XK6132数控铣床总体及主运动传动系统设计【全套3张CAD图纸和毕业论文】【兰州理工大学独家】

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This paper illustrates the universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the design process, a more detailed description of the XK6132 universal lifting platform milling machine transformation part of the design and numerical control system design. Using 8031 as the CPU control system of signal processing by the I/O interface, and output the step pulse, through a gear reducer, drive the leading screw to roll, so as to realize the vertical movement of the feed.Reform process as follows: ( 1) the reformation of machine part, including the overall reconstruction scheme and vertical feed direction of reformation. Consisting mainly of ball screw pair and reaction stepper motor selection and calculation of vertical feeding mechanism assembly plan. ( 2) the electrical control design, including MCS-51 Series MCU and the expansion of the chip selection and electrical control diagram design.Keywords: numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform目录目录 4第1章数控机床发展概述 11.1数控机床及其特点 101.2数控机床的适用范围 111.3 数控机床的工艺范围及加工精度 111.3.1数控机床加工工艺分析 111.3.2数控加工工艺的设计 121.3.3分析加工工艺路线 121.3.4编程原点的选择 121.4 模拟仿真技术 121.5 数控机床的精度影响及分析 131.5.1 间隙误差的影响 131.5.2度的反向误差控制 141.6数控机床的经济分析 151.6.1控制系统的选择 161.6.2 选择设计对象要适宜 171.6.3 机床的机械设计范围要适当 171.6.4 辅助设计要合适 181.7数控机床的发展趋向 191.7.1 个性化的发展趋势 191.7.2 个性化是市场适应性发展趋势 201.7.3 开放性是体系结构的发展趋势 20第2章数控机床总体方案的制订及比较 212.1 设计任务 212.2 总体方案设计的内容 212.2.1伺服驱动 212.2.2数控装置 222.2.3系统功能 222.2.4采用环形分配器 222.2.5采用滚珠丝杠螺母副 22第3章确定切削用量及选择刀具 233.1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae 243.2.进给量f 与进给速度Vf的选择 263.3.切削速度Vc 27第4章传动系统图的设计计算 304.1 参数的确定 304.2 传动设计 324.3转速图的拟定 35第5章主运动传动系统装配图和零件图的设计计算 385.1 带轮传动部分的设计 385.2 齿轮传动部分的设计 425.3电磁离合器的选择 475.4 轴的设计计算 48第6章硬件电路图的设计 556.1微机控制系统组成及特点 556.1.1微机控制系统的组成 556.1.2微机数控系统的特点 556.2微机控制系统设备介绍 566.2.1主控制器CPU的选择 566.2.2存储器电路的扩展 576.2.3 I/O口电路的扩展 586.2.4 步进电机驱动电路 586.2.5其它辅助电路设计 596.3程序部分 60总结与展望 64参考文献 65致谢 66第1章数控机床发展概述数控机床发展史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（Parsons Corporation）实现的。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±0.0381mm（±0.0015in），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（Bendix-Cooperation）正式生产出来。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（Keaney & Trecker Corp.）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（Flexible Manufacturing SystemFMS）之后，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CNC机床），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14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（Flexible Manufacturing CellFMC）。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FMS或更高级的集成制造系统中使用。目前，FMS也从切削加工向板材冷作、焊接、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。那什么是铣床呢？据资料所载，所谓铣床，是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在铣床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。铣床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。古代的铣床是靠手拉或脚踏，通过绳索使工件旋转，并手持刀具而进行切削的。1797年，英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的现代铣床，并于1800年采用交换齿轮，可改变进给速度和被加工螺纹的螺距。1817年，另一位英国人罗伯茨采用了四级带轮和背轮机构来改变主轴转速。为了提高机械化自动化程度，1845年，美国的菲奇发明转塔铣床；1848年，美国又出现回轮铣床；1873年，美国的斯潘塞制成一台单轴自动铣床，不久他又制成三轴自动铣床；20世纪初出现了由单独电机驱动的带有齿轮变速箱的铣床。第一次世界大战后，由于军火、汽车和其他机械工业的需要，各种高效自动铣床和专门化铣床迅速发展。为了提高小批量工件的生产率，40年代末，带液压仿形装置的铣床得到推广，与此同时，多刀铣床也得到发展。50年代中，发展了带穿孔卡、插销板和拨码盘等的程序控制铣床。数控技术于60年代开始用于铣床，70年代后得到迅速发展。铣床依用途和功能区分为多种类型。普通铣床的加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。这种铣床主要由工人手工操作，生产效率低，适用于单件、小批生产和修配车间。转塔铣床和回转铣床具有能装多把刀具的转塔刀架或回轮刀架，能在工件的一次装夹中由工人依次使用不同刀具完成多种工序，适用于成批生产。自动铣床能按一定程序自动完成中小型工件的多工序加工，能自动上下料，重复加工一批同样的工件，适用于大批、大量生产。多刀半自动铣床有单轴、多轴、卧式和立式之分。单轴卧式的布局形式与普通铣床相似，但两组刀架分别装在主轴的前后或上下，用于加工盘、环和轴类工件，其生产率比普通铣床提高35倍。仿形铣床能仿照样板或样件的形状尺寸，自动完成工件的加工循环，适用于形状较复杂的工件的小批和成批生产，生产率比普通铣床高1015倍。有多刀架、多轴、卡盘式、立式等类型立式铣床的主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横粱或立柱上移动。适用于加工较大、较重、难于在普通铣床上安装的工件，一般分为单柱和双柱两大类。铲齿铣床在车削的同时，刀架周期地作径向往复运动，用于铲车铣刀、滚刀等的成形齿面。通常带有铲磨附件，由单独电动机驱动的小砂轮铲磨齿面。专门铣床是用于加工某类工件的特定表面的铣床，如曲轴铣床、凸轮轴铣床、车轮铣床、车轴铣床、轧辊铣床和钢锭铣床等。联合铣床主要用于车削加工，但附加一些特殊部件和附件后，还可进行镗、铣、钻、插、磨等加工，具有“一机多能”的特点，适用于工程车、船舶或移动修理站看机床的水平主要看金属切削机床，其他机床技术和复杂性不高，就是近几年很流行的电加工机床，也只是方法的改变，没什么复杂性和科技含量。我国的数控磨床水平不错，每年都有大量出口，因为它简单，基本属于劳动密集型。金属加工主要是去除材料，得到想得到的金属形状。去除材料，主要靠车和铣，铣床发展为数控铣床，铣床发展为加工中心。高精度多轴机床，可以让复杂零件在精度和形状上一次到位，例如，飞机上的一个复杂零件，以前由很多种工人：车工、铣工、磨床工、画线工、热处理工用好几个月干，其中还有报废的，最新的复合数控机床几天甚至几个小时就全干好了，而且精度比你设计的还高。零件精度高就意味着寿命长，可靠性好。由普通发展到数控，一个人顶原来的十个，在精度上，更是没法说，适应性上，零件变了，换个程序就行。把人的因素也降为最低，以前在工厂，谁要时会车涡轮、蜗杆，没个10年8年的不行，要是谁掌握了，那牛得很。现在用数控设备，只要你会编程，把参数输进去就可以了，很简单，刚毕业的技校学生都会，而且批量的产品质量也有保证。自美国在50年代末搞出世界一台数控铣床后，机床制造业就进入了数控时代，中国在六十年代也搞出了第一代数控机床，但后来中国进入了什么年代，大家都知道。等80年代我们再去看世界的数控机床水平，差距就是20年了，其实奋起直追还有希望，但国营工厂不思进取，到了90年代，我们再去看世界水平，已有30年的差距了。中国改革开放前走的是苏联的路子，什么叫苏联的路子，举个例子来讲：比如，生产一根轴，苏联的方式是建一个专用生产线，用多台专用机床，好处是批量很容易上去，但一旦这根轴的参数发生了变化，这条线就报废了，生产人员也就没事做了。在19601980年代，国营工厂一个产品生产几十年不变样。到了1980年代后，当时搞商品经济，这些厂不能迅速适应市场，经营就困难了，到了90年代就大量破产，大量职工下岗。现代的生产也有大批量生产，但主要是单件小批量，不管是那种，只要你的设备是数控的，适应起来就快。专业机床的路子已经到头了， ;西方走的路和前苏联不一样，当年的“东芝”事件，就是日本东芝卖给苏联了几台五轴联动的数控铣床，让苏联在潜艇的推进螺旋桨上的制造，上了一个档次，让美国的声纳听不到潜艇声音了，所以美国要惩处东芝公司。由此也可见，前苏联的机床制造业也落后了，他们落后，我们就更不用说了。虽然，美国搞出了世界第一台数控机床，但数控机床的发展，还是要数德国。德国本来在机械方面就是世界第一，数控机床无非就是搞机电

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关键词：: xk6132 数控铣床总体整体运动传动系统设计 cad 图纸全套毕业论文兰州理工大学独家

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摘要
针对现有常规XK6132数控铣床铣床的缺点提出数控设计方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了万能升降台铣床的数控化设计的设计过程，较详尽地介绍了XK6132数控铣床铣床机械设计部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现垂直的进给运动。
设计过程如下：（1）机械部分的设计，包括总体设计方案的确定和纵向进给方向的设计。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及垂直进给机构装配图方案的制定。（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。
关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，设计

ABSTRACT
Conventional existing XK6132 universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the disadvantages of the proposed scheme and design of a single chip microcomputer system, improve the processing precision and extend the machine's usage, and to improve productivity. This paper illustrates the universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the design process, a more detailed description of the XK6132 universal lifting platform milling machine transformation part of the design and numerical control system design. Using 8031 as the CPU control system of signal processing by the I/O interface, and output the step pulse, through a gear reducer, drive the leading screw to roll, so as to realize the vertical movement of the feed.
Reform process as follows: ( 1) the reformation of machine part, including the overall reconstruction scheme and vertical feed direction of reformation. Consisting mainly of ball screw pair and reaction stepper motor selection and calculation of vertical feeding mechanism assembly plan. ( 2) the electrical control design, including MCS-51 Series MCU and the expansion of the chip selection and electrical control diagram design.
