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畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
設(shè)計(jì)題目：Φ600mm的數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)及縱向進(jìn)給設(shè)計(jì)
學(xué) 生
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
繼 續(xù) 教 育 學(xué) 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(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并進(jìn)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(duì)滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則以及廠家的選擇等。
關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，伺服電機(jī)，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
42
目 錄
摘 要 II
Abstract I
目 錄 II
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 1
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn) 1
1.2數(shù)控車床的主要功能及加工對(duì)象 1
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 2
1.3.1中小企業(yè)數(shù)控機(jī)床選用中存在的問題 2
1.3.2 數(shù)控機(jī)床選購的策略 2
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向 4
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 6
2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 6
2.1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 7
2.1.2控制方式的選擇 7
2.2 總體方案確定 7
2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇 7
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 7
2.2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 8
2.3 可行性論證 8
第3章 確定切削用量及選擇刀具 9
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 9
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 9
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 10
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) 10
3.3 確定切削用量 11
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 11
3.3.2確定進(jìn)給速度 11
3.3.3 確定背吃刀量 11
第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的計(jì)算 12
4.1 參數(shù)的確定 12
4.2 傳動(dòng)設(shè)計(jì) 14
4.3轉(zhuǎn)速圖的擬定 16
第5章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
5.1 確定脈沖當(dāng)量 20
5.2 切削力的計(jì)算 20
5.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 21
5.3.1 精度的選擇 21
5.3.2絲杠導(dǎo)程的確定 21
5.3.3 最大工作載荷的計(jì)算 22
5.3.4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 22
5.3.5 滾珠絲杠螺母副的選型 23
5.3.6 滾珠絲杠副的支承方式 23
5.3.3 傳動(dòng)效率的計(jì)算 23
5.3.8 剛度的驗(yàn)算 24
5.3.9 穩(wěn)定性校核 25
5.3.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 25
5.4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 26
5.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 26
5.6導(dǎo)軌的特點(diǎn) 29
5.7 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 30
第6章 單片機(jī)控制應(yīng)用系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 33
6.1硬件電路設(shè)計(jì) 33
6.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 33
6.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 33
6.2關(guān)于各線路元件之間線路連接 34
6.4 關(guān)于電路原理圖的一些說明 35
總 結(jié) 39
參考文獻(xiàn) 40
致 謝 41
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn)
數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡稱數(shù)控機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。
數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動(dòng)輸入。
隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。
未來數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè)柔性制造單元，更加便于納入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中。
1.2數(shù)控車床的主要功能及加工對(duì)象
數(shù)控車床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控車床普遍所具有的功能。如點(diǎn)位控制功能、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能、鏡象加工功能、 固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控車床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ?。如刀具長度補(bǔ)償功能、靠模加工功能、自動(dòng)變換工作臺(tái)功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。
在使用數(shù)控車床加工工件時(shí)，只要充分利用數(shù)控車床的各種功能，就可以加工許多普通車床難加工的工件。數(shù)控車床的主要加工對(duì)象有：平面類零件；變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。
1、直線插補(bǔ):?數(shù)控車床在完成工作時(shí)所具有的基本功能之一，一般情況下分為直線插補(bǔ)和空間直線插補(bǔ)等一些插補(bǔ)方式
2、圓弧插補(bǔ):?這也是數(shù)控車床在完成工作時(shí)所具有的基本功能之一，一般情況下可分為平面圓弧插補(bǔ)以及逼近圓弧插補(bǔ)等。
3、固定循環(huán):???固定循環(huán)是指通過各種參數(shù)使用不同的加工要求，主要用于實(shí)現(xiàn)一些魚油經(jīng)典型的需要多次重復(fù)的工作，這樣使用固定循環(huán)是可以有效的簡化程序的編制。
