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第一章 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生及發(fā)展趨勢(shì)
1.1課題的意義
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生活的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心和技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造業(yè)能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)和適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的。
1.2 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生背景
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求，而機(jī)械加工過程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的有效途徑。
從工業(yè)化革命以來，人們實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工自動(dòng)化的主要手段有：
1.自動(dòng)機(jī)床。
2.組合機(jī)床。
3.專用自動(dòng)生產(chǎn)線。
這些設(shè)備的使用大大提高了機(jī)械加工自動(dòng)化的程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，促進(jìn)了制造業(yè)的發(fā)展。但它也存在固有的缺點(diǎn)，如：
1.初始投資大。
2.準(zhǔn)備周期長(zhǎng)。
3.柔性差。
因此，上述方法僅適用于批量較大的零件生產(chǎn)。然而，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期縮短，小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)所占的比重越來越大，約占總加工量的80％以上。在航空、航天、重型機(jī)床以及國(guó)防工業(yè)部門尤為突出。因此，迫切需要一種精度高，柔性好的加工設(shè)備來滿足上述需求，這是機(jī)床數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力。另一方面，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展則為NC 機(jī)床的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。NC技術(shù)正是在這種背景下誕生和發(fā)展起來的，它極其有效地滿足了上述要求，為小批量、精密復(fù)雜的零件生產(chǎn)提供了自動(dòng)化加工手段。
任何事物都有其特點(diǎn)與發(fā)展條件，人們掌握後才能加速其發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展條件：
它是機(jī)、電、液、氣、光多學(xué)科各種高科技的綜合性組合，特別是以電子、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)為基石，必須具有鞏固的技術(shù)基礎(chǔ)，互相配套，缺一不可。如不齊備，則數(shù)控機(jī)床難以順利發(fā)展；
數(shù)控機(jī)床是由主機(jī)、各種元部件(功能部件)和數(shù)控系統(tǒng)三大部分組成，還需先進(jìn)的自動(dòng)化刀具配合，才能實(shí)現(xiàn)加工，各個(gè)環(huán)節(jié)在技術(shù)上、質(zhì)量上必須切實(shí)過關(guān)，確保工作可靠、穩(wěn)定，才能保數(shù)控機(jī)床工作的精度、效率和自動(dòng)化，否則，難以在生產(chǎn)實(shí)際中使用;
它是社會(huì)需求、科技水平和人員素質(zhì)三者的結(jié)合，缺一不成。如果人員素質(zhì)差、科技水平達(dá)不到，則難以滿足社會(huì)需求。人是一切活動(dòng)的主體，需要各種精通業(yè)務(wù)的專家、人才和熟練技術(shù)工人，互相配合，共同完成。否則，數(shù)控機(jī)床難以順利發(fā)展。
1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
1〕高速加工技術(shù)發(fā)展迅速
高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用新的機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用高性能功能部件，移動(dòng)部件輕量化，減少運(yùn)動(dòng)慣性。在刀具材料和結(jié)構(gòu)的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機(jī)床加工全面高速化，如數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速?gòu)拿糠昼妿浊мD(zhuǎn)發(fā)展到幾萬轉(zhuǎn)、幾十萬轉(zhuǎn)；快速移動(dòng)速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時(shí)間從十幾秒下降到10秒、3秒、1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應(yīng)用高速加工技術(shù)達(dá)到縮短切削時(shí)間和輔助時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。
2〕精密加工技術(shù)有所突破
通過機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動(dòng)誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高機(jī)床加工的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內(nèi)提升100倍。目前，精密數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度可以達(dá)到1μm，進(jìn)入亞微米超精加工時(shí)代。
3〕技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合趨勢(shì)明顯
技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機(jī)床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢(shì)之一，如工序復(fù)合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，跨加工類別技術(shù)復(fù)合——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結(jié)與鏡面切削復(fù)合等，目前已由機(jī)加工復(fù)合發(fā)展到非機(jī)加工復(fù)合，進(jìn)而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術(shù)集成和復(fù)合形成了新一類機(jī)床——復(fù)合加工機(jī)床，并呈現(xiàn)出復(fù)合機(jī)床多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
4〕數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)入了智能化的新階段
數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:數(shù)字化控制技術(shù)對(duì)機(jī)床單機(jī)控制；集合生產(chǎn)管理信息形成生產(chǎn)過程自動(dòng)控制；生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過程實(shí)行智能監(jiān)控和人工智能自動(dòng)編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)工件裝卡定位自動(dòng)找正，刀具直徑和長(zhǎng)度誤差測(cè)量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償、調(diào)整、自動(dòng)更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的機(jī)械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動(dòng)診斷、報(bào)警、故障顯示等，直至停機(jī)處理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術(shù)后援和在線服務(wù)后援。人工智能自動(dòng)編程系統(tǒng)能按機(jī)床加工要求對(duì)零件進(jìn)行自動(dòng)加工。在線服務(wù)可以根據(jù)用戶要求隨時(shí)接通INTERNET接受遠(yuǎn)程服務(wù)。采用智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)與管理信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補(bǔ)償智能控制、故障自診斷和智能維護(hù)等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術(shù)在制造系統(tǒng)上的應(yīng)用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡(luò)工廠，并進(jìn)一步向制造系統(tǒng)可重組的方向發(fā)展。
