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開發(fā)低成本接觸觸發(fā)探測器的數(shù)控車床
馬塞洛德爾戰(zhàn)爭a
雷吉納爾多·特謝拉·科埃略b
a:工程圣卡洛斯 - 歐盟經(jīng)濟社會委員會，USP的冼星海大馬路工人Sancarlense400，CEP13566-590，圣保羅卡洛斯，SP，巴西的學(xué)校
b:工程圣卡洛斯 - 歐盟經(jīng)濟社會委員會，USP的冼星海大馬路工人Sancarlense400，CEP13566-590，圣保羅卡洛斯，SP，巴西的學(xué)校
2006年4月18日網(wǎng)上可查詢
摘要
數(shù)控機床使用觸發(fā)式測頭已成為世界標準，主要是由于減少了機器設(shè)置時間，以促進工件精度在機測量的能力。然而，一些障礙仍然需要調(diào)換，如測量程序編程困難，這些設(shè)備的成本高和技術(shù)文獻的數(shù)量較少有關(guān)此主題。這項工作提出的觸發(fā)式測頭對車間的應(yīng)用，討論時下用來產(chǎn)生觸發(fā)信號的技術(shù)審查。基于簡單的電接觸的新接觸觸發(fā)探頭模型被提出，與所需要的特性和成本低，要用于CNC車床。探針在實驗室開發(fā)的試驗示出0.003毫米（±3秒或99.73％置信區(qū)間）一個可重復(fù)性。這些特征似乎是非常媲美于工業(yè)車床應(yīng)用中最需要的。
關(guān)鍵詞：
·尺寸質(zhì)量監(jiān)測和控制;
接觸觸發(fā)探頭;
·在機測量系統(tǒng);
·CNC車床
簡介
如今，在制造系統(tǒng)發(fā)展最困難的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)的全維管理，創(chuàng)建統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和部分到零件的控制。這種融合可以通過使用通常被稱為連接到數(shù)控機床觸發(fā)式測頭設(shè)備來達到。這些設(shè)備是用于基于項目的規(guī)格，閉環(huán)過程控制，部件的尺寸控制。制造，刀具補償，快速設(shè)置，過程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)采集和更多的測量和校準。
它是在目前的制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢非常重要的是要使用這些功能，使得可能部分對部分檢驗控制，如果必要的，這保證了尺寸誤差立即檢測，減少廢料，避免了一整批片都刮掉并降低成本，由于零件返工。
為了幫助維控上車削操作，這項工作開始引入觸發(fā)式探頭的特點，用于產(chǎn)生“觸發(fā)信號”技術(shù)。在此之后，本文提出了一種簡單和低成本的無線觸發(fā)式測頭的基礎(chǔ)上，直接電接觸的原則。原型是一起提交的重復(fù)性和準確性的研究。
1. 觸發(fā)式測頭
第一個觸發(fā)式測頭的發(fā)明是為了解決一個具體的檢查要求，但繼續(xù)改造的設(shè)計和革命性的制造組件的過程后檢驗使用三坐標測量機（CMM）的。在20世紀70年代末，幾乎所有主要的CMM制造商在世界上采用雷尼紹?探頭。
后來，由于數(shù)控進展，包括測量功能和直線光柵尺在其軸，使用這種裝置傳到機床，在那里他們成為了自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，使得企業(yè)，從汽車到航空航天，提供精密零件的重要組成部分，減少廢料和最大限度地提高工作效率。
大衛(wèi)·麥克默特里開發(fā)的觸發(fā)式測頭技術(shù)在1972年的問題出現(xiàn)在勞斯萊斯公司，在那里他是引擎設(shè)計的副總。當(dāng)時，他正面臨著測量一些復(fù)雜的管路，只有毫米直徑6，對協(xié)和使用奧林巴斯引擎的問題。該管道必須適合精確扎實座架之間，但難度來衡量他們，一旦他們被制造。發(fā)現(xiàn)該溶液是觸發(fā)式探頭（TTP），它使用了一個簡單的原則，以確定探針和部件之間的接觸，以進行測量。 1973年，大衛(wèi)·麥克默特里注冊了一家名為雷尼紹早期成為計量和光譜解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，制造商和研究人員在世界各地（雷尼紹[1]）。由于公司使用的專利機制，由打算加入這個市場上的其他公司需要開發(fā)其他技術(shù)。
3.觸發(fā)式測頭主要特點
獨立使用的技術(shù)，其原理是基于電信號此刻探頭的尖端接觸要測量的部分的產(chǎn)生（或中斷）。該信號，一般稱為觸發(fā)信號，被發(fā)送到把它轉(zhuǎn)換到由數(shù)控或CMM的被讀出的接口。在該機器接收到觸發(fā)信號的那一刻，它會立即凍結(jié)，并保存為計算和報告生成軸值（見圖例如1）。
圖.1.連接到數(shù)控機床的測量系統(tǒng)。
紅外線，無線電頻率或簡單的電線電纜：從TTP到探頭接口觸發(fā)信號傳輸可以采用三種基本不同的通信技術(shù)來建立。紅外通信用于標準車床和銑床傳統(tǒng)的應(yīng)用;這種技術(shù)提供了高可靠性，高傳輸速度率，低噪音干擾和低實施成本。這是接近萬無一失的系統(tǒng)，除非探頭和接收器都出視覺接觸的，作為探針深工件內(nèi)孔或其他凹陷內(nèi)時。對于這些情況和應(yīng)用中，射頻系統(tǒng)建議，（工具及制造[2]）。電線電纜通訊用于它們被安裝并固定在機床工作臺刀具調(diào)整器的探針。
4.探測循環(huán)和編程
據(jù)現(xiàn)代機加工在線[3]，少數(shù)專業(yè)人士會提出異議探測超速零件設(shè)置，設(shè)置刀具補償和執(zhí)行過程中的檢驗，至少在理論上的優(yōu)點。在實踐中，然而，探測器系統(tǒng)經(jīng)常被看作是難于使用和昂貴，購買。其結(jié)果是，他們已經(jīng)成為在高生產(chǎn)環(huán)境主要由有經(jīng)驗的程序員的工具。
為了使探測有效，更經(jīng)濟實惠的范圍廣泛的用戶，一些主要領(lǐng)導(dǎo)的CNC的制造商，如發(fā)那科，海德漢，大隈，辛辛那提米拉克龍公司和西門子，都包括在其數(shù)控軟件，專門開發(fā)的圖形用戶友好界面用于探測的Heidenhain TNC控制系列，例如，能夠自動地或手動地通過三維測量，使檢查的功能，如檢查孔的尺寸精度，確定飼料進行精加工，檢查工件的幾何形狀，并確定從公差偏差，確定工件前加工和掃描三維表面。另外，探測循環(huán)正在廣泛開發(fā)和可以由單個線的信息來激活（Zhou等人[4]）。
