839 數(shù)控車床設(shè)計(jì)

839 數(shù)控車床設(shè)計(jì),數(shù)控車床,設(shè)計(jì) - 1 -目錄0 摘要-3-1 引言.-6-第一章 設(shè)計(jì)方案的確定 .- 9 -一 總體設(shè)計(jì)方案的確定 .- 9 -二 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .- 10 -（一）縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型 .- 10 -(二) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .- 15 -第二章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 .- 19 -一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用原則 .- 19 -二步進(jìn)電機(jī)的選型 .- 20 -（一）縱向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 .- 20 -（二）橫向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 .- 20 -（三）110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) .- 20 -（四）110BF004 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) .- 21 -第三章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選型 .- 21 -第四章 電動(dòng)刀架的選型 .- 22 -第五章 編制零件工序及數(shù)控程序?qū)嵗?.- 23 -一機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 .- 23 -（一）車床縱向運(yùn)動(dòng)由 Z 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制 .- 23 - 2 -（二）車床橫向運(yùn)動(dòng)由 X 向步時(shí)電動(dòng)機(jī)控制 .- 23 -二程序設(shè)計(jì) .- 23 -（一）數(shù)控機(jī)床參數(shù)及約定 .- 23 -(二) 編程參數(shù)說(shuō)明 .- 23 -參考文獻(xiàn) .- 27 -體會(huì) .- 28 - 3 -摘要1947 年，Parsons 公司的 John Parsons 著手進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他想用空間數(shù)據(jù)控制機(jī)床加工飛機(jī)零件。1949 年，Parsons 公司與美國(guó)空軍簽定了制造第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的合同。1951 年， 美國(guó)麻省理工學(xué)院承擔(dān)了這一項(xiàng)目。1952 年，麻省理工學(xué)院（MIT）使用實(shí)驗(yàn)室制造的控制器和辛辛那提立式主軸展示三軸聯(lián)動(dòng)獲得成功，這標(biāo)志著數(shù)控時(shí)代的到來(lái)。到了 1955年，幾經(jīng)改進(jìn)之后，數(shù)空技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于生產(chǎn)。早期的 NC 機(jī)床能運(yùn)行穿孔卡和穿孔帶，兩者中以穿孔帶更為通用。但是，鑒于更換、編輯紙帶費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后來(lái)便采用計(jì)算機(jī)作為編程的輔助工具。計(jì)算機(jī)在數(shù)控中的應(yīng)用有兩種形式：一是計(jì)算機(jī)輔助編程語(yǔ)言，二是實(shí)施直接數(shù)字控制（DNC） ，有了計(jì)算機(jī)輔助編程語(yǔ)言，程序員可用一套通用“混雜英語(yǔ) ”命令編寫 NC 程序，然后由計(jì)算機(jī)將其釋譯為機(jī)器碼并制成穿孔帶。直接數(shù)字控制是指用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)施部分或整體控制。雖然有些公司運(yùn)用 DNC 已獲得成功，但是，擴(kuò)大計(jì)算機(jī)容量、購(gòu)買軟件、協(xié)調(diào) DNC 系統(tǒng)等花費(fèi)使這種系統(tǒng)并不適合所有公司，而只適用于一些大公司。最近，一種叫做分布式數(shù)字控制的新型 DNC 系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，它用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)調(diào)多臺(tái) DNC 機(jī)床的運(yùn)行。這種方式最終有可能用來(lái)協(xié)調(diào)整個(gè)工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)。這種分布式數(shù)字控制方法解決了協(xié)調(diào)直接數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)遇到的一些難題。在此基礎(chǔ)上，人們還開(kāi)發(fā)出另一種分布式數(shù)字控制系統(tǒng)，其整個(gè) NC 程序可從主機(jī)直接傳輸?shù)綑C(jī)床控制器。另外，該系統(tǒng)也可在必要時(shí)將程序從主機(jī)傳輸?shù)杰囬g的個(gè)人電腦（PC） ，然后再傳輸?shù)綑C(jī)床控制器工業(yè)機(jī)器人是在生產(chǎn)環(huán)境中用以提高生產(chǎn)效率的工具,它能做常規(guī)乏味的裝配線工作,或能做那些對(duì)于工人來(lái)說(shuō)是危險(xiǎn)的工作,例如,第一代工業(yè)機(jī)器人是用來(lái)在核電站中更換核燃料棒,如果人去做這項(xiàng)工作,將會(huì)遭受有害放射線的輻射。工業(yè)機(jī)器人亦能工作在裝配線上將小元件裝配到一起，如將電子元件安放在電路印制板，這樣，工人就能從這項(xiàng)乏味的常規(guī)工作中解放出來(lái)。機(jī)器人也能按程序要求用來(lái)拆除炸彈，輔助殘疾人，在社會(huì)的很多應(yīng)用場(chǎng)合下履行職能。機(jī)器人可以認(rèn)為是將手臂末端的工具、傳感器和（或）手爪移到程序- 4 -指定位置的一種機(jī)器。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)位置后，它將執(zhí)行某種任務(wù)。除了編程以及系統(tǒng)的開(kāi)停之外，一般來(lái)說(shuō)這些工作可以在無(wú)人干預(yù)下完成。關(guān)鍵字：加工精度，設(shè)計(jì)方案，分配，參數(shù)- 5 -0 引言回顧即將過(guò)去的 20 世紀(jì)，人類取得的每一項(xiàng)重大科技成果，無(wú)不與制造技術(shù)，尤其與超精密加工技術(shù)密切相關(guān)。在某種意義上，超精密加工擔(dān)負(fù)著支持最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的重要使命。超精密加工技術(shù)在航天運(yùn)載工具、武器研制、衛(wèi)星研制中有著極其重要的作用。有人對(duì)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)及盟國(guó)武器系統(tǒng)與超精密加工技術(shù)的關(guān)系做了研究，發(fā)現(xiàn)其中在間諜衛(wèi)星、超視距空對(duì)空攻擊能力、精確制導(dǎo)的對(duì)地攻擊能力、夜戰(zhàn)能力和電子對(duì)抗技術(shù)方面，與超精密加工技術(shù)有密切的關(guān)系。可以說(shuō)，沒(méi)有高水平的超精密加工技術(shù)，就不會(huì)有真正強(qiáng)大的國(guó)防。超精密車床要求其數(shù)控系統(tǒng)具有高編程分辨率（1nm）和快速插補(bǔ)功能（插補(bǔ)周期 0.1ms） ?；?PC 機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）的主從式硬件結(jié)構(gòu)是超精密數(shù)控的潮流，如美國(guó)的 NAN OPATH 和 PRECITECHS ULTRAPATH TM 都采用了這一結(jié)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件運(yùn)動(dòng)控制模塊（PM AC）開(kāi)發(fā)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使此類數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和可重構(gòu)性得到提高。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的 YH1 型數(shù)控系統(tǒng)采用 ASW824 工業(yè)一體化 PC 工作站為主機(jī)，用 ADSP2181 信號(hào)處理器模塊構(gòu)成高速下位伺服控制器。模塊化、構(gòu)件化是超精密車床進(jìn)入市場(chǎng)的重要技術(shù)手段，如美國(guó)ANORAD 公司生產(chǎn)各種主軸、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái)，用戶可根據(jù)各自的需要組成一維、兩維和多維超精密運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)和車床。研制超精密車床時(shí)，布局就顯得非常關(guān)鍵。超精密車床往往與傳統(tǒng)車床在結(jié)構(gòu)布局上有很大差別，流行的布局方式是“T”型布局，這種布局使車床整體剛度較高，控制也相對(duì)容- 6 -易，如 Pneumo 公司生產(chǎn)的大部分超精密車床都采用這一布局。模塊化使車床布局更加靈活多變，如日本超硅晶體研究株式會(huì)社研制的超精密車床，用于車削超大硅晶片,采用三角菱形五面體結(jié)構(gòu)，用于提高剛度；德國(guó)蔡司公司研制了 4 軸精密車床 AS100，用于加工自由形式表面，該車床除了X、Z 和 C 軸外，附加了 A 軸，用于加工自由表面時(shí)控制砂輪的車削點(diǎn)。此外，一些超精密加工車床是針對(duì)特殊零件而設(shè)計(jì)的，如大型高精度天文望遠(yuǎn)鏡采用應(yīng)力變形盤加工，一些非球面鏡的研拋加工采用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）加工，這些車床都具有和通用車床完全不同的結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，超精密車床的結(jié)構(gòu)有其鮮明的個(gè)性，需要特殊的設(shè)計(jì)考慮和設(shè)計(jì)手段。為保證超精密車床有足夠的定位精度和跟蹤精度，數(shù)控系統(tǒng)必須采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，高精度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是進(jìn)行全閉環(huán)控制的必要條件。雙頻激光干涉儀具有高分辨率（如 ZYGO AX10MTM 2/20 分辨率為 1.25nm）與高穩(wěn)定性，測(cè)量范圍大，適合作車床運(yùn)動(dòng)線位移傳感器使用。但是雙頻激光干涉儀對(duì)環(huán)境要求過(guò)于苛刻，使用和調(diào)整非常困難，使用不當(dāng)會(huì)大大降低精度。根據(jù)我們的使用經(jīng)驗(yàn)，德國(guó) Heidenhain 公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密車床運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，如該公司 LI P401,材料長(zhǎng)度 220mm，分辨率為 2nm，采用Zerodur 材料制成幾乎達(dá)到零膨脹系數(shù)（0.1ppm/k） ，動(dòng)靜尺間隙為0.60.1mm，對(duì)環(huán)境要求低，安裝和使用方便，如 Nanoform2500 和 Opt imum2400 超精密車床都使用了 Heidenhain 光柵尺。在數(shù)控軟件方面，開(kāi)放性是一個(gè)發(fā)展方向。國(guó)外有關(guān)開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的研究有歐共體的 OS ACA、美國(guó)的 OMAC 和日本的 OSEC。