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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目錄
第一章 緒論 - 1 -
1.1數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史 - 1 -
1.2數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) - 1 -
1.3國(guó)外數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 - 1 -
1.4我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 - 3 -
1.4.1 數(shù)控技術(shù)狀況 - 3 -
1.4.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) - 4 -
1.5 伺服系統(tǒng)的特點(diǎn) - 5 -
1.5.1信息載體 - 5 -
1.5.2計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) - 5 -
1.5.3伺服系統(tǒng) - 5 -
1.5.4機(jī)床 - 5 -
1.6 設(shè)計(jì)的內(nèi)容、目的和方法 - 7 -
第二章 立式加工中心總體設(shè)計(jì) - 8 -
2.1設(shè)計(jì)目標(biāo) - 8 -
2.2機(jī)床的用途 - 8 -
2.3XH715D主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) - 8 -
2.4立式加工中心結(jié)構(gòu)布局 - 10 -
2.6設(shè)計(jì)計(jì)算思路 - 11 -
第三章 與滾珠絲桿有關(guān)的理論計(jì)算 - 12 -
3.1橫向滾珠絲杠的計(jì)算及選擇 - 12 -
3.1.1 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定 - 12 -
3.1.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 - 12 -
3.1.3 確定絲杠的等效負(fù)載 - 13 -
3.1.4 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 - 13 -
3.1.5 選擇滾珠絲杠型號(hào) - 14 -
3.1.6計(jì)算行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力Ft - 15 -
3.1.7 校核 - 16 -
3.1.8 伺服電機(jī)計(jì)算 - 18 -
3.2 縱向滾珠絲杠的計(jì)算及選擇 - 19 -
3.2.1 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定 - 19 -
I
3.2.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 - 19 -
3.2.3 確定絲杠的等效負(fù)載 - 20 -
3.2.4 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 - 20 -
3.2.5校核 - 21 -
3.2.6 伺服電機(jī)計(jì)算 - 22 -
3.2.7 電機(jī)的選擇 - 23 -
第四章 圓錐齒輪計(jì)算 - 24 -
第五章 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) - 26 -
5.1導(dǎo)軌簡(jiǎn)介 - 26 -
5.2導(dǎo)軌設(shè)計(jì) - 27 -
5.3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu) - 28 -
5.4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副潤(rùn)滑與防塵 - 28 -
5.4.1潤(rùn)滑方式 - 28 -
5.4.2防塵措施 - 28 -
第六章 床身設(shè)計(jì) - 30 -
6.1 床身結(jié)構(gòu)的基本要求 - 30 -
6.2 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 30 -
第七章 數(shù)控系統(tǒng)選擇 - 32 -
7.1FANUC數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 - 32 -
7.2FANUC公司數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)品特點(diǎn) - 33 -
7.3FANUC數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn) - 34 -
第八章數(shù)控編程 - 35 -
第九章 結(jié)論 - 38 -
參考文獻(xiàn) - 39 -
致 謝 - 40 -
附 錄 - 41 -
第一章 緒論
1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史
1949年美國(guó)帕森公司首先提出了機(jī)床數(shù)字控制的概念。1952年第一代數(shù)控系統(tǒng)——電子管數(shù)控系統(tǒng)的誕生。20世紀(jì)50年代末，完全由固定布線的晶休管元器件電路所組成的第二代數(shù)控系統(tǒng)——晶體管數(shù)控系統(tǒng)被研制成功，取代了昂貴的、易壞的、難以推廣的電子管控制裝置。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，1965年出現(xiàn)了第三代數(shù)控系統(tǒng)——集成電路數(shù)控系統(tǒng)。1970年，在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了第四代數(shù)控系統(tǒng)——小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，然后，隨著微型計(jì)算機(jī)以其無(wú)法比擬的性能價(jià)格比滲透各個(gè)行業(yè)，1974年，第五代數(shù)控系統(tǒng)——微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了。應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心組件的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)。綜上所述，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)也隨著不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎5年左右時(shí)間就更新?lián)Q代一次[1]。
1.2數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
1）、 環(huán)保、無(wú)污染。因?yàn)椴粫?huì)有油污及霧氣噴出，周圍環(huán)境不受污染；
2)、 供油精確?？梢酝ㄟ^(guò)增加調(diào)節(jié)閥，將油按照不同的需要輸送到主軸及絲杠等潤(rùn)滑點(diǎn)；
3)、 不存在高粘度潤(rùn)滑油霧化困難的問(wèn)題；適合于任何油品；
4)、 自動(dòng)檢測(cè)及監(jiān)控?？梢詸z測(cè)潤(rùn)滑油是否正常，如果潤(rùn)滑不良，可以報(bào)警停機(jī)，避免設(shè)備非正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
