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畢業(yè)設(shè)計(論文)
X52K立式銑床數(shù)控化改造總體及
橫向進給伺服系統(tǒng)設(shè)計
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
本全面闡述了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核，并進行了分析。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)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。
關(guān)鍵詞：銑床，數(shù)控，伺服電機，滾珠絲杠
Abstract
Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.
In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.
Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 1
1.1 機床數(shù)控化改造的必要性 1
1.2 數(shù)控化改造的特點 2
1.3 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 2
1.3.1 高速化 2
1.3.2 高精度化 3
1.3.3 功能復(fù)合化 3
1.3.4 控制智能化 4
1.3.5 體系開放化 5
1.3.6 驅(qū)動并聯(lián)化 5
1.3.7 極端化(大型化和微型化) 5
1.3.8 信息交互網(wǎng)絡(luò)化 6
1.3.9 新型功能部件 6
1.3.10 高可靠性 6
1.3.11 加工過程綠色化 7
1.3.12 多媒體技術(shù)的應(yīng)用 7
第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 8
2.1總體方案設(shè)計的內(nèi)容 8
2.2 改造方案的確定 8
第3章 確定切削用量及選擇刀具 11
3.1 科學(xué)選擇數(shù)控刀具 11
3.1.1 選擇數(shù)控刀具的原則 11
3.1.2 選擇數(shù)控車削用刀具 11
3.1.3 選擇數(shù)控銑削用刀具 12
3.2 設(shè)置刀點和換刀點 12
3.3 確定切削用量 13
3.3.1 確定主軸轉(zhuǎn)速 13
3.3.2 確定進給速度 13
3.3.3 確定背吃刀量 13
第4章 主運動系統(tǒng)設(shè)計 14
4.1 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介 14
4.2 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 15
4.3 主傳動的類型及方案選擇 15
4.4 計算切削功率 16
4.4.1切削力的計算 16
4.4.2切削功率的計算 17
4.4.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定 17
4.5 計算主傳動功率 17
4.6 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計及主軸電動機的功率的確定 18
4.6.1 變速級數(shù)Z的確定 19
4.6.2 電動機的功率的確定 19
4.6.3 電動機參數(shù) 20
4.6.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機構(gòu)的確定 20
第5章 進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 22
5.1設(shè)計方案的確定 22
5.2橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 22
結(jié) 論 30
致謝 31
參考文獻 32
第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述
1.1 機床數(shù)控化改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
1)可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬間準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以符合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2)可以實現(xiàn)加工的自動化。而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3~7倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。
3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
4)可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬動。
5)擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
6)由以上5條派生出的好處。如：降低了工人的勞動強度，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反映等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)呆國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其實質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)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(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，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年已達到20.8%，因此每年都有大量機電產(chǎn)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。
1.2 數(shù)控化改造的特點
1)減少投資額、交貨期短。同購置新機床相比，一般可省下60%~80%的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤為明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高2~3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50%左右。
2)機械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限。所利用的車床、立株等基礎(chǔ)條件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種接焊構(gòu)件，改造后的機床女性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。
3)熟悉設(shè)備、便于操作維修。購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求，改造則不然。可以精確地計算出機床的加工能力：另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機床一安裝好，就可以實現(xiàn)全負荷運轉(zhuǎn)。
4)分利用現(xiàn)有的條件?？梢猿浞掷矛F(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。
5)以采用最新的控制技術(shù)，可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。
1.3 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
1.3.1 高速化
隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對數(shù)控機床加工的高速化要求越來越高。
（1）主軸轉(zhuǎn)速：機床采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機），主軸最高轉(zhuǎn)速達200000r/min；
（2）進給率：在分辨率為0.01μm時，最大進給率達到240m/min且可獲得復(fù)雜型面的精確加工；
（3） 運算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千 兆赫。由于運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；
（4）換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設(shè)計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。
1.3.2 高精度化
數(shù)控機床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補償越來越獲得重視。
（1） 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術(shù)，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC控制單位精細化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本已 開發(fā)裝有106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器的交流伺服電機，其位置檢測精度可達到0.01μm/脈沖），位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法；
