——定子绕组感应电动势;Φm——每极对的气隙磁通。从式(3-1)可见,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,其频率的调节范围很宽,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。从式(3-2)可以看出,当频率发生变化时,不仅影响电动机的运行速度,而且也影响电动机内部磁通量和各部分磁路磁通密度的变化。当然变频调速是通过改变电源频率实现调速的,但这也会引起气隙磁通量Φm的变化,从而影响电动机的性能。但如果变频调速时,随着电源频率的改变同时改变电源电压,以保持气隙磁通量Φm不变,电动机将获得良好的运行性能,便可有效地实现变频调速的功能。3.5.2变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置,其功能是将电网电压提供的恒压、恒频的交流电转换为变频变压交流电。在数控车床中采用变频器的最主要目的是为了提高调速特性,使被调的交流电动机在低转差率运行状态下,减少转子损耗和起动电流冲击,有利于系统及电网的稳定运行,且调速范围宽,精度高,速度稳定性好。一、变频器的选用1、变频器类型的选择在数控车床中选用变频器除了正常考虑调速范围、静态速度精度、启动转矩、负载情况外,更重要的是控制方式的选择。目前,在数控车床中运用的主轴变频器有标量控制和矢量控制2种。标量控制因其在低频时转矩不够、速度稳定性差(调速范围1∶10),因此,在数控车床主轴变频中已逐步淘汰,而矢量控制的变频器正在逐渐推广应用。矢量控制的目的是使鼠笼式异步电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、频率及其相配位,用以维持电机内部的磁通设定值产生所需的转矩。它控制特性非常优良,可以与直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美,能适应要求高速响应的场合,调速范围大(1∶100),还可进行转矩控制。矢量控制分为无速度传感器和有速度传感器2种。有速度传感器的精度更高,但在数控车床中无速度传感器就能满足控制要求。无速度传感器既具有矢量控制高性能的优点,又具有通用变频器没有速度传感器的长处的,其最大特点是不仅改善了转矩控制的特性,而且改善了针对负载变化产生的不特定环境下的速度可控性,即使在低速范围时同样可以产生强大的转矩。目前,西门子、艾默生、东芝、LG、日立、森兰等厂家都有成熟的产品,可供各制造厂家选用。2、功率的选定系统效率等于变频器与电动机效率的乘积,只有二者都在较高效率下工作系统效率才是最佳的因此,在通常情况下,变频器的功率与电动机功率相当,以利于变频器在高效率下运转。如果电动机频繁启动、制动或处于重载启动且较频繁时,可选取大一级的变频器,以利于变频器长期、安全运行。二、变频器的联接方式和速度控制变频器在数控车床中的联接方式如图所示它与数控装置的联系包括以下几个部分: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。对于变频器的操作与反馈均是在数控面板进行编程和显示的。图3-31变频器控制示意图速度控制是在调速过程中,速度信号的传递通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或流),通过变频器内部关于输入信号与设定频率的出特性曲线的设置,数控装置就可以方便而自由控制主轴的速度。该变频调速特性曲线包含电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置,以满足数控车床正反转、自由调速、变速切削的要求。因此,变频调速比机械式换档更为方便、准确,只要在数控面板上直接输入需要的转速,从而实现了无级调速,并最终实现恒线速切削的要求。第四章PLC的控制原理及程序设计4.1PLC的基本结构及工作原理PLC是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置。它采用的是典型的计算机结构，主要由微处理器（CPU）、RAM、ROM和输入、输出接口模块、电源和外部设备等组成。其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。