Φ550mm的數(shù)控車床總體設(shè)計及液壓尾座設(shè)計【含CAD圖紙+PDF圖】

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畢業(yè)設(shè)計(論文) Φ550mm 的數(shù)控車床總體設(shè)計 及液壓尾座設(shè)計 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 現(xiàn)代數(shù)控機床是未來工廠自動化的基礎(chǔ)。數(shù)控化設(shè)計范圍大、潛力大、投資少、見效快，促進制造業(yè)技術(shù)進步的重要手段。因此，數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計車床的研究具有重要意義。 本文在敘述了數(shù)控技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過機床設(shè)計的總體思想，提出了數(shù)控化設(shè)計的技術(shù)方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案;提高了傳動的精度，重新設(shè)計機床的控制邏輯，通過對伺服系統(tǒng)的分析，完成了機床各主要參數(shù)的優(yōu)化和匹配。 關(guān)鍵詞：Φ550mm，數(shù)控車床，機床，設(shè)計，數(shù)控系統(tǒng)。 Abstract Modern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of. This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching. Key words: Φ 550mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system. 目 錄 摘 要 II Abstract III 第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 1 1.1數(shù)控機床 1 1.1.1數(shù)控機床的特點 1 1.1.2數(shù)控機床的發(fā)展簡史 1 1.1.3數(shù)控機床的分類 2 1.1.4數(shù)控機床的組成 6 1.1.5數(shù)控機床的數(shù)字控制 6 1.1.6數(shù)控機床的伺服機構(gòu) 7 1.1.7數(shù)控機床的關(guān)鍵零部件 7 1.1.8數(shù)控機床的發(fā)展方向 8 1.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 9 1.2.1工藝范圍 9 1.2.2加工精度 9 1.3數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 10 1.4數(shù)控機床的發(fā)展趨向 12 第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 14 2.1 總體方案比較 14 2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定 15 2.1.2控制方式的選擇 15 2.2 總體方案確定 15 2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 15 2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 15 2.2.3 機械傳動方式 16 第3章 確定切削用量及選擇刀具 16 3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 16 3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 16 3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 17 3.2 設(shè)置刀點和換刀點 17 3.3 確定切削用量 18 3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 18 3.3.2確定進給速度 18 3.3.3 確定背吃刀量 19 第4章 Φ550mm傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計 19 4.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 19 4.2總體設(shè)計 19 4.2.1 擬定傳動方案 19 4.2.2 選擇電機 21 4.2.3 主運動調(diào)速范圍的確定、計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩 23 4.2.4 轉(zhuǎn)速圖 25 4.3傳動皮帶的設(shè)計和選定 1 4.3.1 同步帶傳動設(shè)計 1 4.4軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 4.4.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 4.4.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 4.4.3電磁摩擦離合器的計算和選擇 13 第5章 尾座部分的設(shè)計 14 5.1尾座套筒的設(shè)計 15 5.2尾座體的設(shè)計 15 5.3尾座頂尖的設(shè)計 16 5.4液壓缸的設(shè)計 16 5.5尾座導(dǎo)軌的設(shè)計 16 5.6尾座孔系設(shè)計 17 5.6.1配合 17 5.6.2套筒孔的設(shè)計 18 5.6.3孔和鍵的設(shè)計 18 5.7撓度、轉(zhuǎn)角、液壓缸內(nèi)徑、鎖緊力的計算及校核 19 5.7.1撓度的計算 20 5.7.2轉(zhuǎn)角的計算 20 5.7.3壓板處螺栓直徑的校核 20 5.7.4液壓缸內(nèi)徑的校核 21 5.7.5尾座鎖緊力的驗算 22 第6章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 22 6.1 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要 22 6.1.1 硬件電路設(shè)計 22 6.1.2 軟件電路設(shè)計 23 6.2 8031單片機及其擴展 24 6.2.1 8031單片機的簡介 24 6.2.2 8031單片機的系統(tǒng)擴展 25 6.2.3 存儲器擴展 27 6.2.4 I/O口的擴展 28 6.2.5 步進電機驅(qū)動電路 29 6.