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)在- 7 -此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)件化多自由度運(yùn)動(dòng)控制軟件，可根據(jù)車床成形系統(tǒng)的布局任意組裝軟件，符合車床模塊化發(fā)展的方向。1.序言課題簡(jiǎn)介：本課題是圍繞將普通機(jī)床設(shè)計(jì)成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床展開(kāi)設(shè)計(jì)的，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是指價(jià)格低廉、操作使用方便，適合我國(guó)國(guó)情的裝有簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動(dòng)化機(jī)床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，常希望對(duì)原有舊機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實(shí)的的生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價(jià)格。價(jià)格便宜、性能價(jià)格比適中是其最主要的特點(diǎn)，特別適合在設(shè)備中占有較大比重的普通車床設(shè)計(jì)，適合在生產(chǎn)第一線大面積推廣。企業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控型系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)后，將提高產(chǎn)品加工精度和批量生產(chǎn)的能力，同時(shí)又能保持“萬(wàn)能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設(shè)備自身對(duì)產(chǎn)品更新?lián)Q代的應(yīng)變能力，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。利用微機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)有的普遍車床，主要應(yīng)該解決的問(wèn)題是如何將機(jī)械傳動(dòng)的進(jìn)給和手工控制的刀架轉(zhuǎn)位，進(jìn)給設(shè)計(jì)成由計(jì)算機(jī)控制的刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位以及自動(dòng)進(jìn)給加工車床，即經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)是非常有必要的。數(shù)控機(jī)床可以很好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及多變零件的加工問(wèn)題。能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通車床的數(shù)控設(shè)計(jì)，大有可為。它適合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國(guó)設(shè)備技術(shù)設(shè)計(jì)主要- 8 -方向之一。第一章 設(shè)計(jì)方案的確定一 總體設(shè)計(jì)方案的確定由于是對(duì)車床進(jìn)行數(shù)控設(shè)計(jì)，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足使用前提下，對(duì)同床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。根據(jù)這一原則，決定數(shù)控系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制；傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)；驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)采用 JWK型系統(tǒng)；刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。這樣車床既保留原有功能，又減少了設(shè)計(jì)數(shù)量。二 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與計(jì)算將普通車床設(shè)計(jì)成數(shù)控機(jī)床，除了增加控制系統(tǒng)外，機(jī)械部分也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，其中包括：縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，以及自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的選型。（一）縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型1、經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床的設(shè)計(jì)，采用步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)縱向進(jìn)給，有兩種方案：一種是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母固定在溜板箱上；第二種是縱絲杠固定、電機(jī)安裝在溜板箱上，驅(qū)動(dòng)螺母?jìng)鲃?dòng)。對(duì)于車床的設(shè)計(jì)而言，采用第一種方案顯然簡(jiǎn)單易行。所以步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。從改裝方便，實(shí)用等方面考慮，所以將步進(jìn)電機(jī)放在絲杠的左端。2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，已知條件：工作臺(tái)重量：W=80kgf=800N時(shí)間常量： T=25ms行 程： s=640mm步 驅(qū) 角： 2=0.75 o/step快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/ms脈沖當(dāng)量： 8p=0.01mm/8tep（1）切削力的計(jì)算由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得公式 No=Nd （公式一）其中 N O 為傳動(dòng)件的額定功率Nd主電機(jī)的額定功率，見(jiàn)使用說(shuō)明書得：Nd=4.5 kw 從電機(jī)到所計(jì)算的傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率（不含軸承的效率）從電機(jī)到傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)皮帶輪和齒輪兩種傳動(dòng)件傳動(dòng)，所以- 9 -=n 1n2 由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得 n1 =0.96 n2=0.99所以：=0.960.99=0.9504 取 =0.95 即 N=40.95=3.8（kw）又因?yàn)橹鱾鲃?dòng)系統(tǒng)效率一般為 0.60.7 之間，所以取 0.65所以 NC（進(jìn)給效率）=3.80.65=2.47（kw）由機(jī)械加工工藝手冊(cè)得 Pm= 9.8 （公式二）3106VsFZ 2z式中 Vs 切削速度，設(shè)當(dāng)其為中等轉(zhuǎn)速，工件直徑為中等時(shí)，如 D=40mm 時(shí)，取 Vs=100m/min主切削力FZ = =151.164（Rgf）=1511.64N6120.47由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得主切削力FZ=CFzapxfxfyfzkfz(經(jīng)驗(yàn)公式) CFza pxfx fyfz kfz (公式三)對(duì)于一般切削情況，切削力中的指數(shù) xfx1FZ=0.75 Kfz0CFZ=188kg/ 2=1880MpaF2 的計(jì)算結(jié)果如下：- 10 -ap() 2 2 2 3 3 3f() 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4Fz(N) 105 1524 1891 1681 2287 2837為便于計(jì)算,所以取 Fz=1511.7N,以切削深度 ap=2走刀量 f=0.3為以下計(jì)算以此為依據(jù)。由機(jī)械床設(shè)計(jì)手冊(cè)得，在一般外圓車削時(shí)，F(xiàn)x（0.10.6）FZFy(0.150.7)Fz取 Fx=0.5 Fz Fy=0.6FzFx=0.51511.7=755.9(N)Fy=0.6 Fz=0.61511.7=907.0(N)（2）滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算由經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床總設(shè)計(jì) ，綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力得P=RGx+f（Fz+w） (公式四)其中 R=1.15 , f=0.150.18 取 f=0.16P=1.15755.9+0.16(1511.7+800)=1239.2(N)強(qiáng)度計(jì)算 1壽命值 Li= （公式五）60nTini= （公式六）oDvf由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得 Ti=15000h,原機(jī)床絲杠螺距為 60， D=80ni= =19.920(r/min)14.3680Li= =1852最大動(dòng)負(fù)Q= PfwfH (公式七)3Li其中 運(yùn)載系數(shù) fw=1.2硬度系數(shù) Fh=1Q= 1.21239.21318=3897.1(N)根據(jù)最大動(dòng)力負(fù)載荷 Q 的值，查表選擇滾珠絲杠的型號(hào)為 W50103.51，查表得數(shù)控車床的縱向精度為 B 級(jí)，左旋即型號(hào)為 W50103.51/B9001000其額定載荷是 3970N效率計(jì)算 2- 11 -根據(jù)機(jī)械基礎(chǔ)得，絲杠螺母副傳動(dòng)效率為= (公式八)4(rtg由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得 4 一般為 812取 4=10即：摩擦角 4=10，螺旋升角（中徑處）r=3 O25則 = =0.953)01523(tg剛度驗(yàn)算 3滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程變化量L1= (公式九)EFLo其中 L O=10=1E=20.6106N/ 2滾珠絲杠橫截面積F=( ) d 為滾珠絲杠外徑2a=（ ） 23.145.48=18.47( 2)則L1= =3.25610-63.27um47.1806.39查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) ，B 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（900螺絲長(zhǎng)度）為 25nm/m ，因此，絲杠的剛度符合要求。即剛度足夠。穩(wěn)定性驗(yàn)算由于原機(jī)床杠徑為 30，現(xiàn)選用的滾珠絲杠為 50，支承方式不變。所以，穩(wěn)定性不成問(wèn)題，無(wú)需驗(yàn)算。齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算 5此齒輪為普通減速器的齒輪且減速器為一般機(jī)器，沒(méi)有特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)尺寸和易于取材的原則出發(fā)，決定小齒輪選用 45 鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬定為217255HBS。大齒輪選用 45 正火，齒面硬度 169217 HBS。傳動(dòng)比 i= 360892OL其中 2 表示步驅(qū)角，89 表示脈沖當(dāng)量i= =2.11.75取齒數(shù) z1=30, Z2=63模數(shù) m=2mm, 嚙合角為 200，小齒輪齒寬為 25，大齒輪齒寬 20。