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畢業(yè)論文 普通銑床數(shù)控化改造設計 學生姓名： 李 穎 學 號： 01320131X01 所在系部： 機 械 系 專業(yè)班級： 13gz數(shù)控1班 指導教師： 謝 衛(wèi) 蓉 日 期： 2016年5月 附一： 畢業(yè)設計（論文）任務書 系 部 機械工程系 指導教師 謝衛(wèi)容 職 稱 講師 學生姓名 李穎 專業(yè)班級 13gz數(shù)控1 學 號 設計題目 普通銑床數(shù)控化改造設計 設 計 內 容 目 標 和 要 求 （設計內容目標和要求、設計進度等） 本課題改造設計經濟型數(shù)控銑床，應滿足實用和加工精度的要求。 1. 調研：了解各種數(shù)控銑床進給伺服系統(tǒng)中二維工作臺的工作性能和加工要求情況，了解開環(huán)伺服傳動系統(tǒng)的組成和特點，提出應滿足的技術要求和條件，分析、比較各種可能的方案并提出初步設計方案； 2. 研究和確定數(shù)控銑床進給伺服系統(tǒng)的總體設計方案，要求有必要的分析和計算過程； 3. 結構設計，要求畫出總體結構圖、關鍵零部件圖并對關鍵零部件進行校核和驗算； 4. 控制系統(tǒng)設計，畫出控制系統(tǒng)原理圖； 5. 撰寫設計說明書（30-40頁左右）； 6. 基本技術要求： 結構尺寸：普通銑床 數(shù)控車床的設計參數(shù)： 規(guī) 格 工作臺行程(mm) 工作臺、夾具及工作重力(N) 工作臺快移速度(m/min) 最大進給速度(m/min) 走刀方向最大切削分力/垂向最大切削分力x,y向相同(N) 啟動加速時間ms 定位精度 mm X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 1250 320 680 240 3300 5500 16 16 0.6 0.6 2750/2200 40 0.01 根據(jù)數(shù)控機床要求，由調研確定工作臺定位精度和重復定位精度、脈沖當量等參數(shù)； 7. 繪制主要零部件圖不少于2張，裝配圖1張； 8. 自選其中某個零件用PRO/E繪制三維零件圖。 9. 設計進度： 1)、1—5 周，主要進行畢業(yè)設計準備工作，熟悉題目，收集資料，進行畢業(yè)實習，明確研究目的和任務，構思總體方案； 2)、6—10周，設計計算，繪圖； 3)、11—13周，編寫畢業(yè)設計論文，準備畢業(yè)設計答辯。 指導教師簽名：謝衛(wèi)容 年 月 日 系 部審 核  2-1 畢業(yè)設計（論文）學生開題報告 課題名稱 普通銑床數(shù)控化改造技術 課題類型 實踐應用型 指導教師 謝衛(wèi)蓉 學生姓名 李穎 學 號 01320131x01 專業(yè)班級 13gz數(shù)控一班 本課題的研究現(xiàn)狀、研究目的及意義 數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備。世界各國信息產業(yè)、生物產業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對市場的適應能力和競爭能力。工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅大力發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產業(yè)，而且在"高精尖"數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。因此大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 　數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數(shù)字化裝備，如數(shù)控機床等。其技術涉及多個領域。 數(shù)控技術是一個比較先進的技術，我過的信息化技術主要是依靠引進國外的技術，而外放在許多高端的核心技術上有著掌控地位，我們對國外的依存度較高，我國現(xiàn)需要大量從研究開發(fā)到使用維修方面各個層次的技術人才。在各國制造業(yè)廣泛使用數(shù)控化技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。 所以我們應該盡自己所學，讓自己國家的數(shù)控化技術向著一個更高的平臺去發(fā)展，讓我國的數(shù)控化技術走上頂端，大力發(fā)展以數(shù)控為核心的先進數(shù)控化技術已成為各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 課題類型：課題類型： A-理論探究型 B-實踐應用型 2-2 本課題的研究內容 主要了解各種數(shù)控銑床進給伺服系統(tǒng)中二維工作臺的工作性能和加工要求情況，了解開環(huán)伺服傳動系統(tǒng)的組成和特點，提出應滿足的技術要求和條件，分析、比較各種可能的方案并提出初步設計方案；研究和確定數(shù)控銑床進給伺服系統(tǒng)的總體設計方案，要求有必要的分析和計算過程；結構設計，要求畫出總體結構圖、關鍵零部件圖并對關鍵零部件進行校核和驗算 （1）根據(jù)機床要求，采用PLC控制。由于PLC控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，工作環(huán)境 不挑剔，易于檢修等特點，且對PIC系統(tǒng)較為熟悉，因此采用PLC控制系統(tǒng)系統(tǒng)； （2）數(shù)控機床的進給運動可以分為直線運動和圓周運動兩大類。直線進給運動包括機床的基本坐標軸（X、Y、Z軸）以及和基本坐標軸平行的坐標軸（U、V、W等）的運動；圓周進給運動是指繞基本坐標軸X、Y、Z回轉的坐標運動。 （3）控制系統(tǒng)設計，包括控制系統(tǒng)硬件的基本組成，控制系統(tǒng)軟件的組成與結構，計算機伺服控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng) 本課題研究的實施方案、進度安排 為了滿足以上技術要求，采取以下技術方案： （1） 工作臺工作面尺寸：1250*320 （2） 對滾珠絲杠采取預緊措施，并對滾珠絲杠進行預緊拉伸 （3） 采用伺服電動機驅動 （4） 將伺服電動機與滾珠絲杠連 進度安排： 5.3-5.7，準備工作，查找需要用到的資料，明確研究目的及內容，構思方案 5.8-5.15，開始繪圖 5.16-5.25，準備答辯 2-3 已查閱的主要參考文獻 [1]周驥平.機械制造自動化技術[M].北京：機械工業(yè)出版社.2003 [2]彭文生，李志明，黃華梁.主編.機械設計[M].北京：高等教育出版社.2002.8 [3]吳宗澤，羅圣國主編.機械設計課程設計手冊[M]. 北京：高等教育出版社.1999.6 [4]成大先主編.機械設計手冊[M].北京：:機械工業(yè)出版社 [5]成大先主編. 第1卷/機械設計圖冊[M].北京：化學工業(yè)出版社.2000.5 [6]文懷興主編. 數(shù)控銑床設計[M].北京：化學工業(yè)出版社.2006.1 [7]機電一體化技術手冊編委會編寫. 第1卷/機電一體化技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社 [8]曲玉峰.機械設計基礎[M].北京：中國林業(yè)出版社.2006. [9]張永宇.機械設計基礎[M].北京：清華大學出版社，2009. [10]廖效果.數(shù)控技術[M].武漢：湖北科技技術出版社，2000. 指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日 3 畢業(yè)設計（論文）學生申請答辯表 課 題 名 稱 普通銑床數(shù)控化改造技術 指導教師(職稱) 謝衛(wèi)蓉（講師） 申 請 理 由 畢業(yè)設計已完成（申請答辯） 學生所在系部 機械工程系 專業(yè)班級 13gz數(shù)控一班 學號 01320131x01 學生簽名： 日期： 畢業(yè)設計（論文）指導教師評審表 序號 評分項目（理工類） 滿分 評分 1 工作量 15 2 文獻閱讀與外文翻譯 10 3 技術水平與實際能力 25 4 研究成果基礎理論與專業(yè)知識 25 5 文字表達 10 6 學習態(tài)度與規(guī)范要求 15 總 分 100 評 語 （是否同意參加答辯） 指導教師簽名： 另附《畢業(yè)設計（論文）指導記錄冊》 年 月 日 4 畢業(yè)設計（論文）評閱人評審表 學生姓名 李穎 專業(yè)班級 13gz數(shù)控一班 學號 01320131x01 設計(論文)題目 普通銑床數(shù)控化改造技術 評閱人 評閱人職稱 序號 評分項目（理工類） 滿分 評分 1 工作量 15 2 文獻閱讀與外文翻譯 10 3 技術水平與實際能力 25 4 研究成果基礎理論與專業(yè)知識 25 5 文字表達 10 6 學習態(tài)度與規(guī)范要求 15 總 分 100 評 語 評閱人簽名： 年 月 日 5 畢業(yè)設計（論文）答辯表 學生姓名 李穎 專業(yè)班級 13gz數(shù)控一班 學號 01320131x01 設計(論文)題目 普通銑床數(shù)控化改造技術 序號 評審項目 指 標 滿分 評分 1 報告內容 思路清晰；語言表達準確，概念清楚，論點正確；實驗方法科學，分析歸納合理；結論有應用價值。 40 2 報告過程 準備工作充分,時間符合要求。 10 3 創(chuàng) 新 對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。 10 4 答 辯 回答問題有理論依據(jù)，基本概念清楚。主要問題回答準確，深入。 40 總 分 100 答 辯 組 評 語 答辯組組長（簽字）： 年 月 日 答辯 委員會 意見 答辯委員會負責人（簽字）： 年 月 日 6-1 畢業(yè)設計（論文）答辯記錄表 學生姓名 李穎 專業(yè)班級 13gz數(shù)控一班 學號 01320131x01 設計(論文)題目 普通銑床數(shù)控化改造技術 答辯時間 答辯地點 答辯委員會名單 問題1 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題2 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題3 提問人： 問題： 回答（要點）： 記錄人簽名 （不足加附頁） 7 畢業(yè)設計（論文）成績評定總表 學生姓名：李穎 專業(yè)班級：13gz數(shù)控一班 畢業(yè)設計（論文）題目：普通銑床數(shù)控化改造技術 成績類別 成績評定 Ⅰ指導教師評定成績 Ⅱ評閱人評定成績 Ⅲ答辯組評定成績 總評成績 Ⅰ40%+Ⅱ20%+Ⅲ40% 評定等級 注：成績評定由指導教師、評閱人和答辯組分別給分(以百分記)，最后按“優(yōu)(90--100)”、“良(80--89)”、“中(70--79)”、“及格(60--69)”、“不及格(60 以下)”評定等級。其中，指導教師評定成績占40%，評閱人評定成績占20%，答辯組評定成績占40%。 摘 要 目前鑒于機 械制 造行業(yè)對于加 工精 度與加工效 率的要求不 斷提升，普 通銑 床已難以承擔以上重 任。但基于普通 銑床基數(shù)大數(shù)控銑 床價格昂貴的前提，普 通銑床數(shù)控化 改造勢在必行。改造完成的新型機床具有適應性較強、加工精度較高、生產效率較高和加工質量相對穩(wěn)定等優(yōu)點。它綜 合地應用了計算機應用、自動 控制、伺 服驅動、高精 度測量和創(chuàng) 新的機 械結構等多 方 面的前 沿技術，是今后機 床控制的明 確發(fā)展方向之一。 