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析
近幾年，隨著國民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，我國機(jī)床制造行業(yè)受益于國家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境，有了長足進(jìn)展，這其中領(lǐng)先當(dāng)今機(jī)械制造技術(shù)水平的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)更勝一籌。
由于數(shù)控設(shè)備的先進(jìn)性、復(fù)雜性和發(fā)展的迅速性,以及品種型號(hào)、檔次的多樣性,決定了選用數(shù)控設(shè)備的復(fù)雜性和難度。如何從品種繁多、價(jià)格昂貴的產(chǎn)品中選擇適用的設(shè)備, 成為中小型企業(yè)十分關(guān)心的問題。
1.3.1中小企業(yè)數(shù)控機(jī)床選用中存在的問題
目前中小型企業(yè)缺乏數(shù)控設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)和掌握數(shù)控加工技術(shù)的人才,在數(shù)控機(jī)床選購中存在著盲目性、片面性,主要表現(xiàn)在以下幾方面:
1.決策者對(duì)數(shù)控機(jī)床的認(rèn)識(shí)有誤區(qū),部分企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為配置高精度數(shù)控設(shè)備是企業(yè)檔次的象征。選型時(shí)不考慮投資效益,忽略性價(jià)比,盲目追求進(jìn)口、高檔,片面講究功能齊全。而在后來的使用過程中才發(fā)現(xiàn)有些功能用不上或幾乎不用。2.機(jī)床選型混亂, 數(shù)控機(jī)床類型、規(guī)格不配套。選購不同廠家的產(chǎn)品, 數(shù)控系統(tǒng)不統(tǒng)一, 購置后給操作、編程、維修帶來困難。3.購置數(shù)控機(jī)床時(shí)只重視主機(jī)性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某個(gè)附件或刀具而影響整個(gè)主機(jī)的運(yùn)行。4.對(duì)企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品變化預(yù)測不足, 所購設(shè)備的功能的發(fā)揮受到制約。
1.3.2 數(shù)控機(jī)床選購的策略
1.實(shí)用性。選購數(shù)控機(jī)床時(shí)，企業(yè)要有明確的目的和出發(fā)點(diǎn)，首先考慮的是數(shù)控機(jī)床的實(shí)用性。
(1)數(shù)控機(jī)床規(guī)格、精度的實(shí)用性。在選擇數(shù)控機(jī)床時(shí),首先應(yīng)確定數(shù)控機(jī)床上加工的典型零件。零件的尺寸決定機(jī)床的加工范圍；零件關(guān)鍵部位的精度決定了所選機(jī)床的精度等級(jí)。機(jī)床精度的評(píng)定指標(biāo)較多，因數(shù)控機(jī)床類別而異,但共有的關(guān)鍵項(xiàng)目是定位精度、重復(fù)定位精度以及綜合加工精度。定位精度與傳動(dòng)鏈各環(huán)節(jié)的彈性、間隙等因素有關(guān),反映了機(jī)械系統(tǒng)中的扭曲、撓度、爬行、共振等諸因素造成的綜合誤差。這些指標(biāo)既反映了伺服機(jī)構(gòu)的剛度,也說明了位置反饋測量系統(tǒng)的質(zhì)量。重復(fù)定位精度反映了數(shù)控軸在全行程內(nèi)定位點(diǎn)的穩(wěn)定性，傳動(dòng)鏈剛性直接影響重復(fù)定位精度。綜合加工精度指最后加工出來的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤差。選購時(shí)應(yīng)避免盲目追求高精度，注意機(jī)床精度與工件精度相匹配。
(2)數(shù)控系統(tǒng)功能的實(shí)用性。數(shù)控系統(tǒng)功能可分為基本功能與選用功能, 各知名品牌數(shù)控系統(tǒng)的基本功能差別不大。除基本功能以外, 數(shù)控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能。通常數(shù)控系統(tǒng)具備的基本功能比較便宜, 而特定選擇的功能很貴。在可供選擇的功能模塊中, 性能差別很大,價(jià)格也相差數(shù)倍，所以要根據(jù)加工要求和機(jī)床性能的需要來選擇。 從控制方式、驅(qū)動(dòng)形式、反饋形式、檢測、操作方式、接口形式和故障診斷等方面來衡量, 合理地選擇適合機(jī)床的可選功能,放棄可有可無或不實(shí)用的可選功能。比如，自動(dòng)換刀裝置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC裝置的投資往往占整機(jī)的30%～50%。因此在滿足使用要求的前提下盡量選用結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的ATC, 以提高機(jī)床的可靠性和降低整機(jī)的價(jià)格。應(yīng)當(dāng)注意，單獨(dú)簽訂合同購買附件的單價(jià)大大高于隨同主機(jī)一起供貨的附件單價(jià),應(yīng)盡可能在購買主機(jī)時(shí)一并購置部分易損部件及其他附件。 2.經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性是指選用的數(shù)控機(jī)床在滿足加工要求的條件下, 所支付的“錢”最少或較為合理的。經(jīng)濟(jì)性往往是和實(shí)用性緊密相連的, 機(jī)床選得實(shí)用、經(jīng)濟(jì), 可避免不必要的浪費(fèi), 避免以高代價(jià)換來功能過多而又不實(shí)用的較復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床，避免在操作使用、維護(hù)保養(yǎng)等諸多方面帶來困難。
數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)使用壽命一般為7年, 主要以數(shù)控方面的使用壽命為準(zhǔn)。同時(shí)還得考慮市場占有率, 市場占有率高的數(shù)控設(shè)備說明是旺銷產(chǎn)品, 已受到多數(shù)用戶的青睞和肯定, 一般不會(huì)有太多的質(zhì)量問題。
選購數(shù)控機(jī)床應(yīng)考慮投資回報(bào), 能夠在短期內(nèi)收回投資的機(jī)床才是好機(jī)床。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的主要優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)工序集中，從而提高生產(chǎn)率和加工精度，所以數(shù)控機(jī)床既適于單件小批生產(chǎn)，又適于大批量生產(chǎn)。多數(shù)中小型企業(yè)購買的數(shù)控機(jī)床用于批量生產(chǎn)，因?yàn)榕可a(chǎn)不僅節(jié)省編程、對(duì)刀等輔助時(shí)間，提高機(jī)床利用率；而且對(duì)操作者的技術(shù)要求不高，人工費(fèi)用也相對(duì)較低。所以用于大批量生產(chǎn)的機(jī)床投資回報(bào)較快。少數(shù)產(chǎn)品附加值高，具有一定經(jīng)濟(jì)實(shí)力的企業(yè)，為了生產(chǎn)組織方便而購買用于單件生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床。機(jī)床利用率較低時(shí)，不僅要考慮設(shè)備的使用費(fèi)用，比如潤滑油、冷卻液、電力消耗等，還要計(jì)算設(shè)備折舊。另外一個(gè)不可忽視的因素是設(shè)備的貶值，數(shù)控機(jī)床的升級(jí)、更新較快，同配置的一臺(tái)機(jī)床，現(xiàn)在售價(jià)40萬，三年后可能降至35萬，這樣算起來貶值和折舊一樣不可忽視。所以沒有定型產(chǎn)品或產(chǎn)品附加值較低的中小型企業(yè)，在購置貴重?cái)?shù)控設(shè)備之前，一定要充分研究收回投資的周期。有些企業(yè)事先確定較穩(wěn)定的批量加工意向，甚至已經(jīng)接到訂單，選購機(jī)床時(shí)要求機(jī)床廠為其準(zhǔn)備工裝、編制程序、培訓(xùn)工人，即所謂“交鑰匙”工程，這是投資數(shù)控機(jī)床最理想的情況。
