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畢業(yè)設(shè)計(論文)
Φ500mm的數(shù)控車床總體設(shè)計
及四方回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
目 錄
摘 要 1
第1章 緒論 3
第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 8
2.1 總體方案設(shè)計內(nèi)容 8
2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定 8
2.1.2控制方式的選擇 8
2.2 總體方案確定 9
2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 9
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 9
2.2.3 機械傳動方式 9
第3章 確定切削用量及選擇刀具 10
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 10
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 10
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 10
3.2 設(shè)置刀點和換刀點 10
3.3 確定切削用量 11
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 11
3.3.2確定進給速度 11
3.3.3 確定背吃刀量 11
第4章 傳動系統(tǒng)原理圖設(shè)計 12
4.1主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 12
4.1.1動力參數(shù)的確定 12
4.1.2主運動調(diào)速范圍的確定 13
4.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定 13
4.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 14
4.2.1確定傳動方案 14
4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定 15
4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖 16
第5章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設(shè)計 16
5.1總體方案設(shè)計內(nèi)容 16
5.2 總體方案確定 17
5.3 數(shù)控刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 18
5.3.1 引言 18
5.3.2 減速傳動機構(gòu)的設(shè)計 18
5.3.3 刀架抬起機構(gòu)設(shè)計 19
5.3.4 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計 19
第6章 數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計計算 - 20 -
6.1蝸桿副的設(shè)計計算 - 20 -
6.1.1 蝸桿的選型 - 20 -
6.1.2 蝸桿副的材料 - 20 -
6.1.3 按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計 - 20 -
6.1.4 蝸桿和蝸輪的主要計算參數(shù)和幾何尺寸 - 23 -
6.1.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 - 24 -
6.5. 螺桿的設(shè)計計算 - 25 -
6.5.1 螺距的確定 - 25 -
6.5.2 其它參數(shù)的確定 - 27 -
6.5.3 自鎖性能校核 - 27 -
總結(jié)與展望 - 28 -
參考文獻 - 29 -
致 謝 - 30 -
19
摘 要
本文介紹普通車床Φ500MM的數(shù)控車床的數(shù)控化設(shè)計，重點介紹機床數(shù)控化設(shè)計方案的確定，基本步驟，目的，經(jīng)濟合理性，機床數(shù)控化設(shè)計計算。數(shù)控車床采用數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架可以在1次裝夾中完成多道工序加工，縮短輔助時間，減少多次安裝所帶來的誤差。本課題通過對數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的機械結(jié)構(gòu)以及電氣控制進行了研究，探索數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的組成和工作原理。通過所學(xué)專業(yè)知識，完成了數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架機械部分與電氣控制部分的設(shè)計，繪制了三維實體裝配圖及電氣控制原理圖，編制了數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的控制軟件。本課題的創(chuàng)新之處在于在設(shè)計延時鎖緊功能部件的同時，實現(xiàn)了刀架電動機意外短路的保護功能。問題的解決在于采用電磁式過電流繼電器來監(jiān)測電動機中的電流大小。處于調(diào)整狀態(tài)時，繼電器處于釋放狀態(tài)；當(dāng)?shù)都苕i緊時，繼電器吸合，常開觸點閉合，8255A的PC3被置0，電動機停轉(zhuǎn)。當(dāng)出現(xiàn)故障，電動機短路時，繼電器做出同樣的動作，以達到保護目的。所設(shè)計的數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架很好的實現(xiàn)了快速準(zhǔn)確自動換刀，提高了數(shù)控車床的加工效率。
關(guān)鍵詞：數(shù)控化設(shè)計，回轉(zhuǎn)刀架，蝸桿副，微機控制，換刀裝置
Abstract
This design is about the common Lathe Φ500MM transformation of NC, It mainly introduce the arragments of NC Transformation, basic steps, purpose, economic rationality, and the calculation of NC Transformation。With a single setup of NC rotary turret , CNC lathe can be completed in multiple processes processing, reducing support time and errors which caused by multiple installation. This topic of NC rotary turret on the mechanical and electrical control system conducted to explore the NC rotary tool holder of the composition and working principle. With the knowledge learned of before, I have finished the completion of the NC rotary tool holder of the mechanical parts and electrical control part of the design, drawing and assembly drawings and three-dimensional entities, electrical control schematics,and developed NC rotary turret control software. The innovation of this issue is delayed locking features in the design, while achieving a turret motor accident short circuit protection. The solution to the problem is making use of electromagnetic over-current relay to monitor of the current size of the motor. In the adjustment state, the relay is in the release state; when the turret is locked, and then normally open contact closure, PC3 of 8255A is setted to 0, and then the motor stalls. When failure is come out, motor short circuit, the relay to make the same movement, to achieve the protection objective. NC rotary tool holder is designed well to achieve a fast and accurate automatic tool changment, improving the processing efficiency of the NC lathe.
