畢業(yè)設計說明書設計題目：Φ600mm 的數控車床總體設計及橫向進給設計學 生 班 級 學 號 指導教師 繼 續(xù) 教 育 學 院二零一三年十月II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AbstractComprehensively 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 screwII目 錄摘 要 IIAbstractI目 錄 II第 1 章 緒 論.11.1 數控機床及其特點 .11.3 數控機床的工藝范圍及加工精度 21.3.1 數控機床加工工藝分析 21.3.2 數控加工工藝的設計 31.3.3 分析加工工藝路線 31.3.4 編程原點的選擇 31.4 模擬仿真技術 31.5 數控機床的精度影響及分析 41.5.1 間隙誤差的影響 .41.5.2 度的反向誤差控制 51.6 數控機床的經濟分析 .61.6.1 控制系統的選擇 71.6.2 選擇設計對象要適宜 .81.6.3 機床的機械設計范圍要適當 .81.6.4 輔助設計要合適 .91.7 數控機床的發(fā)展趨向 .91.7.1 個性化的發(fā)展趨勢 .101.7.2 個性化是市場適應性發(fā)展趨勢 .101.7.3 開放性是體系結構的發(fā)展趨勢 .10第 2 章 數控機床總體方案的制訂及比較.122.1 總體方案設計內容 122.1.1 系統運動方式的確定 132.1.2 控制方式的選擇 13III2.2 總體方案確定 132.2.1 系統的運動方式伺服系統的選擇 .132.2.2 數控系統 .132.2.3 機械傳動方式 .142.3 可行性論證 14第 3 章 確定切削用量及選擇刀具.153.1 科學選擇數控刀具 .153.1.1 選擇數控刀具的原則 153.1.2 選擇數控車削用刀具 163.2 設置刀點和換刀點 163.3 確定切削用量 173.3.1 確定主軸轉速 173.3.2 確定進給速度 173.3.3 確定背吃刀量 .17第 4 章 Φ600mm 傳動系統圖的設計 184.1 主傳動系統的設計要求 .184.2 總體設計 .184.2.1 擬定傳動方案 .184.2.2 選擇電機 .194.2.3 主運動調速范圍的確定、計算各軸計算轉速、功率和轉矩 .224.2.4 轉速圖 .244.3 同步帶傳動的設計和選定 .244.4 軸系部件的結構設計 .274.4.1 I 軸結構設計 .274.4.2 II 軸結構設計 314.4.3 電磁摩擦離合器的計算和選擇 36第 5 章 橫向進給伺服進給結構設計.385.1 已知技術參數 385.2 確定脈沖當量 38IV5.3 切削力的計算 385.4 滾珠絲杠的計算及選擇 415.4.1 滾珠絲杠導程的確定 .415.4.2 確定絲杠的等效轉速 .415.4.3 估計工作臺質量及工作臺承重 .425.4.4 確定絲杠的等效負載 .425.4.5 確定絲杠所受的最大動載荷 435.4.6 選擇滾珠絲杠型號 .435.5 校核 445.5.1 臨界壓縮負荷 .445.5.2 臨界轉速 .455.5.3 絲杠拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 .455.5.4 絲杠扭轉剛度 .465.5.5 傳動精度計算 .475.5.6 伺服電機計算 .485.5.7 電機的選擇 .49第 6 章 單片機控制應用系統電路設計.506.1 硬件電路設計 .506.1.1 數控系統的硬件結構 .506.1.2 數控系統硬件電路的功能 .506.2 關于各線路元件之間線路連接 .516.4 關于電路原理圖的一些說明 52總 結.56參考文獻.57致 謝.5812345第 1 章 緒 論1.1 數控機床及其特點數控機床與機床的區(qū)別 數控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機床，與機床相比，具有以下明顯特點： 1. 適合于復雜異形零件的加工 數控機床可以完成機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應用。 2. 加工精度高 3. 加工穩(wěn)定可靠 實現計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質量穩(wěn)定可靠。 4. 高柔性 加工對象改變時，一般只需要更改數控程序，體現出很好的適應性，可大大節(jié)省生產準備時間。