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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
Φ430mm的數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)
及六角回轉(zhuǎn)刀架設(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
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是未來工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)。數(shù)控設(shè)計(jì)范圍大、潛力大、投資少、見效快，促進(jìn)制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。因此，數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)車床的研究具有重要意義。
本文在敘述了數(shù)控技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過機(jī)床設(shè)計(jì)的總體思想，提出了數(shù)控化設(shè)計(jì)的技術(shù)方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案;提高了傳動(dòng)的精度，重新設(shè)計(jì)機(jī)床的控制邏輯，通過對(duì)伺服系統(tǒng)的分析，完成了機(jī)床各主要參數(shù)的優(yōu)化和匹配。
數(shù)控車床不僅能夠車外圓還能用于鏜孔、車端面、鉆孔與鉸孔。與其他種類的機(jī)床相比，車床在生產(chǎn)中使用最廣。
本論文首先介紹了我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀 ,并分析了其存在的問題 ;對(duì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討；并對(duì)Φ430mm數(shù)控車床傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。
主軸箱有安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數(shù)控車床主軸可以獲得在調(diào)速范圍內(nèi)的任意速度，以滿足加工切削要求。
目前，數(shù)控車床的發(fā)展趨勢是通過電氣與機(jī)械裝置進(jìn)行無級(jí)變速。變頻電機(jī)通過帶傳動(dòng)和變速齒輪為主軸提供動(dòng)力。通常變頻電機(jī)調(diào)速范圍3—5，難以滿足主軸變速要求；串聯(lián)變速齒輪則擴(kuò)大了齒輪的變速范圍 。
本設(shè)計(jì)將原來的帶輪不卸荷結(jié)構(gòu)變?yōu)榱藥л喰逗山Y(jié)構(gòu)，使輸入軸在帶處只受轉(zhuǎn)矩，將軸上的徑向力傳動(dòng)到車床機(jī)體上,改善了輸入軸的受力情況。
關(guān)鍵詞：Φ430mm，數(shù)控車床，機(jī)床，設(shè)計(jì)，數(shù)控系統(tǒng)。
III
Abstract
Modern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of.
This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching.
NC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition to turning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared to other types of machine tools, lathes in the production is the most widely used.
In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock ofΦ 430 lathe has been calculatly designed . Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears. The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.
At present, the development trend is to provide a continuously variable speed through the electrical or mechanical devices . Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is usually 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle .
In addition, in this design the design of the belt drive has been changed from the original unloading structure into the loading structure, transmissed the force to the lathe body so that input shaft is only forced torque, improved the forcing state of the input shaft.
Key words:Φ 430mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system.
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)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 1
1.2.1工藝范圍 1
1.2.2加工精度 1
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 2
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向 3
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 4
2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 4
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 5
2.2 總體方案確定 5
2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇 5
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng) 5
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 6
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 6
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 6
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 7
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) 7
3.3 確定切削用量 8
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 8
3.3.2確定進(jìn)給速度 8
3.3.3 確定背吃刀量 9
第4章 Φ430mm傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì) 9
4.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 9
4.2總體設(shè)計(jì) 9
4.2.1 擬定傳動(dòng)方案 9
4.2.2 選擇電機(jī) 11
4.2.3 主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定、計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩 14
4.2.4 轉(zhuǎn)速圖 15
4.3傳動(dòng)皮帶的設(shè)計(jì)和選定 16
4.3.1 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 16