Key words: NC Transformation ，rotary turret，worm gear pair，micracomputer control，tool-changer
第1章 緒論
數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展
當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上討論了在我國加入WTO和對外開放進1步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點看法。?
? 數(shù)控技術(shù)，簡稱“數(shù)控”。英文：Numerical Control（NC）。是指用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)1臺或多臺機械設(shè)備動作控制的技術(shù)。它所控制的通常
是位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關(guān)的開關(guān)量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進制形式數(shù)據(jù)運算的出現(xiàn)。1908年，穿孔的金屬薄片互換式數(shù)據(jù)載體問世；19世紀(jì)末，以紙為數(shù)據(jù)載體并具有輔助功能的控制系統(tǒng)被發(fā)明；1938年，香農(nóng)在美國麻省理工學(xué)院進行了數(shù)據(jù)快速運算和傳輸，奠定了現(xiàn)代計算機，包括計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)是與機床控制密切結(jié)合發(fā)展起來的。1952年，第1臺數(shù)控機床問世，成為世界機械工業(yè)史上1件劃時代的事件，推動了自動化的發(fā)展。
現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)也叫計算機數(shù)控技術(shù)，目前它是采用計算機實現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技術(shù)用計算機按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設(shè)備的控制功能。由于采用計算機替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現(xiàn)，均可以通過計算機軟件來完成。?數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電1體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，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)域的擴大，他對國計民生的1些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、意料等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面［1～4］。
???1．1 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
??? 效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之1，國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之1。
??? 在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之1；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
??? 從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉(zhuǎn)速已達60 000r/min。加工1薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在1般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。
??? 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進1步擴大。
??1.2 5軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展
??? 采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。1般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。
??? 當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。
??? 在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復(fù)合主軸頭，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同1臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在1次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。
? 1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
??? 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有1定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的ONC(Open Numerical Control System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)1的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。
??? 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的1個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外1些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機床公司展出“IT plaza”（信息技術(shù)廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán)境，簡稱OME）等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。
1.4 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立
1.4.1 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范
??? 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學(xué)計劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的1個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。
?? 1.4.2 關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)
