數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、1 緒論 1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡史與國外發(fā)展現(xiàn)狀 1949 年美國帕森公司首先提出了機(jī)床數(shù)字控制的概念。 1952 年第一代數(shù)控 系統(tǒng)——電子管數(shù)控系統(tǒng)的誕生。 20 世紀(jì) 50 年代末，完全由固定布線的晶休 管元器件電路所組成的第二代數(shù)控系統(tǒng)——晶體管數(shù)控系統(tǒng)被研制成功，取代 了昂貴的、易壞的、難以推廣的電子管控制裝置。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展， 1965 年出現(xiàn)了第三代數(shù)控系統(tǒng)——集成電路數(shù)控系統(tǒng)。 1970 年，在美國芝加哥國際 機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了第四代數(shù)控系統(tǒng)——小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，然后， 隨著微型計(jì)算機(jī)以其無法比擬的性能價(jià)格比滲透各個(gè)行業(yè)， 1974 年，第五代數(shù) 控系統(tǒng)

2、——微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了。應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系 統(tǒng)的核心組件的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) (CNC) 。綜上所述，由于微電子 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展， 數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)也隨著不斷更新， 發(fā)展非常 迅速，幾乎 5 年左右時(shí)間就更新?lián)Q代一次 [1] 。 數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)制造業(yè)的基礎(chǔ)機(jī)械，是最典型的多品種、小批量、高科技含 量的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)程， 1990 年日本機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá) 75％，美國達(dá) 70 ． 1％，德國達(dá) 57 ％。目前 世界數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量超過 15 萬臺，品種超過 1500 多種 [2]。 1.2 我國數(shù)

3、控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 1.2.1 數(shù)控技術(shù)狀況 目前，我國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡的關(guān)鍵時(shí) 期，也是由封閉型向開放型過渡的時(shí)期。 我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù) （包括核心技術(shù) ），已達(dá) 到國際先進(jìn)水平。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來 支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)， 掌握了國外一直對我國封鎖的一些 關(guān)鍵技術(shù)。 例如， 曾長期困擾我國、 并受到西方國家封鎖的多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)技術(shù)對我 們已不再是難題， 0.1 m 當(dāng)量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿型系統(tǒng)、非圓齒輪加工 系統(tǒng)、高速進(jìn)給數(shù)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其

4、是基于 PC 機(jī)的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)， 可實(shí)施多軸控制， 具備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)線等功能既可作為獨(dú) 立產(chǎn)品， 又是一代開放式的開發(fā)平臺， 為機(jī)床廠與軟件開發(fā)商二次開發(fā)創(chuàng)造了條 件。特別重要的是，我國數(shù)控系統(tǒng)的可靠性已有很大提高， MPBF 值可以在 15000h 以上。同時(shí)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)，自我配套率超過 60% 。這些成功為中國數(shù)控系統(tǒng)的自行開發(fā)和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ) [1] 。 我國進(jìn)行改革開放后， 由于政策的開放，使得金屬切削行業(yè)得以和世界上先 進(jìn)的機(jī)床制造國家進(jìn)行技術(shù)交流，并通過引進(jìn)技術(shù)，到 80 年代初，國產(chǎn)數(shù)控機(jī) 床進(jìn)入實(shí)用化階段， 1991 年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值數(shù)控化率為 14

5、．3％，到 1997 年 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率為 24 ．5％。目前，我國數(shù)控機(jī)床 （包括經(jīng)濟(jì)型機(jī)床 ）品種 約有 500 個(gè)[2] 。 但是，與國外數(shù)控車床相比，在性能、質(zhì)量 設(shè)計(jì)、制造等各方面存在較大 差異，并存在許多不足：機(jī)械件的材質(zhì)、加工精度、加工工藝存在較大差距，裝 配工藝也存在一定差距；主軸與卡盤剛性差，主軸定位準(zhǔn)停不好；安全性較差， 軟硬件保護(hù)功能不夠； 刀片磨損快， 生產(chǎn)成本高， 效率低； 硬件設(shè)計(jì)方面不規(guī)范， 不符合國標(biāo)，比如使用電壓等級、電線顏色使用、圖紙資料的繪制裝訂、提交等 等，有的機(jī)床廠家甚至仍然停留在十年二十年前的設(shè)計(jì)思想； 程序設(shè)計(jì)方面缺乏 標(biāo)準(zhǔn)，不規(guī)范，邏輯性

6、不強(qiáng)，故障率高，在使用過程中需不斷對程序進(jìn)行修改； 外圍元件布置與走線不規(guī)范，標(biāo)牌線號不清，圖紙與實(shí)物不符，維修困難；使用 的元器件本身質(zhì)量差， 使用壽命短， 故障率高， 有的機(jī)床廠家為了降成本卻忘記 了質(zhì)量、忘記了可靠性，選用一些國產(chǎn)的軸承、接觸器、繼電器、接近開關(guān)等元 件，在生產(chǎn)過程中小故障連綿不斷；柔性化不強(qiáng)，多品種生產(chǎn)困難。而國外數(shù)控 車床無論是設(shè)計(jì)水平，還是制造水平，都要高出國內(nèi)數(shù)控車床。機(jī)械件材質(zhì)、加 工精度、加工工藝、 裝配工藝比較好； 軟硬件設(shè)計(jì)有專門的標(biāo)準(zhǔn)， 設(shè)計(jì)規(guī)范合理， 配套件齊全，標(biāo)牌標(biāo)示清楚齊全；使用的元器件質(zhì)量好，故障率低；新技術(shù)的應(yīng) 用與時(shí)領(lǐng)先；概括來說，精度與可

7、靠性高、性能穩(wěn)定故障率低 [3] 。 1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日臻完善， 數(shù)控系統(tǒng)應(yīng) 用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技發(fā)展的需要， 數(shù)控系統(tǒng)正朝著高 精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化與開放性等方向發(fā)展。 1.3 伺服系統(tǒng)的特點(diǎn) 數(shù)字控制，是一種自動(dòng)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(jì)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)

