Φ500mm的数控车床总体设计及横向进给设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】
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毕业设计 (论文 ) 500数控 车床 总体设计 及横向进给设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 要 全面阐述了数控 车 床 的结构原理，设计特点，论述了采用 伺服 电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控 车 床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。 关键词 ： 车 床 ， 数控 ，伺服 电机 ， 滚珠丝杠 of C In to on of of 录 摘 要 . . 录 . 1 章 数控机床发展概述 . 1 控机床及其特点 . 1 控车床的主要功能及加工对象 . 1 控机床的经济分析 . 2 小企业数控机床选用中存在的问题 . 2 控机床选购的策略 . 2 控机床的发展趋向 . 4 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 . 5 体方案设计内容 . 5 统运动方式的确定 . 5 制方式的选择 . 6 体方案确定 . 6 统的运动方式伺服系统的选择 . 6 控系统 . 6 械传动方式 . 6 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 . 7 学选择数控刀具 . 7 择数控刀具的原则 . 7 择数控车削用刀具 . 8 置刀点和换刀点 . 8 定切削用量 . 9 定主轴转速 . 9 定进给速度 . 9 定背吃刀量 . 9 第 4 章 进给系统设计计算 . 10 V 选择脉冲当 量 . 10 算切削力 . 10 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 11 轮进给齿轮箱传动比计算 . 19 进电机的计算和选型 . 20 第 6 章 微机数控系统的设计 . 24 微机数控系统的设计纲要 . 24 件电路设计 . 24 件电路设计 . 25 8031 单片机及其扩展 . 26 031 单片机的简介 . 26 031 单片机的系统扩展 . 27 储器扩展 . 29 I/O 口的扩展 . 30 步进电机驱动电路 . 31 脉冲分配器（环行分配器） . 32 光电隔离电路 . 32 率放大器 . 32 他辅助电路 . 33 结 论 . 35 致 谢 . 36 参考文献 . 37 1 第 1 章 数控机床发展概述 控机床及其特点 数字控制机床是用数字代码形式的信息 (程序指令 )，控制刀具按给定的工作程 序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、 车 床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指 令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。 随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 控 车 床的主要功能及加工对象 数控 车 床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控 车 床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、 固定循环功能等。特殊功能是指数控 车 床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。 在使用数控 车 床加工工件时，只要充分利用数控 车 床的各种功能，就可以加工许多普通 车 床难加工的工件。数控 车 床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。 2 1、 直线插补 : 数控 车 床 在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下分为直线插补和空间直线插补等一些插补方式 2、圆弧插补 : 这也是 数控 车 床 在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下可分为平面圆弧插补以及逼近圆弧插补等。 3、固定循环 : 固定循环是指通过各种参数使用不同的加工要求，主要用于实现一些鱼油经典型的需要多次重复的工作，这样使用固定循环是可以有效的 简化程序的编制。 控机床的经济分析 近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。 由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性 ,以及品种型号、档次的多样性 ,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备 , 成为中小型企业十分关心的问题。 小企业数控机床选用中存在的问题 目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才 ,在数 控机床选购中存在着盲目性、片面性 ,主要表现在以下几方面 : 部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益 ,忽略性价比 ,盲目追求进口、高档 ,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品 , 数控系统不统一 , 购置后给操作、编程、维修带来困难。 而忽略附件和刀具的配套 , 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。 所购设备的功能的发挥受到制约。 控机床选购的策略 购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。 (1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时 ,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的 3 精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异 ,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关 ,反 映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度 ,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。 (2)数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能 , 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外 , 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基 本功能比较便宜 , 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中 , 性能差别很大 ,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。 从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量 , 合理地选择适合机床的可选功能 ,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置 (是加工中心的基本特征， 置的投资往往占整机的 30% 50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的 单价大大高于随同主机一起供货的附件单价 ,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下 , 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的 , 机床选得实用、经济 , 可避免不必要的浪费 , 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。 