床身上最大回转直径630mm的数控车床总体设计及主轴箱设计
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1 这四份有两点，第一，因为是 630的纵向进给利用的同步电机，利用同步带传动在传动系统图中要有反应， 我已给出纵向进给与横行进给的计算过程与参数，要保持一致。 六个题目是一个机床呀，希望你能设计的统一 没问题吧 谢谢 毕 业 设 计 任 务 书 学 生 指导教师 班 级 职 称 一 毕业设计题目 身上最大回转 直径 630数控 车床 总体设计及主轴箱设计 14、床身上最大回转直径 630数控 车床 总体设计及 横向进给 设计 15、床身上最大回转直径 630数控 车床 总体设计及 纵向进给 设计 16、床身上最大回转直径 630数控 车床 总体设计及 液压尾座 设计 +17、床身上最大回转直径 630数控 车床 总体设计及 四方回转刀架 设计 身上最大回转直径 630数控 车床 总体设计及 六角回转刀架 设计 二 主要设计参数及技术指标 1、主要技术参数 ： 床身最大工件回转直径 (主参数 ) 400320 500 2 最大 工件长度（第二主参数， 10007001500 最大加工长度 / 900650 1400 、主传动采用交、直流调速电动机，调速范围： 10/1400r 0/800r 20/1250r 可无级调速。 3、 X 轴 (横向 )、 Z 轴 (纵向 )为微机控制，采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动， X 轴 (横向 )脉冲当量 冲， Z 轴 (纵向 )脉冲当量 冲。 4、刀架采用四方回转刀架、六角回转刀架 6、定位精度： 、重复定位精度： 、实现功能：车削外圆、端面、内圆、圆弧、圆锥及螺纹加工 9、操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止 10、 工件材料：钢、铸铁 11、 刀具材料：高速钢、硬质合金 三 毕业设计内容及工作量 (一 )设计说明书 1、数控机床发展概述 数控机床及其特点。 数控机床的工艺范围及加工精度。 数控机床的经济分析。 3 数控机床的发展趋向 。 2、数控机床总体方案的制订及比较 3、确定切削用量及选择刀具 4、传动系统图的设计计算 5、 主轴箱装配图 的设计计算 6、 X 轴 (横向 )、 Z 轴 (纵向 )机械 装配 图的设计计算 7、 床鞍、刀架装配图的设计 计算 8、 主轴箱（进给变速箱、床身、主轴、主轴箱齿轮、丝杠、开合螺母）的零件图 的设计计算 9、机床硬件电路图的设计 （二）、图纸部分 1、机床尺寸联系图 张 2、机床传动系统图 张 3、主要部件装配图 张 4、机床硬件电路图 张 说明： 1、 第 1 第 2 项每个学生必须选做 。 2、 第 3 项由指导教师要求每个学生选做不一样的内容。 3、第 4 项学生可根据自身情况选做。 4、要求每个学生必须至少完成 3 张 。 四 毕业设计的基本要求： 能按时独立完成毕业设计规定的全部内容，方案选择正确，论据充 4 分，对设计中的主要问题分析深入，解决合理，有独立见解，能很好 运用所学理论和提供的资料解决设计中的问题，能独立查阅和正确引用中外文参考资料，说明书文字通顺、清楚、选用数据论证合理、计算准确，图面整洁。 五、 进程安排 序号 主 要 任 务 预定完成 日期 时间 备注 1 查阅文献，收集资料 1 周 2 工厂调研、参观 1 周 3 机床总体方案图 4 机床传动系统图 5 主轴箱装配图 2 周 5 进给系统装配 图 2 周 5 尾座、刀架装配图 2 周 6 机床硬件电路图 1 周 7 设计说明书 1 周 六、主要参 考文献 经济型数控机床系统设计张新义主编 机械工业出版社 新编机床数控技术 任玉田主编 北京理工大学出版社 机床设计图册 上海纺织工学院等主编 上海科 学技术出版社 机械设计手册 成大先主编 化学工业出版社 5 参考如下计算： 计要求 将 床，采用单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能。 床主要参数如下： 最大回转直径 630机功率 640进速度 纵向 向 位精度 动部件重量 纵向 1200N 横向 800N 加速时间 30床效率 定系统脉冲当量 经济型数控车床常用脉冲当量是 冲，取纵向进给 冲；横向进给 冲。 算切削力 （ 1）纵切外圆 主切削力 N） 通过主电机功率来确定。 错误 !未找到引用源。 （ 3 6 式中： P 为机床主传动功率（ 为主传动系统的机械效率，通过查表取 = 所以： 错误 !未找到引用源。 （ 3 而切削力： V Z 1000 （ 3 式中 V 表示车床车削的线速度，单位为 m/s； 错误 !未找到引用源。 表示主轴的运动功率，单位为 错误 !未找到引用源。 表示切削力 ,单位为 N； 在此取 V=100m/s。 所以： 33 2 0 （ 3 按切削力各分力比例： 错误 !未找到引用源。 （ 3错误 !未找到引用源。 （ 3 2 7 5= Y F （ 3 （ 2）横切端面 主切削力： 721 F （ 3 此时走刀抗力为 )(X 仍按上比例计算： : （ 3 错误 !未找到引用源。 （ 3 1 8 7 . 