摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。數(shù)控化技術(shù)涉及機(jī)械、電子、以及控制等多門(mén)學(xué)科，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)之一，是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械裝備發(fā)展水平的重要標(biāo)志。雖然這門(mén)學(xué)科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，是綜合國(guó)力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應(yīng)該重視該學(xué)科的研究，并大力發(fā)展這門(mén)學(xué)科，逐漸縮小與日美等發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車(chē)床區(qū)別于普通車(chē)床的一個(gè)特殊部分。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對(duì)于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開(kāi)發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。本次設(shè)計(jì)是對(duì) CK6140 車(chē)床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)主要是結(jié)合國(guó)內(nèi)的具體國(guó)情，針對(duì)于廣大的用戶所設(shè)計(jì)的。遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上那些外國(guó)的設(shè)備所達(dá)到的精度。當(dāng)然，時(shí)代在發(fā)展，隨著我國(guó)的正和國(guó)力迅速攀升，在不久的將來(lái)那些精度要求比較高的數(shù)控設(shè)備一定出現(xiàn)在中國(guó)的大部分企業(yè)中。關(guān)鍵字： 發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控車(chē)床 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 滾珠絲桿 AbstractAlong with the science technical fast fierce development, number's controling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level. The technology of numerical control turns a technique to involve a machine, electronics, and control etc. several subjects, is one of the foundation technique and core techniques of modern and industrial most, is the important marking which measures a national development level of the machine material. Although this academics is still be placed in a development a stage, many orieses are still placed in research and perfect stage, it represents the machine industrial technique revolution of ex- follow a direction, is comprehensive another concrete body of national strength now. Therefore, we should value the research of that academics, and strongly develop this academics, contract to wait with day the United States gradually flourishing nation of margin. The feed system of numerical control lathe in general are used feed servo system. Servo system of the technical performance and reliability for numerical control machine tools are of great significance, research and development performance Servo system has been a modern numerical control which is the key technology of machine tools.This design is to control to design a feed servo system to the number of Ck6140 lather. This design is mainly to combine local concrete state of the nation and aim at at what large customer design. Far and far can not compare with the accuracy that the equipments of those foreign countries attain. Certainly, the ages is in the development, along with our country of positive with the national strength quickly increase, in the near future those greatly parts of business enterprises that the accuracy requests higher number to control an equipments and must appear in China in.Keyword：trend of development numerically controlled lathe feed servo system ball screw 第 1 頁(yè)摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。數(shù)控化技術(shù)涉及機(jī)械、電子、以及控制等多門(mén)學(xué)科，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)之一，是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械裝備發(fā)展水平的重要標(biāo)志。雖然這門(mén)學(xué)科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，是綜合國(guó)力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應(yīng)該重視該學(xué)科的研究，并大力發(fā)展這門(mén)學(xué)科，逐漸縮小與日美等發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車(chē)床區(qū)別于普通車(chē)床的一個(gè)特殊部分。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對(duì)于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開(kāi)發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。本次設(shè)計(jì)是對(duì) CK6140 車(chē)床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)主要是結(jié)合國(guó)內(nèi)的具體國(guó)情，針對(duì)于廣大的用戶所設(shè)計(jì)的。遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上那些外國(guó)的設(shè)備所達(dá)到的精度。當(dāng)然，時(shí)代在發(fā)展，隨著我國(guó)的正和國(guó)力迅速攀升，在不久的將來(lái)那些精度要求比較高的數(shù)控設(shè)備一定出現(xiàn)在中國(guó)的大部分企業(yè)中。