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 30 6.2.7 光電隔離電路 30 6.2.8 功率放大器 30 6.2.9 其他輔助電路 31 結(jié) 論 33 參考文獻: 34 致 謝 35 - 36 - 第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 1.1數(shù)控機床 數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息（程序指令），控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。 數(shù)控機床最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務(wù)時，提出了研制數(shù)控機床的初始設(shè)想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到20世紀50年代末，由于價格和技術(shù)原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術(shù)不僅在機床上得到實際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴展應(yīng)用范圍。 1.1.1數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。 1.1.2數(shù)控機床的發(fā)展簡史 1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出計算機控制機床的設(shè)想。1949年，該公司在美國麻省理工學(xué)院（MIT）伺服機構(gòu)研究室的協(xié)助下，開始數(shù)控機床研究，并于1952年試制成功第一臺由大型仿形車床改裝而成的三坐標數(shù)控車床，不久即開始正式生產(chǎn)，于1957年正式投入使用。這是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個重大突破，標志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時代的開始。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對于制造行業(yè)而言，具有劃時代的意義和深遠的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達國家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。 自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。 第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置。 第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。 第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。 第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。 第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)。 目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應(yīng)不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。 近年來，微電子和計算機技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。 1.1.3數(shù)控機床的分類 數(shù)控機床的品種很多，根據(jù)其加工、控制原理、功能和組成，可以從以下幾個不同的角度進行分類。 一、按加工工藝方法分類 1．金屬切削類數(shù)控機床 與傳統(tǒng)的車、銑、鉆、磨、齒輪加工相對應(yīng)的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機床等。盡管這些數(shù)控機床在加工工藝方法上存在很大差別，具體的控制方式也各不相同，但機床的動作和運動都是數(shù)字化控制的，具有較高的生產(chǎn)率和自動化程度。 在數(shù)控數(shù)控機床加裝一個刀庫和換刀裝置就成為數(shù)控加工中心機床。加工中心機床進一步提高了數(shù)控數(shù)控機床的自動化程度和生產(chǎn)效率。例如銑、鏜、鉆加工中心， 它是在數(shù)控車床基礎(chǔ)上增加了一個容量較大的刀庫和自動換刀裝置形成的，工件一次裝夾后，可以對箱體零件的四面甚至五面大部分加工工序進行銑、鏜、鉆、擴、 鉸以及攻螺紋等多工序加工，特別適合箱體類零件的加工。加工中心機床可以有效地避免由于工件多次安裝造成的定位誤差，減少了機床的臺數(shù)和占地面積，縮短了 輔助時間，大大提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。 2．特種加工類數(shù)控機床 除了切削加工數(shù)控機床以外，數(shù)控技術(shù)也大量用于數(shù)控電火花線切割機床、數(shù)控電火花成型機床、數(shù)控等離子弧切割機床、數(shù)控火焰切割機床以及數(shù)控激光加工機床等。 3．板材加工類數(shù)控機床 常見的應(yīng)用于金屬板材加工的數(shù)控機床有數(shù)控壓力機、數(shù)控剪板機和數(shù)控折彎機等。 近年來，其它機械設(shè)備中也大量采用了數(shù)控技術(shù)，如數(shù)控多坐標測量機、自動繪圖機及工業(yè)機器人等。 二、按控制運動軌跡分類 1．點位控制數(shù)控機床 點位控制數(shù)控機床的特點是機床移動部件只能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確定位，在移動和定位過程中不進行任何加工。機床數(shù)控系統(tǒng)只控制行程終點的坐標 值，不控制點與點之間的運動軌跡，因此幾個坐標軸之間的運動無任何聯(lián)系。可以幾個坐標同時向目標點運動，也可以各個坐標單獨依次運動。 這類數(shù)控機床主要有數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點焊機等。點位控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置稱為點位數(shù)控裝置。 2．直線控制數(shù)控機床 直線控制數(shù)控機床可控制刀具或工作臺以適當(dāng)?shù)倪M給速度，沿著平行于坐標軸的方向進行直線移動和切削加工，進給速度根據(jù)切削條件可在一定范圍內(nèi)變化。 直線控制的簡易數(shù)控車床，只有兩個坐標軸，可加工階梯軸。直線控制的數(shù)控車床，有三個坐標軸，可用于平面的銑削加工?