Φ600mm的數(shù)控車床總體設計及橫向進給設計【含CAD高清圖紙】

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畢業(yè)設計說明書 設計題目：Φ600mm的數(shù)控車床總體設計及橫向進給設計 學 生 班 級 學 號 指導教師 繼 續(xù) 教 育 學 院 二零一三年十月 摘 要 全面闡述了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)原理，設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)設計及校核，并進行了分析。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)、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。 關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，伺服電機，滾珠絲杠 II Abstract Comprehensively elaborated numerical control lathe structure principle, design features, discusses the use of servo motor and ball screw nut pair advantages. Introduces the NC lathe structure design and verification, and analysis. In addition to collect the related technology parameters. This paper emphasizes 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. Key words: lathe, numerical control, servo motor, the ball screw 59 目 錄 摘 要 II Abstract I 目 錄 II 第1章 緒 論 1 1.1數(shù)控機床及其特點 1 1.3 數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 2 1.3.1數(shù)控機床加工工藝分析 2 1.3.2數(shù)控加工工藝的設計 3 1.3.3分析加工工藝路線 3 1.3.4編程原點的選擇 3 1.4 模擬仿真技術(shù) 3 1.5 數(shù)控機床的精度影響及分析 4 1.5.1 間隙誤差的影響 4 1.5.2度的反向誤差控制 5 1.6數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 6 1.6.1控制系統(tǒng)的選擇 7 1.6.2 選擇設計對象要適宜 8 1.6.3 機床的機械設計范圍要適當 8 1.6.4 輔助設計要合適 9 1.7數(shù)控機床的發(fā)展趨向 9 1.7.1 個性化的發(fā)展趨勢 10 1.7.2 個性化是市場適應性發(fā)展趨勢 10 1.7.3 開放性是體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢 10 第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 12 2.1 總體方案設計內(nèi)容 12 2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定 13 2.1.2控制方式的選擇 13 2.2 總體方案確定 13 2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 13 2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 13 2.2.3 機械傳動方式 14 2.3 可行性論證 14 第3章 確定切削用量及選擇刀具 15 3.1科學選擇數(shù)控刀具 15 3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 15 3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 16 3.2 設置刀點和換刀點 16 3.3 確定切削用量 17 3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 17 3.3.2確定進給速度 17 3.3.3 確定背吃刀量 17 第4章 Φ600mm傳動系統(tǒng)圖的設計 18 4.1主傳動系統(tǒng)的設計要求 18 4.2總體設計 18 4.2.1 擬定傳動方案 18 4.2.2 選擇電機 19 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 22 4.2.4 轉(zhuǎn)速圖 24 4.3同步帶傳動的設計和選定 24 4.4軸系部件的結(jié)構(gòu)設計 27 4.4.1 I軸結(jié)構(gòu)設計 27 4.4.2 II軸結(jié)構(gòu)設計 31 4.4.3電磁摩擦離合器的計算和選擇 36 第5章 橫向進給伺服進給結(jié)構(gòu)設計 38 5.1 已知技術(shù)參數(shù) 38 5.2 確定脈沖當量 38 5.3 切削力的計算 38 5.4 滾珠絲杠的計算及選擇 41 5.4.1 滾珠絲杠導程的確定 41 5.4.