5)、 特別適用于主軸的滾動(dòng)軸承，具有一定的空氣冷卻效果，可降低軸承的運(yùn)行溫度，從而延長(zhǎng)主軸的使用壽命；
6)、 耗油量小，節(jié)約成本。
1.3國(guó)外數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
數(shù)控機(jī)床涌現(xiàn)至今的60年,隨科技、特別是微電子、盤算機(jī)技巧的前進(jìn)而不斷發(fā)展。美、德、日三國(guó)事當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制作和應(yīng)用上,技巧最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。因其社會(huì)前提不同,各有特點(diǎn)。美國(guó)的特點(diǎn)是,政府器重機(jī)床工業(yè),美國(guó)國(guó)防部等部門不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù)和供給充分的經(jīng)費(fèi),且網(wǎng)羅世界人才,特別講究“效率”和“創(chuàng)新”,重視基礎(chǔ)科研。因而在機(jī)床技巧上不斷創(chuàng)新,如1952年研制降生界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成fms、1987年開(kāi)創(chuàng)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國(guó)起首聯(lián)合汽車、軸承生產(chǎn)需求,充分發(fā)展了大批大批生產(chǎn)主動(dòng)化所需的主動(dòng)線,而且電子、盤算機(jī)技巧在世界上領(lǐng)先,因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制作及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí),且一貫器重科研和創(chuàng)新,故其高性能數(shù)控機(jī)床技巧在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國(guó)不僅生產(chǎn)宇航等應(yīng)用的高性能數(shù)控機(jī)床,也為中小企業(yè)生產(chǎn)便宜實(shí)用的數(shù)控機(jī)床(如haas、fadal公司等)。其存在的教訓(xùn)是,著重於基礎(chǔ)科研,疏忽利用技巧,且在上世紀(jì)80代政府一度放松了領(lǐng)導(dǎo),致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢,於1982年被落后的日本超過(guò),并大批進(jìn)口。從90年代起,糾正過(guò)去傾向,數(shù)控機(jī)床技巧上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?產(chǎn)量又逐漸上升。
德國(guó)政府一貫器重機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位,在多方面大力扶植。特別講究“實(shí)際”與“實(shí)效”,保持“以人為本”,師徒相傳,不斷前進(jìn)人員素質(zhì)。在發(fā)展大批大批生產(chǎn)主動(dòng)化的基礎(chǔ)上,於1956年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后,一直保持實(shí)事求是,講究科學(xué)精力,不斷穩(wěn)步前進(jìn)。德國(guó)特別重視科學(xué)實(shí)驗(yàn),理論與實(shí)際相聯(lián)合,基礎(chǔ)科研與利用技巧科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作,對(duì)用戶產(chǎn)品、加工工藝、機(jī)床布局結(jié)構(gòu)、數(shù)控機(jī)床的共性和特征問(wèn)題進(jìn)行深入的研究,在質(zhì)量上千錘百煉。德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí),出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國(guó)特別器重?cái)?shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用,其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功效部件,在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)和heidenhain公司之精密光柵,均為世界馳名,競(jìng)相采用。
日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常器重,通過(guò)方案、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)領(lǐng)導(dǎo)發(fā)展。在器重人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國(guó),在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技巧上學(xué)習(xí)美國(guó),甚至青出於藍(lán)而勝於藍(lán)。日本也和美、德兩國(guó)類似,充分發(fā)展大批大批生產(chǎn)主動(dòng)化,繼而全力發(fā)展中小批柔性生產(chǎn)主動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床。
自1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后,1978年產(chǎn)量(7,342臺(tái))超過(guò)美國(guó)(5,688臺(tái)),至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量46,604臺(tái),出口27,409臺(tái),占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng),先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床,大批出口,占逝世界寬大市場(chǎng)。在上世紀(jì)80年代開(kāi)端進(jìn)一步加強(qiáng)科研,向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。在策略上,起首通過(guò)學(xué)習(xí)美國(guó)全面質(zhì)量管理(tqc),變?yōu)槁毠ぷ杂X(jué)群體運(yùn)動(dòng),保產(chǎn)品德量。進(jìn)而加速發(fā)展電子、盤算機(jī)技巧,進(jìn)入世界前列,為發(fā)展機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床開(kāi)道。日本在發(fā)展數(shù)控機(jī)床的過(guò)程中,狠抓要害,突出發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)。日本fanuc公司戰(zhàn)略正確,仿創(chuàng)聯(lián)合,針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)合需各種低中高級(jí)數(shù)控系統(tǒng),在技巧上領(lǐng)先,在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3,674人,科研人員超過(guò)600人,月產(chǎn)能力7,000套,銷售額在世界市場(chǎng)上占50%,在國(guó)內(nèi)約占70%,對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大增進(jìn)作用。中國(guó)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀及發(fā)展中的重要問(wèn)題，數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀目前,中國(guó)機(jī)床工業(yè)廠多人眾。2000年,金切機(jī)床制作廠約358家(20.6萬(wàn)人),成形機(jī)床制作廠191家(約6.5萬(wàn)人),共計(jì)549家(27.1萬(wàn)人)。其中生產(chǎn)數(shù)控金切機(jī)床的約150家,生產(chǎn)數(shù)控成形機(jī)床的約30家,共計(jì)約180家,占廠家總數(shù)的1/3。2001年金切機(jī)床產(chǎn)量19.2萬(wàn)臺(tái),內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床17,521臺(tái),約占9%。
