500mm簡易數(shù)控車床畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書.doc

摘要數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。目前數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機(jī)床數(shù)控化率不到3。用普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。本次500mm簡易數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)采用了電機(jī)和主軸通過皮帶直接傳動(dòng)的方式，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動(dòng)引起的震動(dòng)與噪聲，主軸轉(zhuǎn)速的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出和電動(dòng)機(jī)的輸出特性一致，主軸的正傳、反轉(zhuǎn)和停止有數(shù)控系統(tǒng)來控制。進(jìn)給系統(tǒng)采用光電脈沖編碼器作為主軸的脈沖發(fā)生器，并將其裝在主軸上，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)主軸的轉(zhuǎn)角、相位、零位等信號(hào)?？v向和橫向均采用滾珠絲杠螺母副進(jìn)給。為了提高加工精度和加工效率，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，選用ld-6150型四工位立式電動(dòng)刀架，該刀架采用蝸桿傳動(dòng)，上下齒盤嚙合，螺桿加緊工作原理，具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的防護(hù)措施，比如滾珠絲杠副由于精度要求高，工作時(shí)需要防塵，尤其不能讓金屬削進(jìn)入滾道，所以縱向絲杠應(yīng)安裝防護(hù)罩。大托板與導(dǎo)軌接觸的端面搖貼向橡膠片，防止雜質(zhì)進(jìn)入滑動(dòng)導(dǎo)軌面損傷導(dǎo)軌。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；主傳動(dòng)系統(tǒng)；縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)；橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)；刀架 目 錄1 緒論.1 1.1 數(shù)控機(jī)床的歷史和現(xiàn)狀.1 1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向.2 1.2.1 高速度、高精度化.2 1.2.2 多功能化.4 1.2.3 智能化.4 1.2.4 數(shù)控系統(tǒng)小型化.5 1.2.5 數(shù)控編程自動(dòng)化.5 1.2.6 更高的可靠性.6 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性.62 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì).8 2.1 設(shè)計(jì)參數(shù).8 2.2 機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).8 2.2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).8 2.2.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).9 2.2.3 刀架設(shè)計(jì).10 2.3 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).103運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力設(shè)計(jì).13 3.1帶傳動(dòng)設(shè)計(jì).13 3.2選擇電機(jī).15 3.2.1選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題.15 3.2.2電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇.16 3.2.3電動(dòng)機(jī)容量的選擇.17 3.2.4確定電機(jī)的型號(hào).184 主軸組件的設(shè)計(jì)與校核.20 4.1 主軸的要求.20 4.2 主軸軸承選擇.21 4.3 主軸的設(shè)計(jì).22 4.4 主軸剛度的計(jì)算.235 主軸驅(qū)動(dòng)與控制.25 5.1 主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給的同步控制.25 5.2 主軸旋轉(zhuǎn)與徑向進(jìn)給的同步控制.266 結(jié)論.27參考文獻(xiàn).28致謝.29外文原文.30外文譯文.391緒論1.1 數(shù)控機(jī)床的歷史和現(xiàn)狀采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想，最早是40年代初提出的。當(dāng)時(shí)，美國北密執(zhí)安的一個(gè)小型飛機(jī)承包商派爾遜斯公司在制造飛機(jī)框架和直升飛機(jī)的機(jī)翼葉片時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)葉片輪廓的加工路徑進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具半徑對(duì)加工路徑的影響，使得加工精度達(dá)到10.03 81mm，這在當(dāng)時(shí)水平是相當(dāng)高的。1952年美國麻省理工學(xué)院成功地研制出一臺(tái)3坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的試驗(yàn)型數(shù)控銑床，這是公認(rèn)的世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，當(dāng)時(shí)的電子元件是電子管。1959年，開始采用晶體管元件和印制線路板，出現(xiàn)了帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為加工中心.從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，比如德國、日本等也陸續(xù)開發(fā)生產(chǎn)出了數(shù)控機(jī)床。1965年，數(shù)控裝置開始采用小規(guī)模集成電路，使數(shù)控裝置的體積減小，功耗降低，可靠性提高.但仍然是硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)。1967年，英國首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的柔性制造單元。1970年，在美國芝加哥國際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了用小型計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床。這是第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床。1974年，微處理器直接用于數(shù)控系統(tǒng)，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。80年代初，國際上出現(xiàn)了以加工中心為主體，再配上工件自動(dòng)裝卸和監(jiān)控檢測(cè)裝置的柔性制造單元。柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。我國從1958年開始研究數(shù)控技術(shù)，直到60年代中期處于研制、開發(fā)階段。