在數控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統—FMS。 5. 高生產率 數控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產率高，一般為機床的 3～5 倍，對某些復雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。 6. 勞動條件好 機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環(huán)境較好。 7. 有利于管理現代化 采用數控機床有利于向計算機控制與管理生產方面發(fā)展，為實現生產過程自動化創(chuàng)造了條件。 8. 投資大，使用費用高 9. 生產準備工作復雜 由于整個加工過程采用程序控制，數控加工的前期準備工作較為復雜，包含工藝確定、程序編制等。 10. 維修困難 數控機床是典型的機電一體化產品，技術含量高，對維修人員的技術要求很高。 61.2 數控機床的適用范圍由于數控機床的上述特點，適用于數控加工的零件有： ·批量小而又多次重復生產的零件； ·幾何形狀復雜的零件； ·貴重零件加工； ·需要全部檢驗的零件； ·試制件。 對以上零件采用數控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數控加工的優(yōu)勢。1.3 數控機床的工藝范圍及加工精度數控機床綜合了精密機械、電子、電力拖動、自動控制、自動檢測、故障診斷和計算機等多方面的技術，是典型的高精度、高效率及高柔性的機電一體化產品，近年 來我國的數控機床技術正處在突飛猛進的階段，在數控機床的使用過程中，加工工藝和精度分析對于機床的加工效率和零件的加工精度都有重要影響，本文結合筆者 多年的操作經驗，研究了數控加工工藝的主要步驟和精度研究中容易出現的問題以及解決方法。1.3.1 數控機床加工工藝分析數控機床是是一種裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，其數控加工工藝以自動化和高速精密性為 主。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，數控機床的在機械加工中的作用更為突出。數控加工工藝是伴隨著數控機床的產生、 發(fā)展而不斷創(chuàng)新的一種應用技術，所謂數控加工工藝就是用數控機床加工零件的一種工藝方法。隨著我國數控機床用戶的不斷增加，數控加工工藝在應用的領域的重 要性日益突出，數控加工工藝以改善加工性能和提高加工效率為主要發(fā)展方向，并將二者融合到控制程序之中，運用自動化控制系統的規(guī)范處理方式，融合多種加工 方法，以達到工序集中的復合加工方式為目的，提供更高水平的加工技術，從而進一步推動數控技術在制造業(yè)中應用與發(fā)展。數控加工技術的地位如此重要就必須首 先了解數控加工工藝的主要特點和技術原則要求：(1) 數控加工的工藝內容要按照零件加工的要求進行工步細化，所以在進行施工的過程中必須要依據加工要求進行準確編程；(2) 數控加工工7藝路線設計應合理，以保證數控機床的加工所產生的誤差最小化；(3) 數控加工的工序相對集中，以提高加工效率，對于復雜的加工過程，需要進行必要的數控仿真技術支持。1.3.2 數控加工工藝的設計數控機床有著高度的自動化特點，其加工工藝要依靠數控模塊對設計好的程序進行實施，因此要求加工的工藝線路在規(guī)劃時必須精準，同時要把握好加工程序的編 制，因為編程函蓋了數控機床加工的重要內容，也是其工藝質量得以保證的重要指標。對于數控機床來說，必須先有合理有效的編程工藝路線設計，然后才能保證加 工工藝進程的完整。1.3.3 分析加工工藝路線數控機床的加工工藝路線設計要考慮到具體的加工環(huán)節(jié)，尤其是對數控鏜車床的加工環(huán)節(jié)更要重視，要根據具體情況做出明確的分辨。在數控車、鏜車床或加工中心 上加工有同軸度要求的內、外圓柱面或端面與外圓、內孔有垂直度要求時，均應在一次裝夾中完成。在數控鏜車床或加工中心上加工有孔與端面有垂直度要求或平面 與平面有位置精度要求時，應注意盡可能在一次裝夾中完成。1.3.4 編程原點的選擇編程原點的設計基礎和工藝基準盡量重合，避免產生尺寸鏈誤差及不必要的尺寸換算。設定的編程原點應使工件容易找正，方便對刀，編程簡便，有利于編程數值 的計算。對稱零件的編程原點應選在零件的對稱中心。在加工零件上的工件原點應容易準確的確定，盡可能使加工余量均勻。