8、控機(jī)床上加工一個(gè)零件所必需的各種信 息，以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，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(jì)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(dòng)編程機(jī)或者 CAD/CAM 系統(tǒng)。 2. 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 計(jì)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(jì)算和處理后去控制機(jī)床的動(dòng)作。 它由硬件和軟件組成。 硬件除計(jì)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

9、。 數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作可概括為： 機(jī)床主運(yùn)動(dòng)、 機(jī)床的進(jìn) 給運(yùn)動(dòng)、刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償、其它輔助運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動(dòng)部件 ,它接受數(shù)控裝置發(fā) 來的各種動(dòng)作命令， 驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備運(yùn)動(dòng)。 伺服電動(dòng)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)。 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 性能的主軸與伺服傳動(dòng)系統(tǒng)， 因此數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到了簡化， 傳動(dòng)鏈 較短；為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)地自動(dòng)化加工， 數(shù)控機(jī)床

10、機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài) 剛度、阻尼精度與耐磨性，熱變形較小；更多地采用高效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠 副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等； 不少數(shù)控機(jī)床還采用了刀庫和自動(dòng)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(dòng)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(dòng)特性的改善以與功能的擴(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(dòng)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(dòng)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(dòng)的位置控制系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)接受

11、來自 CNC 裝置的進(jìn)給脈沖， 經(jīng)變換和放大， 再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。 這些軸 有的帶動(dòng)工作臺， 有的帶動(dòng)刀架， 通過幾個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)， 使刀具相對于工 件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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 涉與到強(qiáng)電與弱電控制， 是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 要使它成為一個(gè)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(gè)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

12、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，但通常可概括為以下幾方面：可逆運(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動(dòng) 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。 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(dòng)要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時(shí)，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(shí)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

13、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(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩， 并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。 電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s 2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(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。 4) 電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)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) 已幵始采用高速、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

14、品質(zhì)大大提高 [4] o 理度控制單元? ■—機(jī)床 CNC—?{ ?I速度控議單無 工作合 LT X I 證 刊雖與反讖 圖1.1伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1.4 設(shè)計(jì)的內(nèi)容、目的和方法 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容是機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)與總體布局圖繪制、 縱向與橫向伺服進(jìn) 給機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與繪制裝配圖、典型零件繪制、數(shù)控系統(tǒng)（硬件連 接圖）設(shè)計(jì)、 典型零件的數(shù)控車削加工程序編制與外文資料文獻(xiàn)翻譯， 并撰寫畢 業(yè)設(shè)計(jì)論文。 設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實(shí)際問題的能 力，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力， 受到本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練， 使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外

15、文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能得到訓(xùn) 練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神。 在設(shè)計(jì)中， 先通過參觀與查閱等了解有關(guān)系統(tǒng)的工作原理， 作用與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 選擇合適的算法， 根據(jù)計(jì)算結(jié)果查閱手冊， 得出相關(guān)的結(jié)構(gòu)或零件。 在圖紙的繪 制中，充分利用軟件的先進(jìn)性，完成三張 A0 圖紙。最后，完成硬件連接設(shè)計(jì)， 編制典型零件的車削程序，撰寫說明書。 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 方案設(shè)計(jì)與總體布局 機(jī)床結(jié)構(gòu)可以布置成臥式、立式、倒立式與斜置式等，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù) 加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，采用臥式斜床身形式。主軸水平安裝， 橫向成 45 °布置

16、。根據(jù)縱橫向長度定外觀總長度，布局圖如附錄 1 所示。 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床主體的重要部分，在設(shè)計(jì)中，在 伺服方式上選擇最廣泛應(yīng)用的半閉環(huán)方式。 采用螺旋傳動(dòng)， 計(jì)算滾珠絲杠副尺寸 規(guī)格，接著進(jìn)行絲杠的校核并進(jìn)行精度等驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算的扭矩選擇伺服電機(jī)。 2.2 主切削力的計(jì)算 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(jì)算： PZ CPztXPz sYPz k (2.1) k料pzkvpzk pzk pzkhpz (2.2) PZ Cpzt PZ S PZ k料PZ ?pz k Pzk PZ khPZ(公斤力) (2.3) 式中

17、C PZ 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、t 固定）下， CPz 為一常數(shù)。 CPz 大表示工件材料的加工性差； CPz 小表示工件 材料的加工性好。 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。 k料pzkvpzk pzk pzkhpz ――分別為工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨 損限度對 P 的修正系數(shù)。 Xpz、Ypz ――指數(shù)。一般情況下Xpz > Ypz。這說明吃刀深度對切削力的影響 要比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

18、料為碳素結(jié)構(gòu)鋼， b 75公斤力/毫米2，v 50米/分， 45， 10， 0，后刀面磨損限度h 0.9?1.2毫米，切削時(shí)不用冷卻液， 車削外圓。 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)與指數(shù) 工件材料 Cpz Xpz 丫PZ 結(jié)構(gòu)鋼 167 1. 0 0. 75 修正 系數(shù) 工件 b 40-50 50-60 60~70 70-80 80-90 90-100 材料 k 料 pz = 0 . 84 0. 90 0. 95 1 . 0 1 . 04 1 . 09 切削

19、v= 50 100 200 300 400 500 速度 kvpz = 1 . 0 0. 90 0. 82 0. 77 0. 74 0. 71 主偏 e = 30 ° 45 ° 60 ° 70 ° 90 ° 角 k PZ = 1 . 08 1 . 0 0. 94 0. 94 0. 89 前角 Y = +20 ° +10 ° 0 ° -10 ° -20 ° k PZ = 0 . 90 1 . 0 1. 1 1 . 2 1 . 3 后刀面 h= 0 . 9 72 1.5~ 2.0 磨損限