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 41 5.4.3 估計工作臺質(zhì)量及工作臺承重 42 5.4.4 確定絲杠的等效負載 42 5.4.5確定絲杠所受的最大動載荷 43 5.4.6 選擇滾珠絲杠型號 43 5.5 校核 44 5.5.1 臨界壓縮負荷 44 5.5.2 臨界轉(zhuǎn)速 45 5.5.3 絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 45 5.5.4 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 46 5.5.5 傳動精度計算 47 5.5.6 伺服電機計算 48 5.5.7 電機的選擇 49 第6章 單片機控制應用系統(tǒng)電路設計 50 6.1硬件電路設計 50 6.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 50 6.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 50 6.2關(guān)于各線路元件之間線路連接 51 6.4 關(guān)于電路原理圖的一些說明 52 總 結(jié) 56 參考文獻 57 致 謝 58 第1章 緒 論 1.1數(shù)控機床及其特點 數(shù)控機床與機床的區(qū)別 數(shù)控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機床，與機床相比，具有以下明顯特點： 1. 適合于復雜異形零件的加工 數(shù)控機床可以完成機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應用。 2. 加工精度高 3. 加工穩(wěn)定可靠 實現(xiàn)計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。 4. 高柔性 加工對象改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，體現(xiàn)出很好的適應性，可大大節(jié)省生產(chǎn)準備時間。在數(shù)控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統(tǒng)—FMS。 5. 高生產(chǎn)率 數(shù)控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為機床的 3～5 倍，對某些復雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。 6. 勞動條件好 機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環(huán)境較好。 7. 有利于管理現(xiàn)代化 采用數(shù)控機床有利于向計算機控制與管理生產(chǎn)方面發(fā)展，為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化創(chuàng)造了條件。 8. 投資大，使用費用高 9. 生產(chǎn)準備工作復雜 由于整個加工過程采用程序控制，數(shù)控加工的前期準備工作較為復雜，包含工藝確定、程序編制等。 10. 維修困難 數(shù)控機床是典型的機電一體化產(chǎn)品，技術(shù)含量高，對維修人員的技術(shù)要求很高。 1.2數(shù)控機床的適用范圍 由于數(shù)控機床的上述特點，適用于數(shù)控加工的零件有： ·批量小而又多次重復生產(chǎn)的零件； ·幾何形狀復雜的零件； ·貴重零件加工； ·需要全部檢驗的零件； ·試制件。 對以上零件采用數(shù)控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數(shù)控加工的優(yōu)勢。 1.3 數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 數(shù)控機床綜合了精密機械、電子、電力拖動、自動控制、自動檢測、故障診斷和計算機等多方面的技術(shù)，是典型的高精度、高效率及高柔性的機電一體化產(chǎn)品，近年 來我國的數(shù)控機床技術(shù)正處在突飛猛進的階段，在數(shù)控機床的使用過程中，加工工藝和精度分析對于機床的加工效率和零件的加工精度都有重要影響，本文結(jié)合筆者 多年的操作經(jīng)驗，研究了數(shù)控加工工藝的主要步驟和精度研究中容易出現(xiàn)的問題以及解決方法。 1.3.1數(shù)控機床加工工藝分析 數(shù)控機床是是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，其數(shù)控加工工藝以自動化和高速精密性為 主。高速、精密、復合、智能和綠色是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，數(shù)控機床的在機械加工中的作用更為突出。數(shù)控加工工藝是伴隨著數(shù)控機床的產(chǎn)生、 發(fā)展而不斷創(chuàng)新的一種應用技術(shù)，所謂數(shù)控加工工藝就是用數(shù)控機床加工零件的一種工藝方法。