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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) Φ550mm的數(shù)控車床總體設(shè)計(jì) 及橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 年 月 日 摘 要 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是未來工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)。數(shù)控化設(shè)計(jì)范圍大、潛力大、投資少、見效快，促進(jìn)制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。因此，數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)車床的研究具有重要意義。 本文在敘述了數(shù)控技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過機(jī)床設(shè)計(jì)的總體思想，提出了數(shù)控化設(shè)計(jì)的技術(shù)方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案;提高了傳動(dòng)的精度，重新設(shè)計(jì)機(jī)床的控制邏輯，通過對(duì)伺服系統(tǒng)的分析，完成了機(jī)床各主要參數(shù)的優(yōu)化和匹配。 關(guān)鍵詞：Φ550mm，數(shù)控車床，機(jī)床，設(shè)計(jì)，數(shù)控系統(tǒng)。 Abstract Modern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of. This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching. Key words: Φ 550mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system. 目 錄 摘 要 II Abstract III 第1章 緒論 1 1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn) 1 1.2數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 2 1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 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 7 2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 7 2.1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 7 2.1.2控制方式的選擇 7 2.2 總體方案確定 8 2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇 8 2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 8 2.2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 8 第3章 確定切削用量及選擇刀具 9 3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 9 3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 9 3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 10 3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) 10 3.3 確定切削用量 10 3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 11 3.3.2確定進(jìn)給速度 11 3.3.3 確定背吃刀量 11 第4章 Φ550mm的主傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 12 4.1 主運(yùn)動(dòng)部分計(jì)算 12 4.1.1 參數(shù)的確定 12 4.1.2 傳動(dòng)設(shè)計(jì) 14 4.1.3轉(zhuǎn)速圖的擬定 16 4.1.4 帶輪傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 19 4.1.5 齒輪傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 23 4.1.6電磁離合器的選擇 28 4.1.7 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 29 第5章 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 36 5.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 36 5.2切削力的確定 36 5.3計(jì)算進(jìn)給牽引力 37 5.4計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C 37 5.5傳動(dòng)效率計(jì)算 38 5.6剛度計(jì)算 39 5.7進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 39 5.7.1確定傳動(dòng)比 39 5.7.2齒輪參數(shù)的計(jì)算 40 5.8步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用 40 5.8.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 40 5.8.2電機(jī)力矩的計(jì)算 41 5.9步進(jìn)電機(jī)的選擇 43 第6章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 44 6.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要 44 6.1.1 硬件電路設(shè)計(jì) 44 6.1.2 軟件電路設(shè)計(jì) 45 6.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 46 6.2.1 8031單片機(jī)的簡介 46 6.2.2 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 47 6.2.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 49 6.2.4 I/O口的擴(kuò)展 50 6.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 51 6.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 52 6.2.7 光電隔離電路 52 6.2.8 功率放大器 52 6.2.9 其他輔助電路 53 結(jié) 論 55 參考文獻(xiàn): 56 致 謝 57 - 58 - 第1章 緒論 1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動(dòng)化的要求。在機(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機(jī)床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機(jī)車車輛、機(jī)床、建筑、通用機(jī)械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。 