3.穩(wěn)定可靠性。數(shù)控設(shè)備的可靠性是廣大數(shù)控設(shè)備用戶必須關(guān)心的焦點(diǎn)問題, 因此在選用數(shù)控設(shè)備時(shí)應(yīng)注意生產(chǎn)廠家的規(guī)模和市場占有率, 確認(rèn)其產(chǎn)品是否達(dá)到國家規(guī)定的平均無故障時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)定為500h)。目前多數(shù)機(jī)床廠都采購成熟的數(shù)控系統(tǒng)和零部件進(jìn)行組裝。國內(nèi)應(yīng)用較多的數(shù)控系統(tǒng)有日本FANUC、德國的西門子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直線導(dǎo)軌、主軸又分別來自德國和臺(tái)灣等地。所以機(jī)床的主要零部件的質(zhì)量一般是可靠的，需要重點(diǎn)考察的是數(shù)控機(jī)床組裝企業(yè)的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是否健全,服務(wù)隊(duì)伍的素質(zhì)是否能勝任工作,服務(wù)能否及時(shí),是否能履行承諾等。
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向
數(shù)控機(jī)床是由美國發(fā)明家約翰·帕森斯上個(gè)世紀(jì)發(fā)明的。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時(shí)代，其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機(jī)床是制造業(yè) 的加工母機(jī)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng)。
技術(shù)發(fā)展趨勢：
高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實(shí)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(jī)床復(fù)合技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)步，復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括車-車復(fù)合、車車復(fù)合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_(tái)機(jī)床就是一個(gè)加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。
2．?dāng)?shù)控機(jī)床的智能化技術(shù)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(dòng)調(diào)整干涉防 碰撞功能、斷電后工件自動(dòng)退出安全區(qū)斷電保護(hù)功能、加工零件檢測和自動(dòng)補(bǔ)償學(xué)習(xí)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(dòng)消除機(jī)床震動(dòng)等功能 進(jìn)入了實(shí)用化階段，智能化提升了機(jī)床的功能和品質(zhì)。
3．機(jī)器人使柔性化組合效率更高機(jī)器人與主機(jī)的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、 功能進(jìn)一步擴(kuò)展、柔性線進(jìn)一步縮短、效率更高。機(jī)器人與加工中心、車車復(fù)合機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床、工具磨床、電加工機(jī)床、鋸床、沖壓機(jī)床、激光加工機(jī) 床、水切割機(jī)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(yīng)用。
4．精密加工技術(shù)有了新進(jìn)展數(shù)控金切機(jī)床的加工精度已從原來的絲級(jí)（0.01mm）提升到目前 的微米級(jí)（0.001mm），有些品種已達(dá)到0.05μm左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05μm左右，形狀精度可達(dá) 0.01μm左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級(jí)（0.001μm）。通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)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(dòng)等動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級(jí)超精加工時(shí)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(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機(jī)、直線電機(jī)，高性能的直線滾動(dòng)組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用，極大的提高數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容
(1) 數(shù)控機(jī)床工作原理：
數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機(jī)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(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變化、起停，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(dòng)作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合要求的零件。
(2) 數(shù)控機(jī)床的組成：
數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)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(jī)床的組成圖
一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。
屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。
比較項(xiàng)目
方案一
方案二
確定后的方案
具體原因
主軸箱
分級(jí)變速采用
調(diào)速電機(jī)+
齒輪傳動(dòng)
采用三相異步
電機(jī)+減速器
方案一
變速級(jí)數(shù)比較多
滿足多種加工
需要，也符合
任務(wù)書要求
進(jìn)給機(jī)構(gòu)
滾珠絲杠
+步進(jìn)電機(jī)
滾珠絲杠
+伺服電機(jī)
方案一
脈沖當(dāng)量
步進(jìn)電機(jī)控制
的準(zhǔn)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(dòng)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(jī)
16位單片機(jī)
方案一
基本需求可以滿足
2.1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)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(jì)型數(shù)控機(jī)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(hào)的流程是單向的，也正是由于信號(hào)的單向流程，它對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測，所以機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)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(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓弧插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達(dá)到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)