4.4軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
4.4.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
4.4.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
4.4.3電磁摩擦離合器的計(jì)算和選擇 28
第5章 數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)原理 29
5.1數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的換刀工程 29
5.2數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)要求 31
5.3數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)主要問題 31
5.4本章小結(jié) 31
第6章 數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 32
6.1數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架的分度機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 32
6.1.1分度機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總思路 32
6.1.2分度機(jī)構(gòu)的刀架主軸設(shè)計(jì) 32
6.1.3主活塞的設(shè)計(jì) 34
6.1.4端齒盤離合器的設(shè)計(jì) 38
6.1.5分度活塞的設(shè)計(jì) 45
6.2精定位機(jī)構(gòu)——活動(dòng)插銷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 46
6.2.1定位原理、設(shè)計(jì)思路 46
6.2.2材料選擇 47
6.2.3活動(dòng)插銷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 47
6.2.4插銷機(jī)構(gòu)的公差帶設(shè)計(jì) 48
6.2.5對(duì)插銷軸進(jìn)行校核 49
6.2.6校核結(jié)論 50
6.3 刀夾襯套的設(shè)計(jì)簡述 51
第7章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 52
7.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要 52
7.1.1 硬件電路設(shè)計(jì) 52
7.1.2 軟件電路設(shè)計(jì) 53
7.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 53
7.2.1 8031單片機(jī)的簡介 53
7.2.2 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 54
7.2.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 56
7.2.4 I/O口的擴(kuò)展 58
7.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 59
7.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 60
7.2.7 光電隔離電路 60
7.2.8 功率放大器 60
7.2.9 其他輔助電路 61
結(jié) 論 63
致 謝 64
參考文獻(xiàn) 65
67
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)
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。
1.2數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度
1.2.1工藝范圍
數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過程序控制自動(dòng)完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等加工。
1.2.2加工精度
由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補(bǔ)功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過程中具有自動(dòng)變速功能等特點(diǎn)，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。
1.精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控車床剛性好，制造和對(duì)刀精度高，以及能方便和精確地進(jìn)行人工補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以車代磨。
2.表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
數(shù)控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進(jìn)給量，要求小的部位選用小的進(jìn)給量。
3.輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補(bǔ)功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零件。
4.帶特殊螺紋的回轉(zhuǎn)體零件
普通車床所能車削的螺紋類型相當(dāng)有限，它只能車等導(dǎo)程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺(tái)車床只能限定加工若干導(dǎo)程的螺紋。而數(shù)控車床不但能車削任何等導(dǎo)程的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析
近幾年，隨著國民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，我國機(jī)床制造行業(yè)受益于國家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境，有了長足進(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)心的問題。
數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的軸類、盤類等零件的加工，能夠通過程序控制自動(dòng)完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等加工。
由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補(bǔ)功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過程中具有自動(dòng)變速功能等特點(diǎn)，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。
1、精度要求高的零件
由于數(shù)控機(jī)床剛性好，制造和對(duì)刀精度高，以及能方便和精確地進(jìn)行人工補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。
2、表面粗糙度要求高的零件
數(shù)控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進(jìn)給量，要求小的部位選用小的進(jìn)給量。
3、輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的零件
由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補(bǔ)功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的零件。
4、帶特殊螺紋的零件
普通車床所能車削的螺紋類型相當(dāng)有限，它只能車等導(dǎo)程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺(tái)車床只能限定加工若干導(dǎo)程的螺紋。而數(shù)控車床不但能車削任何等導(dǎo)程的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向
