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畢業(yè)設計(論文)
Φ460mm的數控車床總體設計
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
摘 要
全面闡述了數控車床的結構原理，設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數控車床的結構設計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關技術參數。
其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。
關鍵詞：車床，數控，伺服電機，滾珠絲杠
III
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
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 數控機床發(fā)展概述 1
1.1數控機床及其特點 1
1.2數控機床的工藝范圍及加工精度 1
1.2.1工藝范圍 1
1.2.2加工精度 1
1.3 數控機床的經濟分析 2
1.3.1中小企業(yè)數控機床選用中存在的問題 2
1.3.2 數控機床選購的策略 3
1.4 數控機床的發(fā)展趨向 4
第2章 數控機床總體方案的制訂及比較 6
2.1 總體方案設計內容 6
2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定 6
2.1.2控制方式的選擇 6
2.2 總體方案確定 6
2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 6
2.2.2 數控系統(tǒng) 6
2.2.3 機械傳動方式 7
第3章 確定切削用量及選擇刀具 7
3.1科學選擇數控刀具 7
3.1.1選擇數控刀具的原則 7
3.1.2選擇數控車削用刀具 8
3.2 設置刀點和換刀點 8
3.3 確定切削用量 9
3.3.1確定主軸轉速 9
3.3.2確定進給速度 9
3.3.3 確定背吃刀量 10
第4章 變速主傳動系統(tǒng)方案的制定 10
4.1主傳動系統(tǒng)主要技術指標的確定 10
4.1.1動力參數的確定 10
4.1.2主運動調速范圍的確定 11
4.1.3主軸計算轉速的確定 12
4.2變速主傳動系統(tǒng)的設計 13
4.2.1確定傳動方案 13
4.2.2轉速圖的擬定 14
4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖 15
第5章 橫向進給系統(tǒng)設計計算 15
5.1 選擇脈沖當量 15
5.2 計算切削力 16
5.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 17
5.4 齒輪進給齒輪箱傳動比計算 25
5.5 步進電機的計算和選型 26
第6章 微機數控系統(tǒng)的設計 30
6.1 微機數控系統(tǒng)的設計綱要 30
6.1.1 硬件電路設計 30
6.1.2 軟件電路設計 31
6.2 8031單片機及其擴展 32
6.2.1 8031單片機的簡介 32
6.2.2 8031單片機的系統(tǒng)擴展 33
6.2.3 存儲器擴展 35
6.2.4 I/O口的擴展 36
6.2.5 步進電機驅動電路 37
6.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 38
6.2.7 光電隔離電路 38
6.2.8 功率放大器 38
6.2.9 其他輔助電路 39
結 論 41
致 謝 42
參考文獻 43
44
第1章 數控機床發(fā)展概述
1.1數控機床及其特點
數字控制機床是用數字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數控機床。
數控機床具有廣泛的適應性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經濟效果。
隨著數控技術的發(fā)展，采用數控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。
數控機床主要由數控裝置、伺服機構和機床主體組成。輸入數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，或由數控裝置的鍵盤直接手動輸入。
隨著微電子技術、計算機技術和軟件技術的迅速發(fā)展，數控機床的控制系統(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；數控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。
未來數控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數控機床品種越來越多；激光加工等技術將應用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。
1.2數控機床的工藝范圍及加工精度
1.2.1工藝范圍
數控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數量最多的數控機床，約占數控機床總數的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、盤類等回轉體零件的加工，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。
1.2.2加工精度
由于數控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數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.精度要求高的回轉體零件
由于數控車床剛性好，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，甚至可以以車代磨。
2.表面粗糙度要求高的回轉體零件
數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回轉體零件
由于數控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數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回轉體零件。
4.帶特殊螺紋的回轉體零件
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。
1.3 數控機床的經濟分析
近幾年，隨著國民經濟快速穩(wěn)定發(fā)展，我國機床制造行業(yè)受益于國家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境，有了長足進展，這其中領先當今機械制造技術水平的數控機床產業(yè)更勝一籌。
由于數控設備的先進性、復雜性和發(fā)展的迅速性,以及品種型號、檔次的多樣性,決定了選用數控設備的復雜性和難度。如何從品種繁多、價格昂貴的產品中選擇適用的設備, 成為中小型企業(yè)十分關心的問題。
1.3.1中小企業(yè)數控機床選用中存在的問題
目前中小型企業(yè)缺乏數控設備的使用經驗和掌握數控加工技術的人才,在數控機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.決策者對數控機床的認識有誤區(qū),部分企業(yè)領導認為配置高精度數控設備是企業(yè)檔次的象征。選型時不考慮投資效益,忽略性價比,盲目追求進口、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.機床選型混亂, 數控機床類型、規(guī)格不配套。選購不同廠家的產品, 數控系統(tǒng)不統(tǒng)一, 購置后給操作、編程、維修帶來困難。3.購置數控機床時只重視主機性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某個附件或刀具而影響整個主機的運行。4.對企業(yè)發(fā)展和產品變化預測不足, 所購設備的功能的發(fā)揮受到制約。