1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。60年代初到70年代初研制成功x53k-1g數(shù)控銑床、cjk-18數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。從70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、銼、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平低，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問題沒有得到解決，因此未能廣泛推廣。這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，在模具加工中得到了推廣。80年代我國先后從日本、美國等國家引進(jìn)了部分?jǐn)?shù)控裝置和伺服系統(tǒng)技術(shù)，并于1981年在我國開始批量生產(chǎn)。在此期間，我國在引進(jìn)、消化吸收的基礎(chǔ)上，跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出了一些高檔的數(shù)控系統(tǒng)，如多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、分辨率為0.02um的高精度數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字仿形系統(tǒng)、為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)等。為了適應(yīng)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)不同層次的需要，我國開發(fā)出了多種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，我國已經(jīng)建立了中、低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系，90年代主要發(fā)展高檔數(shù)控機(jī)床。1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)、機(jī)床及結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)。隨著fms的迅速發(fā)展和cms的不斷成熟，又將對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性、通訊功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出了更高的要求。隨著微電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日益完善，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正在不斷采用最新技術(shù)成就，朝著高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。1.2.1 高速度、高精度化速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是在超高速切削、超精密加工技術(shù)的實(shí)施中，它對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)又是互相制約的，也就是說要求位移速度越高，定位精度就越難提高?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床配備了高性能的數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)，分辨率可達(dá)到lum,0.lum, 0.0lum。為實(shí)現(xiàn)更高速度、更高精度的指標(biāo)，自前主要在下述幾方面采取措施和進(jìn)行研究。（1）數(shù)控系統(tǒng)。采用位數(shù)、頻率更高的微處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度。目前己由8位cpu過渡到16位和32位cpu，并向64位cpu發(fā)展，頻率已由原來的5mhz提高到16mhz, 20mhz和32mhzo同時(shí)也采用了超大規(guī)模的集成電路和多種微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。(2) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。隨著超高速切削、超精密加工等先進(jìn)工藝的提出，使得在旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)加滾珠絲杠的傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)給機(jī)構(gòu)已無法實(shí)現(xiàn)。為此采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)的零傳動(dòng)直線伺服進(jìn)給方式，將極大地提高機(jī)床直線進(jìn)給的各項(xiàng)伺服性能指標(biāo)， 特別是高速度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是以往任何伺服機(jī)構(gòu)無法比較的。(3) 前饋控制技術(shù)。過去的伺服系統(tǒng)是將位置指令值與所檢測(cè)到的實(shí)際值比較，所得的差乘以位置環(huán)的增益，其積再作為速度指令去控制電動(dòng)機(jī)。由于這種控制方式總是存在著位置跟蹤滯后誤差，即當(dāng)進(jìn)給速度為f時(shí)，其伺服系統(tǒng)的最終滯后位f/g，這使得在加工拐角及圓弧切削時(shí)加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣將使位置跟蹤滯后誤差大大減小，以改善拐角切削加工精度。(4) 機(jī)床動(dòng)、靜摩擦的非線性補(bǔ)償控制技術(shù)。機(jī)床動(dòng)、靜摩擦的非線性會(huì)導(dǎo)致機(jī)床爬行。除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采取措施降低靜摩擦外，新型的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)、靜摩擦非線性的控制功能。(5) 伺服系統(tǒng)的速度環(huán)和位置環(huán)均采用軟件控制。由于采用軟件控制具有較高的柔性，適應(yīng)不同類型的機(jī)床對(duì)不同精度及速度的要求，進(jìn)行加、減速性能的調(diào)整，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，以滿足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置檢測(cè)裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)裝微處理器組成的細(xì)分電路，使得分辨率大大提高。(7補(bǔ)償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件補(bǔ)償功能對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行多種補(bǔ)償，以提高機(jī)床的位置精度和動(dòng)態(tài)伺服性能，如軸向運(yùn)動(dòng)定點(diǎn)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、齒輪間隙補(bǔ)償、熱變形補(bǔ)償和空間誤差補(bǔ)償?shù)取?8) 高速大功率電主軸的應(yīng)用。由于在超高速加工中.對(duì)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速提出了極高的要求，傳統(tǒng)的齒輪變速主傳動(dòng)系統(tǒng)已不能適應(yīng)其要求。