摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為衡量一個國家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。數(shù)控化技術(shù)涉及機(jī)械、電子、以及控制等多門學(xué)科，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)之一，是衡量一個國家機(jī)械裝備發(fā)展水平的重要標(biāo)志。雖然這門學(xué)科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，是綜合國力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應(yīng)該重視該學(xué)科的研究，并大力發(fā)展這門學(xué)科，逐漸縮小與日美等發(fā)達(dá)國家的差距。數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。本次設(shè)計是對 CK6140 車床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，此設(shè)計主要是結(jié)合國內(nèi)的具體國情，針對于廣大的用戶所設(shè)計的。遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上那些外國的設(shè)備所達(dá)到的精度。當(dāng)然，時代在發(fā)展，隨著我國的正和國力迅速攀升，在不久的將來那些精度要求比較高的數(shù)控設(shè)備一定出現(xiàn)在中國的大部分企業(yè)中。關(guān)鍵字： 發(fā)展趨勢 數(shù)控車床 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 滾珠絲桿 AbstractAlong with the science technical fast fierce development, number's controling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level. The technology of numerical control turns a technique to involve a machine, electronics, and control etc. several subjects, is one of the foundation technique and core techniques of modern and industrial most, is the important marking which measures a national development level of the machine material. Although this academics is still be placed in a development a stage, many orieses are still placed in research and perfect stage, it represents the machine industrial technique revolution of ex- follow a direction, is comprehensive another concrete body of national strength now. Therefore, we should value the research of that academics, and strongly develop this academics, contract to wait with day the United States gradually flourishing nation of margin. The feed system of numerical control lathe in general are used feed servo system. Servo system of the technical performance and reliability for numerical control machine tools are of great significance, research and development performance Servo system has been a modern numerical control which is the key technology of machine tools.This design is to control to design a feed servo system to the number of Ck6140 lather. This design is mainly to combine local concrete state of the nation and aim at at what large customer design. Far and far can not compare with the accuracy that the equipments of those foreign countries attain. Certainly, the ages is in the development, along with our country of positive with the national strength quickly increase, in the near future those greatly parts of business enterprises that the accuracy requests higher number to control an equipments and must appear in China in.Keyword：trend of development numerically controlled lathe feed servo system ball screw 第 1 頁摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為衡量一個國家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。數(shù)控化技術(shù)涉及機(jī)械、電子、以及控制等多門學(xué)科，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)之一，是衡量一個國家機(jī)械裝備發(fā)展水平的重要標(biāo)志。雖然這門學(xué)科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，是綜合國力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應(yīng)該重視該學(xué)科的研究，并大力發(fā)展這門學(xué)科，逐漸縮小與日美等發(fā)達(dá)國家的差距。數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。本次設(shè)計是對 CK6140 車床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，此設(shè)計主要是結(jié)合國內(nèi)的具體國情，針對于廣大的用戶所設(shè)計的。遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上那些外國的設(shè)備所達(dá)到的精度。當(dāng)然，時代在發(fā)展，隨著我國的正和國力迅速攀升，在不久的將來那些精度要求比較高的數(shù)控設(shè)備一定出現(xiàn)在中國的大部分企業(yè)中。