5〕極端制造擴(kuò)張新的技術(shù)領(lǐng)域
極端制造技術(shù)是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術(shù)。極端制造技術(shù)是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點(diǎn)研究微納機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關(guān)的數(shù)控制造技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)的數(shù)控機(jī)床研制，如微型、高精度、遠(yuǎn)程控制手術(shù)機(jī)器人的制造技術(shù)和應(yīng)用；應(yīng)用于制造大型電站設(shè)備、大型艦船和航空航天設(shè)備的重型、超重型數(shù)控機(jī)床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展需要超精細(xì)加工和微納米級(jí)加工技術(shù)，研制適應(yīng)微小尺寸的微納米級(jí)加工新一代微型數(shù)控機(jī)床和特種加工機(jī)床；極端制造領(lǐng)域的復(fù)合機(jī)床的研制等。
6〕數(shù)控機(jī)床用于飛機(jī)零件的高速高效加工
新型高速加工技術(shù)和高速機(jī)床的出現(xiàn)，使切削速度得到更進(jìn)一步的提高，同時(shí)應(yīng)用最新控制和優(yōu)化技術(shù)，機(jī)床精度提高，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異，使得飛機(jī)零件的加工質(zhì)量和加工效率大大提高。高難度、高質(zhì)量飛機(jī)零件的加工需求一直是數(shù)控技術(shù)和新型數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要原動(dòng)力，而新型數(shù)控加工技術(shù)及機(jī)床設(shè)備往往首先在飛機(jī)零件加工中得到實(shí)際應(yīng)用，飛機(jī)零件的加工制造與新型數(shù)控機(jī)床的發(fā)展相得益彰，互相促進(jìn)。隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，飛機(jī)零件的加工制造越來越多地依賴新型高速高效數(shù)控機(jī)床。新一代飛機(jī)，尤其是軍用飛機(jī)，需要具備更優(yōu)異的飛行和作戰(zhàn)性能，新技術(shù)不斷應(yīng)用，新材料、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型面、薄壁、整體結(jié)構(gòu)、大尺寸零件等難加工零件被更多地設(shè)計(jì)應(yīng)用；同時(shí)，新機(jī)研制周期明顯縮短，型號(hào)數(shù)量增多，每種型號(hào)的批量減少，這就對(duì)承擔(dān)大部分飛機(jī)零件數(shù)控加工任務(wù)的現(xiàn)代航空用數(shù)控機(jī)床提出了更高的要求。如何在要求的生產(chǎn)周期內(nèi)，提高加工生產(chǎn)效率，提高零件加工質(zhì)量，成為衡量飛機(jī)零件數(shù)控加工機(jī)床水平高低的重要因素，同時(shí)也成為各飛機(jī)工廠努力追求的目標(biāo)之一。其中，提高加工生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期在目前顯得尤為緊迫和重要。飛機(jī)零件的主要特點(diǎn)是尺寸大（如長(zhǎng)桁、大梁、壁板等），結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜（如具有各種形式的槽腔結(jié)構(gòu)、下陷、加強(qiáng)筋及凸緣，帶有變斜角、空間復(fù)雜曲面等），難加工材料多（如鈦合金等），材料去除率高（部分零件可達(dá)90%以上），尺寸及位置精度要求高，零件表面質(zhì)量要求高，零件品種規(guī)格多但批量較小等。如按常規(guī)加工方法進(jìn)行加工，尤其是大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件（如機(jī)身整體框等）、薄壁件（要求變形小）等難加工零件，則工藝路線復(fù)雜，加工時(shí)間長(zhǎng)，很難滿足周期要求。應(yīng)運(yùn)而生的高速加工技術(shù)和高速高效加工機(jī)床顯著地提高了飛機(jī)零件的加工精度和加工效率，改善了零件表面質(zhì)量，本文重點(diǎn)論述提高飛機(jī)零件加工效率的高速加工技術(shù)和新型高速高效加工機(jī)床。高速加工技術(shù)，飛機(jī)零件多由鋁合金材料制成，為得到好的零件表面質(zhì)量，即使在常規(guī)機(jī)床上加工時(shí)，切削速度也要比加工其他金屬材料零件時(shí)高得多。新型高速加工技術(shù)和高速機(jī)床的出現(xiàn)，使切削速度得到更進(jìn)一步的提高，同時(shí)應(yīng)用最新控制和優(yōu)化技術(shù)，機(jī)床精度提高，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異，飛機(jī)零件的加工質(zhì)量和加工效率大大提高。
高速加工應(yīng)該以刀具所能達(dá)到的切削速度進(jìn)行定義，對(duì)應(yīng)不同的加工材料有著不同的指標(biāo)值。為簡(jiǎn)單起見，在飛機(jī)零件加工中，通常將主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到或高于10000r/min、進(jìn)給速度達(dá)到或高于10m/min的大型機(jī)床稱為高速加工機(jī)床。目前，常見的高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)20000～40000r/min（最高可達(dá)100000r/min以上），進(jìn)給速度可達(dá)20～40m/min（最高可達(dá)80m/min）。
高速切削時(shí)，機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)，刀具的每齒進(jìn)給量很小，相當(dāng)于刀具變得異常鋒利，切削所產(chǎn)生的工件材料擠壓變形非常小，切削力得到有效減小；因刀具與工件摩擦、工件材料變形等產(chǎn)生的切削熱也大大減少，而且熱量的大部分會(huì)被切屑帶走，剛加工完的切削區(qū)域也不會(huì)有熱聚積，用手摸時(shí)會(huì)感覺到零件表面是涼的，因此，零件的加工變形小，表面質(zhì)量高；同時(shí)，機(jī)床的快速進(jìn)給保證了單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除率很高，所以，高速加工非常適合具有薄壁、整體等特征的飛機(jī)零件的高效加工；另外，隨著加工精度和零件表面光潔度的提高，由人工進(jìn)行零件修整的后續(xù)工作量可有效減少甚至取消，減少了后續(xù)工序；而且，高速加工使得在一臺(tái)機(jī)床上完成飛機(jī)零件的粗加工、半精加工和精加工整個(gè)全過程變成可能，大大簡(jiǎn)化了工藝路線，減少零件加工的輔助時(shí)間，縮短零件制造周期，因此，高速加工使得飛機(jī)零件加工過程發(fā)生了根本性的變化，是迄今為止所用到的提高飛機(jī)零件加工效率最有效的手段，實(shí)現(xiàn)這一變化的關(guān)鍵就是新型高速高效加工機(jī)床。
第二章 數(shù)控機(jī)床的組成及優(yōu)點(diǎn)
2.1數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)控技術(shù)對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)和切削加工過程進(jìn)行控制的機(jī)床，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是數(shù)控技術(shù)的最典型應(yīng)用。
典型數(shù)控機(jī)床的組成如圖所示。由圖可知，數(shù)控機(jī)床主要由零件加工程序、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、輔助控制裝置、檢測(cè)反饋裝置、機(jī)床本體等七部分組成，其中數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、輔助控制裝置、檢測(cè)反饋裝置又合稱為數(shù)控系統(tǒng)。
