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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
Φ500mm的數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)
及橫向進(jìn)給設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
全面闡述了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并進(jìn)行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。
其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對(duì)滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則以及廠家的選擇等。
關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
III
Abstract
Comprehensively 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 screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 1
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn) 1
1.2數(shù)控車床的主要功能及加工對(duì)象 1
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 2
1.3.1中小企業(yè)數(shù)控機(jī)床選用中存在的問(wèn)題 2
1.3.2 數(shù)控機(jī)床選購(gòu)的策略 2
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向 4
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 5
2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 5
2.1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 5
2.1.2控制方式的選擇 6
2.2 總體方案確定 6
2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇 6
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 6
2.2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 6
第3章 確定切削用量及選擇刀具 7
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 7
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 7
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 8
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) 8
3.3 確定切削用量 9
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 9
3.3.2確定進(jìn)給速度 9
3.3.3 確定背吃刀量 9
第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì) 10
4.1主傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 10
4.1.1動(dòng)力參數(shù)的確定 10
4.1.2主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定 11
4.1.3主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定 12
4.2變速主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12
4.2.1確定傳動(dòng)方案 12
4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定 13
4.2.3擬定傳動(dòng)變速系統(tǒng)圖 14
第5章 橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 16
5.1 選擇脈沖當(dāng)量 16
5.2 計(jì)算切削力 16
5.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 17
5.4 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 25
5.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 26
第6章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30
6.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要 30
6.1.1 硬件電路設(shè)計(jì) 30
6.1.2 軟件電路設(shè)計(jì) 31
6.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 31
6.2.1 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介 31
6.2.2 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 32
6.2.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 34
6.2.4 I/O口的擴(kuò)展 36
6.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 37
6.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 38
6.2.7 光電隔離電路 38
6.2.8 功率放大器 38
6.2.9 其他輔助電路 39
結(jié) 論 41
致 謝 42
參考文獻(xiàn) 43
43
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn)
數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。
數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動(dòng)輸入。
隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。
未來(lái)數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來(lái)越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè)柔性制造單元，更加便于納入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中。
1.2數(shù)控車床的主要功能及加工對(duì)象
數(shù)控車床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控車床普遍所具有的功能。如點(diǎn)位控制功能、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能、鏡象加工功能、 固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控車床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ?。如刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能、靠模加工功能、自動(dòng)變換工作臺(tái)功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。
在使用數(shù)控車床加工工件時(shí)，只要充分利用數(shù)控車床的各種功能，就可以加工許多普通車床難加工的工件。數(shù)控車床的主要加工對(duì)象有：平面類零件；變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。
1、直線插補(bǔ):?數(shù)控車床在完成工作時(shí)所具有的基本功能之一，一般情況下分為直線插補(bǔ)和空間直線插補(bǔ)等一些插補(bǔ)方式
