- I -畢 業(yè) 設 計 (論 文 )Φ630mm 的數(shù)控車床總體設計及橫向進給設計所 在 學 院專 業(yè)班 級姓 名學 號指 導 老 師年 月 日- II -摘要現(xiàn)代數(shù)控機床是未來工廠自動化的基礎。數(shù)控化設計范圍大、潛力大、投資少、見效快，促進制造業(yè)技術進步的重要手段。因此，數(shù)控系統(tǒng)設計車床的研究具有重要意義。本文在敘述了數(shù)控技術的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎上，通過機床設計的總體思想，提出了數(shù)控化設計的技術方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案;提高了傳動的精度，重新設計機床的控制邏輯，通過對伺服系統(tǒng)的分析，完成了機床各主要參數(shù)的優(yōu)化和匹配。關鍵詞：Φ630mm，數(shù)控車床，機床，設計，數(shù)控系統(tǒng)。 - III -AbstractModern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of.This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching.Key words:Φ 630mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system.- IV -目錄摘要 .IIAbstractIII第 1 章 數(shù)控機床發(fā)展概述 .11.1 我國數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀及思考11.1.1 不斷加強技術創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機床水平的關鍵 11.1.2 制造水平與管理手段依然落后 11.1.3 服務水平與能力欠缺也是影響國產(chǎn)數(shù)控機床占有率的一個重要因素 21.1.4 加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度 21.1.5 結語.21.2 數(shù)控機床及其特點31.3 數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度31.5 數(shù)控機床的發(fā)展趨向 .4第 2 章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 .7第 3 章 確定切削用量及選擇刀具 103.1 科學選擇數(shù)控刀具.103.1.1 選擇數(shù)控刀具的原則103.1.2 選擇數(shù)控車削用刀具103.2 設置刀點和換刀點 103.3 確定切削用量 113.3.1 確定主軸轉速113.3.2 確定進給速度113.3.3 確定背吃刀量 .12第 4 章 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 124.1 確定系統(tǒng)脈沖當量.134.2 切削力的確定.13- V -4.3 計算進給牽引力.134.4 計算最大動負載 C.144.5 傳動效率計算.154.6 剛度計算.154.7 進給伺服系統(tǒng)傳動計算.164.7.1 確定傳動比164.7.2 齒輪參數(shù)的計算164.8 步進電機的計算和選用.174.8.1 轉動慣量的計算174.8.2 電機力矩的計算184.9 步進電機的選擇.20結論 .22參考文獻: 23致謝 .24- 1 -第 1 章 數(shù)控機床發(fā)展概述1.1 我國數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀及思考 我國數(shù)控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關” ，我國數(shù)控技術和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當大 的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004 年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為 39.3%34.9%。盡管如此，進 口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002 年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004 年中國機床主機消費高達 94.6 億美 元，但進出口逆差嚴重，國產(chǎn)機床市場占有率連年下降，1999 年是 33.6%，2003 年僅占 27.7%。1999 年機床進口額為 8.78 億美元 (7624 臺)，2003 年達 27.1 億美元(23320 臺)，相當于同年國內數(shù)控機床產(chǎn)值的 2.7 倍。國內數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研 究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭 力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 我們應看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術，加大技術創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。 