Keywords: numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform

目录
目录 4
第1章数控机床发展概述 1
1.1数控机床及其特点 10
1.2数控机床的适用范围 11
1.3 数控机床的工艺范围及加工精度 11
1.3.1数控机床加工工艺分析 11
1.3.2数控加工工艺的设计 12
1.3.3分析加工工艺路线 12
1.3.4编程原点的选择 12
1.4 模拟仿真技术 12
1.5 数控机床的精度影响及分析 13
1.5.1 间隙误差的影响 13
1.5.2度的反向误差控制 14
1.6数控机床的经济分析 15
1.6.1控制系统的选择 16
1.6.2 选择设计对象要适宜 17
1.6.3 机床的机械设计范围要适当 17
1.6.4 辅助设计要合适 18
1.7数控机床的发展趋向 19
1.7.1 个性化的发展趋势 19
1.7.2 个性化是市场适应性发展趋势 20
1.7.3 开放性是体系结构的发展趋势 20
第2章数控机床总体方案的制订及比较 21
2.1 设计任务 21
2.2 总体方案设计的内容 21
2.2.1伺服驱动 21
2.2.2数控装置 22
2.2.3系统功能 22
2.2.4采用环形分配器 22
2.2.5采用滚珠丝杠螺母副 22
第3章确定切削用量及选择刀具 23
3.1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae 24
3.2.进给量f 与进给速度Vf的选择 26
3.3.切削速度Vc 27
第4章传动系统图的设计计算 30
4.1 参数的确定 30
4.2 传动设计 32
4.3转速图的拟定 35
第5章主运动传动系统装配图和零件图的设计计算 38
5.1 带轮传动部分的设计 38
5.2 齿轮传动部分的设计 42
5.3电磁离合器的选择 47
5.4 轴的设计计算 48
第6章硬件电路图的设计 55
6.1微机控制系统组成及特点 55
6.1.1微机控制系统的组成 55
6.1.2微机数控系统的特点 55
6.2微机控制系统设备介绍 56
6.2.1主控制器CPU的选择 56
6.2.2存储器电路的扩展 57
6.2.3 I/O口电路的扩展 58
6.2.4 步进电机驱动电路 58
6.2.5其它辅助电路设计 59
6.3程序部分 60
总结与展望 64
参考文献 65
致谢 66

第1章数控机床发展概述
数控机床发展史
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（Parsons Corporation）实现的。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±0.0381mm（±0.0015in），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（Bendix-Cooperation）正式生产出来。
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（Keaney & Trecker Corp.）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（Flexible Manufacturing System——FMS）之后，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CNC机床），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（Flexible Manufacturing Cell——FMC）。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FMS或更高级的集成制造系统中使用。
目前，FMS也从切削加工向板材冷作、焊接、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。
那什么是铣床呢？据资料所载，所谓铣床，是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在铣床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。铣床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。
古代的铣床是靠手拉或脚踏，通过绳索使工件旋转，并手持刀具而进行切削的。1797年，英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的现代铣床，并于1800年采用交换齿轮，可改变进给速度和被加工螺纹的螺距。1817年，另一位英国人罗伯茨采用了四级带轮和背轮机构来改变主轴转速。
为了提高机械化自动化程度，1845年，美国的菲奇发明转塔铣床；1848年，美国又出现回轮铣床；1873年，美国的斯潘塞制成一台单轴自动铣床，不久他又制成三轴自动铣床；20世纪初出现了由单独电机驱动的带有齿轮变速箱的铣床。
第一次世界大战后，由于军火、汽车和其他机械工业的需要，各种高效自动铣床和专门化铣床迅速发展。为了提高小批量工件的生产率，40年代末，带液压仿形装置的铣床得到推广，与此同时，多刀铣床也得到发展。50年代中，发展了带穿孔卡、插销板和拨码盘等的程序控制铣床。数控技术于60年代开始用于铣床，70年代后得到迅速发展。
铣床依用途和功能区分为多种类型。
普通铣床的加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。这种铣床主要由工人手工操作，生产效率低，适用于单件、小批生产和修配车间。
转塔铣床和回转铣床具有能装多把刀具的转塔刀架或回轮刀架，能在工件的一次装夹中由工人依次使用不同刀具完成多种工序，适用于成批生产。
自动铣床能按一定程序自动完成中小型工件的多工序加工，能自动上下料，重复加工一批同样的工件，适用于大批、大量生产。
多刀半自动铣床有单轴、多轴、卧式和立式之分。单轴卧式的布局形式与普通铣床相似，但两组刀架分别装在主轴的前后或上下，用于加工盘、环和轴类工件，其生产率比普通铣床提高3～5倍。
仿形铣床能仿照样板或样件的形状尺寸，自动完成工件的加工循环，适用于形状较复杂的工件的小批和成批生产，生产率比普通铣床高10～15倍。有多刀架、多轴、卡盘式、立式等类型
立式铣床的主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横粱或立柱上移动。适用于加工较大、较重、难于在普通铣床上安装的工件，一般分为单柱和双柱两大类。
铲齿铣床在车削的同时，刀架周期地作径向往复运动，用于铲车铣刀、滚刀等的成形齿面。通常带有铲磨附件，由单独电动机驱动的小砂轮铲磨齿面。
专门铣床是用于加工某类工件的特定表面的铣床，如曲轴铣床、凸轮轴铣床、车轮铣床、车轴铣床、轧辊铣床和钢锭铣床等。联合铣床主要用于车削加工，但附加一些特殊部件和附件后，还可进行镗、铣、钻、插、磨等加工，具有“一机多能”的特点，适用于工程车、船舶或移动修理站
看机床的水平主要看金属切削机床，其他机床技术和复杂性不高，就是近几年很流行的电加工机床，也只是方法的改变，没什么复杂性和科技含量。
我国的数控磨床水平不错，每年都有大量出口，因为它简单，基本属于劳动密集型。
金属加工主要是去除材料，得到想得到的金属形状。去除材料，主要靠车和铣，铣床发展为数控铣床，铣床发展为加工中心。高精度多轴机床，可以让复杂零件在精度和形状上一次到位，例如，飞机上的一个复杂零件，以前由很多种工人：车工、铣工、磨床工、画线工、热处理工用好几个月干，其中还有报废的，最新的复合数控机床几天甚至几个小时就全干好了，而且精度比你设计的还高。零件精度高就意味着寿命长，可靠性好。
由普通发展到数控，一个人顶原来的十个，在精度上，更是没法说，适应性上，零件变了，换个程序就行。把人的因素也降为最低，以前在工厂，谁要时会车涡轮、蜗杆，没个10年8年的不行，要是谁掌握了，那牛得很。现在用数控设备，只要你会编程，把参数输进去就可以了，很简单，刚毕业的技校学生都会，而且批量的产品质量也有保证。
自美国在50年代末搞出世界一台数控铣床后，机床制造业就进入了数控时代，中国在六十年代也搞出了第一代数控机床，但后来中国进入了什么年代，大家都知道。等80年代我们再去看世界的数控机床水平，差距就是20年了，其实奋起直追还有希望，但国营工厂不思进取，到了90年代，我们再去看世界水平，已有30年的差距了。中国改革开放前走的是苏联的路子，什么叫苏联的路子，举个例子来讲：比如，生产一根轴，苏联的方式是建一个专用生产线，用多台专用机床，好处是批量很容易上去，但一旦这根轴的参数发生了变化，这条线就报废了，生产人员也就没事做了。在1960－1980年代，国营工厂一个产品生产几十年不变样。到了1980年代后，当时搞商品经济，这些厂不能迅速适应市场，经营就困难了，到了90年代就大量破产，大量职工下岗。现代的生产也有大批量生产，但主要是单件小批量，不管是那种，只要你的设备是数控的，适应起来就快。专业机床的路子已经到头了， ;西方走的路和前苏联不一样，当年的“东芝”事件，就是日本东芝卖给苏联了几台五轴联动的数控铣床，让苏联在潜艇的推进螺旋桨上的制造，上了一个档次，让美国的声纳听不到潜艇声音了，所以美国要惩处东芝公司。由此也可见，前苏联的机床制造业也落后了，他们落后，我们就更不用说了。虽然，美国搞出了世界第一台数控机床，但数控机床的发展，还是要数德国。德国本来在机械方面就是世界第一，数控机床无非就是搞机电

内容简介：: 毕业设计(论文)XK6132数控铣床总体及主运动传动系统设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日摘要针对现有常规XK6132数控铣床铣床的缺点提出数控设计方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了万能升降台铣床的数控化设计的设计过程，较详尽地介绍了XK6132数控铣床铣床机械设计部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现垂直的进给运动。设计过程如下：（1）机械部分的设计，包括总体设计方案的确定和纵向进给方向的设计。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及垂直进给机构装配图方案的制定。（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，设计67ABSTRACTConventional existing XK6132 universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the disadvantages of the proposed scheme and design of a single chip microcomputer system, improve the processing precision and extend the machines usage, and to improve productivity. This paper illustrates the universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the design process, a more detailed description of the XK6132 universal lifting platform milling machine transformation part of the design and numerical control system design. Using 8031 as the CPU control system of signal processing by the I/O interface, and output the step pulse, through a gear reducer, drive the leading screw to roll, so as to realize the vertical movement of the feed.Reform process as follows: ( 1) the reformation of machine part, including the overall reconstruction scheme and vertical feed direction of reformation. Consisting mainly of ball screw pair and reaction stepper motor selection and calculation of vertical feeding mechanism assembly plan. ( 2) the electrical control design, including MCS-51 Series MCU and the expansion of the chip selection and electrical control diagram design.Keywords: numerical control ,single-chip ,stepping motor ,ball screw shaft ,reform 目录目录4第1章数控机床发展概述11.1数控机床及其特点101.2数控机床的适用范围111.3 数控机床的工艺范围及加工精度111.3.1数控机床加工工艺分析111.3.2数控加工工艺的设计121.3.3分析加工工艺路线121.3.4编程原点的选择121.4 模拟仿真技术121.5 数控机床的精度影响及分析131.5.1 间隙误差的影响131.5.2度的反向误差控制141.6数控机床的经济分析151.6.1控制系统的选择161.6.2 选择设计对象要适宜171.6.3 机床的机械设计范围要适当171.6.4 辅助设计要合适181.7数控机床的发展趋向191.7.1 个性化的发展趋势191.7.2 个性化是市场适应性发展趋势201.7.3 开放性是体系结构的发展趋势20第2章数控机床总体方案的制订及比较212.1 设计任务212.2 总体方案设计的内容212.2.1伺服驱动212.2.2数控装置222.2.3系统功能222.2.4采用环形分配器222.2.5采用滚珠丝杠螺母副22第3章确定切削用量及选择刀具233.1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae243.2.