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畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
設(shè)計(jì)題目：Φ320mm的數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)及橫向進(jìn)給設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
全面闡述了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了數(shù)控車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，具體闡述如下：
1、數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述：數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度，數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向。
2、數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
3、確定切削用量及選擇刀具
4、本文主要進(jìn)行的是Φ320mm的數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)及橫向進(jìn)給設(shè)計(jì)，其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對(duì)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，絲杠是橫向進(jìn)給的重點(diǎn)設(shè)計(jì)介紹，此外還進(jìn)行了伺服電機(jī)選擇、軸承等的選擇等設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，伺服電機(jī)，橫向進(jìn)給、滾珠絲杠
Abstract
Comprehensively elaborated numerical control lathe structure principle, design features, discusses the CNC lathes horizontal feed system design and calculation process, described specifically as follows:
1, the development of CNC Machine Tools Overview: CNC machine tool and its characteristics, the process of NC machine tool and machining accuracy of NC machine tools, CNC machine tools of economic analysis, development trend.
2, NC machine overall plan formulation and comparison
3, determine the cutting parameters and selection of cutting tool
4, this paper mainly carries on is Φ320mm CNC lathe design and transverse feeding design, which focuses on the ball screw principle and selection principle, system of ball screw production, application etc were introduced. Including the type selection, parameter selection, precision, circulation mode selection, matched with the host machine and the selection principle of manufacturers, the screw is transverse feed point, but the servo motor selection, the choice of bearing.
Key Words: lathe, numerical control, servo motor, ball screw, a transverse feed
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn) 1
1.2數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 2
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 3
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向 4
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 8
2.1 數(shù)控車床設(shè)計(jì)總體要求 8
2.2 數(shù)控車床設(shè)計(jì)確定 8
第3章 確定切削用量及選擇刀具 9
3.1刀具選擇 9
3.2切削用量確定 10
3.3切削三要素 10
3.4加工精度和表面粗糙度 10
3.5刀具材料 14
第4章 X軸(橫向)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 14
4.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14
4.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 14
4.3 伺服電機(jī)的選擇 21
4.3.1 伺服電機(jī)的選擇的基本原則 21
4.3.2 伺服電機(jī)的選擇 22
4.4 軸承的選擇 22
4.5 導(dǎo)軌的選擇 23
4.6 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 25
第5章 數(shù)控硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27
5.1硬件電路設(shè)計(jì) 27
5.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 27
5.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 28
5.2關(guān)于各線路元件之間線路連接 29
5.3 關(guān)于電路原理圖的一些說(shuō)明 30
致 謝 34
參考文獻(xiàn) 35
35
第1章 緒論
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來(lái)越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動(dòng)化的要求。在機(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機(jī)床上無(wú)法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機(jī)車車輛、機(jī)床、建筑、通用機(jī)械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。
綜上所述，數(shù)控機(jī)床在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)等方面，起著非常重要的作用。
數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動(dòng)加工機(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多機(jī)看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少所需工人數(shù)量等。
數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、支承部件、分度臺(tái)等部分組成。傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是把運(yùn)動(dòng)和力由動(dòng)力源傳遞給機(jī)床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動(dòng)態(tài)特性。傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動(dòng)系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而影響機(jī)床的工作性能。隨著機(jī)床切削速度的提高和自動(dòng)化方向的發(fā)展，傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來(lái)越簡(jiǎn)單，但對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來(lái)越高，從而使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，這樣，各種設(shè)計(jì)理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。