数控机床的设计使用寿命一般为 7 年 , 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率 , 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品 , 已受到多 数用户的青睐和肯定 , 一般不会有太多的质量问题。 选购数控机床应考虑投资回报 , 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。 4 机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价 40 万，三年后可能降至 35 万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。 控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题 , 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率 , 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准 (规定为 500h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本 国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全 ,服务队伍的素质是否能 胜任工作 ,服务能否及时 ,是否能履行承诺等。 控机床的发展趋向 数控机床是由美国发明家 约翰 帕森斯 上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。 技术发展趋势 ： 高速、精 密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 合加工技术日趋成熟，包括车 车 复合、车 钻 磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。 “一台机床就是一个加工厂 ”、 “一次装卡，完全加工 ”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞 功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测 5 和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车 车 复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技 术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（ 升到目前 的微米级（ 有些品种已达到 右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到 右，形状精度可达 右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（ 通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功 能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 体方案设计内容 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。 机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的 确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。 统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。 6 制方式的选择 系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实 际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。 体方案确定 统的运动方式伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 控系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预 加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。 系统总体方案框图如下： 7 图 2统总体方案框图 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 学选择数控刀具 择数控刀具的原则 刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定 . 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复 杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时 间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取 15于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时 间内所分担到的全厂开支 M 较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀 具寿命应按零件精度和表面粗糙度 来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整 方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料 (如高速钢、超细粒度硬质合 8 金 )并使用可转位刀片。 择数控 车 削用刀具 在数控加工中， 车 削平面零件内外轮廓 及 车 削平面常用平底立 车 刀，该刀具有关参数的经验数据如下 :一是 车 刀半径 小于零件内轮廓面的最小曲率半径 般取 是零件的加工高度 H(1/4)保证刀具有足够的刚度。三是用平底立 车 刀 车 削内槽底部时，由于槽底两次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作用的半径 即直径为 d=2(编程时取刀具半径为 r)。对于一些立体型面和变斜 角轮廓外形的加工，常用球形 车 刀、环形 车 刀、鼓形 车 刀、锥形车 刀和盘 车 刀。 目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，对可转 位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号对于加工中心及有自动换刀 装置的机床，刀具的刀柄都已有系列化和标准化的规定，如锥柄刀 具系统的标准代号为 柄刀具系统的标准代号为 外，对所选择的刀具，在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得精确数据， 并由操作者将这些数据输入数据系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。 置刀点和换刀点 刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢 ?所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工 件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般 通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则 是 :便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工过程中便于检查 ;引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提 高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即 “刀位点 ”与 “对 刀点 ”的重合。所谓 “刀位点 ”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。平底立 车 刀是刀具轴线与刀具底面的交点 ;球头 车 刀是球头的球心， 钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中 需要换刀时，应规定换刀点。