關(guān)鍵字： 發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控車(chē)床 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 滾珠絲桿 第 2 頁(yè)AbstractAlong with the science technical fast fierce development, number's controling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level. The technology of numerical control turns a technique to involve a machine, electronics, and control etc. several subjects, is one of the foundation technique and core techniques of modern and industrial most, is the important marking which measures a national development level of the machine material. Although this academics is still be placed in a development a stage, many orieses are still placed in research and perfect stage, it represents the machine industrial technique revolution of ex- follow a direction, is comprehensive another concrete body of national strength now. Therefore, we should value the research of that academics, and strongly develop this academics, contract to wait with day the United States gradually flourishing nation of margin. The feed system of numerical control lathe in general are used feed servo system. Servo system of the technical performance and reliability for numerical control machine tools are of great significance, research and development performance Servo system has been a modern numerical control which is the key technology of machine tools.This design is to control to design a feed servo system to the number of Ck6140 lather. This design is mainly to combine local concrete state of the nation and aim at at what large customer design. Far and far can not compare with the accuracy that the equipments of those foreign countries attain. Certainly, the ages is in the development, along with our country of positive with the national strength quickly increase, in the near future those greatly parts of business enterprises that the accuracy requests higher number to control an equipments and must appear in China in.Keyword：trend of development numerically controlled lathe feed servo system ball screw第 3 頁(yè)目錄1.緒論 .11.1 課題背景和目的 .11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) .21.3 課題的研究?jī)?nèi)容和方法 .81.4 論文構(gòu)成 .92.總體設(shè)計(jì) 92.1 床身和導(dǎo)軌設(shè)計(jì) .92.2 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì) .112.3. 刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì) 113.主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 123.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 123.2 總體設(shè)計(jì) .123.3. 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .174.橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .274.1 已知技術(shù)參數(shù) 284.2 滾珠絲桿副的計(jì)算與選擇 .284.3 滾珠絲桿副的校核 .304.4 伺服電機(jī)的計(jì)算 .355.縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .365.1 已知技術(shù)參數(shù) 365.2 滾珠絲桿副的計(jì)算與選擇 .365.3 滾珠絲桿副的校核 .405.4 伺服電機(jī)的計(jì)算 .42第 4 頁(yè)結(jié)論及致謝…………………………………………………………………………………………………………………………43參考文獻(xiàn) . 441 緒論1.1 課題背景和目的在我國(guó)，數(shù)控技術(shù)與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來(lái)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。特別是在通用微機(jī)數(shù)控領(lǐng)域，以 PC 平臺(tái)為基礎(chǔ)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)走在了世界前列。但是，我國(guó)在數(shù)控技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面亦存在不少問(wèn)題，特別是在技術(shù)創(chuàng)新能力、商品化進(jìn)程、市場(chǎng)占有率等方面情況尤為突出。我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來(lái)的產(chǎn)品國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。在新世紀(jì)到來(lái)時(shí)，如何有效解決這些問(wèn)題，使我國(guó)數(shù)控領(lǐng)域沿著可持續(xù)發(fā)展的道路，從整體上全面邁入世界先進(jìn)行列，使我們?cè)趪?guó)際競(jìng)爭(zhēng)中有舉足輕重的地位，將是數(shù)控研究開(kāi)發(fā)部門(mén)和生產(chǎn)廠家所面臨的重要任務(wù) [1]。而相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有以下明顯的優(yōu)越性：（1） 提高生產(chǎn)率。數(shù)控機(jī)床能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，增加切削加工時(shí)間的比率。采用最佳參數(shù)和最佳走刀路線，縮短加工時(shí)間，從而提高生產(chǎn)率。（2） 數(shù)控機(jī)床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。由于它是按照程序自動(dòng)加工不需要人工干預(yù)，其加工精度還可以利用軟件進(jìn)行校正及補(bǔ)償，故可以獲得比機(jī)床本身精度還要高的精度和重復(fù)精度。（3） 有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性。通過(guò)改變程序，就可以加工新產(chǎn)品的零件，能夠完成很多普通機(jī)床難以完成或者根本不能加工的復(fù)雜型面零件的加工。（4） 可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。一些數(shù)控機(jī)床，可以自動(dòng)換刀，一次裝卡后，幾乎第 5 頁(yè)能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設(shè)備和廠房面積。（5） 可以進(jìn)行精確的成本計(jì)算和生產(chǎn)進(jìn)度安排，減少在制品，加速資金周轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。