5= Y F （ 3 7 珠丝杠螺母副的计算和选择 向滚珠丝杠螺母副的计算和选 型 向力及转速计算 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时走刀抗力以及移动部件重量和切削力作用在导轨上的摩擦力。 车床丝杠上总的轴 向力 错误 !未找到引用源。 可以表示为： 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中： G 表示移动部件所受的重量，本机床为 1200N； f 为导轨上的摩擦系数，车床为 K 为考虑倾覆力矩影响的实验系数，常情况下取 将有关数据代入上式得： 错误 !未找到引用源。 （ 3 滚珠丝杠的转速为： 01000 L vn s （ 3 其中示为最大切削力条件下进给速度（ m/常取最高进给速度的1/21/3，即： 错误 !未找到引用源。 （ 3 在此取 。 0 6 所以 m 6 76 11 0 0 0 （ 3 载荷的计算 选用滚珠丝杠的直径 d 必须保证在一定轴向负载作用下丝杠在回转 100 万次后，它的轨道上不产生电蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠所能承受的最大动负载。由以下公式计算： 8 （ 3 上式中 L 为滚珠丝杠的使用寿命（次），以 610 为单位。 61060 （ 3 其中 T 表示使用寿命，单位为（ h），对于数控车床来说通常取 T=15000h。 运转系数，取 由以上数据得： 18774 3 （ 3 查手册，取 号的滚珠丝杠。公称直径为 50额定动载荷为 31671N18774N， 合适。 杠传动效率的计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 可以由以下公式 计算得 （ 3 式中： 表示丝杠螺母螺旋升角； 表示摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数为 珠丝杠摩擦角约为 01 。 丝杠的螺旋升角可以由一下式算得： 00 （ 3 其中： 0 0 所以 000 a r c t a na r c t a n 3 a n a n 0 0 （ 3 9 度校核 滚珠丝杠副的变形会影响进给系统的定位精度以及运动的平稳性，因此必须考虑轴向变形。 丝杠受力拉伸或者被压缩的变形量 1 为主要轴向变形量，可以由以下公式计算得到： 01 （ 3 式中 0 L 为每个导程内的变形量，由以下公式计算得： FL m 0 (3 其中 E 为材料的弹性模量， 24 / ， A 为滚珠丝杠的截面积 (按底径确定 )，该丝杠的底径为 ， 所以 22 。 FL m 5240 2718 （ 3 L 为丝杠支撑轴承之间距离，查手册： L =程 +（ 1014）导程 其中：纵向最大行程为 200导程为 6 304280(6)1410( 取整数 300 所以由公式（ 3 此外还有滚珠与螺纹道之间的接触变形，支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形，通常用丝杠的拉压变形的 3 倍来取代总的变形量。 刚度变形 定位精度 满足刚度要求。 定性校核 10 （ 1）计算临街负荷： 22L （ 3 式中： E 材料的弹性模量； I 为滚珠丝杠的截面的惯性矩， 45441 L 为丝杠的长度，为 2000 压杆长度因数，取 7.0 所以 7 7 4 8 52 0 0 0 542 满足稳定性校核。 紧力的计算 预紧可以提高刚性和寿命，预紧力可以由以下公式计算。 320 1012 P （ 3中： 预紧载荷，约为 90631 为车床纵向传动效率，取 32 90 6 向滚珠丝杠螺母副的计算和选 型 向力及转速计算 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时走刀抗力以及移动部件重量和切 11 削力作用在导轨上的摩擦力。 车床丝杠上总的轴向力 错误 !未找到引用源。 可以表示为： 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中： G 表示移动部件所受的重量，本机床为 800N； f 为导轨上的摩擦系数，车床为 K 为考虑倾覆力矩影响的实验系数，常情况下取 将有关数据代入上式得： 错误 !未找到引用源。 （ 3 滚珠丝杠的转速为： 01000 L vn s （ 3 其中示 为最大切削力条件下进给速度（ m/常取最高进给速度的1/21/3，即： m 1 （ 3 在此取 .0 。 0 为 6 所以 m 006 （ 3 载荷的计算 选用滚珠丝杠的直径 d 必须保证在一定轴向负载作用下丝杠在回转 100 万次后， 它的轨道上不产生电蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠所能承受的最大动负载。由以下公式计算： （ 3 上式中 L 为滚珠丝杠的使用寿命（次），以 610 为单位。 61060 （ 3 12 其中 T 表示使用寿命，单位为 （ h） ，对于数控车床来说通常取 T=15000h。 运转系数，取 由以上数据得： （ 3 查手册，取 号的滚珠丝杠。公称直径为 25 定动载荷 为 14718N 适。 