??? 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的1種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定1種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供1種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)1數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。
??? STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的1次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先，STEP-NC提出1種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時間（約35％）和加工時間（約50％）。
??? 目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1～2001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機構(gòu)。美國的STEP Tools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標(biāo)是用統(tǒng)1的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。
機床數(shù)控設(shè)計的必要性
1、數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
1.1可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
1.2可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換1個程序，就可實現(xiàn)另1工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
1.3加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
1.4可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。
1.5由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力(1個人可以看管多臺機床)，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是1個極為重大的突破。此外，機床數(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(計算機集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化設(shè)計的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
二、數(shù)控化設(shè)計的內(nèi)容
2.1恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)；
2.2 CNC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計成nc機床、cnc機床；
2.3翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的cnc系統(tǒng)以最新cnc進行更新；
2.4技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上較大幅度地提高水平和檔次的更新設(shè)計。
三、數(shù)控化設(shè)計的特點
3.1減少投資額、交貨期短
同購置新機床相比，1般可以節(jié)省60%～80%的費用，設(shè)計費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。1般大型機床設(shè)計，只花新機床購置費用的 1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往設(shè)計成本提高2～3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投 資50%左右。
3.2機械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限
所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，設(shè)計后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的設(shè)計。
3.3熟悉了解設(shè)備、便于操作維修
購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。設(shè)計則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。設(shè)計的機床1安裝好，就可以實現(xiàn)全負荷運轉(zhuǎn)。
3.4可充分利用現(xiàn)有的條件
可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。
3.5可以采用最新的控制技術(shù)
可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成當(dāng)今水平的機床。
四、數(shù)控系統(tǒng)的選擇
數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)具體情況進行選擇。4.1、步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)(滿足大部分機床的設(shè)計需要，價格便宜。)
該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機 轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要 將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的 位移精度較低。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
4.2、異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
4.3、交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如siemens公司、fanuc公司；國內(nèi)著名公司如仁和公司(經(jīng)濟實用型)和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心等。選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控設(shè)計后機床要達到的各種精度、驅(qū)動電機的功率和用戶的要求。
五、數(shù)控設(shè)計中主要機械部件改裝探討
1臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數(shù)控設(shè)計時應(yīng)盡量達 到上述要求。不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在1起就達到了數(shù)控機床的要求，還應(yīng)對主要部件進行相應(yīng)的設(shè)計使其達到1定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的設(shè)計 目的。
5.1、滑動導(dǎo)軌副
對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，并要有合理的導(dǎo)軌防護和潤滑。
