1 緒論1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡史1952年第一代數(shù)控系統(tǒng)電子管數(shù)控系統(tǒng)的誕生。20世紀50年代末，完全由固定布線的晶休管元器件電路所組成的第二代數(shù)控系統(tǒng)晶體管數(shù)控系統(tǒng)被研制成功，取代了昂貴的、易壞的、難以推廣的電子管控制裝置。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，1965年出現(xiàn)了第三代數(shù)控系統(tǒng)集成電路數(shù)控系統(tǒng)。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了第四代數(shù)控系統(tǒng)小型計算機數(shù)控系統(tǒng)，然后，隨著微型計算機以其無法比擬的性能價格比滲透各個行業(yè)，1974年，第五代數(shù)控系統(tǒng)微型計算機數(shù)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了。應(yīng)用一個或多個計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心組件的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)。綜上所述，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)也隨著不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎5年左右時間就更新?lián)Q代一次1。數(shù)控機床是先進制造業(yè)的基礎(chǔ)機械，是最典型的多品種、小批量、高科技含量的機電一體化產(chǎn)品。歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機床產(chǎn)品進程，1990年日本機床產(chǎn)值數(shù)控化率達75，美國達701，德國達57。目前世界數(shù)控機床年產(chǎn)量超過15萬臺，品種超過1500多種2。1.2 我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.2.1 數(shù)控技術(shù)狀況目前，我國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡的關(guān)鍵時期，也是由封閉型向開放型過渡的時期。我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)(包括核心技術(shù))，已達到國際先進水平。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。例如，曾長期困擾我國、并受到西方國家封鎖的多坐標聯(lián)動技術(shù)對我們已不再是難題，0.1當量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿型系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進給數(shù)控系統(tǒng)、實時多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于PC機的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進線等功能既可作為獨立產(chǎn)品，又是一代開放式的開發(fā)平臺，為機床廠及軟件開發(fā)商二次開發(fā)創(chuàng)造了條件。特別重要的是，我國數(shù)控系統(tǒng)的可靠性已有很大提高，MPBF值可以在15000h以上。同時大部分數(shù)控機床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)，自我配套率超過60%。這些成功為中國數(shù)控系統(tǒng)的自行開發(fā)和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)1。我國進行改革開放后，由于政策的開放，使得金屬切削行業(yè)得以和世界上先進的機床制造國家進行技術(shù)交流，并通過引進技術(shù)，到80年代初，國產(chǎn)數(shù)控機床進入實用化階段，1991年數(shù)控機床的產(chǎn)值數(shù)控化率為143，到1997年數(shù)控機床產(chǎn)值數(shù)控化率為245。目前，我國數(shù)控機床(包括經(jīng)濟型機床)品種約有500個2。 但是，與國外數(shù)控車床相比，在性能、質(zhì)量 設(shè)計、制造等各方面存在較大差異，并存在許多不足：機械件的材質(zhì)、加工精度、加工工藝存在較大差距，裝配工藝也存在一定差距；主軸及卡盤剛性差，主軸定位準停不好；安全性較差，軟硬件保護功能不夠；刀片磨損快，生產(chǎn)成本高，效率低；硬件設(shè)計方面不規(guī)范，不符合國標，比如使用電壓等級、電線顏色使用、圖紙資料的繪制裝訂、提交等等，有的機床廠家甚至仍然停留在十年二十年前的設(shè)計思想；程序設(shè)計方面缺乏標準，不規(guī)范，邏輯性不強，故障率高，在使用過程中需不斷對程序進行修改；外圍元件布置及走線不規(guī)范，標牌線號不清，圖紙與實物不符，維修困難；使用的元器件本身質(zhì)量差，使用壽命短，故障率高，有的機床廠家為了降成本卻忘記了質(zhì)量、忘記了可靠性，選用一些國產(chǎn)的軸承、接觸器、繼電器、接近開關(guān)等元件，在生產(chǎn)過程中小故障連綿不斷；柔性化不強，多品種生產(chǎn)困難。