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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
XK52數(shù)控銑床總體設(shè)計(jì)及
垂直進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中，加工精度和加工可靠性是伺服系統(tǒng)決定的，本文對普通銑床的數(shù)控化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，通過對普通銑床的數(shù)控化設(shè)計(jì)，提高了普通銑床的加工能力和加工范圍，節(jié)省了直接購買機(jī)床的部分資金，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。
全面闡述了數(shù)控銑床的結(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)控銑床的結(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：銑床，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
III
Abstract
In the system of the CNC machine tool, machining precision and reliability are servo system is determined, based on the transformation of milling machine is analyzed and designed, through the transformation of milling machine, improves the ordinary milling machine processing capacity and processing, saves the direct purchase of machine part of funds, has the very good economic benefit.
Comprehensively elaborated numerical control milling machine structure design principle, characteristics, discusses the use of servo motor and ball screw nut pair advantages. Introduces the NC milling machine 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: milling machine, numerical control, servo motor, the ball screw
目 錄
摘 要 V
Abstract VI
目 錄 VII
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)控銑床的主要功能及加工對象 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 3
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 總體設(shè)計(jì)方案 6
2.1.1機(jī)床的方案比較 6
2.1.2實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) 8
2.2 主傳動的系統(tǒng) 8
2.2.1機(jī)械部分的數(shù)控 8
2.2.2電氣部分的數(shù)控 8
2.3進(jìn)給系統(tǒng) 9
2.3.1進(jìn)給機(jī)構(gòu) 9
2.3.2 XK52的要求 9
2.3.3導(dǎo)軌副的 9
2.4 微機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì) 10
2.4.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 10
2.4.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10
2.2設(shè)計(jì)方案論證 11
第3章 確定切削用量及選擇刀具 13
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 13
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 13
3.1.2選擇數(shù)控銑削用刀具 13
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) 14
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 14
3.3.2確定進(jìn)給速度 15
3.3.3 確定背吃刀量 15
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.1 對數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介 16
4.2 對數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 16
4.3 主傳動的類型及方案選擇 17
4.4計(jì)算切削功率 18
4.4.1切削力的計(jì)算 18
4.4.2切削功率的計(jì)算 18
4.4.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定 19
4.5 計(jì)算主傳動功率 19
4.6 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主軸電動機(jī)的功率的確定 19
4.6.1 變速級數(shù)Z的確定 20
4.6.2 電動機(jī)的功率的確定 20
4.6.3 電動機(jī)參數(shù) 21
4.6.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的確定 21
第5章 垂直（Z向）進(jìn)給伺服傳動設(shè)計(jì)（主要部裝設(shè)計(jì)） 23
5.1 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 23
5.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 23
5.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 24
5.4 垂直進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)主要部分計(jì)算 25
結(jié) 論 31
致 謝 32
參考文獻(xiàn) 33
36
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)動速度和軌跡進(jìn)行自動加工的機(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、銑床、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(shù)控銑床的主要功能及加工對象