1.3.2 數控機床選購的策略
1.實用性。選購數控機床時，企業(yè)要有明確的目的和出發(fā)點，首先考慮的是數控機床的實用性。
(1)數控機床規(guī)格、精度的實用性。在選擇數控機床時,首先應確定數控機床上加工的典型零件。零件的尺寸決定機床的加工范圍；零件關鍵部位的精度決定了所選機床的精度等級。機床精度的評定指標較多，因數控機床類別而異,但共有的關鍵項目是定位精度、重復定位精度以及綜合加工精度。定位精度與傳動鏈各環(huán)節(jié)的彈性、間隙等因素有關,反映了機械系統(tǒng)中的扭曲、撓度、爬行、共振等諸因素造成的綜合誤差。這些指標既反映了伺服機構的剛度,也說明了位置反饋測量系統(tǒng)的質量。重復定位精度反映了數控軸在全行程內定位點的穩(wěn)定性，傳動鏈剛性直接影響重復定位精度。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。選購時應避免盲目追求高精度，注意機床精度與工件精度相匹配。
(2)數控系統(tǒng)功能的實用性。數控系統(tǒng)功能可分為基本功能與選用功能, 各知名品牌數控系統(tǒng)的基本功能差別不大。除基本功能以外, 數控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能。通常數控系統(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,價格也相差數倍，所以要根據加工要求和機床性能的需要來選擇。 從控制方式、驅動形式、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, 合理地選擇適合機床的可選功能,放棄可有可無或不實用的可選功能。比如，自動換刀裝置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC裝置的投資往往占整機的30%～50%。因此在滿足使用要求的前提下盡量選用結構簡單和可靠性高的ATC, 以提高機床的可靠性和降低整機的價格。應當注意，單獨簽訂合同購買附件的單價大大高于隨同主機一起供貨的附件單價,應盡可能在購買主機時一并購置部分易損部件及其他附件。 2.經濟性。經濟性是指選用的數控機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。經濟性往往是和實用性緊密相連的, 機床選得實用、經濟, 可避免不必要的浪費, 避免以高代價換來功能過多而又不實用的較復雜的數控機床，避免在操作使用、維護保養(yǎng)等諸多方面帶來困難。
數控機床的設計使用壽命一般為7年, 主要以數控方面的使用壽命為準。同時還得考慮市場占有率, 市場占有率高的數控設備說明是旺銷產品, 已受到多數用戶的青睞和肯定, 一般不會有太多的質量問題。
選購數控機床應考慮投資回報, 能夠在短期內收回投資的機床才是好機床。因為數控機床的主要優(yōu)勢是實現(xiàn)工序集中，從而提高生產率和加工精度，所以數控機床既適于單件小批生產，又適于大批量生產。多數中小型企業(yè)購買的數控機床用于批量生產，因為批量生產不僅節(jié)省編程、對刀等輔助時間，提高機床利用率；而且對操作者的技術要求不高，人工費用也相對較低。所以用于大批量生產的機床投資回報較快。少數產品附加值高，具有一定經濟實力的企業(yè)，為了生產組織方便而購買用于單件生產的數控機床。機床利用率較低時，不僅要考慮設備的使用費用，比如潤滑油、冷卻液、電力消耗等，還要計算設備折舊。另外一個不可忽視的因素是設備的貶值，數控機床的升級、更新較快，同配置的一臺機床，現(xiàn)在售價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。所以沒有定型產品或產品附加值較低的中小型企業(yè)，在購置貴重數控設備之前，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，甚至已經接到訂單，選購機床時要求機床廠為其準備工裝、編制程序、培訓工人，即所謂“交鑰匙”工程，這是投資數控機床最理想的情況。
3.穩(wěn)定可靠性。數控設備的可靠性是廣大數控設備用戶必須關心的焦點問題, 因此在選用數控設備時應注意生產廠家的規(guī)模和市場占有率, 確認其產品是否達到國家規(guī)定的平均無故障時間標準(規(guī)定為460h)。目前多數機床廠都采購成熟的數控系統(tǒng)和零部件進行組裝。國內應用較多的數控系統(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，而床身中的直線導軌、主軸又分別來自德國和臺灣等地。所以機床的主要零部件的質量一般是可靠的，需要重點考察的是數控機床組裝企業(yè)的售后服務網絡是否健全,服務隊伍的素質是否能勝任工作,服務能否及時,是否能履行承諾等。
1.4 數控機床的發(fā)展趨向
數控機床是由美國發(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)已進入了以數字化制造技術為核心的機電一體化時代，其中數控機床就是代表產品之一。數控機床是制造業(yè) 的加工母機和國民經濟的重要基礎。它為國民經濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經濟與社會效應。
技術發(fā)展趨勢：
高速、精密、復合、智能和綠色是數控機床技術發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產業(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控機床技術進步，復合加工技術日趨成熟，包括車-車復合、車車復合、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．數控機床的智能化技術有新的突破，在數控系統(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、車車復合機床、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線已經開始應用。
4．精密加工技術有了新進展數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，極大的提高數控機床的技術水平。
第2章 數控機床總體方案的制訂及比較
2.1 總體方案設計內容
接到一個數控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計參數和結構，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。
機床數控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內容。
一般應根據設計任務和要求提出數個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。
2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定
數控系統(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)。
經濟型數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)主要由步進電機驅動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調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
由于改造后的經濟型數控機床應具備定位，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，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮達到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.2 數控系統(tǒng)