（2）采用誤差補償技術(shù)：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償?shù)燃夹g(shù)，對設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。研究結(jié)果表明，綜合誤差補償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60%～80%；
（3）采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度，并通過仿真預(yù)測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重復(fù)定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。
1.3.3 功能復(fù)合化
復(fù)合機床的含義是指在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。工藝復(fù)合型機床如鏜銑鉆 復(fù)合——加工中心、車銑復(fù)合——車削中心、銑鏜鉆車復(fù)合——復(fù)合加工中心等；工序復(fù)合型機床如多面多軸聯(lián)動加工的復(fù)合機床和雙主軸車削中心等。采用復(fù)合機 床進行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市 場反應(yīng)能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。
加工過程的復(fù)合化也導(dǎo)致了機床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結(jié)構(gòu)，該加工中心能夠完成車削、銑削、鉆削、滾 齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復(fù)雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動數(shù)控機床越來越受到各大企業(yè)的歡迎。
在2005年中國國際機床展覽會（CIMT2005）上，國內(nèi)外制造商展出了形式各異的多軸加工機床（包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等）以及可實現(xiàn)4～5軸聯(lián)動的五軸高速門式加工中心、五軸聯(lián)動高速銑削中心等。
1.3.4 控制智能化
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數(shù)控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1） 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、 磨損、破損狀態(tài)及機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實時調(diào)整加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、進給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降 低加工表面粗糙度并提高設(shè)備運行的安全性；
（2）加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經(jīng)驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產(chǎn)準備時間的目的；
（3）智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法實現(xiàn)故障的快速準確定位；
（4）智能故障回放和故障仿真技術(shù)：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對數(shù)控機床發(fā)生的各種錯誤和事故進行回放和仿真，用以確定錯誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產(chǎn)經(jīng)驗；
（5）智能化交流伺服驅(qū)動裝置：能自動識別負載，并自動調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅(qū)動裝置能自動識別電機及負載的轉(zhuǎn)動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運行；
（6） 智能4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過程中，加工、檢測一體化是實現(xiàn)快速制造、快速檢測和快速響應(yīng)的有效途徑，將測量（Measurement）、建模 （Modelling）、加工（Manufacturing）、機器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息共享，促進 測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。
1.3.5 體系開放化
（1）向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；
（2）向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求；
（3） 數(shù)控標準的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649（STEP-NC），以提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品 整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。標準化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關(guān) 的勞動消耗。
1.3.6 驅(qū)動并聯(lián)化
并聯(lián)運動機床克服了傳統(tǒng)機床串聯(lián)機構(gòu)移動部件質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導(dǎo)軌進給、作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，在機 床主軸（一般為動平臺）與機座（一般為靜平臺）之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機構(gòu)驅(qū)動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應(yīng)自由度的運動，可實現(xiàn)多坐 標聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。
并聯(lián)機床作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當前機床技術(shù)的一個重要研究方向，受到了國際機床行業(yè)的高度重視，被認為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機床行業(yè)中最有意義的進步”和“21世紀新一代數(shù)控加工設(shè)備”。
1.3.7 極端化(大型化和微型化)
國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀的戰(zhàn)略技術(shù)，需發(fā) 展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機床包括微切削加工(車、銑、磨)機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等 的需求量正在逐漸增大。
1.3.8 信息交互網(wǎng)絡(luò)化
對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說，使數(shù)控機床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又 能實現(xiàn)數(shù)控機床的遠程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)、教學(xué)、管理，還可實現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)(數(shù)控機床故障的遠程診斷、維護等)。例如，日本Mazak公司推出新 一代的加工中心配備了一個稱為信息塔(e-Tower)的外部設(shè)備，包括計算機、手機、機外和機內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信故障報 警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨立的、自主管理的制造單元。
1.3.9 新型功能部件
為了提高數(shù)控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應(yīng)用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：
高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成，具有體積小、轉(zhuǎn)速高、可無級調(diào)速等一系列優(yōu)點，在各種新型數(shù)控機床中已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用；