d1=mz1=230=30- 12 -d2=mz2=263=126da1=m(z1+2)=2(30+2)=64a= = =9321d160齒輪傳動(dòng)精度計(jì)算齒輪圓周速度 VV= = =4.2(m/s)4106dn4061.3根據(jù)齒輪圓周速度和對(duì)噪音的要求確定齒輪精度等級(jí)側(cè)隙分別為：小齒輪：8GJ大齒輪：8FL傳動(dòng)慣量的選擇 6工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=( )2W8910兀 =( )28075.43= 0.467kg. 2絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=7.810-4D4L1=7.8-4(50) 414.9=7.26(kg. 2)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ1=7.810-4(60) 42=2.02(kg. 2)JZ1=7.810-4(126) 42=39.32(kg. 2)由于電機(jī)的傳動(dòng)慣量很小，一般可忽略不記所以總的傳動(dòng)慣量為J 總= (Js+Jz2)+Jz1+J121i= (7.26+39.32)+2.022+0.467.=14.50(kg. 2)=145.0(N. 2)所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 7快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩M=Mmamx+Mf+MO （公式十二）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三）快速進(jìn)給時(shí)所需力矩- 13 -M=Mf+MO （公式十四）式中 Mmamx 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。Mf 折算到電機(jī)軸上的磨擦力矩。MO 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。Mat 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。Mt 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。Ma= 10-4（N.m）其中 T=0.025 (公式十五)TJn6.9當(dāng) n=nmax 時(shí)，Mamax=Manmax= = = =400(r/min)loiVmax102Mamat= 10-4=24.17(kgf.cm)5.694=241.7(N.cm)nt= lofiDV10= =25.08(r/min)84.31.2Mat= 10-4=1.51(kgf.cm)05691=15.1(N.cm)Mf= =iFoL2iWf當(dāng) =0.8，f=0.16 時(shí)，Mf= =1.213(kg.cm)1.2804.3216m=12.13(kg.cm)MO= (1-o2)iPL6當(dāng) =0.9 時(shí)，預(yù)加荷 PO= Fx31MO= =6)(2FxLo1.2904.6)(57m=0.40334.03(N.cm)Mt= =ifx2.1.39=6.368(kg.cm)=63.68(N.m)所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩- 14 -M 快空= Mamax+Mf+M O 241.7+1.213+4.03=257.86(N.cm)切削時(shí)所需力矩M 切= Mat+ Mf+ M O +Mt=15.1+12.13+4.03+63.69=94.95(N.cm)快速進(jìn)給時(shí)所需力矩M 快速= Mf+M O=12.13+4.03=16.16(N.cm)由以上計(jì)算可得所需最大力矩 Mamax 發(fā)生快速啟動(dòng)時(shí)Mamax= M 快速=257.86(N.cm)(二) 橫向進(jìn)給 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床設(shè)計(jì)的橫向進(jìn)給系統(tǒng)一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠,使刀架橫向運(yùn)動(dòng).步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上,用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來(lái),以保證其同軸度,提高傳動(dòng)精度。（2） 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，已知條件工作臺(tái)重量：W=30kgf=300N時(shí)間常量：T=25ms行 程：s=190mm步 驅(qū) 角：2=0.75 度/step脈沖當(dāng)量：8p=0.005mm/step快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/min切削力的計(jì)算 1橫向進(jìn)給量約為縱向的 ,取 則橫向切削約為 縱向切削力21321Fz= F 縱 z= 1511.642=755.82(N)在切斷工件時(shí) Fy=0.6 F 縱 z=0.6755.82=453.492(N)(3) 滾珠絲杠的計(jì)算強(qiáng)度的計(jì)算 1對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌P=Kfy+f(Fz+W)其中，K=1.4，f=0.2P=1.4453.492+0.2(755.82+300)=846.05(N)壽命值 Li= = =13.5610nTi6150- 15 -最大動(dòng)負(fù)載 Q= fwfr1p3Li其中 fw（運(yùn)載系數(shù)）=1.2fh(硬定系數(shù))=1Q= 1.21846.0535.1=2417.4(N)根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載荷的值,可選擇滾珠絲杠的型號(hào),其公稱直徑為 35,型號(hào)為 W3508-3.51/B 左 190290，額定動(dòng)負(fù)載荷為 2520W，所以強(qiáng)度夠用。效率計(jì)算 2= )4(rtgr（螺紋升角）=3 O38 4（磨擦角）=10= =0.956)0183(ot剛度驗(yàn)算 3滾珠絲杠受工作負(fù)載，P 引起的導(dǎo)程變化量L1= =EFpLOF610.28.54F=（ ） 2 其中為滾珠絲杠的外徑d=（ ） 2 3.1434=9.0746 L1 = =3.6210-6()0746.916.85因?yàn)闈L珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化化量L2 很小，可忽略不計(jì)，即L=L1，即導(dǎo)程變化總誤差為= L= 3.6210. -6Lo108.=4.52(min/m)查表知 B 級(jí)精度絲杠允許的螺矩誤差（在 300之內(nèi)）為 15um/n ，所以剛度足夠。穩(wěn)定性驗(yàn)算 4由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相等，而支承方式由原來(lái)的一端固定，一端懸空變?yōu)橐欢艘欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。、齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算減速器為一般機(jī)器，沒(méi)有什么特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)、尺寸和易于取材等原則出發(fā)，決定小齒輪選用 45 鋼、調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 217255HBS；大齒輪選用- 16 -45 鋼正火、齒面硬度為 169217HBS傳動(dòng)比 i = 0368lP其中 8 表示步驅(qū)角；8P 表示脈沖當(dāng)量i= .75.3所以，取 Z1=30，Z2=99M=2mm，嚙合角為 20小齒輪齒寬為 25mm；大齒輪齒寬為 20mm。d1=mZ1=230=60d2=mZ2=299=198da1=m(Z1+2)=2(30+2)=64da2=m(Z2+2)=2(99+2)=202a= 126478129d齒輪傳動(dòng)精度計(jì)算齒輪圓周速度 VV= 1443.0.(/)061nms根據(jù)圓周速度和對(duì)噪音的要求確定齒輪精度等級(jí)及側(cè)隙分別為：小齒輪：8GJ大齒輪：8FL、傳動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的傳動(dòng)慣量J1=280180.5304347PW=0.04378(Kg.cm2)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：JS=7.810-4D4L1=7.810-43.5413.3=1.556(. 2)齒輪的傳動(dòng)的慣量JZ1=7.810-4D4M=7.810-4642=2.02(. 2)JZ2=7.810-4D4M=7.810-4（198） 22=239.76(. 2)由于電機(jī)傳動(dòng)慣量很小，可以忽略不計(jì)，因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J= (JS+JZ2）+JZ 1+J11i= (1.556+239.76）+2.022+0.04378 3.=24.22(. 2)所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算- 17 -nmax= 0max.13.412.5(/min)8VirLMamax= 44.09696JT=4.16(N.m)nt 01103.2.486VfiDL=43.79(r/min)Mat= 44.79109.625JhltT=0.4419(N.m)Mf= 0012FLfWii其中，f=0.2 =0.8 時(shí)Mf= .3.8.295(.)140kgfcm=0.029（N.m）M0=220.(10.)()6FLi=0.13860.0139（N.m）Mt= 045.3821.i=2.19(kgf.cm)0.219（N.m）所以，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩M=Mamax+Mf=Mo=4.16+0.029+0.0139=4.2079(N.m)切削的所需力矩M 切=Mat+Mf+Mo+Mt=0.4419+0.029+0.0139+0.219=0.6938(N.m)快速啟動(dòng)時(shí)所需力矩M 快進(jìn)= Mf+Mo=0.029+0.0139=0.0429(N.m)即最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) 即 Mamax=4.2079(N.m)- 18 -第二章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用原則合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過(guò)分析后才能正確的選擇。（一），步距角應(yīng)滿足：= mina式中 i傳動(dòng)比amin系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角（二） 精度步進(jìn)電機(jī)的精度可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實(shí)用，所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足。QmiQs式中Qm步進(jìn)電機(jī)的積累誤差。Qs系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。（三）轉(zhuǎn)距為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步）正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮；啟動(dòng)力矩，一般啟動(dòng)力矩選取為Mq 0.35lM式中 Mq電機(jī)啟動(dòng)力矩ML0電機(jī)靜負(fù)載力矩在要求在運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包含負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。(四) 啟動(dòng)頻率由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足：fifopm其中 fi極限啟動(dòng)頻率fopm要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率- 19 -二步進(jìn)電機(jī)的選型（一）縱向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定Mq= 取參數(shù)為 0.40.35lM= 27864=644.6（N.m）為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式。