根據機床要求，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)，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態(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，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲桿，為保證一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，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。
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科學選擇數控刀具
3.1.1選擇數控刀具的原則
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優(yōu)化的目標而定。一般分最高生產率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據單件工時最少的目標確定，后者根據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率限制了整個車間的生產率的提高時，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，這樣來滿足數控機床高效率的要求。數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選擇數控車削用刀具
在數控加工中，車削平面零件內外輪廓 及車削平面常用平底立車刀，該刀具有關參數的經驗數據如下:一是車刀半徑RD應小于零件內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據， 并由操作者將這些數據輸入數據系統(tǒng)，經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，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設置原則 是:便于數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 度提高生產率，降低成本。
3.3.1確定主軸轉速
主軸轉速應根據允許的切 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
進給速度是數控機床切削用量中的重要參數，主要根據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，可以設定該機床數控系統(tǒng)設定的最高進給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據機床、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，提高生產效率。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，切削用量的具體數值應根據機床性能、相關的手冊并結合實際經驗用類比方法確定。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，而且其數值合理與否對加工質量、加工效率、生產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，獲得高的生產率和低的加工成本的切削用量。
第4章 變速主傳動系統(tǒng)方案的制定
4.1主傳動系統(tǒng)主要技術指標的確定
Φ460mm的數控車床，床身最大回轉直徑￠460mm，最大工件長度1200mm；，主軸錐度莫氏六號，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)的主要參數有動力參數和運動參數。動力參數是指主運動驅動電動機的功率；運動參數是指主運動變速范圍。根據數控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產周期并結合國內外機床發(fā)展現(xiàn)狀確定數控車床主要技術指標。
4.1.1動力參數的確定
主傳動中個傳動件的尺寸要根據傳動功率來確定。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。
查機電一體化手冊車削功率在8-16kw之間根據切削功率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， 數控車床多采用調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。
數控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據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，以硬質合金刀具車削合金結構鋼為例，數控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2460左右，切削速度取90—250r\min，則知道
PC=2460200\60000=8.333kw
P==10.68kw
考慮到空轉運轉的功率損失，如各傳動件在空轉運行時的摩損功耗，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。
Φ460MM機床是中等規(guī)格數控車床，參照國內外同類機床的電動機功率，此機床可以選取11kw的電動機，考慮到數控機床變速范圍比較大，選用交流變頻電動機YVP160-4，標稱功率11kw，額定轉矩70N?m調頻電動機功率轉矩
4.1.2主運動調速范圍的確定
主軸轉速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來確定
=（r/min）
計算該數控車床
=、=，
則數控車床變速范圍=
代入公式，選擇，，，要據車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進去，也不是加工情況的最大值和最小值。
經統(tǒng)計分析車床的最高轉速出現(xiàn)在硬質合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉速出現(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=0.5460mm=250mm
=（0.2-0.25）=（50-62.5）mm，取=50mm。
max ===1591 r/min
==41.52 r/min
由于現(xiàn)代數控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術儲備，類比行業(yè)中同類數控車床的轉速范圍初步選取=20 r\min，=1200 r\min。
則數控車床總變速范圍==62.5
4.1.3主軸計算轉速的確定
由切削原理知主運動為直線運動的機床，主運動為恒轉矩運動；主運動為旋轉運動的機床，主運動為恒功率運動。數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速稱為主軸計算轉速，以它為臨界轉速，如圖。從至最高轉速的區(qū)域為恒功率區(qū)域，任意轉速能夠傳遞電動機的全部功率，但主軸轉矩隨主軸轉速的上升而下降；從最低轉速至的區(qū)域b為恒轉矩區(qū)域，任意轉速能夠輸出最大轉矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉速的下降而下降。
數控車床變速范圍比較廣，計算轉速比普通車床高。目前數控機床計算轉速的確定尚無統(tǒng)一標準，確定是參考同類機床，并結合該機床加工工藝要求，使=154 r\min.