而國外數(shù)控車床無論是設(shè)計水平，還是制造水平，都要高出國內(nèi)數(shù)控車床。機械件材質(zhì)、加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設(shè)計有專門的標準，設(shè)計規(guī)范合理，配套件齊全，標牌標示清楚齊全；使用的元器件質(zhì)量好，故障率低；新技術(shù)的應(yīng)用及時領(lǐng)先；概括來說，精度及可靠性高、性能穩(wěn)定故障率低3 。1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日臻完善，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。為了滿足社會經(jīng)濟發(fā)展和科技發(fā)展的需要，數(shù)控系統(tǒng)正朝著高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及開放性等方向發(fā)展。1.3 伺服系統(tǒng)的特點數(shù)字控制，是一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術(shù)的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。數(shù)控機床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計算機數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床四部分組成。1. 信息載體信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機床上加工一個零件所必需的各種信息，以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的機械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過相應(yīng)的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過竄行口將計算機上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級的數(shù)控系統(tǒng)可能還包含一套自動編程機或者CAD/CAM系統(tǒng)。2. 計算機數(shù)控系統(tǒng)計算機數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經(jīng)計算和處理后去控制機床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機外，其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機、CRT、鍵盤、面板、機床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組成。數(shù)控裝置控制機床的動作可概括為：機床主運動、機床的進給運動、刀具的選擇和刀具的補償、其它輔助運動等。3. 伺服系統(tǒng)它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動機構(gòu)和機床移動部件,它接受數(shù)控裝置發(fā)來的各種動作命令，驅(qū)動受控設(shè)備運動。伺服電動機可以是步進電機、電液馬達、直流伺服電機或交流伺服電機。4. 機床它是用于完成各種切削加工的機械部分，是在普通機床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但也做了很多改進和提高，它的主要特點是：由于大多數(shù)數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動鏈較短；為了適應(yīng)數(shù)控機床連續(xù)地自動化加工，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??；更多地采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌等；不少數(shù)控機床還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機床工作效率1。數(shù)控機床集中了傳統(tǒng)的自動機床、精密機床和萬能機床三者的優(yōu)點，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數(shù)控機床技術(shù)水平的提高首先依賴于進給和主軸驅(qū)動特性的改善以及功能的擴大，為此數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機、機械傳動等方面都有很高的要求。伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標軸進給驅(qū)動的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自CNC裝置的進給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動各加工坐標軸按指令脈沖運動。這些軸有的帶動工作臺，有的帶動刀架，通過幾個坐標軸的綜合聯(lián)動，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機械運動，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床機械傳動部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。