20、 khPZ = 1.0 1.05 度 切削功率是切削時(shí)在切削區(qū)內(nèi)消耗的功率。 當(dāng)切削速度為已知時(shí)，切削功率 可用下式計(jì)算： N 切削 PzV PzV kw 102 60 6120 (2.4) 在校驗(yàn)機(jī)床選用的電動(dòng)機(jī)功率時(shí)應(yīng)使 N切削N電機(jī)k過 (2.5) 式中 N電機(jī)——機(jī)床電動(dòng)機(jī)名義功率(千瓦)； ――機(jī)床效率(一般齒輪機(jī)床 =0.7 0.8)； k過一一電動(dòng)機(jī)超載時(shí)容許的系數(shù)(一般 k過=1.25)[5][7] 如表2.1，取其中各參數(shù)的最大值進(jìn)行估算： 取 CpZ=167， XpZ=1.0， YpZ 0

21、.75， k料PZ =1.09 ， k PZ =1.08 ， k PZ =1.3， khPZ =1.05 ， kvPZ=0.9 取切深t=5mm ，進(jìn)給量s=0.3mm/r 則由公式(2.3): 0 75 FZ 167 5 0.3. 1.09 0.9 1.08 1.3 1.05 489.5公斤力 4797N 4800N 而 F Z : FX : Fy 1: 0.25: 0.4 F z : FX : Fy 4800:1200:1920 (2.6) 切削功率：取切削速度為 105m/min ，由公式(2.4)(2.5)得: N切削 489.5 105

22、 6120 8.4k 取 N切削11k 3 橫向進(jìn)給系統(tǒng) 3.1 已知技術(shù)參數(shù) 橫向最大行程（X軸）180 mm ； 工作進(jìn)給速度為 1 8000mm/mi n ; 橫向快速進(jìn)給速度：8 m/min ； 刀架估計(jì)質(zhì)量：150kg ； 80mm ； 滑板的估計(jì)尺寸（長 寬高）：400mm 200mm 材料選為HT200。 3.2 滾珠絲杠的計(jì)算與選擇 321 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定 在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為 i 1，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速 為nmax 1500r/min，則絲杠導(dǎo)程為: (3.1)

23、 ，取 3.2.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 (3.2) 由公式(3.2),最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速: Rmax Vmax 8 103 6 1333.33r/min 最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速: nmin vmin a -0.167r/min 6 絲杠等效轉(zhuǎn)速：(取t1 2t2) nm nmaxt1 nmint2 r/min t1 t2 (3.3) t1，t2 轉(zhuǎn)速 rmax， nmin作用下的時(shí)間(s)。 nm 888.94r/min 3.2.3 估計(jì)工作臺質(zhì)量

24、與工作臺承重 刀架質(zhì)量： G 150 9.8 1470N 滑板：G2 400 200 80 7.85 103 9.81 10 9 520N 總質(zhì)量：G G G2 1470 520 2000N 3.2.4 確定絲杠的等效負(fù)載  工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)， 實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力， 它的數(shù)值可 用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為 0.03，K 為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取 1.1 1.5，現(xiàn)取為1.1，則絲杠所受的力為（如圖 3.1所示）： Fmax KF x f(#G Fz) Fy 2 1.1 1200 0.03 2000 4800)

25、 1920 二 2000 2 =2013N (3.4) 3.2.5 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 圖3.1受力分析 Fmin 0N 1/3 Ca F f m w tf.f f. t h a k 60T n N (3.6) 負(fù)荷性質(zhì)系數(shù); （查表：當(dāng)一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), fw 為 1.2 1.5，取 fw = 1.5。) ft ――溫度系數(shù)；（查表：） fh ――硬度系數(shù)；（查表：滾道實(shí)際硬度》HRC58時(shí)，fh=1。 fa――精度系數(shù)；（查表：當(dāng)精度等級為 3時(shí)，fa = 1.0。 fk――可靠性系數(shù)；（查表：可靠性為 90%時(shí)，fk =

26、1.00 o ） Fm 等效負(fù)荷（N）； nm——等效轉(zhuǎn)速（r/min）； 由公式（3.6） Tn ――工作壽命（h） o （查表得：數(shù)控機(jī)床：Th=15000 O） 60Thrm 60 15000 888.94 800 106 ncr Ca Fm 60亦皿3 16847N 10 選擇滾珠絲杠型號 由文獻(xiàn)［7,8］可知，查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型， 型 號：CDM3206-3。絲杠公稱直徑為? 32mm，基本導(dǎo)程R 6mm，其額定動(dòng)載 荷Ca 16917N，額定靜載荷Coa 45968N，圈數(shù) 列數(shù)=1.5 2，絲杠螺母副的接 觸剛度為Kc 1

27、130N/ m，絲杠底徑27. 9mm，螺母長度為112mm，取絲杠的 精度為3級。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊軸承分別為? 20mm 和? 25mm 。 本設(shè)計(jì)中絲杠采用兩端固定的支承方式。選用成對絲杠專用軸承組合。 滾珠絲杠支承用專用軸承： 軸承特點(diǎn)： 1. 剛性大。由于采用特殊設(shè)計(jì)的尼龍成形保持架，增加了鋼球數(shù)，且接觸角為 60。軸向剛性大 2. 不需要預(yù)調(diào)整。對每種組合形式，生產(chǎn)廠家已作好了能得到最佳預(yù)緊力的間 隙，故用戶在裝配時(shí)不需要再調(diào)整，只要按廠家作出的裝置序列符號(>)排列 后，裝緊即可。 3. 起動(dòng)力矩小。與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，起動(dòng)力矩小。