今天的標準機床提供精度和可重復(fù)性接近以前的水平僅在三坐標測量機。此外，技術(shù)的進步使這些機器容易維護。測試和校準技術(shù)，現(xiàn)已啟用的商店，以確保其機床的精度和健康。伸縮式球桿儀是由幾乎所有的商店很容易負擔(dān)得起的。一個藏書豐富的工具箱中也應(yīng)包含電子水平還是不錯的一套精密機床的水平。植物和大商店越來越多維護自己的激光干涉儀和電子水平，而租賃設(shè)備和診斷服務(wù)可購到各種來源的小商店（現(xiàn)代機加工在線[5]）。
另外，根據(jù)現(xiàn)代機加工在線[6]，CNC機器，在一般情況下，非常準確，非常重復(fù)。他們媲美同等規(guī)模的三坐標測量機的精度和可重復(fù)性。隨著在CNC檢查過程中的一些照顧，導(dǎo)致測量誤差和錯誤切割之間相互依存的因素可以被最小化。
5.技術(shù)用于生成所述觸發(fā)信號
根據(jù)沉和月亮[7]，有當(dāng)探針尖端接觸所述工件不產(chǎn)生觸發(fā)信號。探針將繼續(xù)走向和探頭尖端和工件之間的力會增加，??從而引起的物理量（例如，電阻），以達到一個閾值設(shè)置。當(dāng)物理的數(shù)量超過在感測系統(tǒng)中的閾限的觸發(fā)信號生成的。觸摸瞬間和觸發(fā)時刻之間的移動距離被稱為探針的預(yù)行程。主要是由彎曲筆軸的偏轉(zhuǎn)，它占大多數(shù)探針錯誤。
基本上有用于生成所述觸發(fā)信號四種不同的原則：電觸點（運動接觸），發(fā)光（激光干涉），變形（應(yīng)變計），并利用壓電效應(yīng)。
5.1運動接觸
目前，這是最常用的觸發(fā)式測頭廣泛。由大衛(wèi)·麥克默特里開發(fā)的，這個原理徹底改變了使用的坐標測量機。
根據(jù)圖。 2，它是基于三個小的圓柱形件即保持就座于其他六個氣缸/球而引起的彈簧作用的壓力，限制其自由度直到觸針被帶到與該工件接觸的運動重新座位機構(gòu)。電流通常流經(jīng)三個席位串聯(lián)。當(dāng)探頭端部移動離開其穩(wěn)定位置，一個或多個座椅接觸場所及阻力的增加立即電子檢測（Mayer等人[8]和里德[9]）。測量完成后，當(dāng)探頭尖端移動從片背面，探頭彈簧迫使機構(gòu)回到初始穩(wěn)定位置，重新建立的標準電阻。
圖2.運動觸發(fā)式測頭的工作原理（模具和生產(chǎn)[2]）。
5.1.1系統(tǒng)優(yōu)勢
從由該系統(tǒng)提供的主要優(yōu)點，這是杰出的：該系統(tǒng)的簡單性，電氣 - 機械組件的堅固性，廣泛和研究原理。
5.1.2系統(tǒng)的缺點
由于電氣 - 機械裝配，運動探測器易受其電接點的消耗和腐蝕。
此外，這種探頭的主要典型特征是相關(guān)的預(yù)行程變化。因為觸針之前彎曲觸發(fā)是探針預(yù)行程的主要成分，該特性根據(jù)在觸摸方向的變化而變化（里德[10]）。這種行為發(fā)生由于這樣的事實，在三個“V型塊”由120°角隔開，內(nèi)部機構(gòu)的座位使所需要的力，以產(chǎn)生“觸發(fā)信號”，根據(jù)該接近的方向（以改變Kim和Chung [11 ]）。
Miguel等。 [12]也說，必要的動力，打開電接觸一個取決于即將到來的速度。
據(jù)沉和月亮[7]，同樣的觸發(fā)式測頭型號可能會表現(xiàn)出不同的預(yù)行程變化的行為，由于制造和組裝過程中的微小變化。
累積誤差使用觸筆更長大于30mm，由于這樣的事實，所必需的接觸力，生成“觸發(fā)信號”時發(fā)生彎曲的觸針和該偏轉(zhuǎn)正比于它的長度。
如果相對于其他系統(tǒng)，提供類似的好處，這些設(shè)備的購置成本是比較高的。該設(shè)備是眾所周知的，而他們生產(chǎn)的品牌有非常高的質(zhì)量有關(guān)。
5.2應(yīng)變計
應(yīng)變計用類比信息從產(chǎn)生在觸筆觸碰部的電阻變化導(dǎo)出探針交易，以進行測量。
使用這種技術(shù)作為數(shù)字交換機，它是必要的電的信號調(diào)節(jié)和處理，建立從其中的“觸發(fā)信號”時所產(chǎn)生的限制。
5.2.1優(yōu)勢
一個這種技術(shù)的主要優(yōu)點是，預(yù)行程變化比運動學(xué)探針因為觸針的變形本身負責(zé)trigging事件要低得多。由于這個原因，這種探針是非常準確和使得有可能使用觸筆只要200毫米（圖3）
圖.3.預(yù)行程變化：比較運動探針（TP20）與應(yīng)變計探針（TP800）的性能（Renishaw的[1]）。探頭采用固體電子學(xué)，提供了長壽命和低磨損。根據(jù)模擬信號的校準，這些系統(tǒng)能夠檢測0.2 N.接觸力
5.2.2缺點
與這些探頭有關(guān)的缺點依靠高收購成本，極其先進的電子設(shè)備，使得它非常微妙的設(shè)備和事實，也有極少數(shù)的文獻和信息專接近這些系統(tǒng)。
5.3激光
這些探頭操作使用光電開關(guān)的傳感器。透鏡系統(tǒng)匯聚LED發(fā)出的光束并聚焦在差動光電池上。當(dāng)觸針偏轉(zhuǎn)，差分光電管產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，（約翰的Heidenhain博士[13]）。
5.3.1優(yōu)勢
如果與其他設(shè)備提供類似的性能之一的這些設(shè)備的主要優(yōu)點是與它的成本，相對低的。
5.3.2缺點
有對差分光電點所在的平行光發(fā)生，并產(chǎn)生了“觸發(fā)信號”，首先改變，針尖和被測定，將需要的部分之間的力偏轉(zhuǎn)的內(nèi)部機構(gòu)，類似于什么情況與有關(guān)到它的電觸點的開“運動探測”。由于這個原因，這兩個系統(tǒng)呈現(xiàn)類似預(yù)行程變化特性，表現(xiàn)出對方向的方法的準確性依賴于部分進行測量和兩個系統(tǒng)都沒有指示要使用觸筆長于30毫米。
5.4壓電式傳感器
壓電探針基于用于該壓電晶體的兩個面之間產(chǎn)生，當(dāng)它被按下時的電勢差的原理。使用此物理原理，有可能設(shè)計出能夠產(chǎn)生從在探頭觸針到達部分的瞬間所產(chǎn)生的電位“觸發(fā)信號”探針。
5.4.1優(yōu)勢
他們是非常準確和重復(fù)的系統(tǒng)。像應(yīng)變計探頭，預(yù)行程變化比運動學(xué)探針低得多，這是可能的校準系統(tǒng)是敏感的力在0.2 N的順序
5.4.2缺點
他們可能是一些低頻噪聲的碰撞一樣敏感，啟動電機，主軸高加速/減速，機械振動等?；诤唵蔚碾娊佑|6.關(guān)于模型的這項工作的目的是利用基本的和眾所周知的技術(shù)，設(shè)計和制造成本低，堅固耐用和準確的觸發(fā)式測頭能夠測量數(shù)控車床外徑。為此，精確的機械加工的零件和裝配的設(shè)計和應(yīng)用開發(fā)一種能夠在大觸發(fā)式探針的應(yīng)用中使用的系統(tǒng)。
6.1。該系統(tǒng)