數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動(dòng)化機(jī)床，其加工過程中的動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動(dòng)控制的，操作者在加工過程中無(wú)法干預(yù)，不能像在普通機(jī)床上加工零件那樣，對(duì)機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人為補(bǔ)償，所以數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面均要求比普通機(jī)床設(shè)計(jì)得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動(dòng)化程度的要求，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已形成自己的獨(dú)立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)有許多特點(diǎn)。
1.2數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度
隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變,對(duì)機(jī)械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動(dòng)化程度,進(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”實(shí)現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對(duì)世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實(shí)制造和快速成形制造技術(shù)。
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對(duì)比之下，我國(guó)目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動(dòng)化程度基本上還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國(guó)同工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重。
數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向六個(gè)方面：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國(guó)和瑞士的機(jī)床精度最高，綜合起來(lái)，德國(guó)的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國(guó)的機(jī)床業(yè)一般。中國(guó)大陸、韓國(guó)。臺(tái)灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應(yīng)該能進(jìn)世界前4名。
數(shù)控系統(tǒng) 由顯示器、控制器伺服、伺服電機(jī)、和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。目前世界最大的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國(guó)西門子、日本三菱；其余還有法國(guó)扭姆、西班牙凡高等。國(guó)內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國(guó)內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進(jìn)口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當(dāng)不錯(cuò)，但差就差在電器硬件上，故障率比較高。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機(jī)床業(yè)進(jìn)軍，但機(jī)床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國(guó)內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機(jī)床廠的簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)也不錯(cuò)。 我們國(guó)家機(jī)床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。
機(jī)床精度 1.機(jī)械加工機(jī)床精度分靜精度、加工精度（包括尺寸精度和幾何精度）、定位精度、重復(fù)定位精度等5種。 2.機(jī)床精度體系：目前我們國(guó)家內(nèi)承認(rèn)的大致是四種體系：德國(guó)VDI標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)標(biāo)GB，國(guó)標(biāo)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)差不多。3.看一臺(tái)機(jī)床水平的高低，要看它的重復(fù)定位精度，一臺(tái)機(jī)床的重復(fù)定位精度如果能達(dá)到0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計(jì)法),就是一臺(tái)高精度機(jī)床，在0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計(jì)法)以下，就是超高精度機(jī)床，高精度的機(jī)床，要有最好的軸承、絲杠。4.加工出高精度零件，不只要求機(jī)床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析
目前世界著名機(jī)床廠商在我國(guó)的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機(jī)床制造商馬扎克（MAZAK）在寧夏銀川投資建了名為“寧夏小巨人機(jī)床公司”的機(jī)床公司，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心和車銑復(fù)合中心。機(jī)床質(zhì)量不錯(cuò)，目前效益良好，年產(chǎn)600臺(tái)，目前正在建2期工程，建成后可以年產(chǎn)1200臺(tái)。 2. 2003年，德國(guó)著名的機(jī)床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產(chǎn)數(shù)控車床和立式加工中心120臺(tái)左右。 3. 2002年，日本著名的機(jī)床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機(jī)床廠合資建廠，年生產(chǎn)能力為1000臺(tái)，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心、臥式加工中心。 4.韓國(guó)大宇在山東青島投資建廠，目前生產(chǎn)能力不知。 5.臺(tái)灣省的著名機(jī)床制造商友嘉在浙江蕭山投資建廠，年生產(chǎn)能力800臺(tái)。
民營(yíng)企業(yè)進(jìn)入機(jī)床行業(yè)情況 1.浙江日發(fā)公司，2000年投產(chǎn)，生產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心。年生產(chǎn)能力300臺(tái)。 2．2004年，浙江寧波著名的鑄塑機(jī)廠商海天公司投資生產(chǎn)機(jī)床，主要是從日本引進(jìn)技術(shù)，目前剛開始，起點(diǎn)比較高。 3．2002年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實(shí)老板是中國(guó)人，采用日本技術(shù)。生產(chǎn)小型儀表數(shù)控車床，水平相當(dāng)不錯(cuò)。