28、為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，推薦采用正面組合形式。 (DF,DFD,DFF 等) 3.3 校核 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動(dòng)固有頻率， 其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度 Ke 由絲杠本身的拉壓剛度 KS，絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度 Kc，軸承的接觸剛度 Kb， 螺母座的剛度 Kh，按不同支承組合方式的計(jì)算而定。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計(jì) 算。 臨界壓縮負(fù)荷 絲杠的支承方式對絲杠的剛度影響很大， 采用兩端固定的支承方式并對絲杠 進(jìn)行預(yù)拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。 所以設(shè)計(jì)中采用兩端固定的支承 方式[9]

29、 0 臨界壓縮負(fù)荷按下式計(jì)算: 1 2EI L0 Ki Fmax (3.7) 式中 E——材料的彈性模量 E鋼=2.1 xi0i1(N/m 2); Lo 最大受壓長度(m); Ki ――安全系數(shù)，取 Ki=1/3 ; Fmax——最大軸向工作負(fù)荷 (N)； fl ――絲杠支承方式系數(shù)； (支承方式為雙推一一雙推時(shí)，見下圖, fi=4， f2=4.730) I ――絲杠最小截面慣性矩(m4): 4 4 I d2 (do 1.2dw) 64 64 (3.8) 式中 do 絲杠公稱直徑(mm); dw 滾珠直徑 (mm)。 I 314 (32 1.2 3.

30、969)4 10 12 2.7 10 8m4 64 絲杠螺紋部分長度 Lu 180 112 40 332mm，取 Lu 350mm 支承跨距 L1 400mm， 絲杠全長 L 500mm 由公式(3.7) __ 4 3.142 2.1 1011 2.7 10 8 1 F cr 2 6 422554.3N Fmax 2013N 420 10 3 可見FCr遠(yuǎn)大于Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。 9910乎 nmax (3.9) 式中A ——絲杠最小橫截面： 2 A -d2 — 31.5 4 4 6 4 2 10 7.8 10 m  500 350 35

31、1.5 0.4m 2 0.8 : Lc ――臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度： 112 Lc 180 40 2 取 Lc Li 0.4m， k2 ――安全系數(shù)，一般取 ——材料的密度： 7.85 103kg/m3 ； f2 ——絲杠支承方式系數(shù)，查表得 f2 4.730， 2 0.0315 n cr 9910 4.730 2 43650r / min nmax 1500 r/ min 0.4 滿足要求。 3.3.3 絲杠拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度 Ke的計(jì)算公式: 兩端固定: (N / m) （3.10） 式中 Ke ――滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)

32、剛度 （N/阿）； Kh ――螺母座的剛度（N/ gm）; Kc――絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度 （N/ gm）; Ks――絲杠本身的拉壓剛度 （N/ gm）; Kb――軸承的接觸剛度（N/ gm） o 1） 絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號樣本 2） 軸承的接觸剛度可查軸承型號樣本。 3） 螺母座的剛度可近似估算為 1000 o 4）絲杠本身的拉壓剛度： 對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式： Ks 竺1— 10 6N / m a l a （3.11） 式中 A——絲杠最小橫截面，； E——材料的彈性模量， E=2.1 1011（N/m 2）； l 兩支承間距（

33、m）； a――螺母至軸向固定處的距離 （m） o 已知：軸承的接觸剛度Kb 1080N/ m ,絲杠螺母的接觸剛度 Kc 716.7N/ m，絲杠的最小拉壓剛度 Gin 545.2N / m （見后面計(jì)算）。螺母 座剛度 Kh 1000N / m o 1 1 1 1 1 Ke 4 1080 716.7 1000 4 545.2 Ke 324N/ m 絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動(dòng)的固有頻率： （3.12） 式中 m ――絲杠末端的運(yùn)動(dòng)部件與工件的質(zhì)量和 （N/呵）; Ke——絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度 （N/ um） o Ke B行 J9.8 324 10 1260rad/s 1

34、2038r/min 1500r/min \ 2000 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r/mi n ，能滿足要求。 3.3.4 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度按下式計(jì)算: (3.13) 式中 dm——絲杠平均直徑: L――絲杠長度 31.754 Kt 7.84 15934 Nm/r 500 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率: (3.14) 式中 Jw――運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量換算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg m2); Js――絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg m2)。 由文獻(xiàn)［7, 8］得: 平移物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 2000(0.01)2 9.81 ( 2 5.2 10

35、4kg?m2 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: ^msd； 1 12 8 8 .2 1 2 8ds(4 ds L ) 1 3 4 3.14 7.85 10 0.5 0.032 32 4 2 4 10 kg?m 1.6 10 4kgm2 4427.1rad /s 42297 r/min (5.2 1.6 ；) 10 4 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r/mi n ，可以滿足要求。 Jz ――絲杠上傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg m2); 滾珠絲杠的拉壓剛度 (3.15) 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中, L值分別為300mm 和 100mm

36、 。 最大與最小機(jī)械傳動(dòng)剛度: K smax AE L 0.03152 2.1 105 4 0.1 1635.7N / m AE Ksmin — 0.03052 2.1 105 0.3 102.5N/ m 最大和最小機(jī)械傳動(dòng)剛度: Komax 1 1/ Ksmin 1/Kc 1/Kb 1/545.2 1/716.7 1/1080 240.65 N / m Komax 1/Ksmax 1/Kc 1/Kb 1/1635.7 1/ 716.7 1/1080 341N / m 由于機(jī)械傳動(dòng)裝置引起的定位誤差為 1 1 k F0(廠

37、廠) 0min 0max (3.16) k 1456.6 (-- 240.65 丄)1.78 m 341 m，機(jī)床定位精度 對于3級滾珠絲杠，其任意 300mm 導(dǎo)程公差為 12 0.024mm/300mm，所以，k 24 1/5 4.8 m，可以滿足由于傳動(dòng)剛度變化所引 起的定位誤差小于（1/3 1/5 ）機(jī)床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補(bǔ) 償，定位精度能進(jìn)一步提高［10］ O 根據(jù)文獻(xiàn)［11］，扭矩的計(jì)算為: 1. 理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 671(Nm) 查表知3級滾珠絲杠 0.9， 而Fp Fmax/3 2013/3 Tpo (FpR/2 ) [