數(shù)控銑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)控銑床普遍所具有的功能。如點(diǎn)位控制功能、刀具半徑自動補(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)控銑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、自動變換工作臺功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。
在使用數(shù)控銑床加工工件時(shí)，只要充分利用數(shù)控銑床的各種功能，就可以加工許多普通銑床難加工的工件。數(shù)控銑床的主要加工對象有：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)控銑床在完成工作時(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)控銑床在完成工作時(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。
加工對象：
1、平面零件加工 ?它的特點(diǎn)主要是表現(xiàn)在加工可以平行水平面，又可以出垂直于水平面，加工些簡單的零件，在加工過程中加工面與數(shù)控刀具為面接觸，粗，精加工都可以采用立銑刀或圓鼻刀
2、曲面類零件加工??它的特點(diǎn)是加工表面為空間曲面，在加工過程中，加工面與銑刀始終為接觸點(diǎn)，表面精加工多采用球頭銑刀進(jìn)行。
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、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.決策者對數(shù)控機(jī)床的認(rèn)識有誤區(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附件或刀具而影響整個主機(jī)的運(yùn)行。4.對企業(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。機(jī)床精度的評定指標(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、對刀等輔助時(shí)間，提高機(jī)床利用率；而且對操作者的技術(shù)要求不高，人工費(fèi)用也相對較低。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。另外一個不可忽視的因素是設(shè)備的貶值，數(shù)控機(jī)床的升級、更新較快，同配置的一臺機(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)各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會效應(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，包括銑-車復(fù)合、車銑復(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_機(jī)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(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。
五軸聯(lián)動加工中心
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：自動調(diào)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(hù)功能、加工零件檢測和自動補(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、加工過程自動消除機(jī)床震動等功能 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、車銑復(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（0.01mm）提升到目前 的微米級（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（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、振動等動態(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 總體設(shè)計(jì)方案
2.1.1機(jī)床設(shè)計(jì)的方案比較
方案1將XK52數(shù)控化設(shè)計(jì)后，使系統(tǒng)能夠控制主軸的轉(zhuǎn)速，并實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制工作臺，實(shí)現(xiàn)其縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動以及垂直方向的運(yùn)動，控制冷卻和潤滑。通過鍵盤輸入加工程序。XK52銑床數(shù)控化設(shè)計(jì)后是升降臺式的。床身的上部內(nèi)裝主軸傳動系統(tǒng)為主軸變速系統(tǒng)，這部分采用原機(jī)床的主軸傳動系統(tǒng)即保留原機(jī)床的電動機(jī)等等，還有添加的變速箱。床身的底部是可作冷卻液箱的底座，數(shù)控系統(tǒng)顯示器及按鍵位于操作者的右邊，便于調(diào)試、和操作觀察。床身右側(cè)的電器箱內(nèi)裝有兩坐標(biāo)的進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)，床身左側(cè)的電器箱內(nèi)裝有主控器和強(qiáng)電系統(tǒng)。顯示器采用LED，用以顯示輸入的程序，機(jī)床的實(shí)際位置和已存儲的各種信息。手動操作時(shí)，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。
控制部分
數(shù)控系統(tǒng)采用為兩坐標(biāo)CNC開環(huán)控制，由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級齒輪變速箱后減速驅(qū)動?？蓪?shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)和兩坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)。采用MCS－51系列單片機(jī)組成微機(jī)控制系統(tǒng)，它的可靠性高、能在惡劣的環(huán)境下工作，適應(yīng)能力較好，且功能強(qiáng)，速度高。數(shù)控系統(tǒng)還具有刀具長度偏移和半徑補(bǔ)償功能，自診斷功能，可進(jìn)行自動加、減速，并具有備用電池，停電時(shí)可做存儲已編程序的電極。采用CNC－51微機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出脈沖信號，經(jīng)光電隔離電路，功率放大再傳給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)X、Y 兩個方向的進(jìn)給運(yùn)動，加工零件?？傮w設(shè)計(jì)如圖2-1所示：
信號分配及放大電路
步進(jìn)電動機(jī)
工作臺（X軸）
信號分配及放大電路
步進(jìn)電動機(jī)
工作臺（Y軸）
圖2-1 無反饋控制電路
