立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計

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立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計 [摘要 ]本文介紹了立式數(shù)控銑床的一些基本概況，簡述了機(jī)床主傳動系統(tǒng)方面的原理和類型，分析了各種傳動方案的機(jī)理。立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)包括了主軸電動機(jī)、主軸傳動系統(tǒng)和主軸組件三部分組成。本文詳細(xì)介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程，該立式數(shù)控銑床 主軸變速箱是靠齒輪進(jìn)行傳動的 ， 主軸箱傳動系統(tǒng)采用齒輪傳動，傳動形式采用集中式傳動，主軸變速系統(tǒng)采用多聯(lián)滑移齒輪變速。齒輪傳動具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比準(zhǔn)確等優(yōu)點。 文中介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)各種傳動方案優(yōu)缺點的 比較、主傳動方案的選擇和確定、主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計計算、主軸組件的設(shè)計 、軸承的選用基潤滑、 關(guān)鍵零件的校核 、以及主軸電動機(jī)的控制 等設(shè)計過程。 [關(guān)鍵詞 ]數(shù)控機(jī)床；立式數(shù)控銑床；主傳動系統(tǒng)；主軸組件 ；軸承；主軸電動機(jī) to to to of to of to to to to to to to of to to is to is on by to to to to to to to to of to to to to to to is to to to to to of to in of to to of of of of he he to I 目 錄 引言 ............................................................................................................................................ 1 第一章 緒論 ............................................................................................................................ 2 ............................................................................................................................. 2 ......................................................................................................... 3 第二章 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定 .................................................................... 9 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介 ............................................................................ 9 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 ........................................................................ 9 傳動的類型及方案選擇 ...................................................................................... 10 第三章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計算 .............................................................................. 12 算切削功率 .......................................................................................................... 12 ............................................................................................... 12 ........................................................................................... 12 ................................................................................... 13 算主傳動功率 ...................................................................................................... 13 級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計及主軸電動機(jī)的功率的確定 .............................. 14 速級數(shù) ...................................................................................... 14 動機(jī)的功率的確定 .................................................................................. 15 動機(jī)參數(shù) .................................................................................................. 15 級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的確定 .................................................. 16 第四章 主軸組件設(shè)計 .......................................................................................................... 17 ........................................................................................................................... 17 ....................................................................................................... 17 ....................................................................................................... 17 ........................................................................................................... 17 滿足的基本要求 ....................................................................... 17 ............................................................................................... 19 ........................................................................... 19 ........................................................................................... 20 軸段直徑與的確定 .................................................................................. 20 高主軸強(qiáng)度的措施 .................................................................................. 21 的結(jié)構(gòu)工藝性 .......................................................................................... 22 ....................................................................................................... 22 ................................................................................... 22 度校核計算 .............................................................................................. 23 第五章 軸承的設(shè)計 .............................................................................................................. 