為此，采用了所謂內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)主軸，簡稱電主軸。它是采用主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，即采用外殼電動(dòng)機(jī)，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，即機(jī)床主軸單元的殼體就是電動(dòng)機(jī)座。實(shí)現(xiàn)了變頻電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸一體化，以適應(yīng)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。(9) 超高速切削刀具的應(yīng)用。為適應(yīng)超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應(yīng)用。(10) 配置高速、強(qiáng)功能的內(nèi)裝式可編程控制器(programmable logic controller，簡稱plc)。以提高plc的運(yùn)行速度，滿足數(shù)控機(jī)床高速加工的要求。新型的plc具有專用的cpu，基本指令執(zhí)行時(shí)間達(dá)0. 2us/步，可編程步數(shù)可擴(kuò)大到16000步以上。利用plc的高速處理功能，將cnc與plc之間有機(jī)地結(jié)合起來，能夠滿足數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中的各種實(shí)時(shí)控制要求。1.2.2多功能化(1) 數(shù)控機(jī)床采用一機(jī)多能，提高了設(shè)備利用率。配有自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的各類加工中心，能在同一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)實(shí)現(xiàn)銑削、銼削、鉆削、車削、鉸孔、擴(kuò)孔、攻螺紋，甚至磨削等多種工序的加工。工件一經(jīng)裝夾，各種工序和工藝加工過程集中到同一臺(tái)設(shè)備上完成，從而避免了工件多次裝夾所造成的定位誤差，確保零件的形位公差，減少裝夾輔助時(shí)間，減少設(shè)備臺(tái)數(shù)和占地面積。為了進(jìn)一步提高工效，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用了多主軸、多面體切削，即同時(shí)對(duì)一個(gè)零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。(2) 前臺(tái)加工、后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用了多cpu結(jié)構(gòu)和分級(jí)中斷控制方式，可以在一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)進(jìn)行零件加工和程序編制，實(shí)現(xiàn)所謂的前臺(tái)加工后臺(tái)編輯.即操作者可在機(jī)床進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)加工的空余期間，同時(shí)利用數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤和crt進(jìn)行零件加工的編制，并利用crt進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖形模擬顯示及所編程序的加工軌跡，進(jìn)行程序的調(diào)試和修改，以充分提高工作效益和機(jī)床利用率。(3) 具有更高的通信功能。為了適應(yīng)fmc,fms以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成cims的要求，一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有rs-232c和rs-422高速遠(yuǎn)距離串行接口，可以按照用戶級(jí)的格式要求，同上一級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行多種數(shù)據(jù)交換。高檔的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)有的dnc接口，可以實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。現(xiàn) 代 數(shù) 控機(jī)床，為了適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足工廠自動(dòng)化規(guī)模越來越大的要求，滿足不同廠家不同類型數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的需要，采用了map工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了map3.0 版本，為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)入fms和c工ms創(chuàng)造了條件。1.2.3智能化(1) 引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)。自適應(yīng)控制的目的是要求在隨機(jī)變化的加工過程中，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過程中所測(cè)得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)自動(dòng)校正自身的工作參數(shù)，己達(dá)到或接近最佳工作狀態(tài)。由于在實(shí)際加工過程中，大約有30余種變量直接和間接影響加工效果，如工件毛坯余量不勻、材料硬度不一致、刀具磨損、工件變形、機(jī)床熱變形、化學(xué)親和力的大小、切削液的粘度等，難以用最佳參數(shù)進(jìn)行切削。而自適應(yīng)控制系統(tǒng)則能根據(jù)切削條件的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作參數(shù)，如伺服進(jìn)給參數(shù)、切削用量等，使加工保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時(shí)也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。(2) 故障自診斷、自修復(fù)功能。主要是利用cnc系統(tǒng)的內(nèi)裝程序?qū)崿F(xiàn)在線診斷，即在整個(gè)工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)cnc系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障時(shí)，立即采用停機(jī)等措施，并通過了crt進(jìn)行故障報(bào)警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用冗余技術(shù)，自動(dòng)使故障模塊脫機(jī)，而接通備用模塊，以確保在無人化工作環(huán)境的要求。為實(shí)現(xiàn)更高的故障診斷要求，最近又提出了人工智能專家診斷系統(tǒng)，它主要由知識(shí)庫、推理機(jī)和人機(jī)控制器三部分組成。(3) 刀具壽命自動(dòng)檢測(cè)更換。利用紅外、聲發(fā)射、激光等各種檢測(cè)手段，對(duì)刀具和工件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，進(jìn)行及時(shí)報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。(4) 進(jìn)行模式識(shí)別技術(shù)。