5.2、齒輪副
1般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。
5.3、滑動絲杠與滾珠絲杠
絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。1般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。
滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。
5.4、安全防護
高效必須以安全為前提。在機床設(shè)計中要根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進 入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進入滑動面損傷導(dǎo)軌。
第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較
2.1 總體方案設(shè)計內(nèi)容
接到1個數(shù)控裝置的設(shè)計任務(wù)以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設(shè)計。
機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
1般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定1個可行的總體方案。
2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。
2.1.2控制方式的選擇
系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應(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)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應(yīng)具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)
根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。
2.2.3 機械傳動方式
為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證1定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)總體方案框圖如下：
圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖
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，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。1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(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定.
選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據(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。對于機夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，1般取15-30min。對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機床、組合機床與自動化 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1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(dāng)某工序單位時 間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時，為保證至少完成1次走刀，避免切削時中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機床加工方法相比，數(shù)控加工對刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時要求安裝調(diào)整 方便，這樣來滿足數(shù)控機床高效率的要求。數(shù)控機床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具
在數(shù)控加工中，車削平面零件內(nèi)外輪廓 及車削平面常用平底立車刀，該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下:1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，1般取RD=(0.81 0.9)Rmin。二是零件的加工高度H<(1/4-1/6)RD,以保證刀具有足夠的剛度。三是用平底立車刀車削內(nèi)槽底部時，由于槽底兩次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作用的半徑Re=R-r,，即直徑為d=2Re=2(R-r)，編程時取刀具半徑為Re=0.95(Rr)。對于1些立體型面和變斜 角輪廓外形的加工，常用球形車刀、環(huán)形車刀、鼓形車刀、錐形車刀和盤車刀。
目前，數(shù)控機床上大多使用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化刀具，對可轉(zhuǎn) 位機夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號為DSG-JZ,此外，對所選擇的刀具，在使用前都需對刀具尺寸進行嚴格的測量以獲得精確數(shù)據(jù)， 并由操作者將這些數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)系統(tǒng)，經(jīng)程序調(diào)用而完成加工過程，從而加工出合格的工件。
3.2 設(shè)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1開始，必須確定刀具在工件坐標(biāo)系下開始運動的位置，這1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1般通過對刀來確定，所以，該點又稱對刀點。在編制程序時，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設(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。對刀點可以設(shè)置在加工零件上，也可以設(shè)置在夾具上或機床上，為了提 高零件的加工精度，對刀點應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計基準(zhǔn)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(zhǔn)點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立車刀是刀具軸線與刀具底面的交點;球頭車刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動對刀操作，對刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學(xué)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(yīng)規(guī)定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉(zhuǎn)動換刀時的位置，換刀點應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部，以換刀時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，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進給速度等。對于不同的加工方法，需要 選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機床的性能，最大限 度提高生產(chǎn)率，降低成本。