杠传动效率的计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 可以由以下公式计算得 （ 3 式中： 表示丝杠螺母螺旋升角； 表示摩擦角，滚珠丝杠摩擦角约为 01 。 丝杠的螺旋升角可以由一下式算得： 00 （ 3 其中： 0径； 0 所以 000 a r c t a na r c t a n 3 a n a n 0 0 （ 3 度校核 滚珠丝杠副的变形会影响进给系统的定位精度以及运动的平稳性，因此必须考虑轴向变形。 丝杠受力拉伸或者被压缩的变形量 1 为主要轴向变形量，可以由以下公式计算得到： 13 01 （ 3 式中 0 L 为每个导程内的变形量，由以下公式计算得： FL m 0 （ 3 其中 E 为 材料的弹性模量， 24 / ， A 为 滚珠丝杠的截面 积 (按底径确定 )，该丝杠的底径为 ， 所以 221 。 FL m 4240 （ 3 L 为丝杠支撑轴承之间距离，查手册： L =程 +（ 1014） 导程 其中：纵向最大行程为 300程为 6 414390(6)1410( 取整数 400 所以由公式 （ 3得 此外还有滚珠与螺纹道之间的接触变形，支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形，通常用丝杠的拉压变形 的 3 倍 来取代总的变形量。 刚度变形 定位精度 不满足刚度要求，必须改进。 改进方法为对丝杠进行预紧，如果对丝杠进行预拉伸，刚度可以提高四倍，刚度变形降低到原来的 1/4。 改进后满足刚度要求。 定性校核 （ 1）计算临街负荷： 14 22 （ 3 式中： E 材料的弹性模量； I 为滚珠丝杠的截面的惯性矩， 4441 6 164 L 为丝杠的长度，为 390 压杆长度因数，取 7.0 所以 8 7 5 0 4390 6 42 满足稳定性校核。 紧力的计算 预紧可以提高刚性和寿命，预紧力可以由以下公式计算。 320 1012 P （ 3 式中： 预紧载荷，约为 46531 为车床横向传动效率，取 32 4 65 给伺服系统传动计算 向 进给伺服系统传动计算 给系统的传动比 15 当机床的脉冲当量和滚珠丝杠 的导程确定后，可以先初选步进电动机的步距角，在此初选电动机的步距角为 用下列公式计算伺服系统的降速比： i 360 0（ 3 式中： b 步进电动机的步距角； p 为脉冲当量，为 0L 为滚珠丝杠的导程 ，为 6 所以 i 步带论的设计计算 纵向进给系统的功率： 1000y丝 （ 3 其中 丝 设计功率： 丝d （ 3 查手册 9 丝杠的转速： m 丝 （ 3 小带轮的转速： m i 04 0 丝 （ 3 根据n 选用 L 型 周节制同步带，节距 据小带轮转速 1n 确定最小齿数 12z 小带轮齿数取 161 z 小带轮节圆直径 b 16 同步带的带速 1 L 型同步带最大速度 0，合适。 大带轮齿数 2012 大带轮节 圆直径 初定轴间距 0a： 21021 27.0 （ 3 a 取轴间距 z （ 3 查手册选取 81，齿数 40z 。 实际轴间距 p 6 3 42 00 （ 3 小带轮啮合齿数 2 11 22 （ 3 计算基本额定功率 0P: 1000 20a （ 3 式中 : 宽度为0手册得 17 m 宽度为0手册得 m 所以 0 0 计算带宽 （ 3 式中： 0 选定型号的基准宽度 小带轮啮合齿数系数，取 00.1所以 查手册取 代号 为 050。 作用在轴上的力 10211000v PF 查手册得 初步张紧力 槽深度 大带轮的外径 向 进 给伺服系统传动计算 给系统的传动比 当机床的脉冲当量和滚珠丝杠的导程确定后，可以先初选步进电动机的步距角，在此初选电动机的步距角为 用下列公式计算伺服系统的降速比： i 360 0（ 3 式中： b 步进电动机的步距角； p 为脉冲当量 ，为 18 0L 为滚珠丝杠的导程，为 6 所以 i 步带论的设计计算 纵向进给系统的功率： 1000x丝 （ 3 其中 16 8 0 0 4 丝 设计功率 ： 丝d （ 3 查手册 6 8 丝杠的转速： m 丝 （ 3 小带轮的转速： m 02 0 丝 （ 3 根据n 选用 周节制同步带，节距 据小带轮转速 1n 确定最小齿数 10z 小带轮齿数取 121 z 小带轮节圆直径 b 同步带的带速 0 0 060 11 同步带最大速度 0，合适。 大带轮齿数 3012 19 大带轮节圆直径 初定轴间距 0a： 21021 27.0 （ 3 a 取轴间距 z 1422 02212100 （ 3 查手册选取 齿数 55z 。 实际轴间距 p 1 8 0 （ 3 小带轮啮合齿数 2 11 22 （ 3 计算基本额定功率 0P: 1000 20a （ 3 式中 : 宽度为0手册得 m 宽度为0手册得 m 所以 2 5 0 0 计算带宽 （ 3 式中： 0 选定型号的基准宽 度 20 小带轮啮合齿数系数，取 00.1所以 查手册取 代号 为 037。 作用在轴上的力 0v PF 查手册得 初步张紧力 槽深度 大带轮的外径 进电机的计算和选型 通过计算步进电动机的力矩来选取步进电动机，先计算各部分的转动惯量，再折合到电动机轴上，从而得到力矩。 