例如：以孔定位的零件，應以孔的中心 作為編程原點，對于一些形狀不規(guī)則的零件，可在其基準面( 或線) 上選擇編程原點，當加工路線呈封閉形式時，應在精度要求較高的表面選擇編程原點( 或加工起始點)。1.4 模擬仿真技術智能化模擬仿真技術，可以通過對數控機床的加工工藝路線進行仿真模擬而得出適合加工的一種軟件控制手段，結合運用成組技術可以提高數控加工編程效率。例 如：根據其外形結構、技術要求和加工方法的相似性，把零件分成若干組，在每一組零件中選出一個代表性零件( 它可以是實際存在的，也可以是假想的，但必須包括組內所8有零件的加工要素)，根據這個代表零件模擬出一套典型的工藝規(guī)程，選定和設計一組機床及工藝設備， 并把它們組成一個專門的加工設計，如果模擬仿真技術成功就只需要略微做一下調整，便可以進行加工生產。例如，運用奧匹茲分類方法拆分代號為12031 的零件結構，如圖 1 所示。該零件是一個回轉體零件， 所以第一位數是 1；一端有臺階，并有緊固螺紋，所以第二位數是 2；無內孔，所以第三位數是 0；需要加工鍵槽，所以第四位數是 3；有四個軸向孔，與其他要素 無位置要求，所以第五位數是1。按成組方式來組織零件生產時，首先按照零件的結構特征、工藝特征以及加工設備的特征，將各種零件進行分組、歸類與編碼，然后建立每類零件的典型圖庫和成組加工工藝庫。1.5 數控機床的精度影響及分析數控機床的加工精度目前已經有了高速的發(fā)展，數控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)。而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)。可以說，數控機床的精度已經進入亞微米、納米級超精加工時代。在這樣高精密 度要求下，必須要把握數控機床的精度分析，保證不會出現由于操作問題而導致的精度誤差。1.5.1 間隙誤差的影響進給機構的機械傳動機構由減速齒輪、連軸節(jié)、滾珠絲杠副及支承軸承組成。在這些機構的組成之中，如果出現一定的連接不穩(wěn)定就會導致間隙的產生，產生的間隙 就會改變整體的加工環(huán)節(jié)誤差。滾珠絲杠與螺母之間的間隙直接影響工作臺的進給精度。設滾珠絲杠與螺母之間的間隙為 SF，則反轉時造成工作臺進給誤差 δ1=SF。不僅如此，絲杠螺母副的間隙還影響絲杠螺母副的剛度，進而影響工作臺進給精度。針對這些誤差問題必須要轉變?yōu)樽詣踊僮骺刂品绞剑跈C械換向 時，對換向時間和換向方式做出改變。而對于滾珠絲杠與螺母之間間隙的消除方法，要重視對間隙的偏差測定，通過反復的間隙測量來確定出具體的偏差基數，要求 測出機床各軸的各項原始誤差，比較成熟的測量方法是激光干涉儀，測量精度高。用雙頻激光干涉儀進行誤差測量，需時間長，對操作人員調試水平要求高，主要是 對誤差測量環(huán)境要求高，常用于三坐標測量機的檢測，不適宜生產現場操作。相對誤差分解、合成補償法，測量方法9相對簡單，一次測量可獲得整個圓周的數據信 息，同時可以滿足機床精度的檢測和機床評價。目前也有不少的誤差分解的方法，由于機床情況各異，難以找到合適的通用數學模型進行誤差分解，并且對測量結果 影響相同的原始誤差項不能進行分解，也難以推廣應用。測定之后要再將這種基數輸入到程序控制之中，這樣就可以最大限度地保證數控程序進行時的偏差數據最小 化，做到補償適當。具體的補償方法如下： (1) 備份 CNC 控制系統中的已有補償參數；(2) 由計算機產生進行逐點定位精度測量的機床 CNC 程序，并傳送給 CNC 系統；(3) 自動測量各點的定位誤差；(4) 根據指定的補償點產生一組新的補償參數，并傳送給 CNC 系統，螺距自動補償完成；(5) 重復進行精度驗證。除此之外，對于脈沖當量補償就是指每輸出一個脈沖后數控機床移動部件相應的移動量它的大小視機床精度而定，一般為 0.01~0.0005mm。脈沖當量影響數控機床的加工精度，它的值取得越小，加工精度越高。當然，數控機床的誤差調正有兩種方法，一種是靠數控系統補 償，一種是調整機械部分，如果對于數控系統來說進行數控補償程序會十分復雜困難，那么就可以通過調整絲杠間隙進行消除。1.5.2 度的反向誤差控制機床的動態(tài)精度，即機床各軸的定位精度 P、重復定位精度 Ps 和反向誤差 U 等指標。它們是以 VDI/DGQ3441 的方法進行檢測。考核數控機床的定位精度 P 是用以下公式進行計算“P=6+L/300” 式中 L 代表數控機床坐標軸的長度。針對數控機床的定位精度來說，應該是與機床的動態(tài)精度有著密切的利害關系。