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速
主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)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;n11主軸轉(zhuǎn)速，單 位為r/min,D—工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計算的主軸轉(zhuǎn)速n，最后要選取機床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。
3.3.2確定進給速度
進給速度是數(shù)控機床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進給速度受機床剛度和進給系統(tǒng)的 性能限制。確定進給速度的原則:當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進給速度。1般在1001200mm/min范圍內(nèi)選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進給速度，1般在20150mm/min范圍內(nèi)選取;當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應(yīng)選 小些，1般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取;刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以設(shè)定該機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據(jù)機床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應(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，1般0.210.5mm,總之，切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機床性能、相關(guān)的手冊并結(jié)合實際經(jīng)驗用類比方法確定。同時，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進給速度三者能相互適應(yīng)，以形成最佳切削用量。
切削用量不僅是在機床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和機床動力性能(功率、扭矩)，在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。
第4章 傳動系統(tǒng)原理圖設(shè)計
4.1主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定
Φ500mm的數(shù)控車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑￠500mm，最大工件長度1500mm；，主軸錐度莫氏6號，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)有動力參數(shù)和運動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運動驅(qū)動電動機的功率；運動參數(shù)是指主運動變速范圍。根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產(chǎn)周期并結(jié)合國內(nèi)外機床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術(shù)指標(biāo)。
4.1.1動力參數(shù)的確定
主傳動中個傳動件的尺寸要根據(jù)傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機常在低負載下工作，功率因數(shù)小而浪費能源；功率過小將限制車床切削加工能力而降低生產(chǎn)效率。因此需合理確定主傳動功率。但由于實際加工過程切削用量變化范圍大、傳動件之間的摩擦等不確定因素，用理論計算方法來確定主傳動功率尚有困難，可通過類比、統(tǒng)計方法相互比較來確定。
查機電1體化手冊車削功率在8-16kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動鏈的總效率η估算,即P=。主傳動鏈的功率效率η=0.7—0.85， 數(shù)控車床多采用調(diào)速電動機和較短的機械傳動鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計P在10.26kw~20.51kw.之間。
數(shù)控車床的加工范圍1般都比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力
PC=KW
---主切削力的切向分力，N；
---切削速度N??；
查金屬切削手冊知，以硬質(zhì)合金刀具車削合金結(jié)構(gòu)鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90—250r\min，則知道
PC=2500200\60000=8.333kw
P==10.68kw
考慮到空轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動件在空轉(zhuǎn)運行時的摩損功耗，傳動件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動載荷的摩擦損耗等。
Φ500MM機床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國內(nèi)外同類機床的電動機功率，此機床可以選取11kw的電動機，考慮到數(shù)控機床變速范圍比較大，選用交流變頻電動機YVP160-4，標(biāo)稱功率11kw，額定轉(zhuǎn)矩70N?m調(diào)頻電動機功率轉(zhuǎn)矩
4.1.2主運動調(diào)速范圍的確定
主軸轉(zhuǎn)速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來確定
=（r/min）
計算該數(shù)控車床
=、=，
則數(shù)控車床變速范圍=
代入公式，選擇，，，要據(jù)車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將1切情況考慮進去，也不是加工情況的最大值和最小值。
經(jīng)統(tǒng)計分析車床的最高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在硬質(zhì)合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊可知硬質(zhì)合金刀具刀具精車鋼料的絲杠=250 r\min；高速車刀粗車圓柱體=30-50 r\min（隨被吃刀量與進給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠=1.5 r\min，則