（6） 不需要專(zhuān)用夾具。采用普通的通用夾具就能滿足數(shù)控加工的要求。節(jié)省了專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì)制造和存放的費(fèi)用。（7） 大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 [2]。因此，采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床） ，減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)。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(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例逐漸增大。從 2004 年的市場(chǎng)消費(fèi)內(nèi)容也可可看出,普通機(jī)床的市場(chǎng)份額在下降,數(shù)控機(jī)床則強(qiáng)烈增長(zhǎng)，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床供不應(yīng)求?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)幾年普通機(jī)床的市場(chǎng)份額將不斷下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)會(huì)逐漸擴(kuò)大。 [1]在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控車(chē)床——CK6140 ，用于對(duì)轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動(dòng)加工，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。此外，力求完成課題之余，熟悉國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),增強(qiáng)對(duì)如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識(shí)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 我國(guó)數(shù)控車(chē)床的研究現(xiàn)狀我國(guó)從 1958 年開(kāi)始研究數(shù)控機(jī)床，一直到 20 世紀(jì) 60 年代中期還處于研制、開(kāi)發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校、科研單位研制出試驗(yàn)性樣機(jī)，是從電子管起步的。目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家有 100 多家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)有 300 余第 6 頁(yè)家，產(chǎn)品品種包括八大類(lèi) 2000 種以上。目前以新開(kāi)發(fā)出數(shù)控系統(tǒng) 80 余種。分為 3 種型級(jí)，即經(jīng)濟(jì)型、普及型和高級(jí)型?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，數(shù)控機(jī)床新開(kāi)發(fā)品種 300 余種，已有一定的覆蓋面。新開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國(guó)際上 20 世紀(jì) 80 年代中期水平，部分達(dá)到 90 年代水平，為國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床 [2]。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)都經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變機(jī)制的艱苦磨礪過(guò)程。近期，國(guó)家為擴(kuò)大內(nèi)需，通過(guò)加大技改投資和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的措施來(lái)拉動(dòng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)消費(fèi)。目前，中國(guó)機(jī)床工業(yè)廠多人眾。2000 年，金切機(jī)床制造廠約 358 家(20.6 萬(wàn)人)，成形機(jī)床制造廠 191 家(約 6.5 萬(wàn)人)，共計(jì) 549 家(27.1 萬(wàn)人)。其中生產(chǎn)數(shù)控金切機(jī)床的約 150 家，生產(chǎn)數(shù)控成形機(jī)床的約 30 家，共計(jì)約 180 家，占廠家總數(shù)的 1/3。2001年金切機(jī)床產(chǎn)量 19.2 萬(wàn)臺(tái)，內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床 17,521 臺(tái)，約占 9%?？偟膩?lái)說(shuō)：數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，2001 年為 1991 年的 3.6 倍；進(jìn)口量增長(zhǎng)較快，達(dá) 29 倍，出口量有所增加，但數(shù)目較小，為 4.8 倍；數(shù)控機(jī)床消費(fèi)量增加較快，達(dá) 7.9倍。產(chǎn)量滿足不了社會(huì)發(fā)展的需求。在 20 余年間，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)的人才；通過(guò)合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計(jì)、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)的差距；通過(guò)利用國(guó)外先進(jìn)元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開(kāi)始能自行設(shè)計(jì)及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動(dòng)加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，但對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動(dòng)化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國(guó)外技術(shù)支撐，不能獨(dú)立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開(kāi)發(fā)階段，與日本數(shù)控機(jī)床的水平差距很大。存在的主要問(wèn)題包括：缺乏象日本“ 機(jī)電法” 、 “機(jī)信法”那樣的指引；嚴(yán)重缺乏各方面專(zhuān)家人才和熟練技術(shù)工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專(zhuān)業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力 [3]。1.2.2 進(jìn)給系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀第 7 頁(yè)數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車(chē)床區(qū)別于普通車(chē)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控車(chē)床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行件和檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動(dòng)控制單元和驅(qū)動(dòng)元件組成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械傳動(dòng)部件和執(zhí)行元件組成機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。檢測(cè)元件與反饋電路組成檢測(cè)系統(tǒng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測(cè)裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測(cè)裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類(lèi)型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)，后者則完全置機(jī)械傳動(dòng)部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在工作臺(tái)上，機(jī)械傳動(dòng)部件整個(gè)被包括在位置環(huán)之內(nèi)。