1.1.1 不斷加強技術創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機床水平的關鍵 國產(chǎn)數(shù)控機床缺乏核心技術，從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關鍵功能部件基本都依賴進口，即使近幾年有些國內制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產(chǎn)品的功能、性能的可 靠性仍然與國外產(chǎn)品有一定差距。近幾年國產(chǎn)數(shù)控機床制造商通過技術引進、海內外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數(shù)控技術，但缺乏對機床結構與精度、 可靠性、人性化設計等基礎性技術的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國產(chǎn)數(shù)控機床的技術水平、性能和質量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數(shù)用戶的認可。 1.1.2 制造水平與管理手段依然落后 一些國產(chǎn)數(shù)控機床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普- 2 -通機床與低效刀具為主，裝配調試完全靠手工，加工質量在生產(chǎn)進度的緊逼下不能 得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產(chǎn)數(shù)控機床制造商的生產(chǎn)管理依然沿用原始的手工臺賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產(chǎn)規(guī)模。如國外機 床制造商能做到每周裝調出產(chǎn)品，而國內的生產(chǎn)周期過長且很難控制。因此我們在引進技術的同時應注意加強自身工藝技術設計和管理水平的提升。 1.1.3 服務水平與能力欠缺也是影響國產(chǎn)數(shù)控機床占有率的一個重要因素 由于數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長遠利益，對提高自身的綜合服務水平不夠重視，甚至對服務缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務。 有些企業(yè)派出的人員對生產(chǎn)的數(shù)控機床缺乏足夠了解，不會使用或使用不好數(shù)控機床，更不能指導用戶使用好機床；有的對先進高效刀具缺乏基本了解，不能提供較 好的工藝解決方案，用戶自然對制造商缺乏信心。制造商的服務應從研究用戶的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類型、質量要求入手，幫助用戶進行設備選型，推薦先進工藝 與工輔具，配備專業(yè)的培訓人員和良好的培訓環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機床的最大效益、加工出高質量的最終產(chǎn)品，這樣才能逐步得到用戶的認同，提高國產(chǎn)數(shù)控機床的 市場占有率。 1.1.4 加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度 從我國數(shù)控機床的發(fā)展形式來看需要三種層次的數(shù)控技術人才：第一種是熟悉數(shù)控機床的操作及加工工藝、懂得簡單的機床維護、能夠進行手工或自動編程的車間技 術操作人員；第二種是熟悉數(shù)控機床機械結構及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件知識的中級人才，要掌握復雜模具的設計和制造知識，能夠熟練應用 UG、PRO/E 等 CAD /CAM 軟件，同時有扎實的專業(yè)理論知識、較高的英語水平并積累了大量的實踐經(jīng)驗；第三種是精通數(shù)控機床結構設計以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設計、能夠進行數(shù)控機床 產(chǎn)品開發(fā)及技術創(chuàng)新的數(shù)控技術高級人才。我國應根據(jù)需要有目標的加大人才培養(yǎng)力度，為我國的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)提供強大的技術人才支撐。 1.1.5 結語目前，數(shù)控機床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、并聯(lián)驅動化、網(wǎng)絡化、極端化、綠色化已成為數(shù)控機床發(fā)展的趨勢和方向。 中國作為一個制造大國，主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的比較優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能 安于現(xiàn)- 3 -狀，應該抓住機會不斷發(fā)展，努力發(fā)展自己的先進技術，加大技術創(chuàng)新與人才培訓力度，提高企業(yè)綜合服務能力，努力縮短與發(fā)達國家之間的差距。力爭早日 實現(xiàn)數(shù)控機床產(chǎn)品從低端到高端、從初級產(chǎn)品加工到高精尖產(chǎn)品制造的轉變，實現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造、從制造大國到制造強國的轉變。1.2 數(shù)控機床及其特點數(shù)控機床是數(shù)字控制機床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，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，并將其譯碼，從而使機床動作數(shù)控折彎機并加工零件。