數(shù)控機(jī)床是由美國發(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)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng)。
技術(shù)發(fā)展趨勢：
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，近幾年來，在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。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。“一臺(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。
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
數(shù)控機(jī)床可以較好的解決形狀復(fù)雜、精密多品種及中小批零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，隨著制造技術(shù)向自動(dòng)化、柔性化方向的發(fā)展，當(dāng)前機(jī)床的數(shù)控化率已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。
機(jī)床的數(shù)控化設(shè)計(jì)一般是指對(duì)現(xiàn)有某臺(tái)普通車床的某些部位做一定的改裝，配上經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置或標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)，從而使原機(jī)床具有數(shù)控加工能力。這種技術(shù)工作有其獨(dú)特的特點(diǎn)。
機(jī)床的數(shù)控設(shè)計(jì)，主要是對(duì)原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī)械結(jié)構(gòu)同普通的機(jī)床有相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床不是簡單將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對(duì)局部加以改進(jìn)而成。傳統(tǒng)機(jī)床存在著一些弱點(diǎn)，如剛性不足，抗震性差，熱變形大，滑動(dòng)面的摩擦阻力大及傳動(dòng)元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機(jī)床對(duì)加工精度，表面質(zhì)量，生產(chǎn)率以及使用壽命等要求?，F(xiàn)代機(jī)床的部件結(jié)構(gòu)，整體布局，外部造型都已經(jīng)形成了數(shù)控機(jī)床獨(dú)特的機(jī)械部件。因此，我們?cè)趯?duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能的 與數(shù)控機(jī)床相接近。
機(jī)床的設(shè)計(jì)主要應(yīng)具備兩個(gè)條件1.機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛度2.改裝的費(fèi)用要合適，經(jīng)濟(jì)性好。改裝前要對(duì)機(jī)床的性能指標(biāo)做出決定，改裝后其各項(xiàng)指標(biāo)能達(dá)到數(shù)控加工的要求。
機(jī)械部分?jǐn)?shù)控化設(shè)計(jì)需涉及電機(jī)的選擇、工作臺(tái)進(jìn)給結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)比分配與計(jì)算等方面的內(nèi)容。
1伺服驅(qū)動(dòng)元件
進(jìn)給電機(jī)選用混合式步進(jìn)電機(jī)，其不僅步距角小運(yùn)行頻率高且功耗低低頻噪音小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不需要反饋裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠，壽命長。橫垂直進(jìn)給電機(jī)均選用同一型號(hào)以便于設(shè)計(jì)和日后維修。脈沖當(dāng)量t=0.01mm/脈沖，選用步距角θ=0.6 。對(duì)原機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)均維持不變，以節(jié)約資金及縮短改裝時(shí)間。
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，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
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。
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。
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(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)一般通過對(duì)刀來確定，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(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)或工藝基誰上。實(shí)際操作機(jī)床時(shí)，可通過手工對(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 Φ430mm傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)
Φ430mm的數(shù)控車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑￠430mm，最大工件長度1200mm；，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主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
數(shù)控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動(dòng)要求外，還提出以下要求：
1、具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速;
2、具有較高的精度和剛度、傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低;
3、良好的抗振性和熱穩(wěn)定性.
4.2總體設(shè)計(jì)
4.2.1 擬定傳動(dòng)方案
數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)換刀、自動(dòng)變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時(shí)，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動(dòng)變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無級(jí)變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級(jí)調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較大（），單靠調(diào)速電機(jī)無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無級(jí)變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。
為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方案如圖2.1：
