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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
X52K立式銑床數(shù)控化改造總體及
橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
本全面闡述了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并進(jìn)行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。
其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則以及廠家的選擇等。
關(guān)鍵詞：銑床，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
Abstract
Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.
In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.
Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 1
1.1 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 1
1.2 數(shù)控化改造的特點(diǎn) 2
1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 2
1.3.1 高速化 2
1.3.2 高精度化 3
1.3.3 功能復(fù)合化 3
1.3.4 控制智能化 4
1.3.5 體系開放化 5
1.3.6 驅(qū)動并聯(lián)化 5
1.3.7 極端化(大型化和微型化) 5
1.3.8 信息交互網(wǎng)絡(luò)化 6
1.3.9 新型功能部件 6
1.3.10 高可靠性 6
1.3.11 加工過程綠色化 7
1.3.12 多媒體技術(shù)的應(yīng)用 7
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 8
2.1總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容 8
2.2 改造方案的確定 8
第3章 確定切削用量及選擇刀具 11
3.1 科學(xué)選擇數(shù)控刀具 11
3.1.1 選擇數(shù)控刀具的原則 11
3.1.2 選擇數(shù)控車削用刀具 11
3.1.3 選擇數(shù)控銑削用刀具 12
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) 12
3.3 確定切削用量 13
3.3.1 確定主軸轉(zhuǎn)速 13
3.3.2 確定進(jìn)給速度 13
3.3.3 確定背吃刀量 13
第4章 主運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14
4.1 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介 14
4.2 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 15
4.3 主傳動的類型及方案選擇 15
4.4 計(jì)算切削功率 16
4.4.1切削力的計(jì)算 16
4.4.2切削功率的計(jì)算 17
4.4.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定 17
4.5 計(jì)算主傳動功率 17
4.6 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主軸電動機(jī)的功率的確定 18
4.6.1 變速級數(shù)Z的確定 19
4.6.2 電動機(jī)的功率的確定 19
4.6.3 電動機(jī)參數(shù) 20
4.6.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的確定 20
第5章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
5.1設(shè)計(jì)方案的確定 22
5.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
結(jié) 論 30
致謝 31
參考文獻(xiàn) 32
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
1.1 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。
1)可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬間準(zhǔn)確地計(jì)算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以符合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2)可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化。而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3~7倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性自動化”。
3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
4)可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬動。
5)擁有自動報(bào)警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。
6)由以上5條派生出的好處。如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反映等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)呆國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其實(shí)質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達(dá)到20.8%，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。
1.2 數(shù)控化改造的特點(diǎn)
1)減少投資額、交貨期短。同購置新機(jī)床相比，一般可省下60%~80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤為明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費(fèi)工、費(fèi)錢，往往改造成本提高2~3倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投資50%左右。
2)機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限。所利用的車床、立株等基礎(chǔ)條件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種接焊構(gòu)件，改造后的機(jī)床女性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。
3)熟悉設(shè)備、便于操作維修。購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求，改造則不然?？梢跃_地計(jì)算出機(jī)床的加工能力：另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
4)分利用現(xiàn)有的條件?？梢猿浞掷矛F(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。
5)以采用最新的控制技術(shù)，可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。
1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢
1.3.1 高速化
隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。
（1）主軸轉(zhuǎn)速：機(jī)床采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機(jī)），主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min；
（2）進(jìn)給率：在分辨率為0.01μm時，最大進(jìn)給率達(dá)到240m/min且可獲得復(fù)雜型面的精確加工；
（3） 運(yùn)算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千 兆赫。由于運(yùn)算速度的極大提高，使得當(dāng)分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達(dá)24～240m/min的進(jìn)給速度；
（4）換刀速度：目前國外先進(jìn)加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達(dá)0.5s。德國Chiron公司將刀庫設(shè)計(jì)成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。
1.3.2 高精度化
數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補(bǔ)償越來越獲得重視。
（1） 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本已 開發(fā)裝有106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器的交流伺服電機(jī)，其位置檢測精度可達(dá)到0.01μm/脈沖），位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法；
（2）采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，對設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。研究結(jié)果表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60%～80%；