軍工企業(yè)技情況 軍工企業(yè)得到國(guó)家撥款開始于當(dāng)年“大使館被炸”，后來(lái)臺(tái)灣阿扁上臺(tái)后，大規(guī)模技開始了，軍工企業(yè)進(jìn)入新一輪的技高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購(gòu)買普通設(shè)備。尤其是近3年來(lái)，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進(jìn)數(shù)控機(jī)床。也從國(guó)內(nèi)機(jī)床廠哪里采購(gòu)了大批普通數(shù)控機(jī)床，國(guó)內(nèi)機(jī)床廠商為了迎接這次大技，也引進(jìn)了不少先進(jìn)技術(shù)，爭(zhēng)取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能“頂”三年，我們的整體水平會(huì)上一個(gè)臺(tái)階。 其實(shí)，胡錦濤總書記掌權(quán)以來(lái)，已經(jīng)把國(guó)防事業(yè)提到了和經(jīng)濟(jì)發(fā)展一樣的高度上，他說(shuō)，我們要建立和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的國(guó)防能力，相信再過10年，隨著我國(guó)國(guó)防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國(guó)家會(huì)誕生世界水平的機(jī)床制造商，也將會(huì)超越日本，成為世界第一機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)。
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向
數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國(guó)力的強(qiáng)弱。
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇。我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引進(jìn)，“七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，“八五”期間的數(shù)控應(yīng)用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)用，已逐步形成了以航天數(shù)控、藍(lán)天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
近年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國(guó)數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國(guó)一部分普及型數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)較為成熟，價(jià)格合理，在國(guó)際市場(chǎng)上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有成熟商品走向市場(chǎng)。
我國(guó)在數(shù)控機(jī)床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破。目前我國(guó)已經(jīng)可以供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機(jī)床。同時(shí)，我國(guó)也已進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國(guó)和高精度精密數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國(guó)的行列。目前我國(guó)已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在8000~10000轉(zhuǎn)/分以上的數(shù)控機(jī)床。
我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)近年來(lái)大力推廣應(yīng)用CAD等信息技術(shù)，很多企業(yè)已開始和計(jì)劃實(shí)施應(yīng)用ERP、MRPⅡ和電子商務(wù)。如，濟(jì)南第二機(jī)床集團(tuán)有限公司的CAD普及率達(dá)100%，是國(guó)家級(jí)“CAD示范企業(yè)”，企業(yè)的MRPⅡ系統(tǒng)應(yīng)用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。
但是和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)在信息化技術(shù)應(yīng)用上仍然存在很多不足。
一、信息化技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，對(duì)國(guó)外技術(shù)依存度高。我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來(lái)源主要依靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，對(duì)國(guó)外技術(shù)的依存度較高，對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國(guó)產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復(fù)合功能、多軸聯(lián)動(dòng)等特點(diǎn)的高性能數(shù)控機(jī)床基本上還得依賴進(jìn)口。
二、產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間在10000小時(shí)以上，國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時(shí)；整機(jī)平均無(wú)故障工作時(shí)間國(guó)外達(dá)800小時(shí)以上，國(guó)內(nèi)最好只有300小時(shí)。
三、創(chuàng)新能力低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。我國(guó)生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的企業(yè)雖達(dá)百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力不強(qiáng)。
隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高要求。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床信息化正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展。
高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國(guó)生產(chǎn)的第六代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度，使得高速運(yùn)算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時(shí)，新一代數(shù)控機(jī)床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
智能化?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的智能化發(fā)展將通過對(duì)影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測(cè)、建模、提取特征、自動(dòng)感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對(duì)機(jī)床的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使機(jī)床的加工過程處于最佳狀態(tài)。
基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動(dòng)化。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD/CAM圖形交互式自動(dòng)編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計(jì)算機(jī)內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和后置處理，從而自動(dòng)生成數(shù)控機(jī)床零部件加工程序，以實(shí)現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動(dòng)編程方式，其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫(kù)獲得，推動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展。
發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時(shí)通過自動(dòng)運(yùn)行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。
一、是高速加工技術(shù)發(fā)展迅速