直 線電動機：近年來，直線電動機的應(yīng)用日益廣泛，雖然其價格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，但由于負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，機械傳動結(jié) 構(gòu)得到簡化，機床的動態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產(chǎn)的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應(yīng)用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯(lián)機 床以及動態(tài)性能和運動精度要求高的機床等； 德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅(qū)動均采用兩個直線電動機；
電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)，具有傳動環(huán)節(jié)少、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點。
1.3.10 高可靠性
數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床相比，增加了數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓和機電裝置，易于導(dǎo)致出現(xiàn)失效的概率增大；工業(yè)電網(wǎng)電壓的波動和干擾 對數(shù)控機床的可靠性極為不利，而數(shù)控機床加工的零件型面較為復(fù)雜，加工周期長，要求平均無故障時間在2萬小時以上。為了保證數(shù)控機床有高的可靠性，就要精 心設(shè)計系統(tǒng)、嚴格制造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在7～10萬小時以上，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)平均無故 障時間僅為10000小時左右，國外整機平均無故障工作時間達800小時以上，而國內(nèi)最高只有300小時。
1.3.11 加工過程綠色化
隨著日趨嚴格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能 環(huán)保的機床不斷出現(xiàn)，并在不斷發(fā)展當中。在21世紀，綠色制造的大趨勢將使各種節(jié)能環(huán)保機床加速發(fā)展，占領(lǐng)更多的世界市場。
1.3.12 多媒體技術(shù)的應(yīng)用
多媒體技術(shù)集計算機、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。合理的人性化 的用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤 和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)。除此以外，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，應(yīng)用于實時監(jiān)控系統(tǒng)和生 產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等，因此有著重大的應(yīng)用價值。
第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較
2.1總體方案設(shè)計的內(nèi)容
數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
2.2 改造方案的確定
在我國設(shè)備數(shù)控改造時，較多采用步給電機作為私服驅(qū)動元件。步給電機是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機，它利用通電激磁繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩，將脈沖電信號的能量轉(zhuǎn)換為機械位移的機電執(zhí)行元件，當激磁繞組按一定規(guī)律獲得分配比例關(guān)系，而且轉(zhuǎn)動與輸入脈沖在時間上同步，因此可以利用這些特點控制運動的速度和位移量。
步進電機結(jié)構(gòu)簡單，電氣控制和驅(qū)動電路也簡單，體積小，重量輕，價格便宜，實際制造較簡單，容易調(diào)試，使用維修方便。位移精度較好，對各種干擾因素不敏感，結(jié)構(gòu)誤差不會累積。另外，機電時間常數(shù)小，反應(yīng)快。但步給點饑也有缺點，主要是容易丟步，啟動頻率低，工作頻率也不夠高，低頻率振動大，沖擊大，有時還有自激振蕩。補給電機沒有過載能力，當工作條件變動時，可能造成失誤，因此步進電機多用于負載較小，負載變化不大或要求不高的經(jīng)濟型簡易型數(shù)控設(shè)備中。
功率放大
光電隔離
微 機
步進電 機
橫向工作臺
步進電 機
功率放大
光電隔離
采用直流或交流伺服閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難得多，造價也高。閉環(huán)控制可以達到很好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度影響，一般應(yīng)用與要求高的數(shù)控設(shè)備中。另外，由于閉環(huán)控制使機械傳動得各個環(huán)節(jié)都綜合作用于反饋信號，因此對系統(tǒng)得穩(wěn)定性造成影響因素都嚴格控制把關(guān)。由于改造數(shù)控車床的目標工件加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。
采用直流或交流伺服電機的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間。由于調(diào)速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于步給電機開環(huán)控制：反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機械傳動元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以比閉環(huán)容易實現(xiàn)。但是采用半閉環(huán)控制，調(diào)試比開環(huán)控制步給要困難些，設(shè)計上也要有其自身的特點；另外反饋環(huán)節(jié)外的傳動元件將會直接影響機床精度和加工精度，因此在設(shè)計也必須重視。
查看了銑床的有關(guān)資料，按銑床改造后擬加工的零件要求，確定數(shù)控系統(tǒng)的選用步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)，縱向脈沖當量為0.001mm/脈沖，橫向脈沖當量為0.005mm/脈沖。該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步給電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使不給電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步給電機角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單調(diào)，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
數(shù)控改造中主要機械部件改裝，一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達到上任要求。不恩能夠認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應(yīng)對主要部件進行相與的改造使其達到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。
滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切削及硬砂粒進入渠道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。滾珠絲杠參照漢江機床廠的產(chǎn)品樣本選取FC1B系列，即外插管變螺距型滾珠絲杠副。其優(yōu)點是螺母的軸向尺寸小，切已經(jīng)預(yù)加載荷消除間隙。
縱向進給機構(gòu)的改造。拆除原機床的進給箱和溜板箱，利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安置在原絲杠的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進給整體剛度只可能增加。
橫向進給機構(gòu)改造。保留原手動機構(gòu)，用于微進給和機床刀具對零的操作，原有的支承結(jié)構(gòu)也保留。步給電機-齒輪箱體安裝在機床后側(cè)。為了便于安裝滾珠絲杠，絲杠軸不是整體的，而采用分移式，然后用套筒剛性聯(lián)接。
縱、橫向進給機構(gòu)都采用一級齒輪減速，并用雙片齒輪錯齒法消除間隙。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙。因為彈簧的彈力很難適應(yīng)負載的變化。當負載變大時，彈簧力顯小，起不到消除間隙的目的；當負載小時，彈簧力有顯大，則加速齒輪的磨損。應(yīng)次，采用定期人工調(diào)整、螺釘緊固的方法消除間隙。
拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進入滑動面損傷導(dǎo)軌。在溜板箱上安裝縱、橫向快速進給按鈕和急停按紐。
31
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,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)單件工時最少的目標確定,后者根據(jù)工序成本最低的目標確定。?