實(shí)際上，零件加工程序并非數(shù)控機(jī)床的物理組成部分，但從邏輯上講，數(shù)控機(jī)床加工過程必須按數(shù)控加工程序的規(guī)定進(jìn)行，數(shù)控加工程序是數(shù)控機(jī)床加工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此常將數(shù)控加工程序作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)組成部分。
1.輸入裝置
數(shù)控機(jī)床的零件加工程序是通過程序輸入裝置輸入數(shù)控機(jī)床的。輸入裝置與輸入方法有關(guān)。
（1）控制介質(zhì)輸入，所謂控制介質(zhì)就是零件加工程序存貯介質(zhì)即程序載體。通常程序載體有穿孔紙帶、磁帶、磁盤、光盤等，與之相應(yīng)的輸入裝置為光電紙帶閱讀機(jī)、錄音機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、光驅(qū)等。早期的數(shù)控機(jī)床常用穿孔紙帶存貯加工程序，即在特制的紙帶上穿孔，孔的不同位置的組合構(gòu)成不同的數(shù)字或數(shù)控代碼。通過光電紙帶閱讀機(jī)將紙帶上的零件加工程序轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制代碼輸入數(shù)控裝置中的存貯器。雖然現(xiàn)在很多數(shù)控機(jī)床上仍附帶有紙帶閱讀機(jī)長(zhǎng)磁帶錄機(jī)音機(jī)，但由于微型計(jì)算機(jī)的普遍使用期，穿孔紙帶和磁帶控制介質(zhì)的應(yīng)用已越來越少。
（2） 手工輸入，利用鍵盤輸入控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)和刀具運(yùn)動(dòng)的指令。具體說有三種情況：
①手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入（Manual Data Input,MDI）,通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的相應(yīng)按鍵，把數(shù)控程序指令逐條輸入存儲(chǔ)器中。這種方法一般只適用于一些較為簡(jiǎn)短的程序。
②在數(shù)控顯示的程序編輯界面，通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的相應(yīng)按鍵，輸入程序指令，存于內(nèi)存中。后面有關(guān)章節(jié)中的手工編程主要就是采用這種輸入方法。用這種方法還可以調(diào)出已存入的數(shù)控程序并對(duì)其進(jìn)行編輯修改。
③在具有對(duì)話功能的數(shù)控裝置上，根據(jù)軟件的邏輯格式和顯示屏上的對(duì)話提示，選擇不同的菜單，輸入有關(guān)的數(shù)字和信息后，可自動(dòng)生成控制程序存入內(nèi)存。這種方法雖然是手工輸入，但卻是自動(dòng)編程。
（3）通訊方式輸入存儲(chǔ)器，從自動(dòng)編程機(jī)上、計(jì)算機(jī)上或網(wǎng)絡(luò)上，將編制好的數(shù)控加工程序通過通信接口直接輸入數(shù)控裝置的存儲(chǔ)器。
2. 數(shù)控裝置，數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心部件，由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括通用I/O接口、CPU、存儲(chǔ)器、可編程序控制器（Programmable Logic Controller,PLC）及數(shù)字通信接口等。采用單微處理器的數(shù)控裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。軟件包括管理軟件和控制軟件。管理軟件用來管理零件程序的輸入、輸出，顯示零件程序、刀具位置、系統(tǒng)參數(shù)及報(bào)警，診斷數(shù)控裝置是否正常并檢查故障原因?？刂栖浖t完成譯碼、插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、位置控制等。數(shù)控裝置的主要功能為讀入數(shù)值并存儲(chǔ)、對(duì)程序進(jìn)行譯碼及數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制和I/O處理，產(chǎn)生控制指令控制機(jī)床各部件協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，按確定的順序和設(shè)定的條件完成零件加工程序。
輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床的機(jī)械與液壓部件之間的各種開關(guān)執(zhí)行電器的控制裝置。主要實(shí)現(xiàn)各種輔助功能控制，如機(jī)床的起停、換刀、冷卻液開關(guān)等控制，目前多由數(shù)控裝置內(nèi)置的可編程序控制器來實(shí)現(xiàn)。
3.伺服驅(qū)動(dòng)裝置，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及位置、速度檢測(cè)反饋裝置三個(gè)部分組成。伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)裝置則是伺服電機(jī)的動(dòng)力源。來自數(shù)控裝置的控制指令脈沖經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，進(jìn)而通過機(jī)械傳動(dòng)裝置帶動(dòng)機(jī)床主軸、工作臺(tái)或刀架等機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，其輸入為電信號(hào)，輸出為機(jī)床的位移、速度和力。
4.機(jī)床本體，機(jī)床本體是實(shí)現(xiàn)切削加工的主體，對(duì)加工過程起支撐作用。數(shù)控機(jī)床的精度、精度保持性、剛性、抗振性、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、熱穩(wěn)定性等主要性能均取決于機(jī)床本體。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件包括：主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件如工作臺(tái)、拖板及其傳動(dòng)部件以及床身、立柱等支承部件，此外還有冷卻、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對(duì)于加工中心類的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫(kù)、刀具交換裝置等部件。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件的組成與普通機(jī)床相似，但傳動(dòng)結(jié)構(gòu)要求更為簡(jiǎn)單，在精度、剛度、抗振性等方面要求更高，而且其傳動(dòng)和變速系統(tǒng)要便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
2.2數(shù)控機(jī)床的工作原理
在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，首先根據(jù)零件圖樣的要求，結(jié)合所采用的數(shù)控機(jī)床的功能、性能和特點(diǎn)，確定合理的加工工藝，編程相應(yīng)的數(shù)控加工程序，并采用適當(dāng)?shù)姆绞綄⒊绦蜉斎氲綌?shù)控裝置。在數(shù)控機(jī)床加工過程中，數(shù)控裝置對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行編譯、運(yùn)算和處理，輸出坐標(biāo)控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，順序邏輯控制指令到PLC，通過伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和PLC驅(qū)動(dòng)機(jī)床刀架或工作臺(tái)按照數(shù)控加工程序規(guī)定的軌跡和工藝參數(shù)運(yùn)動(dòng)，從而加工出符合圖紙要求的零件。
2.3數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)
數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床的優(yōu)勢(shì)在于：1.加工效率，節(jié)省加工時(shí)間。2.工作強(qiáng)度，工人編完程序后，加工首件合格后就可以去喝茶了。3.減少?gòu)U品數(shù)，只要首件合格后，在加工的零件一般都會(huì)合格。4.安全性高，工人距離加工設(shè)備距離越遠(yuǎn)，出現(xiàn)事故的概率就越低。等等。最大的好處就是計(jì)算機(jī)控制,只需要做一些前期 準(zhǔn)備,把程序員編制好的程序運(yùn)行,就可自動(dòng)加工成所需要的零件.而普通機(jī)床需要大量人工來做.