放案2將XK52數(shù)控化設(shè)計(jì)后，使系統(tǒng)能夠控制主軸的轉(zhuǎn)速，并實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制工作臺，實(shí)現(xiàn)其縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動以及垂直方向的運(yùn)動，控制冷卻和潤滑。通過鍵盤輸入加工程序。XK52銑床數(shù)控化設(shè)計(jì)后是升降臺式的。如果床身的下部內(nèi)裝主軸傳動系統(tǒng)為主軸變速系統(tǒng)，這部分采用原機(jī)床的主軸傳動系統(tǒng)即保留原機(jī)床的電動機(jī)等等，還有添加的齒輪變速箱。如果床身的上部是可作冷卻液箱的底座，數(shù)控系統(tǒng)顯示器及按鍵位于操作者的左邊。床身左側(cè)的電器箱內(nèi)裝有兩坐標(biāo)的進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)，床身左側(cè)的電器箱內(nèi)裝有主控器和強(qiáng)電系統(tǒng)。顯示器采用LED，用以顯示輸入的程序，機(jī)床的實(shí)際位置和已存儲的各種信息。手動操作時(shí)，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。假如數(shù)控系統(tǒng)采用為兩坐標(biāo)ＮＣ閉環(huán)或者半閉環(huán)控制，那么必須要有電路反饋信息，反饋位移或角位移的電路，這樣可以有更加精確的加工路線，更加便于操作者了解機(jī)床的行經(jīng)過程。仍由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級齒輪變速箱后減速驅(qū)動。可實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)和兩坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)。采用MCS-51系列單片機(jī)組成微機(jī)控制系統(tǒng)，它的可靠性高、能在惡劣的環(huán)境下工作，適應(yīng)能力較好，且功能強(qiáng)，速度高。數(shù)控系統(tǒng)還具有刀具長度偏移和半徑補(bǔ)償功能，自診斷功能，可進(jìn)行自動加、減速，并具有備用電池，停電時(shí)可做存儲已編程序的電極。采用mcs-51微機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出脈沖信號，經(jīng)光電隔離電路，功率放大再傳給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)X、Y 兩個方向的進(jìn)給運(yùn)動，加工零件。如圖2-2所示．
圖2-2 有反饋控制電路
方案的取舍：比較兩者的設(shè)計(jì)方案，方案1的布置比較合理，完全按照機(jī)床的正常布置而設(shè)計(jì)，沒有其他什么多余的功能，是經(jīng)過了市場調(diào)查后而進(jìn)行的，依照原XK52機(jī)床的特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行了數(shù)控設(shè)計(jì)，比較符合大多數(shù)工廠的生產(chǎn)需要，可以說適應(yīng)性還是比較強(qiáng)的，也很符合當(dāng)前社會市場上競爭的需求。雖然沒有位移的反饋信息電路，加工精度也不如方案2高，但是卻可以節(jié)約資金，在很多加工要求不必太高，不需要反饋信息進(jìn)行控制的電路時(shí)，也是能夠達(dá)到精度要求的，所以在本設(shè)計(jì)中無須反饋電路，即采用開環(huán)系統(tǒng)。在很多的小工廠里也是可以進(jìn)行這種數(shù)控設(shè)計(jì)，其范圍廣。并且對CNC和NC控制作比較，CNC的功能比NC強(qiáng)大許多，在現(xiàn)在軟件發(fā)展如此之快的情況下，CNC已經(jīng)完全取代了NC，采取CNC不但經(jīng)濟(jì)，而且功能又符合XK52機(jī)床的數(shù)控設(shè)計(jì)。綜合上訴，在本設(shè)計(jì)中，方案1-1是可行的方案。
2.1.2實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)
在論文中主要討論在對XK52立式銑床進(jìn)行數(shù)控化設(shè)計(jì)。XK52銑床是銑削鍵槽、平面及銑孔的通用機(jī)床，它沒有準(zhǔn)確可靠的定位裝置，銑孔與銑鍵槽的位置精度一般靠模板的精度和人工劃線的精度來保證，故其加工精度低于數(shù)控機(jī)床。由于普通銑床的柔性差，不能滿足市場對形狀復(fù)雜、精度高、小批量、多品種零件需求。而數(shù)控化設(shè)計(jì)后系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)，并且采用CNC數(shù)控系統(tǒng)控制X、Y工作臺，即采用以mcs-51單片機(jī)為控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動設(shè)計(jì),使得設(shè)計(jì)后的機(jī)床能加工除了銑削鍵槽、平面及孔等簡單的零件外，還能加工形狀復(fù)雜（如加工圓弧面、斜面及凸輪等）的零件，且加工精度高、效率高，滿足市場的需求，且價(jià)格較廉，增加了市場的競爭力。
2.2 主傳動的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1機(jī)械部分的數(shù)控化設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：
① 結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，自動化程度高；
② 廣泛采用高效、無間隙傳動裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品；
③ 具有適應(yīng)無人化、柔性化加工的特殊部件；
④ 對機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件的要求高。
主傳動系統(tǒng)不變，還是采用原有的電動機(jī)（7.5KW）。進(jìn)給系統(tǒng)采用滾動絲杠副螺母副代替原有絲杠副，以提高機(jī)床運(yùn)行精度和傳動效率?？紤]到設(shè)計(jì)的目標(biāo)及成本的原因，決定XK52銑床的主軸支承仍采用滾動軸承支承，導(dǎo)軌仍使用動壓導(dǎo)軌。
2.2.2電氣部分的數(shù)控化設(shè)計(jì)
由于是將XK52銑床設(shè)計(jì)成為經(jīng)濟(jì)型的開環(huán)控制的數(shù)控銑床，機(jī)床加工的零件多屬中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流電機(jī)就能夠滿足加工要求。因此其主傳動系統(tǒng)的電氣部分仍采用其原來配置的7.5KW的交流電動機(jī)驅(qū)動。
2.3進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.3.1進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋電路，故進(jìn)給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動環(huán)節(jié)。本銑床的X，Y，Z兩軸進(jìn)給系統(tǒng)去掉了原來的進(jìn)給系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié)，直接采用了步進(jìn)電機(jī)＋一級減速齒輪＋滾珠絲桿的傳動方案。拆除原來的絲桿，增加少量的機(jī)械附件，就可安裝步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲桿螺母副。本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)的型號為110BF004，步進(jìn)電機(jī)步距角選用，扭距是4.61Nm，電機(jī)脈沖當(dāng)量：。