它包含機械、電子、電機(早期產(chǎn)品還包含液壓)等各種部件，并涉及到強電與弱電控制，是一個比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當高的技術(shù)性能指標的控制系統(tǒng)，的確是一個相當復(fù)雜的任務(wù)。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對于數(shù)控機床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示：由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務(wù)不同，它們對進給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。伺服系統(tǒng)對伺服電機的要求：1） 從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。2） 電機應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。3） 為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動到額定轉(zhuǎn)速。4） 電機應(yīng)能隨頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、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1.4 設(shè)計的內(nèi)容、目的和方法本次設(shè)計的內(nèi)容是機床總體方案設(shè)計及總體布局圖繪制、縱向及橫向伺服進給機構(gòu)的理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制裝配圖、典型零件繪制、數(shù)控系統(tǒng)（硬件連接圖）設(shè)計、典型零件的數(shù)控車削加工程序編制及外文資料文獻翻譯，并撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。設(shè)計的目的是培養(yǎng)綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術(shù)和科學研究工作的基本訓(xùn)練，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能得到訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計思想、嚴肅認真的科學態(tài)度，加強團隊合作精神。在設(shè)計中，先通過參觀及查閱等了解有關(guān)系統(tǒng)的工作原理，作用及結(jié)構(gòu)特點。選擇合適的算法，根據(jù)計算結(jié)果查閱手冊，得出相關(guān)的結(jié)構(gòu)或零件。在圖紙的繪制中，充分利用軟件的先進性，完成三張A0圖紙。最后，完成硬件連接設(shè)計，編制典型零件的車削程序，撰寫說明書。2 總體方案設(shè)計2.1 方案設(shè)計及總體布局 機床結(jié)構(gòu)可以布置成臥式、立式、倒立式及斜置式等，根據(jù)設(shè)計任務(wù)加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，采用臥式斜床身形式。主軸水平安裝，橫向成45布置。根據(jù)縱橫向長度定外觀總長度，布局圖如附錄1所示。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和機床主體的重要部分，在設(shè)計中，在伺服方式上選擇最廣泛應(yīng)用的半閉環(huán)方式。采用螺旋傳動，計算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進行絲杠的校核并進行精度等驗算，根據(jù)計算的扭矩選擇伺服電機。2.2 主切削力的計算切削力的大小可用各種測力儀測得，也可用實驗得出的近似公式計算： (2.1) (2.2) (2.3)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、t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、刀具磨損限度對P的修正系數(shù)。、指數(shù)。一般情況下>。這說明吃刀深度對切削力的影響要比走刀量對切削力的影響大。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，后刀面磨損限度，切削時不用冷卻液，車削外圓。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)手冊中查得。表 2.1系 數(shù) 及 指 數(shù)工件材料結(jié)構(gòu)鋼16710075修 正 系 數(shù)工 件材 料4050506060707080809090100=08409009510104109切 削速 度v=50100200300400500=10090082077074071主 偏角=3045607090=10810094094089前 角=+20+100-10-20=09010111213后刀面磨損限度h=091.21.52.0=1.01.05切削功率是切削時在切削區(qū)內(nèi)消耗的功率。