进给量f 与进给速度Vf的选择263.3.切削速度Vc27第4章传动系统图的设计计算304.1 参数的确定304.2 传动设计324.3转速图的拟定35第5章主运动传动系统装配图和零件图的设计计算385.1 带轮传动部分的设计385.2 齿轮传动部分的设计425.3电磁离合器的选择475.4 轴的设计计算48第6章硬件电路图的设计556.1微机控制系统组成及特点556.1.1微机控制系统的组成556.1.2微机数控系统的特点556.2微机控制系统设备介绍566.2.1主控制器CPU的选择566.2.2存储器电路的扩展576.2.3 I/O口电路的扩展586.2.4 步进电机驱动电路586.2.5其它辅助电路设计596.3程序部分60总结与展望64参考文献65致谢66 第1章数控机床发展概述数控机床发展史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（Parsons Corporation）实现的。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0.0381mm（0.0015in），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（Bendix-Cooperation）正式生产出来。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（Keaney & Trecker Corp.）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（Flexible Manufacturing SystemFMS）之后，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CNC机床），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14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（Flexible Manufacturing CellFMC）。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FMS或更高级的集成制造系统中使用。目前，FMS也从切削加工向板材冷作、焊接、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。那什么是铣床呢？据资料所载，所谓铣床，是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在铣床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。铣床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。古代的铣床是靠手拉或脚踏，通过绳索使工件旋转，并手持刀具而进行切削的。1797年，英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的现代铣床，并于1800年采用交换齿轮，可改变进给速度和被加工螺纹的螺距。1817年，另一位英国人罗伯茨采用了四级带轮和背轮机构来改变主轴转速。为了提高机械化自动化程度，1845年，美国的菲奇发明转塔铣床；1848年，美国又出现回轮铣床；1873年，美国的斯潘塞制成一台单轴自动铣床，不久他又制成三轴自动铣床；20世纪初出现了由单独电机驱动的带有齿轮变速箱的铣床。第一次世界大战后，由于军火、汽车和其他机械工业的需要，各种高效自动铣床和专门化铣床迅速发展。为了提高小批量工件的生产率，40年代末，带液压仿形装置的铣床得到推广，与此同时，多刀铣床也得到发展。50年代中，发展了带穿孔卡、插销板和拨码盘等的程序控制铣床。数控技术于60年代开始用于铣床，70年代后得到迅速发展。铣床依用途和功能区分为多种类型。普通铣床的加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。这种铣床主要由工人手工操作，生产效率低，适用于单件、小批生产和修配车间。转塔铣床和回转铣床具有能装多把刀具的转塔刀架或回轮刀架，能在工件的一次装夹中由工人依次使用不同刀具完成多种工序，适用于成批生产。自动铣床能按一定程序自动完成中小型工件的多工序加工，能自动上下料，重复加工一批同样的工件，适用于大批、大量生产。多刀半自动铣床有单轴、多轴、卧式和立式之分。单轴卧式的布局形式与普通铣床相似，但两组刀架分别装在主轴的前后或上下，用于加工盘、环和轴类工件，其生产率比普通铣床提高35倍。仿形铣床能仿照样板或样件的形状尺寸，自动完成工件的加工循环，适用于形状较复杂的工件的小批和成批生产，生产率比普通铣床高1015倍。有多刀架、多轴、卡盘式、立式等类型立式铣床的主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横粱或立柱上移动。适用于加工较大、较重、难于在普通铣床上安装的工件，一般分为单柱和双柱两大类。铲齿铣床在车削的同时，刀架周期地作径向往复运动，用于铲车铣刀、滚刀等的成形齿面。通常带有铲磨附件，由单独电动机驱动的小砂轮铲磨齿面。专门铣床是用于加工某类工件的特定表面的铣床，如曲轴铣床、凸轮轴铣床、车轮铣床、车轴铣床、轧辊铣床和钢锭铣床等。联合铣床主要用于车削加工，但附加一些特殊部件和附件后，还可进行镗、铣、钻、插、磨等加工，具有“一机多能”的特点，适用于工程车、船舶或移动修理站看机床的水平主要看金属切削机床，其他机床技术和复杂性不高，就是近几年很流行的电加工机床，也只是方法的改变，没什么复杂性和科技含量。我国的数控磨床水平不错，每年都有大量出口，因为它简单，基本属于劳动密集型。金属加工主要是去除材料，得到想得到的金属形状。去除材料，主要靠车和铣，铣床发展为数控铣床，铣床发展为加工中心。高精度多轴机床，可以让复杂零件在精度和形状上一次到位，例如，飞机上的一个复杂零件，以前由很多种工人：车工、铣工、磨床工、画线工、热处理工用好几个月干，其中还有报废的，最新的复合数控机床几天甚至几个小时就全干好了，而且精度比你设计的还高。零件精度高就意味着寿命长，可靠性好。由普通发展到数控，一个人顶原来的十个，在精度上，更是没法说，适应性上，零件变了，换个程序就行。把人的因素也降为最低，以前在工厂，谁要时会车涡轮、蜗杆，没个10年8年的不行，要是谁掌握了，那牛得很。现在用数控设备，只要你会编程，把参数输进去就可以了，很简单，刚毕业的技校学生都会，而且批量的产品质量也有保证。自美国在50年代末搞出世界一台数控铣床后，机床制造业就进入了数控时代，中国在六十年代也搞出了第一代数控机床，但后来中国进入了什么年代，大家都知道。等80年代我们再去看世界的数控机床水平，差距就是20年了，其实奋起直追还有希望，但国营工厂不思进取，到了90年代，我们再去看世界水平，已有30年的差距了。中国改革开放前走的是苏联的路子，什么叫苏联的路子，举个例子来讲：比如，生产一根轴，苏联的方式是建一个专用生产线，用多台专用机床，好处是批量很容易上去，但一旦这根轴的参数发生了变化，这条线就报废了，生产人员也就没事做了。在19601980年代，国营工厂一个产品生产几十年不变样。到了1980年代后，当时搞商品经济，这些厂不能迅速适应市场，经营就困难了，到了90年代就大量破产，大量职工下岗。现代的生产也有大批量生产，但主要是单件小批量，不管是那种，只要你的设备是数控的，适应起来就快。专业机床的路子已经到头了， ;西方走的路和前苏联不一样，当年的“东芝”事件，就是日本东芝卖给苏联了几台五轴联动的数控铣床，让苏联在潜艇的推进螺旋桨上的制造，上了一个档次，让美国的声纳听不到潜艇声音了，所以美国要惩处东芝公司。由此也可见，前苏联的机床制造业也落后了，他们落后，我们就更不用说了。虽然，美国搞出了世界第一台数控机床，但数控机床的发展，还是要数德国。德国本来在机械方面就是世界第一，数控机床无非就是搞机电一体化，机械方面德国已没问题，剩下的就是电子系统方面，德国的电子系统工业本来就强大，所以在上世纪六、七十年代，德国就执机床界的牛耳了。但日本人的强项就是仿造，从上世纪70年代起，日本大量从德国引进技术，消化后大量仿造，经过努力，日本在90年代起，就超越了德国，成为世界第一大数控机床生产国，直到现在还是。他们在机床制造水平上，有一些也走在了世界前面，如在机床复合（一机多种功能）化方面，是世界第一。数控机床的核心就在数控系统方面，日本目前在系统方面也排世界第一，主要是它的发拿科公司。第一代的系统用步进电机，我们现在也能造，第二代用交流伺服电机。现在的数控系统的核心就是交流伺服电机和系统内的逻辑控制软件，交流伺服电机我们国家目前还没有谁能制造，这是一个光学、机械、电子的综合体。逻辑控制软件就是控制机床的各轴运动，而这些轴是用伺服电机驱动的，一般的系统能同时控制3轴，高级系统能控制五轴，能控5轴的，五轴以上也没问题。我们国家也由有5轴系统，但“做秀”的成份多，还没实用化。我们的工厂用的五轴和五轴以上机床，100进口。机床是一个国家制造业水平高低的象征，其核心就是数控系统。我们目前不要说系统，就是国内造的质量稍微好一点的数控机床，所用的高精度滚珠丝杠，轴承都是进口的，主要是买日本的，我们自产的滚珠丝杠、轴承在精度、寿命方面都有问题。目前国内的各大机床厂，数控系统100外购，各厂家一般都买日本发那科、三菱的系统，占80以上，也有德国西门子的系统，但比较少。德国西门子系统为什么用的少呢？早期，德国系统不太能适合我们的电网，我们的电网稳定性不够，西门子系统的电子伺服模块容易烧坏。日本就不同了，他们的系统就烧不坏。近来西门子系统改进了不少，价格方面还是略高。德国人很不重视中国，所以他们的系统汉语化最近才有，不像日本，老早就有汉语化版的。就国产高级数控机床而言，其利润的主体是被外国人拿走了，中国只是挣了一个辛苦钱。美国为什么没有能成为数控机床制造大国呢？这个和他们当时制定产业政策的人有关，再加上当时美国的劳动力贵，买比制造划算。机床属于投资大，见效慢，回报率底的产业，而且需要技术积累。不太附和美国情况。但后来美国发现，机床属于战略物资，没有它，飞机、大炮、坦克、军舰的制造都有问题，所以他们重新制定政策，扶植了一些机床厂，规定了一些单位只能买国产设备，就是贵也得买，这就为美国保留了一些数控机床行业。美国机床在世界上没有什么竞争力。欧洲的机床，除德国外，瑞士的也很好，要说超高精密机床，瑞士的相当好，但价格也是天价。一般用户用不起。意大利、英国、法国属于二流，中国很少买他们的机床。西班牙为了让中国进口他们的机床，不惜贷款给中国，但买的人也很少?借钱总是要还的。韩国、台湾的数控机床制造能力比大陆地区略强，不过水平差不多。他们也是在上世纪90年代引进日本技术发展的。韩国应该好一点，它有自己制造的、已经商业化了的数控系统，但进口到中国的机床，应我们的要求，也换成了日本系统。我们对他们的系统信不过。韩国数控机床主要有两家：大宇和现代。大宇目前在我国设有合资企业。台湾机床和我们大体一样，自己造机械部分，系统采购日本的。但他们的机床质量差，寿命短，目前在大陆影响很坏。其实他们比我们国产的要好一点。但我们自己的差，我们还能容忍，台湾的机床是用美金买来的，用的不好，那火就大了。