所提出的設(shè)備的工作原理是由上閉觸筆（接地）和內(nèi)部目標（正極）之間的電接觸。在這個特殊的時刻，“觸發(fā)信號”，并且由無線電（無線）發(fā)送到探頭的接口，就可以負責(zé)發(fā)送一個24伏的直流到CNC的適當(dāng)?shù)妮斎?。由于這樣的事實，該滑架將繼續(xù)由慣性后的“觸發(fā)信號”發(fā)生移動時，目標應(yīng)該有一個缺點機制能夠吸附該移動，確保其表面完整性（圖4）。
圖.4在測量過程中的缺陷機制動態(tài)行為。
因此，開發(fā)了觸發(fā)式探頭的可重復(fù)性是直接與缺點系統(tǒng)觸發(fā)事件發(fā)生之后，精確座椅返回到其原始位置的能力有關(guān)。如果其缺點系統(tǒng)不能正常工作，會出現(xiàn)在測量和測定的下一個部分的直徑后探頭的長度的預(yù)置的變化將表現(xiàn)為比實際的不同。出于這個原因，其缺點系統(tǒng)的開發(fā)都非常小心，保證了系統(tǒng)良好的性能。探針被設(shè)計為在VDI刀柄使用的，根據(jù)DIN 69880和VDI 3425標準。
6.2。系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性（R＆R）
用于測試的觸發(fā)式測頭數(shù)控車床是一種INDEX-TRAUB，模型GU600，22千瓦的功率。數(shù)控系統(tǒng)是西門子810D，能夠提供實驗所需的測量功能。確定總系統(tǒng)的R＆R（探針+機床），實驗完成采取其一部分的直徑是預(yù)先加工和規(guī)范化。
在此之后，車削操作是使用硬質(zhì)合金刀具VBMT160404UC6010制成，切割0.010毫米從部件的直徑，采取一切必要的照顧與切削參數(shù)，以減少在過程中的工具磨損。
該器件然后檢查使用觸發(fā)式測頭的發(fā)展，連續(xù)探測60次在同一地點。還提供了手動測量是在使用普通的千分點。這些數(shù)據(jù)被保存在CNC和下載到PC。的轉(zhuǎn)動操作和連續(xù)測量步驟重復(fù)五次，從而獲得相對于直徑的每一個（圖5）的五個數(shù)據(jù)樣本。
圖.5例證的實驗過程的用于確定所述探針的R＆R和探針檢查部的照片。
7.結(jié)論
數(shù)控機床的使用觸發(fā)式測頭已成為一個世界性的必要性。然而，一些障礙仍然需要被轉(zhuǎn)置，像在測量例程編程困難，準備技術(shù)員低數(shù)量和有關(guān)此主題的技術(shù)文獻和這些設(shè)備的高的購置成本。這個場景使用的中小型企業(yè)幾乎不可能，準確地對他們來說，這對付小批量配套，其中過程控制容易超出范圍的工具。
這項工作是表示基于內(nèi)部交換機上的一個無線觸發(fā)式探頭模型，與所需要的特性和成本低，在數(shù)控車床中使用的開發(fā)的可行性。盡管探針簡單起見，在實驗室測試的結(jié)果顯示了0.003毫米（±3秒或99.73％置信區(qū)間）一個可重復(fù)性。這些特點是高兼容大部分用于工業(yè)車床應(yīng)用的需求。該探測器將繼續(xù)發(fā)展使得其在測量和改進其無線功能三個方向提供將采取。
湖 南 科 技 大 學(xué)
英文文獻翻譯
學(xué) 生 姓 名： 尹 暉
學(xué) 院： 機電工程學(xué)院
專業(yè)及班級： 機械設(shè)計制造及其自動化五班
學(xué) 號： 1103010524
指導(dǎo)教師： 鄧朝暉
2015 年 5 月 27 日
畢業(yè)設(shè)計開題報告
題目 CK20數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)
及刀架設(shè)計
姓名 尹暉
學(xué)院 機電工程學(xué)院
專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)號 1103010524
指導(dǎo)老師 鄧朝暉 教授
二〇一五 年 三 月 十七 日
湖南科技大學(xué) 2015 屆畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題 目
CK20數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)及刀架設(shè)計
作者姓名
尹暉
學(xué)號
1103010524
所學(xué)專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
1.研究的意義，同類研究工作國內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題
研究意義：我國的經(jīng)濟還不發(fā)達，廣泛推廣數(shù)控機床的最大障礙是設(shè)備的初始投資大。同購置新機床相比，數(shù)控技術(shù)改造一般可以節(jié)省60％～80％的費用，特別是大型、特殊機床尤其明顯。由于數(shù)控機床本身的復(fù)雜性在一定程度上影響機床的利用率，增加綜合生產(chǎn)費用。通過對數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)和刀架設(shè)計的研究，為數(shù)控機床的機電維修提供有力支持，對數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用和推廣數(shù)控機床的改造有著深遠意義。
主傳動系統(tǒng)設(shè)計的同類研究工作國內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題：主軸組件是機床主要部件之一．它的性能，對整機性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍很大，所以對主軸組件的主要性能提出很高要求。有些數(shù)控機床未進行優(yōu)化設(shè)計，主軸的結(jié)構(gòu)及主軸軸承的選用不當(dāng)，造成工作一段時間后，主軸回轉(zhuǎn)誤差超差，不僅影響工件的加工質(zhì)量，還會破壞齒輪、軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。以往對機床主傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，大多是在給定了設(shè)計方案的前提下對參數(shù)進行優(yōu)化，而未進行傳動方案的優(yōu)化決策，傳動方案的優(yōu)化是進一步設(shè)計的前提，直接影響著設(shè)計結(jié)果。
刀架設(shè)計的同類研究工作國內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題：刀架是數(shù)控機床的主要部件之一，自動換刀裝置是數(shù)控機床上最普遍的一種輔助裝置。刀架的精度，剛度以及可靠性都直接影響機床的使用性能，在機床的致命性分析中轉(zhuǎn)塔刀架的致命度是最高的，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令后刀架不轉(zhuǎn)位、刀架轉(zhuǎn)位錯誤、刀架錯位、刀架報警、刀架不能正常換刀等等一系列的故障都會導(dǎo)致機床不能正常工作。本次設(shè)計針對這些可能出現(xiàn)的故障及錯誤進行了仔細，嚴謹，認真的分析，使車床回轉(zhuǎn)刀架的可靠性有了很大程度的提高。數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。