=0.5D=0.5500mm=250mm
=（0.2-0.25）=（50-62.5）mm，取=50mm。
max ===1591 r/min
==41.52 r/min
由于現(xiàn)代數(shù)控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術(shù)儲備，類比行業(yè)中同類數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速范圍初步選取=20 r\min，=1250 r\min。
則數(shù)控車床總變速范圍==62.5
4.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定
由切削原理知主運動為直線運動的機床，主運動為恒轉(zhuǎn)矩運動；主運動為旋轉(zhuǎn)運動的機床，主運動為恒功率運動。數(shù)控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋、等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進給量；低速主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動電動機的全部功率。我們把機床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計算轉(zhuǎn)速，以它為臨界轉(zhuǎn)速，如圖。從至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域為恒功率區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠傳遞電動機的全部功率，但主軸轉(zhuǎn)矩隨主軸轉(zhuǎn)速的上升而下降；從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。
數(shù)控車床變速范圍比較廣，計算轉(zhuǎn)速比普通車床高。目前數(shù)控機床計算轉(zhuǎn)速的確定尚無統(tǒng)1標(biāo)準(zhǔn)，確定是參考同類機床，并結(jié)合該機床加工工藝要求，使=154 r\min.
圖4.2 主軸轉(zhuǎn)速曲線
4.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計
4.2.1確定傳動方案
機床傳動形式分為有極和無極變速兩種，無級變速形式可以在1定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速，這對與提高機床生產(chǎn)效率和提高被加工零件的質(zhì)量都有重要意義；同時采用無級變速可使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化，縮短傳動鏈；因此無級變速應(yīng)用日益廣泛。
該數(shù)控機床總變速范圍是=2000\20=100，變速范圍較大，單靠無級變速裝置有難以實現(xiàn)。而且，無級變速裝置的功率扭轉(zhuǎn)特性應(yīng)同傳動鏈的工作要求相適應(yīng)，這就要求串聯(lián)機械有級變速來擴大變速范圍并選擇合適的無級變速器以滿足機床的功率扭矩特性要求。
該數(shù)控機床是以經(jīng)濟型數(shù)控車床，設(shè)計主軸由交流變頻電動機經(jīng)皮帶論、齒輪傳動至主軸。
從圖1與圖2可以看出：調(diào)頻電機的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為4500\1500=3，而主軸要求的恒功率調(diào)速范圍為1250\250=5，顯然電動機不能滿足主軸所要求的恒功率變速范圍。所以在設(shè)計師不能依據(jù)總變速范圍來設(shè)計主創(chuàng)動系統(tǒng)，而應(yīng)考慮電動機與主軸的功率匹配。
主軸恒功率調(diào)速范圍Rnp=max\=1250\250=5,
電動機恒功率調(diào)速范圍Rdp=max\=4500\1500=3
為了使主軸和電動機的恒功率匹配，現(xiàn)通過增加變速齒輪來滿足要求，該變速齒輪組擴大了電動機的恒功率調(diào)速。
4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定
1．轉(zhuǎn)速圖的擬定
分析和設(shè)計主傳動系統(tǒng)須應(yīng)用1種特殊線圖，稱為轉(zhuǎn)速圖。
轉(zhuǎn)速圖能夠清楚的表達出：傳動軸的數(shù)目，主軸及各傳動軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其傳動路線，變速組的個數(shù)、傳動順序及擴大順序，各變速組的傳動副數(shù)及其傳動比數(shù)值，變速規(guī)律等。
首先根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速確定變速范圍，選擇合適的公比后再確定轉(zhuǎn)速級數(shù)，繪制轉(zhuǎn)速圖。
已知機床的轉(zhuǎn)速范圍在20r/min~1250r/min，電動機的最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，電動機的額定功率P=11kW，確定主軸箱結(jié)構(gòu)．
（1）確定主軸的變速范圍
（2）確定主軸的計算轉(zhuǎn)速
由于數(shù)控機床主軸的變速范圍大，計算轉(zhuǎn)速應(yīng)比計算值高些，所以圓整取計算轉(zhuǎn)速nc=。
（3）確定主軸的恒功率變速范圍
（4）確定電動機所能夠提供的恒功率變速范圍
由于Rnp>>Rdp，電動機直接驅(qū)動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)1個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。
（5）確定轉(zhuǎn)速級數(shù)
取，則
對于數(shù)控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速有1些重復(fù)，故取Z=2
（6）擬定轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖
4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖
擬定傳動系統(tǒng)的原則是：在保證機床的運動和使用要求的前提下，運動傳動鏈要盡可能的短而簡單；傳動效率高以及操作簡單方便 。首先要考慮某些結(jié)構(gòu)方面的問題，考慮結(jié)構(gòu)能否實現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會碰及相鄰軸等；其次因考慮結(jié)構(gòu)是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。
該機床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組，采用窄式排列結(jié)構(gòu)，使機床結(jié)構(gòu)緊湊。主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實現(xiàn)，需保證當(dāng)齒輪2與齒輪4完全脫開嚙合之后，齒輪3和齒輪6才能開始進入嚙合，所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距離b要大于于滑移齒輪的寬度（齒輪2與齒輪寬度之和），1般b++△, △=14 mm。 綜合考慮個因素，擬訂傳動系統(tǒng)圖。
第5章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設(shè)計
5.1總體方案設(shè)計內(nèi)容