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉。由于影響定位精度的機(jī)械傳動(dòng)裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機(jī)械傳動(dòng)部件在控制環(huán)內(nèi)，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且還與機(jī)械傳動(dòng)部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對(duì)機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測(cè)裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用。直流伺服電動(dòng)機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動(dòng)機(jī)的容量和速度。電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動(dòng)機(jī)效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體第 8 頁(yè)體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)：數(shù)字控制，是一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)控制對(duì)象加以控制的一種方法。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成。1. 信息載體信息載體又稱(chēng)控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床上加工一個(gè)零件所必需的各種信息，以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過(guò)相應(yīng)的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機(jī)床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤(pán)將加工信息直接輸入，或通過(guò)竄行口將計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級(jí)的數(shù)控系統(tǒng)可能還包含一套自動(dòng)編程機(jī)或者 CAD/CAM 系統(tǒng)。2. 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來(lái)的加工信息，經(jīng)計(jì)算和處理后去控制機(jī)床的動(dòng)作。它由硬件和軟件組成。硬件除計(jì)算機(jī)外，其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)、CRT、鍵盤(pán)、面板、機(jī)床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組成。數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作可概括為：機(jī)床主運(yùn)動(dòng)、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償、其它輔助運(yùn)動(dòng)等。3. 伺服系統(tǒng)它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動(dòng)部件,它接受數(shù)控裝置發(fā)來(lái)的各種動(dòng)作命令，驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、電液馬達(dá)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。第 9 頁(yè)4. 機(jī)床它是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但也做了很多改進(jìn)和提高，它的主要特點(diǎn)是：由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸及伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，因此數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短；為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)地自動(dòng)化加工，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較?。桓嗟夭捎酶咝鲃?dòng)部件，如滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等；不少數(shù)控機(jī)床還采用了刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置以提高機(jī)床工作效率 [1]。數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)床、精密機(jī)床和萬(wàn)能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng)特性的改善以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)等方面都有很高的要求。伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來(lái)自 CNC 裝置的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。這些軸有的帶動(dòng)工作臺(tái)，有的帶動(dòng)刀架，通過(guò)幾個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。它包含機(jī)械、電子、電機(jī)(早期產(chǎn)品還包含液壓)等各種部件，并涉及到強(qiáng)電與弱電控制，是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個(gè)既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當(dāng)高的技術(shù)性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，的確是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對(duì)于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開(kāi)發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示：由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動(dòng)剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。第 10 頁(yè)伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求：1） 從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。2） 電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載 4-6 倍而不損壞。3） 為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受 4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在 0.2s 以內(nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。4） 電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開(kāi)始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字 PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高 [4]。圖 1.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第 11 頁(yè)1.2.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車(chē)、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代化發(fā)展的大趨勢(shì)。