應(yīng)用圖像識(shí)別和聲控技術(shù)，使機(jī)器自己辨認(rèn)圖樣，按照自然語音命令進(jìn)行加工。1.2.4數(shù)控系統(tǒng)小型化數(shù)控系統(tǒng)體積小型化便于將機(jī)、電裝置融合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印制電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度的安裝，可以較大的縮小了系統(tǒng)的占有空間。此外，用新型的tft彩色液晶薄膜型顯示器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陰極射線管crt，即可使數(shù)控操作系統(tǒng)進(jìn)一步小型化。這樣可更方便地將它安裝在機(jī)床設(shè)備上，更便于對(duì)數(shù)控機(jī)床的操作使用。1.2.5數(shù)控編程自動(dòng)化由于微處理機(jī)的應(yīng)用，使數(shù)控編程從脫機(jī)編程發(fā)展到在線編程，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話，給程序編輯、調(diào)試、修改帶來了極大的方便。并進(jìn)一步采用了前臺(tái)加工后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能，使數(shù)控機(jī)床的利用率得到更大的發(fā)揮。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前cad被彈入圖形交互式自動(dòng)編程已得到應(yīng)用，它是利用cad繪制的零件加工圖樣，自動(dòng)生成nc零件加工程序，實(shí)現(xiàn)cad與cam的集成。隨著cims技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了cad/capp/cam集成的全自動(dòng)編程方式，它與cad/cam系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必有人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的capp數(shù)據(jù)庫獲得。另外，還出現(xiàn)了測(cè)量、編程、加工一體化系統(tǒng)。它是通過激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等對(duì)樣機(jī)零件進(jìn)行測(cè)量，并把所測(cè)得數(shù)據(jù)直接送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，一方面通過cad系統(tǒng)而獲得樣機(jī)零件圖樣，另一方面通過數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，將其處理生成nc加工程序，然后通過通信接口送入數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行控制自動(dòng)加工。1.2.6更高的可靠性數(shù)控機(jī)床工作的可靠性是用戶最關(guān)注的主要指標(biāo)，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動(dòng)單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個(gè)方面采取措施。(1) 提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量.采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模和超大規(guī)模的專用機(jī)混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，精簡外部連線和降低功耗，對(duì)元器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選，采用高質(zhì)量的多層印制電路板，實(shí)行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過必要的老化、振動(dòng)等有關(guān)考機(jī)試驗(yàn)。(2) 模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，同時(shí)采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，既提高了硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。(3) 增強(qiáng)故障自診斷、自恢復(fù)和保護(hù)功能。通過自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)診斷、在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。利用報(bào)警提示，及時(shí)排除故障;利用容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)重要部件采取冗余設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)故障自恢復(fù);利用各種測(cè)試、監(jiān)控技術(shù)，當(dāng)產(chǎn)生超程、刀損、干擾、斷電等各種意外事件時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。1.3機(jī)床數(shù)控化改造的必要性從微觀上看數(shù)控機(jī)床相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性。這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的特性。(1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床無法加工的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī)可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)量，就可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線和曲面。(2) 可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，且是柔性自動(dòng)化，效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3-7倍。計(jì)算機(jī)可以將輸入的程序記憶和存儲(chǔ)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。傳統(tǒng)機(jī)床可以靠凸輪或擋塊等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，稱之為剛性自動(dòng)化。但凸輪制造及調(diào)整比較費(fèi)時(shí)，只有進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)才經(jīng)濟(jì)合理。而數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動(dòng)化，稱之為“柔性自動(dòng)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”。加工過程自動(dòng)化，不受人的情緒高低和疲勞因素的影響。計(jì)算機(jī)還可以自動(dòng)進(jìn)行刀具壽命管理，不會(huì)因?yàn)榈毒吣p而影響工件精度和一致性。此外數(shù)控系統(tǒng)中增加了機(jī)床誤差、加工誤差修正補(bǔ)償?shù)墓δ?，使加工精度得到進(jìn)一步提高。(4) 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)是自動(dòng)化帶來的效果(可以自動(dòng)更換刀具)。