選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉(zhuǎn)位刀具,由于換刀時間 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。對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機床、組合機床與自動化加 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)率限制了整個車間的生產(chǎn)率的提高時,該工序的刀具壽命要選得低些當某工序單位時間 內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時,刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時,為保證至少完成一次走刀,避免切削時中途換刀,刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度來 確定。與普通機床加工方法相比,數(shù)控加工對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,斷和排性能壇同時要求安裝調(diào)整方 便,這樣來滿足數(shù)控機床高效率的要求。數(shù)控機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
數(shù)控車削常用的一般分成型車刀、尖形車刀、圓弧形車刀以及三類。成型車刀也稱樣板車刀,其加工零件的輪廓形狀完全由車刀刀刃的形伏和尺寸決定。數(shù)控車削加 工中,常見的成型車刀有小半徑圓弧車刀、非矩形車槽刀和螺紋刀等。在數(shù)控加工中,應(yīng)盡量少用或不用成型車刀。尖形車刀是以直線形切削刃為特征的車刀。這類 車刀的刀尖由直線形的主副切削刃構(gòu)成,如900內(nèi)外圓車刀、左右端面車刀、切槽(切斷)車刀及刀尖倒棱很小的各種外圓和內(nèi)孔車刀。尖形車刀幾何參數(shù)(主要 是幾何角度)的選擇方法與普通車削時基本相同,但應(yīng)結(jié)合數(shù)控加工的特點(如加工路線、加工干涉等)進行全面的考慮,并應(yīng)兼顧刀尖本身的強度。?
二是圓弧形車刀。圓弧形車刀是以一圓度或線輪廓度誤差很小的圓弧形切削刃為特征的車刀。該車刀圓弧刃每一點都是圓弧形車刀的刀尖,應(yīng)此,刀位點不在圓弧 上,而在該圓弧的圓心上。圓弧形車刀可以用于車削內(nèi)外表面,特別適合于車削各種光滑連接(凹形)的成型面。選擇車刀圓弧半徑時應(yīng)考慮兩點車刀切削刃的圓弧 半徑應(yīng)小于或等于零件凹形輪廓上的最小曲率半徑,以免發(fā)生加工干淺該半徑不宜選擇太小,否則不但制造困難,還會因刀尖強度太弱或刀體散熱能力差而導(dǎo)致車刀 損壞。
3.1.3 選擇數(shù)控銑削用刀具
在數(shù)控加工中,銑削平面零件內(nèi)外輪廓及銑削平面常用平底立銑刀,該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下:一是銑刀半徑RD應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑 Rmin,一般取RD=(0.8-0.9)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。三是用平底立銑刀銑 削內(nèi)槽底部時,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),編程時取刀具半徑為 Re=0.95(Rr)。對于一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工,常用球形銑刀、環(huán)形銑刀、鼓形銑刀、錐形銑刀和盤銑刀。?