PLC工作过程是通过CPU的周期性循环扫描，并采用集中采样、集中输出的方式来完成。当PLC在加电运行时，首先清除输入/输出寄存器状态表中的原有内容，然后进行自诊断，即检查机内硬件（如CPU、各输入输出模块等），确认其正常工作后，开始循环扫描。在每个扫描周期内，PLC对用户程序的扫描过程可分成输入采样、用户程序执行和输出处理三个阶段，如图4-1所示。图4-1PLC的工作过程①输入采样阶段PLC以重复扫描方式执行用户程序，在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态(输入信号)读入输入映像寄存器中，然后开始执行用户程序，在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才重新读取输入状态。②用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要的信息都从输入映像寄存器和其他内部寄存器中读出并参与算术和逻辑运算，然后将执行结果写入有关输出映像寄存器中。对于每个元件而言，元件映像寄存器所寄存的内容会随程序执行的进程而变化。③输出处理阶段在输出处理阶段，PLC执行完全部指令后，将输出映像寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际输出并由输出端子送出，以驱动输出电路，使输出设备做出相应的动作。4.2PLC在数控机床控制中的应用CNC数控系统的控制信号有两类。一类是高速信号，主要用于各个坐标轴的插补运动；另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关量。低速信号的控制对象主要是一些高电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程序控制器具有可靠性高，柔性好等特点，而且随着可编程控制器本身性能价格比不断提高，在现代CNC、FMS系统中的应用有不断上升的趋势。目前，数控机床PLC的形式有两种:一种是内装型PLC，即PLC内含在CNC装置及于一体，其结构示意图如图4-2所示。这种内装型的PLC扩大了CNC直接处理数据的能力和窗口通信功能，可以使用梯形图编辑和传送高级控制功能，且造价比较便宜，提高了CNC系统的性价比。图4-2内装型PLC的结构示意图一种是独立型PLC，它完全独立于CNC装置，能独立完成CNC控制任务，其结构示意图如图4-3所示。图4-3外装型PLC的结构示意图独立型的PLC有自己的硬件和软件配置，可以根据相配机床和设备的需要灵活配置I/O点数，采用通信模块，可与外部输入输出设备、编程设备、上位机等进行数据交换；采用了D/A模块可对伺服装置直接控制；采用了计数模块，可对加工工件数量，刀具使用次数，回转体的回转分度进行检测和控制；采用了定位模块可直接对刀库、转台、直线运动轴等的机械运动装置进行控制。但其造价较高，应用不广泛。可编程控制器与CNC机床的联接方式本质上是外电路联接方法，通过CNC数控系统I/0口发出控制指令，使可编程控制器输入端无触点开关通断，完成可编程控制器对机床强电的逻辑控制。CNC机床的被控对象有带动主轴旋转的主电机、大量开关量、伺服电机等，可编程控制器与CNC机床的强电、CNC数控装置I/0口的联接可归纳为下列三部分:图4-4PLC车床控制系统分解图图4-5数控系统原理图车床的操作过程比较复杂，而PLC一般只适用于动作的顺序控制。要将PLC用于控制车床动作，必须解决三个问题：（1）如何产生驱动伺服机构的信号及X、Z向动作的协调；（2）如何改变进给系统速度；（3）车螺纹如何实现内联系传动及螺纹导程的变化。将PLC及其控制模块和相应的执行元件组合，这些问题是可以解决的。PLC在CNC机床中的主要作用是控制强电部分，如:主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机等。由于流过强电电路的电流很大，在PLC输出端都接有保护用继电器。在每一个交流线圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流。为了提高电机运行的可靠性，在接触器线圈电路中加有互锁保护触点。同理，每个电机的运行程序控制逻辑都固化在PCROM卡中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。