其中，反向偏差的測定方法：在所測量坐標軸的行程 內，預先向正向或反向移動一個距離并以此停止位置為基準，再在同一方向給予一定移動指令值，使之移動一段距離，然后再往相反方向移動相同的距離，測量停止 位置與基準位置之差。在靠近行程的中點及兩端的三個位置分別進行多次測定( 一般為七次)，求出各個位置上的平均值，以所得平均值中的最大值為反向偏差測量值。在測量時一定要先移動一段距離。如：數控車輪車軸專用外圓，在磨削工件 的 R 與外圓直徑交界處后，發(fā)現有明顯的過渡不圓滑痕跡。那么在處理這類問題的時候，就要考慮該設備在磨削工件時，采用寬砂輪一次性切入磨削，砂輪修正器的金鋼 石筆安裝在工作臺上，利用工作臺 Z 軸和砂輪架 X 軸的復合插補運動，使砂輪的形狀與精度修正成與工件完全一樣，再用修正好的砂輪磨削工件。由于該工件外圓形狀的特殊性，需要 X 軸有正負方向的運行，在檢查時發(fā)現 X 軸和 Z 軸均有明顯的反向間隙存在，使砂輪修正作反向運行時二軸有瞬間停頓現象的出現，造成輪10修圓弧連接處有痕跡，最終使該現象發(fā)生在砂輪磨削工件的表面上。由于 絲杠螺母副之間的間隙存在，當工作臺反向時，必產生反向間隙誤差而影響到工作臺送料定位精度。絲杠螺母副之間的間隙具有兩個特點：(1) 具有相對的穩(wěn)定性，即在一定范圍內間隙是一個常數；(2) 隨著機械傳動的磨損而相應增加。因此，在控制過程中可以預先測出其間隙，利用反向間隙的統計平均值，對其產生的定位誤差進行軟件補償。在軟件設計時，只需 設計一方向寄存器，用來判斷工作臺是否換向，采用不換向不補償，每換向一次補償一次來消除絲杠螺母的反向間隙誤差。總之，對于數控機床的加工工藝和精度分析來說，都必須要把握技術尺度，將合理地操作原理運用到具體的加工環(huán)節(jié)中去，從數控機床的加工工藝來說，要重視有關 影響數控機床加工工藝的若干問題，結合具體的工藝加工情況，采用理論聯系實際的操作方法，在編程過程中保證精準、細致，對出現的問題也要及時進行分析、總 結，確保整個加工工藝路線合理，以能夠有加工出色的產品為最終目的。從數控機床的精度分析來看，要重視研究提高數控機床加工精度的方法，首先要對加工設備 產生誤差原因和影響進行合理地剖析，研究影響數控機床精度的因素，找出間隙誤差和反向誤差的處理方法，開展定位精度的測量。對于數控機床的工藝和精度控制 來說要依靠數控編程和仿真技術的完善以及具體操作的合理，來進行合理有效的機床工藝控制，保證利用現今的數控技術來確保加工工藝和精度更加完美，以達到延 長數控機床使用壽命，提供加工產品優(yōu)秀性的目的。1.6 數控機床的經濟分析由于歷史的原因，我國加工設備多，數控加工設備少；老設備多，新設備少。許多企業(yè)的機床精度差、故障率高。通過機床數控設計使機床不僅具有好的加工精度，而且還具有數控機床的功能。對于中小型企業(yè)，沒有足夠的資金來購買全功能的數控機床，但是使用單板機控制步進電機的經濟型開環(huán)數控機床，具有花錢少、見效快的特點。采用經濟型數控技術改裝加工批量零件的機床非常合適。微機技術實現機床簡易數控的工作原理采用微機技術實現機床簡易數控的裝置，主要由單板機、控制程序、零件加工程序、驅動電源裝置，收發(fā)信板、功率步進電機等部件組成。圖 1.1 經濟型數控車床的系統裝置框圖。11在圖 1.1 所示的系統裝置中，單板機在控制程序的控制下，可以使數控系統具有直線插補和圓弧插補加工工件輪廓的功能；具有進給速度控制和快速回零的功能；具有刀具補償和反向間隙補償的功能，以及其它多種功能。當零件加工程序給出具體的位移尺寸、位移方向和進給速度后，控制程序就會通過單板機按照所輸入的零件加工程序發(fā)出一系列的脈沖信號。經隔離放大以后，分別驅動 向和 向功率步進電機，使刀架按照要求的方向、速度和位移量實現縱向和橫向運動。從而構成了一個經濟型開環(huán)數控系統。用微機技術實現機床簡易數控優(yōu)化方案的確定原則1.6.1 控制系統的選擇目前數控系統的類型較多，選擇前應對被設計機床的功能有個充分了解，再依據價格合理、技術先進、服務方便的原則選擇數控系統。其中和單片機數控系統是用得較多的兩種系統。系統的核心是系列的單片微機。它用三路驅動電路，分別控制、和向步進電動機，它進行機床的位移運動，并能實現任意二坐標聯動或三坐標聯動。單片機是系列微機的典型產品，其硬件功能遠遠高于單板機，尤其適合實時控制、智能儀表、自動機床，是控制類型領域中最理想的八位微型計算機，在全世界都得到廣泛應用。數控裝置是三坐標（車床）數控系統，它用國際標準代碼進行編程，除了能執(zhí)行本身的編程指令外，還能執(zhí)行二坐標機床數控系統的編程指令，而且三坐標系統的各種操作方法（如輸入、修改、刪除及運行加工程序）相同于二坐標系統。