根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾性強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
2.2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿，為保證一定的傳動(dòng)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(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)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(dòng)化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動(dòng)化制造系統(tǒng)項(xiàng)目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析報(bào)告，是上級(jí)主管部門審定和批準(zhǔn)立項(xiàng)的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行數(shù)控車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)計(jì)之前進(jìn)行合理的、科學(xué)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(jì)型數(shù)控設(shè)計(jì)的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)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(biāo)，設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件、目標(biāo)、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，設(shè)計(jì)后車床的實(shí)施計(jì)劃，結(jié)論等。
由于本設(shè)計(jì)僅作為大學(xué)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，故在此，設(shè)計(jì)者僅對(duì)設(shè)計(jì)的投資概算作一簡要的可行性論證。
本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中，采用自己設(shè)置的數(shù)控裝置，加上兩臺(tái)伺服電機(jī)，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動(dòng)部分以及齒輪副，一臺(tái)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，四個(gè)電磁離合器以及主傳動(dòng)部分的齒輪副。這樣設(shè)備設(shè)計(jì)費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計(jì)不會(huì)超過8萬元。因此，對(duì)數(shù)控車床作經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)計(jì)適合我國國情，是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動(dòng)化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實(shí)用性。
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1科學(xué)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(shí)，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)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(shí)最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定.
選擇刀具壽命時(shí)可考慮如下幾點(diǎn)根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí) 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(duì)于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合機(jī)床與自動(dòng)化 加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)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(gè)車間的生產(chǎn)率的提高時(shí)，該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時(shí) 間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時(shí)，刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時(shí)，為保證至少完成一次走刀，避免切削時(shí)中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機(jī)床加工方法相比，數(shù)控加工對(duì)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(shí)要求安裝調(diào)整 方便，這樣來滿足數(shù)控機(jī)床高效率的要求。數(shù)控機(jī)床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細(xì)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(yàn)數(shù)據(jù)如下:一是車刀半徑RD應(yīng)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(shí)，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(shí)取刀具半徑為Re=0.95(Rr)。對(duì)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(jī)床上大多使用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化刀具，對(duì)可轉(zhuǎn) 位機(jī)夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標(biāo)準(zhǔn)及系列化型號(hào)對(duì)于加工中心及有自動(dòng)換刀裝置的機(jī)床，刀具的刀柄都已有系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為DSG-JZ,此外，對(duì)所選擇的刀具，在使用前都需對(duì)刀具尺寸進(jìn)行嚴(yán)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(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn)