可编程控制器输出端的通断是由其输入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC机床数控装置与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制PLC输入端的通断，以决定PLC输出端的状态。CNC机床数控装置I/0口与PLC输入端的联接，从数控装置I/0口的信息流向分析，可以分为两种情况:一是数控装置从I/O口输出指令，控制PLC完成相应的动作;另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装置的1/0口是输入信号，数控装置根据输入信号的性质做出相应的控制。4.3CNC加工代码在PLC上的实现方法目前，数控机床程序中，有关机床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面己趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的CNC机床ISO代码。在一个加工程序中包含许多程序段，每个段又由若干字组成，每1个字表示一种功能，归纳起来有4种:一种是准备功能，即所谓的G代码;第二种是辅助功能，即所谓的M代码;第三种是刀具功能，即所谓的T代码;第四种是转速功能即所谓的S代码。根据数控机床性能的不同能执行这4种功能多少的程度也不同。在数控机床内部4种功能中，G功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置的1/0接口实现;M功能主要控制机床强电部分，包括主轴换向、冷却液开关等功能;T功能与刀具的选择和补偿有关。4.3.1T功能代码的实现方法T功能代码包含两部分，一是刀具选择;二是刀具位置补偿。在PLC上实现的是第1部分功能:刀具选择。换刀过程如下:运行数控程序，发出某个刀具号的换刀指令，对应的数控装置I/0口变为高电平，使PLC输入端的软开关接通，换刀电机正转，当在刀架上的干簧管触点开关接通后，换刀电机反转，使刀架下落压紧，当压紧力足够大时，微动开关接通，换刀电机停止运转。4.3.2M功能代码实现方法ISO数控加工代码标准中辅助功能很多，对于不同的数控机床，所能实现的辅助功能也不尽相同，但是各种数控机床都具有一些基本的辅助功能，如M00(程序停止)，M03(主轴正转)，M05(主轴停止)等，M功能的一部分是由数控系统本身的硬件和软件实现，还有一部分需要数控装置与PLC相结合来完成，如主轴的正转与停止功能，M功能的实现与T功能的实现方法类似，同样是数控装置工/0接口发出指令，由PLC输入端状态和PLC内部ROM中的梯形图程序决定PLC输出端的状态，进而完成M功能。第五章机床的加工精度检验及间隙补偿5.1影响加工精度的因素在机械加工过程中,零件的加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。影响数控机床加工精度的因素很多总的看来，可以分为静态误差和动态误差。5.1.1静态误差静态误差:是在不切削的情况下检测得到的机床误差，它包括机床的几何精度和定位精度两项内容，反映的是机床的原始制造精度以及机床本身的重力引起的误差等。一、几何误差数控系统的几何误差是准静态误差，是由机床原始制造缺陷、装配缺陷、使用磨损、间隙、润滑等原因造成的，是机床固有的误差。之所以称之为准静态，是由于在给定的条件下，能够在一定时期内基本保持不变或变化缓慢。机床的准静态误差对加工产品的尺寸精度占很大的比重。如机床热误差、工件热误差、刀具磨损(引起)误差等，影响机床的重复精度和运动精度，可以直接测量，但是测量结果包含其它原因。1、机床的几何误差加工中刀具相对于工件的运动一般都是通过机床完成的,因此,工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所引起的机床运动误差，是数控机床几何误差产生的主要原因。其中工件加工精度影响较大的有:主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。（1）主轴回转误差,机床主轴是装夹工件或刀具的基准,并将运动和动力传给工件或刀具,主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。