38、(1 2)/ ] 103 (3.17) (671 6/2 ) [(1 0.92)/0.9] 10 0.135(N?m) 2. 最大動(dòng)態(tài)摩擦力矩 對于3級滾珠絲杠， P 40%， T爲(wèi)(1 4O%)Tpo 0.19(Nm) (3.18) 3. 驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩 Ta FmaxPh 1。'/2 (3.19) 2013 6 10 3/(2 0.9) 2.14(N -m) 4. 支承軸承所需啟動(dòng)扭矩 查軸承表： 對于20的軸承，其Tb1 0.15N?m， 對于25的軸承，其Tb2 0.2Nm， 貝y TB Tb1 兀2 0.15 0.2 0.35N?m。 5. 驅(qū)

39、動(dòng)滾珠絲杠副所需扭矩 Tg TPax Ta TB 0.19 2.14 0.35 2.68N^m 6. 電機(jī)的額定扭矩 Tg (0.35~0.5)Tj Tj (5.36~7.66)N?m 電機(jī)的選擇 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩與文獻(xiàn)［12］，選擇電機(jī)型號為 SIEMENS的IFT5066， 其額定轉(zhuǎn)矩為6.7 N - m。 4 縱向進(jìn)給系統(tǒng) 4.1 已知技術(shù)參數(shù) 縱向最大行程(Z軸)650 mm ； 工作進(jìn)給速度為1 15000mm/mi n ; 縱向快速進(jìn)給速度：15 m/min ； 床鞍與其他的估計(jì)尺寸(長 寬高)：600mm 300mm 100mm ； 材料選為HT20

40、0。 421 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定 在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為 i 1，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速 為nmax 1500r/min，則由公式(3.1)可得絲杠導(dǎo)程為: ph 沁 10 nmax 1500 4.2.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速: 由公式(3.2)，最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速: nmax Ph 15 10 1500r/min 10 最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速: nmin vmin 1 0.1r/ min 10 由公式(3.3)，絲杠等效轉(zhuǎn)速為: nmaxt1 nmint2 1000r/min nm t1 t2

41、 4.2.3 估計(jì)工作臺質(zhì)量與工作臺承重: 橫向工作臺質(zhì)量： G 2000N 床鞍與其他： G 600 300 100 7.85 103 9.81 10 9 1386N 總質(zhì)量：G G G2 2000 1386 3386N 4.2.4 確定絲杠的等效負(fù)載: 取滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.025，則絲杠所受的力為(如圖 4.1所示)： Fmax Fx f(G Fy ——Fz) 2 2 血 1200 0.025 [3386 (4800 1920)] 2 = 1335.6N (4.1) Fmin fG 0.025 3386 84.65N 其等效負(fù)載可按公式(3.5)估

42、算: Fmaxnit1 Fmin 門2七2 n1t1 n2t2 926.2N 4.2.5 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷: 由公式(3.6)得： 60Thnm 60 15000 1000 900 106 1 60T n 3 ncr Ca Fmfw 器 13413.5N 10 圖4.1受力分析 查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號： CDM2510-2.5 。絲杠公稱直徑為? 25mm，基本導(dǎo)程R 10mm，其額定動(dòng)載荷 Ca 15975N，額定靜載荷Coa 34170N，圈數(shù) 列數(shù)=2.5 1，絲杠螺母副的接觸 剛度為Kc 767N/ m，絲杠底徑24.5m

43、m，螺母長度為125mm，取絲杠的精 度為3級。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊的軸承選為? 17mm 與? 20mm 。 4.3 校核 臨界壓縮負(fù)荷 軸向固定的長絲杠在承受壓縮負(fù)荷時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負(fù)荷 按公式(3.7)(3.8)計(jì)算： 絲杠螺紋部分長度 匚 650 125 40 815mm，取 L, 850mm 支承跨距 L1 1000mm， 絲杠全長 L 1100mm cr 2 11 4 3.14 2.1 10 8 0.68 10 9502 10 20801N Fmax 1335.6 N 可見FCr遠(yuǎn)大于Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足

44、要求 臨界轉(zhuǎn)速 由公式（3.9） Lc 125 Lc L1 1m， -20.1 4 650 40 10 6 3.17 10 4m2 1100 850 877.5 0.9m 2 n cr 9910 4.730 1500r / min 0.0201 4456.5r / min nmax 1 滿足要求。 絲杠拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 由公式（3.10）（3.11）（3.12）: 已知：軸承的接觸剛度Kb 760N / m，絲杠螺母的接觸剛度 Kc 556.25N / m，絲杠的最小拉壓剛度 Ksmin 102.5N/ m （見后面計(jì)算）。螺母

45、 座剛度 Kh 1000N / m。 1 1 1 1 1 Ke 4 760 556.25 1000 4 102.5 Ke 179.67N/ m 9.8 179.67 106 V 3386 絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動(dòng)的固有頻率: 721.12rad /s 6889.7r / min 1500r / min 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r/mi n ，能滿足要求。 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度由公式（3.13）計(jì)算: 4 Kt 7.84248 2696.1Nm/r 1100 由文獻(xiàn)［7,8］得: 平移物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 3386(凹)2 8.75 9.