目前,數(shù)控機床上大多使用系列化、標準化刀具,對可轉(zhuǎn)位機夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標準及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機 床,刀具的刀柄都已有系列化和標準化的規(guī)定,如錐柄刀具系統(tǒng)的標準代號為TSG-JT,直柄刀具系統(tǒng)的標準代號為DSG-JZ,此外,對所選擇的刀具,在 使用前都需對刀具尺寸進行嚴格的測量以獲得精確數(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)用而完成加工過程,從而加工出合格的工件。
3.2 設(shè)置刀點和換刀點
刀具究竟從什么位置開始移動到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始,必須確定刀具在工件坐標系下開始運動的位置,這一位置即為程序執(zhí)行時刀具相對于工件 運動的起點,所以稱程序起始點或起刀點。此起始點一般通過對刀來確定,所以,該點又稱對刀點。在編制程序時,要正確選擇對刀點的位置。對刀點設(shè)置原則是: 便于數(shù)值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查；引起的加工誤差小。對刀點可以設(shè)置在加工零件上,也可以設(shè)置在夾具上或機床上,為了提高零 件的加工精度,對刀點應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計基準或工藝基誰上。實際操作機床時,可通過手工對刀操作把刀具的刀位點放到對刀點上,即“刀位點”與“對刀 點”的重合。所謂“刀位點”是指刀具的定位基準點,車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點；球頭銑刀是球頭的球心,鉆 頭是鉆尖等。用手動對刀操作,對刀精度較低,且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等,以減少對刀時間,提高對刀精度。加工過程中需 要換刀時,應(yīng)規(guī)定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉(zhuǎn)動換刀時的位置,換刀點應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部,以換刀時不碰工件及其它部件為準。
3.3 確定切削用量
數(shù)控編程時,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、背吃刀量及進給速度等。對于不同的加工方法,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)直徑來選擇。其計算公式為:?
n=1000v/71D?
式中:v—速度,單位為m/m動,由的耐用度決定；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。?
計算的主軸轉(zhuǎn)速n,最后要選取機床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。
3.3.2 確定進給速度
進給速度是數(shù)控機床切削用量中的重要參數(shù),主要根據(jù)零件的精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進給速度受機床剛度和進給系統(tǒng)的性能限 制。確定進給速度的原則:當工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時,為提高生產(chǎn)效率,可選擇較高的進給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選?。辉谇?斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時,宜選擇較低的進給速度,一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選取；當加工精度,表面粗糙度要求高時,進給速度應(yīng)選小 些,一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取；刀具空行程時,特別是遠距離“回零”時,可以設(shè)定該機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據(jù)機床、工件和刀具的剛度來決定,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)機床性能、相關(guān)的手冊并結(jié)合實際經(jīng)驗用類比方法確定。
同時,使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進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床動力性能(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 主運動系統(tǒng)設(shè)計
4.1 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介
主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，他應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。
數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上簡單，這是因為變速功能全部或大部分主軸電動機的無極調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機構(gòu)，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調(diào)速的范圍。
在主傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點：
(1)目前數(shù)控機床的主傳動電機已不再采用普通的交流異步電機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機和直流調(diào)速電機所代替。
(2)轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。
(3)變速范圍大。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。
(4)主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。
4.2 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求
（1）主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。