2.3.2 XK52的設(shè)計(jì)要求
進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)后性能的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的性能的好壞。也因此對進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：
①提高傳動部件的剛度，減小傳動部件的慣量；
②減小傳動部件的間隙，并減小系統(tǒng)的摩擦阻力；
③高精度 就是說伺服系統(tǒng)的輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。
④穩(wěn)定性好 指系統(tǒng)在給定輸入或受外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。
⑤快速響應(yīng)，無超調(diào) 它是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。
⑥低速大轉(zhuǎn)矩 機(jī)床加工的特點(diǎn)是在低速時(shí)進(jìn)行重切削。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。
⑦調(diào)速范圍寬 指機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在數(shù)控機(jī)床中，由于加工用刀具、被加工材質(zhì)及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。
2.3.3導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)
XK52 銑床采用的是鑄鐵-淬火鋼滑動導(dǎo)軌，動、靜摩擦系數(shù)相差較大，低速易出現(xiàn)爬行，平穩(wěn)性和定位精度較低，能量損失大。在數(shù)控設(shè)計(jì)中可采用在原導(dǎo)軌上粘貼聚四乙炔軟帶涂層的方法，以減小摩擦系數(shù)，增加耐磨性，且具有良好的自潤滑性和抗震性，該方法實(shí)現(xiàn)易、費(fèi)用低。
2.4 微機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮：
①確定功能指標(biāo)；
②明確硬、軟件分工；
③重視接口設(shè)計(jì)；
④認(rèn)真選擇微機(jī)。
2.4.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用8031單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使機(jī)床移動部件沿X、Y坐標(biāo)方向移動，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對運(yùn)動，完成零件加工。軟件系統(tǒng)由初始化模塊、鍵盤處理模塊、LED顯示模塊、輸入輸出處理模塊等組成。其中步進(jìn)電機(jī)控制程序由軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配（由８０３１單片機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配），通過改變８２５５相應(yīng)端口的狀態(tài)完成控制過程。
2.4.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)芯片8031為控制器，1片8kb的eprom2764作為程序存儲器擴(kuò)展芯片；數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展芯片用1片8kb的ram6264；而選用1片可編程并行Ｉ／Ｏ接口芯片8255作為系統(tǒng)擴(kuò)展的Ｉ／Ｏ口，對Ｘ、Ｙ軸步進(jìn)電機(jī)及主軸進(jìn)行控制,通過鍵盤的命令可使X、Y 工作臺聯(lián)動，并可以靈活地輸入切削程序和數(shù)據(jù)。用１片８１５５做為機(jī)床開關(guān)、刀架控制信號及主軸編碼器反饋信號Ｉ／Ｏ口用；1片8279作為鍵盤／顯示器接口，識別鍵盤按鍵信號，對顯示器自動掃描，完成鍵盤輸入和led顯示控制功能；采用74ls138做為統(tǒng)一地址譯碼器尋址，并用74ls343為地址鎖存器，并由8031對各步進(jìn)電機(jī)脈沖信號進(jìn)行環(huán)形分配，如圖1-3所示。
圖2-3 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
為避免強(qiáng)電干擾可采用光電耦合電路(GO102)進(jìn)行光電隔離。因?yàn)?255輸出的信號功率很小，故用功率放大器對輸出的脈沖信號放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作。
2.2設(shè)計(jì)方案論證
機(jī)床的數(shù)控設(shè)計(jì)，主要是對原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控銑床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī)械結(jié)構(gòu)同普通的機(jī)床有相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床不是簡單將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進(jìn)而成。傳統(tǒng)機(jī)床存在著一些弱點(diǎn)，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(jī)床對加工精度，表面質(zhì)量，生產(chǎn)率以及使用壽命等要求?，F(xiàn)代機(jī)床的部件結(jié)構(gòu)，整體布局，外部造型都已經(jīng)形成了數(shù)控機(jī)床獨(dú)特的機(jī)械部件。因此，我們在對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能的 與數(shù)控機(jī)床相接近。
機(jī)床的設(shè)計(jì)主要應(yīng)具備兩個條件1.機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛度2.改裝的費(fèi)用要合適，經(jīng)濟(jì)性好。改裝前要對機(jī)床的性能指標(biāo)做出決定，改裝后其各項(xiàng)指標(biāo)能達(dá)到數(shù)控加工的要求。