綜上所述，數(shù)控機(jī)床在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)等方面，起著非常重要的作用。 數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動(dòng)加工機(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有如下一些優(yōu)點(diǎn)： 易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多機(jī)看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少所需工人數(shù)量等。 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、支承部件、分度臺(tái)等部分組成。傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是把運(yùn)動(dòng)和力由動(dòng)力源傳遞給機(jī)床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動(dòng)態(tài)特性。傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動(dòng)系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而影響機(jī)床的工作性能。隨著機(jī)床切削速度的提高和自動(dòng)化方向的發(fā)展，傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單，但對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越高，從而使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，這樣，各種設(shè)計(jì)理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。 數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動(dòng)化機(jī)床，其加工過程中的動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動(dòng)控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機(jī)床上加工零件那樣，對(duì)機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人為補(bǔ)償，所以數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面均要求比普通機(jī)床設(shè)計(jì)得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動(dòng)化程度的要求，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已形成自己的獨(dú)立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)有許多特點(diǎn)。 1.2數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變,對(duì)機(jī)械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動(dòng)化程度,進(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”實(shí)現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對(duì)世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實(shí)制造和快速成形制造技術(shù)。 工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對(duì)比之下，我國目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動(dòng)化程度基本上還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重。 數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向六個(gè)方面：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國和瑞士的機(jī)床精度最高，綜合起來，德國的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國的機(jī)床業(yè)一般。中國大陸、韓國。臺(tái)灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應(yīng)該能進(jìn)世界前4名。 數(shù)控系統(tǒng) 由顯示器、控制器伺服、伺服電機(jī)、和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。目前世界最大的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西班牙凡高等。國內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進(jìn)口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當(dāng)不錯(cuò)，但差就差在電器硬件上，故障率比較高。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機(jī)床業(yè)進(jìn)軍，但機(jī)床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機(jī)床廠的簡易數(shù)控系統(tǒng)也不錯(cuò)。 我們國家機(jī)床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。 機(jī)床精度 1.機(jī)械加工機(jī)床精度分靜精度、加工精度（包括尺寸精度和幾何精度）、定位精度、重復(fù)定位精度等5種。 2.機(jī)床精度體系：目前我們國家內(nèi)承認(rèn)的大致是四種體系：德國VDI標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)、國標(biāo)GB，國標(biāo)和國際標(biāo)準(zhǔn)差不多。3.看一臺(tái)機(jī)床水平的高低，要看它的重復(fù)定位精度，一臺(tái)機(jī)床的重復(fù)定位精度如果能達(dá)到0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計(jì)法),就是一臺(tái)高精度機(jī)床，在0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計(jì)法)以下，就是超高精度機(jī)床，高精度的機(jī)床，要有最好的軸承、絲杠。4.加工出高精度零件，不只要求機(jī)床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。 1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 目前世界著名機(jī)床廠商在我國的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機(jī)床制造商馬扎克（MAZAK）在寧夏銀川投資建了名為“寧夏小巨人機(jī)床公司”的機(jī)床公司，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心和車銑復(fù)合中心。機(jī)床質(zhì)量不錯(cuò)，目前效益良好，年產(chǎn)600臺(tái)，目前正在建2期工程，建成后可以年產(chǎn)1200臺(tái)。 2. 