台湾最主要的几家机床厂已打算把工厂迁往大陆，大部分都在上海。这些厂目前在国内的竞争中，也打着“国产”的旗号。近来随着中国的经济发展，也引起了世界一些主要机床厂商的注意，2000年，日本最大的机床制造商“马扎克”在中国银川设立了一家数控机床合资厂，据说制造水平相当高，号称“智能化、网络化”工厂，和世界同步。今年日本另外一家大机床厂大隈公司在北京设立了一家能年产1000台数控机床的控股公司，德国的一家很有名的企业也在上海设立了工厂。目前，国家制定了一些政策，鼓励国民使用国产数控机床，各厂家也在努力追赶。国内买机床最多的是军工企业，一个购买计划里，80是进口，国产机床满足不了需要。今后五年内，这个趋势不会改变。不过就目前国内的需要来讲，我国的数控机床目前能满足中低档产品的订货。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 1.美国的数控发展史美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。2.德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。3.日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。4.我国的现状我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，中国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在19581979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。目前正在提高机械加工设备的数控化率，1999年，我们国家机械加工设备数控华率是58，目前预计是1520之间。一、什么是数控机床车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法，所谓机械加工，就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状，包含尺寸精度和几何精度两个方面。能完成以上功能的设备都称为机床，数控机床就是在普通机床上发展过来的，数控的意思就是数字控制。给机床装上数控系统后，机床就成了数控机床。当然，普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单，例如：从铣床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了刀库，大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。我们一般所说的数控设备，主要是指数控铣床和加工中心。我国目前各种门类的数控机床都能生产，水平参差不齐，有的是世界水平，有的比国外落后1015年，但如果国家支持，追赶起来也不是什么问题，例如：去年，沈阳机床集团收购了德国西思机床公司，意义很大，如果大力消化技术，可以缩短不少差距。大连机床公司也从德国引进了不少先进技术。上海一家企业购买日本著名的机床制造商池贝。，近几年随着中国制造的崛起，欧洲不少企业倒闭或者被兼并，如马毫、斯滨纳等。日本经济不景气，有不少在80年代很出名的机床制造商倒闭，例如：新泻铁工所。二、数控设备的发展方向六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言，我们应该能进世界前4名。三、数控系统由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。 1.1数控机床及其特点数控机床与普通机床的区别数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 4. 高柔性加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统FMS。 5. 高生产率数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 35 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6. 劳动条件好机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。 7. 有利于管理现代化采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大，使用费用高 9. 生产准备工作复杂由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。 1.2数控机床的适用范围由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有：批量小而又多次重复生产的零件；几何形状复杂的零件；贵重零件加工；需要全部检验的零件；试制件。对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。1.3 数控机床的工艺范围及加工精度数控机床综合了精密机械、电子、电力拖动、自动控制、自动检测、故障诊断和计算机等多方面的技术，是典型的高精度、高效率及高柔性的机电一体化产品，近年来我国的数控机床技术正处在突飞猛进的阶段，在数控机床的使用过程中，加工工艺和精度分析对于机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响，本文结合笔者多年的操作经验，研究了数控加工工艺的主要步骤和精度研究中容易出现的问题以及解决方法。1.3.1数控机床加工工艺分析数控机床是是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，其数控加工工艺以自动化和高速精密性为主。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，数控机床的在机械加工中的作用更为突出。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、发展而不断创新的一种应用技术，所谓数控加工工艺就是用数控机床加工零件的一种工艺方法。随着我国数控机床用户的不断增加，数控加工工艺在应用的领域的重要性日益突出，数控加工工艺以改善加工性能和提高加工效率为主要发展方向，并将二者融合到控制程序之中，运用自动化控制系统的规范处理方式，融合多种加工方法，以达到工序集中的复合加工方式为目的，提供更高水平的加工技术，从而进一步推动数控技术在制造业中应用与发展。数控加工技术的地位如此重要就必须首先了解数控加工工艺的主要特点和技术原则要求：(1) 数控加工的工艺内容要按照零件加工的要求进行工步细化，所以在进行施工的过程中必须要依据加工要求进行准确编程；(2) 数控加工工艺路线设计应合理，以保证数控机床的加工所产生的误差最小化；(3) 数控加工的工序相对集中，以提高加工效率，对于复杂的加工过程，需要进行必要的数控仿真技术支持。1.3.2数控加工工艺的设计数控机床有着高度的自动化特点，其加工工艺要依靠数控模块对设计好的程序进行实施，因此要求加工的工艺线路在规划时必须精准，同时要把握好加工程序的编制，因为编程函盖了数控机床加工的重要内容，也是其工艺质量得以保证的重要指标。对于数控机床来说，必须先有合理有效的编程工艺路线设计，然后才能保证加工工艺进程的完整。1.3.3分析加工工艺路线数控机床的加工工艺路线设计要考虑到具体的加工环节，尤其是对数控镗铣床的加工环节更要重视，要根据具体情况做出明确的分辨。在数控车、镗铣床或加工中心上加工有同轴度要求的内、外圆柱面或端面与外圆、内孔有垂直度要求时，均应在一次装夹中完成。在数控镗铣床或加工中心上加工有孔与端面有垂直度要求或平面与平面有位置精度要求时，应注意尽可能在一次装夹中完成。1.3.4编程原点的选择编程原点的设计基础和工艺基准尽量重合，避免产生尺寸链误差及不必要的尺寸换算。设定的编程原点应使工件容易找正，方便对刀，编程简便，有利于编程数值的计算。对称零件的编程原点应选在零件的对称中心。在加工零件上的工件原点应容易准确的确定，尽可能使加工余量均匀。例如：以孔定位的零件，应以孔的中心作为编程原点，对于一些形状不规则的零件，可在其基准面( 或线) 上选择编程原点，当加工路线呈封闭形式时，应在精度要求较高的表面选择编程原点( 或加工起始点)。1.4 模拟仿真技术智能化模拟仿真技术，可以通过对数控机床的加工工艺路线进行仿真模拟而得出适合加工的一种软件控制手段，结合运用成组技术可以提高数控加工编程效率。例如：根据其外形结构、技术要求和加工方法的相似性，把零件分成若干组，在每一组零件中选出一个代表性零件( 它可以是实际存在的，也可以是假想的，但必须包括组内所有零件的加工要素)，根据这个代表零件模拟出一套典型的工艺规程，选定和设计一组机床及工艺设备，并把它们组成一个专门的加工设计，如果模拟仿真技术成功就只需要略微做一下调整，便可以进行加工生产。例如，运用奥匹兹分类方法拆分代号为12031 的零件结构，如图1 所示。该零件是一个回转体零件，所以第一位数是1；一端有台阶，并有紧固螺纹，所以第二位数是2；无内孔，所以第三位数是0；需要加工键槽，所以第四位数是3；有四个轴向孔，与其他要素无位置要求，所以第五位数是1。按成组方式来组织零件生产时，首先按照零件的结构特征、工艺特征以及加工设备的特征，将各种零件进行分组、归类与编码，然后建立每类零件的典型图库和成组加工工艺库。1.5 数控机床的精度影响及分析数控机床的加工精度目前已经有了高速的发展，数控机床的加工精度已从原来的丝级(0.01mm) 提升到目前的微米级(0.001mm)。而超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m 左右，形状精度可达0.01m 左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级(0.001m)。可以说，数控机床的精度已经进入亚微米、纳米级超精加工时代。在这样高精密度要求下，必须要把握数控机床的精度分析，保证不会出现由于操作问题而导致的精度误差。1.5.1 间隙误差的影响进给机构的机械传动机构由减速齿轮、连轴节、滚珠丝杠副及支承轴承组成。在这些机构的组成之中，如果出现一定的连接不稳定就会导致间隙的产生，产生的间隙就会改变整体的加工环节误差。滚珠丝杠与螺母之间的间隙直接影响工作台的进给精度。设滚珠丝杠与螺母之间的间隙为SF，则反转时造成工作台进给误差 1=SF。不仅如此，丝杠螺母副的间隙还影响丝杠螺母副的刚度，进而影响工作台进给精度。针对这些误差问题必须要转变为自动化操作控制方式，在机械换向时，对换向时间和换向方式做出改变。而对于滚珠丝杠与螺母之间间隙的消除方法，要重视对间隙的偏差测定，通过反复的间隙测量来确定出具体的偏差基数，要求测出机床各轴的各项原始误差，比较成熟的测量方法是激光干涉仪，测量精度高。用双频激光干涉仪进行误差测量，需时间长，对操作人员调试水平要求高，主要是对误差测量环境要求高，常用于三坐标测量机的检测，不适宜生产现场操作。相对误差分解、合成补偿法，测量方法相对简单，一次测量可获得整个圆周的数据信息，同时可以满足机床精度的检测和机床评价。目前也有不少的误差分解的方法，由于机床情况各异，难以找到合适的通用数学模型进行误差分解，并且对测量结果影响相同的原始误差项不能进行分解，也难以推广应用。测定之后要再将这种基数输入到程序控制之中，这样就可以最大限度地保证数控程序进行时的偏差数据最小化，做到补偿适当。具体的补偿方法如下：(1) 备份CNC 控制系统中的已有补偿参数；(2) 由计算机产生进行逐点定位精度测量的机床CNC 程序，并传送给CNC 系统；(3) 自动测量各点的定位误差；(4) 根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数，并传送给CNC 系统，螺距自动补偿完成；(5) 重复进行精度验证。除此之外，对于脉冲当量补偿就是指每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量它的大小视机床精度而定，一般为 0.010.0005mm。脉冲当量影响数控机床的加工精度，它的值取得越小，加工精度越高。当然，数控机床的误差调正有两种方法，一种是靠数控系统补偿，一种是调整机械部分，如果对于数控系统来说进行数控补偿程序会十分复杂困难，那么就可以通过调整丝杠间隙进行消除。1.5.2度的反向误差控制机床的动态精度，即机床各轴的定位精度P、重复定位精度Ps 和反向误差U 等指标。它们是以VDI/DGQ3441 的方法进行检测。考核数控机床的定位精度P 是用以下公式进行计算“P=6+L/300”式中L 代表数控机床坐标轴的长度。针对数控机床的定位精度来说，应该是与机床的动态精度有着密切的利害关系。