27 ........................................................................................................................... 27 ....................................................................................................... 27 承游隙等級的選擇 .............................................................................................. 28 承的壽命計算 ...................................................................................................... 28 ....................................................................................................... 28 計 ....................................................................................................... 29 ................................................................................................... 29 ................................................................................................... 30 軸承的潤滑 .................................................................................................. 31 ................................................................................................... 32 第六章 數(shù)控銑床主軸電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 .......................................................................... 33 ........................................................................................................... 33 ....................................................................................................... 33 編程控制器的由來 .................................................................................. 33 編程控制器的現(xiàn)狀 .................................................................................. 33 編程控制器的分類 .................................................................................. 33 編程控制器的特點 .................................................................................. 35 應(yīng)用領(lǐng)域 ......................................................................................... 35 ....................................................................................................... 36 總論 .......................................................................................................................................... 37 致謝 .......................................................................................................................................... 38 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 39 第 1 頁 共 39 頁 引言 制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機(jī)械制造裝備的競爭。機(jī)床是制造業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，而數(shù)控機(jī)床是高精度、高效率的自動化生產(chǎn)設(shè)備。目前，國內(nèi)、外數(shù)控機(jī)床正朝著高性能、高精度、高效率、高柔性、高自動化和模塊化方向迅速發(fā)展。盡管我國數(shù)控機(jī)床的制造、設(shè)計、檢測等技術(shù)得到了一定的發(fā)展，但與國外相比，差距還是很大，主要表現(xiàn)在 :可靠性差、應(yīng)變能力差、產(chǎn)品開發(fā)周 期長、設(shè)計手段落后等，這種差距尤其表現(xiàn)在高精度、高速度等尖端機(jī)床方面。因此，我們必須緊跟國際機(jī)床技 術(shù)發(fā)展的前沿，發(fā)展機(jī)床的設(shè)計、檢測、制造等技術(shù)。 數(shù)控（ C）機(jī)床，顧名思義，是一類由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機(jī)床。與人工操作的普通機(jī)床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動化程度高、柔性強(qiáng)、操作者勞動強(qiáng)度低、易于組成自動生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點。數(shù)控機(jī)床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，可以達(dá)到以下目的： 基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力； 提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力； 提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、使用計算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊、文字表達(dá)等各方面的能力； 論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊合作精神。 第 2 頁 共 39 頁 第一章 緒論 述 數(shù)控銑床是一種加工功能很強(qiáng)的數(shù)控機(jī)床，目前迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元都是在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn) 生的，兩者都離不開銑削方式。由于數(shù)控銑削工藝最復(fù)雜，需要解決的技術(shù)問題也很多，因此，人們在研究和開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)及自動編程語言的軟件系統(tǒng)時，也一直把銑削加工作為重點。數(shù)控銑床機(jī)械部分與普通銑床基本相同，工作臺可以做橫向、縱向和垂直三個方向的運動。因此普通銑床能加工的工藝內(nèi)容，數(shù)控銑床度能做到。一般情況下，在數(shù)控銑床上可以加工平面曲線輪廓。 數(shù)控銑床也像通用銑床那樣可分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各類銑床配置的是數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效 率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對機(jī)械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動化的要求。在機(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機(jī)床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機(jī)車車輛、機(jī)床、建筑、通用機(jī)械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。 綜上所述，數(shù)控機(jī)床在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會等方面，起著非常重要 的作用。 數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動加工機(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有如下一些優(yōu)點： 易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實現(xiàn)一機(jī)多用，多機(jī)看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動強(qiáng)度，減少所需工人數(shù)量等。 