CK20数控车床横向进给系统及液压卡盘设计

前言
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。

制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。

当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。

此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。

总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

本文主要阐述CK20数控机床在制造过程中进给系统、主传动系统、伺服系统、滚珠丝杠副等数控机床中主要的参数选取做简单的介绍。

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。

第一章数控机床特点及其分类
1.1数控机床定义
数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。

该系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件的自动化机床。

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的、发展十分迅速的高新技术。

数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备；其技术范围所覆盖的领域有：机械制造技术；微电子技术信息处理、加工点输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检测监控技术、传感器技术；软件技术等。

数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。

在提高牛产率、降低成本、保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；待别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技木的关键。

数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。

国际信息处理联盟(Internation Fderation of Information processing,IFIP)第五技术委员会，对数控机床作如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。

该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序[1]。

1.2数控机床的优点：
1提高生产率
数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。

采用最佳切削参数和最佳定刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。

2提高零件的加工精度，稳定产品质量
由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工梢度还可以利用软件进行校正及补偿。

故可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。

3有广泛的适应性和较大的灵活性
通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。

4 可以实现一机多用
一些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。

一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备相厂房面积。

5可以进行精确的成本计算和生产进度安排
可以减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。

6不需要专用夹具
采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具设计制造和存放的费用。

7大大减轻了工人的劳动强度
数控机床是具有广泛的通用性又具有很高自动化程度的机床。

它的控制
系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度，以及刀具相对工件的运动轨迹。

数控机床是计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)等柔性加工和柔性制造系统的基础。

但是，数控机床的韧投资及维修技术等费用较高，要求管理及操作人员的累质也较高。

合理地选择及使用数控机床，可以降低企业的生产成本，提高经济效益和竞争能力。

1.3数控机床的分类
1.3.1按加工工艺方法分类
1金属切削类数控机床
与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。

尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。

在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。

加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。

例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。

加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量[2]
2特种加工类数控机床
除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。

3板材加工类数控机床
常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。

近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。

1.3.2按控制运动轨迹分类
1．点位控制数控机床
点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。

机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。

可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。

这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。

点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。

2．直线控制数控机床
直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。

直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。

直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。

现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。

数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。

3．轮廓控制数控机床
轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。

它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。

常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。

数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。

轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。

现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。

因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。

1.4数控机床发展趋势
随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求愈来愈强烈。

中、小批量生产的比重明显增加，要求现代数控机床成为一种只有柔性、精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。

同时，为满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)，以及计算机集成制造系统(CIM5)提供基础设备．也要求数控机床向更高水平发展。

当前；数控机床技术呈现如卞发展趋势:
1．高精度化
现代科学技术与生产的发展，对机械加工与测量提出了越来越高的精度要求。

加工精密化不只是由于发展高、新技术的需要，也是为了提高普通机电产品的性能质量、寿命和可靠性的需要，向时还是为了减少机械产品装配时的修配工作员，提高装配效率的需要。

故机床的加工精度有提高的趋势。

如近10年来，普通级数控机床的加工精度已由原来的土10um提高到土5um和土2um，精密级从土5um提高到土1．5um，最高可达土1um以内。

主轴回转精度为0.02
—0.05um、加工圆度为0.1um，表面粗糙度Ra为0.003um的超精密车床，已有多种产品在市场上出现。

预计到2000年，普通加工和精密加工的精度与1980年比，还将分别提高4—5倍，定位精度达到微米级、纳米级。

2．运动高速化
高速是高效的基础，要提高生产率，首先就得提高切削速度。

这正是机床技术发展追求的基本目标之一。

而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切削速度相减少辅助时间。

数控机床的“高速化”主要体现在主轴转速相进给速度。

随着刀具、电机、轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大幅度提高。

提高主轴转速是提高切削速度的最直接最有效的方法。

提高生产率的另一措施就是把非切削时间缩减到最短。

主要体现在提高快速移动速度和缩短换刀时间与工作台交换时间。

备坐标轴快速移动速度已由8—12m／min提高到18—24m／min，30一40m／min的机床也稳定用于生产。

3．高柔性化
柔性是指机床适应加工对象变化的能力。

传统的自动化设备，由于是机械或刚性连接和控制的，当被加工对象交换时，调整很困难，甚至是不可能的，有时只得全部更新、更换。

数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元，对满足加工对象变换有很强的适应能力。

而且．在提高单机秉性化的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化发展。

如在数控机床的软硬件的基础上，增加不同容量的刀库和自动换刀机械手，增加第二主轴，增加交换工作台装置，或配以工业机器人和自动运输小车，以组成新的加工中心、柔性加工单元(FMc)或柔性制造系统(FM5)。