所谓 “换刀点 ”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。 9 定切削用量 数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要 选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是 :保证零件加 工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限 度提高生产率，降低成本。 定主轴转速 主轴转速应根据允许的切 削速度和工件 (或刀具 )直径来选择。其计算公式为 :n=1000v/71D 式中 :v切削速度，单位为 m/m 动，由刀具的耐用度决定 ;n 一一主轴转速，单 位为 r/工件直径或刀具直径，单位为 算的主轴转速 n，最后要选取机床有的或较接近的转速。 定进给速度 进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面 粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的 性能限制。确定进给速度的原则 :当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在 100 一 200mm/围内选取 ; 在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在 20 一 50mm/围内选取 ;当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选 小些，一般在 20围内选取 ;刀具空行程时，特别是远距离 “回零 ”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。 定背吃刀量 背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保 证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般 之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。 切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓 “合理的 ”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和机床动力性能 (功率、扭矩 )，在保证质量的前提下，获得高的生产率 10 和低的加工成本的切削用量。 第 4 章 进给系统设计计算 选择脉冲当量 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、 车 床常采用的脉冲当量是 根据机床精度要求确定脉冲当量： 纵向： 横向： 径 ) 算切削力 用车床经验公式 式中 横切端面时主切削力 可取纵切时 1/2。 求出主切削里 后再按以下比例分别求出分力 ： 中 走刀方向的切削力（ N）； 垂直走刀方向的切削力（ N）。 下图为纵切和横切时切削力的示意图。 图 2 纵切和横切时切削力的示意图 11 1、 纵车外圆 主切削力 N)按经验公式估计算： （ N） 按切削力各分力比例： ： x 1 8 7 2 . 7 1 9 1 （ N） 9 9 6 . 3 3 9 1 （ N） 2、 横切端面 主切削力 （ N）可取纵切的 1/2。 37 45. 421F 21 s （ N） 9 3 6 . 3 4 （ N） 1 4 9 8 . 1 6 4 5 （ N） 珠丝杠螺母副的计算和选型 （一） 纵向进给丝杠 1、 计算进给轴向力 N） 纵向进给这里为三角形导轨： ( 式中 K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取 K= f ：指滑动导轨摩擦系数取 间的值； G：指流板及刀架重力， G=1100N。 则 3 6 1 4 . 0 5 2) （ N） 2、 计算最大动负载 Q 考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载 Q 的计算公式为： 61060 12 式中 0L：指滚珠丝杠导程，初选0L=8； n：指丝杠转速，（ r/； 最大切削力条件下的进给速度（ m/,可取最高进给速度的1/21/3，此处取 T ：指使用寿命时间（ h） ,对于数控机床取 T=15000h.。 L：指寿命，以 106 转为一单位； 运动系数，见 表 1， 选 表 1运转系数 运转状态 运转系数 无冲击运转 般运转 冲击运转 n 3 7 0 01 0 0 00 Lv s ( r/L 0 0 Q 15 18 3. 17 4836 14 . 05 N） 3、 滚珠丝杠螺母副的选型 从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载 C 的滚珠丝杠副的尺 寸规格和结构类型，选用时应满足 Q C 的条件。 查表：可采用 5008 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副， 1 列，其额定动负载为 23400N，符合 Q C 的条件。精度等级按表 2，选为 1 级。 2滚珠丝杠行程公差 项 目 符 号 有效行程 精度等 级 1 2 3 4 5 6 8 12 16 23 315400 7 9 13 18 25 13 目标行程公差 400500 8 10 15 20 27 500630 9 11 16 22 30 行程变动量公差 6 8 12 16 23 315400 6 8 12 17 25 400500 7 10 13 19 26 500630 7 11 14 21 29 任意 300 12 16 23 2 弧度内行程变动量 4 5 6 7 8 4、传动效率计算 )( tg ：指螺旋升角， =2 55 ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 ,03.0f 其摩擦角 ，约等于 01 。 则 155 2(55 2)( 5、刚度验算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图 3 所示，最大轴向力为 ，支承间距 L=1500丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。 14 图 3 纵向进给系统计算简图 计算如下： （ 1） 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 （ ， E N/材料弹性模数，对钢来说是等于这个值 )， 500 D R= e= 20 ( A 1 6 0 3 . . 4 2 2d( 221 (（ A 指滚珠丝杠按内径定的 截面积） 丝杠导程 540 0 1 4 FL m 总长度 L=1500杠上的变形量 1 ，由于两端均采用推力球轴承，则值： 1 3 1 2115008 (2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 （ 由 61.4 承载滚珠数量 Z Z 列数圈数 列数圈数 由于滚珠丝杠副施加预应力，且预应力 ，则变形 2 = 4 4 7 1 15 （ (3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变3（ 这里采用有预紧时的推力球轴承则 3 243 查机械设计手册中表 6用 51109 型推力球轴承，其 d=45滚动体直径 滚动体数量 Z=22， 3 243 3 243/ 1 1 （ 则定位误差 0 0321 333 1 0 3 =定定位精度 ) 6、稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需作稳定性校核。 （二） 横向进给丝杠 1、 计算进给轴向力向导轨为燕尾形，计算如下： 2( 由于是燕尾形导轨式中： K=f = 2 7 5 9)5 0 01 6 9 824 1 4 5( 、计算最大动负载 Q n 0 01 0 0 00 L v s ( r/L 5 00 025601060 66 N） 16 查表：可采用 2506 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副， 1 列，其额定动负载为 13100N，符合 Q C 的条件。精度等级按表 2滚珠丝杠行程公差表，选为 1 级。 