第 3 頁 共 39 頁 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件、分度臺等部分組成。傳動系統(tǒng)的作用是把運動和力由動力源傳遞給機(jī)床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有 良好的動態(tài)特性。傳動系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，從而影響機(jī)床的工作性能。隨著機(jī)床切削速度的提高和自動化方向的發(fā)展，傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單，但對其機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越高，從而使傳統(tǒng)的設(shè)計方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，這樣，各種設(shè)計理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。 數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機(jī)床，其加工過程中的動作順序、運動部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機(jī)床上加工零件那樣，對 機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人為補(bǔ)償，所以數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面均要求比普通機(jī)床設(shè)計得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動化程度的要求，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計已形成自己的獨立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)有許多特點。 控機(jī)床的發(fā)展 隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變 ,對機(jī)械制造裝備提出了不同的要求 0 年代“剛性 ”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動化程度 ,進(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì) ”實現(xiàn)降低成本和提高質(zhì) 量的目的。從 90 年代開始，為了對世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高 ,采用擬實制造和快速成形制造技術(shù)。 工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致 “剛性 ”強(qiáng) ,更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動化程度基本上還是 “一個工人，一把刀 ，一臺機(jī)床 ”，導(dǎo)致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距 ,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重。 數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向 六個方面：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高精度、符合、環(huán)保。 第 4 頁 共 39 頁 目前德國和瑞士的機(jī)床精度最高，綜合起來，德國的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國的機(jī)床業(yè)一般。中國大陸、韓國。臺灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應(yīng)該能進(jìn)世界前 4名。 數(shù)控系統(tǒng) 由顯示器、控制器伺服、伺服電機(jī)、和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。目前世界最大 的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西班牙凡高等。國內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進(jìn)口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當(dāng)不錯，但差就差在電器硬件上，故障率比較高。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機(jī)床業(yè)進(jìn)軍，但機(jī)床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機(jī)床廠的簡易數(shù)控系統(tǒng)也不錯。 我們國家機(jī)床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。 機(jī)床精度 工精度（包括尺寸精度和幾何精度）、定位精度、重復(fù)定位精度等 5 種。 前我們國家內(nèi)承認(rèn)的大致是四種體系：德國 準(zhǔn)、日本 準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn) 準(zhǔn)、國標(biāo) 標(biāo)和國際標(biāo)準(zhǔn)差不多。 看它的重復(fù)定位精度，一臺機(jī)床的重復(fù)定位精度如果能達(dá)到 準(zhǔn) .、統(tǒng)計法 ),就是一臺高精度機(jī)床，在 準(zhǔn) .、統(tǒng)計法 )以下，就是超高精度機(jī)床，高精度的機(jī)床，要有最好的軸承、絲杠。 只要求機(jī)床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。 目前世界著名機(jī)床廠 商在我國的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機(jī)床制造商馬扎克（ 寧夏銀川投資建了名為 “寧夏小巨人機(jī)床公司 ”的機(jī)床公司，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心和車銑復(fù)合中心。機(jī)床質(zhì)量不錯，目前效益良好，年產(chǎn) 600 臺，目前正在建 2 期工程，建成后可以年產(chǎn) 1200 臺。 2. 2003 年，德國著名的機(jī)床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產(chǎn)數(shù)控車床和立式加工中心 120 臺左右。 3. 2002年，日本著名的機(jī)床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機(jī)床廠合資建廠，年生產(chǎn)能力為 1000臺，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心、臥式加 工中心。 前生產(chǎn)能力不知。 生產(chǎn)能力 800 臺。 民營企業(yè)進(jìn)入機(jī)床行業(yè)情況 2000年投產(chǎn)，生產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心。年生產(chǎn)能力 300 臺。 2． 2004年，浙江寧波著名的鑄塑機(jī)廠商海天公司投資生產(chǎn)機(jī)床，主要是從日本引進(jìn)技術(shù)，目前剛開始，起點比較高。 3． 2002 年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實老板是中國人，采用日本技術(shù)。生產(chǎn)小型儀表數(shù)控車床，水平相當(dāng) 第 5 頁 共 39 頁 不錯。 軍工企業(yè)技改情況 軍工企業(yè)得到國家撥款開始于當(dāng)年 “大使館被炸 ”，后來臺灣阿扁上臺后，大規(guī)模技改開始了，軍工企業(yè)進(jìn)入新一輪的技改高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購買普通設(shè)備。尤其是近 3年來，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進(jìn)數(shù)控機(jī)床。也從國內(nèi)機(jī)床廠哪里采購了大批普通數(shù)控機(jī)床，國內(nèi)機(jī)床廠商為了迎接這次大技改，也引進(jìn)了不少先進(jìn)技術(shù)，爭取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能 “頂 ”三年，我們的整體水平會上一個臺階。 其實，胡錦濤總書記掌權(quán)以來，已經(jīng)把國防事業(yè)提到了和經(jīng)濟(jì)發(fā)展一樣的高度上，他說，我們要建立和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的國防能力，相信再過 10 年，隨著我國國防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國家會誕生世界水平的機(jī)床制造商，也將會超越日本，成為世界第一機(jī)床生產(chǎn)大國。 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強(qiáng)弱。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)。隨著計算機(jī)及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。我國的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引 進(jìn)，“七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，“八五”期間的數(shù)控應(yīng)用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)用，已逐步形成了以航天數(shù)控、藍(lán)天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。 