數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)
1. 能完成復(fù)雜型面的零件加工.
2. 可以提高零件的加工精度,穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量,由于數(shù)控機(jī)床是按照預(yù)定的
程序自動(dòng)加工的,加工過程不需要人工干預(yù),而且加工精度還可以利用軟件來進(jìn)行校正和修補(bǔ),因此可以獲得比機(jī)床本身精度還要高的加工精度和重復(fù) 精度.
3.可以提高生產(chǎn)率.一般一臺(tái)數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床可提高效率2-3倍.
4.可以一機(jī)多用,有的數(shù)控機(jī)床一次裝夾可完成多部位的加工,可以替代5-7
臺(tái)普通機(jī)床,并節(jié)省了廠房面積.
5.幾乎不需要專用的工裝卡具，減少了在制品,從而加速了流動(dòng)資金的周轉(zhuǎn),
提高了經(jīng)濟(jì)效益.
6. 大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度.
綜上所述,數(shù)控機(jī)床主要適合:
1.單件.中小批量生產(chǎn);
2.形狀比較復(fù)雜.精度要求較高的零件加工;
3.產(chǎn)品更新頻繁,生產(chǎn)周期要求短的加工.
4.新產(chǎn)品的試制..回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)降稁?kù)等.現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家使用的刀庫(kù)以
臺(tái)灣生產(chǎn)的為主.刀庫(kù)的刀具數(shù)量不等,一般有12，16，20，24，30，40，60，100，120等刀具數(shù)量的刀庫(kù).
5.輔助裝置:加工中心的輔助裝置有自動(dòng)排屑器.恒溫油箱,液壓裝置.潤(rùn)滑系統(tǒng).刀具測(cè)量系統(tǒng),冷卻裝置.冷卻裝置.防護(hù)系統(tǒng)等組成.加工中心的輔助裝置是根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)廠家的不同而又不同的配置情況,一般情況下潤(rùn)滑系統(tǒng),冷卻裝置和防護(hù)系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)附件.其他的為選擇附件,
第三章 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1概述
主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具由一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同的尺寸，不同的要求的工作，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停，變速，換向和制動(dòng)等。
數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樽兯僮兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級(jí)或三級(jí)齒輪變速系統(tǒng)，用于擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速的范圍。
3.1.1主傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求
一、數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的特點(diǎn)
數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床比較具有以下特點(diǎn)
1， 轉(zhuǎn)速高，功率大，它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。
2， 主軸轉(zhuǎn)速變換可靠，并能自動(dòng)無級(jí)變速，使切削工作始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行。
3， 為實(shí)現(xiàn)刀具的快速或自動(dòng)裝卸，主軸上還必須設(shè)計(jì)有刀具自動(dòng)裝卸，主軸定向停止和主軸孔內(nèi)的切屑清除裝置。
二、對(duì)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的要求
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動(dòng)要求外，還有如下要求。
1.具有更大的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速
2.具有較高的精度與剛度
3.良好的抗振性，熱穩(wěn)定性
3.1.2數(shù)控機(jī)床主軸的變速方式
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)一般分為有分級(jí)（有級(jí)）變速傳動(dòng)和無級(jí)變速傳動(dòng)兩種形式。分級(jí)（有級(jí)）變速傳動(dòng)主要用于普通銑床或普通銑床數(shù)控化改造。無級(jí)變速傳動(dòng)主要用于數(shù)控車床，故本次數(shù)控銑床床主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式為無級(jí)變速傳動(dòng)。
數(shù)控銑床的主傳動(dòng)采用交、直流主軸調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，并可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。故本次數(shù)控銑床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)有以下A、B、C三個(gè)方案，如圖3-1所示。
圖3-1數(shù)控銑床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)比較圖
從圖中可以看出：A方案中主軸電動(dòng)機(jī)與主軸通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接，由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)。這種方案可簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，有效提高主軸的剛度，但主軸的功率及無級(jí)變速直接決定于主軸電機(jī)的性能，故其調(diào)速范圍有一定的局限。B方案主軸電機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)定比傳動(dòng)給主軸，采用定比傳動(dòng)擴(kuò)大了直接驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍，在一定程度上滿足了主軸功率與轉(zhuǎn)矩的要求。但其變速范圍仍然與電動(dòng)機(jī)的無級(jí)變速范圍相同。C方案采用主軸電機(jī)帶動(dòng)齒輪對(duì)變速齒輪來驅(qū)動(dòng)主軸。在此方案中，通過電機(jī)的無級(jí)變速，配合變速齒輪的變速可確保主軸所需要的功率及轉(zhuǎn)矩要求。目前，電機(jī)本身的調(diào)速范圍已達(dá)1：100—1：1000，所以變速齒輪的對(duì)數(shù)不會(huì)很多，其結(jié)構(gòu)也就不會(huì)很復(fù)雜。