關鍵詞：普通銑床；數(shù)控化改造；伺服系統(tǒng)；滾珠絲杠 目 錄 摘 要 11 第一章 緒 論 13 1.1 數(shù)控機床的組成 13 1.2 機床數(shù)控化改造的意義 15 1.3 機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 15 第二章 銑床機械結構的改造設計 17 2.1 介紹 17 2.1.1 數(shù)控銑床機械結構的主要特點 17 2.1.2 數(shù)控銑床對機械結構的基本要求 18 2.2 銑床進給傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造 19 2.2.1數(shù)控銑床對進給傳動系統(tǒng)的基本要求 20 2.2.2數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng)的基本型式 21 2.2.3數(shù)控改造銑床進給系統(tǒng)的型式及介紹 23 第三章 普通銑床數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定 25 3.1 總體方案確定 25 3.1.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 25 3.1.2控制系統(tǒng) 25 3.1.3機械傳動方式 25 第四章 普通銑床進給伺服系統(tǒng)機械部分 26 4.1 設計計算 26 4.1.1系統(tǒng)脈沖當量的選擇 26 4.1.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型 27 4.1.3 滾珠絲杠螺母副的選用與設計 27 4.2 縱向進給步進電機計算 33 4.2.1等效轉動慣量計算 33 4.2.2計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 36 第五章 普通銑床電氣部分改造 37 總 結 39 參考文獻 40  第一章 緒 論 1.1 數(shù)控機床的組成 如下圖所示，數(shù)控機床由一下幾個部分組成： 1、程序編制及程序載體 數(shù)控機床自動加工零件的工作指令是數(shù)控程序。在對加工零件進行工藝分析的基礎上，要先確定零件坐標系在機床坐標系上的相對位置，刀具與零件相對運動的尺寸參數(shù)；零件加工的工藝路線或加工順序；主運動的起、停、換向、變速；進給運動的速度、位移大小等工藝參數(shù)，以及輔助裝置的動作。得到零件的所有運動、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息后，用由文字、數(shù)字和符號組成的標準數(shù)控代碼，按規(guī)定的方法和格式，編制零件加工的數(shù)控程序單。 把已經編好的數(shù)控程序，存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲載體上，它可以是穿孔紙帶、磁帶和磁盤等，采用哪一種存儲載體，取決于數(shù)控裝置的設計類型。 （1）輸入裝置 輸入裝置的作用是將程序載體（信息載體）上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內。根據(jù)控制存儲介質的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機、磁帶機或軟盤驅動器等。數(shù)控機床加工程序也可通過鍵盤用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控加工程序還可由編程計算機用RS232C或采用網(wǎng)絡通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。 零件加工程序輸入過程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工（數(shù)控系統(tǒng)內存較小時），另一種是一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內部的存儲器，加工時再從內部存儲器中逐段逐段調出進行加工。 （2）數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心。數(shù)控裝置從內部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經過數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，使其進行規(guī)定的有序運動和動作。 零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過程中必須按零件形狀和尺寸的要求進行運動，即按圖形軌跡移動。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點和終點坐標值等數(shù)據(jù)，不能滿足要求，因此要進行軌跡插補，也就是在線段的起點和終點坐標值之間進行“數(shù)據(jù)點的密化”，求出一系列中間點的坐標值，并向相應坐標輸出脈沖信號，控制各坐標軸（即進給運動的各執(zhí)行元件）的進給速度、進給方向和進給位移量等。 （3）輔助控制裝置 輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開關量指令信號，經過編譯、邏輯判別和運動，再經功率放大后驅動相應的電器，帶動機床的機械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關量動作。這些控制包括主軸運動部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟動停止，工件和機床部件的松開、夾緊，分度工作臺轉位分度等開關輔助動作。 （4）驅動裝置和位置檢測裝置 驅動裝置接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經功率放大后，嚴格按照指令信息的要求驅動機床移動部件，以加工出符合圖樣要求的零件。因此，它的伺服精度和動態(tài)響應性能是影響數(shù)控機床加工精度、表面質量和生產率的重要因素之一。