向步进电机的计算和选型 动惯量的计算 82（ 3 式中： M 圆柱体的质量 (D 圆柱体的直径 (L 圆柱体的长度 ( 对于圆柱体钢材，已知钢的密度 25108.7 ， （ 3可以改写成： 34 （ 3 说明： 对于带轮， 2齿槽深外径 D ， L 取带轮的宽度；对于丝杠， 滚 珠 直 径 ，丝 杠 的 公 称 直 径 D L 取丝杠的长度。 21 1) 小同步带轮的转动惯量： 31411 34 2507.0 2) 大同步带轮的转动惯量： 32422 34 228.1 3) 丝杠的转动惯量： 33433 34 102003 9 6 丝杠传动折算到电动机轴上的总的转动惯量 2 203222112 3 矩的计算 在 不同 的情况下电动机的力矩不同，下面我们分情况进行计算。 快速启动时 0f 加启 （ 3 式中： 启M 启动力矩； 加M 加速时由于产生加速度而引起的力矩； 22 由摩擦力产生的力矩； 0M 预 紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 （ 3 电机最大角加速度， J 为换算过的电机轴上的总转动惯量。 a x 所以 1 2 00f （ 3 0 空载启动时： 0 进行切削时： 0G 运动部件总重量约为 1200N； f 导轨的摩擦系数，约为 机床纵向传动链的总效率，取 空载启动时：2 0f 0 i z2 0f 70 23 附加摩擦力矩 0M： 附加摩擦力矩的大小等于预紧力矩 综合以上几式，得： 1) 快速启动总力矩： 0f 加启 2) 快速进给总力矩： 0f 启 3) 最大负载切削时的力矩： 0f t 切 2 520 所以： 3 切M 通过比较以上三种情况，得出车床在快速启动时所 需力矩最大，选取步进电动机时需要以快速启动时所需力矩为计算依据。 进电动机的最高频率计算 60m a xm a x （ 3 式中： 纵向进给机构快进时最高速度， 为 2400mm/ p 纵向进给机构的脉冲当量，为 24 0 4 00m a x 综上，我们选择 步 进电动机。 表 3步进电动机参数 最大静力矩 2000N*行频率 8000数 5 电压 80/12 80/12 电流 13A 向步进电机的计算和选型 动惯量的计算 82（ 3 对于圆柱体钢材 ，已知钢的密度 25108.7 ， （ 3可以改写成： 34 （ 3 说明： 对于带轮， 2齿槽深外径 D ， L 取带轮的宽度；对于丝杠， 滚 珠 直 径 ，丝 杠 的 公 称 直 径 D L 取丝杠的长度。 4) 小同步带轮的转动惯量： 31411 34 20086.0 5) 大同步带轮的转动惯量： 32422 34 2402.0 6) 丝杠的转动惯量： 25 33433 259.0 丝杠传动折算到 电动机轴上的总的转动惯量 2 203222112 3 8 2284.0 矩的计算 在 不同的情况下电动机的力矩不同，下面我们分情况进行计算。 快速启动时 0f 加启 （ 3 式中： 启M 启动力矩； 加M 加速时由于产生加速度而引起的力矩； 由摩擦力产生的力矩； 0M 预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 （ 3 电机最大角加速度， J 为换算过的电机轴上的总转动惯量。 a x 所以 2 00f （ 3 0 26 空载启动时： 0 进行切削时： 0G 运动部件总重量约为 800N； f 导轨的摩擦系数，约为 机床纵向传动链的总效率，取 空载启动时：2 0f z2 0f 0M： 附加摩擦力矩的大小等于预紧力矩 综合以上几式，得： 4) 快速启 动总力矩： 0f 加启 5) 快速进给总力矩： 0f 启 27 6) 最大负载切削时的力矩： 0f t 切 所以： 切M 通过比较以上三种情况，得出车床在 最大负载切削 时所需力矩最大，选取步进电动机时需要以 最大负载切削 时所需力矩为计算依据。 进电动机的最高频率计算 60m a xm a x （ 3 式中： 纵向进给机构快进时最高速度，为 1200mm/ p 纵向进给机构的脉冲当量，为 200m a x 综上，我们选择 步进电动机。 表 3 步进电动机参数 最大静力矩 2200N*行频率 16000数 5 电压 80/12 24 电流 3A X X 理 工 大 学 毕 业 论 文 论 文 题 目： 床身上最大回转直径 630 数控车床总体设计及主轴箱设计 专 业 名 称： 层 次： 学 生 姓 名： 完 成 日 期： 摘 要 数控 即数字控制（ 写为 数控技术，即 术，是指用数字 化信息（数字量及字符）发出指令并实现自动控制的技术。是近代发展起来的一种自动控制技术。目前，数控技术已经成为现代制造技术的基础支撑，数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上个工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 数控机床（ 指采用数字控制技术对机床加工过程进行自动控制的一类机床。国际信息处理联盟第五次技术委员会对数控机床作的定义 是： “ 数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码或其他编码指令规定的程序。 ” 它是集现代机械制造技术、自动控制技术及计算机信息技术于一体，采用数控装置或计算机来部分或全部地取代一般通用机床在加工零件时的各种动作（如启动、加工顺序、改变切削量、主轴变速、选择刀具、冷却液开停以及停车等）的人工控制，是高效率、高精度、高柔性和高自动化的光、机、电一体化的数控设备。 关键词 ： 数控 ；数控车床； 自动控制 ； 人工控制 ； 高效率 A of is of a a an in a a of a a as in of Its by a its to of of of a t of of of is a its I t of a of of of a a in its in is in is of to a of in to of to a in of is to of To be to of of of a of of a of At of to in in of it of of of to In of to of of in in in a of of in of a to of on by NC 录 摘 要 . 2 . 3 目 录 . 8 第 1章 序言 . 9 加工的由来 . 9 控技术的优点 . 9 第 2章 数控机床发展简介 . 9 控技术的发展阶段 . 9 控技术的现状分析 . 10 控技术未来的发展趋势 . 12 速、高精加工技术及装备的新趋势 . 12 联动加 工和复合加工机床快速发展 . 13 能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 . 13 视新技术标准、规范的建立 . 14 第三章 数控机床的计算及校核 . 15 计思想 . 15 驱动电机减速器系统方案经济性比较 . 15 机 的选择 . 17 定电动机型号 . 17 减速器的设计 . 18 轮的设计 . 18 的设计计算 . 26 的校核 . 30 结 论 . 36 参考文献 . 37 1 章 序言 加工的由来 所谓的机械加工就是用机械的方法去除材料的表面，使之成为我们想要的零件，机械加工主要有手动加工和数控加工两大类。手动加工是指通过机械工人手工操作铣床、车床、钻床和锯床等机械设备来实现对各种材料进行加工的方法。 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体 力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 控技术的优点 数控技术 有如下优点： 1)提高生产效率； (2)不需要熟练的机床操作人员； (3)提高加工精度并且保持加工质量 ; (4)可以减少工装卡具 ; (5)容易进行加工过程管理； (6)可以减少检查工作量； (7)可以降低废、次品率； (8)便于设计加工变更，加工设定柔 性强 ; (9)容易实现操作过程的自动化，一人可以操作多台机床； (10)操作容易，极大减轻体力劳动强度。 第 2 章 数控机床发展简介 控技术的发展阶段 1、数控（ 段（ 1952 1970年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 “ 搭 ” 成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（ C），简称为数控（ 随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年的第一代 1959年的第二代 1965年的第三代 2、计算机数控（ 段（ 1970年现在） 到 1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ 段（把计算机前面应有的 “ 通用 ”两个字省略了）。到 1971年，美国 用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ 又可称为中央处理单元（简称 到 1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了 1990年， （个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970年的第四 代 1974年的第五代 990年的第六代 C（国外称为 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 ，而我国仍习惯称数控（ 所以我们日常讲的 数控 ，实质上已是指 “ 计算机数控 ” 了。 控技术的现状分析 20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。 采用数字技术进行机械加工，最早是在 40年代初，由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司（ 现的。他们在制造飞机的框架及直升飞机的转动机翼时，利用全数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路线的影响，使得加工精度达到 ，达到了当时的最高水平。 1952年，麻省理工学院在一台立式铣床上，装上了一套试验性的数控系统，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。 