選擇控制系統時應該注意以下幾方面的問題：（1）在資金充足的情況下，盡量選用質量好的產品。因為此類數控系統零件篩選嚴格，制造工藝規(guī)范可靠，能很好地預防電器元件的故障或提前失效引起的設備故障。（2）應該注重數控功能的選擇，不應單純追求數控系統的高性能指標，這對實現較高的性能價格比非常重要。12（3）數控系統所具有的功能要與準備設計的數控機床所能達到的功能相匹配，盡量減少過剩的數控功能。1.6.2 選擇設計對象要適宜采用微機數控機床加工零件，必須首先編制出加工程序。通常適宜于加工具有一定批量的相類似零件。因此，在選擇適宜于進行設計的機床時，首先必須對各類機床的零件加工情況進行調查研究，分類統計，看零件有無批量，看各類批量主要在哪種機床上進行加工，以及在哪種型號的機床上進行加工，這樣才能確定出設計對象。一般中小車床上的工件總是比較飽滿，成批量的零件也比較多。因此，用微機技術把中小車床設計成經濟型數控車床比較適宜。對于一些中小型企業(yè)，為了充分發(fā)揮車床的作用，更需要經過設計的車床。這樣既能用數控系統加工批量零件，又具有臥式車床的功能，以適于加工單件零件。對于一些形狀復雜的零件，機床往往難于加工成形。如果采用機械仿形的方法進行加工，在不成批量的情況下很不合算。這時，用微機技術設計機床，就可以使問題得到解決，明顯提高企業(yè)加工能力。編程要比制作靠模容易得多，靈活得多。用數控機床加工形狀復雜的零件是非常適宜的。1.6.3 機床的機械設計范圍要適當機床設計范圍的大小，應根據機床自身精度及性能來決定。以臥式車床為例加以說明。對于舊車床的設計范圍，一般都是把原來的機床進給傳動系統，由主軸箱通過掛輪箱帶動進給變速箱，將運動傳給光杠或絲杠。然后再驅動溜板運動的傳動過程，設計為由功率步進電機通過消隙減速齒輪，直接帶動滾珠絲杠，使刀架分別實現縱向運動和橫向運動，進行兩個坐標的控制。對于精度符合要求的車床，為了實現簡易數控設計，一般都是對車床的部件基本不動，只是把床鞍的縱向滑動絲杠副設計為縱向滾珠絲杠副。在縱向滾珠絲杠的右端安裝一套消隙減速箱和功率步進電機。同時也把中滑板的橫向滑動絲杠副設計為橫向滾珠絲杠副，在橫向滾珠絲杠的外端安裝一套消隙減速箱和功率步進電機，從而使車床的縱向和橫向運動既能用微機系統進行控制，又能由操作者進行操作。在機床設計過程中，只要把溜板箱中的開合螺母及中滑板上的滑動螺母拆除，在合適的位置上安裝好滾珠螺母座即可。在電氣控制方面，為了避免數控操作與操作相干涉，發(fā)生操作失誤現象，必須有電氣連鎖開關控制操作轉換。對13于全新或較新車床，在進行簡易數控設計時，一般都是全部保留機床的零部件。直接把消隙減速箱和功率步進電機分別按裝在縱向滑動絲杠的右端和橫向滑動絲杠的外端。從而也可以使車床同時具有操作功能和簡易數控功能。1.6.4 輔助設計要合適如果在設計后的簡易數控車床上，采用一把刀可以完成全部車工工序，就沒有必要對刀架進行設計。但有時會出現一個工件需要兩把刀或幾把刀來分別完成兩個或幾個工序的情況，這時可根據每把刀的使用情況，分別進行編程，通過一個程序，使用一把刀，來完成一個工序。使原來操作使用的刀架在數控操作時也可以使用。這樣，根據設計后車床的主要加工對象，確定刀架是否需要進行設計，可以使設計費用使用得更加合理，避免發(fā)生設計過?，F象。如果設計后的簡易車床，主要用來加工比較復雜的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部車工工序，就必須對刀架部件進行設計。一般可采用安裝有四把刀、由鼠牙盤定位、進行絕對刀位控制的自動回轉刀架比較合適。重復定位誤差可小于 ，精度持久性比較好。這種刀架出廠時，就規(guī)定了刀號位置。當需要幾號刀在加工位置時，只需對該刀控制信號口發(fā)出信號，刀架就會自動轉到需要的位置。設計后的簡易數控車床需要加工螺紋時，可以在主軸后端同軸安裝或異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信號反饋元件。目的是為了檢測主軸轉角的位置，并且將其變化情況輸送給單板機，使單板機能按照所需加工的螺距進行處理?？刂瓶v向步進電機運動，通過縱向滾珠絲杠帶動刀架完成螺紋加工。4.結束語采用微機技術設計機床，選用優(yōu)化方案，實現簡易數控，對機床結構改動不大，安裝簡單，操作簡便，測量精度較高，可以使機床實現自動化，提高生產效率，減輕工人勞動強度，適于加工具有復雜形狀的零件和小批量零件。產品精度一般可以提高個等級，工效提高 ，改裝費用幾個月即可收回。