查手冊(cè)得知：Mq/Mjm=0.866，所以步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm 為fmax= = =3333.3（HZ）max6089V2.1綜合考慮，查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)能滿足使用要求。（二）橫向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定Mq= 04.279105.()lMNcm電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式查手冊(cè)得 Mq/mjm=0.866Mjm= .2.()0.86qc=1.215(N.m)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率fmax= max103.()9.5VHZ綜合考慮，查表選用 110BF004 型直流步進(jìn)電機(jī)，能夠滿足使用要求。（三）110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步驅(qū)角 電壓 相電流 最大轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動(dòng)率110BF003 3 0.75 80 6 7.84（80）1500運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 線圈電阻 分配方式 重量 外徑 長(zhǎng)度 軸徑7000 46.06(4.7) 0.37 三相六拍 6 110 160 11參考價(jià) 原型號(hào)350 BFG090811- 20 -（四）110BF004 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步驅(qū)角 電壓 相電流 最大轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動(dòng)率110BF004 3 0.75 30 4 4.9（50） 500運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 線圈電阻 分配方式 重量 外徑 長(zhǎng)度 軸徑34.3(3.5) 0.76 三相六拍 5.5 110 110 11參考價(jià) 原型號(hào)350 BFG09041111第三章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選型用數(shù)控機(jī)床工工件時(shí)，首先應(yīng)編制零件加工程序。這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主動(dòng)的變速、啟動(dòng)、停止、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向速度和位移量，以及刀具選擇交換，工件裝夾和冷卻潤(rùn)滑的開(kāi)關(guān)等動(dòng)作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工程序規(guī)定的順序、運(yùn)行軌跡和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行工作，從而達(dá)到加工出符含合要求零件的目的。1 數(shù)控車床設(shè)計(jì)后聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為二軸聯(lián)動(dòng)且傳動(dòng)精度要求比較高，主要有 A850CNC 系統(tǒng)和 JWK 兩種系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際比較分析，JWK 系統(tǒng)的核心是 MCS-51 系列的 8031 單片微機(jī)，其采用 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼編程，能自動(dòng)完成車削端面、內(nèi)外圓、倒角等功能，并配有完備的 S、T、M 功能。該系統(tǒng)爾采用模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)部有計(jì)算機(jī)等四種模塊。更換維修方便快速。A850CNC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，工藝先進(jìn)，性能穩(wěn)定，可維修性很大。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，以及數(shù)控系統(tǒng)的要求，經(jīng)過(guò)實(shí)際比較分析，選用 JWK 系列。其中又以 JWK-15T 型系統(tǒng)應(yīng)用最廣、功能較強(qiáng)、操作使用更方便。所以，決定使用JWK-15T 型數(shù)控系統(tǒng)。JWK-15T 主要性能參數(shù)如下：生產(chǎn)廠家 南京微分電機(jī)廠江南機(jī)床數(shù)控工程公司型 號(hào) JWK-15T用戶容量 24K設(shè)定單位 X=0.005，Z=0.01控制軸數(shù) X、Z聯(lián)動(dòng)軸數(shù) 二軸編程尺寸 9999.99快速（X/Z）向 3/6m/minG 功能 M00M09，M20M29，M97M99S 功能 S01S04，S05S10T 功能 T、XT8X步進(jìn)電機(jī) 110BF003- 21 -工作電源 220V10% 50HZ控制精度 1 步功耗 W 360環(huán)境溫度 040相對(duì)濕度 80%（25）外形尺寸（mm） 340400200系流重量（kg） 17第四章 電動(dòng)刀架的選型自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床，數(shù)控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。它要求刀架要具有抬起、回轉(zhuǎn)、下降、定位和壓緊這一系功能。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各方面要求不，但它保持了原本床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下，提供選用的多把刀的可能性。電動(dòng)刀架的安裝較方便，只要將原車床上的刀架拆下將電動(dòng)刀架裝即可但要注意兩點(diǎn)：1) 電動(dòng)刀臺(tái)的兩側(cè)面應(yīng)與車床的橫向進(jìn)給方向平行。2) 電動(dòng)刀臺(tái)與系統(tǒng)的連線建議如下安裝：沿橫向工作臺(tái)右側(cè)面先走線到車床后面，再沿車床后導(dǎo)軌下方拉出的鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于：避免走線雜亂無(wú)章，而使得加工時(shí)切屑、冷卻液以及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架系統(tǒng)。綜合各方面因素，選用常州武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4-I 型系列四工位自動(dòng)刀架。機(jī)床型號(hào) 1刀位數(shù) 4電機(jī)功率（W） 120電機(jī)轉(zhuǎn)速 1400r/min夾緊力 1切體尺寸 152152下刀體尺 161171LD4-I 型刀架技術(shù)指標(biāo)配車床型號(hào) 1重復(fù)定位精度 0.005mm工作可靠性 30000 次換刀時(shí)間 90 2.9（秒）180 3.4（秒）270 3.9（秒）- 22 -第五章 編制零件工序及數(shù)控程序?qū)嵗粰C(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇（一）車床縱向運(yùn)動(dòng)由 Z 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制110BF003 型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套絲杠螺距為 10泳沖當(dāng)量：0.01設(shè)計(jì)后的泳沖當(dāng)量：0.01（二）車床橫向運(yùn)動(dòng)由 X 向步時(shí)電動(dòng)機(jī)控制110BF003 型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套絲杠螺距為 8脈沖當(dāng)量：0.05設(shè)計(jì)后的脈沖當(dāng)量：0.05二程序設(shè)計(jì)（一）數(shù)控機(jī)床參數(shù)及約定脈沖當(dāng)量：X 向（橫向）為 0.05Z 向（縱向）為： 0.01坐標(biāo)原點(diǎn)為：0 點(diǎn)加工起點(diǎn)為：A 點(diǎn)安裝方法：零件裝夾于床頭主軸與尾座頂尖之間。采用專用芯軸方式定位。使用方法：專用組合車刀、切刀加工工序說(shuō)明：此工序?yàn)榫嚰庸?，零件外部形狀尺寸全部成型。零件各部分尺寸預(yù)留精車余量 0.81.2(二) 編程參數(shù) 說(shuō)明加工編程中以球頭車刀圓心與加工起點(diǎn)相重合 187 外圓處侄角計(jì)算，見(jiàn)圖一。- 23 -因?yàn)?AO1=R=2所以 BC=22sin45=0.585784CD=O1O=BC/sin45=0.828O2E=10.828=0.17202F=03F=2+0.172=2.172見(jiàn)立體圖3、編制程序JWK-15T 型數(shù)控裝置零件加工程序如下：- 25 -NO10NO20N030N040N050N060N070N080N090N110F140N120N130N140N150N160N170F140N180G92M03 G04G01X38、48G04G01G04G01G03G04G01G04G01G021G02G04X300 Z76F2.0X44 F400F80 F2.0X42、48 F80F2.0V4 W4 F140 N100 G04 F2.0V17.52 W-22 I46.48 K-22 F2.0X76 F100F2.0W-8 F100F2.0V6 W-3 I6 K0 F2.0- 26 -N190N200N210N220N230N240N250N260N270N280N290N300N310N320N330N340N350N360N370N380N390N400G01G04G01G04G01G01G04G01G04G01G04G01G01G04G01G04G01T22G04G01G04G01X188.98 F80F2.0V4.344 W-2.172 F100G04 F2.0W-28.828 F100X187 F80F2.0V2 W-1 F100F2.0X57 F100F2.0W-5 F80X201 F260F2.0W52 F260F2.0W4 F80F2.0X73 F260F2.0X66 F80N410N420N430N440N450N460N470N480N490N500N510N520G04G01G04G01G04G01G04G01T01G01Z76M02F2.0X60 F80F2.0X58 F80F2.0X201 F260F2.0V108 W32 F300X300 F100- 27 -參考文獻(xiàn)1、 實(shí)用數(shù)控加工技術(shù) 作者實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)編委會(huì)出版社：北京、兵器工業(yè)出版社 1995 年2、 實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè) 作者實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)編委會(huì)出版社：北京出版社 1993 年3、 機(jī)床數(shù)控設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)例 作者：余英良出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1998 年4、 數(shù)控加工程序編制 作者：范炳炎出版社：航空工業(yè)出版社 1992 年5、 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者：張新義出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1994 年6、 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 作者：機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1979 年7、 畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 作者：李恒權(quán)出版社：青島海洋大學(xué)出版社 1993 年8、 數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè) 作者：李福生出版社：北京出版社 1996 年9、 AutoCAD 習(xí)題精解 作者：姜勇出版社：人民郵電出版社 2000 年10、 機(jī)床數(shù)控技術(shù)應(yīng)用 作者：李宏勝出版社：高等教育出版社 2001 年11、 機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)作者：李益民- 11 -出版社：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 1994- 1 -目錄0 摘要-3-1 引言.