106 、传动效率计算 122 4( 22 4)( tg 5、刚度验算 横向进给滚珠丝杠支承方式如图 4 所示，最大轴向力为 2759N， 支承间距 L=550因丝杠长度较短，不需要预紧。 图 4 横向进给系统计算简图 计算如下： (1) 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 （ 根据 2759 5 E N/ R= e= 20 2 0 . 9 8 3 ( A 3 4 5 . 8 3 4 2d( 221 ( 08 3 7 5 9 m （ (2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 （ 对滚珠丝杠副施加预紧力 F 为轴向负载的 1/3。 17 由 969.3 载滚珠数量 Z Z 列数圈数 列数圈数 2 = （ (3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变3（ 这里采用有预紧时的推力球轴承则 3 243 查机械设计手册中表 6用 51104 型推力球轴承，其 d=20滚动体直径 滚动体数量 Z=14， 3 243 3 243/2 7 5 5 （ 则定位误差 0 0321 333 =显然变形量已大于规定的定位精度（ m 1 毕业设计说明书 设计题目： 学 生 班 级 学 号 指导教师 继 续 教 育 学 院 二 O 一三年五月 2 毕业设计任务书 设计题目： 学 生 班 级 学 号 指导教师 继 续 教 育 学 院 二 O 一三年五月 3 兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计 任 务 书 学 生 指导教师 班 级 职 称 一 毕业设计题目 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 320 430 460 500 550 600 630 最大 工件长度（第二主参数， 700 1000 1200 1500 1600 1700 1800 最大加工长度/ 650 900 1000 1400 1500 1600 1700 主传动调速范围r 0/800 10/1400 20/1200 20/1250 25/1250 30/1450 30/1450 2、主传动采用交、直流调速电动机，并可无级调速。 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。 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 4 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 项要求每个学生按照题目不同设计完成不同内容。 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 数控机床设计 陈婵娟主编 化学工业出版社 摘 要 全面阐述了数控 车 床 的结构原理，设计特点，论述了采用 伺服 电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控 车 床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。 关键词 ： 车 床 ， 数控 ，伺服 电机 ， 滚珠丝杠 of C In to on of of 录 摘 要 . I . 录 . 1章 数控机床发展概述 .未定义书签。 控机床及其特点 . 错误 !未定义书签。 控车床的主要功能及加工对象 . 错误 !未定义书签。 控机床的经济分析 . 错误 !未定义书签。 小企业数控机床选用中存在的问题 . 错误 !未定义书签。 控机床选购的策略 . 错误 !未定义书签。 控机床的发展趋向 . 错误 !未定义书签。 第 2章 数控机床总体方案的制订及比较 .未定义书签。 体方案设计内容 . 错误 !未定义书签。 统运动方式的确定 . 错误 !未定义书签。 制方式的选择 . 错误 !未定义书签。 体 方案确定 . 错误 !未定义书签。 统的运动方式伺服系统的选择 . 错误 !未定义书签。 控系统 . 错误 !未定义书签。 械传动方式 . 错误 !未定义书签。 第 3章 确定切削用量及选择刀具 .未定义书签。 学选择数控刀具 . 错误 !未定义书签。 择数控刀具的原则 . 错误 !未定义书签。 择数控车削用刀具 . 错误 !未定义书签。 置刀点和换刀点 . 错误 !未定义书签。 定切削用量 . 错误 !未定义书签。 定主轴转速 . 错误 !未定义书签。 定进给速度 . 错误 !未定义书签。 定背吃刀量 . 错误 !未定义书签。 第 4章 进给系统设计计算 .未定义书签。 选择脉冲当量 . 错误 !未定义书签。 算切削力 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠螺母副的计算和选 型 . 错误 !未定义书签。 轮进给齿轮箱传动比计算 . 错误 !未定义书签。 进电机的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 第 6章 微机数控系统的设计 .未定义书签。 微机数控系统的设计纲要 . 错误 !未定义书签。 件电路设计 . 错误 !未定义书签。 件电路设计 . 错误 !未定义书签。 8031 单片机及其扩展 . 错误 !未定义书签。 031 单片机的简介 . 错误 !未定义书签。 031 单片机的系统扩展 . 错误 !未定义书签。 储器扩展 . 错误 !未定义书签。 I/O 口的扩展 . 错误 !未定义书签。 步进电机驱动电路 . 错误 !未定义书签。 脉冲分配器（环行分配器） . 错误 !未定义书签。 光电隔离电路 . 错误 !未定义书签。 率放大器 . 错误 !未定义书签。 他辅助电路 . 错误 !未定义书签。 结 论 .未定义书签。 致 谢 .未定义书签。 参考文献 .未定义书签。 5 毕业设计 (论文 ) 500数控 车床 总体设计 及横向进给设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 要 全面阐述了数控 车 床 的结构原理，设计特点，论述了采用 伺服 电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控 车 床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。 关键词 ： 车 床 ， 数控 ，伺服 电机 ， 滚珠丝杠 of C In to on of of 录 摘 要 . . 录 . 1 章 数控机床发展概述 . 1 控机床及其特点 . 1 控车床的主要功能及加工对象 . 1 控机床的经济分析 . 2 小企业数控机床选用中存在的问题 . 2 控机床选购的策略 . 2 控机床的发展趋向 . 4 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 . 5 体方案设计内容 . 5 统运动方式的确定 . 5 制方式的选择 . 6 体方案确定 . 6 统的运动方式伺服系统的选择 . 6 控系统 . 6 械传动方式 . 6 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 . 7 学选择数控刀具 . 7 择数控刀具的原则 . 7 择数控车削用刀具 . 8 置刀点和换刀点 . 8 定切削用量 . 9 定主轴转速 . 9 定进给速度 . 9 定背吃刀量 . 9 第 4 章 进给系统设计计算 . 10 V 选择脉冲当 量 . 10 算切削力 . 10 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 11 轮进给齿轮箱传动比计算 . 19 进电机的计算和选型 . 20 第 6 章 微机数控系统的设计 . 24 微机数控系统的设计纲要 . 24 件电路设计 . 24 件电路设计 . 25 8031 单片机及其扩展 . 26 031 单片机的简介 . 26 031 单片机的系统扩展 . 27 储器扩展 . 29 I/O 口的扩展 . 30 步进电机驱动电路 . 31 脉冲分配器（环行分配器） . 32 光电隔离电路 . 32 率放大器 . 32 他辅助电路 . 33 结 论 . 35 致 谢 . 36 参考文献 . 37 1 第 1 章 数控机床发展概述 控机床及其特点 数字控制机床是用数字代码形式的信息 (程序指令 )，控制刀具按给定的工作程 序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、 车 床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指 令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。 