，F(xiàn)代組合機床采用數(shù)控進給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動動力頭帶有多軸箱的軸向進給進行鉆鏜加工，它也可算是一種直線控制數(shù)控機床。 數(shù)控鏜車床、加工中心等機床，它的各個坐標方向的進給運動的速度能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整，兼有點位和直線控制加工的功能，這類機床應(yīng)該稱為點位/直線控制的數(shù)控機床。 3．輪廓控制數(shù)控機床 輪廓控制數(shù)控機床能夠?qū)蓚€或兩個以上運動的位移及速度進行連續(xù)相關(guān)的控制，使合成的平面或空間的運動軌跡能滿足零件輪廓的要求。它不僅能控制機床移動部件的起點與終點坐標，而且能控制整個加工輪廓每一點的速度和位移，將工件加工成要求的輪廓形狀。 常用的數(shù)控車床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機床。數(shù)控火焰切割機、電火花加工機床以及數(shù)控繪圖機等也采用了輪廓控制系統(tǒng)。輪廓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比點位/直線控系統(tǒng)更為復(fù)雜，在加工過程中需要不斷進行插補運算，然后進行相應(yīng)的速度與位移控制。 現(xiàn)在計算機數(shù)控裝置的控制功能均由軟件實現(xiàn)，增加輪廓控制功能不會帶來成本的增加。因此，除少數(shù)專用控制系統(tǒng)外，現(xiàn)代計算機數(shù)控裝置都具有輪廓控制功能。 三、按驅(qū)動裝置的特點分類 1．開環(huán)控制數(shù)控機床 這類控制的數(shù)控機床是其控制系統(tǒng)沒有位置檢測元件，伺服驅(qū)動部件通常為反應(yīng)式步進電動機或混合式伺服步進電動機。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個進給指令，經(jīng)驅(qū)動電路 功率放大后，驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個角度，再經(jīng)過齒輪減速裝置帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移。移動部件的移動速度與位移量是由輸 入脈沖的頻率與脈沖數(shù)所決定的。此類數(shù)控機床的信息流是單向的，即進給脈沖發(fā)出去后，實際移動值不再反饋回來，所以稱為開環(huán)控制數(shù)控機床。 開環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。但是，系統(tǒng)對移動部件的實際位移量不進行監(jiān)測，也不能進行誤差校正。因此，步進電動機的失步、步距角誤差、齒 輪與絲杠等傳動誤差都將影響被加工零件的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)僅適用于加工精度要求不很高的中小型數(shù)控機床，特別是簡易經(jīng)濟型數(shù)控機床。 2．閉環(huán)控制數(shù)控機床 閉環(huán)控制數(shù)控機床是在機床移動部件上直接安裝直線位移檢測裝置，直接對工作臺的實際位移進行檢測，將測量的實際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移 值進行比較，用差值對機床進行控制，使移動部件按照實際需要的位移量運動，最終實現(xiàn)移動部件的精確運動和定位。從理論上講，閉環(huán)系統(tǒng)的運動精度主要取決于 檢測裝置的檢測精度，也與傳動鏈的誤差無關(guān)，因此其控制精度高。圖1-3所示的為閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖。圖中A為速度傳感器、C為直線位移傳感器。當(dāng)位移指令值發(fā)送到位置比較電路時，若工作臺沒有移動，則沒有反饋量，指令值使得伺服電動機轉(zhuǎn)動，通過A將速度反饋信號送到速度控制電路，通過C將工作臺實際位移量反饋回去，在位置比較電路中與位移指令值相比較，用比較后得到的差值進行位置控制，直至差值為零時為止。這類控制的數(shù)控機床，因把機床工作臺納入了控制環(huán)節(jié)，故稱為閉環(huán)控制數(shù)控機床。 閉環(huán)控制數(shù)控機床的定位精度高，但調(diào)試和維修都較困難，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。 3．半閉環(huán)控制數(shù)控機床 半閉環(huán)控制數(shù)控機床是在伺服電動機的軸或數(shù)控機床的傳動絲杠上裝有角位移電流檢測裝置（如光電編碼器等），通過檢測絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測移動部件的實際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，并對誤差進行修正。圖1-4所示的為半閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖。圖中Ａ速度傳感器、Ｂ角度傳感器。通過測速元件A和光電編碼盤B可間接檢測出伺服電動機的轉(zhuǎn)速，從而推算出工作臺的實際位移量，將此值與指令值進行比較，用差值來實現(xiàn)控制。由于工作臺沒有包括在控制回路中，因而稱為半閉環(huán)控制數(shù)控機床。 半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度檢測裝置和伺服電動機設(shè)計成一體，這樣，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。 4．混合控制數(shù)控機床 將以上三類數(shù)控機床的特點結(jié)合起來，就形成了混合控制數(shù)控機床?；旌峡刂茢?shù)控機床特別適用于大型或重型數(shù)控機床，因為大型或重型數(shù)控機床需要較高的進給速 度與相當(dāng)高的精度，其傳動鏈慣量與力矩大，如果只采用全閉環(huán)控制，機床傳動鏈和工作臺全部置于控制閉環(huán)中，閉環(huán)調(diào)試比較復(fù)雜?；旌峡刂葡到y(tǒng)又分為兩種形 式： （1）開環(huán)補償型。圖1-5為開環(huán)補償型控制方式。它的基本控制選用步進電動機的開環(huán)伺服機構(gòu)，另外附加一個校正電路。用裝在工作臺的直線位移測量元件的反饋信號校正機械系統(tǒng)的誤差。 （2）半閉環(huán)補償型。圖1-6為半閉環(huán)補償型控制方式。它是用半閉環(huán)控制方式取得高精度控制，再用裝在工作臺上的直線位移測量元件實現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統(tǒng)一。