2.研究目標、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題
本次設(shè)計的目標為：1.機床總體布局設(shè)計及總體布局圖繪制；2.主傳動系統(tǒng)理論設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，主傳動系統(tǒng)裝配圖繪制；3.編碼盤的安裝設(shè)計及液壓卡盤設(shè)計；4.數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計及工程圖繪制；5.CK20數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計（硬件連接圖）；6.外文資料文獻翻譯；7.撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。
設(shè)計（研究）的重點與難點：
1.主傳動系統(tǒng)理論設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，主傳動系統(tǒng)裝配圖繪制
2.數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計及工程圖繪制
3.擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
擬采用的途徑（研究手段）：
1.車床采用臥式斜床身結(jié)構(gòu)。目前中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的
居多。因為這種結(jié)構(gòu)具有容易實現(xiàn)機電一體化、排屑順暢等優(yōu)點。
2.車床數(shù)控系統(tǒng)選用西門子系統(tǒng)。目前在我國西門子系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，它具有可靠性高、操作簡便等優(yōu)點。
3.數(shù)控車床的進給系統(tǒng)包括橫向進給系統(tǒng)和縱向進給系統(tǒng)，他們由伺服電動機同步齒形帶傳動，驅(qū)動滾珠絲桿螺母副機架，來實現(xiàn)刀架的運動。
4.尾架套筒的控制亦采用液壓來實現(xiàn)。因為液壓控制具有操作方便、工作可靠等特點。
5.設(shè)計中遇到的疑點、難點問題通過廣泛查閱文獻資料、組內(nèi)同學(xué)相互討論、實地參觀數(shù)控車床樣機和實踐操作等途徑解決。
4.擬使用的主要設(shè)計、分析軟件及儀器設(shè)備
CAD 、PRO/ E 、數(shù)控機床模擬系統(tǒng)
5. 參考文獻
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[5] 聞邦春主編.機械設(shè)計手冊（第五版）.北京:機械工業(yè)出版社,2010
[6] 卜云峰. 機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2001.6
[7] 張曙. 數(shù)字化制造—機床工業(yè)的未來.WMEM,2005(3):33~36
[8] 盛伯浩. 數(shù)控機床的現(xiàn)狀與發(fā)展, 制造技術(shù)與機床,2004(1):20~23
注：
1、開題報告是本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）的一個重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書的要求和文獻調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報告。
2、參考文獻按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點）年份、卷號（期號）：起止頁碼。
B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時間、頁碼。
3、表中各項可加附頁。
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）
題目
CK20數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)及刀架設(shè)計
作者
尹暉
學(xué)院
機電工程學(xué)院
專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)號
1103010524
指導(dǎo)教師
鄧朝暉
二〇一五 年 五 月 三 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
機電工程學(xué) 院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 尹暉 學(xué)號: 1103010524 專業(yè):機械設(shè)計制造及其自動化
1 設(shè)計（論文）題目及專題： CK20數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)及其刀架設(shè)計
2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自 2015 年 3 月 9 日開始至 2015 年 5 月 29 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
[1] 關(guān)慧貞、馮辛安等編著.機械制造裝備設(shè)計.北京:機械工業(yè)出版社,2010
[2] 張建民等編著. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計.北京:高等教育出版社, 2010
[3] 文懷心,夏田. 數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.6
[4] 易紅. 數(shù)控技術(shù). 北京:機械工業(yè)出版社,2005.8
[5] 潘存云. 機械原理. 湖南:中南大學(xué)出版社,2011:102-129.
[6] 高安邦. 實用機床設(shè)計手冊. 北京:機械工業(yè)出版社,2010,164-170.
[7] 成大先. 機械設(shè)計手冊,第五卷. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:22-3 - 22-109.