國(guó)外數(shù)控車床無(wú)論是在設(shè)計(jì)水平，還是制造水平，都要高出國(guó)內(nèi)數(shù)控車床。機(jī)械件材質(zhì)、加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設(shè)計(jì)有專門的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)規(guī)范合理，配套齊全，標(biāo)牌標(biāo)示清楚齊全，使用的元器件質(zhì)量，故障率低；新技術(shù)的應(yīng)用及時(shí)并且領(lǐng)先；概括來(lái)說(shuō)，精度及可靠性高、性能穩(wěn)定故障率低[2]。
1.4我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.4.1 數(shù)控技術(shù)狀況
目前，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開(kāi)發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期，也是由封閉型向開(kāi)放型過(guò)渡的時(shí)期。
我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)(包括核心技術(shù))，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。自“七五”以來(lái)，國(guó)家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來(lái)支持，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出具有中國(guó)版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國(guó)外一直對(duì)我國(guó)封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。例如，曾長(zhǎng)期困擾我國(guó)、并受到西方國(guó)家封鎖的多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)技術(shù)對(duì)我們已不再是難題，0.1當(dāng)量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿型系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進(jìn)給數(shù)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于PC機(jī)的開(kāi)放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)線等功能既可作為獨(dú)立產(chǎn)品，又是一代開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，為機(jī)床廠及軟件開(kāi)發(fā)商二次開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了條件。特別重要的是，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性已有很大提高，MPBF值可以在15000h以上。同時(shí)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品已能國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，自我配套率超過(guò)60%。這些成功為中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的自行開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[1]。
我國(guó)進(jìn)行改革開(kāi)放后，由于政策的開(kāi)放，使得金屬切削行業(yè)得以和世界上先進(jìn)的機(jī)床制造國(guó)家進(jìn)行技術(shù)交流，并通過(guò)引進(jìn)技術(shù)，到80年代初，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)入實(shí)用化階段，1991年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值數(shù)控化率為14．3％，到1997年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率為24．5％。目前，我國(guó)數(shù)控機(jī)床(包括經(jīng)濟(jì)型機(jī)床)品種約有500個(gè)[2]。
但是，與國(guó)外數(shù)控車床相比，在性能、質(zhì)量 設(shè)計(jì)、制造等各方面存在較大差異，并存在許多不足：機(jī)械件的材質(zhì)、加工精度、加工工藝存在較大差距，裝配工藝也存在一定差距；主軸及卡盤剛性差，主軸定位準(zhǔn)停不好；安全性較差，軟硬件保護(hù)功能不夠；刀片磨損快，生產(chǎn)成本高，效率低；硬件設(shè)計(jì)方面不規(guī)范，不符合國(guó)標(biāo)，比如使用電壓等級(jí)、電線顏色使用、圖紙資料的繪制裝訂、提交等等，有的機(jī)床廠家甚至仍然停留在十年二十年前的設(shè)計(jì)思想；程序設(shè)計(jì)方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)，不規(guī)范，邏輯性不強(qiáng)，故障率高，在使用過(guò)程中需不斷對(duì)程序進(jìn)行修改；外圍元件布置及走線不規(guī)范，標(biāo)牌線號(hào)不清，圖紙與實(shí)物不符，維修困難；使用的元器件本身質(zhì)量差，使用壽命短，故障率高，有的機(jī)床廠家為了降成本卻忘記了質(zhì)量、忘記了可靠性，選用一些國(guó)產(chǎn)的軸承、接觸器、繼電
器、接近開(kāi)關(guān)等元件，在生產(chǎn)過(guò)程中小故障連綿不斷；柔性化不強(qiáng)，多品種生產(chǎn)困難。而國(guó)外數(shù)控車床無(wú)論是設(shè)計(jì)水平，還是制造水平，都要高出國(guó)內(nèi)數(shù)控車床。機(jī)械件材質(zhì)、加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設(shè)計(jì)有專門的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)規(guī)范合理，配套件齊全，標(biāo)牌標(biāo)示清楚齊全；使用的元器件質(zhì)量好，故障率低；新技術(shù)的應(yīng)用及時(shí)領(lǐng)先；概括來(lái)說(shuō)，精度及可靠性高、性能穩(wěn)定故障率低[3] 。