（3）采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運(yùn)動軌跡精度，并通過仿真預(yù)測機(jī)床的加工精度，以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。
1.3.3 功能復(fù)合化
復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。工藝復(fù)合型機(jī)床如鏜銑鉆 復(fù)合——加工中心、車銑復(fù)合——車削中心、銑鏜鉆車復(fù)合——復(fù)合加工中心等；工序復(fù)合型機(jī)床如多面多軸聯(lián)動加工的復(fù)合機(jī)床和雙主軸車削中心等。采用復(fù)合機(jī) 床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市 場反應(yīng)能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。
加工過程的復(fù)合化也導(dǎo)致了機(jī)床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結(jié)構(gòu)，該加工中心能夠完成車削、銑削、鉆削、滾 齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復(fù)雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機(jī)械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床越來越受到各大企業(yè)的歡迎。
在2005年中國國際機(jī)床展覽會（CIMT2005）上，國內(nèi)外制造商展出了形式各異的多軸加工機(jī)床（包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等）以及可實(shí)現(xiàn)4～5軸聯(lián)動的五軸高速門式加工中心、五軸聯(lián)動高速銑削中心等。
1.3.4 控制智能化
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1） 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識別，以辯識出刀具的受力、 磨損、破損狀態(tài)及機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時調(diào)整加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降 低加工表面粗糙度并提高設(shè)備運(yùn)行的安全性；
（2）加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間的目的；
（3）智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法實(shí)現(xiàn)故障的快速準(zhǔn)確定位；
（4）智能故障回放和故障仿真技術(shù)：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對數(shù)控機(jī)床發(fā)生的各種錯誤和事故進(jìn)行回放和仿真，用以確定錯誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)；
（5）智能化交流伺服驅(qū)動裝置：能自動識別負(fù)載，并自動調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅(qū)動裝置能自動識別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行；
（6） 智能4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過程中，加工、檢測一體化是實(shí)現(xiàn)快速制造、快速檢測和快速響應(yīng)的有效途徑，將測量（Measurement）、建模 （Modelling）、加工（Manufacturing）、機(jī)器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一個系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享，促進(jìn) 測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。
1.3.5 體系開放化
（1）向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；
（2）向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求；
（3） 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP-NC），以提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品 整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個制造過程乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關(guān) 的勞動消耗。
1.3.6 驅(qū)動并聯(lián)化
并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)移動部件質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動性不夠等固有缺陷，在機(jī) 床主軸（一般為動平臺）與機(jī)座（一般為靜平臺）之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機(jī)構(gòu)驅(qū)動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應(yīng)自由度的運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)多坐 標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。
并聯(lián)機(jī)床作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個重要研究方向，受到了國際機(jī)床行業(yè)的高度重視，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”和“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。
1.3.7 極端化(大型化和微型化)
國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù)，需發(fā) 展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機(jī)床包括微切削加工(車、銑、磨)機(jī)床、微電加工機(jī)床、微激光加工機(jī)床和微型壓力機(jī)等 的需求量正在逐漸增大。
1.3.8 信息交互網(wǎng)絡(luò)化
對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說，使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又 能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)、教學(xué)、管理，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)(數(shù)控機(jī)床故障的遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)等)。例如，日本Mazak公司推出新 一代的加工中心配備了一個稱為信息塔(e-Tower)的外部設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信故障報(bào) 警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨(dú)立的、自主管理的制造單元。
1.3.9 新型功能部件
為了提高數(shù)控機(jī)床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應(yīng)用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：
高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動機(jī)與主軸部件的集成，具有體積小、轉(zhuǎn)速高、可無級調(diào)速等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各種新型數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用；
直 線電動機(jī)：近年來，直線電動機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，雖然其價(jià)格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，但由于負(fù)載變化擾動、熱變形補(bǔ)償、隔磁和防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械傳動結(jié) 構(gòu)得到簡化，機(jī)床的動態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產(chǎn)的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機(jī)已開始廣泛應(yīng)用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯(lián)機(jī) 床以及動態(tài)性能和運(yùn)動精度要求高的機(jī)床等； 德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅(qū)動均采用兩個直線電動機(jī)；
電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動機(jī)與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，具有傳動環(huán)節(jié)少、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)。
1.3.10 高可靠性