隨著我國數(shù)控機床用戶的不斷增加，數(shù)控加工工藝在應用的領域的重 要性日益突出，數(shù)控加工工藝以改善加工性能和提高加工效率為主要發(fā)展方向，并將二者融合到控制程序之中，運用自動化控制系統(tǒng)的規(guī)范處理方式，融合多種加工 方法，以達到工序集中的復合加工方式為目的，提供更高水平的加工技術(shù)，從而進一步推動數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)中應用與發(fā)展。數(shù)控加工技術(shù)的地位如此重要就必須首 先了解數(shù)控加工工藝的主要特點和技術(shù)原則要求：(1) 數(shù)控加工的工藝內(nèi)容要按照零件加工的要求進行工步細化，所以在進行施工的過程中必須要依據(jù)加工要求進行準確編程；(2) 數(shù)控加工工藝路線設計應合理，以保證數(shù)控機床的加工所產(chǎn)生的誤差最小化；(3) 數(shù)控加工的工序相對集中，以提高加工效率，對于復雜的加工過程，需要進行必要的數(shù)控仿真技術(shù)支持。 1.3.2數(shù)控加工工藝的設計 數(shù)控機床有著高度的自動化特點，其加工工藝要依靠數(shù)控模塊對設計好的程序進行實施，因此要求加工的工藝線路在規(guī)劃時必須精準，同時要把握好加工程序的編 制，因為編程函蓋了數(shù)控機床加工的重要內(nèi)容，也是其工藝質(zhì)量得以保證的重要指標。對于數(shù)控機床來說，必須先有合理有效的編程工藝路線設計，然后才能保證加 工工藝進程的完整。 1.3.3分析加工工藝路線 數(shù)控機床的加工工藝路線設計要考慮到具體的加工環(huán)節(jié)，尤其是對數(shù)控鏜車床的加工環(huán)節(jié)更要重視，要根據(jù)具體情況做出明確的分辨。在數(shù)控車、鏜車床或加工中心 上加工有同軸度要求的內(nèi)、外圓柱面或端面與外圓、內(nèi)孔有垂直度要求時，均應在一次裝夾中完成。在數(shù)控鏜車床或加工中心上加工有孔與端面有垂直度要求或平面 與平面有位置精度要求時，應注意盡可能在一次裝夾中完成。 1.3.4編程原點的選擇 編程原點的設計基礎和工藝基準盡量重合，避免產(chǎn)生尺寸鏈誤差及不必要的尺寸換算。設定的編程原點應使工件容易找正，方便對刀，編程簡便，有利于編程數(shù)值 的計算。對稱零件的編程原點應選在零件的對稱中心。在加工零件上的工件原點應容易準確的確定，盡可能使加工余量均勻。例如：以孔定位的零件，應以孔的中心 作為編程原點，對于一些形狀不規(guī)則的零件，可在其基準面( 或線) 上選擇編程原點，當加工路線呈封閉形式時，應在精度要求較高的表面選擇編程原點( 或加工起始點)。 1.4 模擬仿真技術(shù) 智能化模擬仿真技術(shù)，可以通過對數(shù)控機床的加工工藝路線進行仿真模擬而得出適合加工的一種軟件控制手段，結(jié)合運用成組技術(shù)可以提高數(shù)控加工編程效率。例 如：根據(jù)其外形結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求和加工方法的相似性，把零件分成若干組，在每一組零件中選出一個代表性零件( 它可以是實際存在的，也可以是假想的，但必須包括組內(nèi)所有零件的加工要素)，根據(jù)這個代表零件模擬出一套典型的工藝規(guī)程，選定和設計一組機床及工藝設備， 并把它們組成一個專門的加工設計，如果模擬仿真技術(shù)成功就只需要略微做一下調(diào)整，便可以進行加工生產(chǎn)。例如，運用奧匹茲分類方法拆分代號為12031 的零件結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。該零件是一個回轉(zhuǎn)體零件， 所以第一位數(shù)是1；一端有臺階，并有緊固螺紋，所以第二位數(shù)是2；無內(nèi)孔，所以第三位數(shù)是0；需要加工鍵槽，所以第四位數(shù)是3；有四個軸向孔，與其他要素 無位置要求，所以第五位數(shù)是1。按成組方式來組織零件生產(chǎn)時，首先按照零件的結(jié)構(gòu)特征、工藝特征以及加工設備的特征，將各種零件進行分組、歸類與編碼，然后建立每類零件的典型圖庫和成組加工工藝庫。 1.5 數(shù)控機床的精度影響及分析 數(shù)控機床的加工精度目前已經(jīng)有了高速的發(fā)展，數(shù)控機床的加工精度已從原來的絲級(0.01mm) 提升到目前的微米級(0.001mm)。而超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05μm 左右，形狀精度可達0.01μm 左右。采用光、電、化學等能源的特種加工精度可達到納米級(0.001μm)。可以說，數(shù)控機床的精度已經(jīng)進入亞微米、納米級超精加工時代。在這樣高精密 度要求下，必須要把握數(shù)控機床的精度分析，保證不會出現(xiàn)由于操作問題而導致的精度誤差。 1.5.1 間隙誤差的影響 進給機構(gòu)的機械傳動機構(gòu)由減速齒輪、連軸節(jié)、滾珠絲杠副及支承軸承組成。在這些機構(gòu)的組成之中，如果出現(xiàn)一定的連接不穩(wěn)定就會導致間隙的產(chǎn)生，產(chǎn)生的間隙 就會改變整體的加工環(huán)節(jié)誤差。滾珠絲杠與螺母之間的間隙直接影響工作臺的進給精度。設滾珠絲杠與螺母之間的間隙為SF，則反轉(zhuǎn)時造成工作臺進給誤差 δ1=SF。