数控车床的主传动系统设计含全套毕业说明书

第一章概论一、数控系统发展简史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。二、国内数控机床状况分析（一）国内数控机床现状近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达4739亿美元，仅次于美国的5367亿美元，消费额比上一年增长25。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达2406亿美元，比上年增长273。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。（二）国内数控机床的特点1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。2001年国内数控金切机床产量已达18万台，比上年增长285。金切机床行业产值数控化率从2000年的174提高到2001年的227。3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。三、数控系统的发展趋势1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。2向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。3向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。四、机床数控化改造的必要性（一）微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化“。3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配“。4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。6、由以上五条派生的好处。如降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。（二）宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有19，而日本在1994年已达208，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。数控化改造的市场空间机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如“在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个“永恒“的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出1国内的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有1134万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0608万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。2进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约1658亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。机床改造的效益分析提高机床数控化效率有两个途径一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点1、减少了投资和交货的期限同购置新的数控机床相比，一般可以节省60到80的费用，改造的费用大大减低。2、机械的稳定性可靠机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。4、可以充分利用现有的条件可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理筛选功能购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。第二章普通车床的数控改和可行性论证对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。一车床的数控改造（一）、数控机床工作原理及组成1数控机床工作原理数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。2数控机床的组成数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图21图21数控机床的组成图（二）、设计内容及任务普通车床（C618）的数控改造设计内容包括总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。本设计任务是对C618卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为001MM/脉冲，横向最小运动单位0005MM/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。（三）、数控部分的设计改造1、数控系统运动方式的确定数控装置控制介质测量装置伺服系统机床数控系统按其运动轨迹可分为点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于C618车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。2、伺服进给系统的设计改造数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。3、数控系统的硬件电路设计数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。