數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，增加了數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓和機(jī)電裝置，易于導(dǎo)致出現(xiàn)失效的概率增大；工業(yè)電網(wǎng)電壓的波動和干擾 對數(shù)控機(jī)床的可靠性極為不利，而數(shù)控機(jī)床加工的零件型面較為復(fù)雜，加工周期長，要求平均無故障時間在2萬小時以上。為了保證數(shù)控機(jī)床有高的可靠性，就要精 心設(shè)計(jì)系統(tǒng)、嚴(yán)格制造和明確可靠性目標(biāo)以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在7～10萬小時以上，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)平均無故 障時間僅為10000小時左右，國外整機(jī)平均無故障工作時間達(dá)800小時以上，而國內(nèi)最高只有300小時。
1.3.11 加工過程綠色化
隨著日趨嚴(yán)格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實(shí)現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能 環(huán)保的機(jī)床不斷出現(xiàn)，并在不斷發(fā)展當(dāng)中。在21世紀(jì)，綠色制造的大趨勢將使各種節(jié)能環(huán)保機(jī)床加速發(fā)展，占領(lǐng)更多的世界市場。
1.3.12 多媒體技術(shù)的應(yīng)用
多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。合理的人性化 的用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤 和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。除此以外，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，應(yīng)用于實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)和生 產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等，因此有著重大的應(yīng)用價(jià)值。
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
2.1總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容
數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
2.2 改造方案的確定
在我國設(shè)備數(shù)控改造時，較多采用步給電機(jī)作為私服驅(qū)動元件。步給電機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，它利用通電激磁繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩，將脈沖電信號的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件，當(dāng)激磁繞組按一定規(guī)律獲得分配比例關(guān)系，而且轉(zhuǎn)動與輸入脈沖在時間上同步，因此可以利用這些特點(diǎn)控制運(yùn)動的速度和位移量。
步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，電氣控制和驅(qū)動電路也簡單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜，實(shí)際制造較簡單，容易調(diào)試，使用維修方便。位移精度較好，對各種干擾因素不敏感，結(jié)構(gòu)誤差不會累積。另外，機(jī)電時間常數(shù)小，反應(yīng)快。但步給點(diǎn)饑也有缺點(diǎn)，主要是容易丟步，啟動頻率低，工作頻率也不夠高，低頻率振動大，沖擊大，有時還有自激振蕩。補(bǔ)給電機(jī)沒有過載能力，當(dāng)工作條件變動時，可能造成失誤，因此步進(jìn)電機(jī)多用于負(fù)載較小，負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型簡易型數(shù)控設(shè)備中。
功率放大
光電隔離
微 機(jī)
步進(jìn)電 機(jī)
橫向工作臺
步進(jìn)電 機(jī)
功率放大
光電隔離
采用直流或交流伺服閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難得多，造價(jià)也高。閉環(huán)控制可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動系統(tǒng)中各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度影響，一般應(yīng)用與要求高的數(shù)控設(shè)備中。另外，由于閉環(huán)控制使機(jī)械傳動得各個環(huán)節(jié)都綜合作用于反饋信號，因此對系統(tǒng)得穩(wěn)定性造成影響因素都嚴(yán)格控制把關(guān)。由于改造數(shù)控車床的目標(biāo)工件加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。
采用直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間。由于調(diào)速范圍寬，過載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步給電機(jī)開環(huán)控制：反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以比閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn)。但是采用半閉環(huán)控制，調(diào)試比開環(huán)控制步給要困難些，設(shè)計(jì)上也要有其自身的特點(diǎn)；另外反饋環(huán)節(jié)外的傳動元件將會直接影響機(jī)床精度和加工精度，因此在設(shè)計(jì)也必須重視。
查看了銑床的有關(guān)資料，按銑床改造后擬加工的零件要求，確定數(shù)控系統(tǒng)的選用步進(jìn)電機(jī)拖動的開環(huán)系統(tǒng)，縱向脈沖當(dāng)量為0.001mm/脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖。該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步給電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使不給電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動的位移量、速度和運(yùn)動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步給電機(jī)角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單調(diào)，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝，一臺新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計(jì)上要達(dá)到：有高的靜動態(tài)剛度；運(yùn)動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達(dá)到上任要求。不恩能夠認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相與的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。
滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴(yán)防灰塵特別是切削及硬砂粒進(jìn)入渠道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取FC1B系列，即外插管變螺距型滾珠絲杠副。其優(yōu)點(diǎn)是螺母的軸向尺寸小，切已經(jīng)預(yù)加載荷消除間隙。
縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造。拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱和溜板箱，利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安置在原絲杠的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進(jìn)給整體剛度只可能增加。
橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造。保留原手動機(jī)構(gòu)，用于微進(jìn)給和機(jī)床刀具對零的操作，原有的支承結(jié)構(gòu)也保留。步給電機(jī)-齒輪箱體安裝在機(jī)床后側(cè)。為了便于安裝滾珠絲杠，絲杠軸不是整體的，而采用分移式，然后用套筒剛性聯(lián)接。
縱、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用一級齒輪減速，并用雙片齒輪錯齒法消除間隙。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙。因?yàn)閺椈傻膹椓茈y適應(yīng)負(fù)載的變化。當(dāng)負(fù)載變大時，彈簧力顯小，起不到消除間隙的目的；當(dāng)負(fù)載小時，彈簧力有顯大，則加速齒輪的磨損。應(yīng)次，采用定期人工調(diào)整、螺釘緊固的方法消除間隙。
拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動面損傷導(dǎo)軌。在溜板箱上安裝縱、橫向快速進(jìn)給按鈕和急停按紐。
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第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1 科學(xué)選擇數(shù)控刀具
3.1.1 選擇數(shù)控刀具的原則
刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時,應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命,而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種,前者根據(jù)單件工時最少的目標(biāo)確定,后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定。?