刀具究竟從什么位置開始移動(dòng)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(biāo)系下開始運(yùn)動(dòng)的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時(shí)刀具相對(duì)于工 件運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，所以稱程序起始點(diǎn)或起刀點(diǎn)。此起始點(diǎn)一般通過對(duì)刀來確定，所以，該點(diǎn)又稱對(duì)刀點(diǎn)。在編制程序時(shí)，要正確選擇對(duì)刀點(diǎn)的位置。對(duì)刀點(diǎn)設(shè)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(duì)刀點(diǎn)可以設(shè)置在加工零件上，也可以設(shè)置在夾具上或機(jī)床上，為了提 高零件的加工精度，對(duì)刀點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基誰上。實(shí)際操作機(jī)床時(shí)，可通過手工對(duì)刀操作把刀具的刀位點(diǎn)放到對(duì)刀點(diǎn)上，即“刀位點(diǎn)”與“對(duì) 刀點(diǎn)”的重合。所謂“刀位點(diǎn)”是指刀具的定位基準(zhǔn)點(diǎn)，車刀的刀位點(diǎn)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(diǎn);球頭車刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動(dòng)對(duì)刀操作，對(duì)刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對(duì)刀鏡、對(duì)刀儀、自動(dòng)對(duì)刀裝置等，以減少對(duì)刀時(shí)間，提高對(duì)刀精度。加工過程中 需要換刀時(shí)，應(yīng)規(guī)定換刀點(diǎn)。所謂“換刀點(diǎn)”是指刀架轉(zhuǎn)動(dòng)換刀時(shí)的位置，換刀點(diǎn)應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部，以換刀時(shí)不碰工件及其它部件為準(zhǔn)。
3.3 確定切削用量
數(shù)控編程時(shí)，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(jìn)給速度等。對(duì)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(jī)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(yīng)根據(jù)允許的切 削速度和工件(或刀具)直徑來選擇。其計(jì)算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/m動(dòng)，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(jì)算的主軸轉(zhuǎn)速n，最后要選取機(jī)床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。
3.3.2確定進(jìn)給速度
進(jìn)給速度是數(shù)控機(jī)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(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的 性能限制。確定進(jìn)給速度的原則:當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進(jìn)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(shí)，宜選擇較低的進(jìn)給速度，一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選取;當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時(shí)，進(jìn)給速度應(yīng)選 小些，一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取;刀具空行程時(shí)，特別是遠(yuǎn)距離“回零”時(shí)，可以設(shè)定該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進(jìn)給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應(yīng)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(yīng)根據(jù)機(jī)床性能、相關(guān)的手冊(cè)并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)用類比方法確定。同時(shí)，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進(jìn)給速度三者能相互適應(yīng)，以形成最佳切削用量。
切削用量不僅是在機(jī)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(duì)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(jī)床動(dòng)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 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的計(jì)算
4.1 參數(shù)的確定
1) 了解車床的基本情況和特點(diǎn)---車床的規(guī)格系列和類型
1. 通用機(jī)床的規(guī)格和類型有系列型譜作為設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵照的基礎(chǔ)。因此，對(duì)這些基本知識(shí)和資料作些簡要介紹。本次設(shè)計(jì)中的車床是普通型車床，其品種，用途，性能和結(jié)構(gòu)都是普通型車床所共有的，在此就不作出詳細(xì)的解釋和說明了。
2.車床的主參數(shù)（規(guī)格尺寸）和基本參數(shù)（GB1582-79，JB/Z143-79）
最大的工件回轉(zhuǎn)直徑D是600mm；刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑D1大于或等于300mm；主軸通孔直徑d要大于或等于80mm；主軸頭號(hào)（JB2521-79）是4.5；最大工件長度L是1700mm；主軸轉(zhuǎn)速范圍是：30～1450r/min可無級(jí)調(diào)速.
2) 參數(shù)確定的步驟和方法
1. 極限切削速度umax﹑umin
根據(jù)典型的和可能的工藝選取極限切削速度要考慮：工序種類 ﹑工藝要求 刀具和工件材料等因素。允許的切速極限參考值如《機(jī)床主軸變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》。然而，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的需要選取的值如下：
取umax=300m/min；
umin=8m/min。
加工條件
硬質(zhì)合金刀具粗加工鑄鐵件
30～50
硬質(zhì)合金刀具半精或精加工碳鋼工件
150～300
螺紋（絲杠等）加工鉸孔
3～8
2. 主軸的極限轉(zhuǎn)速
計(jì)算車床主軸的極限轉(zhuǎn)速時(shí)的加工直徑，按經(jīng)驗(yàn)分別?。?.1～0.2）D和（0.45～0.5）D。由于D=600mm，則主軸極限轉(zhuǎn)速應(yīng)為：
nmax=r/min （2.1）
=758～1517r/min ，取=1000r/m；
nmin=r/min （2.2）
在中考慮車螺紋和絞孔時(shí)，其加工最大直徑應(yīng)根據(jù)實(shí)際加工情況選取0.1D和50左右。
所以 nmin==32r/min
由于轉(zhuǎn)速范圍 R= =
=31.25 ；
因?yàn)榧?jí)數(shù)Z已知：
Z=16級(jí) 。
現(xiàn)以Φ=1.26和Φ=1.41代入R=
得R=32和173 ，因此取Φ=1.26更為合適。
各級(jí)轉(zhuǎn)速數(shù)列可直接從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表中查出。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表給出了以Φ=1.06的從1～10000的數(shù)值，因Φ=1.26=，從表中找到nmax=1000r/min，就可以每隔4個(gè)數(shù)值取一個(gè)數(shù)，得：1250，1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，30。
3. 主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)z和公比￠
已知 =Rn
Rn=且： z=