如加工中心在工件裝夾后，可實(shí)現(xiàn)鉆、銑、鏗、攻絲、擴(kuò)孔等多工序的加工?，F(xiàn)在己出現(xiàn)其他工序集中的機(jī)床、如車削中心、車銑中心、磨削中心等。(5) 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人加工。在配備多種傳感器條件下，工人只工作8小時(shí)，而機(jī)床可工作24小時(shí)，勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)周期的縮短等效益是非常明顯的。此外，機(jī)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。從宏觀上看工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)在70年代末、80年代初己開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(包括軍、民機(jī)械工業(yè))的技術(shù)改造，除采用數(shù)控機(jī)床外、還包括推行cad, cae,cam及mis(管理信息系統(tǒng))、cms(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))。以及在其產(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(duì)國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造(稱之為信息化)，最終使得產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場(chǎng)上競爭力大為增強(qiáng)，而我國在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家落后約20年，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。從20世紀(jì)80年代開始，我國的數(shù)控機(jī)床在引進(jìn)、消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，到1995年底，我國數(shù)控機(jī)床的可供品種己超過300種，其中數(shù)控車床占40%以上。但是大型臥式銼銑床由于其精度高，加工零件曲線的不規(guī)則，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面要求都高，目前國內(nèi)的大部分均采用昂貴的進(jìn)口設(shè)備。2 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì) 500mm簡易數(shù)控車床課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容為：機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)（包括機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制方案）、運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)及部件機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)（具體任務(wù)分開，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求的圖紙工作量內(nèi)容進(jìn)行），編寫設(shè)計(jì)說明書。2.1設(shè)計(jì)參數(shù)所設(shè)計(jì)機(jī)床為主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用無級(jí)變速，進(jìn)給系統(tǒng)采用數(shù)字化控制，配置高速步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的兩坐標(biāo)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，主要承擔(dān)各種車削工作。通過微機(jī)控制，能夠自動(dòng)車削各種零件的外圓、內(nèi)圓、端面、多級(jí)臺(tái)階、切槽、錐度、圓弧及任意球面以及螺紋等表面，并可承擔(dān)鉆孔、鉸孔等多種加工，四工位電動(dòng)刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位。本題目要求學(xué)生完成機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的具體要求如下： 1.床身上加工最大直徑：500 mm 2.拖板上加工最大直徑：280mm 3.最大工件長度：1000 mm 4.主軸通過棒料直徑：50mm 5.主軸正反轉(zhuǎn)由電機(jī)實(shí)現(xiàn) 6.脈沖當(dāng)量：z軸：0.01mm，x軸：0.005mm 2.2機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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。 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。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)大致可以分為以下幾類：1.電主軸： 電主軸通常作為現(xiàn)代機(jī)電一體化的功能部件，裝備在高速數(shù)控機(jī)床上。其主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，有利于控制振動(dòng)和噪聲；缺點(diǎn)是制造和維護(hù)困難且成本較高。數(shù)控機(jī)床電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量直接影響主軸，主軸的熱變形嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度，因此合理選用主軸軸承以及潤滑、冷卻裝置十分重要。2.帶有變速齒輪的主傳動(dòng)： 這種配置方式大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多。數(shù)控機(jī)床它通過少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，使之成為分段無極變速，確保低速大轉(zhuǎn)矩，以滿足主軸輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。3.經(jīng)過一級(jí)變速的主傳動(dòng)： 一級(jí)變速目前多用v帶或同步帶來完成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單安裝調(diào)試方便，且在一定程度上能夠滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出要求，但主軸調(diào)速范圍比仍與電動(dòng)機(jī)一樣，受電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍比的約束。4.電動(dòng)機(jī)與主軸直聯(lián)的主傳動(dòng)： 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動(dòng)引起的震動(dòng)與噪聲，主軸轉(zhuǎn)速的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出和電動(dòng)機(jī)的輸出特性一致，但使用上受到一定限制。常用的是v帶和同步帶。