[8] 盛伯浩. 數(shù)控機床的現(xiàn)狀與發(fā)展, 制造技術(shù)與機床,2004(1):20~23
4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
1） 機床總體方案設(shè)計及總體布局圖繪制
2） 主傳動系統(tǒng)理論設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，主傳動系統(tǒng)裝配圖繪制
3） 編碼盤的安裝設(shè)計及液壓卡盤設(shè)計
4） 數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計及工程圖繪制
5） CK20數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計（硬件連接圖）
6） 外文資料文獻翻譯
7）撰寫畢業(yè)設(shè)計論文（說明書）
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
圖紙總工作量折合A0圖紙3張以上，
畢業(yè)設(shè)計論文字數(shù)不少于1.5萬字，
參考文獻至少15篇以上。
6 發(fā)題時間： 2015 年 1 月 20 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘要
本論文首先介紹了我國數(shù)控機床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀，并分析了其存在的問題；對數(shù)控機床的發(fā)展趨勢進行了探討；并對CK20數(shù)控車床主軸箱傳動系統(tǒng)和刀架進行了設(shè)計與計算。
主軸箱由安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數(shù)控車床主軸可以獲得在調(diào)速范圍內(nèi)的任意速度，以滿足加工切削要求。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機床的切削性能和切削效率。隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。
本設(shè)計主要包括根據(jù)一些原始數(shù)據(jù)，結(jié)合實際條件和情況對車床一些參數(shù)進行擬定，再根據(jù)擬定的參數(shù)，進行傳動方案的擬定。然后計算各傳動副的傳動比及齒輪齒數(shù)，再估算齒輪的模數(shù)和各軸的軸徑。并對齒輪和軸的強度、剛度進行校核。除此之外，還要對箱體內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，如電磁離合器的選擇，從而完成對主傳動系統(tǒng)的整體設(shè)計。刀架設(shè)計主要對總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要傳動部件的設(shè)計計算。包括驅(qū)動刀架的伺服電機的選擇計算，蝸輪蝸桿設(shè)計計算，刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。
關(guān)鍵詞：主軸箱；無級調(diào)速；傳動系統(tǒng)；刀架；CK20
ABSTRACT
In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented. The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock and the knife?tool of CK20NC lathe has been calculate designed.
Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears.The knife tools are clamping?cutting, therefore its structure directly affects the cutting performance and cutting efficiency of the machine.The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.With the development of CNC lathes,?CNC turret began to rapid change,?electro-hydraulic?combination of drive and servo drive direction.
This design mainly includes according to some of the original data, combined with the actual conditions and some parameters are proposed for lathe, according to the proposed parameter,to formulate transmission scheme, calculating the transmission vice transmission ratio, gear teeth, estimating the modulus of the gear and the diameter of axle shaft,and the strength, stiffness of gear and shaft for checking. In addition, it not only design of main structure of the casing, such as the choice of the electromagnetic clutch, but also complete the overall design of main drive system. The design of knife tools is not the overall structure design, but the design and calculation of main driving part, including the selection of tool carrier of servo motor, worm gear and worm design calculation, structure design and calculation of tool carriage spindle.
Key words: headstocks; a continuously variable speed ; transmission System;knife tools;CK20
目 錄
第一章 緒論…………………………………………………………………………… 1
1.1 課題背景及目的 ……………………………………………………………… 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ………………………………………………… 1
1.2.1 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ……………………………… 1
1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 ………………………………………………… 3
1.3 課題研究內(nèi)容及方法 ………………………………………………………… 4
1.3.1 課題研究的主要參數(shù) ………………………………………………… 4
1.3.2 課題研究內(nèi)容 ………………………………………………………… 4
1.3.3 研究方法 ……………………………………………………………… 4
1.4 設(shè)計任務(wù)與論文構(gòu)成 ………………………………………………………… 5
1.4.1 設(shè)計主要任務(wù) ………………………………………………………… 5
1.4.2 設(shè)計的重點與難點 …………………………………………………… 5
1.4.3 本論文構(gòu)成如下 ……………………………………………………… 5
第2章 機床總體方案的設(shè)計 ……………………………………………………… 6
2.1 機床的總體布局 ……………………………………………………………… 6
第3章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 ………………………………………………………… 7
3.1 總體設(shè)計 ……………………………………………………………………… 7
3.1.1 擬定傳動方案 ………………………………………………………… 7
3.1.2 選擇電機 ……………………………………………………………… 8
3.1.3 計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩…………………………………… 11
3.1.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動圖……………………………………………………… 12
3.2 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………… 13
3.2.1 I 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………… 13
3.2.2 II 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………… 17
3.2.3 III(主)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………… 28
3.2.4 編碼器的選擇與安裝設(shè)計 ………………………………………… 30
3.2.5 主傳動系統(tǒng)總裝圖 ………………………………………………… 32
第4章 液壓卡盤的設(shè)計（夾具）……………………………………………… 34
4.1 卡盤夾緊機構(gòu)的設(shè)計………………………………………………………… 34
4.2 液壓卡盤系統(tǒng)總裝圖………………………………………………………… 34
第5章 數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………… 35
5.1 數(shù)控車床刀架總體方案設(shè)計與選擇………………………………………… 35
5.1.1 刀架的整體方案設(shè)計………………………………………………… 35
5.1.2 車床刀架的轉(zhuǎn)位機構(gòu)方案設(shè)計……………………………………… 35
5.1.3 刀架定位機構(gòu)方案設(shè)計……………………………………………… 36
5.2 刀架的設(shè)計計算……………………………………………………………… 36
5.2.1 驅(qū)動刀架的伺服電機的選擇計算…………………………………… 36
5.2.2 蝸輪蝸桿設(shè)計計算…………………………………………………… 39
5.2.3 刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算…………………………………………… 42
5.3 刀架總裝圖…………………………………………………………………… 44
第六章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 ………………………………………………………… 46
7.1 線路連接……………………………………………………………………… 46
7.2 安裝調(diào)試……………………………………………………………………… 47
第七章 結(jié)論 ………………………………………………………………………… 48
參考文獻………………………………………………………………………………… 49
心得體會及致謝 ……………………………………………………………………… 50
-i-
第一章 緒 論
1.1 課題背景及目的
近幾年，我國的數(shù)控機床無論從產(chǎn)品品種，還是技術(shù)水平，或者品質(zhì)和產(chǎn)量上都取得了很大的發(fā)展，并在一些關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破。特別是在通用微機數(shù)控領(lǐng)域，以PC平臺為基礎(chǔ)的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)走在世界前列，讓國人驕傲。據(jù)統(tǒng)計，在我國可供市場的數(shù)控機床就有1500種，幾乎籠罩了整個金屬切削機床行業(yè)的品種類別和主要的鍛壓機械。這表明了國內(nèi)數(shù)控機床已經(jīng)進入了快速發(fā)展的時期。