關(guān)鍵字： 發(fā)展趨勢 數(shù)控車床 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 滾珠絲桿 第 2 頁AbstractAlong with the science technical fast fierce development, number's controling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level. The technology of numerical control turns a technique to involve a machine, electronics, and control etc. several subjects, is one of the foundation technique and core techniques of modern and industrial most, is the important marking which measures a national development level of the machine material. Although this academics is still be placed in a development a stage, many orieses are still placed in research and perfect stage, it represents the machine industrial technique revolution of ex- follow a direction, is comprehensive another concrete body of national strength now. Therefore, we should value the research of that academics, and strongly develop this academics, contract to wait with day the United States gradually flourishing nation of margin. The feed system of numerical control lathe in general are used feed servo system. Servo system of the technical performance and reliability for numerical control machine tools are of great significance, research and development performance Servo system has been a modern numerical control which is the key technology of machine tools.This design is to control to design a feed servo system to the number of Ck6140 lather. This design is mainly to combine local concrete state of the nation and aim at at what large customer design. Far and far can not compare with the accuracy that the equipments of those foreign countries attain. Certainly, the ages is in the development, along with our country of positive with the national strength quickly increase, in the near future those greatly parts of business enterprises that the accuracy requests higher number to control an equipments and must appear in China in.Keyword：trend of development numerically controlled lathe feed servo system ball screw第 3 頁目錄1.緒論 .11.1 課題背景和目的 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .21.3 課題的研究內(nèi)容和方法 .81.4 論文構(gòu)成 .92.總體設(shè)計 92.1 床身和導(dǎo)軌設(shè)計 .92.2 主軸系統(tǒng)設(shè)計 .112.3. 刀架系統(tǒng)設(shè)計 113.主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 123.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 123.2 總體設(shè)計 .123.3. 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .174.橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 .274.1 已知技術(shù)參數(shù) 284.2 滾珠絲桿副的計算與選擇 .284.3 滾珠絲桿副的校核 .304.4 伺服電機(jī)的計算 .355.縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 .365.1 已知技術(shù)參數(shù) 365.2 滾珠絲桿副的計算與選擇 .365.3 滾珠絲桿副的校核 .405.4 伺服電機(jī)的計算 .42第 4 頁結(jié)論及致謝…………………………………………………………………………………………………………………………43參考文獻(xiàn) . 441 緒論1.1 課題背景和目的在我國，數(shù)控技術(shù)與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。特別是在通用微機(jī)數(shù)控領(lǐng)域，以 PC 平臺為基礎(chǔ)的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)走在了世界前列。但是，我國在數(shù)控技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面亦存在不少問題，特別是在技術(shù)創(chuàng)新能力、商品化進(jìn)程、市場占有率等方面情況尤為突出。我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。在新世紀(jì)到來時，如何有效解決這些問題，使我國數(shù)控領(lǐng)域沿著可持續(xù)發(fā)展的道路，從整體上全面邁入世界先進(jìn)行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數(shù)控研究開發(fā)部門和生產(chǎn)廠家所面臨的重要任務(wù) [1]。而相對于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有以下明顯的優(yōu)越性：（1） 提高生產(chǎn)率。數(shù)控機(jī)床能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，增加切削加工時間的比率。采用最佳參數(shù)和最佳走刀路線，縮短加工時間，從而提高生產(chǎn)率。（2） 數(shù)控機(jī)床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。