①纯轴向窜动误差的影响主轴具有纯轴向窜动误差时，对加工圆柱面没有影响。但是加工端面时主轴每转一转，就要沿轴向窜动一次，向前窜动的半周中形成右螺旋面，向后窜动的半周形成左螺旋面，因而端面产生平面度误差以及对工件轴线的垂直度误差。平面度误差的大小与工件直径和轴向窜动规律有关，其值不大于端面对轴线的垂直度误差。但垂直度误差的大小却是一常数，等于主轴的轴向窜动量。因此在具有轴向窜动误差的车床上加工螺纹时，必然产生单个螺距内的周期误差;加工锥体时，锥面产生圆跳动误差和锥角误差。②纯径向跳动误差的影响主轴具有纯径向跳动误差时对加工端面没有影响。但如果径跳量较大且发生在Y轴时，将会产生“反切”现象。③纯偏心运动误差的影响主轴几何轴线作纯偏心运动时，主轴带动工件绕其回转轴线作定轴转动，刀尖到回转轴线的距离固定不变，因而车出的外圆表面不产生形状误差。但会造成外圆表面与定位基准面之间的同轴度误差。④纯角度摆动的影响当主轴几何轴线在某一平面内作纯角度摆动时，则在垂直于平均回转轴线的各个截面里相当于主轴作纯径向跳动，而径跳量随截面位置的不同而变化，加工圆柱面将产生圆度误差和圆柱度误差。工件前端处圆度误差最大，圆柱度误差的大小等于最大圆度误差。当主轴具有平面内的纯角度摆动时，如果加工端面，则加工出的端面产生平面度误差和对工件轴线的垂直度误差。（2）导轨误差,除了导轨本身的制造误差外,导轨的不均匀磨损和安装质量,也使造成导轨误差的重要因素，导轨润滑不良、导轨移动部位未及时清扫铁屑、刮屑板坏，铁屑进入导轨运动副之间，导轨严重磨损也是机床精度下降的主要原因之一。（3）传动链误差,传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差，一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。从进给电机到与刀架或工作台连接的螺母之间任何一个传动元件间有间隙或松动都可能引起随机性精度超差，如电机与丝杠连接销钉及防止丝杠轴向窜动的螺母松动等。2、刀具的误差数控车床加工一个零件通常需要几把不同的刀具，换刀指令通过指定程序给定，在换刀过程中产生的误差主要有对刀误差、转刀误差和可转位刀片产生的转位误差，这些总称为换刀误差。对同一把刀而言，其换刀误差为对刀误差与转刀误差及转位误差之和。（1）对刀误差由于刀具安装及刀具偏差，每把刀转到切削位置时，其刀尖所处的位置不可能完全重合，为了达到在编程时无需考虑刀具间偏差之目的，数控车床均需对刀，从而使刀具偏置自动生成。对刀通常使用试切对刀法，在此过程中，由于操作者的操作水平和数控车床最小度量单位等一些因素的限制，一般都会产生误差。（2）转刀误差刀架换刀的动作程序通常为：换刀信号→电机→减速机构减速→刀架放松→刀架转位→信号符合→电机反转→粗定位→精定位→刀体锁紧→电机停转→换刀答信→下一道程序。刀架上端的发信盘中对应的每一个刀位都装有一个霍尔元件，当刀体旋转到某一刀位时，该刀位上的霍尔元件向数控系统输出低电平（其它刀位霍尔元件输出高电平），说明反馈刀位信号与指令刀位信号相同，此时数控系统立即命令刀架控制继电器使电动机反转，这时先用活动销进行粗定位，再通过定位端齿盘进行精定位。以上在转刀环节产生的最终误差的部件主要是定位端齿盘。根据统计资料显示，一对端齿盘结合后的重复定位精度一般为3″~5″，从而使转刀过程产生误差。（3）转位误差数控车刀一般都采用可转位硬质合金刀片，在转位前后均会产生误差。影响转位精度的因素主要有：①刀杆的磨损或损坏可转位刀片在刀杆上的定位多数是依靠刀片的周边，若刀片槽因磨损而变大或产生任何形式的变形，则转位后的刀片位置会随之产生或大或小的变化。②刀杆的主偏角刀杆的主偏角也会影响转位精度,90°主偏角的刀杆，与其它主偏角的刀杆相比，转位精度更易受刀片误差的影响。③刀槽角刀杆上刀片槽的两个定位面间的角度也有其公差范围。三角形刀片的刀槽角通常为60°，而正方形刀片则为90°，为保证刀片、刀垫、刀杆在刀尖附近的接触面贴合紧密，在有孔刀片装夹时，这种措施尤为重要。④热膨胀钢质刀杆和硬质含金刀片均会受热膨胀变形,这会影响转位精度。⑤刀片误差刀片必须按公差制造，所选公差须具经济可行性。若要使公差减小，成本会增加很多。三角形刀片的尺寸和公差通常根据内切圆直径来进行分类；而正方形刀片则按对边之间的尺寸和公差来进行分类。