驅動裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機構兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機作為執(zhí)行機構。 位置檢測裝置將數(shù)控機床各坐標軸的實際位移量檢測出來，經反饋系統(tǒng)輸入到機床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來的實際位移量值與設定值進行比較，控制驅動裝置按照指令設定值運動。 由于可編程邏 輯控制器（PLC）具有響應快，性能可靠，易于使用、編程和修改程序并可直接啟動機床開關等特點，現(xiàn)已廣泛用作數(shù)控機床的輔助控制裝置。 （5）機床的機械部件 數(shù)控機床的機床本體與傳統(tǒng)機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。但數(shù)控機床在整體布局、外觀造型、傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結構以及操作機構等方面都已發(fā)生了很大的變化。這種變化的目的是為了滿足數(shù)控機床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機床的特點。 1.2 機床數(shù)控化改造的意義 眾所周知，制造業(yè)是國民經濟的基礎產業(yè)和支柱產業(yè)，是推動國家技術進步的主要力量。加入WTO之后，我國制造業(yè)正面臨極大的考驗和挑戰(zhàn)。我國制造業(yè)水平與發(fā)達國家相比，總體水平偏低，這直接影響到我國工業(yè)產品質量的提高和制造成本的降低，影響到我國工業(yè)產品的國際市場競爭力。為改變這種落后狀況，必須提高制造業(yè)的裝備水平，特別是機床的數(shù)控化率。購置數(shù)控機床是提高機床數(shù)控化率的途徑；對舊機床進行數(shù)控化改造，也是提高機床數(shù)控化率的重要途徑之一。 我國機電行業(yè)（包括機械、電子、汽車、航空、航天、輕工、紡織、冶金、煤炭、郵電、船舶等）擁有的機床結構比較陳舊，操作系統(tǒng)復雜，控制系統(tǒng)落后，生產效率低下，如果靠購置新的數(shù)控機床取而代之，顯然耗資巨大，不符合國情。因此，采用數(shù)控技術對現(xiàn)有機床進行改造，符合國家的產業(yè)政策。另外，從市場容量來講，不管是汽車制造業(yè)、模具制造業(yè)，還是軍工企業(yè)，機床數(shù)控化改造都蘊藏著無限商機。 近年來，美國、日本、德國、英國、等發(fā)達國家，在制造大量數(shù)控機床的同時，也非常重視對普通機床的數(shù)控化改造，機床的技術改造市場十分活躍。在美國，機床改造業(yè)被稱為機床再生業(yè)；在日本，機床改造業(yè)被稱為機床改裝業(yè)。機床改造業(yè)正逐步從機床制造業(yè)中分化處理，形成了用數(shù)控技術改造機床和生產線的新的行業(yè)和領域。 1.3 機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 從宏觀上看，在20世紀70年代末、80年代初，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)進行技術改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床，F(xiàn)MC、FMS外，還包括在產品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造，在生產管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等，以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍用品和民用品的市場上競爭了大為增強。而我國在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家落后約20年。如在我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達20.8%。隨著我國現(xiàn)代化制造的不斷推進，每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。 從微觀上看，數(shù)控機床本身是高科技產品，它比傳統(tǒng)機床有很多突出的優(yōu)越性，這些優(yōu)越性的發(fā)揮，是數(shù)控機床的性能有了質的提高，打了推動了制造也的發(fā)展。傳統(tǒng)機床經過改造后，得到了近似于數(shù)控機床的性能，也意味著我國制造業(yè)整體水平的提高。 第2章 銑床機械結構的改造設計 2.1 介紹 根據(jù)我國國情，八十年代在普通機床的改造方面，出現(xiàn)了以經濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，尤其是普車、普銑數(shù)控化改造的熱潮，并逐步形成了經濟型數(shù)控產業(yè)?！鞍宋濉焙笃诤汀熬盼濉?，國家把舊設備的改造列入企業(yè)技術進步，工藝更新的一個重要途徑，很多工廠把普通機床的數(shù)控化改造列入企業(yè)的發(fā)展計劃，作為企業(yè)適應市場經濟、提高產品市場占有率的一項措施。普通銑床的經濟型數(shù)控化改造，除了選擇可靠性高、性能穩(wěn)定的數(shù)控系統(tǒng)外，對銑床自身的改造也是一個很重要的環(huán)節(jié)。普通銑床經濟型數(shù)控化改造包括兩個方面，即機床電氣的數(shù)控化改造和機床本體的數(shù)控化改造。 2.1.1 數(shù)控銑床機械結構的主要特點 數(shù)控銑床作為一種高速、高效和高精度的自動化加工設備，由于其控制系統(tǒng)功能強大，使機床的性能得到大大提高。