將一臺XK52銑床改裝成微機(jī)數(shù)控銑床，要求原機(jī)床的改動盡量少，以降低成本，提高性價(jià)比。根據(jù)這個要求保留原機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及縱橫向進(jìn)給的機(jī)動部分，設(shè)計(jì)后的數(shù)控銑床要求結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、易于推廣普及。因此采用步進(jìn)電機(jī)為飼服元件，用來驅(qū)動縱橫向工作臺的進(jìn)給運(yùn)動。拆除機(jī)床上原有的縱橫向絲杠螺母元件，改用步進(jìn)電機(jī)和減速齒輪驅(qū)動的滾珠絲杠螺母副。并選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)，使其擴(kuò)大加工范圍，適用于現(xiàn)階段我國的中小型機(jī)械加工企業(yè)。
機(jī)械部分?jǐn)?shù)控化設(shè)計(jì)需涉及電機(jī)的選擇、工作臺進(jìn)給結(jié)構(gòu)、傳動比分配與計(jì)算等方面的內(nèi)容。
1伺服驅(qū)動元件
進(jìn)給電機(jī)選用混合式步進(jìn)電機(jī)，其不僅步距角小運(yùn)行頻率高且功耗低低頻噪音小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不需要反饋裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠，壽命長。橫垂直進(jìn)給電機(jī)均選用同一型號以便于設(shè)計(jì)和日后維修。脈沖當(dāng)量t=0.01mm/脈沖，選用步距角θ=0.6° 。對原機(jī)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(shí)間。
2機(jī)床導(dǎo)軌的選擇
由于原機(jī)床采用滑動導(dǎo)軌，在低速時(shí)容易發(fā)生“爬行”現(xiàn)象，直接影響運(yùn)動部件的定位精度。較經(jīng)濟(jì)的處理方法是采用貼塑滑動導(dǎo)軌。
3進(jìn)給傳動系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床要求進(jìn)給部分移動元件靈敏度高、精度高、反應(yīng)快、低速時(shí)無爬行。因此本設(shè)計(jì)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(dāng)絲杠和螺母相對運(yùn)動時(shí)，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置，使得滾珠沿滾道面運(yùn)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。滾珠絲杠螺母副安裝時(shí)需要預(yù)緊，通過預(yù)緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙，提高傳動剛度。本設(shè)計(jì)中的預(yù)緊方法是采用雙螺母墊片預(yù)緊式結(jié)構(gòu)。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(cè)來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。其特點(diǎn)是預(yù)緊結(jié)構(gòu)簡單，軸向剛度好，預(yù)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(fù)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(jié)構(gòu)
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)控銑削用刀具
在數(shù)控加工中，銑削平面零件內(nèi)外輪廓 及銑削平面常用平底立銑刀，該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:一是銑刀半徑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。三是用平底立銑刀銑削內(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)。對于一些立體型面和變斜 角輪廓外形的加工，常用球形銑刀、環(huán)形銑刀、鼓形銑刀、錐形銑刀和盤銑刀。
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)及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機(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(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)動的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時(shí)刀具相對于工 件運(yùn)動的起點(diǎn)，所以稱程序起始點(diǎn)或起刀點(diǎn)。此起始點(diǎn)一般通過對刀來確定，所以，該點(diǎn)又稱對刀點(diǎn)。在編制程序時(shí)，要正確選擇對刀點(diǎn)的位置。對刀點(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)，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點(diǎn)放到對刀點(diǎn)上，即“刀位點(diǎn)”與“對 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。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點(diǎn);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(xué)對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等，以減少對刀時(shí)間，提高對刀精度。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，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)圖設(shè)計(jì)
4.1 參數(shù)的擬定
XK52數(shù)控立式銑床設(shè)計(jì)參數(shù)
1、主軸轉(zhuǎn)速：30-1500轉(zhuǎn)/分
2、工作臺尺寸(長×寬)： 1250mm×320mm
3、工作臺最大行程： 縱向 700mm 橫向 255mm 垂直 370mm
4、快速移動速度： 15m/min
5、工作臺定位精度 x、y、z ±0.03mm；
工作臺重復(fù)定位精度 x、y、z ±0.02mm；
6、縱向、橫向及垂直進(jìn)給為微機(jī)控制，采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動，滾
珠絲杠傳動，脈沖當(dāng)量0.010mm/脈沖。
7、實(shí)現(xiàn)功能：銑削平面、斜面、溝槽、齒輪等。
8、操作要求：起動、點(diǎn)動、單步運(yùn)行、自動循環(huán)、暫停、停止
XK52數(shù)控立式銑床選定公比，確定各級傳送機(jī)床常用的公比 為1.26或1.41，考慮適當(dāng)減少相對速度損失，這里取公比為 =1.26，根據(jù)給出的條件：主運(yùn)動部分Z=18級，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表，確定各級轉(zhuǎn)速為：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.