（2）主電動機具有足夠的功率，全部機構(gòu)和元件具有是夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。
（3）主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。
（4）操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。
（5）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。
4.3 主傳動的類型及方案選擇
數(shù)控機床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級凋速系統(tǒng)。為擴大調(diào)速。
為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式
1．具有變速齒輪的主傳動
這是大、中型數(shù)控機床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求，見圖1-1所示。一部分小型數(shù)控機床也采用此種傳動方式以獲得強力切削時所需要的扭矩。
圖1.1 圖1.2 圖1.3
2．通過帶傳動的主傳動
通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，見圖1-2所示。
3．由調(diào)速電機直接驅(qū)動的主傳動
這種主傳動是由電動機直接驅(qū)動主軸，即電動機的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖1-3所示。
近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機主軸，即主軸與電動機轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲。缺點是電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機最高轉(zhuǎn)速可達20000r/min。
本次設(shè)計采用變速齒店主傳動系統(tǒng)。使主軸獲得較高的轉(zhuǎn)速和驕傲大的轉(zhuǎn)矩。二級以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修費用高，但和以上兩種驅(qū)動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu)，可以使用可調(diào)的交、直流無級變速電動機，經(jīng)齒輪變速后，實現(xiàn)分段無級變速，調(diào)速范圍增加，且能滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動的變速方式。
4.4 計算切削功率
4.4.1切削力的計算
銑削時的切削力，公式如下
（3-1）
式中——銑削時的主切削力（N）
——加工材料影響的系數(shù)
——每齒進給量（mm）
——背吃刀量（mm）
——銑削寬度
——銑刀齒數(shù)
——銑刀直徑(mm)
用直徑=50mm的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬=40mm的剛工件，=0.05mm，=4mm，=68mm，
計算得：=132N
4.4.2切削功率的計算
切削時所消耗的功率稱為切削功率。
切削功率的公式計算：
（3-2）
式中：——切削功率（kw）
——切削力（N）
——切削速度（m/min）
根據(jù)機床設(shè)計手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取=100m/min
計算得：=2.2kw
4.4.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定
2 主軸轉(zhuǎn)速范圍：50-2000r/min；
4.5 計算主傳動功率
用下列粗略估算主電動機的功率
（3-3）
式中，為銑床主傳動系統(tǒng)總機械效率，主運動為回轉(zhuǎn)運動時，；主運動為直線運動時，。
取主傳動的總效率=0.7
則初選電動機功率
取
電動機額定轉(zhuǎn)速為
；
額定最高轉(zhuǎn)速為
4.6 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計及主軸電動機的功率的確定
由3.2中初選電動機功率為4kw，
計算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式計算:
（3-4）
則電動機的恒功率調(diào)速范圍:
主軸恒功率調(diào)速范圍:
因此主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機所能提供的恒功率圍，所以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，來擴大電動功率變速范圍。
4.6.1 變速級數(shù)Z的確定
如取變速箱的公比
則由于無級變速時
故變速箱的變速極數(shù)
可取Z=3 （3-5）
雖然此中方法功率特性圖示連續(xù)的、無缺口(即沒有功率降低區(qū))和無重但是Z=3，變速箱機構(gòu)較復(fù)雜。
因此為簡化變速箱機構(gòu)，取Z=2。
4.6.2 電動機的功率的確定
由公式（3—5）可知，應(yīng)增大
即
所以比大很多。
此時變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動系統(tǒng)的功率特性圖中出現(xiàn)缺口區(qū)。
缺口處的功率為
低谷處功率應(yīng)保證傳遞全部功率，只有選擇額定功率較大的電機給予補償。所以選用的交流變頻電動機。
則缺口處的功率為。有很大的改善。
4.6.3 電動機參數(shù)
一、電動機性能指標
電機采用CTB系列變頻電機,型號：CBT—43P5BXB50—4,主要技術(shù)指標如下。
（1）電壓:三相380V/50Hz；
（2）變頻調(diào)速范圍:5～100Hz無級調(diào)速,5～50Hz恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,50～100Hz恒功率調(diào)速,級數(shù)為4級,額定轉(zhuǎn)速1440r/min;
（3）電機應(yīng)能承受額定轉(zhuǎn)矩的60%過載,歷時1min,低速時轉(zhuǎn)矩平滑,無爬行現(xiàn)象;
能通過變頻裝置的電壓提升,保證電動機頻率在5Hz時輸出額定轉(zhuǎn)矩而不致使電機因發(fā)熱而燒毀。
（4）CTB系列變頻電機,型號：CBT—43P5BXB50—4 主要性能參數(shù)如表3.1所示：
表3.1
圖4.1為電動機外形圖
圖3.1
4.6.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機構(gòu)的確定
本系統(tǒng)設(shè)計的傳動系統(tǒng)具有兩檔速度，低檔轉(zhuǎn)速為，高檔轉(zhuǎn)。采用二級變速傳動，傳動比為的高速傳動的低速傳動兩種變速機構(gòu)，采用撥叉變速。顯然如果要求巧內(nèi)作恒功率的不停車變速可用高檔。如果要求在內(nèi)作恒功率的不停車變速可用低檔。轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖3.2所示。