部分機械日趨簡化，新的結構，功能不僅不斷涌現(xiàn)，使得其機械結構和傳統(tǒng)的機床相比，有了明顯的改進和變化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1、結構簡單、操作方便、自動化程度高 數(shù)控銑床需要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，自動完成對進給速度，主軸轉速、刀具運動軌跡以及其它機床輔助機能（如：自動換刀、自動冷卻等）的控制。它必須利用伺服進給系統(tǒng)代替普通機床的進給系統(tǒng)，并可以通過主軸調速系統(tǒng)實現(xiàn)主軸自動變速，因此在機械結構上，數(shù)控機床的主軸箱、進給變速箱結構一般都非常簡單；齒輪、軸類零件、軸承的數(shù)量大為減少；電動機可以直接聯(lián)接主軸和滾珠絲杠，不用齒輪。在使用直線電動機、電主軸的場合，甚至可以不用絲杠、主軸箱。在操作上，它不像普通機床那樣，需要操作者通過手柄進行調整和變速，操作結構比普通機床要簡單得多，許多機床甚至沒有手動機械操作機構。此外，由于數(shù)控機床的大部分輔助動作都可以通過數(shù)控系統(tǒng)的輔助機能，因此，常用的操作按鈕也較普通機床少，操作更方便、更簡單。 2、廣泛采用高效、無間隙傳動裝置和新技術、新產品 數(shù)控銑床進行的是高速、高精度加工，在簡化機械結構的同時，對于機械結構傳動裝置和元件在數(shù)控銑床上得到廣泛的應用。如滾珠絲杠副、塑料滑動導軌、靜壓導軌、直線滾動導軌等高效執(zhí)行部件，不僅可以減少進給系統(tǒng)的摩擦阻力，提高傳動效率，而且還可以使運動平穩(wěn)并獲得較高的定位精度。 近年來，隨著新材料、新工藝的普及、應用、高速加工已經成為目前數(shù)控銑床的發(fā)展方向之一?？爝M速度達到了每分鐘數(shù)十米，甚至上百米。主軸轉速達到了每分鐘上萬轉，甚至十幾萬轉，采用電主軸、直線電動機、直線滾動導軌新產品，新技術勢在必行。 3、具有適應無人化、柔性化加工的特殊部件 “工藝復合化”和“功能集成化”是無人化，柔性化加工的基本要求，也是數(shù)控機床的最顯著的特點和當前的發(fā)展方向。因此，自動換刀裝置、動力刀架、自動排屑裝置、自動潤滑裝置等特殊機械部件是必不可少的，有的機床還帶有自動工作臺交換裝置（APC）。 “功能集成化”是當前數(shù)控銑床的另一重要發(fā)展方向，隨著數(shù)控銑床向無人化、柔性化加工發(fā)展，功能集成化更多體現(xiàn)在工件的自動裝卸、自動定位；刀具的自動對刀、破損檢測、壽命管理；工件的自動測量與自動補償?shù)裙δ苌稀? 4、對機械結構、零部件的要求高 高速、高效、高精度的加工要求，無人化的管理以及工藝復合化、功能集成化一方面可以大大提高生產率，同時，也必然會使機床的開機時間、工作負載隨之增加，機床必須在高負載下，長時間可靠工作。因此，對組成機床的各種零部件和控制系統(tǒng)的可靠性要求很高。 2.1.2 數(shù)控銑床對機械結構的基本要求 1、具有較高的靜、動剛度和良好的抗振性 銑床的剛度反映了機床結構抵抗變形的能力。銑床變形所產生的誤差，通常很難通過調整和補償?shù)霓k法予以解決。為了滿足數(shù)控銑床高效，高精度、高可靠性以及自動化的要求、與普通銑床相比，數(shù)控銑床應具有更高的靜剛度。此外，為了充分發(fā)揮機床的效率，加大切削用量，還必須提高機床的抗振性，避免切削是的共振和顫振，而提高結構的動剛度是提高機床抗振性的基本途徑。 2、 具有良好的熱穩(wěn)定性 銑床的熱變形是影響銑床加工精度的主要因素之一。由于數(shù)控銑床的主軸轉速、快進速度都遠遠高于普通銑床，機床又長時間處于連續(xù)工作狀態(tài)，電動機、絲杠、軸承和導軌的發(fā)熱都比較嚴重，加上高速切削產生的切屑影響，使得數(shù)控機床的熱變形影響比普通銑床要嚴重的多，雖然在先進的數(shù)控系統(tǒng)中具有熱變形補償功能，但是它并不能完成消除熱變形對于加工精度的影響。因此，在數(shù)控銑床上還應采取必要的措施，盡可能減少機床的熱變形。 3、 具有較高的運動精度與良好的低速穩(wěn)定性 利用伺服系統(tǒng)代替普通銑床的進給系統(tǒng)是數(shù)控銑床的主要特點。伺服系統(tǒng)的最小移動量（脈沖當量），一般只有0.001mm，甚至更小，最低進給速度，一般只有1mm/min，甚至更低，這就要求進給系統(tǒng)具有較高的運動精度，良好的跟蹤性能低速穩(wěn)定性，才能對數(shù)控系統(tǒng)的位置指令作出準確的響應，從而得到要求的定位精度。 傳動裝置的間隙直接影響銑床的定位精度，雖然在數(shù)控中可以通過采取間隙補償、單向定位等措施減小這一影響，但不能完全消除，特別是對于非均勻間隙，必須采用機械消除間隙措施，問題才能得到較好地解決。 4、 具有良好的操作、安全防護性能 方便、舒適的操作性能，是操作者普遍關心的問題。在大部分數(shù)控銑床上，刀具和工件的裝卸、刀具和夾具的調整等還需要操作者完成；機床的維修更不可能離開人。而且由于加工效率的提高，數(shù)控機床的工件裝卸可能比普通機床更加頻繁。因此，良好的操作性能是數(shù)控機床設計時必須考慮的問題。 數(shù)控銑床是一種高度自動化的加工設備，動作復雜，高速運動部件較多，對機床動作互鎖、安全防護性能等要求比普通銑床要高的多。同時，數(shù)控銑床一般都有高壓、大流量的冷卻系統(tǒng)，為了防止切屑，冷卻液的飛濺，數(shù)控銑床通常都應采用封閉或半封閉的防護形式，增加防護性能。 2.2 銑床進給傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造 數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng)常用伺服進給系統(tǒng)來工作，伺服進給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息，進行放大以后控制執(zhí)行部件的運動，不僅控制進給運動的速度，同時還要精確控制刀具相對于工作的移動位置和軌跡，因此，數(shù)控銑床進給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對經運動的位置和運動的速度兩方面實現(xiàn)自動控制。 