選擇刀具壽命時可考慮如下幾點(diǎn)根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具,由于換刀時間 短,為了充分發(fā)揮其切削性能,提高生產(chǎn)效率,刀具壽命可選得低些,一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合機(jī)床與自動化加 工刀具,刀具壽命應(yīng)選得高些,尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個車間的生產(chǎn)率的提高時,該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時間 內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時,刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時,為保證至少完成一次走刀,避免切削時中途換刀,刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度來 確定。與普通機(jī)床加工方法相比,數(shù)控加工對刀具提出了更高的要求,不僅需要岡牲好、精度高,而且要求尺寸穩(wěn)定,耐用度高,斷和排性能壇同時要求安裝調(diào)整方 便,這樣來滿足數(shù)控機(jī)床高效率的要求。數(shù)控機(jī)床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細(xì)粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。
3.1.2 選擇數(shù)控車削用刀具
數(shù)控車削常用的一般分成型車刀、尖形車刀、圓弧形車刀以及三類。成型車刀也稱樣板車刀,其加工零件的輪廓形狀完全由車刀刀刃的形伏和尺寸決定。數(shù)控車削加 工中,常見的成型車刀有小半徑圓弧車刀、非矩形車槽刀和螺紋刀等。在數(shù)控加工中,應(yīng)盡量少用或不用成型車刀。尖形車刀是以直線形切削刃為特征的車刀。這類 車刀的刀尖由直線形的主副切削刃構(gòu)成,如900內(nèi)外圓車刀、左右端面車刀、切槽(切斷)車刀及刀尖倒棱很小的各種外圓和內(nèi)孔車刀。尖形車刀幾何參數(shù)(主要 是幾何角度)的選擇方法與普通車削時基本相同,但應(yīng)結(jié)合數(shù)控加工的特點(diǎn)(如加工路線、加工干涉等)進(jìn)行全面的考慮,并應(yīng)兼顧刀尖本身的強(qiáng)度。?
二是圓弧形車刀。圓弧形車刀是以一圓度或線輪廓度誤差很小的圓弧形切削刃為特征的車刀。該車刀圓弧刃每一點(diǎn)都是圓弧形車刀的刀尖,應(yīng)此,刀位點(diǎn)不在圓弧 上,而在該圓弧的圓心上。圓弧形車刀可以用于車削內(nèi)外表面,特別適合于車削各種光滑連接(凹形)的成型面。選擇車刀圓弧半徑時應(yīng)考慮兩點(diǎn)車刀切削刃的圓弧 半徑應(yīng)小于或等于零件凹形輪廓上的最小曲率半徑,以免發(fā)生加工干淺該半徑不宜選擇太小,否則不但制造困難,還會因刀尖強(qiáng)度太弱或刀體散熱能力差而導(dǎo)致車刀 損壞。
3.1.3 選擇數(shù)控銑削用刀具
在數(shù)控加工中,銑削平面零件內(nèi)外輪廓及銑削平面常用平底立銑刀,該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:一是銑刀半徑RD應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑 Rmin,一般取RD=(0.8-0.9)Rmin。二是零件的加工高度H<(1/4-1/6)RD,以保證刀具有足夠的剛度。三是用平底立銑刀銑 削內(nèi)槽底部時,由于槽底兩次走刀需要搭接,而刀具底刃起作用的半徑Re=R-r,即直徑為d=2Re=2(R-r),編程時取刀具半徑為 Re=0.95(Rr)。對于一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工,常用球形銑刀、環(huán)形銑刀、鼓形銑刀、錐形銑刀和盤銑刀。?