有級(jí)變速的自動(dòng)變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機(jī)構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動(dòng)撥叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個(gè)液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個(gè)液壓缸（差動(dòng)油缸）實(shí)現(xiàn)三位移動(dòng)。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但變速時(shí)必須主軸停車后才能進(jìn)行，另外，它增加了數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動(dòng)作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素。
圖4.1 主軸傳動(dòng)圖
電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)時(shí)，能簡化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過若干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[6]。
4.2.2 選擇電機(jī)
1、選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題
(1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類型。
(2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過載能力額啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9。
(3)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)措施，選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。
(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因素的要求，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類型。
(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。
此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價(jià)格、維護(hù)等等因素[11]。
2、電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇
由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能(旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動(dòng)態(tài)剛度，振動(dòng)抑制等)，因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在價(jià)格與性能之間找出一種理想的折衷[9]。表1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。下面將對(duì)各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比、分析。
表4.1 理想主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能
項(xiàng)目
內(nèi)容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩
寬恒功率范圍,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩
高旋轉(zhuǎn)精度
高動(dòng)態(tài)響應(yīng)
高加減速,起制動(dòng)能力
具有強(qiáng)魯棒性,能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化
高效率,低噪聲
低價(jià)格
低購買價(jià)格,低維護(hù)價(jià)格,低服務(wù)價(jià)格
通用要求
耐用性,可維護(hù)性,安全可靠性
感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點(diǎn)幾個(gè)kW到上百kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。
經(jīng)過對(duì)比分析本設(shè)計(jì)中決定采用VFNC系列變頻主軸電機(jī)。VFNC系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速、高精控制，并使機(jī)床更緊湊。
3、電動(dòng)機(jī)容量的選擇
選擇電動(dòng)機(jī)容量就是合理確定電動(dòng)機(jī)的額定功率。決定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過載能力和起動(dòng)能力三方面因素，但一般情況下電動(dòng)機(jī)容量主要由運(yùn)行發(fā)熱條件而定。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對(duì)于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)（如本課題中的電動(dòng)機(jī)），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時(shí)就不會(huì)過熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算[8]，本設(shè)計(jì)中電機(jī)容量按以下步驟確定：
（1）確定電機(jī)輸出動(dòng)率Pd（）
傳動(dòng)裝置的總效率 (2.2)
其中， ―同步帶輪傳動(dòng)效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.96；
―滾動(dòng)軸承效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.99；
―圓柱齒輪傳動(dòng)效率，由資料[12]，表2－4查得＝98；
由此，=0.88
故，
（3）選擇電動(dòng)機(jī)額定功率
如前所述，電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9，所以電動(dòng)機(jī)額定功率選取為5.5Kw。
（4）電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇
由資料[10],表22－1－9，小功率電動(dòng)機(jī)一般選為380V電壓。所以本電機(jī)的電壓可選為380V。
同一類型、功率相同的電動(dòng)機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)，其尺寸和重量小，價(jià)格較低，但會(huì)使傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動(dòng)機(jī)則情況相反。要綜合考慮電機(jī)性能、價(jià)格、車床性能要求等因素來選擇 [10] 。
本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為25r/min~1250r/min。由于只有一根中間
傳動(dòng)軸，傳動(dòng)鏈較短，因此變速級(jí)數(shù)較少，故對(duì)電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍以及整個(gè)變速范圍要求較高。同步帶輪傳動(dòng)比確定為，I軸上齒輪傳動(dòng)比確定為，II軸上兩對(duì)直齒輪的傳動(dòng)比分別為，所以兩條傳動(dòng)鏈中，高速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比4，低速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比，由此可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍：
（5）確定電機(jī)的型號(hào)
由前面信息，可選取VFNC系列變頻主軸電機(jī)型號(hào)VFNC 132M-33.3-5.5-4。VFNC系列變頻主軸電機(jī)的特點(diǎn)：1. 雙功率設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)短時(shí)重載切削。2. 恒功率范圍寬，可實(shí)現(xiàn)1:6倍恒功率設(shè)計(jì)3. 導(dǎo)入基頻33.3Hz設(shè)計(jì)（是我司“基頻制設(shè)計(jì)原理”在機(jī)床主軸電機(jī)上的成功應(yīng)用），達(dá)成低速力矩大，確保低速強(qiáng)力切削，超寬恒功率調(diào)速范圍，保障高速切削光潔度。 降低變頻器功率，節(jié)省成本和電源容量。