46、81 2 10 4kg?m2 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: ’msd； 1dS!(1 d； 8 8 4 — 3.14 7.85 103 1.15 0.0254 32 3.46 10 4kg?m2 Jz 1.5 10 4kgm2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率按公式（3.14）計(jì)算: t 26篤.二 1537.86rad /s 14692.9r/min (8.75 1.5 竽)104 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r/mi n ，可以滿足要求。 傳動(dòng)精度計(jì)算 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度, 其中，L值分別為650mm 和 1

47、00mm 。 由公式（3.15），最大與最小機(jī)械傳動(dòng)剛度: Ksmax AE L 2 5 0.0201 2.1 10 4 0.1 666N / m Ksmin AE L 2 5 0.02012 2.1 105 102.5N/ m  最大和最小機(jī)械傳動(dòng)剛度: K 1 OmaX 1/Ksmin 1/-C 1/Kb 77.7N / m 1/102.5 1/556.25 1/760 1 OmaX 1/ -smax 1/Kc 1/Kb 1/666 1 216.68N/ m 1/ 556.25 1/ 760 由于機(jī)械傳動(dòng)裝置引起的定位誤差據(jù)公式 (

48、3.16) 1 1 k BQ - ) 84.65 K 0min — 0max J 1 ) 0.7 m 77.7 216.68 對于3級滾珠絲杠，其任意 300mm 導(dǎo)程公差為 12 m，機(jī)床定位精度 0.024mm/300mm，所以， k 24 1/5 4.8 m，可以滿足由于傳動(dòng)剛度變化所引 起的定位誤差小于 (1/3 1/5 )機(jī)床定位精度的要求。 再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補(bǔ) 償，定位精度能進(jìn)一步提高。 伺服電機(jī)計(jì)算 扭矩的計(jì)算 1) 理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 查表知3級滾珠絲杠 0.9，而 FP Fmax /3 1335.6/3 445.2(Nm)

49、2) 由公式(3.17) (FpPh/2 ) [(1 (445.2 10/2 ) 0.15(Nm) 最大動(dòng)態(tài)摩擦力矩 2)/ ] 103 [(1 0.92)/0.9] 103 對于3級滾珠絲杠, 40%，由式(3.18) (1 40%)TP0 0.21(N?m) 3) 驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩 由公式(3.19) Ta FmaxPh 1。'/2 1335.6 10 10 3/(2 0.9) 2.36(Nm) 4) 支承軸承所需啟動(dòng)扭矩 查軸承表： 對于20的軸承，其Tb1 0.15N?m， 貝9 Tb 丘 Tb2 0.15 0.15 0.3Nm

50、。 5) 驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副所需扭矩 Tg TPmax Ta TB 0.21 2.36 0.3 2.87N?m 6) 電機(jī)的額定扭矩 Jg (0.35 ~ 0.5)Tj Tj (5.74~8.2)N?m 電機(jī)的選擇 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩與文獻(xiàn)［12］，選擇電機(jī)型號為 SIEMENS的IFT5066 , 其額定轉(zhuǎn)矩為6.7 N?m 。 5 床身與導(dǎo)軌 5.1 床身 對于數(shù)控機(jī)床來說，作為主要支承件的床身至關(guān)重要， 其結(jié)構(gòu)性能的好壞直 接影響著機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)。它支承著數(shù)控車床的床頭箱，床鞍，刀架，尾座 等部件，承受著切削力、重力、摩擦力等靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力的作用。其結(jié)構(gòu)的合理 性和

51、性能的好壞直接影響著數(shù)控車床的制造成本； 影響著車床各部件之間的相對 位置精度和車床在工作中各運(yùn)動(dòng)部件的相對運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確性， 從而影響著工件 的加工質(zhì)量； 還影響著車床所用刀具的耐用度， 同時(shí)也影響著機(jī)床的工作效率和 壽命等。因此，床身特別是數(shù)控車床的床身具有足夠的靜態(tài)剛度和較高的剛度 / 質(zhì)量比；良好的動(dòng)態(tài)性能；較小的熱變形和內(nèi)應(yīng)力；并易于加工制造，裝配等， 才能滿足數(shù)控車床對床身的要求。 數(shù)控車床工作時(shí)，受切削力的作用，床身發(fā)生彎曲，其中，影響最大的是床 身水平面內(nèi)的彎曲。 因此， 在床身不太長的情況下， 主要應(yīng)提高床身在水平面內(nèi) 的彎曲剛度。所以，在設(shè)計(jì)床身時(shí)，采用與水平面傾斜 45

52、 °的斜面床身。這種結(jié) 構(gòu)的特點(diǎn)是： (1) 在加工工件時(shí)， 切屑和切削液可以從斜面的前方 (即床身的一側(cè) ) 落下，就無需在床身上開排屑孔，這樣，床身斜面就可以做成一個(gè)完整的斜面。 (2)切屑從工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器將切屑排出。這樣， 機(jī)床在工作中， 排屑性能和散熱性能要好， 可以減少床身在工作中吸收由于切削 產(chǎn)生的熱量，從而減少床身的熱變形，使機(jī)床更好地保持加工精度。 (3) 由于在 床身上無需開排屑孔， 就可以增加與底座連接的床身底面的整體性， 從而可增加 床身底面的剛性。 基于以上特點(diǎn)使得床身抵抗來自切削力在水平和垂直面內(nèi)的分 力所產(chǎn)生的彎曲變形能力， 以與它們的

53、合力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形能力顯著增強(qiáng)。 從而 大幅度提高了床身的抗彎和抗扭剛度。 床身在彎曲、 扭轉(zhuǎn)載荷作用下， 床身的變 形與床身的截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關(guān)。 材料、 截面相同， 但形狀不同 的床身，截面的慣性矩相差很大。截面積相同時(shí)，采用空形截面，加大外輪廓尺 寸，在工藝允許的情況下， 盡可能減小壁厚， 可以大大提高截面的抗彎和抗扭剛 度；矩形截面的抗彎剛度高于圓形截面， 但圓形截面的抗扭剛度較高； 封閉截面 的剛度顯著高于不封閉截面的剛度。 為此， 在設(shè)計(jì)床身截面時(shí)， 綜合考慮以上因 素，在滿足使用、工藝情況下，采用空心截面，加大輪廓，減小壁厚，采用全封 閉的類似矩形的床身截面形式，