数控装置的设计方案通常有可以全部自己设计制作可以采用单板机或STD模块或工控机改制可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。（四）、机械改造部分的设计1、主传动部分的改造设计将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。2、进给机构的改造将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。3、其它部件的改造刀架部分拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。二可行性论证根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床C618进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。第三章总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的C618的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显C618车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机，有级变速部分采用电磁离合器控制机构；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。改造后的总体方案示意图如图31所示图31总体方案设计图步进电动机车床加工工件图纸工件变速箱数控程序编制变速箱步进电动机手工输入或计算机控制计算机功率放大器存储装置第四章主传动部分改造与设计在改造设计之前，让我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特点1）采用调速电机驱动，以满足主轴根据数控指令进行自动变速的需要；2）传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构；3）转速高、功率大；数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还应满足如下要求1具有更大的调速范围，并实现无极调速。数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产效率、加工精度和表面质量，必须有更高的转速和更多的调速范围。为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴件的刚性。具有良好的抗振性和热稳定性。加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要求有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。如果把主轴组件视为一个等效的单自由度系统，则动刚度DK与动力参数的关系为DK22221NNK41式中K机床主轴结构系统的静刚度（MN/）；外加激振力的激振频率（HZ）；N主轴组件的固有频率（NMK，M为当量质量，K为当量静刚度）；阻尼比（C，是阻尼系数，C是临界阻尼系数，CNM2）。由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使DK值较大，为此应尽量使阻尼比、当量刚度值或固有频率的值较高。在设主传动系统时，要注意选择上述几个参数的合理关系。一、主传动部分改造方案拟定和设计的内容异步电动机的调速方法有变频调速、变极调速、辩转差调速三种。异步电动机的转速公式为NIP60F1从该公式中可以看出，若均匀地改变电源的频率F1，就可以连续地改变电动机的同步转速。这种调速方法称为变频调速，它完全不同于其它的调速方法。改变异步电动机的磁极对数调速的方法称为变极调速。改变电动机转差率的调速方法称为变转差率调速。表41异步电动机各种调速方法性能指标的比较项目调速方法变频变极变转差率转子串电阻串极调速调压调速电磁调速电机是否改变同步转速变变不变不变不变不变调速指标静差率小（好）小（好）大（差）小（好）开环时大闭环时小开环时大闭环时小调速范围（D）较大（10以上）较小（24）小（2）较小（24）闭环时较大闭环时较大调速平滑性好（无级调速）差（有级调速）差（有级调速）好（无级调速）好（无级调速）好（无级调速）适应负载类型恒转矩恒功率恒转矩恒功率恒转矩恒转矩通风机恒转矩通风机恒转矩设备投资多少少较多较少较少电能损耗较小小大较小大大异步电动机变频调速有调速范围广、平滑性较高、机械特性较好的优点，可以方便地实现恒功率或恒转矩变速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相媲美。目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方法。通过上序的比较本课程设计中电动机的调速方法采用变频调速的方法。改换主轴电动机，换成调速电动机通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。图41主轴变频调速系统原理图数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。无级变速能够选用最合理的切削用量，可在运转中变速，操作方便，简化机械结构。无级变速主要是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般只有12，很少到34，且换向有限制，现大多采用交流变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机类似，在额定转速以下为恒转矩区，在额定转速以上为恒功率区域。一般主轴调速电动机的恒功率调速范围为34，对于恒功率变速范围大的主轴传动系统，需要增加变速齿轮，以保证主轴上较大的恒功率范围。考虑本设计机床要求采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即分段无级变速，主轴的正反转和制动停止，由数控指令直接控制电动机来实现。