-6-第一章 設(shè)計(jì)方案的確定 .- 9 -一 總體設(shè)計(jì)方案的確定 .- 9 -二 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .- 10 -（一）縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型 .- 10 -(二) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .- 15 -第二章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 .- 19 -一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用原則 .- 19 -二步進(jìn)電機(jī)的選型 .- 20 -（一）縱向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 .- 20 -（二）橫向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 .- 20 -（三）110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) .- 20 -（四）110BF004 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) .- 21 -第三章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選型 .- 21 -第四章 電動(dòng)刀架的選型 .- 22 -第五章 編制零件工序及數(shù)控程序?qū)嵗?.- 23 -一機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 .- 23 -（一）車床縱向運(yùn)動(dòng)由 Z 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制 .- 23 - 2 -（二）車床橫向運(yùn)動(dòng)由 X 向步時(shí)電動(dòng)機(jī)控制 .- 23 -二程序設(shè)計(jì) .- 23 -（一）數(shù)控機(jī)床參數(shù)及約定 .- 23 -(二) 編程參數(shù)說(shuō)明 .- 23 -參考文獻(xiàn) .- 27 -體會(huì) .- 28 - 3 -摘要1947 年，Parsons 公司的 John Parsons 著手進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他想用空間數(shù)據(jù)控制機(jī)床加工飛機(jī)零件。1949 年，Parsons 公司與美國(guó)空軍簽定了制造第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的合同。1951 年， 美國(guó)麻省理工學(xué)院承擔(dān)了這一項(xiàng)目。1952 年，麻省理工學(xué)院（MIT）使用實(shí)驗(yàn)室制造的控制器和辛辛那提立式主軸展示三軸聯(lián)動(dòng)獲得成功，這標(biāo)志著數(shù)控時(shí)代的到來(lái)。到了 1955年，幾經(jīng)改進(jìn)之后，數(shù)空技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于生產(chǎn)。早期的 NC 機(jī)床能運(yùn)行穿孔卡和穿孔帶，兩者中以穿孔帶更為通用。但是，鑒于更換、編輯紙帶費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后來(lái)便采用計(jì)算機(jī)作為編程的輔助工具。計(jì)算機(jī)在數(shù)控中的應(yīng)用有兩種形式：一是計(jì)算機(jī)輔助編程語(yǔ)言，二是實(shí)施直接數(shù)字控制（DNC） ，有了計(jì)算機(jī)輔助編程語(yǔ)言，程序員可用一套通用“混雜英語(yǔ) ”命令編寫 NC 程序，然后由計(jì)算機(jī)將其釋譯為機(jī)器碼并制成穿孔帶。直接數(shù)字控制是指用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)施部分或整體控制。雖然有些公司運(yùn)用 DNC 已獲得成功，但是，擴(kuò)大計(jì)算機(jī)容量、購(gòu)買軟件、協(xié)調(diào) DNC 系統(tǒng)等花費(fèi)使這種系統(tǒng)并不適合所有公司，而只適用于一些大公司。最近，一種叫做分布式數(shù)字控制的新型 DNC 系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，它用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)調(diào)多臺(tái) DNC 機(jī)床的運(yùn)行。這種方式最終有可能用來(lái)協(xié)調(diào)整個(gè)工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)。這種分布式數(shù)字控制方法解決了協(xié)調(diào)直接數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)遇到的一些難題。在此基礎(chǔ)上，人們還開(kāi)發(fā)出另一種分布式數(shù)字控制系統(tǒng)，其整個(gè) NC 程序可從主機(jī)直接傳輸?shù)綑C(jī)床控制器。另外，該系統(tǒng)也可在必要時(shí)將程序從主機(jī)傳輸?shù)杰囬g的個(gè)人電腦（PC） ，然后再傳輸?shù)綑C(jī)床控制器工業(yè)機(jī)器人是在生產(chǎn)環(huán)境中用以提高生產(chǎn)效率的工具,它能做常規(guī)乏味的裝配線工作,或能做那些對(duì)于工人來(lái)說(shuō)是危險(xiǎn)的工作,例如,第一代工業(yè)機(jī)器人是用來(lái)在核電站中更換核燃料棒,如果人去做這項(xiàng)工作,將會(huì)遭受有害放射線的輻射。工業(yè)機(jī)器人亦能工作在裝配線上將小元件裝配到一起，如將電子元件安放在電路印制板，這樣，工人就能從這項(xiàng)乏味的常規(guī)工作中解放出來(lái)。機(jī)器人也能按程序要求用來(lái)拆除炸彈，輔助殘疾人，在社會(huì)的很多應(yīng)用場(chǎng)合下履行職能。機(jī)器人可以認(rèn)為是將手臂末端的工具、傳感器和（或）手爪移到程序- 4 -指定位置的一種機(jī)器。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)位置后，它將執(zhí)行某種任務(wù)。除了編程以及系統(tǒng)的開(kāi)停之外，一般來(lái)說(shuō)這些工作可以在無(wú)人干預(yù)下完成。關(guān)鍵字：加工精度，設(shè)計(jì)方案，分配，參數(shù)- 5 -0 引言回顧即將過(guò)去的 20 世紀(jì)，人類取得的每一項(xiàng)重大科技成果，無(wú)不與制造技術(shù)，尤其與超精密加工技術(shù)密切相關(guān)。在某種意義上，超精密加工擔(dān)負(fù)著支持最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的重要使命。超精密加工技術(shù)在航天運(yùn)載工具、武器研制、衛(wèi)星研制中有著極其重要的作用。有人對(duì)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)及盟國(guó)武器系統(tǒng)與超精密加工技術(shù)的關(guān)系做了研究，發(fā)現(xiàn)其中在間諜衛(wèi)星、超視距空對(duì)空攻擊能力、精確制導(dǎo)的對(duì)地攻擊能力、夜戰(zhàn)能力和電子對(duì)抗技術(shù)方面，與超精密加工技術(shù)有密切的關(guān)系?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有高水平的超精密加工技術(shù)，就不會(huì)有真正強(qiáng)大的國(guó)防。超精密車床要求其數(shù)控系統(tǒng)具有高編程分辨率（1nm）和快速插補(bǔ)功能（插補(bǔ)周期 0.1ms） 。基于 PC 機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）的主從式硬件結(jié)構(gòu)是超精密數(shù)控的潮流，如美國(guó)的 NAN OPATH 和 PRECITECHS ULTRAPATH TM 都采用了這一結(jié)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件運(yùn)動(dòng)控制模塊（PM AC）開(kāi)發(fā)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使此類數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和可重構(gòu)性得到提高。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的 YH1 型數(shù)控系統(tǒng)采用 ASW824 工業(yè)一體化 PC 工作站為主機(jī)，用 ADSP2181 信號(hào)處理器模塊構(gòu)成高速下位伺服控制器。模塊化、構(gòu)件化是超精密車床進(jìn)入市場(chǎng)的重要技術(shù)手段，如美國(guó)ANORAD 公司生產(chǎn)各種主軸、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái)，用戶可根據(jù)各自的需要組成一維、兩維和多維超精密運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)和車床。研制超精密車床時(shí)，布局就顯得非常關(guān)鍵。超精密車床往往與傳統(tǒng)車床在結(jié)構(gòu)布局上有很大差別，流行的布局方式是“T”型布局，這種布局使車床整體剛度較高，控制也相對(duì)容- 6 -易，如 Pneumo 公司生產(chǎn)的大部分超精密車床都采用這一布局。模塊化使車床布局更加靈活多變，如日本超硅晶體研究株式會(huì)社研制的超精密車床，用于車削超大硅晶片,采用三角菱形五面體結(jié)構(gòu)，用于提高剛度；德國(guó)蔡司公司研制了 4 軸精密車床 AS100，用于加工自由形式表面，該車床除了X、Z 和 C 軸外，附加了 A 軸，用于加工自由表面時(shí)控制砂輪的車削點(diǎn)。此外，一些超精密加工車床是針對(duì)特殊零件而設(shè)計(jì)的，如大型高精度天文望遠(yuǎn)鏡采用應(yīng)力變形盤加工，一些非球面鏡的研拋加工采用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）加工，這些車床都具有和通用車床完全不同的結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，超精密車床的結(jié)構(gòu)有其鮮明的個(gè)性，需要特殊的設(shè)計(jì)考慮和設(shè)計(jì)手段。為保證超精密車床有足夠的定位精度和跟蹤精度，數(shù)控系統(tǒng)必須采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，高精度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是進(jìn)行全閉環(huán)控制的必要條件。雙頻激光干涉儀具有高分辨率（如 ZYGO AX10MTM 2/20 分辨率為 1.25nm）與高穩(wěn)定性，測(cè)量范圍大，適合作車床運(yùn)動(dòng)線位移傳感器使用。但是雙頻激光干涉儀對(duì)環(huán)境要求過(guò)于苛刻，使用和調(diào)整非常困難，使用不當(dāng)會(huì)大大降低精度。根據(jù)我們的使用經(jīng)驗(yàn)，德國(guó) Heidenhain 公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密車床運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，如該公司 LI P401,材料長(zhǎng)度 220mm，分辨率為 2nm，采用Zerodur 材料制成幾乎達(dá)到零膨脹系數(shù)（0.1ppm/k） ，動(dòng)靜尺間隙為0.60.1mm，對(duì)環(huán)境要求低，安裝和使用方便，如 Nanoform2500 和 Opt imum2400 超精密車床都使用了 Heidenhain 光柵尺。