其中Ａ是速度測量元件（如測速發(fā)電機），B是角度測量元件，C是直線位移測量元件。 1.1.4數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)用于數(shù)控機床的運算、管理和控制，通過輸入介質(zhì)得到數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行解釋和運算并對機床產(chǎn)生作用；伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動機床，把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換成機床移動部件的運動指令，使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代碼規(guī)定的運動；檢測系統(tǒng)則是用來檢測機床執(zhí)行件(工作臺、轉(zhuǎn)臺、滑板等)的位移和速度變化量，并將檢測結(jié)果反饋到輸入端，與輸入指令進行比較，根據(jù)其差別調(diào)整機床運動；機床傳動系統(tǒng)是由進給伺服驅(qū)動元件至機床執(zhí)行件之間的機械進給傳動裝置；輔助系統(tǒng)種類繁多，如：固定循環(huán)(能進行各種多次重復(fù)加工)、自動換刀(可交換指定刀具)、傳動間隙補償償機械傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙誤差)等等。 1.1.5數(shù)控機床的數(shù)字控制 數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運算部分、控制部分和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實現(xiàn)的控制功能分為點位控制、直線控制、連續(xù)軌跡控制三類。 點位控制是只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標鏜床等。 直線控制是除控制直線軌跡的起點和終點的準確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有平面銑削用的數(shù)控車床，以及階梯軸車削和磨削用的數(shù)控車床和數(shù)控磨床等。 連續(xù)軌跡控制（或稱輪廓控制）能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標方向的聯(lián)合運動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐標方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數(shù)控車床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。 1.1.6數(shù)控機床的伺服機構(gòu) 伺服機構(gòu)分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種類型。開環(huán)伺服機構(gòu)是由步進電機驅(qū)動線路，和步進電機組成。每一脈沖信號使步進電機轉(zhuǎn)動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。這種伺服機構(gòu)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。 半閉環(huán)伺服機構(gòu)是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達、速度檢測器和位置檢測器組成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達的端部，利用絲杠的回轉(zhuǎn)角度間接測出工作臺的位置。常用的伺服馬達有寬調(diào)速直流電動機、寬調(diào)速交流電動機和電液伺服馬達。位置檢測器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機構(gòu)所能達到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機構(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機床所采用。 閉環(huán)伺服機構(gòu)的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機構(gòu)相同，只是位置檢測器安裝在工作臺上，可直接測出工作臺的實際位置，故反饋精度高于半閉環(huán)控制，但掌握調(diào)試的難度較大，常用于高精度和大型數(shù)控機床。閉環(huán)伺服機構(gòu)所用伺服馬達與半閉環(huán)相同，位置檢測器則用長光柵、長感應(yīng)同步器或長磁柵。 1.1.7數(shù)控機床的關(guān)鍵零部件 為了保證機床具有很大的工藝適應(yīng)性能和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進給系統(tǒng)的機械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。機床采用塑料減摩導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，以提高運動的平穩(wěn)性并使低速運動時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 由于采用了寬調(diào)速的進給伺服電動機和寬調(diào)速的主軸電動機，可以不用或少用齒輪傳動和齒輪變速，這就簡化了機床的傳動機構(gòu)。機床布局便于排屑和工件裝卸，部分數(shù)控機床帶有自動排屑器和自動工件交換裝置。大部分數(shù)控機床采用具有微處理器的可編程序控制器，以代替強電柜中大量的繼電器，提高了機床強電控制的可靠性和靈活性。 隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。 1.1.8數(shù)控機床的發(fā)展方向 未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。 數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河，成為先進制造技術(shù)中的一項核心技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進為數(shù)控機床的技術(shù)進步提供了條件。當(dāng)前，數(shù)控機床的發(fā)展主要體現(xiàn)為以下幾方面： ??(1) 高速高精高效化 ?? 速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。 ??(2) 柔性化 ? ?包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。 ? (3) 工藝復(fù)合性和多軸化 ??以減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達24軸。 ??(4) 實時智能化 ??早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為。科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實時響應(yīng)的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。 1.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 1.2.1工藝范圍 數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。 1.2.2加工精度 由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比數(shù)控車床要寬得多。 1.精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 由于數(shù)控車床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以車代磨。 2.表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 數(shù)控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。 3.輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件 由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零件。 4.帶特殊螺紋的回轉(zhuǎn)體零件 數(shù)控車床所能車削的螺紋類型相當(dāng)有限，它只能車等導(dǎo)程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導(dǎo)程的螺紋。而數(shù)控車床不但能車削任何等導(dǎo)程的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。 1.3數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 將數(shù)控機床設(shè)計成數(shù)控機床, 是許多機械生產(chǎn)廠家在沒有大量資金投入的情況下所走的設(shè)備技術(shù)設(shè)計之路1經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計方案不同1得到的經(jīng)濟效益也不同1針對常德紡織機械廠提出的經(jīng)濟型數(shù)控車床設(shè)計的技措任務(wù), 結(jié)合其它廠家以往數(shù)控車床設(shè)計的經(jīng)驗教訓(xùn), 我們開展了深入細致的調(diào)研工作, 特別是對沈陽第一機床廠的數(shù)控車床進行了熟悉了解, 下面分析經(jīng)濟型數(shù)控車床設(shè)計的價值效益 經(jīng)濟型數(shù)控車床設(shè)計方案初探 數(shù)控系統(tǒng)及電氣控制部份: 目前我國生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的廠家有70余家, 知名的有常州寶馬集團公司BKC2系列, 北京航天數(shù)控集團, 南京大方數(shù)控公司J WK系列及重慶巴山儀器廠2385系列等1這些廠家在研制數(shù)控系統(tǒng)時都從系統(tǒng)功能、可靠性、操作宜人性等方面作了大量工作,克服了單板機TP - 801(Z80)系統(tǒng)的缺點,從而促進了我國經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展,為經(jīng)濟型數(shù)控機床的生產(chǎn)和設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)1沈陽一機廠在研制CAK - 6150時選用了多家系統(tǒng), 經(jīng)過了長時間的反復(fù)考驗、篩選, 最后選用了重慶巴山儀器廠2385 - IT系統(tǒng)1該系統(tǒng)性能較好, 可靠性高, 具有細分斬波先進技術(shù), 有良好的性價比1步進電機選擇了華中理工大學(xué)試驗工廠產(chǎn)品, 切削扭矩大, 這方面是值得我們借鑒的1機床電氣控制還需考慮: 主軸馬達啟停、變速控制、轉(zhuǎn)塔刀架、冷卻泵等控制1保證機床可靠性, 此處不可忽視, 須有一定的投入1212　主軸系統(tǒng): 一般經(jīng)濟型數(shù)控車床設(shè)計主軸系統(tǒng)是較困難的或根本不加設(shè)計, 這勢必影響機床主軸速度控制的自動化程度, 并且復(fù)雜工藝零件加工的適應(yīng)性差, 這是不可取的1常紡機廠車床設(shè)計可以考慮以下兩種方案: (1) 按沈陽一機廠方案, 即保留一級手柄三檔變速操作, 另加每檔位四檔自動變速, 用系統(tǒng)S指令控制, 即S1～S4, 加上手動共3×4 = 12級主軸速度, 如此設(shè)計需增加雙速電機一臺615/ 8 KW , 電磁離合器兩只, 機械結(jié)構(gòu)也需作部分設(shè)計1 (2) 選用變頻器控制主軸速度, 原機床主軸電機保留, 主軸手動變速取消1可以考慮高低檔齒輪變速, 通過電磁閥啟動切換, 全部變速系統(tǒng)S指令控制, 但數(shù)控系統(tǒng)需選用南京大方公司J WK - 21T數(shù)控系統(tǒng), 具有12級S指令, 此方案主軸變速自動化程度更高, 但費用也相應(yīng)高些, 若典型加工零件四檔自動變速可以滿足工藝要求, 則考慮方案(1) 性價比更高些1213　進給系統(tǒng): 對于數(shù)控機床, 進給系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的1它直接影響機床的定位精度以及零件的加工精度,除了數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)的有效保證外, 機械執(zhí)行機構(gòu)的合理選擇和設(shè)計不容忽視1首先是螺旋傳動, 數(shù)控車床采用數(shù)控絲桿, 主要缺點是精度差, 間隙小, 且傳動機械效率低, 一般僅為g = 50 %左右, 即使用于精度要求不高的機床也容易造成步進電機丟步或機械爬行1因此, 必須采用滾珠絲桿, 其特點是: 傳動效率高g = 90 %以上, 反向間隙小, 運動平穩(wěn), 傳動精度高且保持性好, 壽命長, 