这台机床是一台试验性机床，到了 1954年 11月，在派尔逊斯专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司（ 式生产出来。 在此以后，从 1960 年开始，其他一些工业国家，如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机床。 数控机床中最初出现并获得使用的是数控铣床，因为数控机床能够解决普通机床难于胜任的、需要进行轮廓加工的曲线或曲面零件。 然而，由于当时的数控系统采用的是电子管，体积庞大，功耗高，因此除了在军事部门使用外，在其他行业没有得到推广使用。 到了 1960年以后 ，点位控制的数控机床得到了迅速的发展。因为点位控制的数控系统比起轮廓控制的数控系统要简单得多。因此，数控铣床、冲床、坐标镗床大量发展，据统计资料表明，到 1966年实际使用的约 6000台数控机床中， 85%是点位控制的机床。 数控机床的发展中，值得一提的是加工中心。这是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现工件一次装卡而进行多工序的加工。这种产品最初是在 1959 年 3月，由美国卡耐 &特雷克公司（ 开发出来的。这种机床在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具，根据穿孔 带的指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上，对工件进行加工。它可缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。加工中心现在已经成为数控机床中一种非常重要的品种，不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣类加工中心，还有用于回转整体零件加工的车削中心、磨削中心等。 1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是所谓的柔性制造系统（ 后，美、欧、日等也相继进行开发及应用。 1974年以后，随着微电子技 术的迅速发展，微处理器直接用于数控机床，使数控的软件功能加强，发展成计算机数字控制机床（简称为 进一步推动了数控机床的普及应用和大力发展。 80年代，国际上出现了 1 4台加工中心或车削中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造单元（ 这种单元投资少，见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成到 目前， 接、装配等领域扩展，从中小批量加工向大 批量加工发展。 所以机床数控技术，被认为是现代机械自动化的基础技术。 控技术未来的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（ 车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。 速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是 先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（ 其确定为 21世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30万辆的生产节拍是 40秒 /辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料 “ 掏 空 ” 的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从 速加工中心进给速度可达 80m/至更高，空运行速度可达 100m/右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 0m/速为 100m/ 速度达 2g，主轴转速已达 60000r/工一薄壁飞机零件，只用 30同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德国 2*!000r/ 1g。 在加工精度方面，近 10年来，普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到5m ，精密级加工中心则从 3 5m ，提高到 1 并且超精密加工精度已开始进入纳米级 (。 在可靠性方面，国外数控装置的 000服系统的 到 30000现出非常高的可靠性。 采用 5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为， 1 台 5轴联动机床的效率可以等于 2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比 3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5轴联动机床的发展。 当前由于电主 轴的出现，使得实现 5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含 5面加工机床）的发展。 