4.2 傳動結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇
1，確定變數(shù)組數(shù)目和各變數(shù)組中傳動副的數(shù)目
該機(jī)床的變數(shù)范圍較大，必須經(jīng)過較長的傳動鏈減速才能把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降到主軸所需的轉(zhuǎn)速。級數(shù)為Z的傳動系統(tǒng)由若干個傳動副組成，各傳動組分別有. .`````````個傳動副，即Z=```````。傳動副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制，通常采用P=2或3，即變速Z應(yīng)為2或3的因子：Z=x
因此，這里18=3x3x2，共需三個變速組。
2，傳動組傳動順序的安排
18級轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以排成：3x3x2，或3x2x3。
選擇傳動組安排方式時(shí)，要考慮到機(jī)床主軸變速率的具體結(jié)構(gòu)，裝置和性能。I軸如果安置制動的電磁離和器時(shí)，為減少軸向尺寸。第一傳動組的傳動副數(shù)不能多，以2為宜，有時(shí)甚至用一個定比傳動副；主軸對加工精度，表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用2 ，或一個定比傳動副。
這里，根據(jù)前多后少的原則，選擇18=3x3x2方案。
3，傳動系統(tǒng)的擴(kuò)大順序安排
對于18=3x3x2的傳動，有3！=6種可能安排，亦即有6種機(jī)構(gòu)副和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)，傳動方案中，擴(kuò)大順序與傳動順序可以一致，，結(jié)構(gòu)式18=xx的傳動中，擴(kuò)大順序與傳動順序一致，稱為順序擴(kuò)大傳動，而，18=xx的傳動順序不一致，根據(jù)“前密后疏”的原則，選擇18=xx的結(jié)構(gòu)式。
4驗(yàn)算變速組的變速范圍
齒輪的最小傳動1/4，最大傳動比2，決定了一個傳動組的最大變速范圍=/
因此，可按下表，確定傳動方案：
根據(jù)傳動比及指數(shù) x, 的值
公比
極限值傳動比指數(shù)
1.26
x值: =1/=1/4
6
值: ==2
3
（x+）值：==8
9
因此，可選擇18=xx的傳動方案。
5、最后擴(kuò)大傳動組的選擇：
正常連續(xù)順序擴(kuò)大傳動（串聯(lián)式）的傳動式為：
Z=*
最后擴(kuò)大傳動組的變速范圍為：
r==
按原則，導(dǎo)出系統(tǒng)的最大收效Z和變速范圍為：
2
3
1.26
Z=18
R=50
Z=12
R=12.7
因此，傳動方案18=3*3*2符合上述條件，其結(jié)構(gòu)網(wǎng)如下圖4.1：
圖4.1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖
4.3 轉(zhuǎn)速圖擬定
XK52數(shù)控立式銑床運(yùn)動參數(shù)確定后，主軸各級轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定電機(jī)功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機(jī)的型號，分配個變速組的最小傳動比；擬定轉(zhuǎn)速圖，確定各中間軸的轉(zhuǎn)速。
1，主電機(jī)的選擇
中型機(jī)床上，一般都采用交流異步電動機(jī)為動力源，可在下列中選用，在選擇電機(jī)型號時(shí)，應(yīng)注意：
（1）電機(jī)的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)品的功率已標(biāo)準(zhǔn)化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標(biāo)準(zhǔn)值。
（2）電機(jī)的轉(zhuǎn)速
異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有：3000，1500，1000，750，r/min,這取決于電動機(jī)的極對數(shù)P
=60f/p=60x50/p ( r/min)
機(jī)床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 兩種，選用是要使電機(jī)轉(zhuǎn)速與主軸最高速度和工軸轉(zhuǎn)速相近為宜，以免采用過大或過小的降速傳動。
根據(jù)以上要求，我們選擇功率為7.5KW，轉(zhuǎn)速為1500r/min的電機(jī)，查表，其型號為Y132M-4，其主要性能如下表
電機(jī)型號
額定功率KW
荷載轉(zhuǎn)速r/min
同步轉(zhuǎn)速r/min
Y132M-4
7.5KW
1440
1500
2、分配最小傳動比，擬定轉(zhuǎn)速圖
（1）軸的轉(zhuǎn)速：