數(shù)控機床的操作和監(jiān)控全部在這個數(shù)控單元中完成，它是數(shù)控機床的大腦。與普通機床相比，數(shù)控機床有如下特點： ●對加工對象的適應性強，適應模具等產(chǎn)品單件生產(chǎn)的特點，為模具的制造提供了合適的加工方法； ●加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量； ●可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件； ●加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準備時間； ●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（一般為普通機床的 3~5 倍） ； ●機床自動化程度高，可以減輕勞動強度； ●有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 數(shù)控機床使用數(shù)字信息與標準代碼處理、傳遞信息，使用了計算機控制方法，為計算機輔助設計、制造及管理一體化奠定了基礎； ●對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高； ● 可靠性高。1.3 數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。- 4 -由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。1、精度要求高的零件由于數(shù)控機床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。2、表面粗糙度要求高的零件數(shù)控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。3、輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的零件由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的零件。4、帶特殊螺紋的零件普通車床所能車削的螺紋類型相當有限，它只能車等導程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導程的螺紋。而數(shù)控車床不但能車削任何等導程的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。 1.5 數(shù)控機床的發(fā)展趨向數(shù)控機床是由美國發(fā)明家 約翰·帕森斯上個世紀發(fā)明的。隨著電子信息技術的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術為核心的機電一體化時代，其中數(shù)控機床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機床是制造業(yè) 的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎。它為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應。目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機 床產(chǎn)業(yè)化進程，而中國從 20 世紀 80 年代開始起步，仍處于發(fā)展階段。1、美國的數(shù)控發(fā)展史美國政府重視機床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機床的發(fā)展方向、科研任務，并且提供充足的經(jīng)費，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效 率” 和“創(chuàng)新”，- 5 -注重基礎科研。因而在機床技術上不斷創(chuàng)新，如 1952 年研制出世界第一臺數(shù)控機床、1958 年創(chuàng)制出加工中心、70 年代初研制成 FMS、 1987 年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由于美國首先結合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動化所需的自動線，而且電子、計算機技術在世界上領先， 因此其數(shù)控機床的主機設計、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎扎實，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機床技術在世界也一直領先。當今美國生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù) 控機床，其存在的教訓是，偏重于基礎科研，忽視應用技術，且在上世紀 80 代政府一度放松了引導，致使數(shù)控機床產(chǎn)量增加緩慢，于 1982 年被后進的日本超 過，并大量進口。從 90 年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機床技術上轉向實用，產(chǎn)量又逐漸上升。2、德國的數(shù)控發(fā)展史德國政府一貫重視機床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。 ，于 1956 年研制出第一臺數(shù)控機床后，德國特別注重科學試驗，理論與實際相結合，基礎科 研與應用技術科研并重。企業(yè)與大學科研部門緊密合作，對數(shù)控機床的共性和特性問題進行深入的研究，在質量上精益求精。德國的數(shù)控機床質量及性能良好、先進 實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機床。