但設(shè)計成本也要增加, 一味追求數(shù)控化而忽視數(shù)控系統(tǒng)對機械的要求, 是很不合理的1其次機床導(dǎo)軌也不可忽視, 對原機床導(dǎo)軌要進行檢查, 對磨損部位通過磨削, 配研予以修復(fù)1為了減少摩擦力、振動以及爬行, 增加機床精度保持性, 可考慮床鞍貼塑即TSF軟帶1最后還須考慮絲桿預(yù)拉伸、軸承座、聯(lián)軸節(jié)等機械結(jié)合件的設(shè)計制造以盡可能減少它們對機械精度的影響1214　自動轉(zhuǎn)塔刀架: 一般來說自行設(shè)計制造轉(zhuǎn)塔刀架是可以做到的, 但其結(jié)構(gòu)的合理性, 加工工藝、安裝精度是難以與專業(yè)廠家相比的1為了提高機床可靠性, 外購專業(yè)廠家產(chǎn)品很有必要, 如煙臺機床附件廠、瓦房店機床附件廠的產(chǎn)品13　設(shè)計車床與成品數(shù)控車床的比較311　機床性能: 在選用相同數(shù)控系統(tǒng)和參照CAK - 6150進行設(shè)計, 可以說機床性能將不會有很大差異1312　機床結(jié)構(gòu)及外觀: 由于CAK - 6150是按數(shù)控機床要求設(shè)計, 因此結(jié)構(gòu)合理性超過設(shè)計車床, 其外觀美也是設(shè)計機床無法達到的1313　機床精度: 由于一般廠家加工設(shè)備及工藝手段無法與專業(yè)廠家相比, 加之員工素質(zhì)的影響, 在剛性、動靜摩擦力等諸多方面, 設(shè)計的環(huán)節(jié)將可能影響機床精度, 想要達到加工IT6 級的零件, 還有一定距離1314　機床可靠性: 沈陽一機廠經(jīng)三年時間研制開發(fā), 且又經(jīng)過兩年多時間廠內(nèi)使用, 投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物? 不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題, 使CAK - 6150達到了一定的可靠性1他們也有過慘痛教訓(xùn), 就是用BS03系統(tǒng)改進100臺數(shù)控車床, 由于可靠性差, 除少數(shù)幾臺還在使用外, 其余全部報廢或改為數(shù)控車床, 非常類似我廠的情況1雖然我們現(xiàn)在已經(jīng)認識到可靠性的重要, 也有一定的措施和把握, 但與沈陽一機廠相比, 無論是技術(shù)素質(zhì)上以及投入的人力、物力上均有天壤之別, 因此可靠性無法與之相比1315　經(jīng)濟性: 按CAK - 6150的檔次進行設(shè)計, 需外購的裝置及部件有: (1) 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)及伺服裝置, 估價115萬元～2萬元 (2) 主軸雙速電機615/ 8 KW一臺, 估價0115萬元～012萬元 (3) 滾珠絲桿兩根, 估價0135萬元 (4) 電磁離合器兩只, 估價0105萬元 (5) 轉(zhuǎn)塔刀架四工位AKZ1150×4型, 估價013萬元～015萬元 (6) 電氣控制柜設(shè)計安裝, 估價013萬元 4結(jié)論 經(jīng)濟型數(shù)據(jù)控車床設(shè)計應(yīng)根據(jù)各廠的具體情況, 典型零件的加工工藝及精度要求, 批量大小, 決定進行設(shè)計的程度1設(shè)計的程度越高, 機床性能越好, 加工零件的適應(yīng)性越強, 所花費的設(shè)計費用也就越大, 若要求設(shè)計車床的性能接近和達到CAK - 6150層次, 則設(shè)計從經(jīng)濟角度來看意義并不太大, 從機床可靠性方面來看更是得不償失。 1.4數(shù)控機床的發(fā)展趨向 數(shù)控機床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。 高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強，數(shù)控機床也實現(xiàn)多臺集中控制，甚至遠距離遙控。高精度：數(shù)控機床本身的精度和加工件的精度越來越高，而精度的保持性要好。高速度：數(shù)控機床各軸運行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控機床的柔性化將向自動化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應(yīng)輔機集成柔性制造系統(tǒng)。模塊化：數(shù)控機床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商又有利于客戶。 我國近幾年數(shù)控機床雖然發(fā)展較快，但與國際先進水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長，應(yīng)變能力差。為了縮小與世界先進水平的差距，有關(guān)專家建議機床企業(yè)應(yīng)在以下6個方面著力研究： 1．加大力度實施質(zhì)量工程，提高數(shù)控機床的無故障率。 2．跟蹤國際水平，使數(shù)控機床向高效高精方面發(fā)展。 3．加大成套設(shè)計開發(fā)能力上求突破。 4．發(fā)揮服務(wù)優(yōu)勢，擴大市場占有率。 5．多品種制造，滿足不同層次的用戶。 6．模塊化設(shè)計，縮短 開發(fā)周期，快速響應(yīng)市場。 數(shù)控機床使用范圍越來越大，國內(nèi)國際市場容量也越來越大，但競爭也會加劇，我們只有緊跟先進技術(shù)進步的大方向，并不斷創(chuàng)新，才能趕超世界先進水平。 第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案比較 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。 數(shù)控車床后應(yīng)具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。 屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。 比較項目 方案一 方案二 確定后的方案 具體原因 主軸箱 分級變速采用 調(diào)速電機+ 齒輪傳動 采用三相異步 電機+減速器 方案一 變速級數(shù)比較多 滿足多種加工 需要，也符合 任務(wù)書要求 進給機構(gòu) 滾珠絲杠 +步進電機 滾珠絲杠 +伺服電機 方案一 脈沖當(dāng)量 步進電機控制 的準確 刀架 四工位回轉(zhuǎn) 刀架 六工位回轉(zhuǎn) 刀架 都可以 各有各的好處 尾座 液壓尾座 手動普通尾座 液壓尾座 可通過數(shù)控系統(tǒng) 調(diào)整方便 數(shù)控系統(tǒng) 8位單片機 16位單片機 方案一 基本需求可以滿足 2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。 