其中，反向偏差的测定方法：在所测量坐标轴的行程内，预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准，再在同一方向给予一定移动指令值，使之移动一段距离，然后再往相反方向移动相同的距离，测量停止位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定( 一般为七次)，求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为反向偏差测量值。在测量时一定要先移动一段距离。如：数控车轮车轴专用外圆，在磨削工件的R 与外圆直径交界处后，发现有明显的过渡不圆滑痕迹。那么在处理这类问题的时候，就要考虑该设备在磨削工件时，采用宽砂轮一次性切入磨削，砂轮修正器的金钢石笔安装在工作台上，利用工作台Z 轴和砂轮架X轴的复合插补运动，使砂轮的形状与精度修正成与工件完全一样，再用修正好的砂轮磨削工件。由于该工件外圆形状的特殊性，需要X 轴有正负方向的运行，在检查时发现X 轴和Z 轴均有明显的反向间隙存在，使砂轮修正作反向运行时二轴有瞬间停顿现象的出现，造成轮修圆弧连接处有痕迹，最终使该现象发生在砂轮磨削工件的表面上。由于丝杠螺母副之间的间隙存在，当工作台反向时，必产生反向间隙误差而影响到工作台送料定位精度。丝杠螺母副之间的间隙具有两个特点：(1) 具有相对的稳定性，即在一定范围内间隙是一个常数；(2) 随着机械传动的磨损而相应增加。因此，在控制过程中可以预先测出其间隙，利用反向间隙的统计平均值，对其产生的定位误差进行软件补偿。在软件设计时，只需设计一方向寄存器，用来判断工作台是否换向，采用不换向不补偿，每换向一次补偿一次来消除丝杠螺母的反向间隙误差。总之，对于数控机床的加工工艺和精度分析来说，都必须要把握技术尺度，将合理地操作原理运用到具体的加工环节中去，从数控机床的加工工艺来说，要重视有关影响数控机床加工工艺的若干问题，结合具体的工艺加工情况，采用理论联系实际的操作方法，在编程过程中保证精准、细致，对出现的问题也要及时进行分析、总结，确保整个加工工艺路线合理，以能够有加工出色的产品为最终目的。从数控机床的精度分析来看，要重视研究提高数控机床加工精度的方法，首先要对加工设备产生误差原因和影响进行合理地剖析，研究影响数控机床精度的因素，找出间隙误差和反向误差的处理方法，开展定位精度的测量。对于数控机床的工艺和精度控制来说要依靠数控编程和仿真技术的完善以及具体操作的合理，来进行合理有效的机床工艺控制，保证利用现今的数控技术来确保加工工艺和精度更加完美，以达到延长数控机床使用寿命，提供加工产品优秀性的目的。1.6数控机床的经济分析由于历史的原因，我国普通加工设备多，数控加工设备少；老设备多，新设备少。许多企业的机床精度差、故障率高。通过机床数控设计使普通机床不仅具有好的加工精度，而且还具有数控机床的功能。对于中小型企业，没有足够的资金来购买全功能的数控机床，但是使用单板机控制步进电机的经济型开环数控机床，具有花钱少、见效快的特点。采用经济型数控技术改装加工批量零件的机床非常合适。微机技术实现机床简易数控的工作原理采用微机技术实现机床简易数控的装置，主要由单板机、控制程序、零件加工程序、驱动电源装置，收发信板、功率步进电机等部件组成。图1.1 经济型数控铣床的系统装置框图。在图1.1所示的系统装置中，单板机在控制程序的控制下，可以使数控系统具有直线插补和圆弧插补加工工件轮廓的功能；具有进给速度控制和快速回零的功能；具有刀具补偿和反向间隙补偿的功能，以及其它多种功能。当零件加工程序给出具体的位移尺寸、位移方向和进给速度后，控制程序就会通过单板机按照所输入的零件加工程序发出一系列的脉冲信号。经隔离放大以后，分别驱动向和向功率步进电机，使刀架按照要求的方向、速度和位移量实现纵向和横向运动。从而构成了一个经济型开环数控系统。用微机技术实现机床简易数控优化方案的确定原则1.6.1控制系统的选择目前数控系统的类型较多，选择前应对被设计机床的功能有个充分了解，再依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择数控系统。其中和单片机数控系统是用得较多的两种系统。系统的核心是系列的单片微机。它用三路驱动电路，分别控制、和向步进电动机，它进行机床的位移运动，并能实现任意二坐标联动或三坐标联动。单片机是系列微机的典型产品，其硬件功能远远高于单板机，尤其适合实时控制、智能仪表、自动机床，是控制类型领域中最理想的八位微型计算机，在全世界都得到广泛应用。数控装置是三坐标（铣床）数控系统，它用国际标准代码进行编程，除了能执行本身的编程指令外，还能执行二坐标机床数控系统的编程指令，而且三坐标系统的各种操作方法（如输入、修改、删除及运行加工程序）相同于二坐标系统。选择控制系统时应该注意以下几方面的问题：（1）在资金充足的情况下，尽量选用质量好的产品。因为此类数控系统零件筛选严格，制造工艺规范可靠，能很好地预防电器元件的故障或提前失效引起的设备故障。（2）应该注重数控功能的选择，不应单纯追求数控系统的高性能指标，这对实现较高的性能价格比非常重要。（3）数控系统所具有的功能要与准备设计的数控机床所能达到的功能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。1.6.2 选择设计对象要适宜采用微机数控机床加工零件，必须首先编制出加工程序。通常适宜于加工具有一定批量的相类似零件。因此，在选择适宜于进行设计的机床时，首先必须对各类机床的零件加工情况进行调查研究，分类统计，看零件有无批量，看各类批量主要在哪种机床上进行加工，以及在哪种型号的机床上进行加工，这样才能确定出设计对象。一般中小铣床上的工件总是比较饱满，成批量的零件也比较多。因此，用微机技术把中小铣床设计成经济型数控铣床比较适宜。对于一些中小型企业，为了充分发挥铣床的作用，更需要经过设计的铣床。这样既能用数控系统加工批量零件，又具有卧式铣床的功能，以适于加工单件零件。对于一些形状复杂的零件，普通机床往往难于加工成形。如果采用机械仿形的方法进行加工，在不成批量的情况下很不合算。这时，用微机技术设计机床，就可以使问题得到解决，明显提高企业加工能力。编程要比制作靠模容易得多，灵活得多。用数控机床加工形状复杂的零件是非常适宜的。1.6.3 机床的机械设计范围要适当机床设计范围的大小，应根据机床自身精度及性能来决定。以卧式铣床为例加以说明。对于旧铣床的设计范围，一般都是把原来的机床进给传动系统，由主轴箱通过挂轮箱带动进给变速箱，将运动传给光杠或丝杠。然后再驱动溜板运动的传动过程，设计为由功率步进电机通过消隙减速齿轮，直接带动滚珠丝杠，使刀架分别实现纵向运动和横向运动，进行两个坐标的控制。对于精度符合要求的铣床，为了实现简易数控设计，一般都是对铣床的部件基本不动，只是把床鞍的纵向滑动丝杠副设计为纵向滚珠丝杠副。在纵向滚珠丝杠的右端安装一套消隙减速箱和功率步进电机。同时也把中滑板的横向滑动丝杠副设计为横向滚珠丝杠副，在横向滚珠丝杠的外端安装一套消隙减速箱和功率步进电机，从而使铣床的纵向和横向运动既能用微机系统进行控制，又能由操作者进行普通操作。在机床设计过程中，只要把溜板箱中的开合螺母及中滑板上的滑动螺母拆除，在合适的位置上安装好滚珠螺母座即可。在电气控制方面，为了避免数控操作与普通操作相干涉，发生操作失误现象，必须有电气连锁开关控制操作转换。对于全新或较新铣床，在进行简易数控设计时，一般都是全部保留机床的零部件。直接把消隙减速箱和功率步进电机分别按装在纵向滑动丝杠的右端和横向滑动丝杠的外端。从而也可以使铣床同时具有普通操作功能和简易数控功能。1.6.4 辅助设计要合适如果在设计后的简易数控铣床上，采用一把刀可以完成全部车工工序，就没有必要对刀架进行设计。但有时会出现一个工件需要两把刀或几把刀来分别完成两个或几个工序的情况，这时可根据每把刀的使用情况，分别进行编程，通过一个程序，使用一把刀，来完成一个工序。使原来普通操作使用的刀架在数控操作时也可以使用。这样，根据设计后铣床的主要加工对象，确定刀架是否需要进行设计，可以使设计费用使用得更加合理，避免发生设计过剩现象。如果设计后的简易铣床，主要用来加工比较复杂的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部车工工序，就必须对刀架部件进行设计。一般可采用安装有四把刀、由鼠牙盘定位、进行绝对刀位控制的自动回转刀架比较合适。重复定位误差可小于，精度持久性比较好。这种刀架出厂时，就规定了刀号位置。当需要几号刀在加工位置时，只需对该刀控制信号口发出信号，刀架就会自动转到需要的位置。设计后的简易数控铣床需要加工螺纹时，可以在主轴后端同轴安装或异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元件。目的是为了检测主轴转角的位置，并且将其变化情况输送给单板机，使单板机能按照所需加工的螺距进行处理。控制纵向步进电机运动，通过纵向滚珠丝杠带动刀架完成螺纹加工。4.结束语采用微机技术设计普通机床，选用优化方案，实现简易数控，对机床结构改动不大，安装简单，操作简便，测量精度较高，可以使机床实现自动化，提高生产效率，减轻工人劳动强度，适于加工具有复杂形状的零件和小批量零件。产品精度一般可以提高个等级，工效提高，改装费用几个月即可收回。这种技术在我国中小企业中，是适合于广泛推广的技术。1.7数控机床的发展趋向高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。1.7.1 个性化的发展趋势1.高速化、高精度化、高可靠性高速化：提高进给速度与提高主轴转速。高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。2.复合化数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。3.智能化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；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。4.柔性化、集成化当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段车间独立制造岛FA)、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。1.7.2 个性化是市场适应性发展趋势当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。1.7.3 开放性是体系结构的发展趋势新一代数控系统的开发核心是开放性。开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。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数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。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的一个新的焦点。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。第2章数控机床总体方案的制订及比较2.1 设计任务（1）进给伺服系统设计计算此部分为机械部分，它包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选用；设计并绘制总装配图，其中包括横向，纵向工作台和垂直向升降台。（2）单片机控制系统设计此部分包括设计并绘制控制系统线路图，编写直线差补程序和圆弧差补程序。2.2 总体方案设计的内容机床数控系统总体方案的拟订应包括以下内容：伺服系统的选择，执行机构及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。2.2.1伺服驱动在我过设备数控化设计的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件。步进电机是一种特殊结构的电机,它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信号的能量转换为机械位移的电机执行元件。当激磁绕组按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。步进电机的优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻，价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，电机时间常数小，反应快。但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率低，工作效率也不够高，低频时振动大，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。