德國特別重視數(shù)控機床主機及配套件之先進實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控 系統(tǒng)、各種功能部件，在質量、性能上居世界前列。如西門子公司之數(shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競相采用。3、日本的數(shù)控發(fā)展史日本政府對機床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機振法” 、 “機電法”、 “機信法”等) 引導發(fā)展。在重視人才及機床元部件配套上學習德國，在質 量管理及數(shù)控機床技術上學習美國，甚至青出于藍而勝于藍。自 1958 年研制出第一臺數(shù)控機床后，1978 年產(chǎn)量(7,342 臺) 超過美國(5,688 臺)，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001 年產(chǎn)量 46,604臺，出口 27,409 臺，占 59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機 床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀 80 年代開始進一步加強科研，向高性能數(shù)控機床發(fā)展。日本 FANUC 公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結合，針對性地發(fā)展 市場所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術上領先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工 3,674 人，科研人員超過600 人，月產(chǎn)能力 7,000 套，銷售額在 世界市場上占 50%，在國內約占 70%，對加速日本和世界數(shù)控機床的發(fā)展起了重大促進作用。4、中國數(shù)控行業(yè)現(xiàn)狀及前景“十五”期間，中國數(shù)控機床行業(yè)實現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產(chǎn)量 2001 年為 17521 臺，- 6 -2002 年 24803 臺，2003 年 36813 臺，2004 年 51861 臺，2004 年產(chǎn)量是 2000 年的 3.7 倍，平均年增長 39%；2005 年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量 59639 臺，接近 6 萬臺大關，是“九五” 末期的 4.24 倍。 “十五”期間，中國機床行業(yè)發(fā)展迅猛的主要原因是市場需求旺盛。固定資產(chǎn)投資增速快、汽車和機械制造行業(yè)發(fā)展迅猛、外商投資企業(yè)增長速度加快 所致。 2006 年，中國數(shù)控金切機床產(chǎn)量達到 85756 臺，同比增長 32.8%，增幅高于金切機床產(chǎn) 量增幅 18.4 個百分點，進而使金切機床產(chǎn)值數(shù)控化率達到 37.8%，同比增加 2.3 個百分點。此外，數(shù)控機床在外貿出口方面亦業(yè)績驕人，全年實現(xiàn)出口額 3.34 億美元，同比增長 63.14%，高于全部金屬加工機床出口額增幅 18.58 個百分點。 2007 年，中國數(shù)控金切機床產(chǎn)量達 123,257 臺，數(shù)控金屬成形機床產(chǎn)量達 3,011 臺；國產(chǎn)數(shù)控機床擁有量約 50 萬臺，進口約 20 萬臺。2008 年 10 月，中國數(shù)控機床產(chǎn)量達105,780 臺，比 2007 年同比增長 2.96%。 長期以來，國產(chǎn)數(shù)控機床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關鍵設備主要依靠進口，技術受制于人。究其原因，國內本土數(shù)控機床企業(yè)大多處于“粗放型” 階段，在產(chǎn)品設計水 平、質量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了 5-10 年；在高、精、尖技術方面的差距則達到了 10-15 年。同時中國在應用技術及技術集成方面的 能力也還比較低，相關的技術規(guī)范和標準的研究制定相對滯后，國產(chǎn)的數(shù)控機床還沒有形成品牌效應。同時，中國的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)目前還缺少完善的技術培訓、服務 網(wǎng)絡等支撐體系，市場營銷能力和經(jīng)營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識產(chǎn)權的數(shù)控系統(tǒng)少之又少，制約了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 國外公司在中國數(shù)控系統(tǒng)銷量中的 80%以上是普及型數(shù)控系統(tǒng)。如果我們能在普及型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品 快速產(chǎn)業(yè)化上取得突破，中國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)就有望從根本上實現(xiàn)戰(zhàn)略反擊。同時，還要建立起比較完備的高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系，提高中國的自主設計、開發(fā) 和成套生產(chǎn)能力，創(chuàng)建國產(chǎn)自主品牌產(chǎn)品，提高中國高檔數(shù)控系統(tǒng)總體技術水平。 “十一五”期間，中國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展期，中國數(shù)控機床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機遇，根據(jù)中國數(shù)控車床 1996-2005 年消費數(shù)量，通過模型擬合，預計2009 年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達 8.9 萬臺，年均增長率為 16.5%。根據(jù)中國加工中心 1996-2005 年消費增長模型，預計 2009 年加工中心消費數(shù)量將達 2.8 萬臺，較 2005 年年均增長率為 17.8%。技術發(fā)展趨勢- 7 -高速、精密、復合、智能和綠色是數(shù)控機床技術發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在： 1.機床復合技術進一步擴展隨著數(shù)控機床技術進步，復合加工技術日趨成熟，包括銑-車復合、車銑復合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復合，車磨復合，成形復合加工、特種復合加工等，復合加工的精度和效率大大提高。 “一臺機床就是一個加工廠 ”、 “一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復合加工機床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 2．數(shù)控機床的智能化技術有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動調整干涉防 碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學習功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能 進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質。 3．機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應用，使得柔性線更加靈活、 功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車銑復合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機 床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應用。 4．精密加工技術有了新進展數(shù)控金切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） ，有些品種已達到 0.05μm 左右。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） 。通過機床結構設計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用 高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 5．功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應用。全數(shù)字交流伺服電機和驅動裝置，高技術含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應用，極大的提高數(shù)控機床的技術水平。第 2 章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較數(shù)控機床可以較好的解決形狀復雜、精密多品種及中小批零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質量和提高生產(chǎn)率，隨著制造技術向自動化、柔性化方向的發(fā)展，當前機床的數(shù)控化率已經(jīng)成為衡量一個國家制造工業(yè)水平的重要標志。- 8 -機床的數(shù)控化設計一般是指對現(xiàn)有某臺普通車床的某些部位做一定的改裝，配上經(jīng)濟型數(shù)控裝置或標準型數(shù)控數(shù)控系統(tǒng)，從而使原機床具有數(shù)控加工能力。這種技術工作有其獨特的特點。機床的數(shù)控設計，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機床不是簡單將傳統(tǒng)機床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎上，僅對局部加以改進而成。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足，抗震性差，熱變形大，滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機床對加工精度，表面質量，生產(chǎn)率以及使用壽命等要求。現(xiàn)代機床的部件結構，整體布局，外部造型都已經(jīng)形成了數(shù)控機床獨特的機械部件。因此，我們在對數(shù)控機床進行數(shù)控設計的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能的 與數(shù)控機床相接近。機床的設計主要應具備兩個條件 1.機床基礎件必須有足夠的剛度 2.改裝的費用要合適，經(jīng)濟性好。改裝前要對機床的性能指標做出決定，改裝后其各項指標能達到數(shù)控加工的要求。機械部分數(shù)控化設計需涉及電機的選擇、工作臺進給結構、傳動比分配與計算等方面的內容。