而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床則表現(xiàn)出有以下的優(yōu)越性：
1、數(shù)控加工工藝的“內(nèi)容十分具體、工藝設(shè)計工作相當(dāng)嚴密”。
2、能夠?qū)崿F(xiàn)加工的柔性自動化。
3、粗精加工與加工精度的結(jié)合，裝配就比較容易，不需要“修配”。
4、數(shù)控加工的工藝“復(fù)合性”，可完成多道工序的集中。
5、精密設(shè)備與一般設(shè)備的結(jié)合，可實現(xiàn)長時間的無人看管加工。
因此，采用數(shù)控機床，既可以降低工人的勞動強度，也可以節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），還能減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，對市場需求作出迅速反應(yīng)。對此，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機床所占的比例正在一步步地增大。從2005年的市場生產(chǎn)消費內(nèi)容就可以明顯看出,普通機床的市場份額在下降,數(shù)控機床的市場份額則大幅度增長，特別是中高檔數(shù)控機床需求供不應(yīng)求。
在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計一臺數(shù)控車床—CK20，用于對回轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進行批量、高效、高精度的自動加工。應(yīng)用于飛機﹑汽車﹑航空航天、軍工、電力等領(lǐng)域，實現(xiàn)加工自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率[1]。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1、研究現(xiàn)狀
我國數(shù)控車床從20世紀70年代初開始進入市場，通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的一系列措施，使得我國的機床制造水平程度有了很大提高，其產(chǎn)量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的種類、規(guī)格也比較齊全，質(zhì)量基本趨于穩(wěn)定可靠，已進入實用和全面發(fā)展階段。
（1）床身
按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置來分，床身有圖1.1所示的5種布局形式。一般來說，斜床身和平床身斜滑板在中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用較多，平床身只有在大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才被采用，立床身一般不被采用。在機床中一般采用平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護罩，這樣既保持了能有效利用空間，大大減小了機床的平面占地位置，床身寬度也不會太大，又有利于克服重力有更好的穩(wěn)定性來提高機床精度，有利于機床的清掃清潔工作，使得切屑不容易堆積。
a)后斜床身-斜滑板
b)直立床身-直立滑板
c)平床身-平滑板
d)前斜床身-平滑板
e)平床身-斜滑板
圖1.1 床身布局型式
（2）導(dǎo)軌
導(dǎo)軌的功用是承受載荷和導(dǎo)向。它承受安裝在導(dǎo)軌上的運動部件及工件的重力和切削里，運動部件能夠沿導(dǎo)軌運動。車床的導(dǎo)軌按照導(dǎo)軌面的摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。
滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，因此摩擦力小，輕動方便，運動靈敏，不易爬行。
（3）主軸變速系統(tǒng)
一般說來，經(jīng)濟型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。
（4）刀架系統(tǒng)
小規(guī)格數(shù)控車床一般采用排式刀架，以加工棒料或盤類零件為主。數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架是回轉(zhuǎn)刀架，它通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)機床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架都使得刀具的數(shù)目受到一定的限制，當(dāng)需要數(shù)量較多的刀具時，應(yīng)采用帶刀庫的自動換刀裝置。
（5）進給傳動系統(tǒng)
進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)主要采用的系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但它對機床的要求比較高，且造價較昂貴；而開環(huán)系統(tǒng)定位精度低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉。 進給伺服系統(tǒng)中在數(shù)控系統(tǒng)常用的驅(qū)動裝置是伺服電機。進給伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。
2、發(fā)展趨勢
2 高速、高精密化
2 高可靠性
2 CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化
2 功能復(fù)合化
2 數(shù)控車床設(shè)計智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化。
2 提高數(shù)控機床產(chǎn)品的自主開發(fā)、制造能力。
2 以功能部件為基礎(chǔ)，以關(guān)鍵共性技術(shù)為支撐；加快技術(shù)引進與國際合作[1]。
1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
1、繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
2、向高速化和高精度化發(fā)展
3、向智能化方向發(fā)展
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）引入動裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)[1]
1.3 課題研究內(nèi)容及方法
1.3.1 課題研究的主要參數(shù)
本課題設(shè)計的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下：
工件最大回轉(zhuǎn)直徑：；最大切削直徑：
橫向最大行程(X軸)：180mm；縱向最大行程(Z軸)：650mm
最大車削長度：500mm；X,Z軸的最小設(shè)定單位為：0.001mm
主軸最大/最小轉(zhuǎn)速：4000/45 r/min
快速進給速度:縱向：15m/min；橫向；8m/min
1.3.2 課題研究的主要內(nèi)容
1、 主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計
2、 編碼盤的安裝
3、 液壓卡盤的設(shè)計安裝
4、 數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計
5、 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計
1.3.3 研究方法
第一步，明白并確定設(shè)計要求，找出研究的重難點。
第二步，進工廠觀摩，吸取專家的設(shè)計經(jīng)驗。
第三步，初步確定總體設(shè)計方案：
1、軟件方面 選擇了SINUMERIK 802D機床微機控制系統(tǒng)。
2、硬件方面
（1）根據(jù)機床性能要求，確定機床支承件結(jié)構(gòu)形式為臥式斜床身結(jié)構(gòu)，并進行總體布局；因為這種結(jié)構(gòu)具有容易實現(xiàn)機電一體化、排屑順暢等優(yōu)點。
（2）選擇主電機。根據(jù)切削力大小及機床的變速要求，初步確定主電機型號；
（3）設(shè)計主傳動系統(tǒng)及箱體。由主電機的變速范圍，確定變速箱的減速級數(shù)以及傳動方式，箱體構(gòu)架。
（4）選擇刀架伺服電機。根據(jù)刀架運轉(zhuǎn)的負載扭矩和起動時的加速扭矩來確定伺服電機型號。
（5）設(shè)計刀架系統(tǒng)。由刀架的蝸輪蝸桿和主軸來確定刀架傳動方式。
第四步，設(shè)計中遇到的疑點、難點問題應(yīng)通過廣泛查閱文獻資料、組內(nèi)同學(xué)相互討論、實地參觀數(shù)控車床樣機和實踐操作等各種途徑解決。
1.4 設(shè)計任務(wù)與論文構(gòu)成
1.4.1 設(shè)計主要任務(wù)
1、 機床總體方案設(shè)計及總體布局圖繪制
2、 主傳動系統(tǒng)理論設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，主傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)配圖繪制
3、 編碼盤的安裝設(shè)計及液壓卡盤設(shè)計
4、 數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計及工程圖繪制
5、 CK20數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計（硬件連接圖）
6、 外文資料文獻翻譯
7、 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文（說明書）
1.4.2 設(shè)計的重點與難點
1、主傳動系統(tǒng)理論設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，主傳動系統(tǒng)裝配圖繪制
2、數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計及工程圖繪制
1.4.3 本論文構(gòu)成如下
第1章 緒論
第2章 機床總體方案的設(shè)計。
第三章 詳細論述主軸系統(tǒng)包括各傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
第四章 詳細介紹液壓卡盤的設(shè)計選用。
第五章 詳細論述數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
第六章 闡述數(shù)控車床液壓回路設(shè)計
第七章 闡述數(shù)控系統(tǒng)的選擇及其設(shè)計。
第八章 總結(jié)本課題設(shè)計的特點及其有待改進之處。
論文最后是本次畢業(yè)設(shè)計的心得、致謝和參考文獻。
第二章 機床總體方案的設(shè)計
2.1 機床的總體布局
按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置來分，床身有圖1.1所示的5種布局形式。一般來說，斜床身和平床身斜滑板在中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用較多，平床身只有在大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才被采用，立床身一般不被采用。當(dāng)然平床身工藝性好，易于加工制造。刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，不過排屑困難；刀架橫滑板較長，反而加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。在機床中一般采用平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護罩，這樣既保持了能有效利用空間，大大減小了機床的平面占地位置，床身寬度也不會太大，又有利于克服重力有更好的穩(wěn)定性來提高機床精度，有利于機床的清掃清潔工作，使得切屑不容易堆積。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中之所以被廣泛應(yīng)用，是因為這種布局形式具有以下特點：
(1) 容易實現(xiàn)機電一體化；
(2) 機床外形整齊、美觀，占地面積?。?