當(dāng)前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備的發(fā)展呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：（1）高精度化 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新材料及新零件的出現(xiàn)，對(duì)精密加工技術(shù)不斷提出新的要求，提高加工精度，發(fā)展新型超精密加工機(jī)床，完善精密加工技術(shù)，適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展，已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展之一。其精度已從微米級(jí)到亞微米級(jí)，乃至納米級(jí)。提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度，一般可通過(guò)減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。（2）高速化 提高生產(chǎn)率是數(shù)控機(jī)床追求的基本目標(biāo)之一。數(shù)控機(jī)床高速化可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度，對(duì)制造野實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)具有廣泛的適用性。（3）高柔性化 采用柔性自動(dòng)化設(shè)備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率，縮短生產(chǎn)周期，適應(yīng)市場(chǎng)變化需求和提高競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。數(shù)控機(jī)床在提高單機(jī)柔性化的同時(shí)，朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。（4）高自動(dòng)化 高自動(dòng)化是指在全部加工過(guò)程中盡量減少人的介入而自動(dòng)完成規(guī)定的任務(wù)，它包括物料流和信息流的自動(dòng)化。（5）智能化 隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透與發(fā)展，為適應(yīng)制造業(yè)生產(chǎn)柔型化、自動(dòng)化發(fā)展需要，智能化正成為數(shù)控機(jī)床研究和發(fā)展的熱點(diǎn)，它不僅貫穿在生產(chǎn)加工的全過(guò)程（如智能編程、智能數(shù)據(jù)庫(kù)、智能監(jiān)控），還貫穿在長(zhǎng)品的售后服務(wù)和維修中。第 12 頁(yè)（6）復(fù)合化 復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已模糊了粗、精加工工序的概念。（7）高可靠性 數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的。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(zhuān)用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性。（8）網(wǎng)絡(luò)化 為了適應(yīng) FMC、FMS 以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成 CIMS 的要求，先進(jìn)的CNC 系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)能力，除有 RS232 串行接口、RS422 等接口外，還帶有遠(yuǎn)程緩沖功能的 DNC 接口，可以實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信和直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。（9）開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu) 20 世紀(jì) 90 年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)數(shù)控機(jī)床技術(shù)更快地更新?lián)Q代，世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用 PC 機(jī)豐富的軟硬件資源開(kāi)發(fā)開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng) [4]。1.3 課題研究?jī)?nèi)容和方法1.3.1 課題研究?jī)?nèi)容本課題設(shè)計(jì)的數(shù)控車(chē)床的主要參數(shù)如下：工件最大回轉(zhuǎn)直徑：?400mm；最大加工直徑：?280mm橫向最大行程（X 軸）：180 mm；縱向最大行程（Z 軸）：650 mm最大車(chē)削長(zhǎng)度：500mmm；X,Z 軸的最小設(shè)定單位：0.001mm主軸最大/最小轉(zhuǎn)速：R=100-200 4000/45r/min快速進(jìn)給速度：橫向：8 m/min；縱向:15m/min刀架估計(jì)質(zhì)量：150kg；1.3.2 研究方法第一步，明確設(shè)計(jì)要求，找出研究重難點(diǎn)：普通數(shù)控車(chē)床最基本的要求是精度達(dá)第 13 頁(yè)標(biāo)，穩(wěn)定可靠，操作、維修、保養(yǎng)方便，壽命較長(zhǎng)，此外力求外型美觀。第二步，進(jìn)工廠觀摩，大量收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料。吸取專(zhuān)家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。第三步，初步確定總體設(shè)計(jì)方案：1、 軟件方面：綜合考慮功能、價(jià)格、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便等因素，以及數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能是否與 CK6140 的性能相匹配。選擇了SINUMERIK 802D 機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)。2、 硬件方面：（1） 根據(jù)機(jī)床性能要求，確定機(jī)床支撐件結(jié)構(gòu)形式為斜床身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行總體布局；（2） 選擇主電機(jī)。根據(jù)切削力大小及機(jī)床的變速要求，初步確定主電機(jī)型號(hào)；（3） 設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)及箱體。由主電機(jī)的變速范圍，確定變速箱的減速級(jí)數(shù)及傳動(dòng)方式。1.4 論文構(gòu)成1. 機(jī)床總體設(shè)計(jì)方案及總體布局圖2. 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)4. 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)5. CK20 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)6. 典型零件的數(shù)控車(chē)削加工程序編制7. 外文資料文獻(xiàn)翻譯8. 撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說(shuō)明書(shū)）第 14 頁(yè)2 總體設(shè)計(jì)2.1 床身和導(dǎo)軌設(shè)計(jì)(1)床身 機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，是機(jī)床的主體，一般用來(lái)放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。床身的結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床的布局有很大的影響。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對(duì)位置，床身有圖 1 所示的 5 種布局形式。