1 伺服驅動元件進給電機選用混合式步進電機，其不僅步距角小運行頻率高且功耗低低頻噪音小等優(yōu)點。廣泛用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不需要反饋裝置，結構簡單可靠，壽命長。橫垂直進給電機均選用同一型號以便于設計和日后維修。脈沖當量 t=0.01mm/脈沖，選用步距角θ=0.6° 。對原機床的主傳動系統(tǒng)均維持不變，以節(jié)約資金及縮短改裝時間。2 機床導軌的選擇由于原機床采用滑動導軌，在低速時容易發(fā)生“爬行”現(xiàn)象，直接影響運動部件的定位精度。較經(jīng)濟的處理方法是采用貼塑滑動導軌。3 進給傳動系統(tǒng)數(shù)控機床要求進給部分移動元件靈敏度高、精度高、反應快、低速時無爬行。因此本設計中采用滾珠絲杠可以滿足要求。滾珠絲杠螺母副由絲杠、螺母、滾珠、反向器組成。其工作原理為：當絲杠和螺母相對運動時，在螺母上設有滾珠循環(huán)返回裝置，使得滾珠沿滾道面運動后能通過這個裝置自動的返回其入口處，繼續(xù)參加工作。滾珠絲杠螺母副- 9 -安裝時需要預緊，通過預緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙，提高傳動剛度。本設計中的預緊方法是采用雙螺母墊片預緊式結構。即通過改變兩個螺母的軸向相對位置，使每個螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側來實現(xiàn)預緊。其特點是預緊結構簡單，軸向剛度好，預緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好如圖 2-1。為消除傳動系統(tǒng)中的反向間隙，提高重復定位精度，傳動元件連接采用無鍵錐環(huán)連接。圖 2-1 滾珠絲桿的結構- 10 -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、超細粒度硬質合金 )并使用可轉位刀片。3.1.2 選擇數(shù)控車削用刀具目前，數(shù)控機床上大多使用系列化、標準化刀具，對可轉 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- 11 -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。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點;球頭銑刀是球頭的球心， 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 確定主軸轉速主軸轉速應根據(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。計算的主軸轉速 n，最后要選取機床有的或較接近的轉速。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。- 12 -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、相關的手冊并結合實際經(jīng)驗用類比方法確定。同時，使主軸轉速、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 進給伺服系統(tǒng)傳動計算參考市場上同類型的車床參數(shù)，結合任務書要求初步擬定 Φ630mm 的數(shù)控車床機床主要技術參數(shù)如表 4-1：最大回轉直徑 630mm電機功率 10KWLmax 2000mm快進速度 縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min切削速度 縱向 0.5m/min橫向 0.25m/min定位精度 0.015mm移動部件重量 縱向 1200N橫向 800N加速時間 30ms機床效率 0.7表 4-1 Φ630mm 的數(shù)控車床機床主要技術參數(shù)- 13 -4.1 確定系統(tǒng)脈沖當量X 軸(橫向)、Z 軸(縱向)為微機控制，采用步進電機或直流伺服電機驅動，滾珠絲杠傳動，X 軸(橫向)脈沖當量 0.005mm/脈沖，Z 軸(縱向)脈沖當量 0.010mm/脈沖。車床縱向脈沖當量為 0.01/mm 脈沖；橫向脈沖當量為 0.005mm/脈沖。4.2 切削力的確定縱切端面時的主切削力 =0.67 =10595(N)zF5.1maxD)(2649138.0NFzxy?橫切端面時的主切削力 )(2194.03)(571''''' NFzxyzz?其中： 。， 單 位 為車 床 床 身 加 工 最 大 直 徑 mmD6ax4.3 計算進給牽引力作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因此其數(shù)值的大小與導軌的類型有關。 縱向采用三角形導軌： )(493)12059(16.024915.)(' NGFfKzxm ???????橫向采用燕尾形導軌： )(08)()(''''' fyzxm ?式中：G 為移動部件的重量（N） ；為導軌上的摩擦系數(shù)，隨導軌形勢而不同；'fK 為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)。在正常情況下，K 及 可取如下數(shù)值：'f燕尾形導軌： K=1.4 2.0?‘- 14 -三角形導軌： K=1.15 18.0~5.'?f4.4 計算最大動負載 C選用滾珠絲杠副的直徑 d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉 100 萬轉后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載 C，計算如下：縱向：初選絲杠基本導程 mL80?。。。。 kNCmdLFZDfCvnamws 25508 )(8.10493.1.28105.36036????? )(1207548.1507.6.61130kNCLvns????