54、同時(shí)，為了提高床身的抗扭剛度和床身的剛度／ 重量比，在大截面內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)較小的類似圓形截面 (如圖 5.1) 。 床身與導(dǎo)軌為一體，床身材料的選擇 應(yīng)根據(jù)導(dǎo)軌的要求選擇。鑄鐵具有良好的 減震性和耐磨性，易于鑄造和加工。床身 材料采用機(jī)械性能優(yōu)良的HT250，其硬 度、強(qiáng)度較高，耐磨性較好，具有很好的 減震性[13] o 5.2 導(dǎo)軌 車床的導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種?；瑒?dòng)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(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大 圖5.1床身結(jié)構(gòu) 且磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低 速時(shí)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(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有 耐磨粘貼

55、帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和 使用壽命長等特點(diǎn)⑵。在動(dòng)導(dǎo)軌上鑲裝塑料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性高、抗撕 傷能力強(qiáng)、低速時(shí)不易爬行、加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好、工藝簡單、成本低等優(yōu) 點(diǎn)，在各類機(jī)床上都有應(yīng)用，特別是用在精密、數(shù)控和重型機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌上。 塑料導(dǎo)軌可與淬硬的鑄造鐵支承導(dǎo)軌和鑲鋼支承導(dǎo)軌組成對偶摩擦副。 機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量在一定程度上決定了機(jī)床的加工精度、工作能力和使用壽 命。導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。車床的床身導(dǎo)軌屬于進(jìn)給導(dǎo)軌，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的 動(dòng)導(dǎo)軌與支承的靜導(dǎo)軌之間的相對運(yùn)動(dòng)速度較低。 直線運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相 組合。由

56、于矩形導(dǎo)軌制造簡單，剛度高，承載能力大，具有兩個(gè)相垂直的導(dǎo)軌面。 且兩個(gè)導(dǎo)軌面的誤差不會(huì)相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜 45。后，側(cè)面 磨損能自動(dòng)補(bǔ)償，克服了矩形導(dǎo)軌側(cè)面磨損不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜毕荩?使其導(dǎo)向性更 好。 圖5.2為雙矩形導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的剛度高，當(dāng)量摩擦系數(shù)比三角形導(dǎo)軌低， 承載能力高，加工、檢驗(yàn)和維修都方便，而被廣泛地采用。特別是數(shù)控機(jī)床，雙 矩形，動(dòng)導(dǎo)軌貼塑料軟帶，是滑動(dòng)導(dǎo)軌的主要形式。矩形導(dǎo)軌存在側(cè)向間隙，必 須用鑲條進(jìn)行調(diào)整。圖 5.3中（a）由一條導(dǎo)軌的兩側(cè)導(dǎo)向，稱為窄式組合；圖 （b）分別由兩條導(dǎo)軌的左、右側(cè)面導(dǎo)向，稱為寬式組合。導(dǎo)軌受熱膨脹時(shí)寬式 組合比

57、窄式的變形量大，調(diào)整時(shí)應(yīng)留較大的側(cè)向間隙，因而導(dǎo)向性較差。所以， 雙矩形導(dǎo)軌窄式組合比寬式用得更多一些。 圖5.2雙矩形導(dǎo)軌 (a) Cb) 圖5.3雙矩形導(dǎo)軌的兩種形式 鑲條是用來調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保證導(dǎo)軌面的正常接觸。鑲 條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。壓板用于調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受顛覆力 矩。如圖5.4，是用磨或刮壓板 3的e面和d面來調(diào)整間隙。壓板的 d面和e 面用空刀槽分幵，間隙大磨刮 d面，太緊時(shí)則修e面。這種方式構(gòu)造簡單，應(yīng) 用較多，但調(diào)整時(shí)比較麻煩[14] [15]。 圖5.4壓板結(jié)構(gòu) 6 數(shù)控系統(tǒng)選擇 6.1西門子數(shù)控系統(tǒng)的

58、優(yōu)點(diǎn) 西門子數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，設(shè)計(jì)中選擇 SINUMERIK 802D 型號。 其控制器：具有免維護(hù)性能的 SINUMERIK 802D ，其核心部件-PCU （面 板控制單元）將 CNC、PLC、人機(jī)界面和通訊等功能集成于一體。可靠性高、 易于安裝；SINUMERIK802D 可控制4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸。通過 生產(chǎn)現(xiàn)場總線PROFIBUS將驅(qū)動(dòng)器、輸入輸出模塊連接起來； 模塊化的驅(qū)動(dòng)裝 置SIM0DRIVE611Ue 配套1FK6系列伺服電機(jī)，為機(jī)床提供了全數(shù)字化的動(dòng)力。 通過視窗化的調(diào)試工具軟件， 可以便捷地設(shè)置驅(qū)動(dòng)參數(shù)， 并對驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù) 進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化； SIN

59、UMERIK802D 集成了內(nèi)置 PLC 系統(tǒng)，對機(jī)床進(jìn)行邏輯控制。 采用標(biāo)準(zhǔn)的PLC的編程語言Micro/WIN 進(jìn)行控制邏輯設(shè)計(jì)。并且隨機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn) 的 PLC 子程序庫和實(shí)例程序，簡化了制造廠設(shè)計(jì)過程，縮短了設(shè)計(jì)周期。 CNC 功能：控制車床、 鉆銑床；可控制 4 個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸； 三軸聯(lián)動(dòng)，具有直線插補(bǔ)、平面圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、空間圓?。?CIP）插補(bǔ) 等控制方式；螺紋加工、變距螺紋加工；旋轉(zhuǎn)軸控制；端面和柱面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（ C 軸功能）；前饋控制、加速度突變限制；程序預(yù)讀可達(dá) 35 段；刀具壽命監(jiān)控； 主軸準(zhǔn)停，剛性攻絲、恒線速切削； FRAME 功能（坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)