接到1個數(shù)控裝置的設(shè)計任務(wù)以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設(shè)計。
機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
1般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定1個可行的總體方案。
一、 系統(tǒng)運動方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。
二、 控制方式的選擇
系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡單。
5.2 總體方案確定
（1）、系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇
由于設(shè)計后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應(yīng)具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
（2）、數(shù)控系統(tǒng)
根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。
（3）、機械傳動方式
為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證1定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)總體方案框圖如下：
圖1—系統(tǒng)總體方案框圖
5.3 數(shù)控刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.3.1 引言
簡易經(jīng)濟型數(shù)控刀架
目前主要為立式四工位,通常采用雙插銷機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)位和預(yù)定位,電機采用右置式或轉(zhuǎn)塔式。1般只能單向轉(zhuǎn)位,采用齒輪,蝸桿傳動,螺旋副加緊,多齒盤精定位。此種刀架價格便宜,適用于要求不高的數(shù)控機床,在我國應(yīng)用最為廣泛。但是,該刀架工位少,回轉(zhuǎn)空間大,易發(fā)生干涉,所以正向工序長,回轉(zhuǎn)空間小的臥式刀架過渡。
高精度型數(shù)控刀架
目前1般多為臥式八工位到十二工位。分為抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴羅法蒂公司的 TA 刀架,其缺點是轉(zhuǎn)阻塞度不能過高,只能單向回轉(zhuǎn)；不抬起式仿意大利 IOE 型刀架,采用行星齒輪機構(gòu)。或仿美國的三聯(lián)分齒盤精定位,轉(zhuǎn)位采用平行分度凸輪(又叫共輒凸輪)或槽輪機構(gòu)此種刀架目前正逐漸推廣。
帶動力刀具的數(shù)控刀架
此種刀架只有煙臺機床附件廠生產(chǎn),全套引進意大利的生產(chǎn)線和專利,1般用于車削加工中心。
5.3.2 減速傳動機構(gòu)的設(shè)計
普通的三相異步電動機因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸桿副傳動可以改變運動的方向，獲得較大的傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實現(xiàn)整個裝置的小型化。
（1）傳動方案的擬定
采用蝸輪蝸桿傳動和螺旋副加緊、雙插銷預(yù)定位、端面多齒盤精定位、霍爾元件發(fā)訊。
（2）傳動方案簡圖
圖2-1 傳動方案簡圖
（3）傳動方案分析
a. 傳動機構(gòu)
①采用蝸輪蝸桿傳動的主要優(yōu)點：
降速比大,結(jié)構(gòu)緊湊,工作平穩(wěn)無噪聲。能阻滯扭轉(zhuǎn)振動。當(dāng)蝸桿螺旋升角小于摩擦角時,有反向自鎖作用。
其主要缺點是 : 發(fā)熱大,加工復(fù)雜,需要有與蝸桿參數(shù)相同的渦輪滾刀,對裝配誤差較為敏感。
②螺旋副加緊采用絲杠螺母機構(gòu)傳動,其特點是：
用較小的扭矩轉(zhuǎn)動絲杠(或螺母),可使螺母(或絲杠)獲得較大的軸向牽引力。
可達到很大的降速傳動比,使降速機構(gòu)大為簡化,傳動鏈得以縮短。能達到較高的傳動精度。傳動平穩(wěn),無噪聲。
在1定條件下能自鎖,即絲杠螺母不能進釘逆向傳動。此特點特別適用 于作部件升降傳動。由于蝸桿傳動和絲杠螺母傳動均能自鎖,即夾緊機構(gòu)雙重自鎖，不必再配置制動器。
5.3.3 刀架抬起機構(gòu)設(shè)計
要想使上，下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設(shè)計合適的機構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動機通過蝸桿-蝸輪帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因為這時上刀體不能與螺桿1起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當(dāng)端面齒脫離咬合時，上刀體就與螺桿1同轉(zhuǎn)動。
5.3.4 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計
由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計上刀體的鎖緊與定位機構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上下端面齒相互咬合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動；換刀時電動機正傳，抬起機構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。
①雙差銷預(yù)定位
雙差銷定位,1般稱為反靠定位。具有較高的定位精度和可靠性,并能在有沖擊和振動的情況下穩(wěn)定工作。磨損少,定位附加沖擊小。定位精度保持性強。
②端面齒盤精定位
優(yōu)點 :
由于采用了多齒結(jié)構(gòu),所以定位精度高,1般可達，最高可達；
能自動定心,定位精度不受軸承間隙和正反轉(zhuǎn)的影響(也稱自由定心)；
齒面磨損對定位精度影響不大,隨著不斷使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好；
承載能力強,定位剛性好。其齒面嚙合長度1般不小于60%,齒數(shù)嚙合率1般不低于90%；
適應(yīng)性強,齒數(shù)的所有因數(shù)都可作為分度工位數(shù),容易得到不等的分度；
重復(fù)定位精度穩(wěn)定。
缺點 :
齒形加工較為復(fù)雜,轉(zhuǎn)位、定位時動齒盤需要升降,并要有夾緊裝置,成本高。
c. 數(shù)控轉(zhuǎn)塔式四工位自動回轉(zhuǎn)刀架傳動方案的確定 :
采用蝸輪-蝸桿傳動 : 螺旋副加緊；
電磁離合器制動 : 雙插銷機構(gòu)預(yù)定位 ；
端面齒盤精定位 : 霍爾元件發(fā)訊。
第6章 數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計計算
6.1蝸桿副的設(shè)計計算
6.1.1 蝸桿的選型
根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線（ZI）蝸桿，這種蝸桿的端面齒廓是漸開線，所以相當(dāng)于少1個齒數(shù)。
6.1.2 蝸桿副的材料
由于蝸桿傳動效率不高，速度也只是中等 ,故蝸桿用45鋼;因希望效率高些,耐磨性好些,故蝸桿螺旋要求淬火硬度為45-55HRC且心部調(diào)制蝸輪用鑄錫青銅ZcusnlOP1,金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬,僅齒圈用青銅制造,而