(3) 容易設(shè)置封閉式防護裝置；
(4) 容易排屑和安裝自動排屑器；
(5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度；
(6) 宜人性好，便于操作；
(7) 便于安裝機械手，實現(xiàn)單機自動化[2]。
基于以上優(yōu)點，在此課題中擬采用45o傾斜滑板平床身，其總體布局如圖2.1所示。
圖2.1 機床總體布局圖
第三章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 總體設(shè)計
3.1.1 擬定傳動方案
數(shù)控機床需要自動換刀、自動變速；主軸則必須通過自動變速，在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，以維持引起切削直徑各種變化的切削速度基本恒定。自動變速一般采用無級變速，有利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，還可以有利于提高切削效率。無級調(diào)速有機械、液壓和電氣等多種形式，直流或交流調(diào)速電動機作為驅(qū)動源的電氣一般被無級變速數(shù)控機床采用。但是數(shù)控機床的主運動的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機根本無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機的功率扭矩特性與直接與機床的功率和轉(zhuǎn)矩要求太難相匹配。因此，數(shù)控機床主傳動變速系統(tǒng)通常在無級變速電機之后，還要串聯(lián)機械有級變速傳動，以期滿足機床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性[3]。
由于主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機所能提供的恒功率變速范圍，則必須配以分級變速箱。為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，分級變速級數(shù)應(yīng)該少些，分級變速箱的公比可取等于電動機的恒功率變速范圍，而恒功率的調(diào)速范圍一般比較小，僅能達到2~3。我方案選定的調(diào)速范圍為=3，故有，主軸的轉(zhuǎn)速范圍為：45r/min~4000r/min;根據(jù)以下計算（以下計算公式均來自于資料[2]）
估算主軸的計算轉(zhuǎn)速：== （3.1）
主軸要求的恒功率變速范圍為：=4000/173=23.1
無級變速時：==23.1 （3.2）
故變速箱的變速級數(shù)： 取級數(shù)Z=2
故本方案僅采用二級機械變速機構(gòu)，故變速箱為三級變速箱，運動方案如圖3.1。
圖3.1 主軸傳動圖
有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現(xiàn)三位移動，變速時必須主軸停車后才能進行，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素[4]。
電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因此它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機床的主傳動時，能簡化變速機構(gòu)，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[4]。
3.1.2 選擇電機
1、電動機類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇
由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(如旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因而，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)可以在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表3.1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能。經(jīng)過對比分析本設(shè)計中決定采用FANU系列交流主軸電機。系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)機床的高速、高精控制，并使機床更緊湊[5]。
表3.1 理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能
項目
內(nèi)容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩
寬恒功率范圍，并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩
高旋轉(zhuǎn)精度
高動態(tài)響應(yīng)
高加減速，起制動能力
具有強魯棒性，能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化
高效率，低噪聲
低價格
低購買價格，低維護價格,低服務(wù)價格
通用要求
耐用性，可維護性，安全可靠性
2、電動機容量的選擇
選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機（如本課題中的電動機），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進行發(fā)熱計算，本設(shè)計中電機容量按以下步驟確定：
（1）確定主軸切削力(如無特殊說明，該小節(jié)計算方法均出自資料[6])
確定主軸材料為45號鋼，淬硬處理（淬火及低溫回火），硬度為44HRC，單位切削力為。
切削用量范圍：
背吃刀量取，進給量取；
根據(jù)主切削力的指數(shù)公式： （3.3）
可得： =3664.7（N）
故切削功率：
（3.4）
（2）確定電機輸出動率
（3.5）
傳動裝置的總效率
其中，―圓柱直齒輪傳動效率，由資料[7]，附表1-1查得＝0.97；
―Ⅱ軸滾動軸承效率，由資料[7]，附表1-1查得=0.99；
―Ⅲ軸（主軸）軸承效率，由資料[7]，附表1-1查得=0.99；
由此，。
故：
（3）選擇電動機額定功率
如前所述，電動機功率應(yīng)留有余量，負荷率一般取0.8～0.9，所以電動機額定功率選取為11。
（4）電動機電壓和轉(zhuǎn)速的選擇
小功率電動機一般選為380V電壓。所以本電機的電壓可選為380V[5]。
本課題中數(shù)控機床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為45r/min~4000r/min。由于只有一根中間傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數(shù)較少，故對電動機恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。I軸上齒輪傳動比確定為，II軸上兩對直齒輪的傳動比分別為， 。所以兩條傳動鏈中，高速傳動鏈傳動比，低速傳動鏈傳動比。由此可得電機的轉(zhuǎn)速范圍:
，。
（5）確定電機的型號
由前面信息，可選取FANUC交流電機，型號為。作為α系列的后續(xù)產(chǎn)品，這種電機轉(zhuǎn)動非常平穩(wěn)，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置編碼器，通過線圈切換可實現(xiàn)電機的高速、高加速控制，具有更先進的節(jié)能效果。電機參數(shù)如下表所示
型號
額定功率
連續(xù)30min功率
額定轉(zhuǎn)速
最高轉(zhuǎn)速
重量
振動
冷卻
表3.2 電機參數(shù)
機座長為，電機軸徑為35mm，軸伸為，中心高，其余安裝尺寸及其外形由資料[5]得[5]。
3.1.3 計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩
1、 各軸計算轉(zhuǎn)速（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[2]）
首先估算主軸的計算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無級調(diào)速，所以采用以下的公式：
==； （3.6）
然后通過傳動比計算傳動軸和電機軸的計算轉(zhuǎn)速，
上式中、 、的意義如前所述。
2、各軸輸入功率
=＝11Kw
＝
＝=
上式中，、、的意義如前所述。
3、各軸輸入轉(zhuǎn)矩： (N/m) （3.7）
將以上計算結(jié)果整理后列于表3.3，供以后計算選擇，供以后計算使用：
表3.3 各軸的傳動參數(shù)
參數(shù)
軸
I軸（電機軸）
II軸（中間傳動軸）
III軸（主軸）
計算轉(zhuǎn)速（）
347
231
173
輸入功率（Kw）
11
10.5
10.0
轉(zhuǎn)矩（）
303.2
434.66
552.02
傳動比
3.1.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動圖
由電機的轉(zhuǎn)速范圍(包括恒功率變速范圍和恒轉(zhuǎn)矩變速范圍)和各軸傳動比,作數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速圖,見圖3.2。
圖3.2 轉(zhuǎn)速圖