不僅如此，絲杠螺母副的間隙還影響絲杠螺母副的剛度，進而影響工作臺進給精度。針對這些誤差問題必須要轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊僮骺刂品绞?，在機械換向 時，對換向時間和換向方式做出改變。而對于滾珠絲杠與螺母之間間隙的消除方法，要重視對間隙的偏差測定，通過反復的間隙測量來確定出具體的偏差基數(shù)，要求 測出機床各軸的各項原始誤差，比較成熟的測量方法是激光干涉儀，測量精度高。用雙頻激光干涉儀進行誤差測量，需時間長，對操作人員調(diào)試水平要求高，主要是 對誤差測量環(huán)境要求高，常用于三坐標測量機的檢測，不適宜生產(chǎn)現(xiàn)場操作。相對誤差分解、合成補償法，測量方法相對簡單，一次測量可獲得整個圓周的數(shù)據(jù)信 息，同時可以滿足機床精度的檢測和機床評價。目前也有不少的誤差分解的方法，由于機床情況各異，難以找到合適的通用數(shù)學模型進行誤差分解，并且對測量結(jié)果 影響相同的原始誤差項不能進行分解，也難以推廣應用。測定之后要再將這種基數(shù)輸入到程序控制之中，這樣就可以最大限度地保證數(shù)控程序進行時的偏差數(shù)據(jù)最小 化，做到補償適當。具體的補償方法如下：(1) 備份CNC 控制系統(tǒng)中的已有補償參數(shù)；(2) 由計算機產(chǎn)生進行逐點定位精度測量的機床CNC 程序，并傳送給CNC 系統(tǒng)；(3) 自動測量各點的定位誤差；(4) 根據(jù)指定的補償點產(chǎn)生一組新的補償參數(shù)，并傳送給CNC 系統(tǒng)，螺距自動補償完成；(5) 重復進行精度驗證。除此之外，對于脈沖當量補償就是指每輸出一個脈沖后數(shù)控機床移動部件相應的移動量它的大小視機床精度而定，一般為 0.01~0.0005mm。脈沖當量影響數(shù)控機床的加工精度，它的值取得越小，加工精度越高。當然，數(shù)控機床的誤差調(diào)正有兩種方法，一種是靠數(shù)控系統(tǒng)補 償，一種是調(diào)整機械部分，如果對于數(shù)控系統(tǒng)來說進行數(shù)控補償程序會十分復雜困難，那么就可以通過調(diào)整絲杠間隙進行消除。 1.5.2度的反向誤差控制 機床的動態(tài)精度，即機床各軸的定位精度P、重復定位精度Ps 和反向誤差U 等指標。它們是以VDI/DGQ3441 的方法進行檢測?？己藬?shù)控機床的定位精度P 是用以下公式進行計算“P=6+L/300”式中L 代表數(shù)控機床坐標軸的長度。針對數(shù)控機床的定位精度來說，應該是與機床的動態(tài)精度有著密切的利害關(guān)系。其中，反向偏差的測定方法：在所測量坐標軸的行程 內(nèi)，預先向正向或反向移動一個距離并以此停止位置為基準，再在同一方向給予一定移動指令值，使之移動一段距離，然后再往相反方向移動相同的距離，測量停止 位置與基準位置之差。在靠近行程的中點及兩端的三個位置分別進行多次測定( 一般為七次)，求出各個位置上的平均值，以所得平均值中的最大值為反向偏差測量值。在測量時一定要先移動一段距離。如：數(shù)控車輪車軸專用外圓，在磨削工件 的R 與外圓直徑交界處后，發(fā)現(xiàn)有明顯的過渡不圓滑痕跡。那么在處理這類問題的時候，就要考慮該設備在磨削工件時，采用寬砂輪一次性切入磨削，砂輪修正器的金鋼 石筆安裝在工作臺上，利用工作臺Z 軸和砂輪架X軸的復合插補運動，使砂輪的形狀與精度修正成與工件完全一樣，再用修正好的砂輪磨削工件。由于該工件外圓形狀的特殊性，需要X 軸有正負方向的運行，在檢查時發(fā)現(xiàn)X 軸和Z 軸均有明顯的反向間隙存在，使砂輪修正作反向運行時二軸有瞬間停頓現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成輪修圓弧連接處有痕跡，最終使該現(xiàn)象發(fā)生在砂輪磨削工件的表面上。由于 絲杠螺母副之間的間隙存在，當工作臺反向時，必產(chǎn)生反向間隙誤差而影響到工作臺送料定位精度。絲杠螺母副之間的間隙具有兩個特點：(1) 具有相對的穩(wěn)定性，即在一定范圍內(nèi)間隙是一個常數(shù)；(2) 隨著機械傳動的磨損而相應增加。因此，在控制過程中可以預先測出其間隙，利用反向間隙的統(tǒng)計平均值，對其產(chǎn)生的定位誤差進行軟件補償。在軟件設計時，只需 設計一方向寄存器，用來判斷工作臺是否換向，采用不換向不補償，每換向一次補償一次來消除絲杠螺母的反向間隙誤差。 總之，對于數(shù)控機床的加工工藝和精度分析來說，都必須要把握技術(shù)尺度，將合理地操作原理運用到具體的加工環(huán)節(jié)中去，從數(shù)控機床的加工工藝來說，要重視有關(guān) 影響數(shù)控機床加工工藝的若干問題，結(jié)合具體的工藝加工情況，采用理論聯(lián)系實際的操作方法，在編程過程中保證精準、細致，對出現(xiàn)的問題也要及時進行分析、總 結(jié)，確保整個加工工藝路線合理，以能夠有加工出色的產(chǎn)品為最終目的。從數(shù)控機床的精度分析來看，要重視研究提高數(shù)控機床加工精度的方法，首先要對加工設備 產(chǎn)生誤差原因和影響進行合理地剖析，研究影響數(shù)控機床精度的因素，找出間隙誤差和反向誤差的處理方法，開展定位精度的測量。