近年來，我國數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量持續(xù)增長，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國一部分普及型數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)較為成熟，價格合理，在國際市場上具有一定的競爭力。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有成熟商品走向市場。 我國在數(shù)控機(jī)床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得 了一定的突破。目前我國已經(jīng)可以供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機(jī)床。同時，我國也已進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國和高精度精密數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國的行列。目前我國已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在 8000~10000 轉(zhuǎn) /分以上的數(shù)控機(jī)床。 我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)近年來大力推廣應(yīng)用 多企業(yè)已開始和計劃實施應(yīng)用 和電子商務(wù)。如，濟(jì)南第二機(jī)床集團(tuán)有限公司的 及率達(dá) 100%，是國家級“ 企業(yè)的 系統(tǒng)應(yīng)用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。 第 6 頁 共 39 頁 但是和發(fā)達(dá)國家相比，我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)在信息 化技術(shù)應(yīng)用上仍然存在很多不足。 一、信息化技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，對國外技術(shù)依存度高。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來源主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)，對國外技術(shù)的依存度較高，對引進(jìn)技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復(fù)合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能數(shù)控機(jī)床基本上還得依賴進(jìn)口。 二、產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在 10000小時以上，國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控 系統(tǒng)僅 3000時；整機(jī)平均無故障工作時間國外達(dá) 800小時以上，國內(nèi)最好只有 300小時。 三、創(chuàng)新能力低，市場競爭力不強(qiáng)。我國生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的企業(yè)雖達(dá)百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場競爭能力不強(qiáng)。 隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高要求。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床信息化正朝著以下幾個方面發(fā)展。 高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國生產(chǎn)的第六代數(shù)控機(jī)床系 統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度，使得高速運算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時，新一代數(shù)控機(jī)床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。 智能化?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的智能化發(fā)展將通過對影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對機(jī)床的工藝參數(shù)進(jìn)行實時控制，使機(jī)床的加工過程處于最佳狀態(tài)。 基于 數(shù)控編程自動化。隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前 自動編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢。它是利用 計算機(jī)內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和后置處理，從而自動生成數(shù)控機(jī)床零部件加工程序，以實現(xiàn) 集成。隨著 術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了 編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的 據(jù)庫獲得，推動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)自動化的進(jìn)一步發(fā)展。 第 7 頁 共 39 頁 發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺?規(guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時通過自動運行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報警。 一 、 是高速加工技術(shù)發(fā)展迅速 高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用新的機(jī)床運動學(xué)理論和先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用當(dāng)前數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展趨勢 高性能功能部件，移動部件輕量化，減少運動慣性。在刀具材料和結(jié)構(gòu)的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機(jī)床加工全面高速化，如數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速從每分鐘幾千轉(zhuǎn)發(fā)展 到幾萬轉(zhuǎn)、幾十萬轉(zhuǎn)；快速移動速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時間從十幾秒下降到 10秒、 3 秒、 1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應(yīng)用高速加工技術(shù)達(dá)到縮短切削時間和輔助時間，從而實現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。 二 、 是精密加工技術(shù)有所突破 通過機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高機(jī)床加工的幾何精度、運動精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每 8 年提高 1 倍，從 1950 年至2000 年 50 年內(nèi)提升 100 倍。目前，精密數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度可以達(dá)到 1μm，進(jìn)入亞微米超精加工時代。 三 、 是技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合趨勢明顯 技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機(jī)床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢之一，如工序復(fù)合型 ——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，跨加工類別技術(shù)復(fù)合 ——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結(jié)與鏡面切削復(fù)合等，目前已由機(jī)加工復(fù)合發(fā)展到非機(jī)加工復(fù)合，進(jìn)而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術(shù)集成和復(fù)合形成了新一類機(jī)床 ——復(fù)合加工機(jī)床，并呈現(xiàn)出復(fù)合機(jī)床多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu) 。 四 、 是數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)入了智能化的新階段 數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段 :數(shù)字化控制技術(shù)對機(jī)床單機(jī)控制；集合生產(chǎn) 第 8 頁 共 39 頁 管理信息形成生產(chǎn)過程自動控制；生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對數(shù)控機(jī)床加工過程實行智能監(jiān)控和人工智能自動編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實現(xiàn)工件裝卡定位自動找正，刀具直徑和長度誤差測量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動進(jìn)行補(bǔ)償、調(diào)整、自動更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對機(jī)床的機(jī)械、電氣、液壓 系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動診斷、報警、故障顯示等，直至停機(jī)處理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術(shù)后援和在線服務(wù)后援。