2003年，德國著名的機(jī)床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產(chǎn)數(shù)控車床和立式加工中心120臺(tái)左右。 3. 2002年，日本著名的機(jī)床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機(jī)床廠合資建廠，年生產(chǎn)能力為1000臺(tái)，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心、臥式加工中心。 4.韓國大宇在山東青島投資建廠，目前生產(chǎn)能力不知。 5.臺(tái)灣省的著名機(jī)床制造商友嘉在浙江蕭山投資建廠，年生產(chǎn)能力800臺(tái)。 民營企業(yè)進(jìn)入機(jī)床行業(yè)情況 1.浙江日發(fā)公司，2000年投產(chǎn)，生產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心。年生產(chǎn)能力300臺(tái)。 2．2004年，浙江寧波著名的鑄塑機(jī)廠商海天公司投資生產(chǎn)機(jī)床，主要是從日本引進(jìn)技術(shù)，目前剛開始，起點(diǎn)比較高。 3．2002年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實(shí)老板是中國人，采用日本技術(shù)。生產(chǎn)小型儀表數(shù)控車床，水平相當(dāng)不錯(cuò)。 軍工企業(yè)技情況軍工企業(yè)得到國家撥款開始于當(dāng)年“大使館被炸”，后來臺(tái)灣阿扁上臺(tái)后，大規(guī)模技開始了，軍工企業(yè)進(jìn)入新一輪的技高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購買普通設(shè)備。尤其是近3年來，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進(jìn)數(shù)控機(jī)床。也從國內(nèi)機(jī)床廠哪里采購了大批普通數(shù)控機(jī)床，國內(nèi)機(jī)床廠商為了迎接這次大技，也引進(jìn)了不少先進(jìn)技術(shù)，爭取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能“頂”三年，我們的整體水平會(huì)上一個(gè)臺(tái)階。 其實(shí)，胡錦濤總書記掌權(quán)以來，已經(jīng)把國防事業(yè)提到了和經(jīng)濟(jì)發(fā)展一樣的高度上，他說，我們要建立和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的國防能力，相信再過10年，隨著我國國防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國家會(huì)誕生世界水平的機(jī)床制造商，也將會(huì)超越日本，成為世界第一機(jī)床生產(chǎn)大國。 1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強(qiáng)弱。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。我國的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引進(jìn)，“七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，“八五”期間的數(shù)控應(yīng)用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)用，已逐步形成了以航天數(shù)控、藍(lán)天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。 近年來，我國數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量持續(xù)增長，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國一部分普及型數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)較為成熟，價(jià)格合理，在國際市場(chǎng)上具有一定的競爭力。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有成熟商品走向市場(chǎng)。 我國在數(shù)控機(jī)床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破。目前我國已經(jīng)可以供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機(jī)床。同時(shí)，我國也已進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國和高精度精密數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國的行列。目前我國已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在8000~10000轉(zhuǎn)/分以上的數(shù)控機(jī)床。 我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)近年來大力推廣應(yīng)用CAD等信息技術(shù)，很多企業(yè)已開始和計(jì)劃實(shí)施應(yīng)用ERP、MRPⅡ和電子商務(wù)。如，濟(jì)南第二機(jī)床集團(tuán)有限公司的CAD普及率達(dá)100%，是國家級(jí)“CAD示范企業(yè)”，企業(yè)的MRPⅡ系統(tǒng)應(yīng)用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。 但是和發(fā)達(dá)國家相比，我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)在信息化技術(shù)應(yīng)用上仍然存在很多不足。 一、信息化技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，對(duì)國外技術(shù)依存度高。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來源主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)，對(duì)國外技術(shù)的依存度較高，對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復(fù)合功能、多軸聯(lián)動(dòng)等特點(diǎn)的高性能數(shù)控機(jī)床基本上還得依賴進(jìn)口。 二、產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間在10000小時(shí)以上，國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時(shí)；整機(jī)平均無故障工作時(shí)間國外達(dá)800小時(shí)以上，國內(nèi)最好只有300小時(shí)。 三、創(chuàng)新能力低，市場(chǎng)競爭力不強(qiáng)。我國生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的企業(yè)雖達(dá)百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場(chǎng)競爭能力不強(qiáng)。 隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高要求。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床信息化正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展。 