1.4.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
立式加工中心主要的用戶層面為,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有模具、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、IT、光學(xué)、設(shè)備等行業(yè)。在飛機(jī)制造業(yè)因絕大多數(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)品，因此五軸加工機(jī)為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機(jī)枝零部件、半導(dǎo)體模具等行業(yè)也具有需求潛力。各生產(chǎn)廠家面對(duì)預(yù)期需求擴(kuò)大的飛機(jī)、模具、半導(dǎo)體等行業(yè)，正在抓緊開(kāi)發(fā)五軸加工機(jī)。和幾年前的以生產(chǎn)一般零部件為主的立式加工中心形成鮮明對(duì)比的是，突出以加工模具為主的設(shè)備方案不斷從廠家出現(xiàn)，由此可明顯地看出對(duì)高速、高效、高品位加工的需求正在增加。針對(duì)高精度加工，一些廠家比較注重研制對(duì)不易切削材質(zhì)搞重切削加工的機(jī)型。同時(shí)，以減少工件更換時(shí)間和集中工序?yàn)槟康牡膹?fù)合化加工技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。為進(jìn)一步提高效率，有些廠家正在嘗試在立式加工中心的控制軸方面再加上l~2個(gè)軸，形成五軸控制，這樣對(duì)于形狀復(fù)雜的工件和自由曲面等工件都可完成一次裝卡加工。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，由于用戶的要求更加嚴(yán)格，不得不在保持低價(jià)位的同時(shí)不斷追求高性能的技術(shù)。由于正在加快適應(yīng)環(huán)保要求的新技術(shù)開(kāi)發(fā)，因此，更加需要可以調(diào)整品種、數(shù)量的可形成柔性線結(jié)構(gòu)的設(shè)備。現(xiàn)在干式切削也在研制之中，如已經(jīng)出現(xiàn)的使用高純度氮?dú)獾母墒郊庸は到y(tǒng)，以氧化來(lái)控制精度變化。同時(shí)為改善作業(yè)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效率，對(duì)于切屑的處理也采用了易于回收的方式。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日臻完善，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技發(fā)展的需要，數(shù)控系統(tǒng)正朝著高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及開(kāi)放性等方向發(fā)展。
1.5 伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)
數(shù)字控制，是一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)控制對(duì)象加以控制的一種方法。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成。
1.5.1信息載體
信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床上加工一個(gè)零件所必需的各種信息，以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過(guò)相應(yīng)的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機(jī)床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過(guò)竄行口將計(jì)算機(jī)上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級(jí)的數(shù)控系統(tǒng)可能還包含一套自動(dòng)編程機(jī)或者CAD/CAM系統(tǒng)。
1.5.2計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來(lái)的加工信息，經(jīng)計(jì)算和處理后去控制機(jī)床的動(dòng)作。它由硬件和軟件組成。硬件除計(jì)算機(jī)外，其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)、CRT、鍵盤、面板、機(jī)床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組成。數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作可概括為：機(jī)床主運(yùn)動(dòng)、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償、其它輔助運(yùn)動(dòng)等。
1.5.3伺服系統(tǒng)
它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動(dòng)部件,它接受數(shù)控裝置發(fā)來(lái)的各種動(dòng)作命令，驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、電液馬達(dá)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。
1.5.4機(jī)床
它是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但也做了很多改進(jìn)和提高，它的主要特點(diǎn)是：由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸及伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，因此數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短；為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)地自動(dòng)化加工，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??；更多地采用高效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等；不少數(shù)控機(jī)床還采用了刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置以提高機(jī)床工作效率[1]。
數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)床、精密機(jī)床和萬(wàn)能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng)特性的改善以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)等方面都有很高的要求。
伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來(lái)自CNC裝置的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。這些軸有的帶動(dòng)工作臺(tái)，有的帶動(dòng)刀架，通過(guò)幾個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。