當切削速度為已知時，切削功率可用下式計算： (2.4)在校驗機床選用的電動機功率時應(yīng)使 (2.5)式中 機床電動機名義功率（千瓦）； 機床效率（一般齒輪機床=0.70.8）； 電動機超載時容許的系數(shù)（一般=1.25） 57。如表2.1，取其中各參數(shù)的最大值進行估算：取 =167， =1.0， ，=1.09， =1.08， =1.3， =1.05， =0.9取 切深t=5mm，進給量s=0.3mm/r則由公式(2.3)： (2.6)切削功率：取切削速度為105m/min，由公式(2.4)(2.5)得: 取 3 橫向進給系統(tǒng) 3.1 已知技術(shù)參數(shù) 橫向最大行程（X軸）180 mm； 工作進給速度為18000mm/min；橫向快速進給速度：8 m/min；刀架估計質(zhì)量：150kg；滑板的估計尺寸（長寬高）：400mm200mm80mm；材料選為HT200。3.2 滾珠絲杠的計算及選擇3.2.1 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定在本設(shè)計中，電機和絲杠直接相連，傳動比為，設(shè)電機的最高工作轉(zhuǎn)速為，則絲杠導(dǎo)程為： (3.1)，取 3.2.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 (3.2)由公式(3.2),最大進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：最小進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：絲杠等效轉(zhuǎn)速：（取 ） (3.3)，轉(zhuǎn)速，作用下的時間(s)。3.2.3 估計工作臺質(zhì)量及工作臺承重刀架質(zhì)量：滑板：總質(zhì)量：3.2.4 確定絲杠的等效負載工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.11.5，現(xiàn)取為1.1，則絲杠所受的力為（如圖3.1所示）： (3.4) 其等效負載可按下式估算（取 ， ）：t1，t2軸向載荷，作用下的時間(s)。n1，n2軸向載荷，作用下的轉(zhuǎn)速(r/min)。 (3.5)3.2.5 確定絲杠所受的最大動載荷 圖3.1 受力分析 (3.6)fw負荷性質(zhì)系數(shù)；（查表：當一般運轉(zhuǎn)時，fw 為1.21.5，取fw=1.5。）ft溫度系數(shù)；（查表：）fh硬度系數(shù)；（查表：滾道實際硬度HRC58時，fh=1。）fa精度系數(shù)；（查表：當精度等級為3時，fa=1.0。）fk可靠性系數(shù)；(查表：可靠性為90%時，fk =1.00。)Fm等效負荷(N)；nm等效轉(zhuǎn)速(r/min)；Tn工作壽命(h)。（查表得：數(shù)控機床：Th=15000。）由公式(3.6) 3.2.6 選擇滾珠絲杠型號由文獻7,8可知，查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號： CDM3206-3。絲杠公稱直徑為32mm，基本導(dǎo)程，其額定動載荷，額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=1.52，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑27. 9mm，螺母長度為112mm，取絲杠的精度為3級。在本設(shè)計中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊軸承分別為20mm和25mm。本設(shè)計中絲杠采用兩端固定的支承方式。選用成對絲杠專用軸承組合。 滾珠絲杠支承用專用軸承：軸承特點：1. 剛性大。由于采用特殊設(shè)計的尼龍成形保持架，增加了鋼球數(shù)，且接觸角為60軸向剛性大。2. 不需要預(yù)調(diào)整。對每種組合形式，生產(chǎn)廠家已作好了能得到最佳預(yù)緊力的間隙，故用戶在裝配時不需要再調(diào)整，只要按廠家作出的裝置序列符號（）排列后，裝緊即可。3. 起動力矩小。與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，起動力矩小。為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，推薦采用正面組合形式。（DF,DFD,DFF等）3.3 校核 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度Ke由絲杠本身的拉壓剛度KS，絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度Kc，軸承的接觸剛度KB，螺母座的剛度KH，按不同支承組合方式的計算而定。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計算。 3.3.1 臨界壓縮負荷絲杠的支承方式對絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對絲杠進行預(yù)拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。所以設(shè)計中采用兩端固定的支承方式9。臨界壓縮負荷按下式計算： (3.7)式中 E材料的彈性模量E鋼=2.11011(N/m2)； L0最大受壓長度(m)； K1安全系數(shù)，取K1=1/3； Fmax最大軸向工作負荷(N)； f1絲杠支承方式系數(shù)；(支承方式為雙推雙推時，見下圖，f1=4，f2=4.730) I絲杠最小截面慣性矩(m4)： (3.8)式中 d0絲杠公稱直徑(mm)； dw滾珠直徑(mm)。