2、圓弧插補(bǔ):?這也是數(shù)控車床在完成工作時(shí)所具有的基本功能之一，一般情況下可分為平面圓弧插補(bǔ)以及逼近圓弧插補(bǔ)等。
3、固定循環(huán):???固定循環(huán)是指通過(guò)各種參數(shù)使用不同的加工要求，主要用于實(shí)現(xiàn)一些魚油經(jīng)典型的需要多次重復(fù)的工作，這樣使用固定循環(huán)是可以有效的簡(jiǎn)化程序的編制。
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析
近幾年，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，我國(guó)機(jī)床制造行業(yè)受益于國(guó)家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境，有了長(zhǎng)足進(jìn)展，這其中領(lǐng)先當(dāng)今機(jī)械制造技術(shù)水平的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)更勝一籌。
由于數(shù)控設(shè)備的先進(jìn)性、復(fù)雜性和發(fā)展的迅速性,以及品種型號(hào)、檔次的多樣性,決定了選用數(shù)控設(shè)備的復(fù)雜性和難度。如何從品種繁多、價(jià)格昂貴的產(chǎn)品中選擇適用的設(shè)備, 成為中小型企業(yè)十分關(guān)心的問(wèn)題。
1.3.1中小企業(yè)數(shù)控機(jī)床選用中存在的問(wèn)題
目前中小型企業(yè)缺乏數(shù)控設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)和掌握數(shù)控加工技術(shù)的人才,在數(shù)控機(jī)床選購(gòu)中存在著盲目性、片面性,主要表現(xiàn)在以下幾方面:
1.決策者對(duì)數(shù)控機(jī)床的認(rèn)識(shí)有誤區(qū),部分企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為配置高精度數(shù)控設(shè)備是企業(yè)檔次的象征。選型時(shí)不考慮投資效益,忽略性價(jià)比,盲目追求進(jìn)口、高檔,片面講究功能齊全。而在后來(lái)的使用過(guò)程中才發(fā)現(xiàn)有些功能用不上或幾乎不用。2.機(jī)床選型混亂, 數(shù)控機(jī)床類型、規(guī)格不配套。選購(gòu)不同廠家的產(chǎn)品, 數(shù)控系統(tǒng)不統(tǒng)一, 購(gòu)置后給操作、編程、維修帶來(lái)困難。3.購(gòu)置數(shù)控機(jī)床時(shí)只重視主機(jī)性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某個(gè)附件或刀具而影響整個(gè)主機(jī)的運(yùn)行。4.對(duì)企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品變化預(yù)測(cè)不足, 所購(gòu)設(shè)備的功能的發(fā)揮受到制約。
1.3.2 數(shù)控機(jī)床選購(gòu)的策略
1.實(shí)用性。選購(gòu)數(shù)控機(jī)床時(shí)，企業(yè)要有明確的目的和出發(fā)點(diǎn)，首先考慮的是數(shù)控機(jī)床的實(shí)用性。
(1)數(shù)控機(jī)床規(guī)格、精度的實(shí)用性。在選擇數(shù)控機(jī)床時(shí),首先應(yīng)確定數(shù)控機(jī)床上加工的典型零件。零件的尺寸決定機(jī)床的加工范圍；零件關(guān)鍵部位的精度決定了所選機(jī)床的精度等級(jí)。機(jī)床精度的評(píng)定指標(biāo)較多，因數(shù)控機(jī)床類別而異,但共有的關(guān)鍵項(xiàng)目是定位精度、重復(fù)定位精度以及綜合加工精度。定位精度與傳動(dòng)鏈各環(huán)節(jié)的彈性、間隙等因素有關(guān),反映了機(jī)械系統(tǒng)中的扭曲、撓度、爬行、共振等諸因素造成的綜合誤差。這些指標(biāo)既反映了伺服機(jī)構(gòu)的剛度,也說(shuō)明了位置反饋測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)量。重復(fù)定位精度反映了數(shù)控軸在全行程內(nèi)定位點(diǎn)的穩(wěn)定性，傳動(dòng)鏈剛性直接影響重復(fù)定位精度。綜合加工精度指最后加工出來(lái)的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤差。選購(gòu)時(shí)應(yīng)避免盲目追求高精度，注意機(jī)床精度與工件精度相匹配。
(2)數(shù)控系統(tǒng)功能的實(shí)用性。數(shù)控系統(tǒng)功能可分為基本功能與選用功能, 各知名品牌數(shù)控系統(tǒng)的基本功能差別不大。除基本功能以外, 數(shù)控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能。通常數(shù)控系統(tǒng)具備的基本功能比較便宜, 而特定選擇的功能很貴。在可供選擇的功能模塊中, 性能差別很大,價(jià)格也相差數(shù)倍，所以要根據(jù)加工要求和機(jī)床性能的需要來(lái)選擇。 從控制方式、驅(qū)動(dòng)形式、反饋形式、檢測(cè)、操作方式、接口形式和故障診斷等方面來(lái)衡量, 合理地選擇適合機(jī)床的可選功能,放棄可有可無(wú)或不實(shí)用的可選功能。比如，自動(dòng)換刀裝置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC裝置的投資往往占整機(jī)的30%～50%。因此在滿足使用要求的前提下盡量選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可靠性高的ATC, 以提高機(jī)床的可靠性和降低整機(jī)的價(jià)格。應(yīng)當(dāng)注意，單獨(dú)簽訂合同購(gòu)買附件的單價(jià)大大高于隨同主機(jī)一起供貨的附件單價(jià),應(yīng)盡可能在購(gòu)買主機(jī)時(shí)一并購(gòu)置部分易損部件及其他附件。 2.經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性是指選用的數(shù)控機(jī)床在滿足加工要求的條件下, 所支付的“錢”最少或較為合理的。經(jīng)濟(jì)性往往是和實(shí)用性緊密相連的, 機(jī)床選得實(shí)用、經(jīng)濟(jì), 可避免不必要的浪費(fèi), 避免以高代價(jià)換來(lái)功能過(guò)多而又不實(shí)用的較復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床，避免在操作使用、維護(hù)保養(yǎng)等諸多方面帶來(lái)困難。
數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)使用壽命一般為7年, 主要以數(shù)控方面的使用壽命為準(zhǔn)。同時(shí)還得考慮市場(chǎng)占有率, 市場(chǎng)占有率高的數(shù)控設(shè)備說(shuō)明是旺銷產(chǎn)品, 已受到多數(shù)用戶的青睞和肯定, 一般不會(huì)有太多的質(zhì)量問(wèn)題。
選購(gòu)數(shù)控機(jī)床應(yīng)考慮投資回報(bào), 能夠在短期內(nèi)收回投資的機(jī)床才是好機(jī)床。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的主要優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)工序集中，從而提高生產(chǎn)率和加工精度，所以數(shù)控機(jī)床既適于單件小批生產(chǎn)，又適于大批量生產(chǎn)。多數(shù)中小型企業(yè)購(gòu)買的數(shù)控機(jī)床用于批量生產(chǎn)，因?yàn)榕可a(chǎn)不僅節(jié)省編程、對(duì)刀等輔助時(shí)間，提高機(jī)床利用率；而且對(duì)操作者的技術(shù)要求不高，人工費(fèi)用也相對(duì)較低。所以用于大批量生產(chǎn)的機(jī)床投資回報(bào)較快。少數(shù)產(chǎn)品附加值高，具有一定經(jīng)濟(jì)實(shí)力的企業(yè)，為了生產(chǎn)組織方便而購(gòu)買用于單件生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床。機(jī)床利用率較低時(shí)，不僅要考慮設(shè)備的使用費(fèi)用，比如潤(rùn)滑油、冷卻液、電力消耗等，還要計(jì)算設(shè)備折舊。另外一個(gè)不可忽視的因素是設(shè)備的貶值，數(shù)控機(jī)床的升級(jí)、更新較快，同配置的一臺(tái)機(jī)床，現(xiàn)在售價(jià)40萬(wàn)，三年后可能降至35萬(wàn)，這樣算起來(lái)貶值和折舊一樣不可忽視。所以沒有定型產(chǎn)品或產(chǎn)品附加值較低的中小型企業(yè)，在購(gòu)置貴重?cái)?shù)控設(shè)備之前，一定要充分研究收回投資的周期。有些企業(yè)事先確定較穩(wěn)定的批量加工意向，甚至已經(jīng)接到訂單，選購(gòu)機(jī)床時(shí)要求機(jī)床廠為其準(zhǔn)備工裝、編制程序、培訓(xùn)工人，即所謂“交鑰匙”工程，這是投資數(shù)控機(jī)床最理想的情況。