利用车床的主轴交流异步电动机、变频器、数控单元ENC构成了变频调速系统。交流电动机的转速N与频率F，电动机的级对数P及转差率S之间的关系为NPSF/160,由此可知，改变电源的频率F，即可改变电动机转速，且转速N与频率F成正比。考虑本设计机床的要求，采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。主轴的正、反转和制动停止由数控指令直接控制电动机实现。其主轴变频调速系统原理图如图41所示；如图42所示是机床主轴要求的功率特性和转矩特性。这两条特性曲线是以计算转速NJ为分界，从NJ至最高转速NMAX的区域为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，在该区域内，最大转矩则随主轴转速下降而上升。从最低转速NMIN至NJ的区域为恒转矩区。在该区域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩MMAX。在区域内，主轴可能输出的最大功率PMAX，则随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的2/33/4；恒转矩区约占1/41/3。如图43所示是变速电动机的功率特性。从额定转速ND到最高转速NMAXDE区域为恒功率区；从最低转速NMIN至ND的区域为恒转矩区。直流电动机的额定转速常为1000R/MIN1500R/MIN。从ND至NMAX用调节磁通的方法得到，称为调磁调速；从NMIN至ND用调节电驱电压的办法得到，称为调压调速。交流调频电动机用调节电源频率来达到调速的目的。额定转速常为1500R/MIN。这两种电动机的恒功率转速范围为24；恒转矩变速范围则可达100以上。图42主轴的功率转矩特性图43变速电动机的功率特性所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有机变速相配合来实现。二、主传动部分改造设计计算主传动部分改造设计计算包括电动机的设计于选择,主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析,数控机床分级变速箱的设计,电磁离合器的设计计算,机床调速电机控制电路图的设计（一）、电动机的选择根据原机床参数及要求初选改造后车床主轴变速范围RN100，NMAX3000R/MIN，NMIN30R/MIN；主传动机械总效率系数09，最大切削功率为10KW，最小切削功率为3KW。则电机初选功率应为PD10VKW,根据电机规格，可选用11KW或者15KW的电机。表格4。2电机选择两种方案对比交流主轴电机主轴与变速机构型号PD（KW）RDPNDSMINRDTNJRNPRNTRFIYP160M2411345033833033101/18YP160L415333545112223457441/1342、电机最小输出功率1）、计算主轴在最底转速达到最小功率是电机应输出的功率PDSMINNMINP3/0933KW422）、算电机实用的最底转速NDSMIN（R/MIN）由式NDSMINDDDSMINPNP43计算结果11KW的电机为NDSMIN450R/MIN（ND1500R/MIN）15KW的电机为NDSMIN333R/MIN（ND1500R/MIN）式中ND电机的基本转速R/MIN；PD电机额定功率KW。由此，设计者选用功率为11KW、型号为YP160M24的交流调频电机。（二）、主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析1、电机额定转速的计算电机的选择1）、电机额定转矩TDD（N/M）为TDD1500955011N9550PDD70NM442）、电机最小转矩TDMIN（NM）TDMINDMAXDN9550P232NM45其中电机最大转速NDMAX4500R/MIN3）、电机实用恒转矩区变速范围RDTDMINDNN33464）、主轴恒转矩区变速范围RNTRDT33475）、电机恒功率区变速范围RDPDMAXNN3482、主轴参数计算1）、主轴计算转速NJNJ30MINMAXMINNNN493030300030120R/MIN2）、主轴恒功率变速范围RNPRNPJMAXNN120300025R/MIN4103）、分级变速机构的变速范围RFRFDPNPRR32583411其中RNP主轴恒功率区变速范围RDP电机恒功率区变速范围4）、主传动系统总降速比IIDJNN15001201/125412三、数控机床分级变速箱的设计1、数控机床主轴转速自动变换过程在数控机床上,特别是在自动换刀的数控机床上应根据刀具与工艺要求进行主轴转速的自动变速。在零件加工工程序中用S两位代码指定主轴转速的序号，或用四位代码指定主轴转速的没分钟转数，并且用M两位代码指定主轴的正、反向启动和停止。采用直流或交流调速电动机的主运动无级变速系统中，主轴的正、反启动和停止制动是直接控制电动机来实现的，主轴转速的变换则由电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变换相配合来实现的。机床主运动变速系统中主轴的转速N是如何由电动机的转速、齿轮有级变速级数相配合来实现的，为了获得主轴的某一转速必须接通相应的有级变速级数和电动机的调压转速NY或调磁转速NC。理论上说电动机的转速可以无级调速，但是，主轴转速S代码最多只有99种，即使是使用S四位代码直接指定主轴转速，也只能按一转递增，而且分级越多指令信号的个数越多，更难于实现。因此，实际上还是将主轴转速按等比数列分成若干级，根据主轴转速的S代码发出相应的有级级数与电机的调速信号来实现主轴的住动变速。电机的调压或调磁变速，由电动机的驱动电路根据转速指令电压信号来变换。齿轮有级变速则才用夜压或电磁离合器实现。2、分级变速箱的设计数控机床的分级变速箱由于位于调速电机与主轴之间,因此,设计时除遵循一般有级变速箱设计原则外,必须处理好公比的选择在设计数控机床分级变速箱时,公比的选取有以下三种情况A、取变速箱的公比等于电机的恒功率调速范围RDP,即RDP。B、如果为了简化变速箱的结构，希望变速级数少一些，则不得不取较大的公比。