絲杠螺紋部分長度，取 支承跨距 ， 絲杠全長 由公式(3.7)可見遠大于，臨界壓縮負荷滿足要求。3.3.2 臨界轉(zhuǎn)速 (3.9)式中 A絲杠最小橫截面： 臨界轉(zhuǎn)速計算長度：取 ，安全系數(shù)，一般取 ；材料的密度：；絲杠支承方式系數(shù)，查表得，滿足要求。3.3.3 絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式：兩端固定： (3.10)式中 Ke 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/m)； KH螺母座的剛度(N/m)；Kc絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/m)；KS絲杠本身的拉壓剛度(N/m)；KB軸承的接觸剛度(N/m)。1) 絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號樣本。2) 軸承的接觸剛度可查軸承型號樣本。3) 螺母座的剛度可近似估算為1000。4) 絲杠本身的拉壓剛度：對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式： (3.11)式中 A絲杠最小橫截面，；E材料的彈性模量，E=2.11011(N/m2)；l兩支承間距(m)；a螺母至軸向固定處的距離(m)。已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度（見后面計算）。螺母座剛度。絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率： (3.12)式中 m絲杠末端的運動部件與工件的質(zhì)量和(N/m)；Ke絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度(N/m)。顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。3.3.4 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度按下式計算： (3.13)式中 絲杠平均直徑：L絲杠長度扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率: (3.14)式中 JW運動部件質(zhì)量換算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)； JZ絲杠上傳動件的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)； JS絲杠的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)。由文獻7，8得：平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為絲杠轉(zhuǎn)動慣量：顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，可以滿足要求。3.3.5 傳動精度計算滾珠絲杠的拉壓剛度 (3.15)導(dǎo)軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值分別為300mm和100mm。最大與最小機械傳動剛度：最大和最小機械傳動剛度：由于機械傳動裝置引起的定位誤差為 (3.16)對于3級滾珠絲杠，其任意300mm導(dǎo)程公差為 ，機床定位精度，所以，可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5）機床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補償，定位精度能進一步提高10。3.3.6 伺服電機計算根據(jù)文獻11，扭矩的計算為：1. 理論動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩查表知3級滾珠絲杠 ， 而 (3.17)2. 最大動態(tài)摩擦力矩對于3級滾珠絲杠， (3.18)3. 驅(qū)動最大負載所耗轉(zhuǎn)矩 (3.19)4. 支承軸承所需啟動扭矩查軸承表：對于的軸承，其，對于的軸承，其，則 。5. 驅(qū)動滾珠絲杠副所需扭矩 6. 電機的額定扭矩 3.3.7 電機的選擇根據(jù)以上計算的扭矩及文獻12，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7 。5 床身及導(dǎo)軌5.1 床身對于數(shù)控機床來說，作為主要支承件的床身至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響著機床的各項性能指標。它支承著數(shù)控車床的床頭箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受著切削力、重力、摩擦力等靜態(tài)力和動態(tài)力的作用。其結(jié)構(gòu)的合理性和性能的好壞直接影響著數(shù)控車床的制造成本；影響著車床各部件之間的相對位置精度和車床在工作中各運動部件的相對運動軌跡的準確性，從而影響著工件的加工質(zhì)量；還影響著車床所用刀具的耐用度，同時也影響著機床的工作效率和壽命等。因此，床身特別是數(shù)控車床的床身具有足夠的靜態(tài)剛度和較高的剛度/質(zhì)量比；良好的動態(tài)性能；較小的熱變形和內(nèi)應(yīng)力；并易于加工制造，裝配等，才能滿足數(shù)控車床對床身的要求。