進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。它包含機(jī)械、電子、電機(jī)(早期產(chǎn)品還包含液壓)等各種部件，并涉及到強(qiáng)電與弱電控制，是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個(gè)既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當(dāng)高的技術(shù)性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，的確是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對(duì)于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開(kāi)發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。
數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示：
由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動(dòng)剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。
伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求：
1）、 從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。
2）、電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4-6倍而不損壞。
3）、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。
4）、電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。
隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開(kāi)始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高[4]。
圖1.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.6 設(shè)計(jì)的內(nèi)容、目的和方法
本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容是機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)及總體布局圖繪制、縱向及橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制裝配圖、典型零件繪制、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、典型零件的數(shù)控車削加工程序編制及外文資料文獻(xiàn)翻譯，并撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。
設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊(cè)等基本技能得到訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神。
在設(shè)計(jì)中，先通過(guò)參觀及查閱等了解有關(guān)系統(tǒng)的工作原理，作用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。選擇合適的算法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果查閱手冊(cè)，得出相關(guān)的結(jié)構(gòu)或零件。在圖紙的繪制中，充分利用軟件的先進(jìn)性。最后，完成硬件連接設(shè)計(jì)，編制典型零件的車削程序，撰寫說(shuō)明書。
第二章 立式加工中心總體設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)
機(jī)床結(jié)構(gòu)可以布置成臥式、立式、倒立式及斜置式等，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)——此次設(shè)計(jì)內(nèi)容為XH715D立式加工中心。
2.2機(jī)床的用途
??XH715D立式加工中心機(jī)床，是吸收國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)升級(jí)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品工藝手段成熟，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，技術(shù)指標(biāo)和軟硬件配置均處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。采用三維同步設(shè)計(jì) ，F(xiàn)EM有限元分析等一流研發(fā)手段，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
??XH715D是工作臺(tái)不升降，十字滑座型的立式加工中心。可以實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制，進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)。
??適用于小型零件如板件、盤件、殼體、模具等復(fù)雜零件的切削加工。
2.3XH715D主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)
表2.1
產(chǎn)品型號(hào)
單位
XH715D
工作臺(tái)
工作臺(tái)尺寸? (長(zhǎng)×寬)
mm
1200×500
工作臺(tái)最大承重
kg
800
T型槽??（個(gè)數(shù)-寬度×間距）
個(gè)－mm
5-18×100
加工范圍
工作臺(tái)左右行程?(X?軸）?????????????????
mm
880
工作臺(tái)前后行程 (Y 軸）??????????????????
mm
500
主軸箱上下行程 (Z軸)??????????????????
mm
610
主軸端面至工作臺(tái)面距離???????????????
mm
125～735
主軸中心至立柱導(dǎo)軌面距離?????????????
mm
578
主軸
主軸電機(jī)功
率及扭矩
配FANUC -β8
kw
7.5/11
Nm
35.8/70.03
主軸轉(zhuǎn)速范圍
rpm
60～8000
主軸錐孔
?
ISO NO.40
刀具
刀柄型號(hào)
?
MAS403 BT40(45°)
拉釘型號(hào)
?
MAS403 P40T－1
進(jìn)給
快速移動(dòng)速度:X/Y/Z軸
mm/min
20000
進(jìn)給速度:X/Y/Z軸
mm/min
5～5000
進(jìn)給電
機(jī)扭矩
配FANUC系統(tǒng)時(shí)：X/Y/Z軸
Nm
6
定位精度
GB/T 20957.4-2007
X/Y/Z軸
mm
0.016/0.01/0.013
JISB6330
X/Y/Z軸
mm
±0.005/300
重復(fù)定
位精度
GB/T 20957.4-2007
X/Y/Z軸
mm
0.011/0.008/0.01
JISB6330
X/Y/Z軸
mm
±0.003
反向差值
X/Y/Z軸
mm
0.005
刀庫(kù)
刀庫(kù)容量
?
24把機(jī)械手
換刀方式
?
隨機(jī)地址
換刀時(shí)間(T-T)
?
3″
刀具最大尺寸
mm
φ100×350
刀具最大重量
Kg
8
滾珠絲杠尺寸:X/Y/Z軸
mm
φ40×10
機(jī)床重量
Kg
8500
電氣總?cè)萘?