2.1.2控制方式的選擇 系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡單。 2.2 總體方案確定 2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應(yīng)具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。 2.2.3 機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)總體方案框圖如下： 圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖 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確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標確定. 選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據(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)雜的多刀機床、組合機床與自動化 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)控機床高效率的要求。數(shù)控機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 在數(shù)控加工中，車削平面零件內(nèi)外輪廓 及車削平面常用平底立車刀，該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下:一是車刀半徑RD應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑Rmin，一般取RD=(0.8一 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。三是用平底立車刀車削內(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，常用球形車刀、環(huán)形車刀、鼓形車刀、錐形車刀和盤車刀。 目前，數(shù)控機床上大多使用系列化、標準化刀具，對可轉(zhuǎn) 位機夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標準及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機床，刀具的刀柄都已有系列化和標準化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標準代號為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標準代號為DSG-JZ,此外，對所選擇的刀具，在使用前都需對刀具尺寸進行嚴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)置刀點和換刀點 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系下開始運動的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時刀具相對于工 件運動的起點，所以稱程序起始點或起刀點。此起始點一般通過對刀來確定，所以，該點又稱對刀點。在編制程序時，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設(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。對刀點可以設(shè)置在加工零件上，也可以設(shè)置在夾具上或機床上，為了提 高零件的加工精度，對刀點應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計基準或工藝基誰上。實際操作機床時，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點放到對刀點上，即“刀位點”與“對 刀點”的重合。所謂“刀位點”是指刀具的定位基準點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立車刀是刀具軸線與刀具底面的交點;球頭車刀是球頭的球心， 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。所謂“換刀點”是指刀架轉(zhuǎn)動換刀時的位置，換刀點應(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。 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。其計算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/m動，由刀具的耐用度決定;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。計算的主軸轉(zhuǎn)速n，最后要選取機床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。 3.3.2確定進給速度 進給速度是數(shù)控機床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進給速度受機床剛度和進給系統(tǒng)的 性能限制。確定進給速度的原則: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，可選擇較高的進給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進給速度，一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選取;當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應(yīng)選 小些，一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取;刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以設(shè)定該機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進給速度。 3.3.3 確定背吃刀量 背吃刀量根據(jù)機床、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)機床性能、相關(guān)的手冊并結(jié)合實際經(jīng)驗用類比方法確定。