高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國生產(chǎn)的第六代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度，使得高速運(yùn)算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時(shí)，新一代數(shù)控機(jī)床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。 智能化?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的智能化發(fā)展將通過對(duì)影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測(cè)、建模、提取特征、自動(dòng)感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對(duì)機(jī)床的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使機(jī)床的加工過程處于最佳狀態(tài)。 基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動(dòng)化。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD/CAM圖形交互式自動(dòng)編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計(jì)算機(jī)內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和后置處理，從而自動(dòng)生成數(shù)控機(jī)床零部件加工程序，以實(shí)現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動(dòng)編程方式，其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得，推動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展。 發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時(shí)通過自動(dòng)運(yùn)行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。 一、是高速加工技術(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)，采用當(dāng)前數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 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)速從每分鐘幾千轉(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。 二、是精密加工技術(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。 三、是技術(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)。 四、是數(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。 五、是極端制造擴(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。 第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 接到一個(gè)數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對(duì)機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 機(jī)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(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。 2.1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。 2.1.2控制方式的選擇 系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)的流程是單向的，也正是由于信號(hào)的單向流程，它對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測(cè)，所以機(jī)床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡單。 2.2 總體方案確定 2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓弧插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達(dá)到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾性強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 2.2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)總體方案框圖如下： 圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖 第3章 確定切削用量及選擇刀具 3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時(shí)，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時(shí)最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定. 選擇刀具壽命時(shí)可考慮如下幾點(diǎn)根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí) 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對(duì)于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合機(jī)床與自動(dòng)化 加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個(gè)車間的生產(chǎn)率的提高時(shí)，該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時(shí) 間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時(shí)，刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時(shí)，為保證至少完成一次走刀，避免切削時(shí)中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機(jī)床加工方法相比，數(shù)控加工對(duì)刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時(shí)要求安裝調(diào)整 方便，這樣來滿足數(shù)控機(jī)床高效率的要求。數(shù)控機(jī)床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細(xì)粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。 3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 在數(shù)控加工中，車削平面零件內(nèi)外輪廓 及車削平面常用平底立車刀，該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:一是車刀半徑RD應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度H<(1/4-1/6)RD,以保證刀具有足夠的剛度。