這種技術在我國中小企業(yè)中，是適合于廣泛推廣的技術。1.7 數控機床的發(fā)展趨向高速化、高精度化、高可靠性、復合化、智能化、柔性化、集成化和開放性是當今數控機床行業(yè)的主要發(fā)展方向。數控技術的問世已有 40 多年的歷史，它是由機械學、控制學、電子學、計算機科14學四大基礎學科發(fā)展起來的一門綜合性新型學科。技術發(fā)展的需要對 21 世紀的數控技術提出了更高的要求。1.7.1 個性化的發(fā)展趨勢1.高速化、高精度化、高可靠性高速化：提高進給速度與提高主軸轉速。 高精度化：其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(高可靠性：一般數控系統的可靠性要高于數控設備的可靠性在一個數量級以上，但也不是可靠性越高越好，因為商品受性能價格比的約束。2.復合化數控機床的功能復合化的發(fā)展，其核心是在一臺機床上要完成車、車、鉆、攻絲、絞孔和擴孔等多種操作工序，從而提高了機床的效率和加工精度，提高生產的柔性。3.智能化智能化的內容包括在數控系統中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化；為提高驅動性能及使用連接方便等方面的智能化；簡化編程、簡化操作方面的智能化；還有如智能化的自動編程、智能化的人機界面等，以及智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內容，方便系統的診斷及維修。4.柔性化、集成化當今世界上的數控機床向柔性自動化系統發(fā)展的趨勢是：從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線（FMC、FMS、FTL、 FML）向面(工段車間獨立制造島FA)、體（ CIMS、分布式網絡集成制造系統）的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。1.7.2 個性化是市場適應性發(fā)展趨勢當今的市場，國際合作的格局逐漸形成，產品競爭日趨激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不斷升級，用戶的個性化要求日趨強烈，專業(yè)化、專用化、高科技的機床越來越得到用戶的青睞。1.7.3 開放性是體系結構的發(fā)展趨勢新一代數控系統的開發(fā)核心是開放性。開放性有軟件平臺和硬件平臺的開放式系15統，采用模塊化，層次化的結構，并通過形式向外提供統一的應用程序接口。為解決傳統的數控系統封閉性和數控應用軟件的產業(yè)化生產存在的問題。目前許多國家對開放式數控系統進行研究， 數控系統開放化已經成為數控系統的未來之路。目前開放式數控系統的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數控系統功能庫以及數控系統功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網絡化數控裝備是近兩年的一個新的焦點。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數控機床和數控系統制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機。16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(1) 數控機床工作原理：數控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數控機床的工作指令。將加工程序輸入到數控裝置，再由數控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合要求的零件。(2) 數控機床的組成：數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖 2-1圖 2-1 數控機床的組成圖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。屬于經濟型數控機床，在保證一定加工精度的前提下，應結構簡化，降低成本。因此，進給伺服系統采用步進電動機的開環(huán)控制系統。