3.穩(wěn)定可靠性。數(shù)控設(shè)備的可靠性是廣大數(shù)控設(shè)備用戶必須關(guān)心的焦點(diǎn)問(wèn)題, 因此在選用數(shù)控設(shè)備時(shí)應(yīng)注意生產(chǎn)廠家的規(guī)模和市場(chǎng)占有率, 確認(rèn)其產(chǎn)品是否達(dá)到國(guó)家規(guī)定的平均無(wú)故障時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)定為500h)。目前多數(shù)機(jī)床廠都采購(gòu)成熟的數(shù)控系統(tǒng)和零部件進(jìn)行組裝。國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的數(shù)控系統(tǒng)有日本FANUC、德國(guó)的西門子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直線導(dǎo)軌、主軸又分別來(lái)自德國(guó)和臺(tái)灣等地。所以機(jī)床的主要零部件的質(zhì)量一般是可靠的，需要重點(diǎn)考察的是數(shù)控機(jī)床組裝企業(yè)的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是否健全,服務(wù)隊(duì)伍的素質(zhì)是否能勝任工作,服務(wù)能否及時(shí),是否能履行承諾等。
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向
數(shù)控機(jī)床是由美國(guó)發(fā)明家約翰·帕森斯上個(gè)世紀(jì)發(fā)明的。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時(shí)代，其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機(jī)床是制造業(yè) 的加工母機(jī)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段，具有無(wú)限放大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng)。
技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：
高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)，近幾年來(lái)，在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績(jī)。主要表現(xiàn)在：
1.機(jī)床復(fù)合技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)步，復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括車-車復(fù)合、車車復(fù)合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_(tái)機(jī)床就是一個(gè)加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢(shì)。
2．?dāng)?shù)控機(jī)床的智能化技術(shù)有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動(dòng)調(diào)整干涉防 碰撞功能、斷電后工件自動(dòng)退出安全區(qū)斷電保護(hù)功能、加工零件檢測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過(guò)程自動(dòng)消除機(jī)床震動(dòng)等功能 進(jìn)入了實(shí)用化階段，智能化提升了機(jī)床的功能和品質(zhì)。
3．機(jī)器人使柔性化組合效率更高機(jī)器人與主機(jī)的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、 功能進(jìn)一步擴(kuò)展、柔性線進(jìn)一步縮短、效率更高。機(jī)器人與加工中心、車車復(fù)合機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床、工具磨床、電加工機(jī)床、鋸床、沖壓機(jī)床、激光加工機(jī) 床、水切割機(jī)床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應(yīng)用。
4．精密加工技術(shù)有了新進(jìn)展數(shù)控金切機(jī)床的加工精度已從原來(lái)的絲級(jí)（0.01mm）提升到目前 的微米級(jí)（0.001mm），有些品種已達(dá)到0.05μm左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05μm左右，形狀精度可達(dá) 0.01μm左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級(jí)（0.001μm）。通過(guò)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用 高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級(jí)超精加工時(shí)代。
5．功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機(jī)、直線電機(jī)，高性能的直線滾動(dòng)組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用，極大的提高數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容
接到一個(gè)數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)任務(wù)以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對(duì)機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。
2.1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。
2.1.2控制方式的選擇
系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)的流程是單向的，也正是由于信號(hào)的單向流程，它對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測(cè)，所以機(jī)床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單。
2.2 總體方案確定
2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓弧插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達(dá)到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)
根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾性強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
2.2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)總體方案框圖如下：
圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則
刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時(shí)，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時(shí)最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定.