一個典型的數(shù)控銑床閉環(huán)控制的進給系統(tǒng)，通常有位置比較、放大元件、驅動單元、機械傳動裝置和檢測反饋元件等幾部分組成，而其中的機械傳動裝置是位置控制環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)。這里所說的機械傳動裝置，是指將驅動源旋動運動變?yōu)楣ぷ髋_直線運動的整個機械傳動鏈，包括減速裝置、絲杠螺母副等中間傳動機構。 2.2.1數(shù)控銑床對進給傳動系統(tǒng)的基本要求 傳動系統(tǒng)的剛度和慣量主要決定于機械結構設計，而傳動系統(tǒng)的間隙、摩擦死區(qū)則是造成傳動系統(tǒng)非線性的主要原因。因此，數(shù)控銑床對機械傳動系統(tǒng)的要求可以概況如下： 1、 提高傳動部件的剛度 一般來說，數(shù)控銑床直線運動的定位精度和分辨率都要達到微米級，回轉運動的定位精度和分辨率都要達到角秒級，伺服電動機的驅動力矩（特別是起動、制動是的力矩）也很大。如果傳動部件的剛度不足，必然會使出阿杜部件產生彈性變形，影響系統(tǒng)的定位精度、動態(tài)穩(wěn)定性和響應快速性。加打滾珠絲杠的直徑，對滾珠絲杠螺母副、支承部件進行預緊，對滾珠絲杠進行預拉伸等，都是提高傳動系統(tǒng)剛度的有效措施。 2、減小傳動部件的慣量 在驅動電動機一定是，傳動部件的慣量直接決定了進給系統(tǒng)的加速度，它是影響進給系統(tǒng)快速性的主要因素。特別是在高速加工的數(shù)控機床上，由于對進給系統(tǒng)的加速度要求高，因此，在滿足系統(tǒng)強度和剛度的前提下，應盡可能減小零部件的質量、直徑，以降低慣量，提高快速性。 3、減小系統(tǒng)的摩擦阻力 進給系統(tǒng)的的摩擦阻力一方面會降低傳動效率，產生發(fā)熱，另一方面，它還直接影響系統(tǒng)的快速性；此外，由于摩擦力的存在，動、靜摩擦系數(shù)的編號，將導致傳動配件的彈性變形，產生非線性的摩擦死區(qū)，影響系統(tǒng)的定位精度和閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、直線滾動導軌、靜壓導軌和塑型導軌等高效執(zhí)行部件，可以減少系統(tǒng)的摩擦阻力，提高運動精度，避免低速爬行。 2.2.2數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng)的基本型式 數(shù)控機床的進給運動可以分為直線運動和圓周運動兩大類。直線進給運動包括機床的基本坐標軸（X、Y、Z軸）以及和基本坐標軸平行的坐標軸（U、V、W等）的運動；圓周進給運動是指繞基本坐標軸X、Y、Z回轉的坐標運動。 1、 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副具有以下特點； （1）摩擦損失小，傳動效率高； （2）絲杠螺母之間預緊后，可以消除間隙，提高了傳動剛度； （3）摩擦阻力小，而且它幾乎與運動速度無關，動、靜摩擦力的變化也很小，不易產生低速爬行現(xiàn)象； （4）長期工作磨損小，使用壽命廠，精度保持性好。因此，在數(shù)控銑床上得到了廣泛應用，是目前中，小型數(shù)控機床最為常見的傳動型式。 但由于它有運動的可逆性，即一方面能將旋轉運動轉換為直線運動，反過來也能將直線運動轉換為旋轉運動，不能實現(xiàn)自鎖。當一在垂直傳動或水平放置的高速大慣量傳動中心必須裝有制動裝置，使用具有裝置的伺服驅動電動機是最簡單的方法。另外，為了防止安裝、使用是螺母脫離絲杠，在機床上還必須配置超程保護裝置，這一點對于高速加工數(shù)控機床來說尤為重要。 2、 靜壓絲杠螺母副 靜壓絲杠螺母副是通過油壓在絲杠和螺母的接觸面之間，產生一層保持一定厚度，且具有一定剛度的壓力油膜，使絲杠和螺母之間有邊界摩擦變?yōu)橐后w摩擦。當絲杠轉到是通過油膜推動螺母直線移動，反之，螺母轉動也可使絲杠直線移動。靜壓絲杠螺母的特點是： （1）摩擦系數(shù)小，僅為0.0005，比滾珠絲杠（摩擦系數(shù)為0.002～0.005）的摩擦損失更小，因此，其起動力矩很小，傳動靈敏，避免了爬行。 （2）油膜層可以吸振，提高了運動的平穩(wěn)性。 （3）由于油液的不斷運動，有利于散熱和減少熱變形，提高了機床的精度和光潔度。 （4）油膜成具有一定剛度，減小了反向間隙。 （5）油膜層介于螺母與絲杠之間，對絲杠的誤差有“均化”作用，即可以使絲杠的傳動誤差小于絲杠本身的制造誤差。 （6）承載能力與供油壓力成正比，與轉速無關，但靜壓絲杠螺母副應有一套供油系統(tǒng)，而且對油的清潔度要求高，如果在運動中供油忽然中斷，將造成股良后果。 3、 靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副 大型數(shù)控機床不宜采用絲杠傳動，因長絲杠制造困難，且容易彎曲下垂，影響傳動精度；同時軸向剛度與扭轉剛度也難提高，如果加大絲杠直徑，則轉動慣量增大，伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性不易保證，故常用靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副傳動。 靜壓蝸桿蝸條副的工作原來與靜壓絲杠螺母相同，蝸條實質上是螺母的一部分，蝸桿相當于一根短絲杠，這種傳動機構，壓力油必須從蝸桿進入靜壓油腔，加上蝸桿是旋轉的，與蝸條的接觸區(qū)只有120。左右，要使壓力油只能進入接觸區(qū)，必須解決蝸桿的配油問題。 齒輪齒條副傳動用于行程較長的大型機床上，可以得到較大的傳動比，進行高速直線運動，剛度及機械效率也高。但其傳動不夠平穩(wěn)，傳動精度不高，而且還不能自鎖。采用齒輪齒條副運動是，必須采取措施消除齒側間隙，當傳動負載小是也可采用雙片薄齒輪調整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側貼緊，從而消除齒側間隙。當傳動負載大時，可采用雙厚齒輪傳動結構。 4、 直流電動機直接驅動 直流電動機是近年來發(fā)展起來的高速、高精度數(shù)控機床最有代表性的先進技術之一。