一般來(lái)說(shuō)，中、小規(guī)格的數(shù)控車(chē)床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車(chē)床或小型精密數(shù)控車(chē)床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對(duì)提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長(zhǎng)，加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，床身寬度也不會(huì)太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車(chē)床中被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)檫@種布局形式具有以下特點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；機(jī)床外形整齊、美觀，占地面積小；容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置；容易排屑和安裝自動(dòng)排屑器； 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度； 宜人性好，便于操作； 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化。這次設(shè)計(jì)中，我們采用的是 45 度斜床身。(2)導(dǎo)軌 車(chē)床的導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。 滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻第 15 頁(yè)力大，磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車(chē)床已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤(rùn)滑。這次設(shè)計(jì)中采用的是新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。機(jī)床床身的五種結(jié)構(gòu)形式圖示如下：(a) 斜床身—斜滑板 (b) 直立床身—直立滑板 (c) 平床身—平滑板(d) 前斜床身—平滑板 (e) 平床身—斜滑板圖 1.1 床身結(jié)構(gòu)示意圖2.2 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床大多數(shù)是不能自動(dòng)變速的，需要變速時(shí)，只能把機(jī)床停止，然后第 16 頁(yè)手動(dòng)變速。而全功能數(shù)控車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用無(wú)級(jí)變速。目前，無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)，通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過(guò)帶傳動(dòng)和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無(wú)級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。主軸電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩。這次設(shè)計(jì)中采用二級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)。2.3 刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控車(chē)床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平。按換刀方式的不同，數(shù)控車(chē)床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置等多種形式。(1) 排式刀架排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車(chē)床，以加工棒料或盤(pán)類(lèi)零件為主。這種刀架在刀具布置和機(jī)床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車(chē)削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車(chē)削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿 X 軸移動(dòng)預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動(dòng)作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。(2) 回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車(chē)床最常用的一種典型換刀刀架，通過(guò)刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤(pán)式刀架，并相應(yīng)地安裝 4 把、6 把或更多的刀架。(3) 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置上述排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個(gè)刀架，對(duì)刀具的數(shù)目也有一定限制。第 17 頁(yè)基于以上原因，本次設(shè)計(jì)中采用六工位臥式回轉(zhuǎn)刀架。3 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求數(shù)控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動(dòng)要求以外，還提出以下要求：1、 具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；2、 具有較高的精度和剛度、傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低；3、 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。3.2 總體設(shè)計(jì)3.2.1 擬定傳動(dòng)方案數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)換刀、自動(dòng)變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時(shí)，需要切削直徑的變化，主軸必須通過(guò)自動(dòng)變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)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(wú)級(jí)調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍大（R=100—200） ，單靠調(diào)速電機(jī)無(wú)法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭轉(zhuǎn)矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求匹配。因此，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無(wú)級(jí)變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和扭矩特性。為簡(jiǎn)第 18 頁(yè)化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方案如圖 2.1；3.2.2 選擇電機(jī)1、選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問(wèn)題：（1）根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。（2）根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過(guò)載能力額啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)功率，并確定冷通風(fēng)方式。所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取 0.8—0.9。（3）根據(jù)使用場(chǎng)所得環(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(hù)措施，選擇電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)型式。（4）根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因素的要求，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類(lèi)型。