數(shù)控車床工作時，受切削力的作用，床身發(fā)生彎曲，其中，影響最大的是床身水平面內(nèi)的彎曲。因此，在床身不太長的情況下，主要應(yīng)提高床身在水平面內(nèi)的彎曲剛度。所以，在設(shè)計床身時，采用與水平面傾斜45的斜面床身。這種結(jié)構(gòu)的特點是：(1)在加工工件時，切屑和切削液可以從斜面的前方(即床身的一側(cè))落下，就無需在床身上開排屑孔，這樣，床身斜面就可以做成一個完整的斜面。(2)切屑從工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器將切屑排出。這樣，機床在工作中，排屑性能和散熱性能要好，可以減少床身在工作中吸收由于切削產(chǎn)生的熱量，從而減少床身的熱變形，使機床更好地保持加工精度。(3)由于在床身上無需開排屑孔，就可以增加與底座連接的床身底面的整體性，從而可增加床身底面的剛性?；谝陨咸攸c使得床身抵抗來自切削力在水平和垂直面內(nèi)的分力所產(chǎn)生的彎曲變形能力，以及它們的合力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形能力顯著增強。從而大幅度提高了床身的抗彎和抗扭剛度。床身在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下，床身的變形與床身的截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關(guān)。材料、截面相同，但形狀不同的床身，截面的慣性矩相差很大。截面積相同時，采用空形截面，加大外輪廓尺寸，在工藝允許的情況下，盡可能減小壁厚，可以大大提高截面的抗彎和抗扭剛度；矩形截面的抗彎剛度高于圓形截面，但圓形截面的抗扭剛度較高；封閉截面的剛度顯著高于不封閉截面的剛度。為此，在設(shè)計床身截面時，綜合考慮以上因素，在滿足使用、工藝情況下，采用空心截面，加大輪廓，減小壁厚，采用全封閉的類似矩形的床身截面形式，同時，為了提高床身的抗扭剛度和床身的剛度重量比，在大截面內(nèi)設(shè)計一個較小的類似圓形截面(如圖5.1) 。床身與導(dǎo)軌為一體，床身材料的選擇應(yīng)根據(jù)導(dǎo)軌的要求選擇。鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和加工。床身材料采用機械性能優(yōu)良的HT250，其硬度、強度較高，耐磨性較好，具有很好的減震性13。5.2 導(dǎo)軌車床的導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種?；瑒訉?dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大圖 5.1 床身結(jié)構(gòu) 且磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點2。在動導(dǎo)軌上鑲裝塑料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性高、抗撕傷能力強、低速時不易爬行、加工性和化學穩(wěn)定性好、工藝簡單、成本低等優(yōu)點，在各類機床上都有應(yīng)用，特別是用在精密、數(shù)控和重型機床的動導(dǎo)軌上。塑料導(dǎo)軌可與淬硬的鑄造鐵支承導(dǎo)軌和鑲鋼支承導(dǎo)軌組成對偶摩擦副。機床導(dǎo)軌的質(zhì)量在一定程度上決定了機床的加工精度、工作能力和使用壽命。導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。車床的床身導(dǎo)軌屬于進給導(dǎo)軌，進給運動導(dǎo)軌的動導(dǎo)軌與支承的靜導(dǎo)軌之間的相對運動速度較低。直線運動滑動導(dǎo)軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合。由于矩形導(dǎo)軌制造簡單，剛度高，承載能力大，具有兩個相垂直的導(dǎo)軌面。且兩個導(dǎo)軌面的誤差不會相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜45后，側(cè)面磨損能自動補償，克服了矩形導(dǎo)軌側(cè)面磨損不能自動補償?shù)娜毕?，使其?dǎo)向性更好。圖5.2為雙矩形導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的剛度高，當量摩擦系數(shù)比三角形導(dǎo)軌低，承載能力高，加工、檢驗和維修都方便，而被廣泛地采用。特別是數(shù)控機床，雙矩形，動導(dǎo)軌貼塑料軟帶，是滑動導(dǎo)軌的主要形式。矩形導(dǎo)軌存在側(cè)向間隙，必須用鑲條進行調(diào)整。圖5.3中（a）由一條導(dǎo)軌的兩側(cè)導(dǎo)向，稱為窄式組合；圖（b）分別由兩條導(dǎo)軌的左、右側(cè)面導(dǎo)向，稱為寬式組合。導(dǎo)軌受熱膨脹時寬式組合比窄式的變形量大，調(diào)整時應(yīng)留較大的側(cè)向間隙，因而導(dǎo)向性較差。所以，雙矩形導(dǎo)軌窄式組合比寬式用得更多一些。圖 5.2 雙矩形導(dǎo)軌圖5.3 雙矩形導(dǎo)軌的兩種形式鑲條是用來調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保證導(dǎo)軌面的正常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。壓板用于調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受顛覆力矩。如圖5.4，是用磨或刮壓板3的e面和d面來調(diào)整間隙。