選擇刀具壽命時(shí)可考慮如下幾點(diǎn)根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來(lái)選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí) 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對(duì)于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合機(jī)床與自動(dòng)化 加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個(gè)車間的生產(chǎn)率的提高時(shí)，該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時(shí) 間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時(shí)，刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時(shí)，為保證至少完成一次走刀，避免切削時(shí)中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度 來(lái)確定。與普通機(jī)床加工方法相比，數(shù)控加工對(duì)刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時(shí)要求安裝調(diào)整 方便，這樣來(lái)滿足數(shù)控機(jī)床高效率的要求。數(shù)控機(jī)床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細(xì)粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具
在數(shù)控加工中，車削平面零件內(nèi)外輪廓 及車削平面常用平底立車刀，該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:一是車刀半徑RD應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度H<(1/4-1/6)RD,以保證刀具有足夠的剛度。三是用平底立車刀車削內(nèi)槽底部時(shí)，由于槽底兩次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作用的半徑Re=R-r,，即直徑為d=2Re=2(R-r)，編程時(shí)取刀具半徑為Re=0.95(Rr)。對(duì)于一些立體型面和變斜 角輪廓外形的加工，常用球形車刀、環(huán)形車刀、鼓形車刀、錐形車刀和盤車刀。
目前，數(shù)控機(jī)床上大多使用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化刀具，對(duì)可轉(zhuǎn) 位機(jī)夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及系列化型號(hào)對(duì)于加工中心及有自動(dòng)換刀裝置的機(jī)床，刀具的刀柄都已有系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為DSG-JZ,此外，對(duì)所選擇的刀具，在使用前都需對(duì)刀具尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量以獲得精確數(shù)據(jù)， 并由操作者將這些數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)系統(tǒng)，經(jīng)程序調(diào)用而完成加工過(guò)程，從而加工出合格的工件。
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn)
刀具究竟從什么位置開始移動(dòng)到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始，必須確定刀具在工件坐標(biāo)系下開始運(yùn)動(dòng)的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時(shí)刀具相對(duì)于工 件運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，所以稱程序起始點(diǎn)或起刀點(diǎn)。此起始點(diǎn)一般通過(guò)對(duì)刀來(lái)確定，所以，該點(diǎn)又稱對(duì)刀點(diǎn)。在編制程序時(shí)，要正確選擇對(duì)刀點(diǎn)的位置。對(duì)刀點(diǎn)設(shè)置原則 是:便于數(shù)值處理和簡(jiǎn)化程序編制。易于找正并在加工過(guò)程中便于檢查;引起的加工誤差小。對(duì)刀點(diǎn)可以設(shè)置在加工零件上，也可以設(shè)置在夾具上或機(jī)床上，為了提 高零件的加工精度，對(duì)刀點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基誰(shuí)上。實(shí)際操作機(jī)床時(shí)，可通過(guò)手工對(duì)刀操作把刀具的刀位點(diǎn)放到對(duì)刀點(diǎn)上，即“刀位點(diǎn)”與“對(duì) 刀點(diǎn)”的重合。所謂“刀位點(diǎn)”是指刀具的定位基準(zhǔn)點(diǎn)，車刀的刀位點(diǎn)為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立車刀是刀具軸線與刀具底面的交點(diǎn);球頭車刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動(dòng)對(duì)刀操作，對(duì)刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對(duì)刀鏡、對(duì)刀儀、自動(dòng)對(duì)刀裝置等，以減少對(duì)刀時(shí)間，提高對(duì)刀精度。加工過(guò)程中 需要換刀時(shí)，應(yīng)規(guī)定換刀點(diǎn)。所謂“換刀點(diǎn)”是指刀架轉(zhuǎn)動(dòng)換刀時(shí)的位置，換刀點(diǎn)應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部，以換刀時(shí)不碰工件及其它部件為準(zhǔn)。
3.3 確定切削用量
數(shù)控編程時(shí)，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。對(duì)于不同的加工方法，需要 選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機(jī)床的性能，最大限 度提高生產(chǎn)率，降低成本。
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速
主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)允許的切 削速度和工件(或刀具)直徑來(lái)選擇。其計(jì)算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/m動(dòng)，由刀具的耐用度決定;n一一主軸轉(zhuǎn)速，單 位為r/min,D—工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計(jì)算的主軸轉(zhuǎn)速n，最后要選取機(jī)床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。
3.3.2確定進(jìn)給速度
進(jìn)給速度是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的 性能限制。確定進(jìn)給速度的原則:當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時(shí)，宜選擇較低的進(jìn)給速度，一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選取;當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時(shí)，進(jìn)給速度應(yīng)選 小些，一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取;刀具空行程時(shí)，特別是遠(yuǎn)距離“回零”時(shí)，可以設(shè)定該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進(jìn)給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來(lái)決定，在剛度允許的條件下，應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。為了保 證加工表面質(zhì)量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,總之，切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床性能、相關(guān)的手冊(cè)并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)用類比方法確定。同時(shí)，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進(jìn)給速度三者能相互適應(yīng)，以形成最佳切削用量。