對于數(shù)控機床的工藝和精度控制 來說要依靠數(shù)控編程和仿真技術(shù)的完善以及具體操作的合理，來進行合理有效的機床工藝控制，保證利用現(xiàn)今的數(shù)控技術(shù)來確保加工工藝和精度更加完美，以達到延 長數(shù)控機床使用壽命，提供加工產(chǎn)品優(yōu)秀性的目的。 1.6數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 由于歷史的原因，我國加工設備多，數(shù)控加工設備少；老設備多，新設備少。許多企業(yè)的機床精度差、故障率高。通過機床數(shù)控設計使機床不僅具有好的加工精度，而且還具有數(shù)控機床的功能。對于中小型企業(yè)，沒有足夠的資金來購買全功能的數(shù)控機床，但是使用單板機控制步進電機的經(jīng)濟型開環(huán)數(shù)控機床，具有花錢少、見效快的特點。采用經(jīng)濟型數(shù)控技術(shù)改裝加工批量零件的機床非常合適。微機技術(shù)實現(xiàn)機床簡易數(shù)控的工作原理采用微機技術(shù)實現(xiàn)機床簡易數(shù)控的裝置，主要由單板機、控制程序、零件加工程序、驅(qū)動電源裝置，收發(fā)信板、功率步進電機等部件組成。 圖1.1 經(jīng)濟型數(shù)控車床的系統(tǒng)裝置框圖。 在圖1.1所示的系統(tǒng)裝置中，單板機在控制程序的控制下，可以使數(shù)控系統(tǒng)具有直線插補和圓弧插補加工工件輪廓的功能；具有進給速度控制和快速回零的功能；具有刀具補償和反向間隙補償?shù)墓δ埽约捌渌喾N功能。當零件加工程序給出具體的位移尺寸、位移方向和進給速度后，控制程序就會通過單板機按照所輸入的零件加工程序發(fā)出一系列的脈沖信號。經(jīng)隔離放大以后，分別驅(qū)動 向和 向功率步進電機，使刀架按照要求的方向、速度和位移量實現(xiàn)縱向和橫向運動。從而構(gòu)成了一個經(jīng)濟型開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。用微機技術(shù)實現(xiàn)機床簡易數(shù)控優(yōu)化方案的確定原則 1.6.1控制系統(tǒng)的選擇 目前數(shù)控系統(tǒng)的類型較多，選擇前應對被設計機床的功能有個充分了解，再依據(jù)價格合理、技術(shù)先進、服務方便的原則選擇數(shù)控系統(tǒng)。其中和單片機數(shù)控系統(tǒng)是用得較多的兩種系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心是系列的單片微機。它用三路驅(qū)動電路，分別控制、和向步進電動機，它進行機床的位移運動，并能實現(xiàn)任意二坐標聯(lián)動或三坐標聯(lián)動。單片機是系列微機的典型產(chǎn)品，其硬件功能遠遠高于單板機，尤其適合實時控制、智能儀表、自動機床，是控制類型領域中最理想的八位微型計算機，在全世界都得到廣泛應用。數(shù)控裝置是三坐標（車床）數(shù)控系統(tǒng)，它用國際標準代碼進行編程，除了能執(zhí)行本身的編程指令外，還能執(zhí)行二坐標機床數(shù)控系統(tǒng)的編程指令，而且三坐標系統(tǒng)的各種操作方法（如輸入、修改、刪除及運行加工程序）相同于二坐標系統(tǒng)。 選擇控制系統(tǒng)時應該注意以下幾方面的問題： （1）在資金充足的情況下，盡量選用質(zhì)量好的產(chǎn)品。因為此類數(shù)控系統(tǒng)零件篩選嚴格，制造工藝規(guī)范可靠，能很好地預防電器元件的故障或提前失效引起的設備故障。 （2）應該注重數(shù)控功能的選擇，不應單純追求數(shù)控系統(tǒng)的高性能指標，這對實現(xiàn)較高的性能價格比非常重要。 （3）數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能要與準備設計的數(shù)控機床所能達到的功能相匹配，盡量減少過剩的數(shù)控功能。 1.6.2 選擇設計對象要適宜 采用微機數(shù)控機床加工零件，必須首先編制出加工程序。通常適宜于加工具有一定批量的相類似零件。因此，在選擇適宜于進行設計的機床時，首先必須對各類機床的零件加工情況進行調(diào)查研究，分類統(tǒng)計，看零件有無批量，看各類批量主要在哪種機床上進行加工，以及在哪種型號的機床上進行加工，這樣才能確定出設計對象。一般中小車床上的工件總是比較飽滿，成批量的零件也比較多。因此，用微機技術(shù)把中小車床設計成經(jīng)濟型數(shù)控車床比較適宜。對于一些中小型企業(yè)，為了充分發(fā)揮車床的作用，更需要經(jīng)過設計的車床。這樣既能用數(shù)控系統(tǒng)加工批量零件，又具有臥式車床的功能，以適于加工單件零件。對于一些形狀復雜的零件，機床往往難于加工成形。如果采用機械仿形的方法進行加工，在不成批量的情況下很不合算。這時，用微機技術(shù)設計機床，就可以使問題得到解決，明顯提高企業(yè)加工能力。編程要比制作靠模容易得多，靈活得多。用數(shù)控機床加工形狀復雜的零件是非常適宜的。 1.6.3 機床的機械設計范圍要適當 機床設計范圍的大小，應根據(jù)機床自身精度及性能來決定。以臥式車床為例加以說明。對于舊車床的設計范圍，一般都是把原來的機床進給傳動系統(tǒng)，由主軸箱通過掛輪箱帶動進給變速箱，將運動傳給光杠或絲杠。然后再驅(qū)動溜板運動的傳動過程，設計為由功率步進電機通過消隙減速齒輪，直接帶動滾珠絲杠，使刀架分別實現(xiàn)縱向運動和 橫向運動，進行兩個坐標的控制。