利用直流電動機驅動，可以完全取消傳動系統(tǒng)中將旋轉運動變?yōu)橹本€運動的環(huán)節(jié)，大大簡化機械傳動系統(tǒng)的結構，實現(xiàn)所謂的“零傳動”。它從根本上消除傳動環(huán)節(jié)對精度、剛度、快速性和穩(wěn)定性的影響，故可以獲得比傳統(tǒng)進給驅動系統(tǒng)更高的定位精度，快進速度和加速度。 2.2.3數(shù)控改造銑床進給系統(tǒng)的型式及介紹 XA5032型銑床數(shù)控化改造進給系統(tǒng)，X、Y、Z三軸在滿足傳遞扭矩的前提下采用FANUC 20M 直流伺服電機并配有直流功能驅動系統(tǒng)，提高了驅動性能。步進電機通過精密膜片抗繞性聯(lián)軸器與滾珠絲杠直接相連，提高了傳動精度，效率較高，其中Z向通過圓錐齒輪轉換成垂直方向的傳動，其構型式如下圖所示 X、Y、Z三軸采用帖塑導軌，靜，動摩擦系統(tǒng)變化小，快速移動響應快，振動小，低速移動是無爬行，穩(wěn)定性好。 X、Y向進給傳動圖 Z向進給傳動圖 第三章 普通銑床數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定 3.1 總體方案確定 3.1.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經濟型數(shù) 控銑床應具有定 位、直 線插補、順、逆時 針插補、暫 停、循 環(huán)加工、公英制螺 紋加工等功能，并且在車削加工中，要求刀具沿X Y軸運動有確 定的 函 數(shù)關系（即： 刀具以給定的速 率相對于工件沿加工路徑運動）， 所以不能選用點位 控制系統(tǒng)，因為點位 控制系統(tǒng) 要求工件相對 于刀 具移動過程中 不進行切削。因此，改造后的機床 應選用連續(xù)控制系統(tǒng)。 普通銑床型 銑床改造屬 于 經濟型數(shù)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 環(huán)控 制 系統(tǒng)，因為閉 環(huán) 控制系統(tǒng)適 用于精 度 要求 較高的機床設計，且閉環(huán) 控制系統(tǒng)的造價昂貴。 3.1.2控制系統(tǒng) 根據(jù)機床要求，采用PLC控制。由于PLC控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，工作環(huán)境 不挑剔，易于檢修等特點，且對PIC系統(tǒng)較為熟悉，因此采用PLC控制系統(tǒng)系統(tǒng)。 3.1.3機械傳動方式 為實現(xiàn)機 床所要求的分 辨率，采用步進電機經過齒輪減速再傳向傳動杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量 減小摩擦力，所以選用滾珠絲杠螺母副以及滾動導軌。 同時，為提高傳動剛度和消除齒間間隙，所以采用預 加負載的滾動導軌和滾珠絲杠副機構。 齒輪傳動也采用 消除齒 側間 隙 的消 隙齒 輪結構。 第四章 普通銑床進給伺服系統(tǒng)機械部分 4.1 設計計算 一臺銑床銑床改造成數(shù)控銑床，采用PLC控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能，具有升降速控制功能。其主要設計參數(shù)如下： 規(guī) 格 工作臺行程(mm) 工作臺、夾具及工作重力(N) 工作臺快移速度(m/min) 最大進給速度(m/min) 走刀方向最大切削分力/垂向最大切削分力x,y向相同(N) 啟動加速時間ms 定位精度 mm X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 1250 320 680 240 3300 5500 16 16 0.6 0.6 2750/2200 40 0.01 伺服系統(tǒng)機械部分設計：確定系統(tǒng)的負 載、確定系統(tǒng)脈 沖當量，運動部件慣 量計算，空 載起動及切削力計算，確定伺服電機，傳動及導 向元件的設計、計算及選用，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖。現(xiàn)分述如下： 4.1.1系統(tǒng)脈沖當量的選擇 一個進給脈沖，使機床運動部件產生的位移量，也稱為機床的最小設定單位（脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個最基本技術參數(shù)）。經濟型數(shù)控銑床常采用的脈沖當量是0.01～0.005mm/脈沖。 根據(jù)機床精度要求調研確定脈沖當量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖 4.1.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠螺母副的選型首先要選擇結構類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預緊方式等。結構類型確定之后，即可計算和確定其他技術參數(shù)，例如：公稱直徑d0（絲杠外徑d），導程，圈數(shù)j，列數(shù)K等。 滾珠絲杠副的滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。在此選用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，與螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設有擋珠器，引導滾珠進入通孔。擋珠器用圓形型鋼彎成弧形，并焊接上螺栓，固定在螺母上。它的優(yōu)點是：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小。與此同時缺點是：螺旋槽同通孔不易連接準確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。 