实践证明，采用柔性自动化设备或系统是提高加工精度和效率、缩短生产和供货周期、并能对市场变化需求做出快速响应和提高竞争能力的有效手段。

4．高自动化
这里指的柔性自动化是包活物料流和信息流的自动化。

80年代个期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”(单台数控机床)发展到“线”的自动化(FMs、FTL)和“而”的自动化(柔性制造车间)。

结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化。

在国外已出现FA(自动化工厂)和cIM(计算机集成制造)工厂的实体。

尽管由于这种高自动的技术还不够完备，投资过大，回收期较长，但数控机床的高自动化以及向FMc、萨Ms的系统集成方向发展的总趋势仍
是机械制造业发展的主流。

数控机床(包括FMc相FMs)的自动化除进一步提高其自动编程、自动换刀、自动上下料、自动加工等自动化程序外，在自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、自动管理等方面也进“步得到发展，同时也提高丁其标准比和在线的适应能力。

5．复合化
复合化包括工序复合化和功能复合化。

数控机床的发展已模糊了粗.精加工工序的概念。

加工中心(包括车削中心、磨削中心、电加工中心等)的出现，又把车、铣、镗、钻等类的工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。

一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的膛铣加工中心，不仅一次装卡可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体五个面腿、精加工的全部工序。

6．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。

数控机床能开发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。

衡量可靠性至要的量化指标是平均无故障工作时间(Mcantime Bctween Failurcs—MTBF)。

作为数控机床的大脑——数控系统的MTBF已由70年代的＞3000h，80年代的＞10000h，提高到90年代初的＞30000h。

据日本近期介绍，FANVC的CNC系统已达到MTBF增125个月。

数控机床整机的可累性水平也有显著的提高。

整机的MTBF已从80年代初期的100一200h提高到现在的500一800h.
目前，很多企业正在对可靠性设计技术、可靠性试验技术、可靠性评价技术、可靠性增长技术以及可靠性管理与可靠性保证体系等进行深入研究和广泛应用，以期使数控机床的整机可靠性水平提高到一个新水平。

7．宜入化
宜入化是一种新的设计思想和观点，是将功能设计与美学设计有机结合，是技术与经济、文化、艺术的协调统一，其核心是使产品变为更具有魅力、更适销的对路商品，引导人们进入一种新的生活方式和工作方式。

工业先进国家早已将其广泛用于各种产品的设计中。

因此它是经济腾飞、提高市场竞争能力的重要手段。

目前，国外机床生产广家为了能在方案设计阶段就知道其产品的外观造型、色彩配置的效果，普遍采用计算机辅助工艺造型设计(CAID)技术，相继开发了商品化的CAID软件系统．致使国际市场上数控机床的品类、结构、造型、色彩发生了日新月异的变化，使用户在操作安全、使用方便、性能可靠的同时，还能体会到—种美的享受感、舒服感、欣赏感，令人在心情愉快中完成工作。

第二章床身设计
2.1数控机床的床身设计
2.1.1床身结构基本要求
机床的床身是整个机床的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴相等重要部件。

为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性扣高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。

数控机床床身主要在以下4个方面提出了更高的要求[3]。

1很高的精度和精度保持性
在床身上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要能长时间保持。

另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。

为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足静、动刚度、抗振性、热稳定性印工艺等方面的技术要求。

2应具有足够的静、动刚度
静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度——质量比。

动刚度直接反映机床的动态持性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动面产生的噪声。

3较好的热稳定性
对数控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已成了一个突出问题，必须在设计上要作到使整机的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。

2.1.2床身结构
根据数控机床的类型不同，床身的结构形式有各种各样的形式。

例如数控车床床身的结构形式有平床身a、斜床身b、立体床身c等三种类型。

a b c
图2-1床身的布局
这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身(有的机床是用平床身斜滑板)布局；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。