比較項目 方案一 方案二 確定后的方案 具體原因數 控 裝 置控 制 介 質 測 量 裝 置伺 服 系 統 機 床17主軸箱 分級變速采用調速電機+齒輪傳動采用三相異步電機+減速器方案一 變速級數比較多滿足多種加工需要，也符合任務書要求進給機構 滾珠絲杠+步進電機滾珠絲杠+伺服電機方案一 脈沖當量步進電機控制的準確刀架 四工位回轉刀架六工位回轉刀架都可以 各有各的好處尾座 液壓尾座 手動普通尾座 液壓尾座 可通過數控系統調整方便數控系統 8 位單片機 16 位單片機 方案一 基本需求可以滿足2.1.1 系統運動方式的確定數控系統按運動方式可分為點位控制系統、點位直線控制系統和連續(xù)控制系統。2.1.2 控制方式的選擇系統可分為開環(huán)控制系統、半閉環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。經濟型數控機床普遍采用開環(huán)伺服系統。開環(huán)控制系統中，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的性能。開環(huán)伺服系統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 系統的運動方式伺服系統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?？紤]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18環(huán)控制系統。2.2.2 數控系統根據機床要求，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?？刂葡到y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，系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，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。系統總體方案框圖如下：圖 2-1 系統總體方案框圖2.3 可行性論證根據《自動化制造系統》 ，可行性論證使用戶建造自動化制造系統項目前所進行的技術和經濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據。同樣，在進行19數控車床的經濟型數控設計之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。根據傳統的論證方法，數控車床的經濟型數控設計的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產經營現狀及存在的問題分析，企業(yè)生產經營目標，設計的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，設計后車床的實施計劃，結論等。由于本設計僅作為大學本科生的畢業(yè)設計，故在此，設計者僅對設計的投資概算作一簡要的可行性論證。本設計設計是對數控車床進行經濟型數控設計。在設計設計中，采用自己設置的數控裝置，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設備設計費用和舊設備費用總計不會超過 8 萬元。因此，對數控車床作經濟型數控設計適合我國國情，是國內企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。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20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 具系統的標準代號為 TSG-JT，直柄刀具系統的標準代號為 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，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”21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設定的最高進給速度。223.3.3 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 Φ600mm 傳動系統圖的設計4.1 主傳動系統的設計要求數控系統的主軸系統除了應滿足普通機床主傳動要求外，還提出以下要求：1、具有更大的調速范圍，并實現無級調速;2、具有較高的精度和剛度、傳動平穩(wěn)，噪聲低;3、良好的抗振性和熱穩(wěn)定性.4.2 總體設計4.2.1 擬定傳動方案數控機床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調速范圍內選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調速有機械、液壓和電氣等多種形式，數控機床一般采用由直流或交流調速電動機作為驅動源的電氣無級變速。