随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 控 车 床的主要功能及加工对象 数控 车 床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控 车 床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、 固定循环功能等。特殊功能是指数控 车 床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。 在使用数控 车 床加工工件时，只要充分利用数控 车 床的各种功能，就可以加工许多普通 车 床难加工的工件。数控 车 床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。 2 1、 直线插补 : 数控 车 床 在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下分为直线插补和空间直线插补等一些插补方式 2、圆弧插补 : 这也是 数控 车 床 在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下可分为平面圆弧插补以及逼近圆弧插补等。 3、固定循环 : 固定循环是指通过各种参数使用不同的加工要求，主要用于实现一些鱼油经典型的需要多次重复的工作，这样使用固定循环是可以有效的 简化程序的编制。 控机床的经济分析 近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。 由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性 ,以及品种型号、档次的多样性 ,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备 , 成为中小型企业十分关心的问题。 小企业数控机床选用中存在的问题 目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才 ,在数 控机床选购中存在着盲目性、片面性 ,主要表现在以下几方面 : 部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益 ,忽略性价比 ,盲目追求进口、高档 ,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品 , 数控系统不统一 , 购置后给操作、编程、维修带来困难。 而忽略附件和刀具的配套 , 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。 所购设备的功能的发挥受到制约。 控机床选购的策略 购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。 (1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时 ,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的 3 精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异 ,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关 ,反 映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度 ,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。 (2)数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能 , 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外 , 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基 本功能比较便宜 , 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中 , 性能差别很大 ,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。 从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量 , 合理地选择适合机床的可选功能 ,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置 (是加工中心的基本特征， 置的投资往往占整机的 30% 50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的 单价大大高于随同主机一起供货的附件单价 ,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下 , 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的 , 机床选得实用、经济 , 可避免不必要的浪费 , 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。 数控机床的设计使用寿命一般为 7 年 , 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率 , 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品 , 已受到多 数用户的青睐和肯定 , 一般不会有太多的质量问题。 选购数控机床应考虑投资回报 , 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。 4 机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价 40 万，三年后可能降至 35 万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。 控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题 , 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率 , 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准 (规定为 500h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本 国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全 ,服务队伍的素质是否能 胜任工作 ,服务能否及时 ,是否能履行承诺等。 控机床的发展趋向 数控机床是由美国发明家 约翰 帕森斯 上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。 技术发展趋势 ： 高速、精 密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 合加工技术日趋成熟，包括车 车 复合、车 钻 磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。 “一台机床就是一个加工厂 ”、 “一次装卡，完全加工 ”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞 功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测 5 和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车 车 复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技 术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（ 升到目前 的微米级（ 有些品种已达到 右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到 右，形状精度可达 右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（ 通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功 能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 体方案设计内容 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。 