??? 高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用新的機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用當(dāng)前數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
高性能功能部件，移動(dòng)部件輕量化，減少運(yùn)動(dòng)慣性。在刀具材料和結(jié)構(gòu)的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機(jī)床加工全面高速化，如數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速?gòu)拿糠昼妿浊мD(zhuǎn)發(fā)展到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)、幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)；快速移動(dòng)速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時(shí)間從十幾秒下降到10秒、3秒、1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應(yīng)用高速加工技術(shù)達(dá)到縮短切削時(shí)間和輔助時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。
二、是精密加工技術(shù)有所突破
??? 通過機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動(dòng)誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高機(jī)床加工的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內(nèi)提升100倍。目前，精密數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度可以達(dá)到1μm，進(jìn)入亞微米超精加工時(shí)代。
三、是技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合趨勢(shì)明顯
技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機(jī)床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢(shì)之一，如工序復(fù)合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，跨加工類別技術(shù)復(fù)合——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結(jié)與鏡面切削復(fù)合等，目前已由機(jī)加工復(fù)合發(fā)展到非機(jī)加工復(fù)合，進(jìn)而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術(shù)集成和復(fù)合形成了新一類機(jī)床——復(fù)合加工機(jī)床，并呈現(xiàn)出復(fù)合機(jī)床多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
四、是數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)入了智能化的新階段
數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:數(shù)字化控制技術(shù)對(duì)機(jī)床單機(jī)控制；集合生產(chǎn)管理信息形成生產(chǎn)過程自動(dòng)控制；生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無(wú)人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過程實(shí)行智能監(jiān)控和人工智能自動(dòng)編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)工件裝卡定位自動(dòng)找正，刀具直徑和長(zhǎng)度誤差測(cè)量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償、調(diào)整、自動(dòng)更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的機(jī)械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動(dòng)診斷、報(bào)警、故障顯示等，直至停機(jī)處理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術(shù)后援和在線服務(wù)后援。人工智能自動(dòng)編程系統(tǒng)能按機(jī)床加工要求對(duì)零件進(jìn)行自動(dòng)加工。在線服務(wù)可以根據(jù)用戶要求隨時(shí)接通INTERNET接受遠(yuǎn)程服務(wù)。采用智能技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與管理信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補(bǔ)償智能控制、故障自診斷和智能維護(hù)等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術(shù)在制造系統(tǒng)上的應(yīng)用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡(luò)工廠，并進(jìn)一步向制造系統(tǒng)可重組的方向發(fā)展。
五、是極端制造擴(kuò)張新的技術(shù)領(lǐng)域
極端制造技術(shù)是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術(shù)。極端制造技術(shù)是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點(diǎn)研究微納機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關(guān)的數(shù)控制造技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)的數(shù)控機(jī)床研制，如微型、高精度、遠(yuǎn)程控制手術(shù)機(jī)器人的制造技術(shù)和應(yīng)用；應(yīng)用于制造大型電站設(shè)備、大型艦船和航空航天設(shè)備的重型、超重型數(shù)控機(jī)床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展需要超精細(xì)加工和微納米級(jí)加工技術(shù)，研制適應(yīng)微小尺寸的微納米級(jí)加工新一代微型數(shù)控機(jī)床和特種加工機(jī)床；極端制造領(lǐng)域的復(fù)合機(jī)床的研制等。
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
2.1 數(shù)控車床設(shè)計(jì)總體要求
數(shù)控車床設(shè)計(jì)主要考慮以下四方面因素：
(1) 經(jīng)濟(jì)性
這里的成本包括數(shù)控系統(tǒng)，主傳動(dòng)系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等。
(2) 方便性
數(shù)控系統(tǒng)的方便性主要反映在系統(tǒng)的人機(jī)界面。人機(jī)界面應(yīng)當(dāng)對(duì)用戶友好，對(duì)此系統(tǒng)應(yīng)從以下幾個(gè)途徑來(lái)體現(xiàn)：
漢化按鍵，方便各種層次的操作者使用。
輸入、檢索、修盡量一體化。即輸入時(shí)可以檢索、修，檢索時(shí)可以修、輸入，并且自動(dòng)顯示程序段號(hào)。
快速檢索，即能對(duì)程序進(jìn)行上下翻頁(yè)顯示。
(3) 實(shí)用性
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不應(yīng)追求功能的大而全，應(yīng)以實(shí)用為原則。一般的機(jī)械加工只要能具有以下功能即可滿足需要：
直線、圓弧插補(bǔ)。
插補(bǔ)速度要充分考慮被機(jī)床本身的內(nèi)在素質(zhì)，如剛性、抗震性、耐磨性等，不宜過高。
速度銜接技術(shù)，即速度升/降速控制。速度銜接技術(shù)可以保證系統(tǒng)在加工過程中實(shí)現(xiàn)2段程序問的速度平滑連接，從而避免造成加工刀痕，保證精度。
變頻調(diào)速。
加工程序的掉電保護(hù)能力。
(4) 可靠性
由于數(shù)控系統(tǒng)工作環(huán)境十分惡劣，必須有足夠的可靠性才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
2.2 數(shù)控車床設(shè)計(jì)確定