如圖2-1所示： 圖2-1 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)方案本次設(shè)計(jì)采用方案4作為設(shè)計(jì)方案，其傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖2-2所示： 圖2-2 傳動(dòng)系統(tǒng)圖2.2.2進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 縱、橫向傳動(dòng)全部用滾珠絲杠傳動(dòng)。單列圓錐滾子軸承這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝與調(diào)整性能也好。所以固定端選擇一對(duì)單列圓錐滾子軸承。其傳動(dòng)原理如下圖：2.2.3刀架設(shè)計(jì)刀架部分采用電動(dòng)自動(dòng)刀架。2.3數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，車床要加工復(fù)雜零件輪廓，其各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有著確定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。開環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。采用簡易數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制下的自動(dòng)加工。其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序，通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機(jī)，微機(jī)在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過專用控制程序，把用戶加工程序轉(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)縱橫向二臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過機(jī)械接口傳動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)刀架縱、橫兩個(gè)方向的頻率。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架由單片機(jī)發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令，由自動(dòng)刀架驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)使刀架松開、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動(dòng)鎖緊而完成轉(zhuǎn)位換刀過程。該經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。微機(jī)通過i/o接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng)控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)。光電隔離微機(jī)功率放大步進(jìn)電 機(jī)橫向工作臺(tái)xx 圖2-3 500mm簡易數(shù)控車床總體方案示意圖綜上所述，本設(shè)計(jì)改造的總體方案為：采用廣泰數(shù)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由i/o接口輸出步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控車床不僅提高了車床的精度和自動(dòng)化程度，達(dá)到快速調(diào)整且仍能保持車床的通用性，利用數(shù)控方法能準(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體。3運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力設(shè)計(jì)3.1帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)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v帶傳動(dòng)；嚙合傳動(dòng)只有同步帶一種。 普通v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v2530m/s;傳動(dòng)功率p700kw;傳動(dòng)比i10軸間距小的傳動(dòng)。 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v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)。設(shè)計(jì)過程如下： (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)和確定選用b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2圖5-9和表5-10確定：取小帶輪直徑=224mm2驗(yàn)算帶速v：因?yàn)?9.3m/s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=1800mm3計(jì)算實(shí)際中心距：(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v帶的基本額定功率： 根據(jù)dd1和=2500r/min查2表5-3得基本額定功率=2.85kw。再根據(jù)=2500r/min、i=1和b型帶查表5-4得=0.00kw查表5-8得：2計(jì)算帶的根數(shù)z。取z=4根。(7)計(jì)算單根v帶的初拉力的最小值：應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力(8)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。3.2選擇電機(jī)3.2.1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0.80.9。(3)根據(jù)使用場(chǎng)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。3.2.2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。表3.1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3.1 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。3.2.3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，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 其中， v帶輪傳動(dòng)效率，由資料12，表24查得0.96；滾動(dòng)軸承效率，由資料12，表24查得0.99； 圓柱齒輪傳動(dòng)效率，由資料12，表24查得98； 由此, 故， （2）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0.80.9，再加上空轉(zhuǎn)功率等，所以電動(dòng)機(jī)額定功率選取為7.5kw。（3）電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇由資料10,表2219，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 。本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍為30r/min-2500r/min。由于沒有中間傳動(dòng)軸，傳動(dòng)鏈較短，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。