⑥刀尖变动刀片的刀尖必须由尺寸一致的圆弧构成，这些圆弧应精确定位，并精确地与刀片各边相切。（4）减少换刀误差的方法①减少对刀误差：对刀时采用单步进给方式，同时采用最小单步值（如0.001）进行试切。此外，宜采用专用夹具，以提高Z方向对刀的精确度。因为Z方向对刀一般需在Z方向设一个固定点，测量不同的刀尖在同一位置时，对该点的距离，并输入，采用专用夹具可有效提高输入值的精确度。或先车一个端面，再用车台阶然后测量台阶宽度的方法进行Z向对刀。②减少转刀误差：方法一是采用高精度刀架，二是减少刀具的种类，以减少换刀次数。③减少转位误差：一是采用高精度刀杆与刀片；二是保证一定的定位精度；三是夹紧元件应具有足够的硬度和强度。④适当采用刀尖圆弧半径补偿车刀刀尖部分均为一半径为r的小圆弧，如图5-1所示。它不仅可以降低加工工件的表面粗糙度，还能减缓刀具的磨损，提高刀具的使用寿命。图5-1刀尖圆角r编程员可直接根据零件轮廓形状进行编程，编程时可假设刀具圆角半径为零，在数控加工前必须在数控机床上的相应刀具补偿号输入刀具圆弧半径值，加工过程中，数控系统根据加工程序和刀具圆弧半径自动计算假想刀尖轨迹，进行刀具圆角半径补偿，完成零件的加工。刀具半径变化时，不需修改加工程序，只需修改相应刀号补偿号刀具圆弧半径值即可。根据工件与刀具的相对位置不同，刀尖圆弧半径补偿的指令也不同。图5-2表示了刀尖半径补偿的两种不同方向，如果刀尖沿ABCDE运动见图5-2a，顺着刀尖运动方向看，刀具在工件右侧，即为刀具的右补偿，用G42指令刀尖右补偿，若刀尖沿FGHI运动，如图5-2b，顺着刀尖运动方向看，刀具在工件左侧，即为刀具的左补偿，用G41指令刀尖左补偿。（a）刀尖半径右补偿（b）刀尖半径左补偿图5-2刀尖圆弧半径补偿方向需要注意的是：除了输入刀头圆角半径外，还应输入假想刀尖相对于圆头刀中心的位置，这是由于内、外圆车刀或左、右偏刀的刀尖位置不同。根据各种刀尖形状与刀尖位置的不同，数控车刀的刀具切削沿位置共有9种，如图5-3所示。图5-3数控车床的刀具切削沿位置当数控车床的数控系统具有刀具长度补偿器时，直接根据零件轮廓形状进行编程，加工前在机床的刀具长度补偿器输入上述的ΔX和ΔZ的值，在加工时调用相应刀具的补偿号即可。3、夹具的几何误差:夹具的作用时使工件相当于刀具和机床具有正确的位置,因此夹具的制造误差对工件的加工精度(特别是位置精度)有很大影响。工件在装夹过程中,如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当,将引起工件变形,造成相应的加工误差。4、热误差:通过对数控机床的结构和加工过程分析可知，由于受不同热源影响，机床会产生热变形，引起热误差。数控机床的热源主要分内外两大部分，内部热源主要是指机床的工作条件，外部热源主要指机床的环境条件。由于内外热源的共同影响，输入机床的热量与输出机床的热量产生偏差，从而使数控机床各个位置产生不均匀温升，发生了膨胀、弯曲、收缩等热变形，从而引起刀具与工件间的相对位置发生变化，产生热误差。5、由于切削力变化引起的误差:加工过程中,由于工件的加工余量发生变化工件材质不均等因素引起的切削力变化,使工艺系统变形发生变化,从而产生加工误差。以上各种误差源对数控机床的加工精度影响程度不一样。根据美国Klnie等的研究成果，影响程度分配如表5-1所示。由表中可以看出，几何误差、热误差、力误差及刀具误差占误差的75%左右。表5-1数控机床各种误差所占比例二、定位误差定位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位置精度,是评价数控机床的质量和状态的重要技术指标之一，它与机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响,对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。对于半闭环伺服系统，定位精度主要产生于由传动刚度变换而引起的定位误差，启动或反向时的死区误差和运动时的动态误差。在伺服系统中机械传动机构系统的最后执行元件是丝杠螺母机构，当工作台处于不同位置时，由于滚珠丝杠受力状态的变化，所以丝杠螺母副的传动刚度是变化的。伺服系统中机械传动部分的变形主要为滚珠丝杠螺母副的轴向接触变形、滚珠丝杠的拉压变形和轴承的轴向接触变形，这三项刚度构成机械传动部分的综合拉压刚度。