由于它是按照程序自動加工不需要人工干預(yù)，其加工精度還可以利用軟件進(jìn)行校正及補(bǔ)償，故可以獲得比機(jī)床本身精度還要高的精度和重復(fù)精度。（3） 有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性。通過改變程序，就可以加工新產(chǎn)品的零件，能夠完成很多普通機(jī)床難以完成或者根本不能加工的復(fù)雜型面零件的加工。（4） 可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。一些數(shù)控機(jī)床，可以自動換刀，一次裝卡后，幾乎第 5 頁能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設(shè)備和廠房面積。（5） 可以進(jìn)行精確的成本計算和生產(chǎn)進(jìn)度安排，減少在制品，加速資金周轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。（6） 不需要專用夾具。采用普通的通用夾具就能滿足數(shù)控加工的要求。節(jié)省了專用夾具設(shè)計制造和存放的費(fèi)用。（7） 大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度 [2]。因此，采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床） ，減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例逐漸增大。從 2004 年的市場消費(fèi)內(nèi)容也可可看出,普通機(jī)床的市場份額在下降,數(shù)控機(jī)床則強(qiáng)烈增長，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床供不應(yīng)求。可以預(yù)見，未來幾年普通機(jī)床的市場份額將不斷下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)會逐漸擴(kuò)大。 [1]在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計一臺數(shù)控車床——CK6140 ，用于對轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動加工，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量和降低工人勞動強(qiáng)度。此外，力求完成課題之余，熟悉國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,增強(qiáng)對如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀我國從 1958 年開始研究數(shù)控機(jī)床，一直到 20 世紀(jì) 60 年代中期還處于研制、開發(fā)時期。當(dāng)時，一些高等院校、科研單位研制出試驗(yàn)性樣機(jī)，是從電子管起步的。目前我國數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家有 100 多家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)有 300 余第 6 頁家，產(chǎn)品品種包括八大類 2000 種以上。目前以新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng) 80 余種。分為 3 種型級，即經(jīng)濟(jì)型、普及型和高級型?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，數(shù)控機(jī)床新開發(fā)品種 300 余種，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國際上 20 世紀(jì) 80 年代中期水平，部分達(dá)到 90 年代水平，為國家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床 [2]。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，我國數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)都經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變機(jī)制的艱苦磨礪過程。近期，國家為擴(kuò)大內(nèi)需，通過加大技改投資和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的措施來拉動國內(nèi)市場消費(fèi)。目前，中國機(jī)床工業(yè)廠多人眾。2000 年，金切機(jī)床制造廠約 358 家(20.6 萬人)，成形機(jī)床制造廠 191 家(約 6.5 萬人)，共計 549 家(27.1 萬人)。其中生產(chǎn)數(shù)控金切機(jī)床的約 150 家，生產(chǎn)數(shù)控成形機(jī)床的約 30 家，共計約 180 家，占廠家總數(shù)的 1/3。2001年金切機(jī)床產(chǎn)量 19.2 萬臺，內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床 17,521 臺，約占 9%?？偟膩碚f：數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量不斷增長，2001 年為 1991 年的 3.6 倍；進(jìn)口量增長較快，達(dá) 29 倍，出口量有所增加，但數(shù)目較小，為 4.8 倍；數(shù)控機(jī)床消費(fèi)量增加較快，達(dá) 7.9倍。產(chǎn)量滿足不了社會發(fā)展的需求。在 20 余年間，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計、制造、使用和維護(hù)的人才；通過合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)的差距；通過利用國外先進(jìn)元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨(dú)立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機(jī)床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“ 機(jī)電法” 、 “機(jī)信法”那樣的指引；嚴(yán)重缺乏各方面專家人才和熟練技術(shù)工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力 [3]。1.2.2 進(jìn)給系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀第 7 頁數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元、驅(qū)動元件、機(jī)械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。機(jī)械傳動部件和執(zhí)行元件組成機(jī)械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)，后者則完全置機(jī)械傳動部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機(jī)械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內(nèi)。開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉。由于影響定位精度的機(jī)械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機(jī)械傳動部件在控制環(huán)內(nèi)，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且還與機(jī)械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機(jī)床的要求比較高，且造價也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價低等特點(diǎn)而被廣泛采用。直流伺服電動機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動機(jī)的容量和速度。電動機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動機(jī)效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體第 8 頁體現(xiàn)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)：數(shù)字控制，是一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成。1. 信息載體信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床上加工一個零件所必需的各種信息，以控制機(jī)床的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過相應(yīng)的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機(jī)床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過竄行口將計算機(jī)上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級的數(shù)控系統(tǒng)可能還包含一套自動編程機(jī)或者 CAD/CAM 系統(tǒng)。2. 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經(jīng)計算和處理后去控制機(jī)床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機(jī)外，其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)、CRT、鍵盤、面板、機(jī)床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組成。數(shù)控裝置控制機(jī)床的動作可概括為：機(jī)床主運(yùn)動、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動、刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償、其它輔助運(yùn)動等。3. 伺服系統(tǒng)它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動部件,它接受數(shù)控裝置發(fā)來的各種動作命令，驅(qū)動受控設(shè)備運(yùn)動。伺服電動機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、電液馬達(dá)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。第 9 頁4. 機(jī)床它是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但也做了很多改進(jìn)和提高，它的主要特點(diǎn)是：由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動鏈較短；為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)地自動化加工，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較小；更多地采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌等；不少數(shù)控機(jī)床還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機(jī)床工作效率 [1]。數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動機(jī)床、精密機(jī)床和萬能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動特性的改善以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動等方面都有很高的要求。伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自 CNC 裝置的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動。這些軸有的帶動工作臺，有的帶動刀架，通過幾個坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳動部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。它包含機(jī)械、電子、電機(jī)(早期產(chǎn)品還包含液壓)等各種部件，并涉及到強(qiáng)電與弱電控制，是一個比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當(dāng)高的技術(shù)性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，的確是一個相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示：由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。第 10 頁伺服系統(tǒng)對伺服電機(jī)的要求：1） 從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。2） 電機(jī)應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載 4-6 倍而不損壞。3） 為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受 4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在 0.2s 以內(nèi)從靜止啟動到額定轉(zhuǎn)速。4） 電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字 PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高 [4]。圖 1.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第 11 頁1.2.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代化發(fā)展的大趨勢。