三是用平底立車刀車削內(nèi)槽底部時(shí)，由于槽底兩次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作用的半徑Re=R-r,，即直徑為d=2Re=2(R-r)，編程時(shí)取刀具半徑為Re=0.95(Rr)。對(duì)于一些立體型面和變斜 角輪廓外形的加工，常用球形車刀、環(huán)形車刀、鼓形車刀、錐形車刀和盤車刀。 目前，數(shù)控機(jī)床上大多使用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化刀具，對(duì)可轉(zhuǎn) 位機(jī)夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標(biāo)準(zhǔn)及系列化型號(hào)對(duì)于加工中心及有自動(dòng)換刀裝置的機(jī)床，刀具的刀柄都已有系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為DSG-JZ,此外，對(duì)所選擇的刀具，在使用前都需對(duì)刀具尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量以獲得精確數(shù)據(jù)， 并由操作者將這些數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)系統(tǒng)，經(jīng)程序調(diào)用而完成加工過程，從而加工出合格的工件。 3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) 刀具究竟從什么位置開始移動(dòng)到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始，必須確定刀具在工件坐標(biāo)系下開始運(yùn)動(dòng)的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時(shí)刀具相對(duì)于工 件運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，所以稱程序起始點(diǎn)或起刀點(diǎn)。此起始點(diǎn)一般通過對(duì)刀來確定，所以，該點(diǎn)又稱對(duì)刀點(diǎn)。在編制程序時(shí)，要正確選擇對(duì)刀點(diǎn)的位置。對(duì)刀點(diǎn)設(shè)置原則 是:便于數(shù)值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查;引起的加工誤差小。對(duì)刀點(diǎn)可以設(shè)置在加工零件上，也可以設(shè)置在夾具上或機(jī)床上，為了提 高零件的加工精度，對(duì)刀點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基誰上。實(shí)際操作機(jī)床時(shí)，可通過手工對(duì)刀操作把刀具的刀位點(diǎn)放到對(duì)刀點(diǎn)上，即“刀位點(diǎn)”與“對(duì) 刀點(diǎn)”的重合。所謂“刀位點(diǎn)”是指刀具的定位基準(zhǔn)點(diǎn)，車刀的刀位點(diǎn)為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立車刀是刀具軸線與刀具底面的交點(diǎn);球頭車刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動(dòng)對(duì)刀操作，對(duì)刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對(duì)刀鏡、對(duì)刀儀、自動(dòng)對(duì)刀裝置等，以減少對(duì)刀時(shí)間，提高對(duì)刀精度。加工過程中 需要換刀時(shí)，應(yīng)規(guī)定換刀點(diǎn)。所謂“換刀點(diǎn)”是指刀架轉(zhuǎn)動(dòng)換刀時(shí)的位置，換刀點(diǎn)應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部，以換刀時(shí)不碰工件及其它部件為準(zhǔn)。 3.3 確定切削用量 數(shù)控編程時(shí)，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。對(duì)于不同的加工方法，需要 選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機(jī)床的性能，最大限 度提高生產(chǎn)率，降低成本。 3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)允許的切 削速度和工件(或刀具)直徑來選擇。其計(jì)算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/m動(dòng)，由刀具的耐用度決定;n一一主軸轉(zhuǎn)速，單 位為r/min,D—工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計(jì)算的主軸轉(zhuǎn)速n，最后要選取機(jī)床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。 3.3.2確定進(jìn)給速度 進(jìn)給速度是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的 性能限制。確定進(jìn)給速度的原則:當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時(shí)，宜選擇較低的進(jìn)給速度，一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選取;當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時(shí)，進(jìn)給速度應(yīng)選 小些，一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取;刀具空行程時(shí)，特別是遠(yuǎn)距離“回零”時(shí)，可以設(shè)定該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進(jìn)給速度。 3.3.3 確定背吃刀量 背吃刀量根據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。為了保 證加工表面質(zhì)量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,總之，切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床性能、相關(guān)的手冊(cè)并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)用類比方法確定。同時(shí)，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進(jìn)給速度三者能相互適應(yīng)，以形成最佳切削用量。 切削用量不僅是在機(jī)床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對(duì)加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和機(jī)床動(dòng)力性能(功率、扭矩)，在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。 第4章 Φ550mm的主傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 主運(yùn)動(dòng)部分計(jì)算 4.1.1 參數(shù)的確定 1) 了解車床的基本情況和特點(diǎn)---車床的規(guī)格系列和類型 1. 通用機(jī)床的規(guī)格和類型有系列型譜作為設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵照的基礎(chǔ)。因此，對(duì)這些基本知識(shí)和資料作些簡要介紹。本次設(shè)計(jì)中的車床是普通型車床，其品種，用途，性能和結(jié)構(gòu)都是普通型車床所共有的，在此就不作出詳細(xì)的解釋和說明了。 