机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的 确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。 统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。 6 制方式的选择 系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实 际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。 体方案确定 统的运动方式伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 控系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预 加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。 系统总体方案框图如下： 7 图 2统总体方案框图 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 学选择数控刀具 择数控刀具的原则 刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定 . 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复 杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时 间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取 15于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时 间内所分担到的全厂开支 M 较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀 具寿命应按零件精度和表面粗糙度 来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整 方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料 (如高速钢、超细粒度硬质合 8 金 )并使用可转位刀片。 择数控 车 削用刀具 在数控加工中， 车 削平面零件内外轮廓 及 车 削平面常用平底立 车 刀，该刀具有关参数的经验数据如下 :一是 车 刀半径 小于零件内轮廓面的最小曲率半径 般取 是零件的加工高度 H(1/4)保证刀具有足够的刚度。三是用平底立 车 刀 车 削内槽底部时，由于槽底两次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作用的半径 即直径为 d=2(编程时取刀具半径为 r)。对于一些立体型面和变斜 角轮廓外形的加工，常用球形 车 刀、环形 车 刀、鼓形 车 刀、锥形车 刀和盘 车 刀。 目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，对可转 位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号对于加工中心及有自动换刀 装置的机床，刀具的刀柄都已有系列化和标准化的规定，如锥柄刀 具系统的标准代号为 柄刀具系统的标准代号为 外，对所选择的刀具，在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得精确数据， 并由操作者将这些数据输入数据系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。 置刀点和换刀点 刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢 ?所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工 件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般 通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则 是 :便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工过程中便于检查 ;引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提 高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即 “刀位点 ”与 “对 刀点 ”的重合。所谓 “刀位点 ”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。平底立 车 刀是刀具轴线与刀具底面的交点 ;球头 车 刀是球头的球心， 钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中 需要换刀时，应规定换刀点。所谓 “换刀点 ”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。 9 定切削用量 数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要 选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是 :保证零件加 工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限 度提高生产率，降低成本。 定主轴转速 主轴转速应根据允许的切 削速度和工件 (或刀具 )直径来选择。其计算公式为 :n=1000v/71D 式中 :v切削速度，单位为 m/m 动，由刀具的耐用度决定 ;n 一一主轴转速，单 位为 r/工件直径或刀具直径，单位为 算的主轴转速 n，最后要选取机床有的或较接近的转速。 定进给速度 进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面 粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的 性能限制。确定进给速度的原则 :当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在 100 一 200mm/围内选取 ; 在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在 20 一 50mm/围内选取 ;当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选 小些，一般在 20围内选取 ;刀具空行程时，特别是远距离 “回零 ”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。 定背吃刀量 背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保 证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般 之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。 切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓 “合理的 ”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和机床动力性能 (功率、扭矩 )，在保证质量的前提下，获得高的生产率 10 和低的加工成本的切削用量。 第 4 章 进给系统设计计算 选择脉冲当量 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、 车 床常采用的脉冲当量是 根据机床精度要求确定脉冲当量：
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