?VFNC系列變頻主軸電機(jī)特別適合數(shù)控車床類機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)，配合高性能矢量變頻器或主軸驅(qū)動(dòng)器，更能發(fā)揮其優(yōu)良的主軸特性，成為性能與經(jīng)濟(jì)性具佳的數(shù)控車床類機(jī)床的變頻主軸驅(qū)動(dòng)方案。電機(jī)參數(shù)如下表所示：
表2.2 電機(jī)參數(shù)
型號(hào)
S1-100%連續(xù)額定
S6-50% ED
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量G
（）
恒轉(zhuǎn)矩范圍
恒功率范圍
額定功率Kw
額定電流A
額定轉(zhuǎn)矩Nm
額定功率Kw
額定電流A
額定轉(zhuǎn)矩Nm
0.0524
1-33.3Hz，
30~1000r/min
S1-100%,
1000~6000 r/min
S6-50%,
1000~4500 r/min
VFNC 132M-33.3-5.5-4
5.5
14.1
54
5.5
19.2
74
機(jī)座長為470mm，電機(jī)軸徑為，軸伸為60mm，中心高115mm，其余安裝尺寸及其外形由資料[7]得。
4.2.3 主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定、計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩
主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定
（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[12]）
∵數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速范圍25～1250r/min
則數(shù)控車床總變速范圍 =50
估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無級(jí)調(diào)速，所以采用以下的公式：
(2.3)
因?yàn)閿?shù)控機(jī)床主軸的變速范圍大于計(jì)算轉(zhuǎn)速的實(shí)際值同時(shí)為了便于計(jì)算
故取：
主軸的恒功率變速范圍
電機(jī)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。
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
故前面?zhèn)鲃?dòng)比分配可取。
各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速
各軸輸入功率
各軸輸入轉(zhuǎn)矩
將以上計(jì)算結(jié)果整理后列于表2.2，供以后計(jì)算選擇，供以后計(jì)算使用：
表2.3 各軸的傳動(dòng)參數(shù)
參數(shù) 軸
0軸（電機(jī)軸）
I軸(傳動(dòng)軸）
II軸（中間傳動(dòng)軸）
III軸（主軸)
計(jì)算轉(zhuǎn)（）
1000
416.7
208
104/416.7
輸入功率（Kw）
5.5
5.28
5.12
4.79
轉(zhuǎn)矩（）
54
121
235
456.4/114
傳動(dòng)比
，
4.2.4 轉(zhuǎn)速圖
由電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍(包括恒功率變速范圍)和各軸傳動(dòng)比,作數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速圖, 見圖4-2.
圖4.2 轉(zhuǎn)速圖
4.3傳動(dòng)皮帶的設(shè)計(jì)和選定
（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]）
帶傳動(dòng)是由帶和帶輪組成傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳動(dòng)。根據(jù)工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動(dòng)和嚙合帶傳動(dòng)。摩擦帶傳動(dòng)是機(jī)床主要傳動(dòng)方式之一，常見的有平帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)；嚙合傳動(dòng)只有同步帶一種。
普通同步帶傳動(dòng)是常見的帶傳動(dòng)形式，其結(jié)構(gòu)為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40°、相對(duì)高度進(jìn)似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點(diǎn)為：當(dāng)量摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動(dòng)比大、預(yù)緊力小。繩芯結(jié)構(gòu)帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應(yīng)用于：帶速V≤25～30m/s;傳動(dòng)功率P＜700kW;傳動(dòng)比i≤10軸間距小的傳動(dòng)。
一．主要失效形式
1．帶在帶輪上打滑，不能傳遞動(dòng)力；
2．帶由于疲勞產(chǎn)生脫層、撕裂和拉斷；
3．帶的工作面磨損。
保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強(qiáng)度和使用壽命是同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是靠摩擦傳動(dòng)的其它帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。
4.3.1 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
(1)設(shè)計(jì)功率的確定：
由表8-7查得工況系數(shù)
(2) 選定帶型：
根據(jù)和由圖8-10確定選用A型。
確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速傳V：
1>初選帶輪的基準(zhǔn)直徑由表8-6和表8-8確定：
取小帶輪直徑=125mm
2>驗(yàn)算帶速V：
因?yàn)?m/s
計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑。
=i?=2.4×125=300mm
根據(jù)表8-8圓整為=315mm
確定同步帶的中心距a和基準(zhǔn)長度Ld
1>初定帶輪距
得：
即:
初取
2>計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長度：
由表8-2選帶的基準(zhǔn)長度Ld=1800mm
3>計(jì)算實(shí)際中心距：
安裝時(shí)所需最小軸間距：
張緊或補(bǔ)償伸長所需最大軸間距：
(5)驗(yàn)算小帶輪包角：
所以小帶輪包角合適。
(6)計(jì)算帶的根數(shù)Z。
1>單根同步帶的基本額定功率：
根據(jù)dd1和=1000r/min查表8-4a得基本額定功率=1.428Kw。
再根據(jù)=1000r/min、i=2.4和A型帶查表8-4b得Δ=0.12Kw
查表8-5得：
2>計(jì)算帶的根數(shù)z。
取 根。
計(jì)算單根同步帶的初拉力的最小值：
應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力
計(jì)算壓軸力
壓軸力的最小值為：
(9)帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸：
由表8-10可查得
為了減輕傳動(dòng)軸上載荷，采用卸荷式帶輪結(jié)構(gòu)，使帶輪上的載荷由軸承支撐進(jìn)而傳給箱體，軸只承受轉(zhuǎn)矩，裝配裝置參見裝配圖。
4.4軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.4.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用凸臺(tái)定位,另一端用緊定螺釘定位。
1.選定齒輪類型,精度等級(jí),材料及齒數(shù).