第 19 頁(yè)（5）根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價(jià)格、維護(hù)等等因素。2、電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)形式的選擇由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能（旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動(dòng)態(tài)剛度，振動(dòng)抑制等） ，因此，主軸選擇選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩?lái)說(shuō)，選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在價(jià)格與性能之間找出一種理想的折衷。表一簡(jiǎn)要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。表 1.1 理想主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能項(xiàng)目 內(nèi)容第 20 頁(yè)高性能1、低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩2、寬恒功率范圍，并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩3、高旋轉(zhuǎn)精度4、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)5、高加減速，起制動(dòng)能力6、具有強(qiáng)魯棒性，能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化7、高效率，低噪聲。低價(jià)格 低夠買(mǎi)價(jià)格，低維護(hù)價(jià)格，低服務(wù)價(jià)格通用要求 耐用性，可維護(hù)性，安全可靠性。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點(diǎn)幾 KW 到上百 KW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析本設(shè)計(jì)中決定采用 FANUaci 系列交流主軸電機(jī)。aci 系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速、高精控制，并使機(jī)床更緊湊。3、電動(dòng)機(jī)容量的選擇選擇電動(dòng)機(jī)容量就是合理確定電動(dòng)機(jī)的額定功率。決定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過(guò)載能力和啟動(dòng)能力三方面因素，但一般情況下電動(dòng)機(jī)容量主要由運(yùn)行發(fā)熱條件而定。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對(duì)于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，只要其所需輸出功率不超過(guò)其額定功率，工作時(shí)就不會(huì)過(guò)熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算，本設(shè)計(jì)中電機(jī)容量按以下步驟確定：（1） 確定主軸切削力切削力的大小可用各種測(cè)力儀測(cè)得，也可用實(shí)驗(yàn)得出的近似公式計(jì)算：第 21 頁(yè)(2.1)PZXYZFCtsk?(2.2) vPZhPZk??料(2.3)PZXYZvhPZFtskk???料 (公 斤 力 )式中 ——系數(shù)。決定于工件材料和加工方法，在一定的切削條件（v、s、tPZC固定）下， 為一常數(shù)。 大表示工件材料的加工性差； 小表示工件材料的加PZ PZC工性好。k——總的修正系數(shù)。決定于工件材料、切削用量和刀具幾何形狀等。——分別為工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨損限vPZhPZk??料度對(duì) P 的修正系數(shù)。、 ——指數(shù)。一般情況下 。這說(shuō)明吃刀深度對(duì)切削力的影響要比ZXYPZXY走刀量對(duì)切削力的影響大。下表所列為的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)。這些系數(shù)在下列條件下制定：刀片材料為硬質(zhì)合金，工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼， ， ， ，275/b??公 斤 力 毫 米 50/v?米 分 45???， ，后刀面磨損限度 h=0.9-1.2 毫米，切削時(shí)不用冷卻液，車(chē)削外圓。10??????它們的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)之值也各有不同，可從有關(guān)手冊(cè)中查得。表 2.1系 數(shù) 及 指 數(shù)工件材料 PZCPZXPZY結(jié)構(gòu)鋼 167 1．0 0．75第 22 頁(yè)修 正 系 數(shù)b??40 50:50 60 60 70:70 80 80 90:90 100工 件材 料 =PZk料 0．84 0．90 0．95 1．0 1．04 1．09v= 50 100 200 300 400 500切 削速 度 =vPZk1．0 0．90 0．82 0．77 0．74 0．71φ= 30° 45° 60° 70° 90°主 偏角 =PZk?1．08 1．0 0．94 0．94 0．89γ= +20° +10° 0° -10° -20°前 角=PZk?0．90 1．0 1．1 1．2 1．3h= 0．9 1.2:1.5 2.0:后刀面磨損限度=hPZk1.0 1.05=167, =1.0, =0.75 取 =1.09， =1.08PZCZXZYPZk料 PZk?=0.9， =1.3， =1.05vkP?hPk切深 t 取 5mm，進(jìn)給量取 0.3mm/r。= 切削速度 V=105m/min切 削 10260ZZFvkw??=P切 削 489.51.397Z k（2） 確定電機(jī)輸出功率 Pd第 23 頁(yè)P(yáng)?切 削d=傳動(dòng)裝置的總效率： = 123其中， —圓柱直齒輪傳動(dòng)效率，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 1-7 查得 =0.98?1 ?1—II 軸軸承效率，由設(shè)計(jì)手冊(cè) 1-7 查得 =0.99×0.99=0.982 2—III 軸（主軸）軸承效率，由設(shè)計(jì)手冊(cè)表 1-7 查得 =0.99×0.99=0.98?3 ?3由此 =0.98×0.98×0.98×0.98=0.922.故， 8.397.102Pkw?切 削d=（3） 選擇電動(dòng)機(jī)額定功率 edp如前所述，電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取 0.8～0.9，所以電動(dòng)機(jī)額定功率選取為 11kw（4） 電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇由資料【10】 ，表 22-1-9，小功率電機(jī)一般選為 380v 電壓。所以本電機(jī)的電壓可選為 380v。同一類(lèi)型的、功率相同的電動(dòng)機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)，其尺寸和重量小，價(jià)格較低，但會(huì)使轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動(dòng)機(jī)澤情況相反。要綜合考慮電機(jī)性能、價(jià)格、車(chē)床性能要求等因素來(lái)選擇。本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速范圍要求為 35 ～4000 。由于只有一根中間傳/minr/inr動(dòng)軸，傳動(dòng)鏈較短，因此變速級(jí)數(shù)較少，故對(duì)電動(dòng)機(jī)恒定變速范圍以及整個(gè)變速范圍要求較高。第 24 頁(yè)Ⅰ軸上齒輪傳動(dòng)比確定為 ，Ⅱ軸上兩對(duì)直齒輪的傳動(dòng)比分別為 ， 。12/i?29/16i?38/7i所以兩條齒輪鏈中，高速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比 ，低速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比12/916/8i??。由此可得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍：132/8736/i??max min409/450/,356/7180/minnrr?????（5） 確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)由前面信息，可選取 FANUC 交流電機(jī)，型號(hào)為 ac12／6000i。