當(dāng)前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備的發(fā)展呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：（1）高精度化 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新材料及新零件的出現(xiàn)，對精密加工技術(shù)不斷提出新的要求，提高加工精度，發(fā)展新型超精密加工機(jī)床，完善精密加工技術(shù)，適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展，已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展之一。其精度已從微米級到亞微米級，乃至納米級。提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度，一般可通過減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)來實(shí)現(xiàn)提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。（2）高速化 提高生產(chǎn)率是數(shù)控機(jī)床追求的基本目標(biāo)之一。數(shù)控機(jī)床高速化可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度，對制造野實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)具有廣泛的適用性。（3）高柔性化 采用柔性自動化設(shè)備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率，縮短生產(chǎn)周期，適應(yīng)市場變化需求和提高競爭力的有效手段。數(shù)控機(jī)床在提高單機(jī)柔性化的同時，朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。（4）高自動化 高自動化是指在全部加工過程中盡量減少人的介入而自動完成規(guī)定的任務(wù)，它包括物料流和信息流的自動化。（5）智能化 隨著人工智能在計算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透與發(fā)展，為適應(yīng)制造業(yè)生產(chǎn)柔型化、自動化發(fā)展需要，智能化正成為數(shù)控機(jī)床研究和發(fā)展的熱點(diǎn)，它不僅貫穿在生產(chǎn)加工的全過程（如智能編程、智能數(shù)據(jù)庫、智能監(jiān)控），還貫穿在長品的售后服務(wù)和維修中。第 12 頁（6）復(fù)合化 復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已模糊了粗、精加工工序的概念。（7）高可靠性 數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的。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，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性。（8）網(wǎng)絡(luò)化 為了適應(yīng) FMC、FMS 以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成 CIMS 的要求，先進(jìn)的CNC 系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)能力，除有 RS232 串行接口、RS422 等接口外，還帶有遠(yuǎn)程緩沖功能的 DNC 接口，可以實(shí)現(xiàn)幾臺數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信和直接對幾臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。（9）開放式體系結(jié)構(gòu) 20 世紀(jì) 90 年代以后，計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動數(shù)控機(jī)床技術(shù)更快地更新?lián)Q代，世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用 PC 機(jī)豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng) [4]。1.3 課題研究內(nèi)容和方法1.3.1 課題研究內(nèi)容本課題設(shè)計的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下：工件最大回轉(zhuǎn)直徑：?400mm；最大加工直徑：?280mm橫向最大行程（X 軸）：180 mm；縱向最大行程（Z 軸）：650 mm最大車削長度：500mmm；X,Z 軸的最小設(shè)定單位：0.001mm主軸最大/最小轉(zhuǎn)速：R=100-200 4000/45r/min快速進(jìn)給速度：橫向：8 m/min；縱向:15m/min刀架估計質(zhì)量：150kg；1.3.2 研究方法第一步，明確設(shè)計要求，找出研究重難點(diǎn)：普通數(shù)控車床最基本的要求是精度達(dá)第 13 頁標(biāo)，穩(wěn)定可靠，操作、維修、保養(yǎng)方便，壽命較長，此外力求外型美觀。第二步，進(jìn)工廠觀摩，大量收集國內(nèi)外相關(guān)資料。吸取專家的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。第三步，初步確定總體設(shè)計方案：1、 軟件方面：綜合考慮功能、價格、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便等因素，以及數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能是否與 CK6140 的性能相匹配。選擇了SINUMERIK 802D 機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)。2、 硬件方面：（1） 根據(jù)機(jī)床性能要求，確定機(jī)床支撐件結(jié)構(gòu)形式為斜床身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行總體布局；（2） 選擇主電機(jī)。根據(jù)切削力大小及機(jī)床的變速要求，初步確定主電機(jī)型號；（3） 設(shè)計主傳動系統(tǒng)及箱體。由主電機(jī)的變速范圍，確定變速箱的減速級數(shù)及傳動方式。1.4 論文構(gòu)成1. 機(jī)床總體設(shè)計方案及總體布局圖2. 主傳動系統(tǒng)設(shè)計3. 橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計4. 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計5. CK20 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計6. 典型零件的數(shù)控車削加工程序編制7. 外文資料文獻(xiàn)翻譯8. 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文（說明書）第 14 頁2 總體設(shè)計2.1 床身和導(dǎo)軌設(shè)計(1)床身 機(jī)床的床身是整個機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，是機(jī)床的主體，一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。床身的結(jié)構(gòu)對機(jī)床的布局有很大的影響。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身有圖 1 所示的 5 種布局形式。