對于精度符合要求的車床，為了實現(xiàn)簡易數(shù)控設計，一般都是對車床的部件基本不動，只是把床鞍的縱向滑動絲杠副設計為縱向滾珠絲杠副。在縱向滾珠絲杠的右端安裝一套消隙減速箱和功率步進電機。同時也把中滑板的橫向滑動絲杠副設計為橫向滾珠絲杠副，在橫向滾珠絲杠的外端安裝一套消隙減速箱和功率步進電機，從而使車床的縱向和橫向運動既能用微機系統(tǒng)進行控制，又能由操作者進行操作。在機床設計過程中，只要把溜板箱中的開合螺母及中滑板上的滑動螺母拆除，在合適的位置上安裝好滾珠螺母座即可。在電氣控制方面，為了避免數(shù)控操作與操作相干涉，發(fā)生操作失誤現(xiàn)象，必須有電氣連鎖開關(guān)控制操作轉(zhuǎn)換。對于全新或較新車床，在進行簡易數(shù)控設計時，一般都是全部保留機床的零部件。直接把消隙減速箱和功率步進電機分別按裝在縱向滑動絲杠的右端和橫向滑動絲杠的外端。從而也可以使車床同時具有操作功能和簡易數(shù)控功能。 1.6.4 輔助設計要合適 如果在設計后的簡易數(shù)控車床上，采用一把刀可以完成全部車工工序，就沒有必要對刀架進行設計。但有時會出現(xiàn)一個工件需要兩把刀或幾把刀來分別完成兩個或幾個工序的情況，這時可根據(jù)每把刀的使用情況，分別進行編程，通過一個程序，使用一把刀，來完成一個工序。使原來操作使用的刀架在數(shù)控操作時也可以使用。這樣，根據(jù)設計后車床的主要加工對象，確定刀架是否需要進行設計，可以使設計費用使用得更加合理，避免發(fā)生設計過?，F(xiàn)象。如果設計后的簡易車床，主要用來加工比較復雜的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部車工工序，就必須對刀架部件進行設計。一般可采用安裝有四把刀、由鼠牙盤定位、進行絕對刀位控制的自動回轉(zhuǎn)刀架比較合適。重復定位誤差可小于 ，精度持久性比較好。這種刀架出廠時，就規(guī)定了刀號位置。當需要幾號刀在加工位置時，只需對該刀控制信號口發(fā)出信號，刀架就會自動轉(zhuǎn)到需要的位置。設計后的簡易數(shù)控車床需要加工螺紋時，可以在主軸后端同軸安裝或異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信號反饋元件。目的是為了檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，并且將其變化情況輸送給單板機，使單板機能按照所需加工的螺距進行處理?？刂瓶v向步進電機運動，通過縱向滾珠絲杠帶動刀架完成螺紋加工。 4.結(jié)束語 采用微機技術(shù)設計機床，選用優(yōu)化方案，實現(xiàn)簡易數(shù)控，對機床結(jié)構(gòu)改動不大，安裝簡單，操作簡便，測量精度較高，可以使機床實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)效率，減輕工人勞動強度，適于加工具有復雜形狀的零件和小批量零件。產(chǎn)品精度一般可以提高個等級，工效提高 ，改裝費用幾個月即可收回。這種技術(shù)在我國中小企業(yè)中，是適合于廣泛推廣的技術(shù)。 1.7數(shù)控機床的發(fā)展趨向 高速化、高精度化、高可靠性、復合化、智能化、柔性化、集成化和開放性是當今數(shù)控機床行業(yè)的主要發(fā)展方向。 數(shù)控技術(shù)的問世已有40多年的歷史，它是由機械學、控制學、電子學、計算機科學四大基礎學科發(fā)展起來的一門綜合性新型學科。技術(shù)發(fā)展的需要對21 世紀的數(shù)控技術(shù)提出了更高的要求。 1.7.1 個性化的發(fā)展趨勢 1.高速化、高精度化、高可靠性 高速化：提高進給速度與提高主軸轉(zhuǎn)速。 高精度化：其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(高可靠性：一般數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于數(shù)控設備的可靠性在一個數(shù)量級以上，但也不是可靠性越高越好，因為商品受性能價格比的約束。 2.復合化 數(shù)控機床的功能復合化的發(fā)展，其核心是在一臺機床上要完成車、車、鉆、攻絲、絞孔和擴孔等多種操作工序，從而提高了機床的效率和加工精度，提高生產(chǎn)的柔性。 3.智能化 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便等方面的智能化；簡化編程、簡化操作方面的智能化；還有如智能化的自動編程、智能化的人機界面等，以及智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維修。 4.柔性化、集成化 當今世界上的數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復合加工機床)、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段車間獨立制造島FA)、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術(shù)。 1.7.2 個性化是市場適應性發(fā)展趨勢 當今的市場，國際合作的格局逐漸形成，產(chǎn)品競爭日趨激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不斷升級，用戶的個性化要求日趨強烈，專業(yè)化、專用化、高科技的機床越來越得到用戶的青睞。 