(1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了保證主軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)有準(zhǔn)確的定位，安裝主傳動(dòng)的定位檢測(cè)裝置。采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，利用磁力傳感器檢測(cè)定位。只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)，主軸就可以準(zhǔn)確的定位。這種磁力傳感器的工作原理是，在主軸上裝上永磁鐵和主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離磁鐵l-2mm的旋轉(zhuǎn)軌跡外，固定一個(gè)磁傳感器，當(dāng)傳感器發(fā)出信號(hào)后經(jīng)過放大，由定向電路使電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確的停止在規(guī)定的周向位置上。將主傳動(dòng)采用變頻交流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速。低檔轉(zhuǎn)速為270-1500r/min，高檔轉(zhuǎn)速為1500-4500r/min，在各檔內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。與原立式車床的機(jī)械結(jié)構(gòu)相比比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，主傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)它的調(diào)速。
(2) 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
進(jìn)給采用伺服電機(jī)，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，使機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)部分具有高靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度；運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦因數(shù)小，傳動(dòng)無(wú)間隙；功率大；便于操作和維修。，其定位精度為±0.01mm，重復(fù)定位精度為±0．005mm。
(3) 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
采用AT89C58單片機(jī)控制系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計(jì)方案，從總體上分為人機(jī)界面模塊、坐標(biāo)進(jìn)給模塊、變頻調(diào)速控制模塊、串行通信模塊、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及基于89C58單片機(jī)的主控模塊。利用變頻調(diào)速的原理，設(shè)計(jì)主軸的無(wú)級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)；通過插補(bǔ)算法，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的準(zhǔn)確定位以便達(dá)到工件的精確度；通過鍵盤和顯示模塊，實(shí)現(xiàn)程序的編輯和顯示；通過其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床功能的完善化。
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1刀具選擇
（一）刀具選擇：
銑平面：硬質(zhì)合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。
凸臺(tái)、凹槽、箱口面：立銑刀。
毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀）。
立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。
（二）原則：
安裝調(diào)整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。
（三）排序原則
減少刀具數(shù)量；
裝夾一次，盡是加工完；
即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；
先銑后鉆；
精加工，先曲面后二維輪廓；
盡可能自動(dòng)換刀。
3.2切削用量確定
粗：效率；半精、精：質(zhì)量、兼顧效率。
1、主軸轉(zhuǎn)速n：根據(jù)線速度v確定：π
V= (端銑：150m/min；周銑：30m/min)
2、切深t：最好是t等于加工余量。
3、切寬L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。
L＝0.6－0.9d
粗加工：大切深、大進(jìn)給、低切速。
精加工：小切深、小進(jìn)給、高切速。
3.3切削三要素
主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度。少切削，快進(jìn)給。
3.4加工精度和表面粗糙度
1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。
（1）尺寸精度：公差與配合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB1800－1804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2、IT18。
新公差等級(jí)與舊公差等級(jí)的對(duì)照及應(yīng)用
新公差等級(jí)
舊精度等級(jí)
加工方法
應(yīng)用
軸
孔
IT01－IT2
無(wú)
研磨
用于量塊、量?jī)x制造
IT3－IT4
研磨
用于精密儀表、精密機(jī)件的光整加工
IT5
1
無(wú)
研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉
用于一般精密配合。IT7－IT6在機(jī)床和較精密的機(jī)器、儀器制造中用得最為普遍
IT6
2
1
IT7
3
2
磨削、拉削、鉸孔、精銑、精鏜、精銑、粉末冶金
IT8
3－4
IT9
4
銑、鏜、銑、刨、插
用于一般要求。主要用于長(zhǎng)度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合
IT10
5
IT11
6
粗銑、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄
用于不重要的配合。IT12－IT13也用于非配合
IT12－IT13
7
IT14
8
沖壓、壓鑄
用于非配合
IT15－IT18
9－12
鑄、鍛、焊、氣割
?。?）形狀精度：零件上的線、面要素的實(shí)際形狀相對(duì)于理想形狀的準(zhǔn)確程度。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80）規(guī)定了六項(xiàng)形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。
?。?）位置公差：零件上點(diǎn)、線、面要素的實(shí)際位置相對(duì)于理想位置的準(zhǔn)確程度。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80）規(guī)定了八項(xiàng)位置公差：
定向：平行度、垂直度、傾斜度。
定位：同軸度、對(duì)稱度、位置度。
跳動(dòng)：圓跳動(dòng)、全跳動(dòng)。
2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）
輪廓算術(shù)平均偏差：
Ra＝ 或近似于Ra＝
微觀不平十點(diǎn)高度：
Rz＝(+)
在常用數(shù)值范圍內(nèi)（Ra＝0.25－6.3μm，Rz＝0.1－25μm），在圖樣上應(yīng)優(yōu)先選用Ra。
表面粗糙度Ra、Rz允許值及加工方法表
表面要求
表面特征
Ra(μm)
Rz(μm)
加工方法
舊國(guó)際光潔度級(jí)別代號(hào)
第1系列
第2系列
第1系列
第2系列
不
加
工
毛坯表面清除毛刺
1600
∽
1250
1000
800
630
500
100
400
粗
加
工
明顯可見的刀紋
80
320
粗銑
粗銑
粗刨
鉆
粗銼
▽1
63
250
50
200
可見刀紋
40
160
▽2
32
125
25
100
微見刀紋
20
80
▽3
16.0
63
12.5
50
半
精
加
工
可見加工痕跡
10
40
半精銑
精銑
精銑
精刨
粗磨
▽4
8
32
6.3
25
微見加工痕跡
5
20
▽5
4
16
3.2
12.5
不見加工痕跡
2.5
10
▽6
2
8
1.6
精
加
工
可辨加工痕跡的方向
1.25
6.3
精鉸
刮
精拉
精磨
▽7
1.00
5
0.8
4
微辨加工痕跡的方向
0.63
3.2
▽8
0.5
2.5
0.4
2.0
不辨加工痕跡的方向
0.32
1.6
▽9
0.25
1.25
0.2
1.00
精
密
加
工
暗光澤面
0.16
0.80
精密磨削