在 日本工机的 5面加工机床采用复合主轴头，可实现 4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5面加工和 5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 在一次装夹下 5面加工和 5轴联动加工，可由 统控制或 能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的 数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家 对开放式系统进行研究。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 本山崎马扎克（ 司展出的 “（智能生产控制中心，简称日本大隈（ 床公司展出 “IT （信息技术广场，简称 ；德国西门子 (司展出的 放制造环境，简称 ，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 视新技术标准、规范的建立 (1) 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范 (研究和制定，世界 3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定， 预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2000年也开始进行中国的 (2) 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50年间的信息交换都是基于 采用 G， 工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的 其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周 期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先， 出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中， 在新标准下， 正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次， 控系统还可大大减少加工图纸（约 75）、加工程序编制时间（约 35）和加工时间（约 50）。 目前，欧美国家非常 重视 洲发起了 参加这项计划的有来自欧洲和日 本 户、厂商和学术机构。美国的 已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型 (其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了了验证。 第 三 章 数控机床的计 算及校核 计思想 本 课题是以机器经济性 好、人性化设计 、可靠性高、寿命长、结构简单、易于维修等为设计思想。 驱动 电机减速器系统方案 经济性比较 系统方案图如下： （ a）为带传动 （ b）为带传动 二 级圆柱圆锥减速器系统 （ c）为联轴器 （ d）为带传动 三 级圆柱斜齿轮减速器系统 图 电机减速器系统方案 方案评价： （ a）方案为整体布局最小，传动平稳，而且可以实现较大的传动比，但是由于涡杆传动效率低，功率损失大，很不经济。（ b）方案布局比较小，但是圆锥齿轮加工较困难，特别的是大直径，大模数的锥轮，所以一般不采用。 (c) 方案中减速器选择合理，但本设计是用于数控机床的小型排屑装置，工作速度很低，实用联轴器不利于减速，会增加减速器的成本，不够经济。 最终确定方案为（ d）方案。 该方案的优缺点： 该工作机有轻微振动，由于带有缓冲吸振能力，采用带传动能减小振动带来的影响，而且利于减速，还能起过载保护的作用，并且该工作机属于小功率、载荷变化不大，可以采用带这种简单的结构，并且价格便宜，标准化程度高，大幅降低了成本。减速器部分两级 展开式圆柱齿轮减速，这是两级减速器中应用最广泛的一种。齿轮相对于轴承不对称，要求轴具有较大的刚度。高速级齿轮常布置在远离扭矩输入端的一边，以减小因弯曲变形所引起的载荷沿齿宽分布不均现象。电动机部分为 步电动机。 总体来讲，该传动方案满足工作机的性能要求，适应工作条件、工作可靠，此外还结构简单、成本低、传动效率高。 机的选择 根据动力源和工作条件，选用交流电机， 根据传输机构的布置以及床身的最大回转直径 400传 动采用普通电动机，外加变频器调速，调速范围： 10/1400r 40/800r 20/1250r 可无级调速 ，由工件的最大直径，及摩擦力预估工作机的功率。 工作机有效功率为： P=FV= 63已知条件得电动机有效功率 /，式中 为系统总的传动效率。 电动机到 传动机构总传动效率 261 2 3 4 5 式中：1为带的传动效率， 2 为闭式齿轮的传动效率，3为圆锥滚子轴承的传动效率， 4 为联轴器的传动效率，5为 传动效率。 