目前,數(shù)控機(jī)床上大多使用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化刀具,對可轉(zhuǎn)位機(jī)夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標(biāo)準(zhǔn)及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機(jī) 床,刀具的刀柄都已有系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定,如錐柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號為TSG-JT,直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號為DSG-JZ,此外,對所選擇的刀具,在 使用前都需對刀具尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的測量以獲得精確數(shù)據(jù),并由操作者將這些數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)系統(tǒng),經(jīng)程序調(diào)用而完成加工過程,從而加工出合格的工件。
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn)
刀具究竟從什么位置開始移動到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始,必須確定刀具在工件坐標(biāo)系下開始運(yùn)動的位置,這一位置即為程序執(zhí)行時刀具相對于工件 運(yùn)動的起點(diǎn),所以稱程序起始點(diǎn)或起刀點(diǎn)。此起始點(diǎn)一般通過對刀來確定,所以,該點(diǎn)又稱對刀點(diǎn)。在編制程序時,要正確選擇對刀點(diǎn)的位置。對刀點(diǎn)設(shè)置原則是: 便于數(shù)值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查；引起的加工誤差小。對刀點(diǎn)可以設(shè)置在加工零件上,也可以設(shè)置在夾具上或機(jī)床上,為了提高零 件的加工精度,對刀點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基誰上。實(shí)際操作機(jī)床時,可通過手工對刀操作把刀具的刀位點(diǎn)放到對刀點(diǎn)上,即“刀位點(diǎn)”與“對刀 點(diǎn)”的重合。所謂“刀位點(diǎn)”是指刀具的定位基準(zhǔn)點(diǎn),車刀的刀位點(diǎn)為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點(diǎn)；球頭銑刀是球頭的球心,鉆 頭是鉆尖等。用手動對刀操作,對刀精度較低,且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等,以減少對刀時間,提高對刀精度。加工過程中需 要換刀時,應(yīng)規(guī)定換刀點(diǎn)。所謂“換刀點(diǎn)”是指刀架轉(zhuǎn)動換刀時的位置,換刀點(diǎn)應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部,以換刀時不碰工件及其它部件為準(zhǔn)。
3.3 確定切削用量
數(shù)控編程時,編程人員必須確定每道工序的切削用量,并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。對于不同的加工方法,需要選 用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度,充分發(fā)揮刀具切削性能,保證合理的刀具耐用度,并充分發(fā)揮機(jī)床的性能,最大限度 提高生產(chǎn)率,降低成本。
3.3.1 確定主軸轉(zhuǎn)速
主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)允許的切削速度和工件(或刀具)直徑來選擇。其計(jì)算公式為:?
n=1000v/71D?
式中:v—速度,單位為m/m動,由的耐用度決定；n一一主軸轉(zhuǎn)速,單位為r/min,D—工件直徑或刀具直徑,單位為mm。?
計(jì)算的主軸轉(zhuǎn)速n,最后要選取機(jī)床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。
3.3.2 確定進(jìn)給速度
進(jìn)給速度是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù),主要根據(jù)零件的精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的性能限 制。確定進(jìn)給速度的原則:當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時,為提高生產(chǎn)效率,可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選??；在切 斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時,宜選擇較低的進(jìn)給速度,一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選??；當(dāng)加工精度,表面粗糙度要求高時,進(jìn)給速度應(yīng)選小 些,一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取；刀具空行程時,特別是遠(yuǎn)距離“回零”時,可以設(shè)定該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進(jìn)給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來決定,在剛度允許的條件下,應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量,這樣可以減少走刀次數(shù),提高生產(chǎn)效率。為了保證 加工表面質(zhì)量,可留少量精加工余量,一般0.2一0.5mm,總之,切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床性能、相關(guān)的手冊并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)用類比方法確定。
同時,使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進(jìn)給速度三者能相互適應(yīng),以形成最佳切削用量。?