在滚珠丝杠传动的伺服系统中，普通精度的数控机床为了简化结构，方便调试，滚珠丝杠的支承多采用单端轴向定位，当螺母在滚珠丝杠上的不同位置时，滚珠丝杠的拉压刚度是不同的，这时综合传动刚度也随之值变化，即使在均匀载荷下(如没有切削只有运动部件载荷的情况)，在不同的位置也将产生定位误差，要减少综合传动刚度引起的定位误差，必须要求伺服系统的机械传动部件有足够大的刚度，导轨有尽量小的摩擦系数。死区误差也是影响定位精度的主要因素之一。传动系统启动或反向时产生的输入运动和输出运动之间的差值，称为死区误差。产生死区误差的原有两个方面:一是由于机械传动装置中存在间隙，伺服电机在反向或启动时首先要消这部分间隙，而造成运动误差，称为间隙死区误差;二是由于导轨摩擦力的存在，摩擦死区的产生是由于有静摩擦力的存在，当运动部件启动或反向时，首先必须在传动部件上产生一定的弹性变形，使其产生足以克服静摩擦力的驱动力，才能使运动部件移动，而这部分弹性变形称为摩擦死区。死区误差是整个进给伺服系统输入与输出之间的差值，产生的原因主要有机械传动系统的间隙、电气元件的死区及摩擦死区。对于机械间隙，可以采取消除间隙或通过数控系统补偿，电气元件的死区则可以通过选择参数来避开。若测得数控机床的定位误差超出误差允许范围,则必须对机床进行误差补偿。常用方法是计算出螺距误差补偿表,手动输入数控机床CNC系统,从而消除定位误差。其定位精度补偿方法如下:(1)先备份数控机床CNC控制系统中的已有补偿参数。(2)由计算机调出进行逐点定位精度测量的机床CNC程序,并传送给CNC系统。(3)自动测量各点的定位误差。(4)根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数,并传送给CNC系统,同时使补偿参数生效,螺距补偿完成。(5)重复检测过程并进行精度验证。根据数控机床各轴的精度状况,利用螺距误差补偿功能和反向间隙补偿功能,合理地选择分配各轴补偿点,使数控机床达到最佳使用精度状态,并大大提高了检测机床定位精度的效率。5.1.2动态误差动态误差是指机床在实际切削加工条件下加工的工件所达到的精度，它不仅与数控机床的原始制造精度相关，如加工时的夹具、刀具和工件本身的误差，也与切削时的力、速度等相关。一、机床的控制系统误差包括机床轴系的伺服误差（轮廓跟随误差），数控插补算法误差，机床参数设置不合理，如与位置控制有关的参数反向间隙、夹紧允差等设置不合理会引起精度超差。二、检测系统的测试误差（1）由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差；（2）由于机床零件和机构误差以及在使用中的变形导致测量传感器出现的误差。三、切削负荷造成工艺系统变形所导致的误差包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。这种误差又称为“让刀”，它造成加工零件的形状畸变，尤其当加工薄壁工件或使用细长刀具时，这一误差更为严重。四、机床的振动误差在切削加工时，数控机床由于工艺的柔性和工序的多变，其运行状态有更大的可能性落入不稳定区域，从而激起强烈的颤振。导致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。五、运动误差:反应了机床达到准确位置的能力。运动误差受机床溜板、齿轮、轴承、电机等的影响。几何误差和运动误差是内在联系的。六、力误差:机床受力(包括切削力、工件和夹具重力、装卡力等)引起变形所造成的机床误差，也称为刚度误差。七、随机误差:外界干扰造成的机床误差。除以上所述还有许多因素，如机床地基和水平不符合要求；机床接地要求不符合规范，无屏蔽措施,抗干扰能力差；机床修理调整不当等。5.2加工精度的提高对于静态误差可采用螺距误差补偿和反向间隙误差补偿来抵消，而动态误差补偿主要用来校正热切削力引起的误差。如何减少各种因素对加工精度的影响,提高工件的加工质量,需要进行深度分析。要提高机床的精度，主要采取两种方法：一种是通过提高零件设计、制造和装配的水平来消除可能的误差源，称为误差防止法(errorprevention)。该方法一方面主要受到加工母机精度的制约，另一方面零件质量的提高导致加工成本膨胀，致使该方法的使用受到一定限制。另一种叫误差补偿法(errorcompensation)，是在不改变机床结构和制造精度的基础上，将该误差量反馈到机床的控制系统中，改变坐标驱动量来实现误差修正，从而提高机床定位精度。