综上所述，综合了成功率，技术难度，精度和投资等因素，决定选用步进电机开环伺服驱动2.2.2数控装置微机数控系统由CPU、存储扩展电路和I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是MCS51机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。2.2.3系统功能（1）横向，纵向，垂直方向进给伺服运动。（2）行程控制（3）键盘控制（4）功能：报警电路，复位电路，隔离电路，功放电路等。2.2.4采用环形分配器本系统采用软件环形分配器。由于铣床三个方向的三步进电机均为三相，所以直接与8155（2）的PA口再加上8155（1）的PA口相接就可以了，经光电耦合电路，功放电路驱动电机。2.2.5采用滚珠丝杠螺母副采用滚珠丝杠螺母副传动结构,具有精度高,效率高,寿命长,低能耗,摩擦系数小,较高紧凑,通用性强等特点.第3章确定切削用量及选择刀具在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。只有在试加工或出现异常情况时才通过速率调节旋钮或电手轮调整切削用量。因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。影响切削用量的因素有：机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围之内。机床刀具工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。切削用量的选择应使机床刀具工件系统不发生较大的“振颤”。如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。刀具刀具材料是影响切削用量的重要因素。表1是常用刀具材料的性能比较。数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）并具有一定的寿命。机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。表1 常用刀具材料的性能比较工件不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地形成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。冷却液冷却液同时具有冷却和润滑作用。带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具与工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用冷却液后，通常可以提高切削用量。冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件，特别是水溶性冷却液。以上讲述了机床、刀具、工件、冷却液对切削用量的影响。切削用量的选择原则，下面主要论述铣削加工的切削用量选择原则。铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。3.1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae背吃刀量ap 为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时，ap 为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量ae 为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，ae 为切削层深度，见下图。铣削加工的切削用量图背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.525m 时，如果圆周铣削加工余量小于5，端面铣削加工余量小于6，粗铣一次进给就可以达到要求。但是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.212.5m 时，应分为粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。粗铣后留0.51.0余量，在半精铣时切除。当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.83.2m 时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.52；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.30.5 ，面铣刀背吃刀量取0.51 。3.2.进给量f 与进给速度Vf的选择铣削加工的进给量f（/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度Vf（/min）是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度与进给量的关系为Vf = nf（n 为铣刀转速，单位r /min）。进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量fz，再根据公式f =Zfz（Z 为铣刀齿数）计算。每齿进给量fz 的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，fz 越小；反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度要求越高，fz 就越小。每齿进给量的确定可参考表2选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。表2 铣刀每齿进给量参考值3.3.切削速度Vc铣削的切削速度Vc 与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。其原因是当fz、ap、ae 和Z 增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具耐用度允许使用较低的切削速度。但是加大铣刀直径则可改善散热条件，可以提高切削速度。铣削加工的切削速度Vc 可参考表3选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。表3 铣削加工的切削速度参考值常见钢件材料切削用量的推荐值G94 每分钟进给mm/min G95主轴每转进给mm/rG97 S1000 主轴转速1000r/min G96 S100 主轴转速100m/min第4章传动系统图的设计计算4.1 参数的确定1) 了解铣床的基本情况和特点-铣床的规格系列和类型1. 通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。在此就不作出详细的解释和说明了。轴转速范围是：301500r/min 2) 参数确定的步骤和方法1. 极限切削速度umaxumin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类工艺要求刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如机床主轴变速箱设计指导书。然而，根据本次设计的需要选取的值如下：取umax=300m/min； umin=8m/min。加工条件硬质合金刀具粗加工铸铁件3050硬质合金刀具半精或精加工碳钢工件150300螺纹（丝杠等）加工铰孔382. 主轴的极限转速计算铣床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（0.10.2）D和（0.450.5）D。由于D=630mm，则主轴极限转速应为： nmax=r/min （2.1） =7581517r/min ，取=1500r/min； nmin=r/min （2.2）在中考虑车螺纹和绞孔时，其加工最大直径应根据实际加工情况选取0.1D和50左右。所以 nmin=32r/min由于转速范围 R= = =48.33 ；现以=1.26和=1.41代入R=得R=32和173 ，因此取=1.26更为合适。各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以=1.06的从110000的数值，因=1.26=，从表中找到nmax=1450r/min，由于表格中没有1450这个数据，选取接近的一个数据1500.就可以每隔4个数值取一个数，得： 1500，1180，950，750，600，475，300，235，190，150，118，95，75，60，47.5，37.5,30。3. 主轴转速级数z和公比已知 =Rn Rn=且： z=因机床的电动机转速往往比主轴的大多数转速高，变速系统以降速传动居多，因此，传动系统中若按传动顺序在前面的各轴转速较高，根据转矩公式（单位N.m） T=，当传递功率一定时，转速较高的轴所传递的扭矩就较小，在其他条件相同时，传动件（如轴、齿轮）的尺寸就较小，因此，常把传动副数较多的变速组安排在前面的高速轴上，这样可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此选择结构式如下： 16=。4. 主电机功率动力参数的确定合理地确定电机功率N，使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是一种按典型加工条件（工艺种类、加工材料、刀具、切削用量）进行估算。根据此方法，中型铣床典型重切削条件下的用量：根据设计书表中推荐的数值：取 P=13kw4.2 传动设计1) 传动结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效，可考虑到本次设计的需要可以参考一下这个方案。确定传动组及各传动组中传动副的数目级数为Z的传动系统有若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有Z1、Z2、Z3个传动副。即 Z=Z1Z2Z3传动副数由于结构的限制以2和3的因子积为合适，即变速级数Z应为2和3的因子:Z=可以有几种方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已经选定了的和本次设计所须的正确的方案列出，具体的内容如下：传动齿轮数目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17个轴向尺寸 19b传动轴数目 8根操纵机构简单，两个双联滑移齿轮根据以上分析及计算，拟定主轴箱、变速箱传动结构图如下：图二中，第轴至第轴，其结构式为： 4=图一中，第轴至第轴，机床主轴箱传动系统采用分离传动，其主要特点是：（1）在满足传动副极限传动比的条件下，可以得到较大的变速范围。（2）高速由短支传动，有助于减少高速时机床的空运转功率损失。而且高速分支的尺寸可相对小些。（3）变速级数不像常规变速系统那样受2，3因子的限制，如与部分转速重合的方法配合，几乎可以得到任意的变速级数，大大增加了可供选择方案的数目。2) 主传动顺序的安排16级转速传动系统的传动组，可以安排成：2x2x2x2，选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在轴上如果安装摩擦离合器时，应减小轴向尺寸，第一传动组的传动副不能多，以2为宜，本次设计中就是采用的2，一对是传向正传运动的，另一个是传向反向运动的。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2，或者用一个定比传动副。3) 传动系统的扩大顺序的安排对于16级的传动只有一种方案，准确的说应该不只有这一个方案，可为了使结构和其他方面不复杂，同时为了满足设计的需要，选择的设计方案是： 16=22x 21+ 22x 21+ 22x 21x28传动方案的扩大顺序与传动顺序可以一致也可以不一致，在此设计中，扩大顺序和传动顺序就是一致的。这种扩大顺序和传动顺序一致，称为顺序扩大传动。4) 传动组的变速范围的极限植在主传动系统的降速传动中，主动齿轮的最少齿数受到限制，为了避免被动齿轮的直径过大，齿轮传动副最小传动比umin，最大传动比umax2，决定了一个传动组的最大变速范围rmax=umax/nmin8因此，要按照参考书中所给出的表，淘汰传动组变速范围超过极限值的所有传动方案。极限传动比及指数x，值为：极限传动比指数1.26x：umin=6值；umax=23（x+）值：umin=895) 最后扩大传动组的选择正常连续的顺序扩大的传动（串联式）的传动结构式为： Z=Z11Z2Z1Z3Z1Z2即是： Z=16=222122284.3转速图的拟定运动参数确定以后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定了电机功率。