60、、鏡象、 縮放） 操作單元：單色 10.4" TFT 顯示器，彩色為選件；全功能數(shù)控鍵盤具有水平 安裝方式， 和垂直安裝方式； 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床控制面板 （選件）；三個(gè)手輪接口； RS232 串行接口；生產(chǎn)現(xiàn)場總線接口；標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口； PC 卡插槽（用于數(shù)據(jù)備份和批 量生產(chǎn)） 操作與顯示：帶有 8 個(gè)水平軟鍵和 8 個(gè)垂直軟鍵的直觀操作；對刀與刀具 測量， 工件坐標(biāo)系測量， 基本坐標(biāo)偏移； MDA 方式端面加工； 程序段搜索運(yùn)行； 坐標(biāo)軸鎖定、快速空運(yùn)行；后臺編程；加工外部程序（通過串行接口） ；示波器、 袖珍計(jì)算器、和工件計(jì)數(shù)器；兩種語言在線切換； 16 種語言可選擇安裝；在線 公英制切換；機(jī)床

61、坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、和相對坐標(biāo)系顯示；加工軌跡實(shí)時(shí)顯示 （可辨認(rèn)快速和加工軌跡） ；在線幫助；有效 G 功能和 M 功能顯示；坐標(biāo)位置、 余程以與各軸速度顯示 零件編程：標(biāo)準(zhǔn) G 代碼編程（ DIN66025 ）和西門子高級語言編程； ISO 標(biāo) 準(zhǔn)編程；車削、銑削工藝循環(huán)編程；藍(lán)圖編程；極坐標(biāo)編程；程序存儲器容量達(dá) 340K字節(jié) PLC :采用標(biāo)準(zhǔn)的S7-200編程語言 Micro/WIN ;梯圖編程；梯圖在線顯 示；PLC遠(yuǎn)程診斷；完全漢化的 PLC編程工具隨機(jī)提供；隨機(jī)提供 PLC子程序 和用于車床銑床的 PLC應(yīng)用程序?qū)嵗?；PLC的處理速度是6000步/24毫秒； 40個(gè)定時(shí)

62、器，32個(gè)計(jì)數(shù)器；數(shù)字輸入輸出為 144 / 96 。 6.2數(shù)控連線圖 其連線圖如圖6.1所示 g § d 圖6.1數(shù)控系統(tǒng)連線圖 7 數(shù)控編程 編制如圖7.1所示零件的加工程序，材料為 45鋼，棒料直徑為40mm [16] 圖7.1數(shù)控零件圖 1. 刀具設(shè)置 選擇93 °正偏刀為1號刀，2號割槽刀（寬4mm），60 °硬質(zhì)合金螺紋刀 為3號刀。 2. 工藝路線 1）工件伸出卡盤外85mm，找正后夾緊。 2) 用1號刀車工件右端面，粗車外圓至? 38.5 X70。 3) 先車? 32.5 X58圓柱，再車? 30.5 X48圓柱，再車?

63、 20.5 X10圓柱。 4) 車右端圓弧，留 0.5mm 精車余量。 5) 精車外形輪廓至尺寸。 6) 割退刀槽，并用割槽刀右刀尖倒出 M30 X3 螺紋左端 C2 倒角。 7) 換螺紋刀車雙線螺紋。 8) 割斷工件。 3. 相關(guān)計(jì)算 1) 計(jì)算雙線螺紋 M30 X3 (P1.5 )的底徑： D=d-2 X0.62P=(30-2 X0.62X1.5)mm=28.14mm 2) 確定背吃刀量分布： 1.5mm 、0.25mm 、0.07mm N01 G90 G94 G54 ； N02 S800 M03 N03 T01 M08 N04 G00

64、X40 Z0 ； N05 G01 X0 F100 ； N06 G00 X19.5 Z2 ； N07 G01 Z-70 F150 ； N08 G00 X30 Z2 ； 4. 加工程序 采用 G54 工件坐標(biāo)系， 分進(jìn)給， 絕 對編程 主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速 800rpm 換 1 號外圓刀，切削液開 快速進(jìn)刀 車端面 快速退刀 粗車外圓 快速退刀 N09 G01 X18 ； 快速進(jìn)刀 N10 G01 Z-58 粗車外圓 N11 G00 X30 Z2 ； 快速退刀 N12 G00 X16.5

65、 快速進(jìn)刀 N13 G01 Z-58 粗車外圓 N14 G00 X30 Z2 ； 快速退刀 N15 G00 X15.5 快速進(jìn)刀 N16 G01 Z-48 粗車外圓 N17 G00 X30 Z2 ； 快速退刀 N18 G00 X14 ； 快速進(jìn)刀 N19 G01 Z-12 粗車外圓 N20 G00 X20 Z2 ； 快速退刀 N21 G00 X12 ； 快速進(jìn)刀 N22 G01 Z-10 粗車外圓 N23 G00 X15 Z2 ；

66、 快速退刀 N24 G00 X0 ； 快速進(jìn)刀 N25 G03 X12 Z-10 CR=12 F100 ； 車 R12 圓弧 N26 G02 X15 Z-15 CR=3 ； 車 R3 圓弧 N27 G00 Z0.5 ； 快速退刀 N28 G00 X0 ； 快速進(jìn)刀 N29 G03 X10.5 Z-10 CR=10.5 ； 車 R10.5 圓弧  N30 G02 X15 Z-15 CR=4.5 ； 車 R4.5 圓弧 N31 G00 X100 Z100 快退至起刀點(diǎn) 、-7*. r. - -、一R N32 S1000 M03 ； 主軸變速 N33 G00 X2 Z2 ； 快速進(jìn)刀 N34 G01 X0 Z0 F60 進(jìn)刀至（ 0， 0）點(diǎn) N35 G03 X10 Z-10 CR=10 ； 精車 R10 圓弧 N36 G02 X15 Z-15 CR=5 ； 精車 R5 圓弧 N37 G01 z-40