切削用量不僅是在機(jī)床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù),而且其數(shù)值合理與否對加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指充 分利用刀具切削性能和機(jī)床動力性能(功率、扭矩),在保證質(zhì)量的前提下,獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。
第4章 主運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介
主傳動系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)，他應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動等。
數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上簡單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠种鬏S電動機(jī)的無極調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動機(jī)無級調(diào)速的范圍。
在主傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點(diǎn)：
(1)目前數(shù)控機(jī)床的主傳動電機(jī)已不再采用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機(jī)和直流調(diào)速電機(jī)所代替。
(2)轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。
(3)變速范圍大。數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。
(4)主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。
4.2 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求
（1）主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動，以滿足機(jī)床的運(yùn)動要求。
（2）主電動機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有是夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的動力要求。
（3）主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機(jī)床的工作性能要求。
（4）操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。
（5）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。
4.3 主傳動的類型及方案選擇
數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機(jī)和直流主軸電動機(jī)無級凋速系統(tǒng)。為擴(kuò)大調(diào)速。
為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式
1．具有變速齒輪的主傳動
這是大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求，見圖1-1所示。一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動方式以獲得強(qiáng)力切削時所需要的扭矩。
圖1.1 圖1.2 圖1.3
2．通過帶傳動的主傳動
通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，見圖1-2所示。
3．由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動的主傳動
這種主傳動是由電動機(jī)直接驅(qū)動主軸，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機(jī)發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖1-3所示。
近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機(jī)主軸，即主軸與電動機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲。缺點(diǎn)是電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機(jī)主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min。
本次設(shè)計(jì)采用變速齒店主傳動系統(tǒng)。使主軸獲得較高的轉(zhuǎn)速和驕傲大的轉(zhuǎn)矩。二級以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修費(fèi)用高，但和以上兩種驅(qū)動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu)，可以使用可調(diào)的交、直流無級變速電動機(jī)，經(jīng)齒輪變速后，實(shí)現(xiàn)分段無級變速，調(diào)速范圍增加，且能滿足各種切削運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動的變速方式。
4.4 計(jì)算切削功率
4.4.1切削力的計(jì)算
銑削時的切削力，公式如下
（3-1）
式中——銑削時的主切削力（N）
——加工材料影響的系數(shù)
——每齒進(jìn)給量（mm）
——背吃刀量（mm）
——銑削寬度
——銑刀齒數(shù)
——銑刀直徑(mm)
用直徑=50mm的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬=40mm的剛工件，=0.05mm，=4mm，=68mm，
計(jì)算得：=132N
4.4.2切削功率的計(jì)算
切削時所消耗的功率稱為切削功率。
切削功率的公式計(jì)算：
（3-2）
式中：——切削功率（kw）
——切削力（N）
——切削速度（m/min）
根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取=100m/min
計(jì)算得：=2.2kw
4.4.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定
2 主軸轉(zhuǎn)速范圍：50-2000r/min；
4.5 計(jì)算主傳動功率
用下列粗略估算主電動機(jī)的功率
（3-3）
式中，為銑床主傳動系統(tǒng)總機(jī)械效率，主運(yùn)動為回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，；主運(yùn)動為直線運(yùn)動時，。
取主傳動的總效率=0.7
則初選電動機(jī)功率
取
電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為
；
額定最高轉(zhuǎn)速為
4.6 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主軸電動機(jī)的功率的確定
由3.2中初選電動機(jī)功率為4kw，
計(jì)算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式計(jì)算:
（3-4）
則電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍:
主軸恒功率調(diào)速范圍:
因此主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動機(jī)所能提供的恒功率圍，所以在電動機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，來擴(kuò)大電動功率變速范圍。
4.6.1 變速級數(shù)Z的確定
如取變速箱的公比
則由于無級變速時
故變速箱的變速極數(shù)
可取Z=3 （3-5）
雖然此中方法功率特性圖示連續(xù)的、無缺口(即沒有功率降低區(qū))和無重但是Z=3，變速箱機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。
因此為簡化變速箱機(jī)構(gòu)，取Z=2。
4.6.2 電動機(jī)的功率的確定
由公式（3—5）可知，應(yīng)增大
即
所以比大很多。
此時變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動系統(tǒng)的功率特性圖中出現(xiàn)缺口區(qū)。
缺口處的功率為
低谷處功率應(yīng)保證傳遞全部功率，只有選擇額定功率較大的電機(jī)給予補(bǔ)償。所以選用的交流變頻電動機(jī)。
則缺口處的功率為。有很大的改善。
4.6.3 電動機(jī)參數(shù)
一、電動機(jī)性能指標(biāo)
電機(jī)采用CTB系列變頻電機(jī),型號：CBT—43P5BXB50—4,主要技術(shù)指標(biāo)如下。
（1）電壓:三相380V/50Hz；