1.7.3 開放性是體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢 新一代數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)核心是開放性。開放性有軟件平臺和硬件平臺的開放式系統(tǒng)，采用模塊化，層次化的結(jié)構(gòu)，并通過形式向外提供統(tǒng)一的應用程序接口。 為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究， 數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年的一個新的焦點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機。 第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案設計內(nèi)容 (1) 數(shù)控機床工作原理： 數(shù)控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關(guān)等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合要求的零件。 (2) 數(shù)控機床的組成： 數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1 圖2-1數(shù)控機床的組成圖 一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。 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 2.3 可行性論證 根據(jù)《自動化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術(shù)和經(jīng)濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù)。同樣，在進行數(shù)控車床的經(jīng)濟型數(shù)控設計之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。 根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，數(shù)控車床的經(jīng)濟型數(shù)控設計的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標，設計的基礎條件、目標、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，設計后車床的實施計劃，結(jié)論等。 由于本設計僅作為大學本科生的畢業(yè)設計，故在此，設計者僅對設計的投資概算作一簡要的可行性論證。 本設計設計是對數(shù)控車床進行經(jīng)濟型數(shù)控設計。在設計設計中，采用自己設置的數(shù)控裝置，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調(diào)速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設備設計費用和舊設備費用總計不會超過8萬元。因此，對數(shù)控車床作經(jīng)濟型數(shù)控設計適合我國國情，是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。 第3章 確定切削用量及選擇刀具 3.1科學選擇數(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，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據(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)刀具復雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復雜和精度高的刀具壽命應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)刀比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化 加工刀具，刀具壽命應選得高些，尤應保證刀具可靠性。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某工序單位時 間內(nèi)所分擔到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應選得低些。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。對刀點可以設置在加工零件上，也可以設置在夾具上或機床上，為了提 高零件的加工精度，對刀點應盡量設置在零件的設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，換刀點應設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;當加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應選 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，可以設定該機床數(shù)控系統(tǒng)設定的最高進給速度。 