采用误差补偿技术能使加工出的零件精度高于其加工所用工艺系统能达到的正常精度，具有高效率低成本的优点，由此可见，误差补偿技术是提高机床精度必要的和实际的方法。一、误差防止法机械传动机构系统对整个伺服进给系统伺服刚度造成影响的主要因素是工作台及其负载的质量和导轨的阻尼。惯性负载的变化对伺服系统伺服刚度的影响也较大，要减弱惯性负载的变化对数控进给伺服动态性能的影响，可以采用增大工作台的自重，随着工作台自重的增加，相同负载质量变化引起伺服系统干扰力阶跃输入响应的变化位移变动量减少，伺服动刚度对质量变动的敏感性也会降低。所以可以采用增加工作台自重的方法使工件质量在惯性负载中的比例减小，工件质量的改变就可以忽略不计，但这样会增大进给伺服系统的绝对惯性负载，影响数控进给伺服系统的加减速能力，从而影响系统的动态性能。同时还要求导轨具有一定的阻尼以提高进给伺服系统的抗震性，提高进给伺服系统的定位精度。二、误差补偿法由于丝杠预紧力不够或磨损导致丝杠螺母副出现间隙，造成各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差,通常也称反向间隙或矢动量，这种误差在每个运动轴上表现为，同一点处由于运动的改变而造成的位置偏差，一般认为是常量，但会随着磨损逐渐增加。进而会影响到机床的定位精度和重复定位精度,从而影响产品的加工精度。如在G01切削运动时,反向偏差会影响插补运动的精度,若偏差过大就会造成“圆不够圆,方不够方”的情形，因此需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进行检测和补偿。这就需要数控系统提供反向间隙补偿功能，以便在加工过程中自动补偿一些有规律的误差，提高加工零件的精度。1、直线运动轴反向偏差的检测与补偿测量直线运动轴的反向偏差时,可采用测量工具千分表或百分表。当进行测量时,需要注意的是表座和表杆不要伸出过高过长,因为测量时由于悬臂较长,表座易受力移动,造成计数不准,补偿值也就不真实了。在所测量数控机床坐标轴的行程内,预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准,再同一方向给予机床一定移动指令值,使移动一段距离,然后再往相反方向移动同的距离,测量停止位置与基准位置之差在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次检测(一般为七次),求出各个位置上的平均值,以所得平均值中的最大值为反向偏差测量值。在测量时一定要先移动一段距离,否则不能得到正确的反向偏差值。数控装置内存中通常设有若干个地址,专供存储各轴的反向间隙值。当机床的某个轴被指令改变运动方向时,数控装置会自动读取该轴的反向间隙值,对坐标位移指令值进行补偿、修正,使机床准确地定位在指令位置上,消除或减小反向偏差对机床精度的不利影响。2、滚珠丝杠的窜动、回动检测在机床某一方向滚珠丝杠的轴端中心孔内放入一粒一级精度的钢球(选丝杠的约束止推端;中心孔一定要清洁干净;钢球用优质的黄油粘着上)。将千分表吸合固定在刚性牢固的合适部位,表触头垂直接触到钢球的中心部位并表针刻度校零。转动手摇脉冲发生器驱动丝杠向一个方向慢慢旋转的同时观察表针的摆动量,要求表针摆动值在3μm内时为合格。此为丝杠的轴向窜动。转动手摇脉冲发生器驱动丝杠向一个方向慢慢旋转并待表针相对稳定时突然反摇,观测表针的摆动值,要求表针摆动值在3μm内时为合格。此为丝杠的轴向回动。超差时反映的主要问题：①丝杠支撑轴承的精度不够;约束止推端的轴承外环没有用端盖压紧或轴承内环没有用螺母背紧,致使轴承内、外环之间存有未消除的间隙。②轴承在壳体内安装位置不佳、歪了或是丝杠三点支撑(进给箱、丝母座及轴承支座)之间的同轴度太差。③此项精度超差会影响该进给轴的重复定位精度和定位精度,致使工件加工精度下降。3、丝杠螺母处滚道的窜动、回动检测将千分表吸合固定在机床大拖板合适的部位,表触头接触到丝杠滚道一侧的中径处(与丝杠轴线呈45°角接触)并表针刻度校零。同滚珠丝杠轴端的窜动、回动检测方式一样,摇动手要脉冲发生器进行检测,表针摆动值在3μm内时为合格。(注:滚道的左、右两个侧面均要进行检测。)超差时反映的主要问题：①滚珠丝杠制造精度不良,丝杠与螺母之间有未消除的间隙。②丝杠三点支撑之间的同轴度太