定电动机型号 根据已知条件 加工的最大转速 为： 1250rwn v z p 式中 p 为一轴的齿数 ， 1z 为小齿 轮齿数，取 1z =17 /wn r m 选取电动机型号为 步转速为 1200 /r ,对应额定功率为 伸轴直径 24案 电动机型号 额定功率 （ 同步转速 （ r/ 满载转速 （ r/ 总传动比 i 1 200 1000 50 减速器的设计 轮的设计 轮设计计算 ： （一）选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 柱斜齿轮 7级 文献 12表 10齿轮均选用 40质），小齿轮硬度为 280齿轮材料 45钢（调质），硬度为 240者相差 40 4选择小齿轮的齿数1 18Z ，大齿轮齿数215 9 0 ，则取 Z =90 初选螺旋角 14 。 （ 二）按齿面接触强度设计 由文献 12式 10行 计算3 11 )(12 式（ 1确定公式内的各计算数值 (1)试选载荷系数 6.1)由文献 12图 10Z (3)由文献 12图 10 式（ （ 4）计算小齿轮转速 由前面的计算可知1 T N M（ 5）查文献 12表 10d（ 6）查文献 1210材料的弹性影响系数 （ 7)由文献 12图 10齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限001 ；大齿轮的接触疲劳强度极限 502 (8)由式文献 1210算应力循环次数 8116 0 6 0 2 3 3 . 3 3 1 (1 8 3 0 0 6 ) 2 . 0 1 5 9 7 1 0hN n j L 式（ 8821 / 5 2 . 0 1 5 9 7 1 0 / 5 0 . 4 0 3 1 9 1 0 （ 9）由文献 12图 100)计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由文献 12公式 10 M p i 式（ M p i M 5 72/)5 4 55 7 0(2/)( 11 （ 1）计算试算小齿轮分度圆直径计算公式 3 231 2 1 . 6 3 . 8 1 0 6 2 . 4 3 3 1 8 9 . 8( ) 2 01 1 . 5 6 5 5 5 7td m m (2)计算圆周速度 11 2 0 2 3 3 . 3 3 / 0 . 2 4 4 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s m s 式（ （ 3）计算齿宽 2 0 2 0d m m 式（ 11c o s / 2 0 0 . 9 7 / 1 8 1 . 0 8n t tm d z m m 式（ 2 . 2 5 2 . 2 5 1 . 0 8 2 . 4 3m m m 式（ / 2 0 / 2 . 4 3 8 . 2 3 式（ （ 4）计算纵向重合度10 . 3 1 8 t a n 0 . 3 1 8 1 1 8 0 . 2 5 1 . 4 3 1d z 式（ （ 5）计算载荷系数 K 已知使用系数 1 根据 v m s ， 8 级精度，由图文献 12104.1得 2 2 331 . 1 2 0 . 1 8 ( 1 0 . 6 ) 0 . 2 3 1 01 . 1 2 0 . 1 8 ( 1 0 . 6 1 ) 1 0 . 2 3 1 0 2 0 1 . 4H d 式（ 查表文献 12101210 K，所以载荷系数 式（ （ 6）按实际载荷系数校正所得的分度圆直径由文献 12式 103311 / 2 0 1 . 7 7 / 1 . 6 2 0 . 6 8d K K 式（ （ 7）计算模数11c o s 1 4 / 2 0 . 6 8 0 . 9 7 / 1 8 1 . 1 1nm d z （三）按齿根弯曲强度设计 3 2121co 式（ （ 1）计算载荷系数 6 7 （ 2）根据纵向重合度 由文献图 10得螺旋角影响系数 Y（ 3）计算当量齿数 1 3312 33218 1 9 . 7c o s c o s 1 490 9 8 . 5c o s c o s 1 4 式（ （ 4）根据文献 10查取齿形系数 由表 10 8 3 Y（ 5）查取应力校正系数 由表 10 8 4 Y（ 6）由图 10轮的弯曲疲劳强度极限 301 ，大齿轮为002 由图 10 计算弯曲疲劳许用应力： 取弯曲疲劳安全系数 S=式 10 M P （ 7）计算大小齿轮的 112 . 8 3 5 1 . 5 4 6 0 . 0 1 6 4 2 6 7 . 2 1 1F a S 0 1 5 7 7 8 222 Y 大齿轮数值 2322 1 . 6 7 2 3 8 0 0 0 . 8 8 c o s 1 4 0 . 0 1 6 41 1 8 1 . 5 60 . 6 9 9 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径 关，可取弯 曲强度算得模 数 接触强度得的分度圆直径1 2 0 d 算出小齿轮齿数 11 c o s 2 0 . 6 8 c o s 1 4 1 6 . 7 21 . 2 5 取 1 18z 式（ 21 5 1 8 9 0 取2 90z 计算中心距12() (1 8 9 0 )
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