圖4.2 主軸轉速曲線
4.2變速主傳動系統(tǒng)的設計
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一定范圍內連續(xù)改變轉速，以便得到滿足加工要求的最佳轉速，能在運轉中變速，便于自動變速，這對與提高機床生產效率和提高被加工零件的質量都有重要意義；同時采用無級變速可使主軸結構大為簡化，縮短傳動鏈；因此無級變速應用日益廣泛。
該數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特性應同傳動鏈的工作要求相適應，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。
該數控機床是以經濟型數控車床，設計主軸由交流變頻電動機經皮帶論、齒輪傳動至主軸。
從圖1與圖2可以看出：調頻電機的恒功率轉速范圍為4460\1460=3，而主軸要求的恒功率調速范圍為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。所以在設計師不能依據總變速范圍來設計主創(chuàng)動系統(tǒng)，而應考慮電動機與主軸的功率匹配。
主軸恒功率調速范圍Rnp=max\=1250\250=5,
電動機恒功率調速范圍Rdp=max\=4460\1460=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速。
4.2.2轉速圖的擬定
1．轉速圖的擬定
分析和設計主傳動系統(tǒng)須應用一種特殊線圖，稱為轉速圖。
轉速圖能夠清楚的表達出：傳動軸的數目，主軸及各傳動軸的轉速級數、轉速值及其傳動路線，變速組的個數、傳動順序及擴大順序，各變速組的傳動副數及其傳動比數值，變速規(guī)律等。
首先根據最高轉速和最低轉速確定變速范圍，選擇合適的公比后再確定轉速級數，繪制轉速圖。
已知機床的轉速范圍在20r/min~1250r/min，電動機的最高轉速為4000 r/min，額定轉速為1460 r/min，電動機的額定功率P=11kW，確定主軸箱結構．
（1）確定主軸的變速范圍
（2）確定主軸的計算轉速
由于數控機床主軸的變速范圍大，計算轉速應比計算值高些，所以圓整取計算轉速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，電動機直接驅動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調速范圍。
（5）確定轉速級數
取，則
對于數控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應使轉速有一些重復，故取Z=2
（6）擬定轉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 。首先要考慮某些結構方面的問題，考慮結構能否實現(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；其次因考慮結構是否合理，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，采用窄式排列結構，使機床結構緊湊。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），一般b++△, △=14 mm。 綜合考慮個因素，擬訂傳動系統(tǒng)圖。
第5章 橫向進給系統(tǒng)設計計算
5.1 選擇脈沖當量
脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個基本技術參數。經濟型數控車床、車床常采用的脈沖當量是0.01~0.005mm/step。
根據機床精度要求確定脈沖當量：
縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)
5.2 計算切削力
用車床經驗公式F=D來計算主切削力
式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時主切削力可取縱切時F的1/2。
求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。
F：F：F=1 ：0.25 ：0.5
式中 F：指走刀方向的切削力（N）；
F：指垂直走刀方向的切削力（N）。
下圖為縱切和橫切時切削力的示意圖。
圖2—縱切和橫切時切削力的示意圖
1、 縱車外圓
主切削力F(N)按經驗公式估計算：
F=D= （N）
按切削力各分力比例：
F：F：F=1 ：0.25 ：0.4
F（N）
F（N）
2、 橫切端面
主切削力（N）可取縱切的1/2。
（N）
（N）
（N）
5.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型
（一） 縱向進給絲杠
1、 計算進給軸向力F（N）
縱向進給這里為三角形導軌：F
式中K：指顛覆力矩影響的實驗系數，綜合導軌取K=1.15；
：指滑動導軌摩擦系數取0.15~0.18之間的值；
G：指流板及刀架重力，G=1100N。
則 F=（N）
2、 計算最大動負載Q
考慮滾珠絲杠在運轉過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載Q的計算公式為：
Q
L
n
式中 ：指滾珠絲杠導程，初選=8；
n：指絲杠轉速，（r/min）；
：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/2~1/3，此處取=0.3；
：指使用壽命時間（h）,對于數控機床取T=14600h.。
L：指壽命，以10轉為一單位；
：指運動系數，見表1，選=1.3。
表1—運轉系數
運轉狀態(tài)
運轉系數
無沖擊運轉
1.0~1.2
一般運轉
1.2~1.5
有沖擊運轉
1.5`-~2.5
則 n( r/min)
L
Q（N）
3、 滾珠絲杠螺母副的選型
從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應的動負載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結構類型，選用時應滿足Q C的條件。
查表：可采用WL4608外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為23400N，符合Q C的條件。精度等級按表 2，選為1級。