因機(jī)床的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速往往比主軸的大多數(shù)轉(zhuǎn)速高，變速系統(tǒng)以降速傳動(dòng)居多，因此，傳動(dòng)系統(tǒng)中若按傳動(dòng)順序在前面的各軸轉(zhuǎn)速較高，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式（單位N.m）
T=，當(dāng)傳遞功率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速較高的軸所傳遞的扭矩就較小，在其他條件相同時(shí)，傳動(dòng)件（如軸、齒輪）的尺寸就較小，因此，常把傳動(dòng)副數(shù)較多的變速組安排在前面的高速軸上，這樣可以節(jié)省材料，減少傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此選擇結(jié)構(gòu)式如下：
16=。
4. 主電機(jī)功率—?jiǎng)恿?shù)的確定
合理地確定電機(jī)功率N，使用的功率實(shí)際情況既能充分的發(fā)揮其使用性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機(jī)經(jīng)常輕載而降低功率因素。
目前，確定機(jī)床電機(jī)功率的常用方法很多，而本次設(shè)計(jì)中采用的是：估算法，它是一種按典型加工條件（工藝種類、加工材料、刀具、切削用量）進(jìn)行估算。根據(jù)此方法，中型車床典型重切削條件下的用量：
根據(jù)設(shè)計(jì)書表中推薦的數(shù)值：
取 P=13kw
4.2 傳動(dòng)設(shè)計(jì)
1) 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇
結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)對(duì)于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的傳動(dòng)不失為有用的方法，但對(duì)于分析復(fù)雜的傳動(dòng)并想由此導(dǎo)出實(shí)際的方案，就并非十分有效，可考慮到本次設(shè)計(jì)的需要可以參考一下這個(gè)方案。
確定傳動(dòng)組及各傳動(dòng)組中傳動(dòng)副的數(shù)目
級(jí)數(shù)為Z的傳動(dòng)系統(tǒng)有若干個(gè)順序的傳動(dòng)組組成，各傳動(dòng)組分別有Z1、Z2、Z3…個(gè)傳動(dòng)副。即
Z=Z1Z2Z3…
傳動(dòng)副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制以2和3的因子積為合適，即變速級(jí)數(shù)Z應(yīng)為2和3的因子:
Z=
可以有幾種方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已經(jīng)選定了的和本次設(shè)計(jì)所須的正確的方案列出，具體的內(nèi)容如下：
傳動(dòng)齒輪數(shù)目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17個(gè)
軸向尺寸 19b
傳動(dòng)軸數(shù)目 8根
操縱機(jī)構(gòu) 簡單，兩個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪
根據(jù)以上分析及計(jì)算，擬定主軸箱、變速箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如下：
圖二中，第Ⅰ軸至第Ⅲ軸，其結(jié)構(gòu)式為： 4=
圖一中，第Ⅳ軸至第Ⅷ軸，機(jī)床主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)采用分離傳動(dòng)，其主要特點(diǎn)是：
（1） 在滿足傳動(dòng)副極限傳動(dòng)比的條件下，可以得到較大的變速范圍。
（2） 高速由短支傳動(dòng)，有助于減少高速時(shí)機(jī)床的空運(yùn)轉(zhuǎn)功率損失。而且高速分支的尺寸可相對(duì)小些。
（3） 變速級(jí)數(shù)不像常規(guī)變速系統(tǒng)那樣受2，3因子的限制，如與部分轉(zhuǎn)速重合的方法配合，幾乎可以得到任意的變速級(jí)數(shù)，大大增加了可供選擇方案的數(shù)目。
2) 主傳動(dòng)順序的安排
16級(jí)轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)組，可以安排成：2x2x2x2，選擇傳動(dòng)組安排方式時(shí)，要考慮到機(jī)床主軸變速箱的具體結(jié)構(gòu)、裝置和性能。在Ⅰ軸上如果安裝摩擦離合器時(shí)，應(yīng)減小軸向尺寸，第一傳動(dòng)組的傳動(dòng)副不能多，以2為宜，本次設(shè)計(jì)中就是采用的2，一對(duì)是傳向正傳運(yùn)動(dòng)的，另一個(gè)是傳向反向運(yùn)動(dòng)的。
主軸對(duì)加工精度、表面粗糙度的影響大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個(gè)傳動(dòng)組的傳動(dòng)副選用2，或者用一個(gè)定比傳動(dòng)副。
3) 傳動(dòng)系統(tǒng)的擴(kuò)大順序的安排
對(duì)于16級(jí)的傳動(dòng)只有一種方案，準(zhǔn)確的說應(yīng)該不只有這一個(gè)方案，可為了使結(jié)構(gòu)和其他方面不復(fù)雜，同時(shí)為了滿足設(shè)計(jì)的需要，選擇的設(shè)計(jì)方案是：
16=2［2］x 2［1］+ 2［2］x 2[1]+ 2[2］x 2[1]x2[8]
傳動(dòng)方案的擴(kuò)大順序與傳動(dòng)順序可以一致也可以不一致，在此設(shè)計(jì)中，擴(kuò)大順序和傳動(dòng)順序就是一致的。這種擴(kuò)大順序和傳動(dòng)順序一致，稱為順序擴(kuò)大傳動(dòng)。
4) 傳動(dòng)組的變速范圍的極限植
在主傳動(dòng)系統(tǒng)的降速傳動(dòng)中，主動(dòng)齒輪的最少齒數(shù)受到限制，為了避免被動(dòng)齒輪的直徑過大，齒輪傳動(dòng)副最小傳動(dòng)比umin≥，最大傳動(dòng)比umax≤2，決定了一個(gè)傳動(dòng)組的最大變速范圍rmax=umax/nmin≤8
因此，要按照參考書中所給出的表，淘汰傳動(dòng)組變速范圍超過極限值的所有傳動(dòng)方案。
極限傳動(dòng)比及指數(shù)x，值為：
極限傳動(dòng)比指數(shù)
1.26
x：umin==
6
值；umax==2
3
（x+）值：umin==8
9
5) 最后擴(kuò)大傳動(dòng)組的選擇
正常連續(xù)的順序擴(kuò)大的傳動(dòng)（串聯(lián)式）的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)式為：
Z=Z1［1］Z2［Z1］Z3［Z1Z2］
即是：
Z=16=2［2］2［1］2［2］2[8]
4.3轉(zhuǎn)速圖的擬定
運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定以后，主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定了電機(jī)功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機(jī)型號(hào)，確定各中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，這樣就擬定主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)圖，使主運(yùn)動(dòng)逐步具體化。
1) 主電機(jī)的選定
中型機(jī)床上，一般都采用三相交流異步電機(jī)為動(dòng)力源，可以在系列中選用。在選擇電機(jī)型號(hào)時(shí)，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：
1) 電機(jī)功率N：
根據(jù)機(jī)床切削能力的要求確定電機(jī)功率。但電機(jī)產(chǎn)品的功率已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標(biāo)準(zhǔn)值。
N=13kw
2.電機(jī)轉(zhuǎn)速nd
異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速有：3000、1500、1000、750r/min