在數(shù)控軟件方面，開(kāi)放性是一個(gè)發(fā)展方向。國(guó)外有關(guān)開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的研究有歐共體的 OS ACA、美國(guó)的 OMAC 和日本的 OSEC。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)在- 7 -此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)件化多自由度運(yùn)動(dòng)控制軟件，可根據(jù)車床成形系統(tǒng)的布局任意組裝軟件，符合車床模塊化發(fā)展的方向。1.序言課題簡(jiǎn)介：本課題是圍繞將普通機(jī)床設(shè)計(jì)成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床展開(kāi)設(shè)計(jì)的，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是指價(jià)格低廉、操作使用方便，適合我國(guó)國(guó)情的裝有簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動(dòng)化機(jī)床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，常希望對(duì)原有舊機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實(shí)的的生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價(jià)格。價(jià)格便宜、性能價(jià)格比適中是其最主要的特點(diǎn)，特別適合在設(shè)備中占有較大比重的普通車床設(shè)計(jì)，適合在生產(chǎn)第一線大面積推廣。企業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控型系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)后，將提高產(chǎn)品加工精度和批量生產(chǎn)的能力，同時(shí)又能保持“萬(wàn)能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設(shè)備自身對(duì)產(chǎn)品更新?lián)Q代的應(yīng)變能力，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。利用微機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)有的普遍車床，主要應(yīng)該解決的問(wèn)題是如何將機(jī)械傳動(dòng)的進(jìn)給和手工控制的刀架轉(zhuǎn)位，進(jìn)給設(shè)計(jì)成由計(jì)算機(jī)控制的刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位以及自動(dòng)進(jìn)給加工車床，即經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)是非常有必要的。數(shù)控機(jī)床可以很好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及多變零件的加工問(wèn)題。能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通車床的數(shù)控設(shè)計(jì)，大有可為。它適合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國(guó)設(shè)備技術(shù)設(shè)計(jì)主要- 8 -方向之一。第一章 設(shè)計(jì)方案的確定一 總體設(shè)計(jì)方案的確定由于是對(duì)車床進(jìn)行數(shù)控設(shè)計(jì)，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足使用前提下，對(duì)同床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。根據(jù)這一原則，決定數(shù)控系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制；傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)；驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)采用 JWK型系統(tǒng)；刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。這樣車床既保留原有功能，又減少了設(shè)計(jì)數(shù)量。二 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與計(jì)算將普通車床設(shè)計(jì)成數(shù)控機(jī)床，除了增加控制系統(tǒng)外，機(jī)械部分也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，其中包括：縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，以及自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的選型。（一）縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型1、經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床的設(shè)計(jì)，采用步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)縱向進(jìn)給，有兩種方案：一種是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母固定在溜板箱上；第二種是縱絲杠固定、電機(jī)安裝在溜板箱上，驅(qū)動(dòng)螺母?jìng)鲃?dòng)。對(duì)于車床的設(shè)計(jì)而言，采用第一種方案顯然簡(jiǎn)單易行。所以步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。從改裝方便，實(shí)用等方面考慮，所以將步進(jìn)電機(jī)放在絲杠的左端。2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，已知條件：工作臺(tái)重量：W=80kgf=800N時(shí)間常量： T=25ms行 程： s=640mm步 驅(qū) 角： 2=0.75 o/step快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/ms脈沖當(dāng)量： 8p=0.01mm/8tep（1）切削力的計(jì)算由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得公式 No=Nd （公式一）其中 N O 為傳動(dòng)件的額定功率Nd主電機(jī)的額定功率，見(jiàn)使用說(shuō)明書得：Nd=4.5 kw 從電機(jī)到所計(jì)算的傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率（不含軸承的效率）從電機(jī)到傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)皮帶輪和齒輪兩種傳動(dòng)件傳動(dòng)，所以- 9 -=n 1n2 由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得 n1 =0.96 n2=0.99所以：=0.960.99=0.9504 取 =0.95 即 N=40.95=3.8（kw）又因?yàn)橹鱾鲃?dòng)系統(tǒng)效率一般為 0.60.7 之間，所以取 0.65所以 NC（進(jìn)給效率）=3.80.65=2.47（kw）由機(jī)械加工工藝手冊(cè)得 Pm= 9.8 （公式二）3106VsFZ 2z式中 Vs 切削速度，設(shè)當(dāng)其為中等轉(zhuǎn)速，工件直徑為中等時(shí)，如 D=40mm 時(shí)，取 Vs=100m/min主切削力FZ = =151.164（Rgf）=1511.64N6120.47由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得主切削力FZ=CFzapxfxfyfzkfz(經(jīng)驗(yàn)公式) CFza pxfx fyfz kfz (公式三)對(duì)于一般切削情況，切削力中的指數(shù) xfx1FZ=0.75 Kfz0CFZ=188kg/ 2=1880MpaF2 的計(jì)算結(jié)果如下：- 10 -ap() 2 2 2 3 3 3f() 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4Fz(N) 105 1524 1891 1681 2287 2837為便于計(jì)算,所以取 Fz=1511.7N,以切削深度 ap=2走刀量 f=0.3為以下計(jì)算以此為依據(jù)。由機(jī)械床設(shè)計(jì)手冊(cè)得，在一般外圓車削時(shí)，F(xiàn)x（0.10.6）FZFy(0.150.7)Fz取 Fx=0.5 Fz Fy=0.6FzFx=0.51511.7=755.9(N)Fy=0.6 Fz=0.61511.7=907.0(N)（2）滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算由經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床總設(shè)計(jì) ，綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力得P=RGx+f（Fz+w） (公式四)其中 R=1.15 , f=0.150.18 取 f=0.16P=1.15755.9+0.16(1511.7+800)=1239.2(N)強(qiáng)度計(jì)算 1壽命值 Li= （公式五）60nTini= （公式六）oDvf由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得 Ti=15000h,原機(jī)床絲杠螺距為 60， D=80ni= =19.920(r/min)14.3680Li= =1852最大動(dòng)負(fù)Q= PfwfH (公式七)3Li其中 運(yùn)載系數(shù) fw=1.2硬度系數(shù) Fh=1Q= 1.21239.21318=3897.1(N)根據(jù)最大動(dòng)力負(fù)載荷 Q 的值，查表選擇滾珠絲杠的型號(hào)為 W50103.51，查表得數(shù)控車床的縱向精度為 B 級(jí)，左旋即型號(hào)為 W50103.51/B9001000其額定載荷是 3970N效率計(jì)算 2- 11 -根據(jù)機(jī)械基礎(chǔ)得，絲杠螺母副傳動(dòng)效率為= (公式八)4(rtg由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得 4 一般為 812取 4=10即：摩擦角 4=10，螺旋升角（中徑處）r=3 O25則 = =0.953)01523(tg剛度驗(yàn)算 3滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程變化量L1= (公式九)EFLo其中 L O=10=1E=20.6106N/ 2滾珠絲杠橫截面積F=( ) d 為滾珠絲杠外徑2a=（ ） 23.145.48=18.47( 2)則L1= =3.25610-63.27um47.1806.39查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) ，B 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（900螺絲長(zhǎng)度）為 25nm/m ，因此，絲杠的剛度符合要求。即剛度足夠。穩(wěn)定性驗(yàn)算由于原機(jī)床杠徑為 30，現(xiàn)選用的滾珠絲杠為 50，支承方式不變。所以，穩(wěn)定性不成問(wèn)題，無(wú)需驗(yàn)算。齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算 5此齒輪為普通減速器的齒輪且減速器為一般機(jī)器，沒(méi)有特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)尺寸和易于取材的原則出發(fā)，決定小齒輪選用 45 鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬定為217255HBS。大齒輪選用 45 正火，齒面硬度 169217 HBS。傳動(dòng)比 i= 360892OL其中 2 表示步驅(qū)角，89 表示脈沖當(dāng)量i= =2.11.75取齒數(shù) z1=30, Z2=63模數(shù) m=2mm, 嚙合角為 200，小齒輪齒寬為 25，大齒輪齒寬 20。