KVA
35
機(jī)床輪廓尺寸
mm
2100×2000×3100
2.4立式加工中心結(jié)構(gòu)布局
?立式加工中心是指主軸軸心線為垂直狀態(tài)設(shè)置的加工中心，其結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺(tái)為長(zhǎng)方形，無(wú)分度回轉(zhuǎn)功能，具有3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)（沿X、Y、Z軸方向），適合加工盤類零件如在工作臺(tái)上安裝一個(gè)水平軸的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)，就可用于加工螺旋線類零件。
圖2.1立式加工中心結(jié)構(gòu)布局
1、主軸箱；2、刀庫(kù)；3、工作臺(tái)；4、床身；5、縱向進(jìn)給主軸電機(jī)； 6、電器柜；7、控制臺(tái)；8、橫向進(jìn)給主軸電機(jī)；9、主軸電機(jī)；10、立柱；11垂直進(jìn)給主軸電機(jī)
2.6設(shè)計(jì)計(jì)算思路
數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床主體的重要部分，在設(shè)計(jì)中，在伺服方式上選擇最廣泛應(yīng)用的半閉環(huán)方式。采用螺旋傳動(dòng)，計(jì)算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進(jìn)行絲杠的校核并進(jìn)行精度等驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算的扭矩選擇伺服電機(jī)。
第三章 與滾珠絲桿有關(guān)的理論計(jì)算
滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)有許多的優(yōu)點(diǎn)，因而在當(dāng)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。為滿足數(shù)控機(jī)床高進(jìn)給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應(yīng)的要求，必須合理選擇滾珠絲杠副，并進(jìn)行必要的校核計(jì)算。滾珠絲杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規(guī)格、支撐方式等幾方面的內(nèi)容。滾珠絲杠副的承載能力用額定動(dòng)載荷和額定靜載荷來(lái)表示，在加工中心的設(shè)計(jì)中一般按額定動(dòng)載荷來(lái)確定滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格，對(duì)細(xì)長(zhǎng)而又承受壓縮載荷的滾珠絲杠要校核壓桿穩(wěn)定性校核；對(duì)轉(zhuǎn)速高、支撐距離大的滾珠絲杠副要校核臨界轉(zhuǎn)速；對(duì)精度要求高的滾珠絲杠則要進(jìn)行剛度校核。
3.1橫向滾珠絲杠的計(jì)算及選擇
3.1.1 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定
在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為，則絲杠導(dǎo)程為：
(3.1)
，取
式中，為工作臺(tái)最高移動(dòng)速度（mm/min）,這里取20000mm/min；
為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）；i為傳動(dòng)比。
3.1.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速
(3.2)
由公式(3.2),最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：
最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：
絲杠等效轉(zhuǎn)速：（取 ）
(3.3)
，——轉(zhuǎn)速，作用下的時(shí)間(s)。
3.1.3 確定絲杠的等效負(fù)載
工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.11.5，現(xiàn)取為1.1，則絲杠所受的力為：
(3.4)
其等效負(fù)載可按下式估算
（取 ）：
t1，t2——軸向載荷，作用下的時(shí)間(s)。
n1，n2——軸向載荷，作用下的轉(zhuǎn)速(r/min)。
(3.5)
3.1.4 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷
(3.6)
fw——負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)；（查表：當(dāng)一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，fw 為1.21.5，取fw=1.5。）
ft——溫度系數(shù)；（查表：）
fh——硬度系數(shù)；（查表：滾道實(shí)際硬度≥HRC58時(shí)，fh=1。）
fa——精度系數(shù)；（查表：當(dāng)精度等級(jí)為3時(shí)，fa=1.0。）
fk——可靠性系數(shù)；(查表：可靠性為90%時(shí)，fk =1.00。)
Fm——等效負(fù)荷(N)；
nm——等效轉(zhuǎn)速(r/min)；
Tn——工作壽命(h)。（查表得：數(shù)控機(jī)床：Th=15000。）
由公式(3.6)
3.1.5 選擇滾珠絲杠型號(hào)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查表可得,選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號(hào)： CDM4010-3-P3。絲杠公稱直徑為φ40mm，基本導(dǎo)程，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷，循環(huán)列數(shù)2X1.5X2,絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑32.4mm，取絲杠的精度為3級(jí)。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊[9]。
本設(shè)計(jì)中絲杠采用兩端固定的支承方式。選用成對(duì)絲杠專用軸承組合。
滾珠絲杠支承用專用軸承：
軸承特點(diǎn)：
1）、 剛性大。由于采用特殊設(shè)計(jì)的尼龍成形保持架，增加了鋼球數(shù)，且接觸角為60°軸向剛性大。
2）、不需要預(yù)調(diào)整。對(duì)每種組合形式，生產(chǎn)廠家已作好了能得到最佳預(yù)緊力的間隙，故用戶在裝配時(shí)不需要再調(diào)整，只要按廠家作出的裝置序列符號(hào)（＞）排列后，裝緊即可。
3）、 起動(dòng)力矩小。與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，起動(dòng)力矩小。
為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，推薦采用正面組合形式。（DF、DFD、DFF等）
3.1.6計(jì)算行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力Ft
絲杠的支承方式對(duì)絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。所以設(shè)計(jì)中采用兩端固定的支承方式。