v帶輪傳動(dòng)比確定為,由此可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍： ，3.2.4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)如表3.2所示： 表3.2 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nm0.10871-33.3hz，301000r/mins1-100%33.3200hz10006000 r/min。s6-50%33.3150hz10004500 r/min。vfnc 160m-33.3-7.5-47.518.873.51125105電機(jī)功率特性如圖3-1所示： 圖3-1 電機(jī)功率特性曲線4主軸組件的設(shè)計(jì)與校核4.1 主軸的要求 1. 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度上是指裝配后，在無載荷，低轉(zhuǎn)速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承，箱體孔的的制造，裝配和調(diào)整精度。還決定于主軸轉(zhuǎn)速，支撐的設(shè)計(jì)和性能，潤滑劑及主軸組件的平衡。通用（包括數(shù)控）機(jī)床的旋轉(zhuǎn)精度已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可循。 2. 靜剛度 主軸組件的靜剛度（簡稱剛度）反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承的型號(hào)，數(shù)量，配置形式和欲緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動(dòng)件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。各類機(jī)床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 3. 抗振性主軸組件工作時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)會(huì)降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種形式。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前支撐的阻尼）主軸的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于激動(dòng)力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。目前，尚未制定出抗振性的指標(biāo)，只有一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。 4. 升溫和熱變形主軸組件工作時(shí)因各相對(duì)運(yùn)動(dòng)的處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化（熱變形）。主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?jié)櫥驼扯冉档?，降低了軸承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會(huì)導(dǎo)致主軸軸線傾斜。由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機(jī)床要進(jìn)一步提高加工精度，往往受熱變形的限制。研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控制溫度，是高精度機(jī)床主軸組件的研究的主要課題之一。 5. 耐磨性主軸組件的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。對(duì)精度有影響的首先是軸承，其次是安置刀，夾具和工件的部位，如錐孔，定心軸徑等。為了提高耐磨性，一般機(jī)床主軸上的上述部分應(yīng)淬硬至hrc60左右，深約1mm. 6. 材料和熱處理主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應(yīng)力通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的強(qiáng)度極限。因此，強(qiáng)度一般不做為選材的依據(jù)。主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材料的彈性模量。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據(jù)。主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來考慮。數(shù)控機(jī)床的材料通常是45號(hào)或60號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，需調(diào)質(zhì)處理。 7. 主軸的結(jié)構(gòu)為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該大些。前軸承到主軸前端的距離（稱懸伸量）應(yīng)盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常作成階梯形的，主軸的結(jié)構(gòu)和形狀與主軸上所安裝的傳動(dòng)件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝方法有直接的關(guān)系。主軸中孔用與通過棒料，拉桿或其它工具。為了能夠通過更大的棒料，車床的中空希望大些，但受剛度條件的影響和限制，孔徑一般不宜超過外徑的70%。4.2主軸軸承選擇角接觸軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸向載荷。它常用于高速主軸，接觸角越大軸向剛度越大，徑向剛度和允許轉(zhuǎn)速越低。主軸前軸承采用雙向推力角接觸球軸承和圓錐孔雙列圓柱滾子軸承；軸承由圓螺母進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊量在軸承制造時(shí)配好。軸承精度等級(jí)選p4級(jí)。圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，內(nèi)圈有錐度為1：12的錐孔與主軸的錐形軸頸相配。通過軸向移動(dòng)內(nèi)圈，改變其在主軸上的位置來調(diào)整軸承間隙。這種軸承徑向剛度和承載能力較大，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高，徑向結(jié)構(gòu)緊湊。主軸后端安裝圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，其徑向間隙也由圓螺母來調(diào)整。因前軸承對(duì)主軸組件的精度影響較大，后軸承精度等級(jí)采用p5級(jí)。這種配置保證了軸承有較高的回轉(zhuǎn)精度，允許較高的轉(zhuǎn)速和剛性，適用于負(fù)載較大的數(shù)控車床。4.3主軸的設(shè)計(jì)主軸的主要參數(shù)是：主軸前端直徑d1，主軸內(nèi)徑d,主軸懸伸量a和主軸支撐跨距l(xiāng)。1. 前端直徑d1，主軸后軸頸的直徑d2表4.1主軸d1（按電機(jī)功率）mm功率（kw）d1mm1.42.523.635.557.37.411車床608070907010595130110145銑床及加工中心5090609060957510090105外圓磨床5060557070807590由上表可取因此可知由式子后端直徑 2主軸內(nèi)徑主軸孔徑d取主軸平均直徑的55%-65%，取d=50mm。3前錐孔尺寸前錐孔用來裝頂尖或其它工具錐柄，要求能夠自鎖，目前采用莫氏錐孔。因車床最大回轉(zhuǎn)直徑d=500mm400mm，采用莫氏錐度6號(hào)，錐度大端直徑d=56.19mm，錐度=1：19.212，長度l=119mm，d=50.00mm.4支撐跨度及懸伸長度為了