2.車床的主參數(shù)（規(guī)格尺寸）和基本參數(shù)（GB1582-79，JB/Z143-79） 最大的工件回轉(zhuǎn)直徑D是550mm；刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑D1大于或等于275mm；主軸通孔直徑d要大于或等于80mm；主軸頭號(hào)（JB2521-79）是4.5；最大工件長度L是1500mm；主軸轉(zhuǎn)速范圍是：25～1250r/min可無級(jí)調(diào)速. 2) 參數(shù)確定的步驟和方法 1. 極限切削速度umax﹑umin 根據(jù)典型的和可能的工藝選取極限切削速度要考慮：工序種類 ﹑工藝要求 刀具和工件材料等因素。允許的切速極限參考值如《機(jī)床主軸變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》。然而，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的需要選取的值如下： 取umax=300m/min； umin=8m/min。 加工條件 硬質(zhì)合金刀具粗加工鑄鐵件 30～50 硬質(zhì)合金刀具半精或精加工碳鋼工件 150～300 螺紋（絲杠等）加工鉸孔 3～8 2. 主軸的極限轉(zhuǎn)速 計(jì)算車床主軸的極限轉(zhuǎn)速時(shí)的加工直徑，按經(jīng)驗(yàn)分別?。?.1～0.2）D和（0.45～0.5）D。由于D=550mm，則主軸極限轉(zhuǎn)速應(yīng)為： nmax=r/min （2.1） =758～1517r/min ，取=1000r/m； nmin=r/min （2.2） 在中考慮車螺紋和絞孔時(shí)，其加工最大直徑應(yīng)根據(jù)實(shí)際加工情況選取0.1D和50左右。 所以 nmin==32r/min 由于轉(zhuǎn)速范圍 R= = =31.25 ； 因?yàn)榧?jí)數(shù)Z已知： Z=16級(jí) 。 現(xiàn)以Φ=1.26和Φ=1.41代入R= 得R=32和173 ，因此取Φ=1.26更為合適。 各級(jí)轉(zhuǎn)速數(shù)列可直接從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表中查出。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表給出了以Φ=1.06的從1～10000的數(shù)值，因Φ=1.26=，從表中找到nmax=1000r/min，就可以每隔4個(gè)數(shù)值取一個(gè)數(shù)，得： 1000，800，550，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，30。 3. 主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)z和公比￠ 已知 =Rn Rn=且： z= 因機(jī)床的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速往往比主軸的大多數(shù)轉(zhuǎn)速高，變速系統(tǒng)以降速傳動(dòng)居多，因此，傳動(dòng)系統(tǒng)中若按傳動(dòng)順序在前面的各軸轉(zhuǎn)速較高，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式（單位N.m） T=，當(dāng)傳遞功率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速較高的軸所傳遞的扭矩就較小，在其他條件相同時(shí)，傳動(dòng)件（如軸、齒輪）的尺寸就較小，因此，常把傳動(dòng)副數(shù)較多的變速組安排在前面的高速軸上，這樣可以節(jié)省材料，減少傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此選擇結(jié)構(gòu)式如下： 16=。 4. 主電機(jī)功率—?jiǎng)恿?shù)的確定 合理地確定電機(jī)功率N，使用的功率實(shí)際情況既能充分的發(fā)揮其使用性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機(jī)經(jīng)常輕載而降低功率因素。 目前，確定機(jī)床電機(jī)功率的常用方法很多，而本次設(shè)計(jì)中采用的是：估算法，它是一種按典型加工條件（工藝種類、加工材料、刀具、切削用量）進(jìn)行估算。根據(jù)此方法，中型車床典型重切削條件下的用量： 根據(jù)設(shè)計(jì)書表中推薦的數(shù)值： 取 P=13kw 4.1.2 傳動(dòng)設(shè)計(jì) 1) 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇 結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)對(duì)于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的傳動(dòng)不失為有用的方法，但對(duì)于分析復(fù)雜的傳動(dòng)并想由此導(dǎo)出實(shí)際的方案，就并非十分有效，可考慮到本次設(shè)計(jì)的需要可以參考一下這個(gè)方案。 確定傳動(dòng)組及各傳動(dòng)組中傳動(dòng)副的數(shù)目 級(jí)數(shù)為Z的傳動(dòng)系統(tǒng)有若干個(gè)順序的傳動(dòng)組組成，各傳動(dòng)組分別有Z1、Z2、Z3…個(gè)傳動(dòng)副。即 Z=Z1Z2Z3… 傳動(dòng)副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制以2和3的因子積為合適，即變速級(jí)數(shù)Z應(yīng)為2和3的因子: Z= 可以有幾種方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已經(jīng)選定了的和本次設(shè)計(jì)所須的正確的方案列出，具體的內(nèi)容如下： 傳動(dòng)齒輪數(shù)目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17個(gè) 軸向尺寸 19b 傳動(dòng)軸數(shù)目 8根 操縱機(jī)構(gòu) 簡單，兩個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪 根據(jù)以上分析及計(jì)算，擬定主軸箱、變速箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如下： 圖二中，第Ⅰ軸至第Ⅲ軸，其結(jié)構(gòu)式為： 4= 圖一中，第Ⅳ軸至第Ⅷ軸，機(jī)床主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)采用分離傳動(dòng)，其主要特點(diǎn)是： （1） 在滿足傳動(dòng)副極限傳動(dòng)比的條件下，可以得到較大的變速范圍。 （2） 高速由短支傳動(dòng)，有助于減少高速時(shí)機(jī)床的空運(yùn)轉(zhuǎn)功率損失。而且高速分支的尺寸可相對(duì)小些。 （3） 變速級(jí)數(shù)不像常規(guī)變速系統(tǒng)那樣受2，3因子的限制，如與部分轉(zhuǎn)速重合的方法配合，幾乎可以得到任意的變速級(jí)數(shù)，大大增加了可供選擇方案的數(shù)目。 2) 主傳動(dòng)順序的安排 16級(jí)轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)組，可以安排成：2x2x2x2，選擇傳動(dòng)組安排方式時(shí)，要考慮到機(jī)床主軸變速箱的具體結(jié)構(gòu)、裝置和性能。在Ⅰ軸上如果安裝摩擦離合器時(shí)，應(yīng)減小軸向尺寸，第一傳動(dòng)組的傳動(dòng)副不能多，以2為宜，本次設(shè)計(jì)中就是采用的2，一對(duì)是傳向正傳運(yùn)動(dòng)的，另一個(gè)是傳向反向運(yùn)動(dòng)的。 主軸對(duì)加工精度、表面粗糙度的影響大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個(gè)傳動(dòng)組的傳動(dòng)副選用2，或者用一個(gè)定比傳動(dòng)副。 