斜床身布局的数控车床(导轨倾斜角度通常选择45度60度和75度)，不仅可以在同等条件下，改善受力情况；而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身的刚度。

特别是自动换刀装置的布置较方便，而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限．布置比较困难，限制冷了机床性能。

因此，斜床身布局的数控车床应用比较广泛。

在其他方面则三种布局方式的特点如下：
1热稳定性当床头箱因发热使主袖中心线产生热变位时，斜床身的影
响最小；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也较小。

2运动精度平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影
响，容易提高定位精度；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间。

3加上制造平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证。

另外．平
床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，对精度影响最大；斜床身介于两者之间。

4操作、防护、排屑性能斜床身的观察角度最好，工件的调整比较方便。

平床身有刀架的影响，加上拖板突出前方，观察、调整较因难。

但是，在大型工件和刀具的装卸方面，平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便。

立式床身因切屑可以自由落下．排屑性能最好．导轨防护也较容易。

在防护罩的设计上，斜床身和立式床身结构较简单，安装也比较方便；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制造成本较高。

2.2数控机床导轨设计
2.2.1数控机床对导轨的要求
导轨主要用来文承和引导运动部件沿一定的轨道运动.在导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不动的一方叫做支承导轨。

运动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。

日前，数控机床上的导轨型式主要有滑动导轨、滚动号轨和液体静压导轨等[4]。

1导向精度高导向精度是指机床的远动部件沿导轨移动时的直线性和与有
关基间之间的相互位置的淮确性。

无论在空载或切削状态下导轨都应有足够的导向精度。

影响导轨精度的主要原因除制造精度外，还有导轨的结构形式、装配质量、导轨及共支承件的刚度和热变形等。

2耐磨性好导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向
精度。

因导轨在工作过程中有磨损，故应力求减少磨损量，并在磨损历能自动补偿或便于调整
3足够的刚度导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，故要求导轨应有足够的刚度。

为了减轻或平衡外力的影响，数控机床常采用加大导轨面的尺寸提高刚度。

4低速运动平稳性应使导轨的摩擦力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。

5结构简单、工艺性好所设计的导轨应使制造和维修力便，在使用时便于调整和维护
2.2.2贴塑滑动导轨
1聚四展乙烯导轨软带的特点
摩擦性能好：铸铁淬火导轨副的静摩擦系数、动摩擦系数相差较大，几乎相差一倍，金属聚四氟乙烯导轨软带的静、动摩擦系数基本不变。

图2-2为三种不同摩擦副试验测得的摩擦速度曲线。

内图看出．铸铁一铸铁的摩擦速度曲线斜率为负值；而TSF一铸铁摩擦副和TWite—B一铸铁摩擦副的曲线为正斜率，对于摩擦或机油润滑情况是相同的，而且摩擦系数u很低，比铸铁导轨副约低一个数量级。

这种良好的摩擦性能可防止低速爬行，使运动平稳并获得较高的定位精度。

图2-2摩擦—速度曲线
1—铸铁—铸铁（30#机油）；2—Turcite—B—铸铁（干摩擦）
3—Turcite—B—铸铁（30#机油）；4—TSF—铸铁（干摩擦）
5—TSF—铸铁（30#机油）；
耐磨性好：除摩擦系数低外，聚四氟乙烯导轨软带材质中含有青铜、二硫化铝和石墨，因此，本身即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。

此外塑料质地较软，即便嵌入金属碎屑、灰少等，也不至损伤金属导轨面和软带木身，可延长导轨副的使用寿命。

减振性好：塑料有很好的阻尼性能，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大意义。

工艺性好：可降低对粘贴塑料的余属导轨基体的硬度和表面质量要求，而且塑料易于加工(铣、刨、磨、刮)，可使导轨副接触面获得优良的表而质量。

此外．还有化学稳定性好、维修入便、经济性好等优点；
2.3伺服系统
2.3.1对进给伺服系统的要求
1．稳定性
所谓稳定的系统，即系统在输入量改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出显经过几次衰减振荡后．能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。

它是进给伺服系统能够正常工作的基本条件。

它包含绝对稳定性和相对稳定性(稳定裕度)。

2．精度
所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出且复现输入量的精确程度(偏差)，。