軸從電機(jī)得到運(yùn)動，經(jīng)傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為主軸各級轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速和主軸最小轉(zhuǎn)速應(yīng)相近，顯然，從動件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下功率工作時(shí)所受扭矩最小來考慮，軸轉(zhuǎn)速不宜將電機(jī)轉(zhuǎn)速降得太低。弱軸上裝有離合器等零件時(shí)，高速下摩檫損耗，發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，軸轉(zhuǎn)速也不宜也太高，軸轉(zhuǎn)速一般取700~1000r/min左右較合適。
因此，使中間變速組降速緩慢。以減少結(jié)構(gòu)的徑向尺寸，在電機(jī)軸I到主傳動系統(tǒng)前端軸增加一對26/54的降速齒輪副，這樣，也有利于變型機(jī)床的設(shè)計(jì)，改變降速齒輪傳動副的傳動比，就可以將主軸18級轉(zhuǎn)速一起提高或降低。
（2）中間軸的轉(zhuǎn)速
對于中間傳動軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小和噪音，振動等性能要求之間的矛盾。
中間傳動軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，中間傳動軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸徑和齒輪模數(shù)小些：
d, m從而可使結(jié)構(gòu)緊湊。但這樣引起空載功率和噪音加大：
=1/(3.5+cn)KW
式中：C——系數(shù)，兩支承滾動軸承和滑動軸承C=8.5，三支承滾動軸承C=10；
——所有中間軸軸徑的平均值；
——主軸前后軸徑的平均值
——中間傳動軸的轉(zhuǎn)速之和
n——主軸轉(zhuǎn)速（r/min）
=20lg-K
式中：（——所有中間傳動齒輪的分度圓直徑的平均值mm;
——主軸上齒輪分度圓直徑的平均值mm;
q——傳到主軸上所經(jīng)過的齒輪對數(shù)
——主軸齒輪螺旋角
,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=3.5，銑床K=50.5
從上述經(jīng)驗(yàn)公式可知，主軸n和中間傳動軸的轉(zhuǎn)速和 對機(jī)床噪音和發(fā)熱的關(guān)系，確定中間軸轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況做相應(yīng)的修正。
a，對高速輕載或精密機(jī)床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低些
b,控制齒輪圓周速度v<8m/s(可用７級齒輪精度)，在此條件下，可適當(dāng)選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。
（3），齒輪傳動比的限制
機(jī)床主傳動系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動比：
a, 升速傳動中，最大傳動比 2 ，過大，容易引起振動的噪音。
b, 降速傳動中，最小傳動比 1/4。過小，則主動齒輪與被動齒輪的直徑相差太大將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大。
（4）分配最小傳動比
a,決定軸V-VI和VI-的傳動比，根據(jù)臺式銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，及對同類車床的比較，為使傳動平穩(wěn)取其傳動比為1，
b,決定各變速組的傳動比；
由前面2軸的轉(zhuǎn)速及中間軸轉(zhuǎn)速的分析，及齒輪傳動比的現(xiàn)在，根據(jù)“前緩后急”的原則，取軸IV-V的最小降速比為極限值的1/4，=1.26，=4，軸III-IV和軸II-III均取=1/
（5）擬定轉(zhuǎn)速圖：
根據(jù)結(jié)構(gòu)圖及結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖及傳動比的分配，擬定轉(zhuǎn)速圖，如下圖4.2所示：
圖4.2 傳動系統(tǒng)圖
4.4 齒輪齒數(shù)的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制
1，齒輪齒數(shù)的確定的要求：
可用計(jì)算法或查表確定齒輪齒數(shù)，后者更為簡便，根據(jù)要求的傳動比u和初步定出的傳動副齒數(shù)和，查表即可求出小齒輪齒數(shù)：
選擇是應(yīng)考慮：
a,傳動組小齒輪不應(yīng)小于允許的最小齒數(shù)，即：
推薦：
對軸齒輪=12，特殊情況下=11，
對套裝在軸上的齒輪，=16，特殊情況下=14，
對套裝在滾動軸承上的空套齒輪，=20；
當(dāng)齒數(shù)少于不發(fā)生根切的最小齒數(shù)時(shí)（壓力角a=20的直齒標(biāo)準(zhǔn)，=17），一般需對齒輪進(jìn)行正變位修正。
b,保證強(qiáng)度和防止熱處理變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚，一般取則，如圖4.3所示。
c、同一傳動組的個齒輪副的中心矩應(yīng)相等。若摸數(shù)相等時(shí)，則齒數(shù)和亦相等，