C、数控车床在切削阶梯轴、成行螺旋面或端面时，有时需要进行恒线速切削。经综合分析比较选有第A种情况的公比。1、取变速箱的公比等于电机的恒功率调速范围RDP,即RDP则机床主轴的恒功率变速范围为RNPZ1RDPZ413变速箱的变速级数ZLGLGRNPLG3LG25293414其中RNP主轴恒功率区变速范围RNP25变速箱的公比RDP3Z必须是整数，可取变速箱的变速级数Z3。其转速图如图44（A）所示。电动机经定比传动23，使变速箱的轴得到3000R/MIN1000R/MIN（恒功率）和1000R/MIN270R/MIN（恒转矩）的转速。如果经轴之间的两对11的齿轮传动，主轴能得到3000R/MIN1000R/MIN恒功率转速范围。当主轴转速N降到1000R/MIN时，电动机转速降到1500R/MIN（额定转速）。如果电动机转速继续下降，则将进入恒转矩区，最大输出功率也将随之下降。表现在图44（B）的功率特性图上，主轴转速为3000R/MIN1000R/MIN时，为AB段，是恒功率。当电动机转速低于额定转速时，最大输出功率将沿BC段虚线下降。图44传动系统及功率特性图当主轴转速降到1000R/MIN时，变速箱变速，经（1/1）（1/3）传动主轴。这时电动机转速自动地回到最高转速。当电动机又从4500R/MIN降到1500R/MIN时，主轴从1000R/MIN降到333R/MIN，还是为恒功率。在功率特性图上为BD段。当主轴转速降到333R/MIN时，变速箱变速，经（1/3）（1/3）1/9转动主轴。电动机又回到最高转速。主轴从333R/MIN降到111R/MIN，在特性图上为DF段。主轴111R/MIN的转速已低于原要求的计算转速，以下进入恒转矩段。靠电动机继续降速得到，当电动机转速降到405R/MIN时，主轴转速降到405（2/3）（1/9）30R/MIN，即为主轴的最低转速，这时电动机的最大输出功率为P21500450PD027PD415即为额定功率PD的27。在图44（B）中，ABDF应为一条直线。为了清楚起见，把它画成三段，并略错开。可以看出，主轴恒功率变速范围AF是由3段组成的，每段的变速范围为电动机的恒功率调速范围RDP3。所以，变速箱的公比RDP。电动机的功率根据主轴的需要选择。主轴计算转速为F点的转速（111R/MIN）。表43为主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系表43主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系N/RMIN1有级级数NY/RMIN130N纵向进给系统的设计与计算1、进给系统的设计内容经济型数控车床的改造一般是将丝杠、光杠及安装座拆去，配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电动机及减速箱安装在车床的车尾。书控车床通过步进电动机经减速驱动滚珠丝杠，带动刀架左右移动。纵向进给系统设计的主要内容有滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电动机的选择等。2、纵向进给系统的设计计算（1）已知条件1）、纵向脉冲当量P0001MM/脉冲；2）、纵向最高进给速度VFYMAX2M/MIN；3）、C618车床工作台质量W100KG1000N（根据图形尺寸粗略计算）。4）、时间常数T25MS（2）、纵向进给切削力FZ的确定根据机床设计手册查出，ADFPP35（51）式中PDF进给系统所需电机功率PA主传动电机功率由前面的设计计算可知PA11KW取比例系数为4则PDFPA4044KW（52）根据机床设计手册查出，FYFDFFVP6120（53）式中F进给系统效率，其范围为015020，取F0175VF进给速度（M/MIN），查实用机床设计手册可知VF（1/21/3）VFYMAX（54）取VF（1/2）VFYMAX1M/MIN则FZ47124N当FZ47124N时，切削深度AP2MM，走刀量F03MM以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般圆切削时XF（0106）ZF（55）YF（01507）ZF（56）XF05ZF054712423562（N）YF06ZF0647124282744（N）（3）、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力；对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变应力的作用下，经过一定的应力循环次数后滚珠和滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠破坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能够它在一定的轴向负载的作用下，在回转106转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载Q。滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。1）、额定动载荷与计算动载荷C从实用机床设计手册中查得DHDHFFFFFNC（57）式中FH寿命系数FD载荷性质系数FH动载荷硬度系数FN转速系数FD最大工作负载N根据实用机床设计手册可知选工作寿命LH15000H,则FH3/1500LH3107（58）选载荷性质系数FD135选动载荷硬度系数FH10转速系数FN3/1333N（59）V1000MM/MIN根据上述选择的情况下,计算结果如表51所示表51动载荷计算丝杠导程L0/MM121086NV/L0R/MIN83031001251667FN0737069306940584C/N26883285903081333926综合导轨车床丝杠的轴向力WFFKFFZX（510）式中K115F015018,取016得10004712401623562151F36236N寿命值181015000206010T60NL66III（511）最大负载FFFLQHW3I（512）63623121183113958N查参考文献实用机床设计手册可选用NL4510型号的滚珠丝杠副,名义直径为45MM,丝杠导程为10MM,螺旋角34O,滚珠例数为3系列,其额定动载荷为33300N,所以其强度够用。