由轉(zhuǎn)速圖3.2可知，電動機經(jīng)2:3定比傳動降速后，如果經(jīng)3:4傳動比傳動主軸，則當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速從4500r/min降至1500r/min（恒功率區(qū)），主軸轉(zhuǎn)速從4000r/min降至1333r/min。主軸轉(zhuǎn)速再需下降時變速箱變速，經(jīng)3:4傳動比傳動主軸，電動機又恢復(fù)從4500r/min降至1500r/min，主軸則從1333r/min降至750r/min。故主軸從4000r/min降至750r/min為恒功率調(diào)速。主軸從750r/min降至45r/min，電動機從1500r/min降至90r/min為電動機的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。（額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速為恒功率；額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩；本方案電動機的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。）
初定數(shù)控車床的傳動圖,如圖3.3：
圖3.3傳動圖
3.2 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.2.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用套筒定位，另一端采用單螺釘固定的軸端擋圈定位。
1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù).
根據(jù)選定的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動。
（1）本次設(shè)計屬于金屬切削機床類，一般齒輪傳動，故選用8級精度。
（2）材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)熱處理),硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（3）選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。
2、軸的選材和最小直徑的確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2）， （3.8）
式中，由表15－3，可取得110，故
?。?5mm。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。
3、按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式(10-9a)進行試算，即
（3.9）
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由上文可知
（3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（小齒輪做懸臂布置）
（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限；
（6）由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（假定工作壽命15年（每年工作300天），兩班制）（j=1）則：
（3.10）
（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)；；
（8）傳動比u=3/2；
（9）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得
（3.11）
2）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計算圓周速度
（3.12）
（3）計算齒寬
（3.13）
（4）計算齒寬與齒高之比
模數(shù) mm
齒高
（5）計算載荷系數(shù)
根據(jù)，8級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪懸臂支承時，1.310；
由；，查圖10-13得1.254；故載荷系數(shù)
（6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
（3.14）
（7）計算模數(shù)
145.8/24mm=6.075mm
4、按齒根彎曲強度設(shè)計
由式（10-5）得彎曲強度的設(shè)計公式為
（3.15）
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限380MPa；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，0.87；
（3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得
（3.16）
（4）計算載荷系數(shù)K
（3.17）
（5）查取齒形系數(shù)
由表10-5查得；2.53。
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得；1.63。
（7）計算大小齒輪的并加以比較
（3.18）
大齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計計算
=
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲疲勞強度算得的模數(shù)3.97mm，并就近圓整為標準值m=4mm，按接觸強度算得的分度圓直徑145.8mm，算出小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
這樣設(shè)計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
5、幾何尺寸計算
1）計算分度圓直徑 （3.19）
2）計算中心距 （3.20）
3）計算齒輪寬度 （3.21）
取，。
6、平鍵尺寸的確定： ；L=56mm
3.2.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
1、軸的支承形式
該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖3.4所示：
圖3.4 中間軸的支承形式
2、軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對應(yīng)的電磁離合器。深溝球軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩和套筒定位。與電機軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用套筒固定，右端用軸肩定位。另外兩齒輪所對應(yīng)的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，齒輪用套筒定位，兩齒輪的另兩端用套筒定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一甩油盤（有套筒的作用）和圓螺母進行定位。
3、軸的選材和最小直徑得確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2），
（3.22）
式中，由表15－3，可取得110，故
?。?0mm。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。
軸的零件圖如圖3.5。
圖3.5 中間軸零件圖
4、齒輪的設(shè)計
齒輪1（小齒輪）和2（大齒輪）的直徑相差較大，對齒輪1（小齒輪）在模數(shù)和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進行該對齒輪的設(shè)計。
1）選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數(shù)
(1)本數(shù)控機床的運行速度較高，精度等級選擇8級精度；
(2)由表10－1，小齒輪材料選擇為40，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調(diào)制后表面淬火，硬度為240HBS。
(3)小齒輪齒數(shù)初選為=18，＝＝
2）按齒面接觸強度進行設(shè)計
按式（10－9）試算，
（3.23）
確定公式內(nèi)的各計算值：
(1)初選載荷系數(shù)Kt＝1.6；
(2)計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由前文可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為434.66N·m；
(3)由表10－7及其說明，可選定齒寬系數(shù)＝0.6；
(4)由表10－6，查得材料的彈性影響系數(shù)＝189.8；
(5)由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度＝600MPa；
大齒輪的接觸疲勞強度＝550MPa；
(6)兩齒輪的設(shè)計壽命為72000h，由式10－13，計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（3.24）
(7)由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)；；
(8)傳動比u=4/3；
（9）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得
（3.25）
3）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計算圓周速度
（3.26）
（3）計算齒寬
（4）計算齒寬與齒高之比
模數(shù) mm
齒高
(5)計算載荷系數(shù)K
根據(jù)，由圖10－8，查得動載系數(shù)；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪非對稱布置時，1.256；
由；，查圖10-13得1.19；故載荷系數(shù)
（3.27）
（6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
（3.28）
（7）計算模數(shù) 154.4/18mm=8.58mm
3）按齒根彎曲強度設(shè)計
由式（10－5）得彎曲疲勞的設(shè)計公式為