考慮到絲桿運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中溫升對(duì)絲桿副導(dǎo)程精度的影響，在精度要求較高的場(chǎng)合，應(yīng)對(duì)滾珠絲桿副適當(dāng)?shù)念A(yù)拉伸。對(duì)預(yù)拉伸的滾珠絲桿副規(guī)定目標(biāo)行程值C，并計(jì)算預(yù)拉伸力
（3.11）
式中，C—行程補(bǔ)償值(μm)；
—溫度變化值；
—絲桿的線膨脹系數(shù)/度；
—滾珠絲桿副的有效行程（mm）
取
（3.12）
（3.13）
式中，—預(yù)拉伸力（N）；
—滾珠絲桿螺紋底徑（mm）；
—楊氏彈性模量（N/mm）；
—滾珠絲桿溫升；
取
則，=4094N
3.1.7 校核
（1） 臨界壓縮負(fù)荷校核
臨界壓縮負(fù)荷按下式計(jì)算[11]：
(3.7)
式中 E——材料的彈性模量E鋼=2.1×1011(N/m2)；
L0——最大受壓長(zhǎng)度(m)；
K1——安全系數(shù)，取K1=1/3；
Fmax——最大軸向工作負(fù)荷(N)；
f1——絲杠支承方式系數(shù)；(支承方式為雙推——雙推時(shí)，f1=4，f2=4.730)
I——絲杠最小截面慣性矩(m4)：
(3.8)
式中 d0——絲杠公稱直徑(mm)；
dw——滾珠直徑(mm)。
余程 ， 安全行程 ， 螺母長(zhǎng)度
絲杠螺紋部分長(zhǎng)度，
絲杠全長(zhǎng)
受壓長(zhǎng)度
由公式(3.7)
可見(jiàn)遠(yuǎn)大于，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。
（2）臨界轉(zhuǎn)速校核
(3.9)
式中 A——絲杠最小橫截面：
——臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度：
取 ，
——安全系數(shù)，一般取 ；
——材料的密度：；
——絲杠支承方式系數(shù)，查表得，
（3）剛度校核
1) 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算
（3.10）
式中，—滾珠絲桿副的拉壓剛度；
—兩支承間的距離
當(dāng)時(shí)（即處在兩支承的中點(diǎn)時(shí)）剛度最小
當(dāng)時(shí)（在行程兩端處）剛度最大
2) 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算
（3.11）
（3.12）
則摩擦死區(qū)誤差 （3.13）
滿足要求。
式中，—滾珠絲桿支承軸承的軸向剛度；
—滾珠絲桿副滾珠與滾道的接觸剛度；
—機(jī)床空載時(shí)導(dǎo)軌上的靜摩擦力。
3.1.8 伺服電機(jī)計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[11]，扭矩的計(jì)算為：
（1）理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
查表知3級(jí)滾珠絲杠 ， 而
(3.14)
（2）最大動(dòng)態(tài)摩擦力矩
對(duì)于3級(jí)滾珠絲杠，，
(3.15)
（3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
（F為導(dǎo)軌摩擦力）
（4）驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩
(3.16)
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩，再結(jié)合適應(yīng)FUNAC 0數(shù)控系統(tǒng)的電機(jī)，選擇電機(jī)型號(hào)為ALPHA5.
3.2 縱向滾珠絲杠的計(jì)算及選擇
3.2.1 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定
在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為，則由公式(3.1)可得絲杠導(dǎo)程為：
， 取
3.2.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速
由公式(3.2) ，最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：
最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：
由公式(3.3) ，絲杠等效轉(zhuǎn)速為：
3.2.3 確定絲杠的等效負(fù)載
取滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.025，則絲杠所受的力為：
(3.17)
其等效負(fù)載可按公式(3.5)估算：
3.2.4 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷
由公式(3.6)得：
查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號(hào)： CDM4010-2.5。絲杠公稱直徑為φ40mm，基本導(dǎo)程，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷，循環(huán)列數(shù)1X2.5X2,絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑32.4mm，螺母長(zhǎng)度為137mm，取絲杠的精度為3級(jí)。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。
3.2.5校核
（1) 臨界壓縮負(fù)荷
軸向固定的長(zhǎng)絲杠在承受壓縮負(fù)荷時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負(fù)荷按公式(3.7)(3.8)計(jì)算：
絲杠螺紋部分長(zhǎng)度，取
絲杠全長(zhǎng)
可見(jiàn)遠(yuǎn)大于，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。
(2) 臨界轉(zhuǎn)速
由公式(3.9)
取 ，
滿足要求。
(3)傳動(dòng)精度計(jì)算
傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算
（3.18）
（3.19）
則摩擦死區(qū)誤差 （3.20）
3.2.6 伺服電機(jī)計(jì)算
扭矩的計(jì)算
(1)理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
查表知3級(jí)滾珠絲杠 ， 而
由公式
(2)最大動(dòng)態(tài)摩擦力矩
對(duì)于3級(jí)滾珠絲杠，，由式(3.18)
(3)驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩
由公式
3.2.7 電機(jī)的選擇
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩銑削功率，及適應(yīng)FUNAC0 數(shù)控系統(tǒng)的電機(jī)，選擇電機(jī)型號(hào)為ALPHA5。
第四章 圓錐齒輪計(jì)算
齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞的功率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)千瓦。圓錐速度可達(dá)200M/S。本說(shuō)明書主要應(yīng)用圓錐齒輪起到換向作用。
傳動(dòng)比 模數(shù) 齒數(shù)
分度圓錐角 （4.1）
分度圓直徑 （4.2）
錐距 （4.3）
齒寬系數(shù)
齒寬 （4.4）
（圓整）
齒頂高 （4.5）
齒根高 （4.6）
齒高 （4.7）
齒頂圓直徑 （4.8）
齒根角 （4.9）
齒頂角
頂錐角 （4.10）
根錐角 （4.41）
齒頂間隙 （4.12）
分度圓齒厚 （4.13）