2）、支承方式选用“单推单推”的支承方式。3）、效率计算；TGTG（513）式中螺纹的螺旋升角34O摩擦角00400030TG；所以，4513则9745133434OOTGTG（514）经验表明在数控化改造设计中，有普通丝杠换成滚珠丝杠，只要名义直径相同，支承方式相同或有改善，其丝杠的强度，刚度和稳定性计算可以不计算，因为采用类比法，改善后肯定合格。（4）、齿轮设计齿轮传动比I517401036010513600PLI（515）式中；步进电动机的步矩角，选为150，计算出I5，因此可以选一级传动。大小齿轮都采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB290HB，大齿轮硬度为220HB250HB，精度选用六级，模数M2MM,齿宽B20MM,螺旋角020，齿数Z118，齿数Z275，则3618211MZD（516）15075222MZD932121DDA（517）还应该校核齿轮表面接触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。3、步进电动机的确定（1）、步进电动机步矩角的选择；005110174010360360LIP（518）（2）、等效转动惯量的计算惯量对运动特性有很大影响，对加速能力，加速时驱动力矩及动态的快速反应有直接关系，因此核算转动惯量很有必要。纵向伺服系统改进后等效转动惯量的简图如下图51改造后的纵向伺服系统等效转动惯量简图等效步进电动机轴的转动惯量计算，采用下式；1121JJJJIJZZS（519）式中1J工作台质量折算到电机轴上的转动惯量SJ滚珠丝杠转动惯量1ZJ齿轮1的转动惯量2ZJ齿轮2的转动惯量1JWP2180（520）2511430101801000146（KGF2CM）滚珠丝杠转动惯量SJ784104D1L（521）7841045414045741（KGF2CM）齿轮的转动惯量1ZJ7841046320262（KGF2CM）2ZJ78410415278975（KGF2CM）电动机转动惯量很小可忽略，因此总的转动惯量J1121JJJJIZZS14602620975787414517412758（KGF2CM）7582CMN（3）、所需转动力矩计算折算到步进电动机轴的力矩可分为三种情况进行计算。1）、快速空载启动时所需力矩MMAMAXMFM0（522）2）、最大切削负载时所需力矩MMATMFM0MT（523）3）、快速进给所需力矩MMFM0（524）式中MAMAX空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；MF折算到电机轴上的摩擦力矩；M0由丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的摩擦力矩；MAT切削时折算到电机轴上的加速度力矩；MT切削时折算到电机轴上的切削负载力矩。MA41069TJN（NM）（525）式中；T为时间常数T0025S当NNMAX时，MAMAXMA；NMAX1017420000MAXLIV834R/MIN（526）MAMAX4100250698345872764（NM）2764（NCM）当NNT时，MATMA；0LFI主NNT（527）10174301001251（R/MIN）MAT41002506958700395（NM）395（NCM）IWLFMF20（528）当08，F016时；1748014321100160FM764（NCM）当009时0M20016ILFX（529）2901174801436172820854（KGFCM）854（NCM）TMILFX20（530）17480143217282135（KGFCM）135（NCM）从而求得，快速空载启动所需力矩MMAMAXMFM0276476485429488（NCM）切削时所需力矩MMATMFM0MT395764854135155（NCM）快速进给时所需力矩MMFM07648541618（NCM）由以上分析计算可知，所需最大力矩MMAX发生在快速启动时，即MMAX29488（NCM）4）、步进电动机的最大静转矩TJM为。8660408660MAX0TTTJM（531）408660882948513（NCM）5）、步进电动机的最高频率计算；3333301060200060MAXMAXPVF（HZ）（532）电动机采用三相六拍的工作方式，经综合考虑，选用110BF003型的直流步进电动机能满足要求。横向进给系统的设计与计算1、进给系统的设计内容经济型数控车床改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电动机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电动机安装在大拖板上，用发兰盘将步进电动机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。横向进给系统设计的主要内容有滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电动机的选择等。2、横向进给系统的设计计算（1）、已知条件1）、纵向脉冲当量Y00005MM/脉冲；2）、纵向最高进给速度VFYMAX1M/MIN；3）、C618车床工作台质量W40KG4000N（根据图形尺寸粗略计算）。4）、时间常数T25MS（2）、横向进给切削力FX的确定根据机床设计手册可知；横向进给量为纵向的1/21/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2。