3) 傳動(dòng)系統(tǒng)的擴(kuò)大順序的安排 對(duì)于16級(jí)的傳動(dòng)只有一種方案，準(zhǔn)確的說應(yīng)該不只有這一個(gè)方案，可為了使結(jié)構(gòu)和其他方面不復(fù)雜，同時(shí)為了滿足設(shè)計(jì)的需要，選擇的設(shè)計(jì)方案是： 16=2［2］x 2［1］+ 2［2］x 2[1]+ 2[2］x 2[1]x2[8] 傳動(dòng)方案的擴(kuò)大順序與傳動(dòng)順序可以一致也可以不一致，在此設(shè)計(jì)中，擴(kuò)大順序和傳動(dòng)順序就是一致的。這種擴(kuò)大順序和傳動(dòng)順序一致，稱為順序擴(kuò)大傳動(dòng)。 4) 傳動(dòng)組的變速范圍的極限植 在主傳動(dòng)系統(tǒng)的降速傳動(dòng)中，主動(dòng)齒輪的最少齒數(shù)受到限制，為了避免被動(dòng)齒輪的直徑過大，齒輪傳動(dòng)副最小傳動(dòng)比umin≥，最大傳動(dòng)比umax≤2，決定了一個(gè)傳動(dòng)組的最大變速范圍rmax=umax/nmin≤8 因此，要按照參考書中所給出的表，淘汰傳動(dòng)組變速范圍超過極限值的所有傳動(dòng)方案。 極限傳動(dòng)比及指數(shù)x，值為： 極限傳動(dòng)比指數(shù) 1.26 x：umin== 6 值；umax==2 3 （x+）值：umin==8 9 5) 最后擴(kuò)大傳動(dòng)組的選擇 正常連續(xù)的順序擴(kuò)大的傳動(dòng)（串聯(lián)式）的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)式為： Z=Z1［1］Z2［Z1］Z3［Z1Z2］ 即是： Z=16=2［2］2［1］2［2］2[8] 4.1.3轉(zhuǎn)速圖的擬定 運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定以后，主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定了電機(jī)功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機(jī)型號(hào)，確定各中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，這樣就擬定主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)圖，使主運(yùn)動(dòng)逐步具體化。 1) 主電機(jī)的選定 中型機(jī)床上，一般都采用三相交流異步電機(jī)為動(dòng)力源，可以在系列中選用。在選擇電機(jī)型號(hào)時(shí)，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行： 1) 電機(jī)功率N： 根據(jù)機(jī)床切削能力的要求確定電機(jī)功率。但電機(jī)產(chǎn)品的功率已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標(biāo)準(zhǔn)值。 N=13kw 2.電機(jī)轉(zhuǎn)速nd 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速有：3000、1500、1000、750r/min 類比同類機(jī)床，在此處選擇的是： nd=1450r/min 這個(gè)選擇是根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速nmax和Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速相近或相宜，以免采用過大的升速或過小的降速傳動(dòng)。 3.雙速和多速電機(jī)的應(yīng)用 根據(jù)本次設(shè)計(jì)機(jī)床的需要，所選用的是：雙速電機(jī) 4.電機(jī)的安裝和外形 根據(jù)電機(jī)不同的安裝和使用的需要，有四種不同的外形結(jié)構(gòu)，用的最多的有底座式和發(fā)蘭式兩種。本次設(shè)計(jì)的機(jī)床所需選用的是外行安裝尺寸之一。具體的安裝圖可由手冊(cè)查到。 5.常用電機(jī)的資料 根據(jù)常用電機(jī)所提供的資料，選用： Y132M-4 2) Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速 Ⅰ軸從電機(jī)得到運(yùn)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)化成主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速和主軸最高轉(zhuǎn)速應(yīng)相接近。顯然，從傳動(dòng)件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下恒功率工作時(shí)所受扭矩最小來考慮，Ⅰ軸轉(zhuǎn)速不宜將電機(jī)轉(zhuǎn)速下降得太低。 但如果Ⅰ軸上裝有摩擦離合器一類部件時(shí)，高速下摩擦損耗、發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，Ⅰ軸轉(zhuǎn)速不宜太高。 Ⅰ軸裝有離合器的一些機(jī)床的電機(jī)、主軸、Ⅰ軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)： 參考這些數(shù)據(jù)，可見，車床Ⅰ軸轉(zhuǎn)速一般取700～1000r/min。另外，也要注意到電機(jī)與Ⅰ軸間的傳動(dòng)方式，如用帶傳動(dòng)時(shí)，降速比不宜太大，否則Ⅰ軸上帶輪太大，和主軸尾端可能干涉。因此，本次設(shè)計(jì)選用： n1=1000r/min 3) 中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速 對(duì)于中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小與噪音、震動(dòng)等性能要求之間的矛盾。 中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速較高時(shí)（如采用先升后降的傳動(dòng)），中間轉(zhuǎn)動(dòng)軸和齒輪承受扭矩小，可以使用軸徑和齒輪模數(shù)小寫：d∝ 、 m∝，從而可以使用結(jié)構(gòu)緊湊。但是，這將引起空載功率N空和噪音Lp（一般機(jī)床容許噪音應(yīng)小于85dB）加大： N空=) KW （2.3） 式中： C---系數(shù)，兩支承滾動(dòng)或滑動(dòng)軸承C=8.5，三支承滾動(dòng)軸承C=10； da---所有中間軸軸頸的平均直徑（mm）； d主—主軸前后軸頸的平均直徑（mm）； ∑n—主軸轉(zhuǎn)速（r/min）。 （2.4） （mz）a—所有中間傳動(dòng)齒輪的分度圓直徑的平均值mm； （mz）主—主軸上齒輪的分度圓的平均值mm； q----傳到主軸所經(jīng)過的齒輪對(duì)數(shù)； β----主軸齒輪螺旋角； C1、K---系數(shù)，根據(jù)機(jī)床類型及制造水平選取。我國中型車床、銑床C1=3.5。車床K=54，銑床K=50.5。 從上訴經(jīng)驗(yàn)公式可知：主軸轉(zhuǎn)速n主和中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速和∑n對(duì)機(jī)床噪音和發(fā)熱的關(guān)系。確定中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況作相應(yīng)修正： 1.功率較大的重切削機(jī)床，一般主軸轉(zhuǎn)速較低，中間軸的轉(zhuǎn)速適當(dāng)取高一些，對(duì)減小結(jié)構(gòu)尺寸的效果較明顯。 2.高速輕載或精密車床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低一些。 3.控制齒輪圓周速度u〈8m/s（可用7級(jí)精度齒輪）。