在此基础上，选择电机型号，确定各中间传动轴的转速，这样就拟定主运动的转图，使主运动逐步具体化。1) 主电机的选定中型机床上，一般都采用三相交流异步电机为动力源，可以在系列中选用。在选择电机型号时，应按以下步骤进行：1) 电机功率N：根据机床切削能力的要求确定电机功率。但电机产品的功率已经标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。 N=7.5kw2.电机转速nd 异步电机的转速有：3000、1500、1000、750r/min 这个选择是根据电机的转速与主轴最高转速nmax和轴的转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。3.双速和多速电机的应用根据本次设计机床的需要，所选用的是：双速电机4.电机的安装和外形根据电机不同的安装和使用的需要，有四种不同的外形结构，用的最多的有底座式和发兰式两种。本次设计的机床所需选用的是外行安装尺寸之一。具体的安装图可由手册查到。5.常用电机的资料根据常用电机所提供的资料，选用： Y132M-42) 轴的转速轴从电机得到运动，经传动系统化成主轴各级转速。电机转速和主轴最高转速应相接近。显然，从传动件在高速运转下恒功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴转速不宜将电机转速下降得太低。但如果轴上装有摩擦离合器一类部件时，高速下摩擦损耗、发热都将成为突出矛盾，因此，轴转速不宜太高。轴装有离合器的一些机床的电机、主轴、轴转速数据：参考这些数据，可见，铣床轴转速一般取7001000r/min。另外，也要注意到电机与轴间的传动方式，如用带传动时，降速比不宜太大，否则轴上带轮太大，和主轴尾端可能干涉。因此，本次设计选用： n1=1500r/min3) 中间传动轴的转速对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小与噪音、震动等性能要求之间的矛盾。中间传动轴的转速较高时（如采用先升后降的传动），中间转动轴和齿轮承受扭矩小，可以使用轴径和齿轮模数小写：d 、 m，从而可以使用结构紧凑。但是，这将引起空载功率N空和噪音Lp（一般机床容许噪音应小于85dB）加大： N空=) KW （2.3）式中：C-系数，两支承滚动或滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；da-所有中间轴轴颈的平均直径（mm）；d主主轴前后轴颈的平均直径（mm）；n主轴转速（r/min）。（2.4）（mz）a所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm；（mz）主主轴上齿轮的分度圆的平均值mm；q-传到主轴所经过的齿轮对数；-主轴齿轮螺旋角；C1、K-系数，根据机床类型及制造水平选取。我国中型铣床、铣床C1=3.5。铣床K=54，铣床K=50.5。从上诉经验公式可知：主轴转速n主和中间传动轴的转速和n对机床噪音和发热的关系。确定中间传动轴的转速时，应结合实际情况作相应修正：1.功率较大的重切削机床，一般主轴转速较低，中间轴的转速适当取高一些，对减小结构尺寸的效果较明显。2.高速轻载或精密铣床，中间轴转速宜取低一些。3.控制齿轮圆周速度u8m/s（可用7级精度齿轮）。在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。4) 齿轮传动比的限制机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：1. 升速传动中，最大传动比umax2。过大，容易引起震动和噪音。2. 降速传动中，最小传动比umin1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大，将导致结构庞大。第5章主运动传动系统装配图和零件图的设计计算5.1 带轮传动部分的设计根据拟定的转速图上的各传动比，就可以确定带轮直径。(一) 带轮直径确定的方法、步骤1. 选择三角型号一般机床上的都采用三角带。根据电机转速和功率查图即可确定型号（详情见机床主轴变速箱设计指导4-1节）。但图中的解并非只有一种，应使传动带数为35根为宜。本次设计中所选的带轮型号和带轮的根数如下： B型带轮选取3根2. 确定带轮的最小直径Dmin（D小）各种型号胶带推荐了最小带轮直径，直接查表即可确定。根据皮带的型号，从教科书机械设计基础教程查表可取： Dmin=186mm3.计算大带轮直径D大根据要求的传动比u和滑功率确定D大。当带轮为降速时：（2.5）三角胶带的滑动率=2%。三角传动中，在保证最小包角大于120度的条件下，传动比可取1/7u3。对中型通用机床，一般取12.5为宜。因此， 137.2mmD大343mm经查表取： D大=304mm(二) 三角带传动的计算三角带传动中，轴间距A可以较大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，亦可因而缓和冲击及隔离震动，使传动平稳。带传动结构简单，但尺寸，机床中多用于电机输出轴的定比传动。（1）选择三角带的型号根据计算功率Nj（kw）和小带轮n1（r/min）查图选择带的型号。计算功率Nj=KWNd kW 式中 Nd电机的额定功率， KW工作情况系数。铣床的起动载荷轻，工作载荷稳定，二班制工作时，取：KW=1.1带的型号是：B型号（2）确定带轮的计算直径D1、D2 1）.小带轮计算直径D1 皮带轮的直径越小，带的弯曲应力就越大。为提高带的使用寿命，小带轮直径D1不宜过小，要求大于许用最小带轮直径Dmin，即D1Dmin。各型号带对应的最小带轮直径Dmin可查表。 D1=186r/min2）.大带轮计算直径D2 （2.6） =304r/min式中: n1-小带轮转速r/min; n2-大带轮转速r/min; -带的滑动系数,一般取0.02.算后应将数字圆整为整数。3）.确定三角带速度u 具体的计算过程如下：（2.7） = =10.6m/s对于O、A、B、C型胶带，5m/su25m/s。而u=510m/s时最为经济耐用。此速度完全符合B型皮带的转速。 4）.初定中心距A0：带轮的中心距，通常根据机床总体布局初步选定，一般可以在下列范围内选取： A0=（0.62）（D1+D2） mm =490（0.62）mm =294mm980mm 取 A0=760 mm中心距过小，将降低带的寿命；中心距过大时，会引起带振动。中型铣床电机轴至变速箱带轮的中心距一般为750850mm。5）.确定三角带的计算长度L0及内周长LN。三角带的计算长度是通过三角带截面重心的长度。（2.8） = =2131.7mm圆整到标准的计算长度 L=2132 mm 经查表 LN=2000 mm 修正值 Y=336）.验算三角带的扰曲次数u 40 次/s （则合格）式中：m-带轮个数。如u超限。可加大L（加大A）或降低u（减少D2、D1）来解决。代入数据得 =10.5 次/s 40 次/s是合格的，不需作出任何修改。7）.确定实际中心距A （2.9） = 710.65 mm8）.验算小带轮包角1 1180-（D2-D1）/A*60120 （2.10）如果1过小，应加大中心距或加张紧装置。代入数值如下：（2.11） =176.98120经校核合格。9）.确定三角带根数z （2.12）式中：N0-单根三角带在 1=180、特定长度、平稳工作情况下传递的功率值。 C1-包角系数。参数的选择可以根据书中的表差取： N0=2.71C1=0.99Kw=1.1 带入数值得：所以，传动带根数选3根。次此公式中所有的参数没有作特别说明的都是从机床主轴变速箱设计指导5.2 齿轮传动部分的设计选择以机床变速箱中第轴和第轴间，两啮合直齿圆柱齿轮Z1和Z2，对其进行齿轮传动部分的设计和验算。根据总体结构方案，主电机功率13KW,转速1450r/min，要求输出轴转速1000 r/min，齿轮齿数比U=1.25。具体计算如下：（1)大、小齿轮的材料均为45钢，经调质与表面淬火处理，硬度为4050HRC（2)选小齿轮齿数=28,大齿轮齿数=U3=1.25328=35,齿数比U=1.25（3)按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即d1t 1选取载荷系数 Kt=1.2 2计算大齿轮传递的转矩 T2 =95.5310P1/n1=95.53103 13/1450 N.mm =8.562310 N.mm 3选取齿宽系数d =1 4查得材料的弹性影响系数ZE =189.8MPa 5按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1 =Hlim2 =550 MPa 6计算应力循环次数N2 =60n1jLh=6031450313(2383365315)=7.6212310N1 =7.621231031.25=9.5265310 7查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.86；KHN2=0.88 8计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，得 = =9 试算小齿轮分度圆直径d1t,带入中较小的值d1t =69.429mm10计算圆周速度n (2.13)11计算齿宽bb=d3d1t=1369.429 mm=69.429 mm12计算齿宽与齿高之比b/h模数 mt=d1t/Z1=69.429/28 mm=2.480 mm齿高 h=2.253mt=2.2532.480 mm=5.58 mm b/h=69.429/5.58=12.4413计算载荷系数根据n=3.64m/s,7级精度，查得动载荷系数Kv=1.14；直齿轮，假设KAFt/b 100 N/mm。查表得KH=KF=1.2；查表得使用系数KA=1；查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，KH=1.14+0.18（1+0.6d）d+0.23310b将数据带入后，得KH=1.14+0.18（1+0.631）31+0.23310369.429=1.444；由b/h=10.66，KH=1.444查图机械设计10-13得KF=1.32；故载荷系数 K=KAKvKHKH=131.1431.231.444=1.97514按实际的载荷系数效正所得的分度圆直径，由式 69.4293mm 15计算模数m m=d1/Z1=79.81/28 mm=2.85 mm（4）按齿根弯曲强度设计 (2.14)1查得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限均为FE1=710MPa；2查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.805,KFN2=0.82；3计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式 (2.15)4计算载荷系数KK=KAKvKFKF=131.1431.231.32=1.8065查取齿形系数查得YFa1=2.61； YFa2=2.52。6查取应力校正系数查得YSa1=1.58；YSa2=1.625。7计算大、小齿轮的并加以比较小齿轮的数值大。8设计计算 mm=1.53 mm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（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.53并就近圆整为标准值m=3 mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=79.81 mm,算出小齿轮的齿数，取=32 mm (2.16)大齿轮齿数 =U3=1.25332=40，取=40。（5）几何尺寸计算 1计算分度圆直径d1= Z13m=3233 mm=96 mm ；d2= Z23m=4033 mm=120 mm 2计算中心距 a=(d1+d2)/2=108 mm 3计算齿轮宽度b=d3d1=1396 mm=96 mm因为变速箱中，小齿轮1固定安装在第轴上；大齿轮2安装在第轴上，且为双联滑移齿轮，两齿轮副传动比取值为1.25，变速箱做减速传动。考虑整个变速系统的总体结构及其安装，取B2=108 mm，B1=42 mm。4验算 (2.17)100 N/mm,合适。5结构设计及绘制齿轮零件图如下：机床主轴箱中，第轴和轴间为一对斜齿轮，两齿轮的材料选用40Cr，经过调质与表面淬火处理，硬度为4855HRC，许用接触强度疲劳应力，精度等级取7级。经校核，齿轮齿面接触强度和齿根弯曲疲劳强度均满足要求。此处，计算和验算过程略。两斜齿轮参数选择具体如下：1齿轮齿数Z1=30 ； Z2=u3Z1=2330=602中心距，将中心距圆整为210mm (2.18)3按圆整后的中心距修正螺旋角：4大、小齿轮的分度圆直径 (2.19)5齿轮宽度圆整后取B2=100 mm，B1=110 mm。