，初 選 絲 杠 基 本 導 程橫 向 ：查表選擇 FFZD2506, kCdLa13,,6?均為 FFZD 型內循環(huán)浮動返向器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副 23150, 3/1~2min/0??。 。。 。。。。wsf hThTmLv運轉狀態(tài) 運轉系數(shù)無沖擊狀態(tài) 1.0~1.2一般運轉 1.2~1.5有沖擊運轉 1.5~2.5- 15 -表 3-2 運轉系數(shù)4.5 傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率 )(?????tg其中： 分 。其 摩 擦 角 約 為滾 動 摩 擦 系 數(shù)摩 擦 角 ， 滾 珠 絲 杠 副 的絲 杠 螺 旋 升 角 10,04.~3.??f??縱向： %3.94)17.092.(2.58arctnarct0?????tgdL??橫向： 25.96)17.03.4(7.arctnarc?????tgdL??4.6 剛度計算滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，因此應考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量 ：1?縱向： )(076.925016.208493· 5mEFLm ???????）（?預 緊 后 滿 足 要 求 )(036.12.03 )(1.87951L?????橫向；- 16 -預 緊 后 滿 足 要 求 )(0132.561042. )(4.)(.8·401 420 mLEFm????????? ???4.7 進給伺服系統(tǒng)傳動計算4.7.1 確定傳動比確定當機床脈沖當量和滾珠絲杠導程確定以后，可以先初選步進電機的步距角，計算伺服系統(tǒng)的降速比 I縱向： 3401.68??i橫向： 254.7.2 齒輪參數(shù)的計算摸數(shù) m 取 2。計算如下：縱向：取小圓齒數(shù)為 36，小齒輪： )(5.2.125.7361 mhzdfa????大齒輪： 9648mzd橫向：取小圓齒數(shù)為 18小齒輪： )(5.2.125.3681 mhzdfa????大齒輪： 736zdPbLi??360?- 17 -4.8 步進電機的計算和選用4.8.1 轉動慣量的計算（1）齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算（ ）2.cmkg82MDJ?對于鋼材：34107.??LJ式中：M—圓柱體質量（ ）kgD—圓柱體直徑（ ）cmL—圓柱體長度（ ）—鋼材的密度?23/108.7c????對于齒輪：D 可取分度圓直徑，L 取齒輪寬度； 對于絲杠：D 可近似取絲杠公稱直徑 —滾珠直徑，L 取絲杠長度。具體計算如下：縱向： ).(19402.7805369.75. 24 24cmkgJz ?????小大絲 杠橫向： ).(236.018.637.072.85.5. 24 234ckgJz ?????小大絲 杠（2）絲杠傳動時折算到電機軸上的總傳動慣量步進電機經(jīng)一對齒輪降速后傳到絲杠，此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉動慣量為： ])2()[()021?LgGJzJs???式中：- 18 -） 。絲 杠 的 導 程 （ ） ；件 的 重 量 （工 作 臺 及 工 件 等 移 動 部 ；絲 杠 的 轉 動 慣 量 （ ；大 齒 輪 的 轉 動 慣 量 ；小 齒 輪 的 轉 動 慣 量 動 慣 量 （cmLNGkgJcJS??0 22 21 2).(. );kg.cm上上具體計算如下：縱向： ).706(])28.0(91)5.72.13[()49. 2cmkgJ ?????橫向： 941.2604.8.2 電機力矩的計算電機的負載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動時所需力矩、快速進給時所需力矩、最大切削負載時所需力矩等幾部分介紹其計算方法。（1） 快速空載起動時所需力矩 起M0'maxMf??起式中： ） 。矩 （電 機 軸 上 的 附 加 摩 擦 力由 于 絲 杠 預 緊 時 折 算 到 ）力 矩 （折 算 到 電 機 軸 上 的 摩 擦 ） ；軸 上 的 加 速 力 矩 （空 載 起 動 時 折 算 到 電 機 ） ；快 速 空 載 起 動 力 矩 （起 mNMmNf .;.0max?（2） 快速進給時所需力矩 快M0f??‘快因此對運動部件已起動，固不包含 ，顯然 。max起快 M?（3）最大切削負載時所需力矩 切tfM??0切式中： ） 。負 載 力 矩 （折 算 到 電 機 軸 上 的 切 削 mNt .在采用絲杠螺母副傳動時，上述各種力矩可用下式計算- 19 -2max2max106106????????amx tnJnJM???式中： ） 。時 間 （最 大 進 給 速 度 所 需 要 的運 動 部 件 從 停 止 加 速 到 ） ；步 進 電 機 的 步 距 角 （） ；脈 沖 當 量 （ ） ；電 機 最 大 轉 速 （） ；電 機 最 大 角 加 速 度 （ ） ；上 的 總 等 效 轉 動 慣 量 （傳 動 系 統(tǒng) 折 算 到 電 機 軸 stmrnsNcmkgJabp???????in/ .max 2 2摩擦力矩 ）（ NMf.iLFf·20???式中： 。取傳 動 鏈 總 效 率 ， 一 般 可 計 算 ；齒 輪 降 速 比 ， 按導 軌 摩 擦 系 數(shù) ； ） ；運 動 部 件 總 重 量 （引 力 處 摩 擦 力 的 計 算 ； ） ， 其 計 算 如 計 算 牽（， 進 行 切 削 加 工 時空 載 快 速 起 動 時 ） ；垂 直 方 向 切 削 力 （‘85.0~7/ ''12000 ?? ??????ziif NG GFzfGfFF附加摩擦力矩 ）（ mNM.0）（ 2001·???iLFp式中： 。 