圖4.1
第5章 進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算
5.1設(shè)計方案的確定
利用微機對縱橫垂直進給系統(tǒng)進行半閉環(huán)控制，脈沖當量都為0.01mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。
采用微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向、垂直進給運動。
5.2橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算
1．橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計
采用半閉環(huán)機床進給系統(tǒng)，步進電機經(jīng)一級減速齒輪傳動副，滾珠絲桿拖動工作臺。傳感器與電機軸相聯(lián)，用來檢測電機轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，并把它們轉(zhuǎn)換為電信號反饋給數(shù)控裝置，傳感器采用脈沖編碼器。
2．橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算
工作臺重量：W=889.2Kgf=8892N(根據(jù)圖紙粗略計算)
時間常數(shù)：T=25 ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程：Lo=6mm
行程：S=375mm
步距角： /step
快速進給速度：500mm/min
（1）切削力計算 由《機床設(shè)計手冊》可知，切削功率
式中： N---電機功率，查機床說明書，N=7.5 KW；
---主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.7～0.85取=0.7；
K---進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96。
則有：
Nc=7.5×0.7×0.96=5.04 kw
切向銑削力：
F=×10 N
式中： V---主軸傳遞全部功率時的最底切削速度（m/s）
則有：
V=D×95/60000=1.7m/s=102m/min
F==2964（N）
進給工作臺工作載荷計算
從《數(shù)控銑床》中表2-1可得知，在一般立式銑削時，
工作臺縱向進給方向載荷：
F=1.0Fz=5294 N
工作臺橫向進給方向載荷：
F=0.4Fz=0.4×2964=1185 N
工作臺橫向進給方向載荷：
F=0.2Fz=0.2×2964=592 N
（2)滾珠絲杠設(shè)計計算：
由《數(shù)控技術(shù)》可知，采用燕尾導(dǎo)軌，導(dǎo)軌銑床絲杠的軸向力：
采用矩型導(dǎo)軌
式中K=1.1 =0.15
則有：
1）強度計算：
壽命值：
n---為絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）
v---為最大切削力下的進給速度（m/min）,取最高進給速度的1/3
T---額定壽命，查表得 T=15000h
---滾珠絲桿導(dǎo)程，取=6mm
則有：
v=
r/min
L
最大動負載C
查表得：運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù) 則
C
根據(jù)最大動負荷C的值，可選則滾珠絲杠的型號。查表2-5得，選取滾珠絲杠直徑為50mm，型號為ND5006，其額定載荷為29350N，所以強度足夠。
效率計算：根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為：
式中：---為絲桿螺旋升角，查得：
---為摩擦角，滾珠絲桿副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003～0.004,其摩擦角約等于
則有：
3）剛度驗算：滾珠絲杠受工作負載F引起的導(dǎo)程的變化量
絲桿的拉壓變形量
式中：mm=0.6cm;
E---為材料彈性模量，對鋼
A---為滾珠絲杠截面積
=6.15
則有：
cm
滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
有預(yù)緊：
式中：---為滾珠直徑，查表得=3.969mm
Z圈數(shù)列數(shù)
2513=75
---為預(yù)緊力
則有:
2.3mm
則絲桿的總變形量
9um
查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15um/m 故剛度足夠。
4)穩(wěn)定性驗算
失穩(wěn)時的臨界載荷
式中:E---為絲桿材料彈性模量,對鋼
I---為截面慣性矩,對絲桿圓截面
---為絲桿底徑,=48mm
則有：
260444
L---為絲桿最大工作長度,取L=375mm
---為絲桿支承方式系數(shù),參考圖2-13和表2-7,取=2.0
則有:
穩(wěn)定安全系數(shù)：
1548
所選絲桿穩(wěn)定安全系數(shù)，查表得：
則有 ，故穩(wěn)定性不存在問題。
（3）齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算
1）有關(guān)齒輪計算
傳動比
故取 Z1=40 Z2=50m=2 mm
B=20 mm
則有
2)轉(zhuǎn)動慣量計算：
工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
電動機轉(zhuǎn)動慣量很少，可以忽略
因此，總的轉(zhuǎn)動慣量
=14.6874
所需轉(zhuǎn)動力矩計算
快速空載啟動時所需力矩
式中 ---空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；
---折算到電機軸上的摩擦力矩；
---由于絲杠預(yù)金所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩；
式中：---為傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量（
---為電機最大角加速度（）
---為運動部件最大快進速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速（）
t---為運動部件從靜止啟動加速到最大快進進給速度所需時間（s）,取t=0.025s
則有：
空載摩擦力矩：
式中： G---運動部件總重力（N）
---為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.2
i---齒輪傳動降速比，i=1.25
---傳動系統(tǒng)總效率，取=0.8
---基本導(dǎo)程，取=0.6cm
則有：
附加摩擦力矩：
式中：
---為滾珠絲桿預(yù)加載荷，取的1/3
---為滾珠絲桿預(yù)緊是的傳動效率，取=0.9
則有：
=
=192.2+127.43+29.3=348.93N.