切削用量不僅是在機(jī)床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對(duì)加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和機(jī)床動(dòng)力性能(功率、扭矩)，在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。
第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)
4.1主傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定
Φ500mm的數(shù)控車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑￠500mm，最大工件長(zhǎng)度1500mm；，主軸錐度莫氏六號(hào)，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)有動(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。動(dòng)力參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率；運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)變速范圍。根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝、加工對(duì)象、所要求的精度、成本及生產(chǎn)周期并結(jié)合國(guó)內(nèi)外機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術(shù)指標(biāo)。
4.1.1動(dòng)力參數(shù)的確定
主傳動(dòng)中個(gè)傳動(dòng)件的尺寸要根據(jù)傳動(dòng)功率來(lái)確定。傳動(dòng)功率過(guò)大，使傳動(dòng)件尺寸粗大，電動(dòng)機(jī)常在低負(fù)載下工作，功率因數(shù)小而浪費(fèi)能源；功率過(guò)小將限制車床切削加工能力而降低生產(chǎn)效率。因此需合理確定主傳動(dòng)功率。但由于實(shí)際加工過(guò)程切削用量變化范圍大、傳動(dòng)件之間的摩擦等不確定因素，用理論計(jì)算方法來(lái)確定主傳動(dòng)功率尚有困難，可通過(guò)類比、統(tǒng)計(jì)方法相互比較來(lái)確定。
查機(jī)電一體化手冊(cè)車削功率在8-16kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動(dòng)鏈的總效率η估算,即P=。主傳動(dòng)鏈的功率效率η=0.7—0.85， 數(shù)控車床多采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)和較短的機(jī)械傳動(dòng)鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計(jì)P在10.26kw~20.51kw.之間。
數(shù)控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力
PC=KW
---主切削力的切向分力，N；
---切削速度N??；
查金屬切削手冊(cè)知，以硬質(zhì)合金刀具車削合金結(jié)構(gòu)鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90—250r\min，則知道
PC=2500200\60000=8.333kw
P==10.68kw
考慮到空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動(dòng)件在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的摩損功耗，傳動(dòng)件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動(dòng)載荷的摩擦損耗等。
Φ500MM機(jī)床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國(guó)內(nèi)外同類機(jī)床的電動(dòng)機(jī)功率，此機(jī)床可以選取11kw的電動(dòng)機(jī)，考慮到數(shù)控機(jī)床變速范圍比較大，選用交流變頻電動(dòng)機(jī)YVP160-4，標(biāo)稱功率11kw，額定轉(zhuǎn)矩70N?m調(diào)頻電動(dòng)機(jī)功率轉(zhuǎn)矩
4.1.2主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定
主軸轉(zhuǎn)速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來(lái)確定
=（r/min）
計(jì)算該數(shù)控車床
=、=，
則數(shù)控車床變速范圍=
代入公式，選擇，，，要據(jù)車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進(jìn)去，也不是加工情況的最大值和最小值。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析車床的最高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在硬質(zhì)合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊(cè)可知硬質(zhì)合金刀具刀具精車鋼料的絲杠=250 r\min；高速車刀粗車圓柱體=30-50 r\min（隨被吃刀量與進(jìn)給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠=1.5 r\min，則
=0.5D=0.5500mm=250mm
=（0.2-0.25）=（50-62.5）mm，取=50mm。
max ===1591 r/min
==41.52 r/min
由于現(xiàn)代數(shù)控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術(shù)儲(chǔ)備，類比行業(yè)中同類數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速范圍初步選取=20 r/min，=1250 r/min。
則數(shù)控車床總變速范圍==62.5
4.1.3主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定
由切削原理知主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)；主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)為恒功率運(yùn)動(dòng)。數(shù)控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋、等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進(jìn)給量；低速主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的全部功率。我們把機(jī)床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速，以它為臨界轉(zhuǎn)速，如圖。從至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率，但主軸轉(zhuǎn)矩隨主軸轉(zhuǎn)速的上升而下降；從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。
數(shù)控車床變速范圍比較廣，計(jì)算轉(zhuǎn)速比普通車床高。目前數(shù)控機(jī)床計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確定是參考同類機(jī)床，并結(jié)合該機(jī)床加工工藝要求，使=154 r\min.