珩磨
研磨
超精加工
拋光
▽10
0.125
0. 63
0.1
0.50
亮光澤面
0.080
0.40
▽11
0.063
0.32
0.05
0.25
鏡狀光澤面
0.040
0.20
▽12
0.032
0.16
0.025
0.125
霧狀光澤面
0.020
0.10
▽13
0.016
0.080
0.012
0.063
鏡面
0.010
0.050
鏡面磨削
研磨
▽14
0.008
0.040
0.025
0.032
3.5刀具材料
碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200 -250℃，V＜8m/min。
合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400℃，V＜10m/min。
高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；
110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃
4、硬質(zhì)合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000℃，V＝100-300m/min。
另外，還有新型硬質(zhì)合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。
第4章 X軸(橫向)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
4.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)計(jì)的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,一般是伺服電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠,使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將伺服電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來(lái)，以保證其同軸度，提高傳動(dòng)精度。
4.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
已知條件：
工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） W=30㎏f=300N
時(shí)間常數(shù) T=25ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L0=4㎜ 左旋
行程 S=190㎜
脈沖當(dāng)量 δp=0.005㎜/step
步距角 α=0.75°/ step
快速進(jìn)給速度 vmax=1m/min
(1)切削力計(jì)算 橫向進(jìn)給量為縱向的1/2～1/3，取1/2，則切削力約為縱向的1/2
FZ=0.5×152.76=76.38㎏f=763.8N
在切斷工件時(shí)：
Fy=0.5 FZ=0.5×76.38=38.19㎏f=381.9N
(2)滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
1）強(qiáng)度計(jì)算：對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌：
P=KFy＋f′(Fz＋W)
取K=1.4 f′=0.2
則
P=1.4×38.19＋0.2(76.38＋30)
=74.74㎏f=747.4N
壽命值
L1===13.5
最大動(dòng)負(fù)載
Q===213.55㎏f=2135.5N
根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。例如，滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取FC1B系列，滾珠絲杠公稱直徑為φ20㎜，型號(hào)為FC1B20×4—5—E2左，其額定動(dòng)負(fù)載為5393N，所以強(qiáng)度足夠用。
既然選擇的是有廠家有型號(hào)的，最好附上圖進(jìn)行說(shuō)明，而且要表達(dá)清楚絲杠的整體結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸。
表3：滾珠絲桿副幾何參數(shù)
參數(shù)名稱
符號(hào)
關(guān)系式
WD6008
螺
紋
滾
道
公稱直徑
20
導(dǎo) 程
4
接觸角
2.183
鋼球直徑
3.969
滾道法面半徑
2.064
偏心距
0.0030
螺紋升角
=
接觸直徑
=－Cos
56.034
螺
母
螺紋直徑
=－2＋2
64.122
內(nèi) 徑
=＋(0.2～0.25)
60.7938
2）效率計(jì)算：螺旋升角γ=3°38′，摩擦角ψ=10′
則傳動(dòng)效率
η===0.956
3）剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量
△L1=±=±=±5.96×10-6㎝
滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量△L2很小，可忽略， 即：△L=△L1所以導(dǎo)程變形總誤差為
△=
查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺旋誤差（1m長(zhǎng)）為15μm/m，故剛度足夠。
4）穩(wěn)定性驗(yàn)算：由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸空，一端固定，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。
(3)齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算
齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1） 選擇齒輪材料及精度等級(jí)
傳動(dòng)比 i=
故取 Z1=18 Z2=30
考慮減速器傳遞功率不在，所以齒輪采用軟齒面。小齒輪選用40Cr調(diào)質(zhì)，齒面硬度為240~260HBS。大齒輪選用45鋼，調(diào)質(zhì)，齒面硬度220HBS；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》選7級(jí)精度。齒面精糙度Ra≤1.6~3.2μm
(2)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
確定有關(guān)參數(shù)如下：傳動(dòng)比i齒=1.67
取小齒輪齒數(shù)Z1=18。則大齒輪齒數(shù)：
Z2=iZ1=1.67×18=30
實(shí)際傳動(dòng)比I0=70/2=35
傳動(dòng)比誤差：i-i0/I=6-6/6=0%<2.5% 可用
齒數(shù)比：u=i0=3.5
由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》取φd=1
(3)轉(zhuǎn)矩T1
TII=9.55×106PII/nII
=9.55×106×2.28/417.4
=52168.8N·mm
(4)載荷系數(shù)K
因?yàn)樵擙X輪傳動(dòng)是軟齒面的齒輪，圓周速度也不大，精度也不高，而且齒輪相對(duì)軸承是對(duì)稱布置，根據(jù)電動(dòng)機(jī)和載荷的性質(zhì)查《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P147表5－8，得K的范圍為1.4~1.6， 取K＝1.5。
(5)許用接觸應(yīng)力[σH]
[σH]= σHlimZNT/SH由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得：
σHlim1=625Mpa σHlim2=470Mpa
由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得接觸疲勞的壽命系數(shù)：
ZNT1=0.92 ZNT2=0.98
通用齒輪和一般工業(yè)齒輪，按一般可靠度要求選取安全系數(shù)SH=1.0
查表得取ZE=189.8
[σH]1=σHlim1ZNT1/SH
=625×0.92/1.0Mpa
=575
[σH]2=σHlim2ZNT2/SH
=470×0.98/1.0Mpa
=460
故得：
=29.8mm
模數(shù)：m=d1/Z1=29.8/20=1.49mm
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表9-1取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)：m=2mm
(6)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》式
σF=(2kT1/bm2Z1)YFaYSa≤[σH]
確定有關(guān)參數(shù)和系數(shù)
分度圓直徑：d1=mZ1=2×18mm=36mm
d2=mZ2=2×30mm=60mm
齒寬：b=φdd1=1×36mm=35mm
取b=40mm b1=35mm
(7)齒形系數(shù)YFa和應(yīng)力修正系數(shù)YSa
根據(jù)齒數(shù)Z1=18, Z2=30由表相得