但由于傳動比要求，尤其是在傳動中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求，
機(jī)床上可用修正齒輪，在一定范圍內(nèi)調(diào)整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齒數(shù)差不能夠超過3~4個齒。
2，變速傳動組中齒輪齒數(shù)的確定
為了減少齒輪數(shù)目和縮短變速箱的軸向尺寸，這里采用了公用齒輪。但由于公用齒輪的采用，使兩個傳動組間的傳動比互相牽制，不能獨(dú)立地按照最緊湊的原則決定傳動件的尺寸，因此，徑向尺寸一般較大，此外，公用齒輪的兩側(cè)齒面同時(shí)嚙合會影響其磨損和壽命。這里我們采用查表法來確定齒輪的齒數(shù)。查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》確定個齒輪齒數(shù)如下：
軸II-III間變速齒輪齒數(shù)的確定：
由于公比=1.26，傳動比為=1/=，=1/=，=1/
設(shè)：傳動組中最小齒輪齒數(shù)=16，查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》表7.3-14
可查得：=16/39 （0.1%），=19/36 （0.9%），=22/33 （-0.3%）
齒數(shù)和為=55
公用齒輪選為=39
軸III-IV間變速組齒輪齒數(shù)的確定：
傳動比為=1/ =1/ =
根據(jù)=，主動輪齒數(shù)為39，從表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）
齒數(shù)和為：=65
軸IV-V間變速組齒輪齒數(shù)的確定：
由于變數(shù)組齒輪傳動比和各傳動副上受力差別較大齒輪副的速度變化，受力差別較大，為了得到合理的結(jié)構(gòu)尺寸，可采用不同模數(shù)的齒輪副。
軸IV-V間的兩對齒輪，其傳動比為=1/4, =2分別?。剑矗剑硠t
／＝／＝3／4
?。耍?0，＝30x3=90, =30x4=120
按傳動比將齒數(shù)分配如下：
=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38軸V-VI及VI-VII間齒數(shù)確定，由于這兩個傳動組只是改變傳動方向，不起便速度作用，只需考慮其結(jié)構(gòu)尺寸及磨損振動和噪音等因素。，取V-VI軸間錐材料齒輪齒數(shù)為29，ＶI-VII軸間齒輪齒數(shù)為67。
3、主軸轉(zhuǎn)速系列的驗(yàn)算：
主軸轉(zhuǎn)速在使用上并要求十分準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)速稍高或稍低并無太大影響，但標(biāo)牌上標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列的數(shù)值一般也不允許與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差太大。
由確定的齒輪齒數(shù)所得的實(shí)際轉(zhuǎn)速與傳動設(shè)計(jì)理論值難以完全相符，需要驗(yàn)算主軸各級轉(zhuǎn)速，最大誤差不得超過即
%
主軸的各級實(shí)際轉(zhuǎn)速分別為：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min
==2%
而%=2.6%故符合條件
同理：經(jīng)驗(yàn)算，其他各級轉(zhuǎn)速也滿足要求。
4、傳動系統(tǒng)圖的繪制
轉(zhuǎn)速圖和齒輪齒數(shù)確定后，變速箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度也基本確定了（如齒輪個數(shù)，軸數(shù)，支承軸，為使變速箱的結(jié)構(gòu)緊湊，合理布置齒輪是一個重要的問題，因?yàn)樗苯佑绊懽兯傧涞某叽纾兯俨僮鞯姆奖阈院徒Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可行性問題，在考慮主軸適當(dāng)?shù)闹С芯嗪蜕釛l件下，一般應(yīng)盡可能減少變速箱尺寸。這里為使變速操作的方便，提高效率采用電磁離合器操縱方式。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出傳動系統(tǒng)圖，如圖2.4所示
圖1.4 主傳動系統(tǒng)圖
主運(yùn)動傳動鏈的傳動路線表達(dá)式如下：
電動機(jī)I——II——III——IV—=V——VI——VIII（主軸）
第5章 垂直（Z向）進(jìn)給伺服傳動設(shè)計(jì)（主要部裝設(shè)計(jì)）
5.1 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求
進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一個特殊部分。數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。
(1) 穩(wěn)定性
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,或者在