在此條件下，可適當(dāng)選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。 4) 齒輪傳動(dòng)比的限制 機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動(dòng)比： 1. 升速傳動(dòng)中，最大傳動(dòng)比umax≤2。過大，容易引起震動(dòng)和噪音。 2. 降速傳動(dòng)中，最小傳動(dòng)比umin≥1/4。過小，則使主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪的直徑相差太大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大。 4.1.4 帶輪傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 根據(jù)擬定的轉(zhuǎn)速圖上的各傳動(dòng)比，就可以確定帶輪直徑。 (一) 帶輪直徑確定的方法、步驟 1. 選擇三角型號(hào) 一般機(jī)床上的都采用三角帶。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率查圖即可確定型號(hào)（詳情見〈〈機(jī)床主軸變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)〉〉4-1節(jié)）。但圖中的解并非只有一種，應(yīng)使傳動(dòng)帶數(shù)為3～5根為宜。 本次設(shè)計(jì)中所選的帶輪型號(hào)和帶輪的根數(shù)如下： B型帶輪 選取3根 2. 確定帶輪的最小直徑Dmin（D?。? 各種型號(hào)膠帶推薦了最小帶輪直徑，直接查表即可確定。 根據(jù)皮帶的型號(hào)，從教科書〈〈機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程〉〉 查表可?。? Dmin=186mm 3.計(jì)算大帶輪直徑D大 根據(jù)要求的傳動(dòng)比u和滑功率ε確定D大。當(dāng)帶輪為降速時(shí)： （2.5） 三角膠帶的滑動(dòng)率ε=2%。 三角傳動(dòng)中，在保證最小包角大于120度的條件下，傳動(dòng)比可取1/7 ≤u≤3。對(duì)中型通用機(jī)床，一般取1～2.5為宜。 因此， 137.2mm≤D大≤343mm 經(jīng)查表?。? D大=304mm (二) 三角帶傳動(dòng)的計(jì)算 三角帶傳動(dòng)中，軸間距A可以較大。由于是摩擦傳遞，帶與輪槽間會(huì)有打滑，亦可因而緩和沖擊及隔離震動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)。帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，但尺寸，機(jī)床中多用于電機(jī)輸出軸的定比傳動(dòng)。 1. 選擇三角帶的型號(hào) 根據(jù)計(jì)算功率Nj（kw）和小帶輪n1（r/min）查圖選擇帶的型號(hào)。 計(jì)算功率Nj=KWNd kW 式中 Nd—電機(jī)的額定功率， KW—工作情況系數(shù)。 車床的起動(dòng)載荷輕，工作載荷穩(wěn)定，二班制工作時(shí)，?。? KW=1.1 帶的型號(hào)是： B型號(hào) 2. 確定帶輪的計(jì)算直徑D1、D2 1）.小帶輪計(jì)算直徑D1 皮帶輪的直徑越小，帶的彎曲應(yīng)力就越大。為提高帶的使用壽命，小帶輪直徑D1不宜過小，要求大于許用最小帶輪直徑Dmin，即D1≥Dmin。各型號(hào)帶對(duì)應(yīng)的最小帶輪直徑Dmin可查表。 D1=186r/min 2）.大帶輪計(jì)算直徑D2 （2.6） =304r/min 式中: n1--小帶輪轉(zhuǎn)速r/min; n2--大帶輪轉(zhuǎn)速r/min; ε--帶的滑動(dòng)系數(shù),一般取0.02. 算后應(yīng)將數(shù)字圓整為整數(shù)。 3）.確定三角帶速度u 具體的計(jì)算過程如下： （2.7） = =10.6m/s 對(duì)于O、A、B、C型膠帶，5m/s≤u≤25m/s。 而u=5～10m/s時(shí)最為經(jīng)濟(jì)耐用。 此速度完全符合B型皮帶的轉(zhuǎn)速。 4）.初定中心距A0： 帶輪的中心距，通常根據(jù)機(jī)床總體布局初步選定，一般可以在下列范圍內(nèi)選取： A0=（0.6～2）（D1+D2） mm =490（0.6～2）mm =294mm～980mm 取 A0=760 mm 中心距過小，將降低帶的壽命；中心距過大時(shí)，會(huì)引起帶振動(dòng)。中型車床電機(jī)軸至變速箱帶輪的中心距一般為750～850mm。 5）.確定三角帶的計(jì)算長度L0及內(nèi)周長LN。 三角帶的計(jì)算長度是通過三角帶截面重心的長度。 （2.8） = =2131.7mm 圓整到標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算長度 L=2132 mm 經(jīng)查表 LN=2000 mm 修正值 Y=33 6）.驗(yàn)算三角帶的擾曲次數(shù)u ≤40 次/s （則合格） 式中：m--帶輪個(gè)數(shù)。如u超限?？杉哟驦（加大A）或降低u（減少D2、D1）來解決。 代入數(shù)據(jù)得 =10.5 次/s ≤40 次/s 是合格的，不需作出任何修改。 7）.確定實(shí)際中心距A （2.9） = 710.65 mm 8）.驗(yàn)算小帶輪包角а1 а1≈180°-（D2-D1）/A*60°≥120° （2.10） 如果а1過小，應(yīng)加大中心距或加張緊裝置。 代入數(shù)值如下： （2.11） =176.98°≥120° 經(jīng)校核合格。 9）.確定三角帶根數(shù)z （2.12） 式中：N0--單根三角帶在 а1=180°、特定長度、平穩(wěn)工作情況下傳遞的功率值。 C1---包角系數(shù)。 參數(shù)的選擇可以根據(jù)書中的表差?。? N0=2.71 C1=0.99 Kw=1.1 帶入數(shù)值得： 所以，傳動(dòng)帶根數(shù)選3根。 次此公式中所有的參數(shù)沒有作特別說明的都是從〈〈機(jī)床主軸變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)〉〉 4.1.5 齒輪傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 選擇以機(jī)床變速箱中第Ⅰ軸和第Ⅱ軸間，兩嚙合直齒圓柱齒輪Z1和Z2，對(duì)其進(jìn)行齒輪傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)方案，主電機(jī)功率13KW,轉(zhuǎn)速1450r/min，要求輸出軸轉(zhuǎn)速1000 r/min，齒輪齒數(shù)比U=1.25。具體計(jì)算如下： （1)大、小齒輪的材料均為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)與表面淬火處理，硬度為40～50HRC （2)選小齒輪齒數(shù)=28,大齒輪齒數(shù)=U3=1.25328=35,齒數(shù)比U=1.25 （3)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 d1t≥ 1>選取載荷系數(shù) Kt=1.2 2>計(jì)算大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T2 =95.5310P1/n1=95.53103 13/1450 N.mm =8.562310 N.mm 3>選取齒寬系數(shù)Φd =1 4>查得材料的彈性影響系數(shù)ZE =189.8MPa 5>按齒面硬度查得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限δHlim1 =δHlim2 =550 MPa 6>計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2 =60n1jLh=6031450313(2383365315)=7.6212310 N1 =7.621231031.25=9.5265310 7