壓板的d面和e面用空刀槽分開，間隙大磨刮d面，太緊時則修e面。這種方式構(gòu)造簡單，應(yīng)用較多，但調(diào)整時比較麻煩14 15。圖5.4 壓板結(jié)構(gòu)6 數(shù)控系統(tǒng)選擇 6.1 西門子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點 西門子數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，設(shè)計中選擇SINUMERIK 802D型號。其控制器：具有免維護性能的SINUMERIK 802D，其核心部件 - PCU（面板控制單元）將CNC、PLC、人機界面和通訊等功能集成于一體?？煽啃愿摺⒁子诎惭b；SINUMERIK802D可控制4個進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸。通過生產(chǎn)現(xiàn)場總線PROFIBUS將驅(qū)動器、輸入輸出模塊連接起來； 模塊化的驅(qū)動裝置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服電機，為機床提供了全數(shù)字化的動力。通過視窗化的調(diào)試工具軟件，可以便捷地設(shè)置驅(qū)動參數(shù)，并對驅(qū)動器的控制參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化； SINUMERIK802D集成了內(nèi)置PLC系統(tǒng)，對機床進行邏輯控制。采用標準的PLC的編程語言Micro/WIN進行控制邏輯設(shè)計。并且隨機提供標準的PLC子程序庫和實例程序，簡化了制造廠設(shè)計過程，縮短了設(shè)計周期。 CNC功能：控制車床、鉆銑床；可控制4個進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸；三軸聯(lián)動，具有直線插補、平面圓弧插補、螺旋線插補、空間圓?。–IP）插補等控制方式；螺紋加工、變距螺紋加工；旋轉(zhuǎn)軸控制；端面和柱面坐標轉(zhuǎn)換（C軸功能）；前饋控制、加速度突變限制；程序預(yù)讀可達35段；刀具壽命監(jiān)控；主軸準停，剛性攻絲、恒線速切削；FRAME功能（坐標的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡象、縮放） 操作單元：單色10.4" TFT顯示器，彩色為選件；全功能數(shù)控鍵盤具有水平安裝方式，和垂直安裝方式；標準機床控制面板（選件）；三個手輪接口；RS232串行接口；生產(chǎn)現(xiàn)場總線接口；標準鍵盤接口；PC卡插槽（用于數(shù)據(jù)備份和批量生產(chǎn)） 操作與顯示：帶有8個水平軟鍵和8個垂直軟鍵的直觀操作；對刀及刀具測量，工件坐標系測量，基本坐標偏移；MDA方式端面加工；程序段搜索運行；坐標軸鎖定、快速空運行；后臺編程；加工外部程序（通過串行接口）；示波器、袖珍計算器、和工件計數(shù)器；兩種語言在線切換；16種語言可選擇安裝；在線公英制切換；機床坐標系、工件坐標系、和相對坐標系顯示；加工軌跡實時顯示（可辨認快速和加工軌跡）；在線幫助；有效G功能和M功能顯示；坐標位置、余程以及各軸速度顯示 零件編程：標準G代碼編程（DIN66025）和西門子高級語言編程；ISO標準編程；車削、銑削工藝循環(huán)編程；藍圖編程；極坐標編程；程序存儲器容量達340K字節(jié) PLC：采用標準的S7-200編程語言 Micro/WIN；梯圖編程；梯圖在線顯示；PLC遠程診斷；完全漢化的PLC編程工具隨機提供；隨機提供PLC子程序和用于車床銑床的PLC應(yīng)用程序?qū)嵗?；PLC的處理速度是6000步/24毫秒 ；40個定時器，32個計數(shù)器；數(shù)字輸入輸出為144 / 96。 6.2 數(shù)控連線圖其連線圖如圖6.1所示。 圖6.1 數(shù)控系統(tǒng)連線圖7 數(shù)控編程編制如圖7.1所示零件的加工程序，材料為45鋼，棒料直徑為40mm16。 圖7.1 數(shù)控零件圖1. 刀具設(shè)置選擇93正偏刀為1號刀，2號割槽刀（寬4mm），60硬質(zhì)合金螺紋刀為3號刀。2. 工藝路線1） 工件伸出卡盤外85mm，找正后夾緊。2） 用1號刀車工件右端面，粗車外圓至38.570。3） 先車32.558圓柱，再車30.548圓柱，再車20.510圓柱。4） 車右端圓弧，留0.5mm精車余量。5） 精車外形輪廓至尺寸。6） 割退刀槽，并用割槽刀右刀尖倒出M303螺紋左端C2倒角。7） 換螺紋刀車雙線螺紋。8） 割斷工件。3. 相關(guān)計算1） 計算雙線螺紋M303（P1.5）的底徑：D=d-20.62P=(30-20.621.5)mm=28.14mm2） 確定背吃刀量分布：1.5mm、0.25mm、0.07mm4. 