通過對(duì)以上A、B、C三個(gè)方案的分析，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的變速范圍是40—4000r/min，調(diào)速范圍比較大。如選A、B兩種方案的話，由上面的分析可知，勢(shì)必會(huì)造成主軸箱相對(duì)簡(jiǎn)單，而主軸電機(jī)的功率將會(huì)選的很大才能滿足各種不同加工的需要。這樣不僅使電機(jī)的功率得不到充分利用，同時(shí)從結(jié)構(gòu)上來看很不協(xié)調(diào)。故本次主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案選方案C
3.2主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)
主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)有動(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。動(dòng)力參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)的變速范圍。
(1) 主傳動(dòng)功率P
由設(shè)計(jì)任務(wù)書可知：主切削功率為=4.5KW。查文獻(xiàn)[1] 頁可得主傳動(dòng)功率P的計(jì)算公式為
==5.625
式中P————主傳動(dòng)的功率
————切削功率
————主傳動(dòng)鏈的總效率，這里取0.8
（2）計(jì)算變速范圍
由設(shè)計(jì)任務(wù)書可知主軸的最低轉(zhuǎn)速為=40 r/min,最高轉(zhuǎn)速為=4000r/min。查文獻(xiàn)[1] 頁可得變速范圍的計(jì)算公式為
===100 （r/min）
3.2.2 調(diào)速電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩特性
銑床主軸轉(zhuǎn)速不僅決定于切削速度而且還決定于工件的直徑，較低轉(zhuǎn)速多用于加工大直徑工件，這時(shí)要求的輸出扭矩增大了。因此車床主運(yùn)動(dòng)鏈的變速機(jī)構(gòu)，輸出扭矩與轉(zhuǎn)速成反比，基本上是恒功率的。車床主軸最低的幾級(jí)轉(zhuǎn)速常用于光整車削，車削大直徑螺紋、絞大孔、精鏜等，并不需要傳遞全部功率。機(jī)床所傳遞的功率或扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，稱為機(jī)床主軸的功率或扭矩特性。如圖3-2所示。主軸從最高轉(zhuǎn)速到某一轉(zhuǎn)速之間，主軸應(yīng)能傳遞運(yùn)動(dòng)源的全部功率。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)主軸的最大輸出扭矩應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的降低而加大。從以下直到最低轉(zhuǎn)速，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的各級(jí)轉(zhuǎn)速并不需要傳遞全部功率。主軸的輸出扭矩不再隨轉(zhuǎn)速的降低而增大，而是保持時(shí)的扭矩不變。所能傳遞的功率，則隨轉(zhuǎn)速的降低而降低。主軸能傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速。機(jī)床主軸在整個(gè)變速范圍內(nèi)，以計(jì)算轉(zhuǎn)速為界，分為兩個(gè)區(qū)域：計(jì)算轉(zhuǎn)速及以上直到為恒功率區(qū)域I；計(jì)算轉(zhuǎn)速以下直到為恒扭矩區(qū)域II。
通過上面的分析，銑床主軸，從計(jì)算轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率區(qū)，從計(jì)算轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速為恒扭矩區(qū)。恒功率變速范圍比恒扭矩范圍大2-4倍。直流并磁電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速，是采用調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流（簡(jiǎn)稱調(diào)磁）的辦法來調(diào)速的，屬恒功率調(diào)速；從額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速，是利用調(diào)節(jié)電樞電壓（簡(jiǎn)稱調(diào)壓）的辦法來調(diào)速的，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。
3.2.3 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和主軸功率特性的匹配設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)時(shí)，必須要考慮電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問題。
在設(shè)計(jì)分級(jí)變速箱時(shí)，考慮機(jī)床機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性要求等因素，變速箱公比的選取有下列三種情況。
1、 取變速箱的公比等于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即=。功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。
2、 取變速箱的公比小于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即<。這時(shí)在主傳動(dòng)系統(tǒng)功率特性圖上有小段重合，變速箱的變速級(jí)數(shù)將增多，使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
3、 取變速箱的公比大于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即>。這時(shí)變速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化了，但存在恒功率變速段不連續(xù)，中間有恒轉(zhuǎn)矩過渡，這樣電機(jī)的利用率得不到充分的利用。
故本設(shè)計(jì)取第一種情況=計(jì)算。
1）中型銑床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速為
159.24 r/min
式中————主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
————主軸的最小轉(zhuǎn)速
————主軸的變速范圍
2）確定主軸要求的恒功率調(diào)速范圍
==25.119325.12
式中————主軸要求的恒功率調(diào)速范圍
————主軸的最大轉(zhuǎn)速
————主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
3)確定電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍
本設(shè)計(jì)初定采用交流調(diào)頻主軸電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，最高轉(zhuǎn)速4500r/min計(jì)算。
==3