(4) 步進電機的選擇
步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩
為滿足最小步距要求，電機選用五相十拍工作方式，查表知
所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩：
步進電機最高工作頻率：
綜合考慮，查表選用 130BF001 型直流步進電機，能滿足使用要求。
結(jié) 論
短短的幾個月的畢業(yè)設(shè)計是我們對大學(xué)的機械知識的整體總結(jié)，也是理論與實踐的結(jié)合，通過這次畢業(yè)設(shè)計我們收益非淺，這次設(shè)計，主要是對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)進行設(shè)計。在進行畢業(yè)設(shè)計中，我學(xué)到了許多新的知識。我深刻的認識到，要想成為一名合格技術(shù)人員只掌握本專業(yè)的知識是遠遠不夠的，我們應(yīng)該具有更加淵博的知識。
首先從主傳動系統(tǒng)設(shè)計以及主軸零件的選用，再定軸承的選型及其組配形式，然后對主軸電氣控制的設(shè)計。
在以上設(shè)計中，對零件的材料，對軸承，對裝配方法等等知識點溫習(xí)和學(xué)習(xí)。使以前學(xué)習(xí)的理論知識能夠應(yīng)用到實際設(shè)計當中去，更加深了我們對所學(xué)知識的理解。對實際加工中的一些問題有了進一步的了解，并在設(shè)計中考慮和避免這些問題的發(fā)生。
沒有具體的了解，經(jīng)常會有無從下手的感覺，碰到問題只有去問老師和看相關(guān)書籍，確實雖然完成了大概模型，有許多地方還是不是完全吃透的，這需要在以后的工作學(xué)習(xí)中進一步加深學(xué)習(xí)，期間我得到了許多教師的大力幫助。本次設(shè)計算基本符合設(shè)計要求。在此，我表示由衷地感謝！
致謝
畢業(yè)設(shè)計很快已經(jīng)結(jié)束了，在這段時間里，不僅僅感覺到的是忙碌，還有忙碌后作完一件令自己心動的東西時的那種無聲的喜悅。
在寫致謝信的這個時候心里想有一些說出的東西，想想自己在做畢業(yè)設(shè)計時的種種困難，在老師同學(xué)的用心幫助下也一一解決了，說句實話，憑自己的能力要作完畢業(yè)設(shè)計是有些太困難了，但是在你的身邊總有一些人會給你帶來驚喜，自己的能力畢竟有限，在面對別人無私幫助的時候我的內(nèi)心十分感激，帶自己畢業(yè)設(shè)計的王老師會有問必答，有難必解，雖然接觸不是很多，但有些東西使用心感覺的。還有好多老師在這次畢業(yè)設(shè)計中給于我一些幫助，我非常的感激。當然還有我身邊的那些同學(xué)，在我有疑惑的時候總是不厭其煩的給我解釋清楚。在我設(shè)計的時候，因為我以前從沒接觸過的東西，一開始很是迷茫，我的好幾位同學(xué)都在這時候一邊忙自己的事，一邊還要在我有疑惑的時候為我?guī)兔Ψ治?，共同解決。最終自己終于完成了主傳動系統(tǒng)設(shè)計這一部分的畢設(shè)要求。現(xiàn)在想起來，有時候最能讓自己感動的事就發(fā)生在自己的身邊。
這次畢業(yè)設(shè)計不僅給我?guī)砹酥R上的收獲，在做人方面也教會了我許多許多，在對待事情方面，尤其是有選擇的時候自己該放棄什么，該抓住什么。什么是該自己作的，什么時候做，我明白了好多。
在此，我對給我?guī)椭睦蠋?，同學(xué)至以誠摯的謝意和由衷的感激。感謝您們對我的幫助，和教會我那些人生的道理。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利