6斜齿轮结构如图所示5.3电磁离合器的选择摩擦电磁离合器目前在数控机床中应用十分广泛，因为它可以在运转中自动的接通或脱开，且具有结合平稳，没有冲击、构造紧凑的特点，部分零件已经标准化，多用于机床主传动。选用时应作必要的计算。根据初步的计算可从离合器的选择与运用一书中选取，所有的作图和计算尺寸都见书中的表。1.按扭距选择一般应使用和设计的离合器的额定静扭距Mj和额定扭距Md满足工作要求，由于普通铣床是在空载下启动和反向的，故只需按离合器结合后的静负载扭距来选。即： (2.20)对于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭距设计离合器。2.步骤：1）.决定外摩擦片的内径d。根据结构需要，如为轴装式时，摩擦片的内径d应比安装轴的轴径大26mm。2）.选择摩擦片尺寸：可以在参考书中选择，具体的型号见图纸。3）.计算摩擦面对数z (2.21)式中：f-摩擦片间的摩擦系数（有表可选）； -许用压强MPa（有表可选）； D-摩擦片内片外径mm（有表可选）； d-摩擦片外片内径mm（有表可选）； Ku-速度修正系数（有表可选）； Kz-结合面数修正系数（有表可选）； Km-结合次数修正系数（有表可选）。代入数值得：取Z=9。5.4 轴的设计计算（1）轴的设计计算 1轴的材料选用45钢，并经调质处理。2轴的结构设计轴的结构如图所示：3 由于轴的实质结构没有变化，而且各部分直径也大于等于原轴的最小直径，故轴的强度是可以满足工作要求的，具体的校核计算就略去了。（2）轴的设计计算 1轴的材料选用45号钢，并经过调质处理。2估算周的最小直径查表得常数， (2.22)3 轴的结构设计（见图如下所示）4 轴的刚度验算轴的变形条件和允许值轴上装齿轮和轴承处的挠度和倾角（y和）应小于弯曲刚度的许用值Y和，即 yY，。表4-1 轴的弯曲变形的允许值轴的类型Y（mm）变形部位（rad）一般传动轴（0.00030.0005）L装向心轴承处0.0025刚度要求较高（0.0002）L装齿轮处0.001安装齿轮轴（0.010.03）m装单列圆锥滚子轴承0.0006安装蜗轮轴（0.020.05）m装滑动轴承处0.001装单列圆柱滚子轴承处0.001L：轴的跨度； m：模数轴的变形计算公式：计算轴本身弯曲的挠度y及倾角时，一般常将一轴简化为集中载荷下的简支架，按材料力学的有关公式计算，当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时，可把轴看做等直径，采用平均直径d1计算，计算轴时选择用平均直径（d1）或当量直径（d2）。圆轴：平均直径 (2.23) 惯性矩 (2.24)矩形花键轴：平均直径 (2.25) 当量直径 (2.26) 惯性矩 (2.27) 轴的力分解和变形合式对于复杂受力的变形，先将受力分解为三个垂直面上的分力，应用弯曲变形的公式求出所求截面的两个垂直平面的y和，然后进行叠加，在同一平面内进行代数叠加，在两个垂直面内则按几何合成，求出该截面的总载度和总倾角。危险工作截面的判断：验算刚度时应选择最危险的工作条件进行，一般是轴的计算转速最低，传动齿轮直径最小且位于周的中央，这时轴的受力将使总的变形剧烈。如果对两三种工作工作条件难以判断哪一种最危险，就分别进行计算，找到最大弯曲变形值y和。提高轴的刚度的一些措施加大轴的直径，适当减小轴的跨度或者增加第三支撑，重新安排齿轮在轴上的位置；改变轴的布置方位等。轴的校核计算轴的受力简图：轴的传动路线有两条，一条是、由齿轮9传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转；另一条是由齿轮10和齿轮11传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转。a ) 先校核由齿轮10传入，齿轮12传出时轴的强度1)作轴的水平面（H）弯矩图和垂直面（V）弯矩图1计算轴上的功率：轴上的转矩：齿轮11的圆周力齿轮11的径向力齿轮12的圆周力齿轮12的径向力齿轮12的轴向力2求在水平面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 3求在垂直面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 4画轴水平面（H）和垂直面（V）内的受力图、弯矩图如下2）作弯矩和转矩图1 齿轮11的作用力在水平面的弯矩图如上：齿轮11的作用力在垂直面的弯矩图如上：齿轮11在B截面作出的最大合成弯矩为2 齿轮12的作用力在水平面的弯矩图如上：齿轮12的作用力在垂直面的弯矩图如上：齿轮12在D截面作出的最大合成弯矩为3）作B、D两截面最大合成弯矩图和扭矩图4）轴的强度校核，经过分析可知，B所在的截面为危险截面，按第三强度理论计算弯矩查机械设计手册第二版第四卷，轴的抗弯截面系数 (2.28)故满足第三强度理论。刚度校核：在水平面（H）内FtB单独作用时FtD单独作用时在和FtBFtD共同作用下在垂直面（V）内：单独作用时单独作用时在与共同作用下时故在共同作用下，处为危险截面。其最大挠度为而一般y=（0.00030.0005）l =01221750203625mm.故,符合要求。轴的转角校核就不再验算。b）再校核由齿轮9传入，齿轮12传出时轴的强度；步骤方法同上，经过校核轴的强度和刚度均满足要求。设计过程中，依b)组传动方案，此处轴的强度和刚度校核过程省略。（3）主轴的设计计算轴的材料选用45号钢，并经过调质处理，结构设计如图。由于主轴的结构基本上没有明显的改动，故具体的校核计算过程就略去不作。第6章硬件电路图的设计6.1微机控制系统组成及特点6.1.1微机控制系统的组成微机控制系统主要由微型计算机和伺服系统两大部份组成，其中微机又包括硬件和软件两部分。（1）微机控制系统基本硬件组成硬件时组成系统的基础，有了硬件软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。数控系统的硬件电路概括起来由以下部分组成。1）主控制器，即中央处理单元CPU2）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写数据存储器3）接口（2）微机数控系统软件软件是指为实现微机控制系统各项功能编制的专用程序，它一般由以下几部分组成：1）输入数据处理程序它接受输入的零件加工程序，用标准代码表示的加工指令和数据整理成便于解释执行的格式后存放。2）插补运算程序它完成普通数控系统中插补器的功能。3）速度控制程序它根据给定的速度代码或每分毫米数控制插补运算的频率，以保证预定速度进给。4）管理程序和诊断程序管理程序对数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序进行调度，还可以对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示故障类型。6.1.2微机数控系统的特点（1）可靠性高。由于采用大规模集成电路、软件连接以及资诊断功能，所以大大提高了无故障运行时间，即使又极少的故障也能及时发现和排除。（2）灵活性强。由于系统的硬件是通用、标准化的，对于不同机床的控制要求只需更换可编程只读存储器中的系统程序就可实现。（3）易于实现机电一体化。采用大规模集成电路时控制框尺寸大为缩小，采用可编程接口又可将M、S、T等顺序控制部分逻辑电路与数控装置结合一起，使结构更为紧凑。（4）价格低。采用微机数控，使数控机床电气部分成本大为下降，对功比较齐全的数控机床价格幅度下降更大。（5）由于微机的功能强，存储量大，可实现多功能控制、多路运行控制及数据和图形显示等，给操作人员和监视生产过程带来方便。6.2微机控制系统设备介绍6.2.1主控制器CPU的选择CPU的选择应考虑以下要素：（3）控制数据处理的速度。（4） ROM/RAM的容量。（5）指令系统功能的强弱（即编程的灵活性）。（6） I/O口扩展的能力（即对外设控制的能力）。（5）开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。目前在数控系统中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及8098、8096等16位机的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位机的CPU。但从性能价格比上，我们拟采用MCS-51系列单片机中的8031作为主控制器。下面介绍MCS-51单片机的硬件结构，如图（4）。下面对各功能部件作进一步的说明：（1）数据存储器（RAM）：片内为128个字节，片外最多可扩至64K字节。（2）程序存储器（ROM/EPROM）：8031无此部件；8051为4KROM；8751为4KEPROM。片外最多可外扩至64K字节。（3）中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。（4）定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。（5）串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。（6）P1口、P2口、P3口、P0口：为四个并行8位I/O口。（7）特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。（8）微处理器（CPU）：为8位的CPU，且内含一个1位CPU（位处理器），不仅可处理字节数据，还可以进行位变量处理。图5.1 MCS-51单片机内结构6.2.2存储器电路的扩展（1）程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片，其型号分别为：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别位2k、4k、8k、16k、32k。在选择芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配。即8031所能读取的时间必须大于EPROM多要求的读取时间。此外，还要考虑最大读出速度、工作温度计存储器的容量。在满足容量要求是应尽量选择大容量芯片、以减少芯片数量，是系统简化。在本系统中，我们拟采用2764作为扩展芯片。2764与8031主要是三总线的联接。2764中的低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相联。当地址锁存允许信号ALE位搞点评，则P0口输出地址有效。8位数据线直接与8031P0口相联；高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，OE引脚直接同8031PSEN引脚相联，片选信号CE接地，以便总能选中。由于8031只能选通外部程序存储器，因而其EA引脚接地。（2）数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，须扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116和6264静态RAM数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存储器的要求相同。本系统拟采用6264芯片作为数据存储器的外扩芯片。6264低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相接，高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，8位数据线直接接至8031P0口，读写控制引脚OE、WE与8031的读写控制引脚RD、WR直接相联，片选端CE1通过译码电路与8031相联。6.2.3 I/O口电路的扩展（1）并行口的扩展8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免地要进行I/O口的扩展。通用可编程接口芯片8155具有2k位的静态RAM、2个8位和一个6位的可编程并行I/O口、一个14位的计数器。由于8155与单片机的接口简单，是单片机系统广泛使用的芯片。8155与8031的联接可归结为三总线的联接。8155本身具有地址锁存信号控制线和地址锁存器，故可直接将地址、数据线AD0AD7直接与8031口线对应的相联，8155的ALE与8031的ALE直接相联，高8位地址的P2.5P2.7经译码器74LS139提供8155的片选信号CE,IO/M控制端接P2.0口，其它读写信号WR、RD也都对应相联。8155的地址与8031统一编址。（2）键盘、显示器接口电路键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，按键设置在行列的交点上。本系统中所设计的是由48键和8

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