d1=mz1=230=30- 12 -d2=mz2=263=126da1=m(z1+2)=2(30+2)=64a= = =9321d160齒輪傳動(dòng)精度計(jì)算齒輪圓周速度 VV= = =4.2(m/s)4106dn4061.3根據(jù)齒輪圓周速度和對(duì)噪音的要求確定齒輪精度等級(jí)側(cè)隙分別為：小齒輪：8GJ大齒輪：8FL傳動(dòng)慣量的選擇 6工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=( )2W8910兀 =( )28075.43= 0.467kg. 2絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=7.810-4D4L1=7.8-4(50) 414.9=7.26(kg. 2)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ1=7.810-4(60) 42=2.02(kg. 2)JZ1=7.810-4(126) 42=39.32(kg. 2)由于電機(jī)的傳動(dòng)慣量很小，一般可忽略不記所以總的傳動(dòng)慣量為J 總= (Js+Jz2)+Jz1+J121i= (7.26+39.32)+2.022+0.467.=14.50(kg. 2)=145.0(N. 2)所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 7快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩M=Mmamx+Mf+MO （公式十二）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三）快速進(jìn)給時(shí)所需力矩- 13 -M=Mf+MO （公式十四）式中 Mmamx 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。Mf 折算到電機(jī)軸上的磨擦力矩。MO 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。Mat 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。Mt 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。Ma= 10-4（N.m）其中 T=0.025 (公式十五)TJn6.9當(dāng) n=nmax 時(shí)，Mamax=Manmax= = = =400(r/min)loiVmax102Mamat= 10-4=24.17(kgf.cm)5.694=241.7(N.cm)nt= lofiDV10= =25.08(r/min)84.31.2Mat= 10-4=1.51(kgf.cm)05691=15.1(N.cm)Mf= =iFoL2iWf當(dāng) =0.8，f=0.16 時(shí)，Mf= =1.213(kg.cm)1.2804.3216m=12.13(kg.cm)MO= (1-o2)iPL6當(dāng) =0.9 時(shí)，預(yù)加荷 PO= Fx31MO= =6)(2FxLo1.2904.6)(57m=0.40334.03(N.cm)Mt= =ifx2.1.39=6.368(kg.cm)=63.68(N.m)所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩- 14 -M 快空= Mamax+Mf+M O 241.7+1.213+4.03=257.86(N.cm)切削時(shí)所需力矩M 切= Mat+ Mf+ M O +Mt=15.1+12.13+4.03+63.69=94.95(N.cm)快速進(jìn)給時(shí)所需力矩M 快速= Mf+M O=12.13+4.03=16.16(N.cm)由以上計(jì)算可得所需最大力矩 Mamax 發(fā)生快速啟動(dòng)時(shí)Mamax= M 快速=257.86(N.cm)(二) 橫向進(jìn)給 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床設(shè)計(jì)的橫向進(jìn)給系統(tǒng)一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠,使刀架橫向運(yùn)動(dòng).步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上,用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來(lái),以保證其同軸度,提高傳動(dòng)精度。（2） 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，已知條件工作臺(tái)重量：W=30kgf=300N時(shí)間常量：T=25ms行 程：s=190mm步 驅(qū) 角：2=0.75 度/step脈沖當(dāng)量：8p=0.005mm/step快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/min切削力的計(jì)算 1橫向進(jìn)給量約為縱向的 ,取 則橫向切削約為 縱向切削力21321Fz= F 縱 z= 1511.642=755.82(N)在切斷工件時(shí) Fy=0.6 F 縱 z=0.6755.82=453.492(N)(3) 滾珠絲杠的計(jì)算強(qiáng)度的計(jì)算 1對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌P=Kfy+f(Fz+W)其中，K=1.4，f=0.2P=1.4453.492+0.2(755.82+300)=846.05(N)壽命值 Li= = =13.5610nTi6150- 15 -最大動(dòng)負(fù)載 Q= fwfr1p3Li其中 fw（運(yùn)載系數(shù)）=1.2fh(硬定系數(shù))=1Q= 1.21846.0535.1=2417.4(N)根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載荷的值,可選擇滾珠絲杠的型號(hào),其公稱直徑為 35,型號(hào)為 W3508-3.51/B 左 190290，額定動(dòng)負(fù)載荷為 2520W，所以強(qiáng)度夠用。效率計(jì)算 2= )4(rtgr（螺紋升角）=3 O38 4（磨擦角）=10= =0.956)0183(ot剛度驗(yàn)算 3滾珠絲杠受工作負(fù)載，P 引起的導(dǎo)程變化量L1= =EFpLOF610.28.54F=（ ） 2 其中為滾珠絲杠的外徑d=（ ） 2 3.1434=9.0746 L1 = =3.6210-6()0746.916.85因?yàn)闈L珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化化量L2 很小，可忽略不計(jì)，即L=L1，即導(dǎo)程變化總誤差為= L= 3.6210. -6Lo108.=4.52(min/m)查表知 B 級(jí)精度絲杠允許的螺矩誤差（在 300之內(nèi)）為 15um/n ，所以剛度足夠。穩(wěn)定性驗(yàn)算 4由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相等，而支承方式由原來(lái)的一端固定，一端懸空變?yōu)橐欢艘欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。、齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算減速器為一般機(jī)器，沒(méi)有什么特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)、尺寸和易于取材等原則出發(fā)，決定小齒輪選用 45 鋼、調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 217255HBS；大齒輪選用- 16 -45 鋼正火、齒面硬度為 169217HBS傳動(dòng)比 i = 0368lP其中 8 表示步驅(qū)角；8P 表示脈沖當(dāng)量i= .75.3所以，取 Z1=30，Z2=99M=2mm，嚙合角為 20小齒輪齒寬為 25mm；大齒輪齒寬為 20mm。d1=mZ1=230=60d2=mZ2=299=198da1=m(Z1+2)=2(30+2)=64da2=m(Z2+2)=2(99+2)=202a= 126478129d齒輪傳動(dòng)精度計(jì)算齒輪圓周速度 VV= 1443.0.(/)061nms根據(jù)圓周速度和對(duì)噪音的要求確定齒輪精度等級(jí)及側(cè)隙分別為：小齒輪：8GJ大齒輪：8FL、傳動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的傳動(dòng)慣量J1=280180.5304347PW=0.04378(Kg.cm2)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：JS=7.810-4D4L1=7.810-43.5413.3=1.556(. 2)齒輪的傳動(dòng)的慣量JZ1=7.810-4D4M=7.810-4642=2.02(. 2)JZ2=7.810-4D4M=7.810-4（198） 22=239.76(. 2)由于電機(jī)傳動(dòng)慣量很小，可以忽略不計(jì)，因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J= (JS+JZ2）+JZ 1+J11i= (1.556+239.76）+2.022+0.04378 3.=24.22(. 2)所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算- 17 -nmax= 0max.13.412.5(/min)8VirLMamax= 44.09696JT=4.16(N.m)nt 01103.2.486VfiDL=43.79(r/min)Mat= 44.79109.625JhltT=0.4419(N.m)Mf= 0012FLfWii其中，f=0.2 =0.8 時(shí)Mf= .3.8.295(.)140kgfcm=0.029（N.m）M0=220.(10.)()6FLi=0.13860.0139（N.m）Mt= 045.3821.i=2.19(kgf.cm)0.219（N.m）所以，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩M=Mamax+Mf=Mo=4.16+0.029+0.0139=4.2079(N.m)切削的所需力矩M 切=Mat+Mf+Mo+Mt=0.4419+0.029+0.0139+0.219=0.6938(N.m)快速啟動(dòng)時(shí)所需力矩M 快進(jìn)= Mf+Mo=0.029+0.0139=0.0429(N.m)即最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) 即 Mamax=4.2079(N.m)- 18 -第二章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用原則合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過(guò)分析后才能正確的選擇。（一），步距角應(yīng)滿足：= mina式中 i傳動(dòng)比amin系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角（二） 精度步進(jìn)電機(jī)的精度可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實(shí)用，所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足。QmiQs式中Qm步進(jìn)電機(jī)的積累誤差。Qs系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。（三）轉(zhuǎn)距為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步）正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮；啟動(dòng)力矩，一般啟動(dòng)力矩選取為Mq 0.35lM式中 Mq電機(jī)啟動(dòng)力矩ML0電機(jī)靜負(fù)載力矩在要求在運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包含負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。(四) 啟動(dòng)頻率由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足：fifopm其中 fi極限啟動(dòng)頻率fopm要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率- 19 -二步進(jìn)電機(jī)的選型（一）縱向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定Mq= 取參數(shù)為 0.40.35lM= 27864=644.6（N.m）為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式。