根據(jù)選定的傳動(dòng)方案,選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng).
（1）本次設(shè)計(jì)屬于金屬切削機(jī)床類,一般齒輪傳動(dòng),故選用6級(jí)精度.
（2）材料選擇.由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS.
（3）選小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)
2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式(10-9a)進(jìn)行試算,即：
(2.5)
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
由上文可知為121N/m
（3）由表10-7選取齒寬系數(shù)
（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限;
（6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次：
(2.6)
（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)
（8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得：
(2.7)
2）計(jì)算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值：
(2.8)
（2）計(jì)算圓周速度：
(2.9)
（3）計(jì)算齒寬：
(2.10)
（4）計(jì)算齒寬與齒高之比：
模數(shù) (2.11)
齒高 (2.12)
(2.13)
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)，6級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪，假設(shè)。由表10-3查得；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4查得6級(jí)精度，小齒輪懸臂支承時(shí)：
(2.14)
將數(shù)據(jù)代入得：
； (2.15)
由，查圖10-13得；故載荷系數(shù)：
(2.16)
（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得：
(2.17)
（7）計(jì)算模數(shù)：
(2.18)
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)：
由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：
(2.19)
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得：
(2.20)
（4）計(jì)算載荷系數(shù)K：
(2.21)
（5）查取齒形系數(shù)
由表10-5查得；。
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得；。
（7）計(jì)算大小齒輪的并加以比較：
(2.22)
大齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算：
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù)2.31并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.5，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)：
大齒輪齒數(shù)
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，即滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
4.幾何尺寸計(jì)算
1）計(jì)算分度圓直徑：
2）計(jì)算中心距：
3）計(jì)算齒輪寬度：
取。
5.驗(yàn)算：
，合適。
4.4.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]）
1.軸的支承形式
該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對(duì)角接觸球軸承背靠背安裝，如圖所示：
圖4.4 中間軸的支承形式
2.軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對(duì)直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對(duì)應(yīng)的電磁離合器。滾子軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩定位。與電機(jī)軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用圓螺母固定,右端用軸肩定位.另外兩齒輪所對(duì)應(yīng)的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，兩齒輪的另兩端用螺釘鎖緊擋圈定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一摔油盤（有套筒的作用）和圓螺母進(jìn)行定位。
（1）軸的選材和最小直徑得確定
軸的材料選擇為：45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2），
式中，由表15－3，可取得110，故：
取＝35mm。由于取值較計(jì)算值大的多，所以不用再按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算和進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校合。
軸的零件圖如圖2-5.
圖4.5 中間軸零件圖
（2）齒輪的設(shè)計(jì)
齒輪1和2的直徑相差較大，對(duì)齒輪1（小齒輪）在模數(shù)和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進(jìn)行該對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)。
1.選定齒輪的精度等級(jí)和材料，初選齒數(shù)
①本數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行速度較高，精度等級(jí)選擇6級(jí)精度；
②由表10－1，小齒輪材料選擇為40，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調(diào)制后表面淬火，硬度為240HBS。
③小齒輪的齒數(shù)初選為＝24，＝ ＝24×2=48
2.按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
按式（10－9）試算：
確定公式內(nèi)的各計(jì)算值：
①初選載荷系數(shù)Kt＝1.6；
②計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
由前文可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為235;
③由表10－7及其說明，可選定齒寬系數(shù)；
④由表10－6，查得材料的彈性影響系數(shù)＝189.8；
⑤由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度＝650MPa；大齒輪的接