一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運(yùn)動精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)檫@種布局形式具有以下特點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；機(jī)床外形整齊、美觀，占地面積??；容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置；容易排屑和安裝自動排屑器； 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度； 宜人性好，便于操作； 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化。這次設(shè)計中，我們采用的是 45 度斜床身。(2)導(dǎo)軌 車床的導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。 滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻第 15 頁力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點(diǎn)。滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。這次設(shè)計中采用的是新型塑料滑動導(dǎo)軌。機(jī)床床身的五種結(jié)構(gòu)形式圖示如下：(a) 斜床身—斜滑板 (b) 直立床身—直立滑板 (c) 平床身—平滑板(d) 前斜床身—平滑板 (e) 平床身—斜滑板圖 1.1 床身結(jié)構(gòu)示意圖2.2 主軸系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時，只能把機(jī)床停止，然后第 16 頁手動變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。主軸電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩。這次設(shè)計中采用二級機(jī)械變速機(jī)構(gòu)。2.3 刀架系統(tǒng)設(shè)計數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計和制造技術(shù)水平。按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。(1) 排式刀架排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。這種刀架在刀具布置和機(jī)床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿 X 軸移動預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動作。這種換刀方式迅速省時，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。(2) 回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝 4 把、6 把或更多的刀架。(3) 帶刀庫的自動換刀裝置上述排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個刀架，對刀具的數(shù)目也有一定限制。第 17 頁基于以上原因，本次設(shè)計中采用六工位臥式回轉(zhuǎn)刀架。3 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計3.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求數(shù)控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動要求以外，還提出以下要求：1、 具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；2、 具有較高的精度和剛度、傳動平穩(wěn)，噪聲低；3、 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。3.2 總體設(shè)計3.2.1 擬定傳動方案數(shù)控機(jī)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(diào)速范圍內(nèi)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(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電機(jī)作為驅(qū)動源的電氣無級變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動的調(diào)速范圍大（R=100—200） ，單靠調(diào)速電機(jī)無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭轉(zhuǎn)矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求匹配。因此，數(shù)控機(jī)床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級變速傳動，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和扭矩特性。為簡第 18 頁化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動方案如圖 2.1；3.2.2 選擇電機(jī)1、選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題：（1）根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機(jī)類型。（2）根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機(jī)的溫升限制、過載能力額啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機(jī)功率，并確定冷通風(fēng)方式。所選電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取 0.8—0.9。（3）根據(jù)使用場所得環(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(hù)措施，選擇電動機(jī)的機(jī)構(gòu)型式。（4）根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因素的要求，確定電動機(jī)的電壓等級和類型。第 19 頁（5）根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護(hù)等等因素。2、電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式的選擇由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能（旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等） ，因此，主軸選擇選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的。總的來說，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表一簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能。