Vmm
表 2—滾珠絲杠行程公差
項目
符號
有效行程（mm）
精度等級
1
2
3
4
5
目標行程公差
e
6
8
12
16
23
315~400
7
9
13
18
25
400~460
8
10
15
20
27
460~630
9
11
16
22
30
行程變動量公差
V
6
8
12
16
23
315~400
6
8
12
17
25
400~460
7
10
13
19
26
460~630
7
11
14
21
29
任意300 mm內行程變動量
V
6
8
12
16
23
2弧度內行程變動量
V
4
5
6
7
8
4、傳動效率計算
式中 ：指螺旋升角，=255
：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數其摩擦角，約等于。
則
5、剛度驗算
先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3所示，最大軸向力為N，支承間距L=1460mm, 絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。
圖3—縱向進給系統(tǒng)計算簡圖
計算如下：
（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）
F=N，
L=8mm,
EN/mm(材料彈性模數，對鋼來說是等于這個值)，
mm, R=2.477, e=0.068mm
則 d( mm)
A(mm) （A指滾珠絲杠按內徑定的 截面積）
絲杠導程L的變化量為：
總長度L=1460mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值：
(mm)
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）
由d=4.763mm, F=kgf,
承載滾珠數量 ZZ
由于滾珠絲杠副施加預應力，且預應力F為軸向負載的1/3，則變形
=0.0013
（mm）
(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）
這里采用有預緊時的推力球軸承則
查《機械設計手冊》中表6-2-82，采用51109型推力球軸承，其d=45mm,
滾動體直徑D=3.969 mm, 滾動體數量Z=22，
（mm）
則定位誤差
=0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度)
6、穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。
（二） 橫向進給絲杠
1、 計算進給軸向力
橫向導軌為燕尾形，計算如下：
由于是燕尾形導軌式中： K=1.4，=0.2
則 N
2、計算最大動負載Q
n( r/min)
L
Q（N）
查表：可采用WL2506外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為13100N，符合Q C的條件。精度等級按表 2—滾珠絲杠行程公差表，選為1級。
Vmm
4、傳動效率計算
5、剛度驗算
橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=550mm, 因絲杠長度較短，不需要預緊。
圖4—橫向進給系統(tǒng)計算簡圖
計算如下：
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）
根據 N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mm
d( mm)
A(mm)
（mm）
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）
對滾珠絲杠副施加預緊力F為軸向負載的1/3。
由 mm, kgf
承載滾珠數量 ZZ
=0.0013
（mm）
(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）
這里采用有預緊時的推力球軸承則
查《機械設計手冊》中表6-2-82，采用51104型推力球軸承，其d=20mm,
滾動體直徑D=3.175 mm, 滾動體數量Z=14，
（mm）
則定位誤差
=0.03682 (mm)
顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（），應該采取相應的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導軌=0.03~0.05。重新計算如下：
N
Q（N）
由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。
此時的變形量為：
（mm）
=0.0013 （mm）
（mm）
定位誤差
0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度)
6、穩(wěn)定性校核
臨界負載與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數，一般=2.5~4。
計算臨界負載（N）：
式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）；
J：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）；
：絲杠兩支承端距離（mm）；
：絲杠支承方式系數，見表3，這里。
表3—滾珠絲杠支承方式系數
方式
一端固定一端自由
兩端簡支
一端固定一端簡支
兩端固定
0.25
1.00
2.00
4.00
則 N
所以此絲杠不會產生失穩(wěn)。
（三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數
其幾何參數見表：
表4—WL4608及WL2506滾珠絲杠幾何參數
名稱
符號
WL4608
WL2506
螺 紋 滾 道
公稱直徑
50
25
導程
8
6
接觸角
鋼球直徑
4.763
3.969
滾道法面半徑
2.477
2.064
偏心距
0.068
0.056
螺紋升角
螺 桿
絲杠外徑
48.5
24