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，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 Φ600mm傳動系統(tǒng)圖的設計 4.1主傳動系統(tǒng)的設計要求 數(shù)控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應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 電磁離合器是應用電磁效應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，并確定冷卻通風方式。所選電動機功率應留有余量，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 高加減速,起制動能力 具有強魯棒性,能適應環(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,低服務價格 通用要求 耐用性,可維護性,安全可靠性 感應電機交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應用于各種數(shù)控機床上。 經(jīng)過對比分析本設計中決定采用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。要綜合考慮電機性能、價格、車床性能要求等因素來選擇 [10] 。 本課題中數(shù)控機床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為25r/min~1250r/min。由于只有一根中間 傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數(shù)較少，故對電動機恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。同步帶輪傳動比確定為，I軸上齒輪傳動比確定為，II軸上兩對直齒輪的傳動比分別為，所以兩條傳動鏈中，高速傳動鏈傳動比4，低速傳動鏈傳動比，由此可得電機的轉(zhuǎn)速范圍： （5）確定電機的型號 由前面信息，可選取VFNC系列變頻主軸電機型號VFNC 132M-33.3-5.5-4。VFNC系列變頻主軸電機的特點：1. 雙功率設計，應對短時重載切削。2. 恒功率范圍寬，可實現(xiàn)1:6倍恒功率設計3. 導入基頻33.3Hz設計（是我司“基頻制設計原理”在機床主軸電機上的成功應用），達成低速力矩大，確保低速強力切削，超寬恒功率調(diào)速范圍，保障高速切削光潔度。 降低變頻器功率，節(jié)省成本和電源容量。 ?VFNC系列變頻主軸電機特別適合數(shù)控車床類機床的主軸驅(qū)動，配合高性能矢量變頻器或主軸驅(qū)動器，更能發(fā)揮其優(yōu)良的主軸特性，成為性能與經(jīng)濟性具佳的數(shù)控車床類機床的變頻主軸驅(qū)動方案。電機參數(shù)如下表所示： 表2.2 電機參數(shù) 型號 S1-100%連續(xù)額定 S6-50% ED 轉(zhuǎn)動慣量G （） 恒轉(zhuǎn)矩范圍 恒功率范圍 額定功率Kw 額定電流A 額定轉(zhuǎn)矩Nm 額定功率Kw 額定電流A 額定轉(zhuǎn)矩Nm 0.0524 1-33.3Hz， 30~1000r/min S1-100%, 1000~6000 r/min S6-50%, 1000~4500 r/min VFNC 132M-33.3-5.5-4 5.5 14.1 54 5.5 19.2 74 機座長為470mm，電機軸徑為，軸伸為60mm，中心高115mm，其余安裝尺寸及其外形由資料[7]得。 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 主運動調(diào)速范圍的確定 （本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[12]） ∵數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速范圍30～1450r/min 則數(shù)控車床總變速范圍 =48.33 因為數(shù)控機床主軸的變速范圍大于計算轉(zhuǎn)速的實際值同時為了便于計算 故?。? 主軸的恒功率變速范圍 電機的恒功率變速范圍 由于Rnp>>Rdp，電動機直接驅(qū)動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。 取，則對于數(shù)控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應使轉(zhuǎn)速有一些重復，故取Z=2 故前面?zhèn)鲃颖确峙淇扇　? 各軸計算轉(zhuǎn)速 各軸輸入功率 各軸輸入轉(zhuǎn)矩 將以上計算結(jié)果整理后列于表2.2，供以后計算選擇，供以后計算使用： 表2.3 各軸的傳動參數(shù) 參數(shù) 軸 0軸（電機軸） I軸(傳動軸） II軸（中間傳動軸） III軸（主軸) 計算轉(zhuǎn)（） 1000 416.7 208 104/416.7