（2）變頻調(diào)速范圍:5～100Hz無級調(diào)速,5～50Hz恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,50～100Hz恒功率調(diào)速,級數(shù)為4級,額定轉(zhuǎn)速1440r/min;
（3）電機(jī)應(yīng)能承受額定轉(zhuǎn)矩的60%過載,歷時1min,低速時轉(zhuǎn)矩平滑,無爬行現(xiàn)象;
能通過變頻裝置的電壓提升,保證電動機(jī)頻率在5Hz時輸出額定轉(zhuǎn)矩而不致使電機(jī)因發(fā)熱而燒毀。
（4）CTB系列變頻電機(jī),型號：CBT—43P5BXB50—4 主要性能參數(shù)如表3.1所示：
表3.1
圖4.1為電動機(jī)外形圖
圖3.1
4.6.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的確定
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳動系統(tǒng)具有兩檔速度，低檔轉(zhuǎn)速為，高檔轉(zhuǎn)。采用二級變速傳動，傳動比為的高速傳動的低速傳動兩種變速機(jī)構(gòu)，采用撥叉變速。顯然如果要求巧內(nèi)作恒功率的不停車變速可用高檔。如果要求在內(nèi)作恒功率的不停車變速可用低檔。轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖3.2所示。
圖4.1
第5章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
5.1設(shè)計(jì)方案的確定
利用微機(jī)對縱橫垂直進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行半閉環(huán)控制，脈沖當(dāng)量都為0.01mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。
采用微機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪減速滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向、垂直進(jìn)給運(yùn)動。
5.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1．橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
采用半閉環(huán)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級減速齒輪傳動副，滾珠絲桿拖動工作臺。傳感器與電機(jī)軸相聯(lián)，用來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，并把它們轉(zhuǎn)換為電信號反饋給數(shù)控裝置，傳感器采用脈沖編碼器。
2．橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
工作臺重量：W=889.2Kgf=8892N(根據(jù)圖紙粗略計(jì)算)
時間常數(shù)：T=25 ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程：Lo=6mm
行程：S=375mm
步距角： /step
快速進(jìn)給速度：500mm/min
（1）切削力計(jì)算 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》可知，切削功率
式中： N---電機(jī)功率，查機(jī)床說明書，N=7.5 KW；
---主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.7～0.85取=0.7；
K---進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96。
則有：
Nc=7.5×0.7×0.96=5.04 kw
切向銑削力：
F=×10 N
式中： V---主軸傳遞全部功率時的最底切削速度（m/s）
則有：
V=D×95/60000=1.7m/s=102m/min
F==2964（N）
進(jìn)給工作臺工作載荷計(jì)算
從《數(shù)控銑床》中表2-1可得知，在一般立式銑削時，
工作臺縱向進(jìn)給方向載荷：
F=1.0Fz=5294 N
工作臺橫向進(jìn)給方向載荷：
F=0.4Fz=0.4×2964=1185 N
工作臺橫向進(jìn)給方向載荷：
F=0.2Fz=0.2×2964=592 N
（2)滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算：
由《數(shù)控技術(shù)》可知，采用燕尾導(dǎo)軌，導(dǎo)軌銑床絲杠的軸向力：
采用矩型導(dǎo)軌
式中K=1.1 =0.15
則有：
1）強(qiáng)度計(jì)算：
壽命值：
n---為絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）
v---為最大切削力下的進(jìn)給速度（m/min）,取最高進(jìn)給速度的1/3
T---額定壽命，查表得 T=15000h
---滾珠絲桿導(dǎo)程，取=6mm
則有：
v=
r/min
L
最大動負(fù)載C
查表得：運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù) 則
C
根據(jù)最大動負(fù)荷C的值，可選則滾珠絲杠的型號。查表2-5得，選取滾珠絲杠直徑為50mm，型號為ND5006，其額定載荷為29350N，所以強(qiáng)度足夠。
效率計(jì)算：根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為：
式中：---為絲桿螺旋升角，查得：
---為摩擦角，滾珠絲桿副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003～0.004,其摩擦角約等于
則有：
3）剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠受工作負(fù)載F引起的導(dǎo)程的變化量
絲桿的拉壓變形量
式中：mm=0.6cm;
E---為材料彈性模量，對鋼
A---為滾珠絲杠截面積
=6.15
則有：
cm
滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
有預(yù)緊：
式中：---為滾珠直徑，查表得=3.969mm
Z圈數(shù)列數(shù)
2513=75
---為預(yù)緊力
則有:
2.3mm
則絲桿的總變形量
9um
查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15um/m 故剛度足夠。
4)穩(wěn)定性驗(yàn)算
失穩(wěn)時的臨界載荷
式中:E---為絲桿材料彈性模量,對鋼
I---為截面慣性矩,對絲桿圓截面
---為絲桿底徑,=48mm
則有：
260444
L---為絲桿最大工作長度,取L=375mm
---為絲桿支承方式系數(shù),參考圖2-13和表2-7,取=2.0
則有:
穩(wěn)定安全系數(shù)：
1548
所選絲桿穩(wěn)定安全系數(shù)，查表得：
則有 ，故穩(wěn)定性不存在問題。
（3）齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算
1）有關(guān)齒輪計(jì)算
傳動比
故取 Z1=40 Z2=50m=2 mm
B=20 mm
則有
2)轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算：
工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很少，可以忽略
因此，總的轉(zhuǎn)動慣量
=14.6874
所需轉(zhuǎn)動力矩計(jì)算
快速空載啟動時所需力矩
式中 ---空載啟動時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
---折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
---由于絲杠預(yù)金所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
式中：---為傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量（
---為電機(jī)最大角加速度（）
---為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（）
t---為運(yùn)動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)進(jìn)給速度所需時間（s）,取t=0.025s
則有：
空載摩擦力矩：
式中： G---運(yùn)動部件總重力（N）
---為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.2
i---齒輪傳動降速比，i=1.25
---傳動系統(tǒng)總效率，取=0.8
---基本導(dǎo)程，取=0.6cm
則有：
附加摩擦力矩：
式中：
---為滾珠絲桿預(yù)加載荷，取的1/3
---為滾珠絲桿預(yù)緊是的傳動效率，取=0.9
則有：
=
=192.2+127.43+29.3=348.93N.