類比同類機(jī)床CM6163，在此處選擇的是：
nd=1450r/min
這個(gè)選擇是根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速nmax和Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速相近或相宜，以免采用過大的升速或過小的降速傳動(dòng)。
3.雙速和多速電機(jī)的應(yīng)用
根據(jù)本次設(shè)計(jì)機(jī)床的需要，所選用的是：雙速電機(jī)
4.電機(jī)的安裝和外形
根據(jù)電機(jī)不同的安裝和使用的需要，有四種不同的外形結(jié)構(gòu)，用的最多的有底座式和發(fā)蘭式兩種。本次設(shè)計(jì)的機(jī)床所需選用的是外行安裝尺寸之一。具體的安裝圖可由手冊(cè)查到。
5.常用電機(jī)的資料
根據(jù)常用電機(jī)所提供的資料，選用：
Y132M-4
2) Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸從電機(jī)得到運(yùn)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)化成主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速和主軸最高轉(zhuǎn)速應(yīng)相接近。顯然，從傳動(dòng)件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下恒功率工作時(shí)所受扭矩最小來考慮，Ⅰ軸轉(zhuǎn)速不宜將電機(jī)轉(zhuǎn)速下降得太低。
但如果Ⅰ軸上裝有摩擦離合器一類部件時(shí)，高速下摩擦損耗、發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，Ⅰ軸轉(zhuǎn)速不宜太高。
Ⅰ軸裝有離合器的一些機(jī)床的電機(jī)、主軸、Ⅰ軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)：
參考這些數(shù)據(jù)，可見，車床Ⅰ軸轉(zhuǎn)速一般取700～1000r/min。另外，也要注意到電機(jī)與Ⅰ軸間的傳動(dòng)方式，如用帶傳動(dòng)時(shí)，降速比不宜太大，否則Ⅰ軸上帶輪太大，和主軸尾端可能干涉。因此，本次設(shè)計(jì)選用：
n1=1000r/min
3) 中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速
對(duì)于中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小與噪音、震動(dòng)等性能要求之間的矛盾。
中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速較高時(shí)（如采用先升后降的傳動(dòng)），中間轉(zhuǎn)動(dòng)軸和齒輪承受扭矩小，可以使用軸徑和齒輪模數(shù)小寫：d∝ 、 m∝，從而可以使用結(jié)構(gòu)緊湊。但是，這將引起空載功率N空和噪音Lp（一般機(jī)床容許噪音應(yīng)小于85dB）加大：
N空=) KW （2.3）
式中：
C---系數(shù)，兩支承滾動(dòng)或滑動(dòng)軸承C=8.5，三支承滾動(dòng)軸承C=10；
da---所有中間軸軸頸的平均直徑（mm）；
d主—主軸前后軸頸的平均直徑（mm）；
∑n—主軸轉(zhuǎn)速（r/min）。
（2.4）
（mz）a—所有中間傳動(dòng)齒輪的分度圓直徑的平均值mm；
（mz）主—主軸上齒輪的分度圓的平均值mm；
q----傳到主軸所經(jīng)過的齒輪對(duì)數(shù)；
β----主軸齒輪螺旋角；
C1、K---系數(shù)，根據(jù)機(jī)床類型及制造水平選取。我國中型車床、銑床C1=3.5。車床K=54，銑床K=50.5。
從上訴經(jīng)驗(yàn)公式可知：主軸轉(zhuǎn)速n主和中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速和∑n對(duì)機(jī)床噪音和發(fā)熱的關(guān)系。確定中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況作相應(yīng)修正：
1.功率較大的重切削機(jī)床，一般主軸轉(zhuǎn)速較低，中間軸的轉(zhuǎn)速適當(dāng)取高一些，對(duì)減小結(jié)構(gòu)尺寸的效果較明顯。
2.高速輕載或精密車床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低一些。
3.控制齒輪圓周速度u〈8m/s（可用7級(jí)精度齒輪）。在此條件下，可適當(dāng)選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。
4) 齒輪傳動(dòng)比的限制
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動(dòng)比：
1. 升速傳動(dòng)中，最大傳動(dòng)比umax≤2。過大，容易引起震動(dòng)和噪音。
2. 降速傳動(dòng)中，最小傳動(dòng)比umin≥1/4。過小，則使主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪的直徑相差太大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大。
第5章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 確定脈沖當(dāng)量
一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生位移量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01～0.005mm/脈沖。
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。
5.2 切削力的計(jì)算
切削力是指在切屑過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力。車削外圓時(shí)的切削力如圖3-1所示。主切削力與切削速度的方向一致，垂直向下，是計(jì)算車床主軸電動(dòng)機(jī)切削功率的依據(jù)；進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且方向相反；背向力與進(jìn)給方向相垂直，對(duì)加工精度的影響較大。
Fz
Fx
Fy
圖3-1 車削力分析
由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，切削功率
式中：—主軸電動(dòng)機(jī)功率， ；
—主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為0.75～0.85，取=0.85；
—進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，一般取=0.96。
則
切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削速度來計(jì)算，即，式中切削速度v取100,則主切削力：
==3420
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式::=1:0.4:0.35，計(jì)算出：
=3420×0.4=1368
=3420×0.35=1197
5.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，其螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。
5.3.1 精度的選擇
滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。對(duì)于車床，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。
5.3.2絲杠導(dǎo)程的確定
選擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度），本設(shè)計(jì)中初選縱向絲杠導(dǎo)程為8，橫向絲杠導(dǎo)程為5。
5.3.3 最大工作載荷的計(jì)算
最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力,其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表3-1所示。