絲杠內徑
45.182
20.984
螺桿接觸直徑
40.424
17.025
螺 母
螺母螺紋直徑
54.818
29.016
螺母內徑
51.190
25.992
5.4 齒輪進給齒輪箱傳動比計算
1、縱向進給齒輪箱傳動比計算
已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比：
在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數可取多些，推薦取Z=24~40。所以可選定齒輪數為：
2、橫向進給齒輪箱傳動比計算
已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比：
可選定齒輪數為：
因進給運動齒輪受力不大，模數m取2。有關參數參照表5。
表5—傳動齒輪幾何參數
所處位置
縱 向
橫 向
齒數
24
40
18
45
分度圓直徑
48
80
36
90
齒頂圓直徑
52
84
40
94
齒根圓直徑
43
75
31
85
齒寬
（6~10）m
16
16
16
16
中心距
64
63
5.5 步進電機的計算和選型
（一） 縱向進給步進電機計算
1、 等效轉動慣量計算
傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算：
式中 ：指步進電機轉子轉動慣量；
、：指齒輪、的轉動慣量；
：指滾珠絲杠轉動慣量；
：指工件及工作臺重量（N）；
：指絲杠導程（）；
參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉動慣量。
（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）
（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）
（分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距）
把這些數據代入上式：
2、 電機力矩計算
機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按個階段計算：
（1）快速空載起動力矩
在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下：
以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（）；
：指折算到電機軸上的摩擦力矩（）；
：指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（）；
：指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量；
：指電機最大角加速度（）；
：指電機最大轉速（）；
：指運動部件最大進給速度（）；
：指脈沖當量（）；
：指步進電機步距角（）；
：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s），這里是30ms；
：指導程的摩擦力（N），；
：指垂直方向的切削力（N）；
：指工件及工作臺重量（N）；
：指導軌摩擦系數，；
：指運動部件的總重量（N）；
：指齒輪降速比；按計算；
：指傳動鏈總效率，一般可??；
：指滾珠絲杠預加負載，一般取/3，為進給軸向力（N）；
：指滾珠絲杠導程；
：指滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取。
將以前計算所得數據代入：
（）
（）
（）
則 （）
（2）快速移動時所需力矩
（）
（3）最大切削負載時所需力矩
（）
從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據。
由表6得：當步進電機為三相六拍時，，則（N）。
表6—步進電機起動轉距與最大靜轉距關系
步進
電機
相 數
三 相
四 相
五 相
六 相
拍 數
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
按此最大靜轉距從表中查出，150BF002型最大靜轉距為13.72，大于所需最大靜轉距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。
3、 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率
可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800運行頻率為8000，再從圖5查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出，當步進電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（800.77），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。
圖5—150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性
（二） 橫向進給步進電機計算和選型
與縱向進給步進電機計算的方法一樣，如果縱向的步進電機能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進電機。
第6章 微機數控系統(tǒng)的設計
6.1 微機數控系統(tǒng)的設計綱要
6.1.1 硬件電路設計
硬件是組成系統(tǒng)的基礎，也是軟件編程的前提，數控系統(tǒng)硬件設計包括以下幾部分內容：
1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖
據總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。
機床硬件電路由五部分組成：
（1） 主控制器，即中央處理單元CPU；
（2） 總線，包括數據總線、地址總線和控制總線；
（3） 存儲器，包括程序存儲器和數據存儲器；
（4） 接口，即輸入/輸出接口電路；
（5） 外圍設備，如鍵盤、顯示器等。
機床數控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示：
圖6—機床數控系