加工程序N01 G90 G94 G54 ； 采用G54工件坐標系，分進給，絕對編程N02 S800 M03 ； 主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速800rpmN03 T01 M08 ； 換1號外圓刀，切削液開N04 G00 X40 Z0 ； 快速進刀N05 G01 X0 F100 ； 車端面N06 G00 X19.5 Z2 ； 快速退刀N07 G01 Z-70 F150 ； 粗車外圓N08 G00 X30 Z2 ； 快速退刀N09 G01 X18 ； 快速進刀N10 G01 Z-58 ； 粗車外圓N11 G00 X30 Z2 ； 快速退刀N12 G00 X16.5 ； 快速進刀N13 G01 Z-58 ； 粗車外圓N14 G00 X30 Z2 ； 快速退刀N15 G00 X15.5 ； 快速進刀N16 G01 Z-48 ； 粗車外圓N17 G00 X30 Z2 ； 快速退刀N18 G00 X14 ； 快速進刀N19 G01 Z-12 ； 粗車外圓N20 G00 X20 Z2 ； 快速退刀N21 G00 X12 ； 快速進刀N22 G01 Z-10 ； 粗車外圓N23 G00 X15 Z2 ； 快速退刀N24 G00 X0 ； 快速進刀N25 G03 X12 Z-10 CR=12 F100 ； 車R12圓弧 N26 G02 X15 Z-15 CR=3 ； 車R3圓弧N27 G00 Z0.5； 快速退刀N28 G00 X0 ； 快速進刀N29 G03 X10.5 Z-10 CR=10.5 ； 車R10.5圓弧N30 G02 X15 Z-15 CR=4.5 ； 車R4.5圓弧N31 G00 X100 Z100 ； 快退至起刀點N32 S1000 M03 ； 主軸變速N33 G00 X2 Z2 ； 快速進刀N34 G01 X0 Z0 F60 ； 進刀至（0，0）點N35 G03 X10 Z-10 CR=10 ； 精車R10圓弧N36 G02 X15 Z-15 CR=5 ； 精車R5圓弧N37 G01 z-40 ； 精車螺紋外圓至30N38 G00 X16 Z-45 ； 快速進刀N39 G01 Z-58 ； 精車32外圓N40 G01 X19 ； 車臺階N41 G01 Z-65 ； 車38外圓N42 G00 X100 Z100 ； 快退至起刀點N43 T02 ； 換2號割槽刀N44 S420 M03 ； 主軸變速N45 G00 X20 Z-44 ； 快進至（X20，Z-44）點N46 G01 X13.1 F30 ； 割槽至26.2N47 G00 X20 ； 快速退刀N48 G00 Z-48 ； 向左移動4mmN49 G01 X13 F30 ； 割槽至26N50 G01 Z-44 ； 向右橫拖4mm，消除割刀接縫線N51 G01 X17 Z-36 F30 ； 用割槽刀右刀尖倒M30左端245倒角N52 G00 X100 Z100 ； 快退至起刀點N53 T03 ； 換3號螺紋刀N54 S600 M03 ； 主軸變速N55 G00 X15 Z-12 ； 快速進刀N56 HUANG ； 調(diào)子程序車第一條螺紋N57 G00 X14.5 ； 快速進刀N58 HUANG ； 調(diào)子程序車第一條螺紋N59 G00 X14.07 ； 快速進刀N60 HUANG ； 調(diào)子程序車第一條螺紋N61 G00 X15 Z-13.5 ； 快速進刀N62 HUANG ； 調(diào)子程序車第二條螺紋N63 G00 X14.5 ； 快速進刀N64 HUANG ； 調(diào)子程序車第二條螺紋N65 G00 X14.07 ； 快速進刀N66 HUANG ； 調(diào)子程序車第二條螺紋N67 G00 X100 Z100 ； 快退至起刀點N68 T02 S420 M03 ； 換2號割槽刀，主軸變速N69 G00 X20 Z-63 ； 快速進刀N70 G01 X0 F30 ； 割斷N71 G00 X100 ； 快速退刀N72 G00 Z100 M09 ； 退回起刀點，切削液關(guān)N73 M05 ； 主軸停轉(zhuǎn)N74 M02 ； 主程序結(jié)束%HUANG ； 車螺紋子程序N90 G91 G33 Z-30 K3 ； 車削螺紋N91 G00 X10 ； 快速退刀N92 G00 Z30 ； 返回N93 G90 ； 換回絕對坐標編程N94 RET ； 子程序結(jié)束 結(jié) 論本次設(shè)計的是縱向及橫切向進給系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)中的尺寸計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其進行一系列的校核，各項性能指標完全滿足要求，說明設(shè)計的結(jié)構(gòu)是合理的。然后選擇軸承和電機，并設(shè)計了床身等。由于專業(yè)知識的限制，無法對復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)進行設(shè)計，但是，通過選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)，對數(shù)控原理有了一定的了解，并掌握了數(shù)控系統(tǒng)的一些連接方法。最后完成了典型零件的數(shù)控程序編制，對程序的代碼加深了印象，并對現(xiàn)代數(shù)控編程增進了了解。數(shù)控機床是促進國民經(jīng)濟發(fā)展的巨大源動力，它給機械制造業(yè)帶來了高倍率的效益增長和現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，高品質(zhì)，高可靠性，高性價比的CNC系統(tǒng)具有豐富的功能，為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提供了充足的物質(zhì)技術(shù)條件。同時，也給數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。因此，研究一臺數(shù)控車床對現(xiàn)代加工具有重要的意義。數(shù)控車床具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、故障率低、維修簡單方便、效率高、操作編程簡單等諸多優(yōu)點，所以數(shù)控車床在很多加工行業(yè)都會成為應(yīng)用的主體，隨著數(shù)控技術(shù)和機床行業(yè)的發(fā)展，數(shù)控車床將有著廣闊的發(fā)展前景。29 / 29文檔可自由編輯打印