YFa1=2.80 YSa1=1.55
YFa2=2.14 YSa2=1.83
(8)許用彎曲應(yīng)力[σF]
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》P136（6-53）式：
[σF]= σFlim YSTYNT/SF
由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得：
σFlim1=288Mpa σFlim2 =191Mpa
由圖6-36查得：YNT1=0.88 YNT2=0.9
試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)YST=2
按一般可靠度選取安全系數(shù)SF=1.25
計(jì)算兩輪的許用彎曲應(yīng)力
[σF]1=σFlim1 YSTYNT1/SF=288×2×0.88/1.25Mpa
=410Mpa
[σF]2=σFlim2 YSTYNT2/SF =191×2×0.9/1.25Mpa
=204Mpa
將求得的各參數(shù)代入式（6-49）
=8Mpa< [σF]1
=1.2Mpa< [σF]2
故輪齒齒根彎曲疲勞強(qiáng)度足夠
(9)計(jì)算齒輪傳動(dòng)的中心矩a
a=m(Z1+Z2)/2=2(18+30)/2=48mm
(10)計(jì)算齒輪的圓周速度V
V=πd1n1/(60×1000)=3.14×60×417.4/(60×1000)
=1.31m/s
名 稱
計(jì) 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
2
壓力角
n
分度圓直徑
d1
36
d2
60
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
48
齒 寬
2)傳動(dòng)慣量計(jì)算
工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J1=㎏·㎝2
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
JS=7.8×10-4×D4L1=7.8×10-4×24×50=0.624㎏·㎝2
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
JZ1=7.8×10-4×3.64×2=0.262㎏·㎝2
JZ2=7.8×10-4×64×2=2.022㎏·㎝2
電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可以忽略。
因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J=
=1.258㎏·㎝2
3）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
nmax=
Mamax=N·m=2.23㎏f·㎝
nt==33.17r/min
Mat==0.0174 N·m=0.1775 f·㎝
Mf===0.287㎏f·㎝=0.028 N·m
M0=0.116㎏f·㎝=0.011 N·m
Mt=1.824㎏f·㎝=0.182 N·m
所以，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：
M=Mamax＋Mf＋M0
=2.23＋0.287＋0.116=2.633㎏f·㎝=26.33N·㎝
切削時(shí)所需力矩：
M=Mat＋Mf＋M0＋Mt
=0.1774＋0.287＋0.116＋1.824
=2.404㎏f·㎝=24.04 N·㎝
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：
M= Mf＋M0=0.287＋0.116
=0.403㎏f·㎝=4.03 N·㎝
從以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)，Mmax=2.633㎏f·㎝=26.33 N·㎝
4.3 伺服電機(jī)的選擇
4.3.1 伺服電機(jī)的選擇的基本原則
合理選用伺服電機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用伺服電機(jī)最基本的原則介紹如下：
1． 步距角α 步距角應(yīng)滿足：α≤
式中 i——傳動(dòng)比
αmin——系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角。
2． 精度
伺服電機(jī)的精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值。用積累誤差衡量精度比較實(shí)用。所以選用不進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足
△Q≤i[△θs]
式中 △Q——伺服電機(jī)的積累誤差；
[△θs]——系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件允許的角度誤差。
3．轉(zhuǎn)矩
為了使伺服電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步），正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮：
1）啟動(dòng)力矩 一般啟動(dòng)力矩選取為：
Mq≥
式中 Mq——電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩；
ML0——電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩。
根據(jù)伺服電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動(dòng)力矩選取如表（2）所示。Mjm為伺服電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，是伺服電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。
表(2) 伺服電機(jī)相數(shù)、拍數(shù)、啟動(dòng)力矩表
運(yùn)行
方式
相數(shù)
3
3
4
4
5
5
6
6
拍數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
Mg /Mjm
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
2）在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力力矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。
3． 啟動(dòng)頻率
由于伺服電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足：
ft≥[fcp]m
式中 ft——極限啟動(dòng)頻率；
[fcp]m——要求伺服電機(jī)最高啟動(dòng)頻率。
4.3.2 伺服電機(jī)的選擇
Φ320MM的數(shù)控車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機(jī)的確定
Mq = N·㎝
電動(dòng)機(jī)仍選用三相六拍工作方式，查表知：
Mq/Mjm=0.866
所以，伺服電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為：
Mjm= N·㎝
伺服電機(jī)最高工作頻率
fmax==3333.3 Hz
為了便于設(shè)計(jì)和采購(gòu)，仍選用110BF003型直流伺服電機(jī)，能滿足使用要求。
4.4 軸承的選擇
1、軸承的類型與特點(diǎn)
根據(jù)條件假設(shè)兩班制，四年一次大修可得軸承的預(yù)計(jì)壽命
由初選軸承的型號(hào)為：6210
查表可知d=50mm外徑D=90mm基本額定動(dòng)載荷cr=35KN極限轉(zhuǎn)速n=8000r/min
2、支撐方式
支承主要有以下四種，由于支承方式不同，使容許軸向載荷及容許回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也有所不同，客戶應(yīng)根據(jù)自身情況適當(dāng)選擇。
1. 支撐固定方法---固定 適用于高轉(zhuǎn)速、高精度。
2. 支撐固定方法---支承 適用于中等轉(zhuǎn)速、高精度。
3. 支撐固定方法---支承 適用于中等轉(zhuǎn)速，中精度
4. 支撐固定方法---自由 適用于低轉(zhuǎn)速，中精度，短軸向絲杠
支承主要用來(lái)約束絲杠的軸向竄動(dòng)，為了提高軸向剛度，絲支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長(zhǎng)度較大，本設(shè)計(jì)絲杠采用雙推—簡(jiǎn)支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。
3、軸承壽命校核
由于軸承受水平和垂直方向的力相等只有外力F對(duì)它們的作用力不同且與直接相加算得軸承的徑向力
=5002N
故軸受徑向載荷P==5002N
故其可以達(dá)到的壽命為
>21000
4.5 導(dǎo)軌的選擇
滑動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便和抗振性良好；缺點(diǎn)是磨損快。