表 1.1 理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能項(xiàng)目 內(nèi)容第 20 頁高性能1、低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩2、寬恒功率范圍，并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩3、高旋轉(zhuǎn)精度4、高動態(tài)響應(yīng)5、高加減速，起制動能力6、具有強(qiáng)魯棒性，能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化7、高效率，低噪聲。低價格 低夠買價格，低維護(hù)價格，低服務(wù)價格通用要求 耐用性，可維護(hù)性，安全可靠性。感應(yīng)電動機(jī)交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點(diǎn)幾 KW 到上百 KW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。經(jīng)過對比分析本設(shè)計中決定采用 FANUaci 系列交流主軸電機(jī)。aci 系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速、高精控制，并使機(jī)床更緊湊。3、電動機(jī)容量的選擇選擇電動機(jī)容量就是合理確定電動機(jī)的額定功率。決定電動機(jī)功率時要考慮電動機(jī)的發(fā)熱、過載能力和啟動能力三方面因素，但一般情況下電動機(jī)容量主要由運(yùn)行發(fā)熱條件而定。電動機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)，只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計算，本設(shè)計中電機(jī)容量按以下步驟確定：（1） 確定主軸切削力切削力的大小可用各種測力儀測得，也可用實(shí)驗(yàn)得出的近似公式計算：第 21 頁(2.1)PZXYZFCtsk?(2.2) vPZhPZk??料(2.3)PZXYZvhPZFtskk???料 (公 斤 力 )式中 ——系數(shù)。決定于工件材料和加工方法，在一定的切削條件（v、s、tPZC固定）下， 為一常數(shù)。 大表示工件材料的加工性差； 小表示工件材料的加PZ PZC工性好。k——總的修正系數(shù)。決定于工件材料、切削用量和刀具幾何形狀等?！謩e為工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨損限vPZhPZk??料度對 P 的修正系數(shù)。、 ——指數(shù)。一般情況下 。這說明吃刀深度對切削力的影響要比ZXYPZXY走刀量對切削力的影響大。下表所列為的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)。這些系數(shù)在下列條件下制定：刀片材料為硬質(zhì)合金，工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼， ， ， ，275/b??公 斤 力 毫 米 50/v?米 分 45???， ，后刀面磨損限度 h=0.9-1.2 毫米，切削時不用冷卻液，車削外圓。10??????它們的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)之值也各有不同，可從有關(guān)手冊中查得。表 2.1系 數(shù) 及 指 數(shù)工件材料 PZCPZXPZY結(jié)構(gòu)鋼 167 1．0 0．75第 22 頁修 正 系 數(shù)b??40 50:50 60 60 70:70 80 80 90:90 100工 件材 料 =PZk料 0．84 0．90 0．95 1．0 1．04 1．09v= 50 100 200 300 400 500切 削速 度 =vPZk1．0 0．90 0．82 0．77 0．74 0．71φ= 30° 45° 60° 70° 90°主 偏角 =PZk?1．08 1．0 0．94 0．94 0．89γ= +20° +10° 0° -10° -20°前 角=PZk?0．90 1．0 1．1 1．2 1．3h= 0．9 1.2:1.5 2.0:后刀面磨損限度=hPZk1.0 1.05=167, =1.0, =0.75 取 =1.09， =1.08PZCZXZYPZk料 PZk?=0.9， =1.3， =1.05vkP?hPk切深 t 取 5mm，進(jìn)給量取 0.3mm/r。= 切削速度 V=105m/min切 削 10260ZZFvkw??=P切 削 489.51.397Z k（2） 確定電機(jī)輸出功率 Pd第 23 頁P(yáng)?切 削d=傳動裝置的總效率： = 123其中， —圓柱直齒輪傳動效率，由機(jī)械設(shè)計手冊表 1-7 查得 =0.98?1 ?1—II 軸軸承效率，由設(shè)計手冊 1-7 查得 =0.99×0.99=0.982 2—III 軸（主軸）軸承效率，由設(shè)計手冊表 1-7 查得 =0.99×0.99=0.98?3 ?3由此 =0.98×0.98×0.98×0.98=0.922.故， 8.397.102Pkw?切 削d=（3） 選擇電動機(jī)額定功率 edp如前所述，電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取 0.8～0.9，所以電動機(jī)額定功率選取為 11kw（4） 電動機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇由資料【10】 ，表 22-1-9，小功率電機(jī)一般選為 380v 電壓。所以本電機(jī)的電壓可選為 380v。同一類型的、功率相同的電動機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動機(jī)，其尺寸和重量小，價格較低，但會使轉(zhuǎn)動裝置的傳動比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動機(jī)澤情況相反。要綜合考慮電機(jī)性能、價格、車床性能要求等因素來選擇。本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速范圍要求為 35 ～4000 。由于只有一根中間傳/minr/inr動軸，傳動鏈較短，因此變速級數(shù)較少，故對電動機(jī)恒定變速范圍以及整個變速范圍要求較高。第 24 頁Ⅰ軸上齒輪傳動比確定為 ，Ⅱ軸上兩對直齒輪的傳動比分別為 ， 。12/i?29/16i?38/7i所以兩條齒輪鏈中，高速傳動鏈傳動比 ，低速傳動鏈傳動比12/916/8i??。由此可得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍：132/8736/i??max min409/450/,356/7180/minnrr?????（5） 確定電動機(jī)的型號由前面信息，可選取 FANUC 交流電機(jī)，型號為 ac12／6000i。這種電機(jī)轉(zhuǎn)速非常平穩(wěn)，采用 160，000，000／rev 的超高分辨率位置編碼器，通過線圈切換可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高速、高加速控制，作為 a 系列的后續(xù)產(chǎn)品，具有更先進(jìn)的節(jié)能效果。電機(jī)參數(shù)如下表所示：表 2.2 電機(jī)參數(shù)型號 額定功率 連續(xù)30min 功率最低轉(zhuǎn)速 最高轉(zhuǎn)速 重量 震動 冷卻ac12／6000i11kw 15kw 1500r／min4500r／min95Kg V5 56W機(jī)座長為 465mm，電機(jī)軸徑為 48mm，軸伸為 110mm，中心高為 132mm，2．