查手冊(cè)得知：Mq/Mjm=0.866，所以步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm 為fmax= = =3333.3（HZ）max6089V2.1綜合考慮，查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)能滿足使用要求。（二）橫向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定Mq= 04.279105.()lMNcm電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式查手冊(cè)得 Mq/mjm=0.866Mjm= .2.()0.86qc=1.215(N.m)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率fmax= max103.()9.5VHZ綜合考慮，查表選用 110BF004 型直流步進(jìn)電機(jī)，能夠滿足使用要求。（三）110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步驅(qū)角 電壓 相電流 最大轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動(dòng)率110BF003 3 0.75 80 6 7.84（80）1500運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 線圈電阻 分配方式 重量 外徑 長(zhǎng)度 軸徑7000 46.06(4.7) 0.37 三相六拍 6 110 160 11參考價(jià) 原型號(hào)350 BFG090811- 20 -（四）110BF004 型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步驅(qū)角 電壓 相電流 最大轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動(dòng)率110BF004 3 0.75 30 4 4.9（50） 500運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 線圈電阻 分配方式 重量 外徑 長(zhǎng)度 軸徑34.3(3.5) 0.76 三相六拍 5.5 110 110 11參考價(jià) 原型號(hào)350 BFG09041111第三章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選型用數(shù)控機(jī)床工工件時(shí)，首先應(yīng)編制零件加工程序。這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主動(dòng)的變速、啟動(dòng)、停止、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向速度和位移量，以及刀具選擇交換，工件裝夾和冷卻潤(rùn)滑的開(kāi)關(guān)等動(dòng)作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工程序規(guī)定的順序、運(yùn)行軌跡和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行工作，從而達(dá)到加工出符含合要求零件的目的。1 數(shù)控車床設(shè)計(jì)后聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為二軸聯(lián)動(dòng)且傳動(dòng)精度要求比較高，主要有 A850CNC 系統(tǒng)和 JWK 兩種系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際比較分析，JWK 系統(tǒng)的核心是 MCS-51 系列的 8031 單片微機(jī)，其采用 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼編程，能自動(dòng)完成車削端面、內(nèi)外圓、倒角等功能，并配有完備的 S、T、M 功能。該系統(tǒng)爾采用模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)部有計(jì)算機(jī)等四種模塊。更換維修方便快速。A850CNC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，工藝先進(jìn)，性能穩(wěn)定，可維修性很大。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，以及數(shù)控系統(tǒng)的要求，經(jīng)過(guò)實(shí)際比較分析，選用 JWK 系列。其中又以 JWK-15T 型系統(tǒng)應(yīng)用最廣、功能較強(qiáng)、操作使用更方便。所以，決定使用JWK-15T 型數(shù)控系統(tǒng)。JWK-15T 主要性能參數(shù)如下：生產(chǎn)廠家 南京微分電機(jī)廠江南機(jī)床數(shù)控工程公司型 號(hào) JWK-15T用戶容量 24K設(shè)定單位 X=0.005，Z=0.01控制軸數(shù) X、Z聯(lián)動(dòng)軸數(shù) 二軸編程尺寸 9999.99快速（X/Z）向 3/6m/minG 功能 M00M09，M20M29，M97M99S 功能 S01S04，S05S10T 功能 T、XT8X步進(jìn)電機(jī) 110BF003- 21 -工作電源 220V10% 50HZ控制精度 1 步功耗 W 360環(huán)境溫度 040相對(duì)濕度 80%（25）外形尺寸（mm） 340400200系流重量（kg） 17第四章 電動(dòng)刀架的選型自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床，數(shù)控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。它要求刀架要具有抬起、回轉(zhuǎn)、下降、定位和壓緊這一系功能。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各方面要求不，但它保持了原本床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下，提供選用的多把刀的可能性。電動(dòng)刀架的安裝較方便，只要將原車床上的刀架拆下將電動(dòng)刀架裝即可但要注意兩點(diǎn)：1) 電動(dòng)刀臺(tái)的兩側(cè)面應(yīng)與車床的橫向進(jìn)給方向平行。2) 電動(dòng)刀臺(tái)與系統(tǒng)的連線建議如下安裝：沿橫向工作臺(tái)右側(cè)面先走線到車床后面，再沿車床后導(dǎo)軌下方拉出的鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于：避免走線雜亂無(wú)章，而使得加工時(shí)切屑、冷卻液以及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架系統(tǒng)。綜合各方面因素，選用常州武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4-I 型系列四工位自動(dòng)刀架。機(jī)床型號(hào) 1刀位數(shù) 4電機(jī)功率（W） 120電機(jī)轉(zhuǎn)速 1400r/min夾緊力 1切體尺寸 152152下刀體尺 161171LD4-I 型刀架技術(shù)指標(biāo)配車床型號(hào) 1重復(fù)定位精度 0.005mm工作可靠性 30000 次換刀時(shí)間 90 2.9（秒）180 3.4（秒）270 3.9（秒）- 22 -第五章 編制零件工序及數(shù)控程序?qū)嵗粰C(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇（一）車床縱向運(yùn)動(dòng)由 Z 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制110BF003 型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套絲杠螺距為 10泳沖當(dāng)量：0.01設(shè)計(jì)后的泳沖當(dāng)量：0.01（二）車床橫向運(yùn)動(dòng)由 X 向步時(shí)電動(dòng)機(jī)控制110BF003 型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套絲杠螺距為 8脈沖當(dāng)量：0.05設(shè)計(jì)后的脈沖當(dāng)量：0.05二程序設(shè)計(jì)（一）數(shù)控機(jī)床參數(shù)及約定脈沖當(dāng)量：X 向（橫向）為 0.05Z 向（縱向）為： 0.01坐標(biāo)原點(diǎn)為：0 點(diǎn)加工起點(diǎn)為：A 點(diǎn)安裝方法：零件裝夾于床頭主軸與尾座頂尖之間。采用專用芯軸方式定位。使用方法：專用組合車刀、切刀加工工序說(shuō)明：此工序?yàn)榫嚰庸?，零件外部形狀尺寸全部成型。零件各部分尺寸預(yù)留精車余量 0.81.2(二) 編程參數(shù) 說(shuō)明加工編程中以球頭車刀圓心與加工起點(diǎn)相重合 187 外圓處侄角計(jì)算，見(jiàn)圖一。- 23 -因?yàn)?AO1=R=2所以 BC=22sin45=0.585784CD=O1O=BC/sin45=0.828O2E=10.828=0.17202F=03F=2+0.172=2.172見(jiàn)立體圖3、編制程序JWK-15T 型數(shù)控裝置零件加工程序如下：- 25 -NO10NO20N030N040N050N060N070N080N090N110F140N120N130N140N150N160N170F140N180G92M03 G04G01X38、48G04G01G04G01G03G04G01G04G01G021G02G04X300 Z76F2.0X44 F400F80 F2.0X42、48 F80F2.0V4 W4 F140 N100 G04 F2.0V17.52 W-22 I46.48 K-22 F2.0X76 F100F2.0W-8 F100F2.0V6 W-3 I6 K0 F2.0- 26 -N190N200N210N220N230N240N250N260N270N280N290N300N310N320N330N340N350N360N370N380N390N400G01G04G01G04G01G01G04G01G04G01G04G01G01G04G01G04G01T22G04G01G04G01X188.98 F80F2.0V4.344 W-2.172 F100G04 F2.0W-28.828 F100X187 F80F2.0V2 W-1 F100F2.0X57 F100F2.0W-5 F80X201 F260F2.0W52 F260F2.0W4 F80F2.0X73 F260F2.0X66 F80N410N420N430N440N450N460N470N480N490N500N510N520G04G01G04G01G04G01G04G01T01G01Z76M02F2.0X60 F80F2.0X58 F80F2.0X201 F260F2.0V108 W32 F300X300 F100- 27 -參考文獻(xiàn)1、 實(shí)用數(shù)控加工技術(shù) 作者實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)編委會(huì)出版社：北京、兵器工業(yè)出版社 1995 年2、 實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè) 作者實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)編委會(huì)出版社：北京出版社 1993 年3、 機(jī)床數(shù)控設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)例 作者：余英良出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1998 年4、 數(shù)控加工程序編制 作者：范炳炎出版社：航空工業(yè)出版社 1992 年5、 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者：張新義出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1994 年6、 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 作者：機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1979 年7、 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