由于數控機床的主運動的調速范圍較大（ ） ，單靠調速電機無法滿足這么大的調102R?:速范圍，另一方面調速電機的功率扭矩特性也難于直接與機床的功率和轉矩要求相匹23配。因此，數控機床主傳動變速系統常常在無級變速電機之后串聯機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調速范圍和轉矩特性。 為簡化主軸箱結構，本方案僅采用二級機械變速機構，運動方案如圖 2.1：有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。液壓變速機構是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現變速，雙聯滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現三位移動。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實現自動化。但變速時必須主軸停車后才能進行，另外，它增加了數控機床的復雜性，而且必須將數控裝置送來的電信號轉換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素。圖 4.1 主軸傳動圖電磁離合器是應用電磁效應接通或切斷運動的元件，由于它便于實現自動操作，并有現成的系列產品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數控機床的主傳動時，能簡化變速機構，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[6]。4.2.2 選擇電機1、選擇電機應綜合考慮的問題(1)根據機械的負載特性和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求，選擇電動機類型。(2)根據負載轉矩、轉速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、24過載能力額啟動轉矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風方式。所選電動機功率應留有余量，負荷率一般取 0.8～0.9。(3)根據使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的結構型式。(4)根據企業(yè)的電網電壓標準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。(5)根據生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統的過渡過程的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素[11]。2、電動機類型和結構型式的選擇由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(旋轉速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等) ，因此，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關的。總的來說，選擇主軸驅動系統將在價格與性能之間找出一種理想的折衷[9]。表 1 簡要給出了用戶所期望的主軸驅動系統的性能。下面將對各種交流主軸系統進行對比、分析。表 4.1 理想主軸驅動系統性能項目 內容高性能低速區(qū)要有足夠的轉矩寬恒功率范圍,并在高速范圍內保持一定轉矩高旋轉精度高動態(tài)響應高加減速,起制動能力具有強魯棒性,能適應環(huán)境條件和參數變化高效率,低噪聲低價格 低購買價格,低維護價格,低服務價格通用要求 耐用性,可維護性,安全可靠性感應電機交流主軸驅動系統是當前商用主軸驅動系統的主流，其功率范圍從零點幾個 kW 到上百 kW，廣泛地應用于各種數控機床上。經過對比分析本設計中決定采用 VFNC 系列變頻主軸電機。VFNC 系列是高速、高精、高效的伺服系統，可實現機床的高速、高精控制，并使機床更緊湊。