2.3 計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩1、各軸計算轉(zhuǎn)速首先估算主軸的計算轉(zhuǎn)速，由于采用的無極調(diào)速，所以采用以下公式： 0.30.3max3in4()5()15/minr??然后通過傳動比計算傳動軸和電機(jī)軸的計算轉(zhuǎn)速，第 25 頁231458/732.9/minnir???1216/ii1edpkw?1120.9810.6kw???:411242p??4、 各軸輸入轉(zhuǎn)矩 1950/74610.82TNm???:2./3.939501./45671.T???:將以上計算結(jié)果整理后列于表 2.2.供以后計算選擇，供以后計算使用：表 2.3 各軸的傳動參數(shù)參數(shù) 軸 Ⅰ軸（電機(jī)軸） Ⅱ軸（中間傳動軸） Ⅲ軸（主軸）計算轉(zhuǎn)速（r／min）746 373 145輸入功率（Kw） 11 10.6 10.2轉(zhuǎn)矩（N·m） 140.82 271.39 671.79傳動比 12/i? ，29/16i?38/7i2.2.4 轉(zhuǎn)速圖第 26 頁由電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍（包括恒定功率變速范圍）和各軸的傳動比，作數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速圖，見圖所示3.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3.1 I 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計I 軸上的零件主要是齒輪 1.一端用凸臺定位，另一端用緊定螺釘定位。1． 選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)。根據(jù)選定的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。（1） 本設(shè)計屬于金屬切削機(jī)床類，一般齒輪傳動，故用 6 級精度。（2） 材料選擇。選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS，滿足要求。（3） 選小齒輪齒數(shù) =35，大齒輪齒數(shù) =2×35=701z2z第 27 頁2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計由機(jī)械設(shè)計計算公式 8.21 進(jìn)行試算：≥1td??2321.tkuEHz??????????1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值（1） 試選載荷系數(shù) =1.3tk（2） 計算小齒輪傳遞的扭矩：由上文知為 140N.m（3） 由表 8.6 選取齒寬系數(shù) =0.5d?（4） 由表 8.5 查得材料的彈性影響系數(shù) =Ez1/289.MPa（5） 由圖 8.15 得重合度系數(shù) =0.90，由圖 8.14 得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.5? Hz（6） 由圖 8-28(e)(a)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；lim160MPa??大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；lim250HMPa??（7） 由式 8.28 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： ；91607461502.410hNnL????921/.2i?（8） 由圖 8.29 查得接觸疲勞壽命系數(shù) 120.9;.5NNz?（9） 計算接觸疲勞許用應(yīng)力：取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由式 8.26 得： 1lim10.96540HNMPaSK?????????第 28 頁2lim20.95528HNMPaSK?????????2） 計算（1） 小齒輪分度圓直徑 ：1td≥ = =96.047m1td??2321.tkuEHz?????????? 253.140821. 9.8?????????m（2） 計算圓周速度 VV= 13.496.073.5/601tdnms????（3） 計算齒寬 bb= =0.5×96.047=48.024mmd?1.t（4） 計算齒寬與齒高之比 b/h模數(shù) 齒高 h=1/96.047/352.74ttmmz??2.5.2746.15tmm??b/h=48.024/6.175=7.78（5）計算載荷系數(shù)根據(jù) V=3.75m/s，6 級精度，由圖 8.7 得動載系數(shù) 1.07vK?由表 8.4 查得齒間載荷分配系數(shù) 1.2K??由表 8.3 查得使用系數(shù) .5A由圖 8.11 查得齒向載荷分布系數(shù) 1.24??第 29 頁故載荷系數(shù)：K= 1.2507.124.985AVK?????（6） 因 K 與 有較大差異故需進(jìn)行修正：t3110.6ttdm?（7） 計算模數(shù) m m= 10.635.1dz?3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計彎曲強(qiáng)度設(shè)計公式： ??132.KTFaSmdzY?????????1) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值（1） 由圖 8.28(f)(b)查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ;大齒輪的彎曲疲150FEMPa??勞強(qiáng)度極限 2380FEMPa??（2） 由圖 8.30 得彎曲疲勞壽命系數(shù) 120.8,.5NNY?（3） 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，得：， ??10.8259.864NFEFYPaS???（4） 計算載荷系數(shù) K：K=1.894（5） 查取齒形系數(shù)：由圖 8.19 查得 12.45;.FaFaY?（6） 查取應(yīng)力校正系數(shù)：由圖 8.20 查得 12.6;1.75SaSaY?第 30 頁（7） 計算大小齒輪的 并加以比較??FaSY???12.4560.1389FaSY?????2.41750.693FaSY???大齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計計算： =??132.KTFaSmdzY?????????53221.894.01.692.4m???對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲強(qiáng)度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù) 2.46 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=2.5mm,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 ，算出小齒輪齒10.6d?數(shù)：大齒輪齒數(shù)10.6/254z?2148zu??這樣設(shè)計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，由滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。5. 幾何尺寸計算1）計算分度圓直徑：1242.5108dzmm???2）計算中心距：12()/(102)/165ad????