式中————電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍
————電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速
————電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速
由于主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍，所以在電動(dòng)機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱，以擴(kuò)大其恒功率調(diào)速范圍，滿足低速大功率切削時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出功率要求。
4）確定主軸變速箱的變速級(jí)數(shù)Z
如取變速箱的公比
則由于無級(jí)變速時(shí)
故變速箱的變速級(jí)數(shù)
2.93為變速箱的變速級(jí)數(shù)，應(yīng)取整數(shù)，故選變速箱的變速級(jí)數(shù)為Z=3。這時(shí)由上面知，主運(yùn)動(dòng)的功率為5.63，電機(jī)的功率應(yīng)取7.5，才能滿足要求。所以可選北京數(shù)控設(shè)備廠的BESK-8型交流主軸電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，最高轉(zhuǎn)速4500r/min，連續(xù)額定輸出為7.5。
3.3主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)副設(shè)計(jì)
一、轉(zhuǎn)速圖的確定
本次主傳動(dòng)設(shè)計(jì)的總體方案如下圖3-3所示
圖3-3 數(shù)控銑床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)的總體方案
傳動(dòng)副的極限傳動(dòng)比和傳動(dòng)組的極限變速范圍。從圖3-3可以看出，從電機(jī)軸到I軸為齒輪副降速傳動(dòng)，取傳動(dòng)比 ，則當(dāng)電機(jī)在最高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速為
（3-1）
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速。
電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速為
（3-2）
式中————電機(jī)運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)電機(jī)在高速4500 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸應(yīng)獲得最大轉(zhuǎn)速4000r/min,由（3-1）式可知，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，I軸經(jīng)齒輪降速后速度為2025r/min，要使主軸達(dá)到4000r/min，I軸到主軸II之間必為升速傳動(dòng)，如圖3-3左邊的一對(duì)齒輪嚙合；因機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，為防止振動(dòng)和噪聲，取I軸到主軸II的傳動(dòng)比。則此時(shí)主軸II的轉(zhuǎn)速為
（3-3）
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1500 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)電機(jī)-I軸-主軸，主軸的轉(zhuǎn)速為
（3-4）
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1500 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸應(yīng)獲得計(jì)算轉(zhuǎn)速=159.24r/min,由（3-2）式可知，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，I軸經(jīng)第一對(duì)齒輪降速后速度為675r/min，要使主軸達(dá)到=159.24r/min,I軸到主軸II之間必為降速傳動(dòng)，如圖3-3右邊的一對(duì)齒輪嚙合；因機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，為了防止被動(dòng)齒輪的直徑過大而使徑向尺寸太大，取I軸到主軸II的傳動(dòng)比。則此時(shí)主軸II的轉(zhuǎn)速為
（3-5）
式中————電機(jī)運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速時(shí)，II軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
同用這對(duì)齒輪嚙合，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為高速4500 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸II的轉(zhuǎn)速為
（3-6）
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸經(jīng)的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
現(xiàn)在已經(jīng)確定了電機(jī)到I軸的傳動(dòng)比，I軸到主軸II軸的兩組傳動(dòng)比為、。經(jīng)電機(jī)高速-I軸-主軸II軸（），主軸可獲得4000 r/min；經(jīng)電機(jī)額定速-I軸-主軸II軸（），主軸可獲得145r/min的轉(zhuǎn)速。滿足了主軸所需要的計(jì)算轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速。I軸-主軸II的傳動(dòng)副為Z=3，現(xiàn)從已知的經(jīng)電機(jī)高速-I軸-主軸II軸（、）得到的恒功率范圍4000r/min-445r/min轉(zhuǎn)速中，選一個(gè)主軸中間轉(zhuǎn)速1350r/min來確定I軸-主軸II的另外一對(duì)齒輪副。
當(dāng)電機(jī)高速4500r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，I軸轉(zhuǎn)速=2025r/min，主軸轉(zhuǎn)速為=1345 r/min，則此時(shí)I軸-主軸II的傳動(dòng)比為
==
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸經(jīng)的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
根據(jù)以上的分析及計(jì)算，取公比=1.41，現(xiàn)將各軸間傳動(dòng)副的傳動(dòng)比按如下方式寫出：
電機(jī)軸與I軸之間
I軸與 II軸之間傳動(dòng)組
圖3-4為圖3-3傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速圖。圖中用距離相等的一組豎線代表各軸，軸號(hào)寫在上面。從左至右依次標(biāo)注電動(dòng)機(jī)軸、I軸、II軸，與傳動(dòng)系統(tǒng)圖（3-3）上各軸對(duì)應(yīng)。各軸之間傳動(dòng)比的大小用轉(zhuǎn)速連線的傾斜方向和傾斜程度表示。電機(jī)軸與軸I之間是降速傳動(dòng)，連線向下傾斜2格，軸I與軸II之間有3對(duì)傳動(dòng)副，連線分別為升2格、降1.2格和降4.7格。連線中的平行線代表同一傳動(dòng)比。