圖4.2 主軸轉(zhuǎn)速曲線
4.2變速主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.2.1確定傳動(dòng)方案
機(jī)床傳動(dòng)形式分為有極和無(wú)極變速兩種，無(wú)級(jí)變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動(dòng)變速，這對(duì)與提高機(jī)床生產(chǎn)效率和提高被加工零件的質(zhì)量都有重要意義；同時(shí)采用無(wú)級(jí)變速可使主軸結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，縮短傳動(dòng)鏈；因此無(wú)級(jí)變速應(yīng)用日益廣泛。
該數(shù)控機(jī)床總變速范圍是=1250\20=62.5，變速范圍較大，單靠無(wú)級(jí)變速裝置有難以實(shí)現(xiàn)。而且，無(wú)級(jí)變速裝置的功率扭轉(zhuǎn)特性應(yīng)同傳動(dòng)鏈的工作要求相適應(yīng)，這就要求串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速來(lái)擴(kuò)大變速范圍并選擇合適的無(wú)級(jí)變速器以滿足機(jī)床的功率扭矩特性要求。
該數(shù)控機(jī)床是以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，設(shè)計(jì)主軸由交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶論、齒輪傳動(dòng)至主軸。
從圖1與圖2可以看出：調(diào)頻電機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為4500\1500=3，而主軸要求的恒功率調(diào)速范圍為1250\250=5，顯然電動(dòng)機(jī)不能滿足主軸所要求的恒功率變速范圍。所以在設(shè)計(jì)師不能依據(jù)總變速范圍來(lái)設(shè)計(jì)主創(chuàng)動(dòng)系統(tǒng)，而應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)與主軸的功率匹配。
主軸恒功率調(diào)速范圍Rnp=max\=1250\250=5,
電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速范圍Rdp=max\=4500\1500=3
為了使主軸和電動(dòng)機(jī)的恒功率匹配，現(xiàn)通過(guò)增加變速齒輪來(lái)滿足要求，該變速齒輪組擴(kuò)大了電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速。
4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定
1．轉(zhuǎn)速圖的擬定
分析和設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)須應(yīng)用一種特殊線圖，稱為轉(zhuǎn)速圖。
轉(zhuǎn)速圖能夠清楚的表達(dá)出：傳動(dòng)軸的數(shù)目，主軸及各傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其傳動(dòng)路線，變速組的個(gè)數(shù)、傳動(dòng)順序及擴(kuò)大順序，各變速組的傳動(dòng)副數(shù)及其傳動(dòng)比數(shù)值，變速規(guī)律等。
首先根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速確定變速范圍，選擇合適的公比后再確定轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)，繪制轉(zhuǎn)速圖。
已知機(jī)床的轉(zhuǎn)速范圍在20r/min~1250r/min，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，電動(dòng)機(jī)的額定功率P=11kW，確定主軸箱結(jié)構(gòu)．
（1）確定主軸的變速范圍
（2）確定主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
由于數(shù)控機(jī)床主軸的變速范圍大，計(jì)算轉(zhuǎn)速應(yīng)比計(jì)算值高些，所以圓整取計(jì)算轉(zhuǎn)速nc=。
（3）確定主軸的恒功率變速范圍
（4）確定電動(dòng)機(jī)所能夠提供的恒功率變速范圍
由于Rnp>>Rdp，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個(gè)有級(jí)變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。
（5）確定轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)
取，則
對(duì)于數(shù)控車床，為了加工端面時(shí)滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速有一些重復(fù)，故取Z=2
（6）擬定轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖
4.2.3擬定傳動(dòng)變速系統(tǒng)圖
擬定傳動(dòng)系統(tǒng)的原則是：在保證機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和使用要求的前提下，運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈要盡可能的短而簡(jiǎn)單；傳動(dòng)效率高以及操作簡(jiǎn)單方便 。首先要考慮某些結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題，考慮結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會(huì)碰及相鄰軸等；其次因考慮結(jié)構(gòu)是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。
該機(jī)床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組，采用窄式排列結(jié)構(gòu)，使機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊。主軸變速擬采用通過(guò)滑移齒輪的移位來(lái)實(shí)現(xiàn)，需保證當(dāng)齒輪2與齒輪4完全脫開嚙合之后，齒輪3和齒輪6才能開始進(jìn)入嚙合，所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距離b要大于于滑移齒輪的寬度（齒輪2與齒輪寬度之和），一般b++△, △=14 mm。 綜合考慮個(gè)因素，擬訂傳動(dòng)系統(tǒng)圖。
第5章 橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1 選擇脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、車床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/step。
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量：
縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)
5.2 計(jì)算切削力
用車床經(jīng)驗(yàn)公式F=D來(lái)計(jì)算主切削力
式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時(shí)主切削力可取縱切時(shí)F的1/2。
求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。
F：F：F=1 ：0.25 ：0.5
式中 F：指走刀方向的切削力（N）；
F：指垂直走刀方向的切削力（N）。
下圖為縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖。
圖2—縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖
1、 縱車外圓
主切削力F(N)按經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)算：
F=D= （N）
按切削力各分力比例：
F：F：F=1 ：0.25 ：0.4
F（N）
F（N）
2、 橫切端面
主切削力（N）可取縱切的1/2。
（N）
（N）
（N）
5.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
（一） 縱向進(jìn)給絲杠
1、 計(jì)算進(jìn)給軸向力F（N）
縱向進(jìn)給這里為三角形導(dǎo)軌：F
式中K：指顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15；
：指滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取0.15~0.18之間的值；
G：指流板及刀架重力，G=1100N。
則 F=（N）
2、 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q