同時，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進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 Φ550mm傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計 4.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 數(shù)控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應(yīng)滿足普通機床主傳動要求外，還提出以下要求： 1、具有更大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級調(diào)速; 2、具有較高的精度和剛度、傳動平穩(wěn)，噪聲低; 3、良好的抗振性和熱穩(wěn)定性. 4.2總體設(shè)計 4.2.1 擬定傳動方案 數(shù)控機床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調(diào)速有機械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機床一般采用由直流或交流調(diào)速電動機作為驅(qū)動源的電氣無級變速。由于數(shù)控機床的主運動的調(diào)速范圍較大（），單靠調(diào)速電機無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機的功率扭矩特性也難于直接與機床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機之后串聯(lián)機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。 為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級機械變速機構(gòu)，運動方案如圖2.1： 有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。 液壓變速機構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現(xiàn)三位移動。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實現(xiàn)自動化。但變速時必須主軸停車后才能進行，另外，它增加了數(shù)控機床的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素。 圖4.1 主軸傳動圖 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機床的主傳動時，能簡化變速機構(gòu)，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[6]。 4.2.2 選擇電機 1、選擇電機應(yīng)綜合考慮的問題 (1)根據(jù)機械的負載特性和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機類型。 (2)根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動機功率應(yīng)留有余量，負荷率一般取0.8～0.9。 (3)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的結(jié)構(gòu)型式。 (4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。 (5)根據(jù)生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機械減速機構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動機額定轉(zhuǎn)速。 此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素[11]。 2、電動機類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷[9]。表1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進行對比、分析。 表4.1 理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能 項目 內(nèi)容 高性能 低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩 寬恒功率范圍,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩 高旋轉(zhuǎn)精度 高動態(tài)響應(yīng) 高加減速,起制動能力 具有強魯棒性,能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化 高效率,低噪聲 低價格 低購買價格,低維護價格,低服務(wù)價格 通用要求 耐用性,可維護性,安全可靠性 感應(yīng)電機交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機床上。 經(jīng)過對比分析本設(shè)計中決定采用VFNC系列變頻主軸電機。VFNC系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)機床的高速、高精控制，并使機床更緊湊。 3、電動機容量的選擇 選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機（如本課題中的電動機），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進行發(fā)熱計算[8]，本設(shè)計中電機容量按以下步驟確定： （1）確定電機輸出動率Pd（） 傳動裝置的總效率 (2.2) 其中， ―同步帶輪傳動效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.96； ―滾動軸承效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.99； ―圓柱齒輪傳動效率，由資料[12]，表2－4查得＝98； 由此，=0.88 故， （3）選擇電動機額定功率 如前所述，電動機功率應(yīng)留有余量，負荷率一般取0.8～0.9，所以電動機額定功率選取為5.5Kw。 （4）電動機電壓和轉(zhuǎn)速的選擇 由資料[10],表22－1－9，小功率電動機一般選為380V電壓。所以本電機的電壓可選為380V。 同一類型、功率相同的電動機具有多種轉(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動機，其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動機則情況相反。