人工智能自動編程系統(tǒng)能按機(jī)床加工要求對零件進(jìn)行自動加工。在線服務(wù)可以根據(jù)用戶要求隨時接通 受遠(yuǎn)程服務(wù)。采用智能技術(shù)來實現(xiàn)與管理信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補(bǔ)償智能控制、故障自診斷和智能維護(hù)等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術(shù)在制造系統(tǒng)上的應(yīng)用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡(luò)工廠，并進(jìn)一步向制造系統(tǒng)可重組的方 向發(fā)展。 五 、 是極端制造擴(kuò)張新的技術(shù)領(lǐng)域 極端制造技術(shù)是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術(shù)。極端制造技術(shù)是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點研究微納機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關(guān)的數(shù)控制造技術(shù)、檢測技術(shù)及相關(guān)的數(shù)控機(jī)床研制，如微型、高精度、遠(yuǎn)程控制手術(shù)機(jī)器人的制造技術(shù)和應(yīng)用；應(yīng)用于制造大型電站設(shè)備、大型艦船和航空航天設(shè)備的重型、超重型數(shù)控機(jī)床的研制； 業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展需要超精細(xì)加工和微納米級加工技術(shù)，研制適應(yīng)微小尺寸的微納米級加工新一代微型數(shù)控機(jī)床和特種加工機(jī)床；極端制 造領(lǐng)域的復(fù)合機(jī)床的研制等。 第 9 頁 共 39 頁 第二章 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定 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(jī)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(jī)床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)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(jī)的無極調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用 以擴(kuò)大電動機(jī)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(jī)床的主傳動電機(jī)已不再采用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機(jī)和直流調(diào)速電機(jī)所代替。 (2)轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)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(jī)床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般 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(jī)床的變速是按照控制指令自動進(jìn)行的，因此變速 機(jī)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(jī)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。 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(jī)床的運動要求。 第 10 頁 共 39 頁 （ 2） 主電動機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有是夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)性要求。 傳動的類型及方案選擇 數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機(jī)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(jī)和直流主軸電動機(jī)無級凋速系統(tǒng)。為擴(kuò)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(jī)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部分小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動方式以獲得強(qiáng)力切削時所需要的扭矩。 圖 圖 圖 ．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 3．由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動的主傳動 這種主傳動是由電動機(jī)直接驅(qū)動主軸，即電動機(jī)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 第 11 頁 共 39 頁 機(jī)發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖 1 近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機(jī)主軸，即主軸與電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 20000r/ 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(jī)，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。 第 12 頁 共 39 頁 第三章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計算 算切削功率 削力的計算 銑削時的切削力，公式如下 0 . 7 40 . 8 60 . 8 60 . 9 8? （ 3 式中 銑削時的主切削 力（ N） 加工材料影響的系數(shù) 每齒進(jìn)給量（ — 背吃刀量（ B —— 銑削寬度 Z —— 銑刀齒數(shù) D —— 銑刀直徑 (用直徑 D =50 四 齒錐柄立銑刀，銑刀寬 B =40剛工件， 468 計算得：32N 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： 第 13 頁 共 39 頁 6000C （ 3 式中： 切削功率（ 切削力（ N） 切削速度（ m/ 根據(jù) 機(jī)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 00m/算 得 ： 主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定 主軸最 高轉(zhuǎn)速為 4 0 0 0 /m a x r m ，最低轉(zhuǎn)速為 4 0 /m in r m 算主傳動功率 用下列粗 略 估算主電動機(jī)的功率 ? （ 3 式中，C?為銑床主傳動系統(tǒng)總機(jī)械效率，主運動為回轉(zhuǎn)運動時，0 ? ；主運動為直線運動時， 0 ? 。 取 主傳動的總效率 ? =初選電動機(jī)功率 2 . 2 / 0 . 7 3 . 1 4d ? 取 4d 電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 1 5 0 0 /d r m ； 額定最高轉(zhuǎn)速為 第 14 頁 共 39 頁 m a x 4 5 0 0 /d r m 級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計及主軸電動機(jī)的功率的確定 由 計算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式計算 : 0 . 3 54 0 2 0 5 /40040j r m i ???????（ 3 則電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 : 4 5 0 0 / 1 5 0 0 3?主軸恒功率調(diào)速范圍 : / 4 0 0 0 / 2 0 5 1 9 . 5np m a x ? ? 因此主軸要求的恒功率變速范圍以在電動機(jī)與主 軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，來擴(kuò)大電動功率變速范圍。 速級數(shù) 如取變速箱的公比 3? ??則由于無級變速時 1p d ??? 故變速箱的變 速極數(shù) lg l g 1 9 . 5 2 . 7 0 4l g 3?? ? ? 可取 Z=3 （ 3 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(jī)構(gòu)較復(fù)雜。 因此為簡化變速箱機(jī)構(gòu)，取 Z=2。 第 15 頁 共 39 頁 動機(jī)的功率的確定 由公式（ 3— 5）可知，應(yīng)增大f??? 即 所以 ?比 3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 ? ? ? ?/ 3 4 / 4 . 4 2 2 . 7 1d p d fP k ? ? ? ? ?低谷處功率應(yīng)保證傳遞全部功率，只有選