滾珠絲杠副的預緊方法有以下幾種，雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊、單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等。 本次設計選用雙螺母螺紋式預緊結構，它通過調整端部的圓螺母，使螺母產生軸向位移，其特點是結構比較緊湊，工作可靠，滾道磨損時可隨時調整，預緊量不很準確，應用較普遍。 4.1.3 滾珠絲杠螺母副的選用與設計 1、銑削力的計算 對高速鋼圓柱銑刀，切削力的計算公式為： 式中： 系數(shù)，其值取決于切削條件和工件材料。當工件為碳鋼時，取=65，=4mm； --每齒進給量，取=0.1mm； --背吃刀量，取=30mm； z—銑刀齒數(shù)，取z=4； do一銑刀直徑，取do=27mm； n～銑刀轉數(shù)； ，一切削條件改變時，切削力的修正系數(shù)。 其中參數(shù)按實際加工過程中平均銑削條件為標準來選擇。 由己知條件，取X，=1．0、yF=O．72、UF=O．86、OF=0及gF 20．73，加工 碳鋼時， =673MPa，其修正系數(shù)為： (3-3) 用圓柱銑刀進行逆銑加工時： 由任務書可知： 水平銑削分力 垂直銑削分力 軸向分力 由此可算出： 軸向銑削力 =0.375*4313=1617.4N; 軸向銑削力 2、強度校核計算 燕尾形導軌工作時軸向力為： 式中：k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，取1.4； f—導軌上的摩擦系數(shù)，取0.2； 、、--切削分力，=2P/3=（2/3）*4.865=3.243(KN), =0, 、==1.617(KN). G—工作臺重量，G=80*9.8=784=0.784(KN) 由此可得： =1.4*3.243+0.2*（1.617+0.784）=4.5+0.48=5.02(KN) 滾珠絲杠壽命值計算 L=60NT 壽命值為： 式中：L—工件壽命（r）； N—滾珠絲杠的轉速（r/min）; T—使用壽命時間（h），數(shù)控機床一般為1500h； 滾珠絲杠承受的最大動負載計算： 式中：--滾珠絲杠工作載荷，=1.2，=1.1 參照漢江機床有限公司絲杠導軌廠的產品樣本，選取HJG．S系FYClD列4006．5．4滾珠絲杠。 該滾珠絲杠副屬外循環(huán)雙螺母法蘭凸出導管式，公稱直徑#40ram，導程Lo=6mm，螺母上的負荷滾珠總圈數(shù)為5圈，精度為4級，右旋螺紋，其動載荷為29．126KN，遠大于12．76KN，強度滿足使用要求。滾珠絲杠兩端支承均采用止推軸承和滾珠向心球軸承，在原有進給手動端增加齒輪箱，以便安裝減速齒輪及交流伺服電動機，如圖3．3所示。 3、傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為： 絲杠螺旋升角力=，滾珠絲杠螺母副的滾動摩擦系數(shù)f=O．003～0．004，≈10’，則 由前面的計算已知：滾珠絲杠的導程步矩角，脈沖當量變速箱內齒輪的傳動比為： 傳動比計算出來以后，是采用一級齒輪減速還是二級齒輪減速，應考慮結構上的安排，齒輪減速箱的大小不應該影響移動溜板在有效行程內的運動，由于進給伺服系統(tǒng)的功率都不大，齒輪的模數(shù)一般耿m=2。所以，齒輪變速箱內齒輪的選擇有關參數(shù)如下：=32， =40，模數(shù)m=2mm，壓力角=20 4、傳動效率計算 　滾珠絲杠螺母副的傳動效率為： η= 式中 —螺旋升角, =422′ --摩擦角取10′滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004 將各數(shù)據(jù)帶入上式得： η== 5、剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性因此應考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉變形引起導程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結構上盡量增強其剛度而不作計算。 因此滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是前三種變形量，他們的和應不大于機床精度要求允許變形量的一半，否則，應考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。 縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如圖2-1所示。最大牽引力為1870 N.軸承支撐間距=700㎜，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3 圖2-1 （1）由于一端軸向固定的長絲桿在工作中可能會產生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S，其值應大于絲杠副傳動結構的允許安全系數(shù)（S），見下表。 絲杠不發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷，其計算公式為 = E--絲杠材料的彈性模量。對于鋼，E=206GPa; l--絲杠工作長度； --絲杠危險截面的軸慣性矩； --長度系數(shù)。 ===N 安全系數(shù)S===179.7，查上表，（S）=3-4. S>(S),絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 （2）高速長絲杠工作是可能產生共振，因此需驗證其不會發(fā)生共振的最高轉速--臨界轉速。要求絲杠的最大轉速<。 =9910 =991010927 r/min <=10000 r/min,所以絲杠工作時不會產生共振。 （3）滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求<7 =50<所以該絲杠副工作穩(wěn)定。 4.1.4