ZF054712423562（N）XF05ZF062356211781（N）（3）、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力；对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变应力的作用下，经过一定的应力循环次数后滚珠和滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠破坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能够它在一定的轴向负载的作用下，在回转106转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载Q。滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。1）、强度计算；WFFKFFZX式中K14F02,得40023562021178141F22005N寿命值1351015000156010T60NL66III最大负载FFFLQHW3I22005121135362875N查参考文献实用机床设计手册可选用WD2004型号的滚珠丝杠副,名义直径为20MM,丝杠导程为4MM,螺旋角393O,滚珠例数为3系列,其额定动载荷为7600N,所以其强度够用。2）、支承方式选用“单推单推”的支承方式。3）、效率计算；TGTG式中螺纹的螺旋升角393O摩擦角10则96010393393OOTGTG经验表明在数控化改造设计中，有普通丝杠换成滚珠丝杠，只要名义直径相同，支承方式相同或有改善，其丝杠的强度，刚度和稳定性计算可以不计算，因为采用类比法，改善后肯定合格。（4）、齿轮设计齿轮传动比I53300503604513600PLI式中；步进电动机的步矩角，选为150，计算出I5，因此可以选一级传动。大小齿轮都采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB290HB，大齿轮硬度为220HB250HB，精度选用六级，模数M2MM,齿宽B20MM,螺旋角020，齿数Z120，齿数Z266，则4020211MZD13266222MZD862121DDA还应该校核齿轮表面接触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。3、步进电动机的确定（1）、步进电动机步矩角的选择；005141740050360360LIP（2）、等效转动惯量的计算惯量对运动特性有很大影响，对加速能力，加速时驱动力矩及动态的快速反应有直接关系，因此核算转动惯量很有必要。改造后的横向伺服系统等效转动惯量简图如下图52改造后的纵向伺服系统等效转动惯量简图等效步进电动机轴的转动惯量计算，采用下式；1121JJJJIJZZS式中1J工作台质量折算到电机轴上的转动惯量SJ滚珠丝杠转动惯量1ZJ齿轮1的转动惯量2ZJ齿轮2的转动惯量1J251143005018040146（KGF2MM）00146（KGF2CM）滚珠丝杠转动惯量SJ7841042500624（KGF2CM）齿轮的转动惯量1ZJ7841044204（KGF2CM）2ZJ78410421324736（KGF2CM）电动机转动惯量很小可忽略，因此总的转动惯量J0146040624036473312482（KGF2CM）4822CMN（3）、所需转动力矩计算折算到步进电动机轴的力矩可分为三种情况进行计算。1）、快速空载启动时所需力矩MMAMAXMFM02）、最大切削负载时所需力矩MMATMFM0MT3）、快速进给所需力矩MA41069TJNNM式中；T为时间常数T0025S当NNMAX时，MAMAXMA；NMAX43310000MAXLIV83325R/MINMAMAX41002506925833824167（NM）167（NCM）当NNT时，MATMA；0LFI主NNT01000DLVFI4601433315010010006634（R/MIN）MAT410025069346682400348（NM）348（NCM）IWLFMF20当08，F02时；33801432044020FM0193（KGFCM）193（NCM）当009时0M20016ILFX290133801436408117018（KGFCM）18（NCM）TMILFX2033801432408117284（KGFCM）284（NCM）从而求得，快速空载启动所需力矩MMAMAXMFM0167019301817073（KGFCM）切削时所需力矩MMATMFM0MT034801930182843561（KGFCM）快速进给时所需力矩MMFM001930180373（KGFCM）由以上分析计算可知，所需最大力矩MMAX发生在快速启动时，即MMAX17073（KGFCM）17073NCM4）、步进电动机的最大静转矩TJM为。8660408660MAX0TTTJM40866073170490NCM5）、步进电动机的最高频率计算；33333005060100060MAXMAXPVF（HZ）电动机采用三相六拍的工作方式，经综合考虑，选用110BF003型的直流步进电动机能满足要求。第六章自动转位刀架的选择设计在总体方案论证中提到自动转位刀架是数控机床不可或缺的一部分。一、数控车床刀架的基本要求数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求转位准确可靠，工作平稳安全；按最短线路就近选择，转位时间短；重复定位精度高；防水、防屑，密封性能优良；夹紧刚性高，适宜重负荷切削。二、自动转位刀架的选择在本设计中，因设计时间等因素，设计者七绝顶引进常州武进数控设备厂生产的LD4I型四工位自动刀架，而不对其做具体设计。该型自动刀架具有重复定位精度高、工作刚性好、使用寿命长、工艺性好等特点。下面对该刀架相关内容做一简要分析说明LD4I型自动刀架的技术参数表61LD4I型自动刀架的技术参数型号刀位数电机功率电机转速夹紧力上、下刀体尺寸C6184120W1400R/MM05162162192192LD4I型自动刀架的技术指标表62LD4I型自动刀架的技术指标重复定位精度工作可靠性换刀时间（S）901802700005MM30000次293439工作原理在经济型数控车床上大都使用的是四方或六方转位刀架，按其工作原理可分为螺旋转位刀架，十字槽转位刀架，凸台棘爪式转位刀架，电磁