這種電機(jī)轉(zhuǎn)速非常平穩(wěn)，采用 160，000，000／rev 的超高分辨率位置編碼器，通過(guò)線圈切換可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高速、高加速控制，作為 a 系列的后續(xù)產(chǎn)品，具有更先進(jìn)的節(jié)能效果。電機(jī)參數(shù)如下表所示：表 2.2 電機(jī)參數(shù)型號(hào) 額定功率 連續(xù)30min 功率最低轉(zhuǎn)速 最高轉(zhuǎn)速 重量 震動(dòng) 冷卻ac12／6000i11kw 15kw 1500r／min4500r／min95Kg V5 56W機(jī)座長(zhǎng)為 465mm，電機(jī)軸徑為 48mm，軸伸為 110mm，中心高為 132mm，2．2.3 計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩1、各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速首先估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，由于采用的無(wú)極調(diào)速，所以采用以下公式： 0.30.3max3in4()5()15/minr??然后通過(guò)傳動(dòng)比計(jì)算傳動(dòng)軸和電機(jī)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，第 25 頁(yè)231458/732.9/minnir???1216/ii1edpkw?1120.9810.6kw???:411242p??4、 各軸輸入轉(zhuǎn)矩 1950/74610.82TNm???:2./3.939501./45671.T???:將以上計(jì)算結(jié)果整理后列于表 2.2.供以后計(jì)算選擇，供以后計(jì)算使用：表 2.3 各軸的傳動(dòng)參數(shù)參數(shù) 軸 Ⅰ軸（電機(jī)軸） Ⅱ軸（中間傳動(dòng)軸） Ⅲ軸（主軸）計(jì)算轉(zhuǎn)速（r／min）746 373 145輸入功率（Kw） 11 10.6 10.2轉(zhuǎn)矩（N·m） 140.82 271.39 671.79傳動(dòng)比 12/i? ，29/16i?38/7i2.2.4 轉(zhuǎn)速圖第 26 頁(yè)由電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍（包括恒定功率變速范圍）和各軸的傳動(dòng)比，作數(shù)控車(chē)床的轉(zhuǎn)速圖，見(jiàn)圖所示3.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1 I 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)I 軸上的零件主要是齒輪 1.一端用凸臺(tái)定位，另一端用緊定螺釘定位。1． 選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)。根據(jù)選定的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。（1） 本設(shè)計(jì)屬于金屬切削機(jī)床類(lèi)，一般齒輪傳動(dòng)，故用 6 級(jí)精度。（2） 材料選擇。選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS，滿足要求。（3） 選小齒輪齒數(shù) =35，大齒輪齒數(shù) =2×35=701z2z第 27 頁(yè)2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算公式 8.21 進(jìn)行試算：≥1td??2321.tkuEHz??????????1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（1） 試選載荷系數(shù) =1.3tk（2） 計(jì)算小齒輪傳遞的扭矩：由上文知為 140N.m（3） 由表 8.6 選取齒寬系數(shù) =0.5d?（4） 由表 8.5 查得材料的彈性影響系數(shù) =Ez1/289.MPa（5） 由圖 8.15 得重合度系數(shù) =0.90，由圖 8.14 得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.5? Hz（6） 由圖 8-28(e)(a)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；lim160MPa??大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；lim250HMPa??（7） 由式 8.28 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： ；91607461502.410hNnL????921/.2i?（8） 由圖 8.29 查得接觸疲勞壽命系數(shù) 120.9;.5NNz?（9） 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由式 8.26 得： 1lim10.96540HNMPaSK?????????第 28 頁(yè)2lim20.95528HNMPaSK?????????2） 計(jì)算（1） 小齒輪分度圓直徑 ：1td≥ = =96.047m1td??2321.tkuEHz?????????? 253.140821. 9.8?????????m（2） 計(jì)算圓周速度 VV= 13.496.073.5/601tdnms????（3） 計(jì)算齒寬 bb= =0.5×96.047=48.024mmd?1.t（4） 計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h模數(shù) 齒高 h=1/96.047/352.74ttmmz??2.5.2746.15tmm??b/h=48.024/6.175=7.78（5）計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù) V=3.75m/s，6 級(jí)精度，由圖 8.7 得動(dòng)載系數(shù) 1.07vK?由表 8.4 查得齒間載荷分配系數(shù) 1.2K??由表 8.3 查得使用系數(shù) .5A由圖 8.11 查得齒向載荷分布系數(shù) 1.24??第 29 頁(yè)故載荷系數(shù)：K= 1.2507.124.985AVK?????（6） 因 K 與 有較大差異故需進(jìn)行修正：t3110.6ttdm?（7） 計(jì)算模數(shù) m m= 10.635.1dz?3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式： ??132.KTFaSmdzY?????????1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（1） 由圖 8.28(f)(b)查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ;大齒輪的彎曲疲150FEMPa??勞強(qiáng)度極限 2380FEMPa??（2） 由圖 8.30 得彎曲疲勞壽命系數(shù) 120.8,.5NNY?（3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，得：， ??10.8259.864NFEFYPaS???（4） 計(jì)算載荷系數(shù) K：K=1.894（5） 查取齒形系數(shù)：由圖 8.19 查得 12.45;.FaFaY?（6） 查取應(yīng)力校正系數(shù)：由圖 8.20 查得 12.6;1.75SaSaY?第 30 頁(yè)（7） 計(jì)算大小齒輪的 并加以比較??FaSY???12.4560.1389FaSY?????2.41750.693FaSY???大齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計(jì)計(jì)算： =??132.KTFaSmdzY?????????53221.894.01.692.4m???對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù) 2.46 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=2.5mm,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 ，算出小齒輪齒10.6d?數(shù)：大齒輪齒數(shù)10.6/254z?2148zu??這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，即滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，由滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。5. 幾何尺寸計(jì)算1）計(jì)算分度圓直徑：1242.5108dzmm???2）計(jì)算中心距：12()/(102)/165ad????