考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中沖擊擾動(dòng)對(duì)壽命的影響，則最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算公式為：
Q
L
n
式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=8；
n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）；
：指最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取=0.3；
：指使用壽命時(shí)間（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。
L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位；
：指運(yùn)動(dòng)系數(shù)，見表1，選=1.3。
表1—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)
1.0~1.2
一般運(yùn)轉(zhuǎn)
1.2~1.5
有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)
1.5`-~2.5
則 n( r/min)
L
Q（N）
3、 滾珠絲杠螺母副的選型
從手冊(cè)或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動(dòng)負(fù)載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時(shí)應(yīng)滿足Q C的條件。
查表：可采用WL5008外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動(dòng)負(fù)載為23400N，符合Q C的條件。精度等級(jí)按表 2，選為1級(jí)。
Vmm
表 2—滾珠絲杠行程公差
項(xiàng)目
符號(hào)
有效行程（mm）
精度等級(jí)
1
2
3
4
5
目標(biāo)行程公差
e
6
8
12
16
23
315~400
7
9
13
18
25
400~500
8
10
15
20
27
500~630
9
11
16
22
30
行程變動(dòng)量公差
V
6
8
12
16
23
315~400
6
8
12
17
25
400~500
7
10
13
19
26
500~630
7
11
14
21
29
任意300 mm內(nèi)行程變動(dòng)量
V
6
8
12
16
23
2弧度內(nèi)行程變動(dòng)量
V
4
5
6
7
8
4、傳動(dòng)效率計(jì)算
式中 ：指螺旋升角，=255
：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。
則
5、剛度驗(yàn)算
先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3所示，最大軸向力為N，支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。
圖3進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖
計(jì)算如下：
（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）
F=N，
L=8mm,
EN/mm(材料彈性模數(shù)，對(duì)鋼來(lái)說(shuō)是等于這個(gè)值)，
mm, R=2.477, e=0.068mm
則 d( mm)
A(mm) （A指滾珠絲杠按內(nèi)徑定的 截面積）
絲杠導(dǎo)程L的變化量為：
總長(zhǎng)度L=1500mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值：
(mm)
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）
由d=4.763mm, F=kgf,
承載滾珠數(shù)量 ZZ
由于滾珠絲杠副施加預(yù)應(yīng)力，且預(yù)應(yīng)力F為軸向負(fù)載的1/3，則變形
=0.0013
（mm）
(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）
這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表6-2-82，采用51109型推力球軸承，其d=45mm,
滾動(dòng)體直徑D=3.969 mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=22，
（mm）
則定位誤差
=0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度)
6、穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。
（二） 橫向進(jìn)給絲杠
1、 計(jì)算進(jìn)給軸向力
橫向?qū)к墳檠辔残?，?jì)算如下：
由于是燕尾形導(dǎo)軌式中： K=1.4，=0.2
則 N
2、計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q
n( r/min)
L
Q（N）
查表：可采用WL2506外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動(dòng)負(fù)載為13100N，符合Q C的條件。精度等級(jí)按表 2—滾珠絲杠行程公差表，選為1級(jí)。
Vmm
4、傳動(dòng)效率計(jì)算
5、剛度驗(yàn)算
橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=550mm, 因絲杠長(zhǎng)度較短，不需要預(yù)緊。
圖4—橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖
計(jì)算如下：
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）
根據(jù) N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mm
d( mm)
A(mm)
（mm）
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）
對(duì)滾珠絲杠副施加預(yù)緊力F為軸向負(fù)載的1/3。
由 mm, kgf
承載滾珠數(shù)量 ZZ
=0.0013
（mm）
(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）
這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表6-2-82，采用51104型推力球軸承，其d=20mm,
滾動(dòng)體直徑D=3.175 mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=14，
（mm）
則定位誤差
=0.03682 (mm)
顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（），應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌來(lái)減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導(dǎo)軌=0.03~0.05。重新計(jì)算如下：
N
Q（N）
由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號(hào)可不改變。
此時(shí)的變形量為：
（mm）
=0.0013 （mm）
（mm）
定位誤差
0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度)
6、穩(wěn)定性校核
臨界負(fù)載與工作負(fù)載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.5~4。
計(jì)算臨界負(fù)載（N）：
式中 E：指絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼E（N/mm）；
J：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）；
：絲杠兩支承端距離（mm）；
：絲杠支承方式系數(shù)，見表3，這里。
表3—滾珠絲杠支承方式系數(shù)
方式
一端固定一端自由
兩端簡(jiǎn)支
一端固定一端簡(jiǎn)支
兩端固定
0.25
1.00
2.00
4.00
則 N
所以此絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。
（三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)
其幾何參數(shù)見表：
表4—WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)
名稱
符號(hào)
WL5008
WL2506
螺 紋 滾 道
公稱直徑
50
25
導(dǎo)程
8
6
接觸角
鋼球直徑
4.763
3.969
滾道法面半徑
2.477
2.064
偏心距
0.068
0.056
螺紋升角
螺 桿
絲杠外徑
48.5
24
絲杠內(nèi)徑
45.182
20.984
螺桿接觸直徑
40.424
17.025