為了提高耐磨性，國(guó)內(nèi)外主要采用鑲鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌和塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。
滑動(dòng)導(dǎo)軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。
1．鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類有：
（1）灰鑄鐵 一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運(yùn)動(dòng)速度較低的導(dǎo)軌，硬度在HB180以上；
（2）孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵；
（3）合金鑄鐵 包括：含磷量高于0.3％的高磷鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵一倍以上；磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵二倍以上；各種稀土合金鑄鐵，有很高的耐磨性和機(jī)械性能；
鑄鐵導(dǎo)軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應(yīng)淬火。接觸電阻淬火，淬硬層為0.15~0.2mm。硬度可達(dá)HRC55。中高頻感應(yīng)淬火， 淬硬層為2~3mm，硬度可達(dá)HRC48~55，耐磨性可提高二倍，但在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上依次淬火易產(chǎn)生變形，全長(zhǎng)上同時(shí)淬火需要相應(yīng)的設(shè)備。
2．鋼 鑲鋼導(dǎo)軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至56~62HRC；38C rMoAlA等采用氮化處理。
3．有色金屬 常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好。
4．塑料 鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣(-200~+260℃)，抗撕傷能力強(qiáng)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運(yùn)動(dòng)的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定件好，工藝簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前在各類機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺(tái)的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌搭配。
導(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、以及使用與維護(hù)。提高導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。常用的提高導(dǎo)軌耐磨性的方法有：采用鑲裝導(dǎo)軌、提高導(dǎo)軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導(dǎo)軌單位面積上的壓力(即比壓)等。
4.6 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
一．作用力合作用點(diǎn)位置，作用力方向和作用點(diǎn)的位置唏噓合理安置。一邊導(dǎo)軌傾斜的力矩盡量小。否則會(huì)使導(dǎo)軌中的摩擦力增大，磨加劇，從而降低導(dǎo)軌的靈活性和導(dǎo)向精度。嚴(yán)重時(shí)甚至還可能卡死，不能正常工作。
作用在運(yùn)動(dòng)件上的推力有三種情況：
1.推力通過運(yùn)動(dòng)件在軸線
2.推力作用點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)件的軸線上。但推力的方向與軸線成一夾角
3.推力平行于運(yùn)動(dòng)件的軸線上
對(duì)于第一種情況，導(dǎo)軌鎮(zhèn)南關(guān)的摩擦力只受到載荷及運(yùn)動(dòng)件本身重量的影響，推力不會(huì)產(chǎn)生附加摩擦力。猶豫結(jié)構(gòu)上的限制，實(shí)際的結(jié)構(gòu)中往往出項(xiàng)第二第三中情況。為了保證導(dǎo)軌的靈活性，要對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行驗(yàn)算，在已知的條件先，確定各部分的集合尺寸。
推力F與運(yùn)動(dòng)件軸線組成夾角a,如圖所示
推力F的作用將使運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生傾斜，從而使運(yùn)動(dòng)件與承導(dǎo)體的倆點(diǎn)處壓緊，
設(shè)正壓力分別為 .，相應(yīng)摩擦力，，作用間的距離為L(zhǎng)，軸向阻力為
根據(jù)靜力平衡條件,運(yùn)動(dòng)件的直徑較小時(shí)，上式中含有d的各項(xiàng)可以略去?？?
解得：
欲推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件，則必須使
若要保證不卡死的條件是：
由此，可得到當(dāng)推力F與運(yùn)動(dòng)件有一夾角a時(shí)，運(yùn)動(dòng)件正常工作的條件是
為當(dāng)量摩擦系數(shù)
在燕尾形和三角形導(dǎo)軌中:
--滑動(dòng)摩擦系數(shù)
--眼尾輪廓角與三角底角
二．選與運(yùn)動(dòng)件軸線與軸線相距h，圖中為軸向阻力和為反作用力，為當(dāng)量摩擦系數(shù)，根據(jù)靜力平衡條件
解得：
推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件則必須：
保證運(yùn)動(dòng)件不卡死條件
即：
為了保證運(yùn)動(dòng)靈活，可取值
當(dāng)取f=0.25時(shí)，則有：
對(duì)圓柱形導(dǎo)軌：
對(duì)矩形導(dǎo)軌：
對(duì)燕尾形或三角形導(dǎo)軌：
在本設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌中：h=200mm L=360 因此：
符合相關(guān)要求.
選擇燕尾型導(dǎo)軌合理.
第5章 數(shù)控硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制是位置控制，最重要的運(yùn)算是插補(bǔ)運(yùn)算，最主要的數(shù)據(jù)處理是刀具補(bǔ)償。位置控制的實(shí)質(zhì)就是位置負(fù)反饋，即指令位置和實(shí)際位置進(jìn)行比較，用位置偏差進(jìn)行控制；插補(bǔ)運(yùn)算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標(biāo)點(diǎn)，通過一定的運(yùn)算法則實(shí)時(shí)獲得位置指令；刀具補(bǔ)償就是要解決編程軌跡和刀具中心不相符的矛盾。
5.1硬件電路設(shè)計(jì)
5.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)其使用單片機(jī)結(jié)構(gòu)的劃分，一般可分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩大類。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，在一些標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。多微處理器數(shù)控系統(tǒng)可以滿足當(dāng)今數(shù)控機(jī)床高速度、高精度和許多復(fù)雜功能的要求，代表當(dāng)今數(shù)控發(fā)展的水平。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)將采用較經(jīng)濟(jì)的單微處理器數(shù)控結(jié)構(gòu)，對(duì)于一般切削加工而言，其速度和精度已能滿足實(shí)際要求。
數(shù)控機(jī)床單微處理器硬件結(jié)構(gòu)電路概括起來(lái)有以下幾個(gè)部分組成：
（1）中央處理單元CPU；
（2）總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；
（3）存儲(chǔ)器，包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器；
（4）輸入輸出接口電路；
（5）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電編碼器等。
5.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的