動 效 率 ， 一 般 取滾 珠 絲 杠 未 預 緊 時 的 傳滾 珠 絲 杠 導 程 ； ） ；為 進 給 牽 引 力 （，般 取滾 珠 絲 杠 預 加 載 荷 ， 一 9.03/00 ????L NFFmP折算到電機軸上的切削負載力矩 ）（ cNMt.iLFtt·20???式中：- 20 -其 于 參 數(shù) 如 上 。 ） ；進 給 方 向 最 大 切 削 力 （ NFt?具體計算：橫向： ).(264.108.2619 ).(05.%5.9.3/40.728.108.26.57. ).(95.0. .71234291'max mNMNmMtff ??????????????）（）（).(047.26.105.78. 890'max mNtff ???切起縱向：由上面計算知，在 、 、 三種工況下，快速空載起動所需力矩最大，起 快M切所以只需計算 。起M).(32.416.029.87.3%41/8.02.493).(.0.16. .4591342700'max0 2'max mNMNff ?????????????起 ）（??4.9 步進電機的選擇目前，經(jīng)濟型數(shù)控車床中大多數(shù)采用反應式步進電機。1. 首先根據(jù)最大靜轉距 初 選 電 機 型 號maxj從表中查出，當步進電機為三相六拍時，86.0M/jax?起?縱向： ).(2.586.032.4/ NM?起按此最大靜轉矩產(chǎn)步進電機型號表（三相）可查出，110BYG3500 型最大靜轉矩轉矩為 8N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起- 21 -動矩頻特性和運行矩頻特性。步進電機起動頻率 Hz401.6201max???pqvf?最高工作頻率 Hz3.8psgf從電機表中查出，110BYG3500 型步進電機的空載起動頻率為 1600Hz，運行頻率為30000Hz，滿足要求。橫向： mNM.3086./2/??起按此最大靜轉矩產(chǎn)步進電機型號表（三相）可查出，90BYGH3502 型最大靜轉矩轉矩為 5N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。步進電機起動頻率 Hz405.62101max???pqvf?最高工作頻率 Hz3.psgf從電機表中查出，90BYGH3500 型步進電機的空載起動頻率為 1800Hz，運行頻率為30000Hz，滿足要求。機的具體型號選取。- 22 -結論總之，通過此課題的設計研究，本人收獲甚大：1.本人對機床，特別是車床有了深刻地了解，對車床的工作原理、組成、結構等方面的知識有了一個系統(tǒng)而全面地認識2.系統(tǒng)學習了數(shù)控機床的相關知識，閱讀了大量關于CNC系統(tǒng)、NC系統(tǒng)的說明書及相關資料，為今后從事控制系統(tǒng)的設計工作奠定了基礎.3.學習了一些網(wǎng)絡知識，訓練了綜合運用知識和電腦繪圖的能力，鍛煉了實踐操作能力。本次設計設計的經(jīng)驗，使我對機械產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，同時對機械這門學科也有了比較具體的認識，這必將對我以后的學習和工作帶來很大的好處。- 23 -參考文獻 :[1] 蔡春源 雷天覺 任興機，等. 機電液設計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，1997.[2] 徐炳松，張秀艷，張茵麥，等. 畫法幾何及機械制圖. 北京：高等教育出版社，1999.[3] 劉杰. 機電一體化技術基礎與產(chǎn)品設計. 沈陽：東北大學出版社，2002，101-102.[4] 王仁德，趙春雨，張耀滿. 機床數(shù)控技術. 沈陽：東北大學出版社，2002，57-73.[5] 蔡光起，原所先，高航. 機械制造技術基礎. 沈陽：東北大學出版社，2002.[6] 宋宏遠，楊天怡. 單片微型計算機原理及應用. 重慶：重慶大學出版社，1990，92-93.[7] 呂京建，韓長風. 單片微機與系統(tǒng)設計. 天津：能源出版社，1987.[8] Mach inability Date Center. Machining Date Handbook.2nd Edition 1972.[9] Bram G, Douns C. Machining technology. Macmillan Press Ltd,1975.[10] 叢福建. 基于通用 PC 機車床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā). 東南大學. 2002.[11] 王賡. 易用型數(shù)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn). 西安交通大學. 2001.[12] 鄭子文. 超精密機床伺服控制技術研究. 國防科學技術大學. 2001.[13] 紀海慧. 新一代 CK1416 高速精密數(shù)控車床建模與設計動態(tài)研究. 東南大學. 2003 . - 24 -致謝本文是在導師XX教教授的悉心指導下完成的。導師淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和一絲不茍的科研作風給本人留下了深刻的印象，使本人受益匪淺，在此謹向導師表示崇高的敬意和衷心的致謝.感謝在整個畢業(yè)設計期間和我密切合作的同學，和曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，在大學生活即將結束的最后的日子里，我們再一次演繹了團結合作的童話，把一個龐大的，從來沒有上手的課題，圓滿地完成了。正是因為有了你們的幫助，才讓我不僅學到了本次課題所涉及的新知識，更讓我感覺到了知識以外的東西，那就是團結的力量。 最后，感謝所有在這次畢業(yè)設計中給予過我?guī)椭娜恕? 25 -