二、各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定
主軸II軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速由前面的計(jì)算已經(jīng)確定為159.24 r/min，軸I的計(jì)算轉(zhuǎn)速可從主軸1599.24r/min按的傳動(dòng)副找上去，應(yīng)為724r/min。各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速如下：
表3－1 軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速表
軸序號(hào)
I軸
II軸
計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）
724
159.24
3.4 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算
一、確定齒輪的齒數(shù)
如上圖3-3，計(jì)算Z1和Z2這對(duì)齒輪。
1、電機(jī)軸上最小齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）選擇材料、精度及參數(shù)
a、選擇小齒輪的材料為40Cr表面淬火平均表面硬度為HRC50，選擇大齒輪的材料為45鋼表面淬火平均表面硬度為HRC45。
b、初選小齒輪的齒數(shù)，則大齒輪齒數(shù)
c、齒數(shù)比
d、小齒輪轉(zhuǎn)矩T
式中T———小齒輪轉(zhuǎn)矩單位
P————電機(jī)傳遞的功率單位
———小齒輪的轉(zhuǎn)速單位r/mm
e、選擇齒寬系數(shù)和傳動(dòng)精度等級(jí) 參照文獻(xiàn)[2]頁表18-12，取齒寬系數(shù)，初估小齒輪直徑，則齒寬
齒輪圓周速度
參照文獻(xiàn)[2]頁表18-3，選擇精度等級(jí)為8級(jí)。
（2）確定許用彎曲應(yīng)力
a、總工作時(shí)間 設(shè)機(jī)床工作預(yù)期壽命為10年（每年按250天計(jì)算單班工作），則總工作時(shí)間為
b、壽命系數(shù) 由文獻(xiàn)[4]頁式
式中N———應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
————齒輪每轉(zhuǎn)一周同一齒面的嚙合次數(shù)
———齒輪轉(zhuǎn)速，單位r/mm
————總工作時(shí)間，單位
由文獻(xiàn)[2]頁圖18-25，取彎曲壽命系數(shù)
c、彎曲疲勞極限由文獻(xiàn)[2]頁圖18-8 a取極限應(yīng)力
=350 MPa =350Mpa
d、尺寸系數(shù) 估計(jì)模數(shù),由文獻(xiàn)[2]頁圖18-26取尺系數(shù)
e、安全因數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁表18-11，取安全系數(shù)
f、計(jì)算許用彎曲應(yīng)力 由文獻(xiàn)[2]頁式18-21得
（3）確定許用接觸應(yīng)力
a、壽命系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-21得
b、接觸疲勞極限 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-4 a得
c、安全因數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁表18-11得
d、許用接觸應(yīng)力 由文獻(xiàn)[2]頁式18-16及得
（4）確定重合度系數(shù)、由文獻(xiàn)[2]頁式18-14計(jì)算重合度
由文獻(xiàn)[2]頁式18-13及頁式18-20可得
（5）確定載荷系數(shù)
a、使用系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁表18-7取
b、動(dòng)載荷系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-14取
c、齒向載荷分布系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-16取
根據(jù)條件
查文獻(xiàn)[2]頁表18-8取
由文獻(xiàn)[2]頁式18-8、18-9
（6）齒根抗彎疲勞強(qiáng)度計(jì)算
a、齒形系數(shù)、 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-23取
b、應(yīng)力修正系數(shù)、 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-23取
c、由齒根抗彎疲勞強(qiáng)度條件求模數(shù)，由于
由文獻(xiàn)[2]頁式18-19，為滿足齒根抗彎曲疲勞強(qiáng)度條件，則需使模數(shù)
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)
（7）確定齒輪的主要參數(shù)
a、計(jì)算中心距
由文獻(xiàn)[2]頁表18-1取中心距a=125
b、齒輪分度圓直徑
c、齒輪寬度
小齒輪齒寬
大齒輪齒寬
（8）齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
a、彈性系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁表18-9，取
b、節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-20，取
c、校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 由文獻(xiàn)[2]頁式18-11得，
（9）齒面靜強(qiáng)度驗(yàn)算
a、確定許用接觸應(yīng)力 由文獻(xiàn)[2]頁表18-11，取靜強(qiáng)度安全因數(shù)；由文獻(xiàn)[2] 頁表18-21，取壽命系數(shù)；根據(jù)文獻(xiàn)[2] 頁式18-22得許用接觸應(yīng)力
b、校核齒面靜強(qiáng)度 假設(shè)過載條件為，由文獻(xiàn)[2] 頁式18-22得齒面最大接觸應(yīng)力
由以上計(jì)算可知，齒面靜強(qiáng)度足夠
二.電機(jī)軸之間傳動(dòng)組主要參數(shù)如下表所示
表3－2 傳動(dòng)組主要參數(shù)表
傳動(dòng)組名稱
小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
模數(shù)
小齒輪節(jié)徑
大齒輪節(jié)徑
小齒輪齒寬
大齒輪齒寬
.2
35
77
2
70
154
28
24
三．確定主軸上三聯(lián)滑移齒輪各齒輪齒數(shù)及其他參數(shù)
根據(jù)上面對(duì)齒輪的計(jì)算，我們由相同的方法，確定確定主軸上三聯(lián)滑移齒輪各齒輪齒數(shù)：I軸到II軸之間傳動(dòng)組主要參數(shù)如下表所示
表3－3 I軸到II軸之間傳動(dòng)組主要參數(shù)表
傳動(dòng)組名稱
小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
模數(shù)
小齒輪節(jié)徑
大齒輪節(jié)徑
小齒輪齒寬
大齒輪齒寬
42
82
3
126
246
38
30
49
75
3
147
225
30
25
22
102
3
66
306
60
50
齒輪在軸上的齒輪齒數(shù)關(guān)系圖如下：
圖3-5 齒輪齒數(shù)關(guān)系圖
四，確定齒輪在軸上的軸向尺寸