表3-1 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)
導(dǎo)軌類型
實(shí)驗(yàn)公式
矩形導(dǎo)軌
1.1
0.15
燕尾導(dǎo)軌
1.4
0.2
綜合或三角導(dǎo)軌
1.15
0.15-0.18
表中為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為移動(dòng)部件總重量。G=1000 N
查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，取1.15,取0.18,為1000；
算得=1.15×1197+0.18×（3420+1000）
=2171.55
5.3.4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算
載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。比如起重機(jī)以等速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為靜載，起重機(jī)以加速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為動(dòng)載。
對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷計(jì)算公式如下：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通機(jī)床T取5000-10000h，數(shù)控機(jī)床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；
—載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計(jì)取1.2；
—硬度系數(shù)（HRC58時(shí)取1.0；等于55時(shí)取1.11；等于52.5時(shí)取1.35；等于50時(shí)取1.56；等于45時(shí)取2.40）；
—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。
本設(shè)計(jì)中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度,初選絲杠基本導(dǎo)程，則絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。
5.3.5 滾珠絲杠螺母副的選型
初選滾珠絲桿副時(shí)應(yīng)使其額定動(dòng)載荷, 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使額定靜載荷。
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL5008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級(jí)為4級(jí)，其參數(shù)如表3-2所示。
表3-2 FL5008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1897
50
8
4.763
48.6
45.24
66
31
5.3.6 滾珠絲杠副的支承方式
滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動(dòng)，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合。考慮到縱向絲杠長度較大，本設(shè)計(jì)縱向絲杠采用雙推—簡支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。
5.3.3 傳動(dòng)效率的計(jì)算
滾珠絲杠的傳動(dòng)效率一般在0.8～0.9之間，其計(jì)算公式如下：
=
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==96.67%
5.3.8 剛度的驗(yàn)算
滾珠絲杠副工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。
因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對(duì)絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以、可以忽略不計(jì)，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：
=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，為3234.36，取1665，為45.24，算得：
==±0.01597=±15.97
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
表3-3 有效行程內(nèi)的目標(biāo)行程公差和行程變動(dòng)量
有效行程
精度等級(jí)
1
2
3
4
5
大于
至
—
315
6
6
8
8
12
12
16
16
23
23
400
500
8
7
10
9
15
13
20
19
27
26
1600
2000
18
13
25
18
35
25
48
36
65
51
5.3.9 穩(wěn)定性校核
由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長又受軸向力的作用，若軸向負(fù)載過大，則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk應(yīng)該滿足：
=
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時(shí)，取2，其他方式如表3-4所示；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時(shí)取最小值，本設(shè)計(jì)取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2000；
（其中工件加工長度為1400，取2000，留600的兩端余量）
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè)
中將代入算出=205514.36。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：==
臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（3234.36N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
表3-4 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡支
單推-單推
雙推-自由
取值
4
2
1
0.25
5.3.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證
滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時(shí)，取值如表3-5所示；
—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2300；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
表3-5 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡支
單推-單推
雙推-自由
取值
27.4
18.9
12.1
4.3
經(jīng)過計(jì)算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
5.4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算
有關(guān)齒輪計(jì)算
傳動(dòng)比
故取
； ； ； ； ；
5.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
（1）工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑；
——絲杠長度。
則
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。
因此，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（2）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——由于絲杠預(yù)緊