螺 母
螺母螺紋直徑
54.818
29.016
螺母內(nèi)徑
51.190
25.992
5.4 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算
橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算
已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比：
可選定齒輪數(shù)為：
因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)參照表5。
表5—傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)
所處位置
縱 向
橫 向
齒數(shù)
24
40
18
45
分度圓直徑
48
80
36
90
齒頂圓直徑
52
84
40
94
齒根圓直徑
43
75
31
85
齒寬
（6~10）m
16
16
16
16
中心距
64
63
5.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型
1、 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算：
式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
：指工件及工作臺(tái)重量（N）；
：指絲杠導(dǎo)程（）；
參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）
（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）
（分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距）
把這些數(shù)據(jù)代入上式：
2、 電機(jī)力矩計(jì)算
機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個(gè)階段計(jì)算：
（1）快速空載起動(dòng)力矩
在快速空載起動(dòng)階段，加速度所占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：
以上式中 ：指空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（）；
：指折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（）；
：指絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（）；
：指?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
：指電機(jī)最大角加速度（）；
：指電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（）；
：指運(yùn)動(dòng)部件最大進(jìn)給速度（）；
：指脈沖當(dāng)量（）；
：指步進(jìn)電機(jī)步距角（）；
：指運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間（s），這里是30ms；
：指導(dǎo)程的摩擦力（N），；
：指垂直方向的切削力（N）；
：指工件及工作臺(tái)重量（N）；
：指導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，；
：指運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）；
：指齒輪降速比；按計(jì)算；
：指?jìng)鲃?dòng)鏈總效率，一般可?。?
：指滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取/3，為進(jìn)給軸向力（N）；
：指滾珠絲杠導(dǎo)程；
：指滾珠絲杠未加預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取。
將以前計(jì)算所得數(shù)據(jù)代入：
（）
（）
（）
則 （）
（2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩
（）
（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
（）
從上面計(jì)算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
由表6得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)，，則（N）。
表6—步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系
步進(jìn)
電機(jī)
相 數(shù)
三 相
四 相
五 相
六 相
拍 數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)動(dòng)矩頻特性。
3、 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率
可查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為2800運(yùn)行頻率為8000，再?gòu)膱D5查出150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。從圖中看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（800.77），直接使用則會(huì)出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），半起動(dòng)頻率降到1000，起動(dòng)力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。
圖5—150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
第6章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
6.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要
6.1.1 硬件電路設(shè)計(jì)
硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容：
1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖
據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。
機(jī)床硬件電路由五部分組成：
（1） 主控制器，即中央處理單元CPU；
（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；
（3） 存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
（4） 接口，即輸入/輸出接口電路；
（5） 外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器等。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示：
圖6—機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
2、 選擇中央處理單元CPU的類型
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機(jī)。
3、 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
存儲(chǔ)器擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展兩部分。
選擇EPROM作程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)考慮：
（1） 速度應(yīng)與CPU時(shí)鐘匹配；
（2） 容量適中。
4、 I/O接口電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計(jì)（如復(fù)位、掉電保護(hù)等）。這部分設(shè)計(jì)要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠。
在存儲(chǔ)器擴(kuò)展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問(wèn)題。
6.1.2 軟件電路設(shè)計(jì)
軟件是硬件的補(bǔ)充。確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。
1、 軟件設(shè)計(jì)步驟
軟件設(shè)計(jì)步驟分為以下幾步：
（3） 據(jù)軟件要求實(shí)現(xiàn)的功能，制定出軟件技術(shù)要求；
（4） 將整個(gè)軟件模塊化，確定個(gè)模塊的編制要求，包括個(gè)模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；
（5） 據(jù)硬件資源，合理分配好存儲(chǔ)單元；
（6） 分別對(duì)個(gè)模塊編程，并調(diào)試；
（7） 連接各模塊，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；
（8） 固化到程序存儲(chǔ)器中。
2、