為了使機(jī)床主軸箱軸向尺寸及軸頸的徑向尺寸不至于太大，這里選擇三聯(lián)滑移齒輪在軸上軸上位置排列方式為窄式排列。其排列方式及軸向尺寸如下圖：
圖 3-6齒輪軸向尺寸圖
3.5主軸組件設(shè)計(jì)
主軸在結(jié)構(gòu)上要處理好卡盤或刀具的裝卡、主軸的卸荷、主軸軸承的定位和間隙調(diào)整、主軸組件的潤(rùn)滑和密封等一系列問題。
一 對(duì)主軸組件的性能要求
（1）旋轉(zhuǎn)精度：主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無卸荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心斷錐、錐孔）的徑向和軸向的跳動(dòng)，選擇精度取決與各個(gè)主要零件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配、和調(diào)整精度。工作轉(zhuǎn)速下的選擇精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)
速、軸承的性能、潤(rùn)滑劑和主軸組件的平衡。
（2）度：主要反映機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸形狀，滾動(dòng)主軸的型號(hào)，數(shù)量、和配置形式，前后支撐的跨距和主軸前懸伸，傳動(dòng)件的布置方式等。
（3）溫升：溫升將引起熱變形，使主軸伸長(zhǎng)，軸承間隙變化，降低加工精度；溫升也會(huì)降低潤(rùn)滑劑的黏度，惡化潤(rùn)滑條件。
（4）可靠性：數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化機(jī)床，必須保證工作可靠性。
（5）精度保持性：對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長(zhǎng)期保持精度。
二 主軸
1,確定主軸的直徑
車床因裝配的需要，主軸直徑常常是自前逐步減小的。前軸頸D1大于后軸頸D2，一般D2=（0.7-0.9）D1。幾種常見的車床鋼質(zhì)主軸前頸可參照下表選取。
表3－4 主軸前頸直徑表
主電機(jī)功率（kw）
5.5
7.5
11
15
臥式車床（mm）
60-90
75-120
90-120
100-160
本設(shè)計(jì)電機(jī)功率為7.5kw，故選取D1=（75-110）mm，在此選D1=100mm，則：
D2=（0.7-0.9）D1
= (0.7-0.9)X100
=（70-90）mm
取D2=70mm。
2,確定主軸的跨距
主軸的跨距是指前后支承間的距離。由前面確定的三聯(lián)齒輪及主軸上齒輪的布置，現(xiàn)在確定主軸的垮距為。
3,主軸的剛度計(jì)算
由前面的設(shè)計(jì)可知道，主軸的最小軸徑為，現(xiàn)在我們驗(yàn)算它的剛度。由扭轉(zhuǎn)剛度軸徑計(jì)算公式
式中———軸端直徑，單位
————軸所傳遞的扭矩，單位； ;
———軸所傳遞的功率，單位；
———軸的工作速度，單位r/min；
———許用扭轉(zhuǎn)角, 取=0.25度/米；
———空心軸的內(nèi)徑=56mm與外徑=70mm之比；
;
將數(shù)據(jù)代入扭轉(zhuǎn)剛度公式得
從上面可以看出，由扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算出來的軸端直徑為，而我們所設(shè)計(jì)的軸端最小直徑為，其他各段直徑是按此直徑加粗的，所以，軸的剛度合格。由材料力學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)的知識(shí)可知，軸的剛度足夠的話，其強(qiáng)度必定足夠。 所以，所設(shè)計(jì)的主軸剛度強(qiáng)度合格。
4,主軸的材料和結(jié)構(gòu)尺寸
根據(jù)主軸部件的工作條件選定此次主軸的材料為45鋼。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求選擇主軸端部錐孔莫氏錐度為莫氏6號(hào)。(莫氏錐度是一個(gè)錐度的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，用于靜配合以精確定位。由于錐度很小，利用摩擦力的原理，可以傳遞一定的扭距，又因?yàn)槭清F度配合，所以可以方便的拆卸。在同一錐度的一定范圍內(nèi),工件可以自由的拆裝,同時(shí)在工作時(shí)又不會(huì)影響到使用效果,比如鉆孔的錐柄鉆，如果使用中需要拆卸鉆頭磨削，拆卸后重新裝上不會(huì)影響鉆頭的中心位置.莫氏錐度，有0，1，2，3，4，5，6共七個(gè)號(hào)，錐度值有一定的變化，每一型號(hào)公稱直徑大小分別為9.045，12.065，17.78，23.825，31.267，44.399，63.348。主要用于各種刀具（如鉆頭、銑刀)各種刀桿及機(jī)床主軸孔錐度。）主軸調(diào)質(zhì)到224-250HBS，主軸端部錐孔、定心軸頸部分淬硬至50-55HRC。如下圖3-7。
圖3-7 主軸結(jié)構(gòu)尺寸圖
三 主軸軸承
本設(shè)計(jì)采用剛度速度型，前軸承采用三聯(lián)角接觸球軸承（7020 C），后軸承采用雙列短圓柱滾子軸承（NN3014k）。主軸的動(dòng)力從后端傳入，后軸承要承受較大的傳動(dòng)力，所以采用雙列短圓柱滾子軸承。前軸承的配置特點(diǎn)是：外側(cè)的兩個(gè)角接觸軸承大口朝向主軸工作端，承受主要方向的軸向力，第三個(gè)角接觸軸承則通過軸套與外側(cè)的兩個(gè)軸承背靠背配置，使三聯(lián)角接觸球軸承有一個(gè)較大支承跨度，以提高承受顛覆力矩的能力。主要用于臥式銑床主軸，要求徑向剛度好、并有較高的轉(zhuǎn)速。
四 主軸組件的潤(rùn)滑與密封
潤(rùn)滑的作用是阻止設(shè)備潤(rùn)滑劑的泄露和外界污染物的進(jìn)入。本設(shè)計(jì)主軸端用氈圈密封（如圖3-8）和迷宮密封（如圖3-9）。本次設(shè)計(jì)支承采用的是滾子軸承和角接觸球軸承，采用油脂潤(rùn)滑。這樣操作起來較方便，且不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油現(xiàn)象。
圖3－8 后端主軸氈圈密封
3－8 前端主軸迷宮密封
參考文獻(xiàn)
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［9］ 卜炎主編, 《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)》：機(jī)械工業(yè)出版社，2006
致 謝
首先，我要感謝杜君文老師。在他的精心指導(dǎo)和大力支持下終于完成了數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我萬分的感謝他給我的寶貴的意見和鼓勵(lì)。
同時(shí)，我深深謝謝邢金嶺院長(zhǎng)、宋力宏老師、房金卓老師、杜君文老師、鄧廣敏老師等等，在他們的教育和課堂上是我受益匪淺，得到了不少對(duì)我論文有幫助的知識(shí)和想法，另外，還有對(duì)我無言幫助的同學(xué)和朋友們，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！。
我也非常感謝我的家庭。在學(xué)習(xí)和生活上，他們一直都很支持我，使我能全身心的投入到學(xué)習(xí)中。
最后，很感謝閱讀這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師。感謝你們抽出寶貴的時(shí)間來閱讀這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)。
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