(4) 步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩
為滿足最小步距要求，電機(jī)選用五相十拍工作方式，查表知
所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩：
步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率：
綜合考慮，查表選用 130BF001 型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。
結(jié) 論
短短的幾個月的畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們對大學(xué)的機(jī)械知識的整體總結(jié)，也是理論與實(shí)踐的結(jié)合，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們收益非淺，這次設(shè)計(jì)，主要是對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了許多新的知識。我深刻的認(rèn)識到，要想成為一名合格技術(shù)人員只掌握本專業(yè)的知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們應(yīng)該具有更加淵博的知識。
首先從主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及主軸零件的選用，再定軸承的選型及其組配形式，然后對主軸電氣控制的設(shè)計(jì)。
在以上設(shè)計(jì)中，對零件的材料，對軸承，對裝配方法等等知識點(diǎn)溫習(xí)和學(xué)習(xí)。使以前學(xué)習(xí)的理論知識能夠應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中去，更加深了我們對所學(xué)知識的理解。對實(shí)際加工中的一些問題有了進(jìn)一步的了解，并在設(shè)計(jì)中考慮和避免這些問題的發(fā)生。
沒有具體的了解，經(jīng)常會有無從下手的感覺，碰到問題只有去問老師和看相關(guān)書籍，確實(shí)雖然完成了大概模型，有許多地方還是不是完全吃透的，這需要在以后的工作學(xué)習(xí)中進(jìn)一步加深學(xué)習(xí)，期間我得到了許多教師的大力幫助。本次設(shè)計(jì)算基本符合設(shè)計(jì)要求。在此，我表示由衷地感謝！
致謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)很快已經(jīng)結(jié)束了，在這段時間里，不僅僅感覺到的是忙碌，還有忙碌后作完一件令自己心動的東西時的那種無聲的喜悅。
在寫致謝信的這個時候心里想有一些說出的東西，想想自己在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時的種種困難，在老師同學(xué)的用心幫助下也一一解決了，說句實(shí)話，憑自己的能力要作完畢業(yè)設(shè)計(jì)是有些太困難了，但是在你的身邊總有一些人會給你帶來驚喜，自己的能力畢竟有限，在面對別人無私幫助的時候我的內(nèi)心十分感激，帶自己畢業(yè)設(shè)計(jì)的王老師會有問必答，有難必解，雖然接觸不是很多，但有些東西使用心感覺的。還有好多老師在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給于我一些幫助，我非常的感激。當(dāng)然還有我身邊的那些同學(xué)，在我有疑惑的時候總是不厭其煩的給我解釋清楚。在我設(shè)計(jì)的時候，因?yàn)槲乙郧皬臎]接觸過的東西，一開始很是迷茫，我的好幾位同學(xué)都在這時候一邊忙自己的事，一邊還要在我有疑惑的時候?yàn)槲規(guī)兔Ψ治觯餐鉀Q。最終自己終于完成了主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一部分的畢設(shè)要求?，F(xiàn)在想起來，有時候最能讓自己感動的事就發(fā)生在自己的身邊。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅給我?guī)砹酥R上的收獲，在做人方面也教會了我許多許多，在對待事情方面，尤其是有選擇的時候自己該放棄什么，該抓住什么。什么是該自己作的，什么時候做，我明白了好多。
在此，我對給我?guī)椭睦蠋?，同學(xué)至以誠摯的謝意和由衷的感激。感謝您們對我的幫助，和教會我那些人生的道理。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利