第五章 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
5.1導(dǎo)軌簡(jiǎn)介
車床的導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種?；瑒?dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大且磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在動(dòng)導(dǎo)軌上鑲裝塑料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性高、抗撕傷能力強(qiáng)、低速時(shí)不易爬行、加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好、工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各類機(jī)床上都有應(yīng)用，特別是用在精密、數(shù)控和重型機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌上。塑料導(dǎo)軌可與淬硬的鑄造鐵支承導(dǎo)軌和鑲鋼支承導(dǎo)軌組成對(duì)偶摩擦副。
機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量在一定程度上決定了機(jī)床的加工精度、工作能力和使用壽命。導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。車床的床身導(dǎo)軌屬于進(jìn)給導(dǎo)軌，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)導(dǎo)軌與支承的靜導(dǎo)軌之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較低。
直線運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合。由于矩形導(dǎo)軌制造簡(jiǎn)單，剛度高，承載能力大，具有兩個(gè)相垂直的導(dǎo)軌面。且兩個(gè)導(dǎo)軌面的誤差不會(huì)相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜45°后，側(cè)面磨損能自動(dòng)補(bǔ)償，克服了矩形導(dǎo)軌側(cè)面磨損不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜毕?，使其?dǎo)向性更好。
圖5.2為雙矩形導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的剛度高，當(dāng)量摩擦系數(shù)比三角形導(dǎo)軌低，承載能力高，加工、檢驗(yàn)和維修都方便，而被廣泛地采用。特別是數(shù)控機(jī)床，雙矩形，動(dòng)導(dǎo)軌貼塑料軟帶，是滑動(dòng)導(dǎo)軌的主要形式。矩形導(dǎo)軌存在側(cè)向間隙，必須用鑲條進(jìn)行調(diào)整。圖5.3中（a）由一條導(dǎo)軌的兩側(cè)導(dǎo)向，稱為窄式組合；圖（b）分別由兩條導(dǎo)軌的左、右側(cè)面導(dǎo)向，稱為寬式組合。導(dǎo)軌受熱膨脹時(shí)寬式組合比窄式的變形量大，調(diào)整時(shí)應(yīng)留較大的側(cè)向間隙，因而導(dǎo)向性較差。所以，雙矩形導(dǎo)軌窄式組合比寬式用得更多一些。
圖 5.1 雙矩形導(dǎo)軌
圖5.2 雙矩形導(dǎo)軌的兩種形式
鑲條是用來(lái)調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保證導(dǎo)軌面的正常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。壓板用于調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受顛覆力矩。如圖5.4，是用磨或刮壓板3的e面和d面來(lái)調(diào)整間隙。壓板的d面和e面用空刀槽分開(kāi)，間隙大磨刮d面，太緊時(shí)則修e面。這種方式構(gòu)造簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，但調(diào)整時(shí)比較麻煩]。
圖5.4 鑲條測(cè)隙調(diào)整
5.2導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
導(dǎo)軌的功用是承受載荷和導(dǎo)向，本機(jī)床的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給系統(tǒng)中都選用了精密滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌具有優(yōu)良的以下性能：
1). 導(dǎo)向精度高；
2). 承載能力大，剛度好；
3). 精度保持性好；
4). 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；
5). 動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度；
6). 能實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度；
7). 能實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度
5.3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過(guò)淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過(guò)返向裝置（返向器）進(jìn)入返向孔后再進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。
圖5.5 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)
5.4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副潤(rùn)滑與防塵
5.4.1潤(rùn)滑方式
?與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副需油量少且給油周期長(zhǎng)。但是，如果在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)使用，滾動(dòng)接角部的磨損將增加，壽命將減少，因此必須有適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑方式。
當(dāng)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副運(yùn)行速度為高速時(shí)(V≥15m/min)，推薦使用20號(hào)機(jī)械油，定期潤(rùn)滑或接油管強(qiáng)制潤(rùn)滑。低速時(shí)(V<15m/min)，推薦使用鋰基潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑。
JSA型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副通過(guò)返向器端的注油杯口注入潤(rùn)滑油脂。油脂經(jīng)過(guò)返向器內(nèi)的油道而流到鋼球返回溝槽，然后由于鋼球的無(wú)限循環(huán)而實(shí)現(xiàn)整體潤(rùn)滑。
5.4.2防塵措施
當(dāng)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在滑塊運(yùn)動(dòng)方向的后方將形成負(fù)壓區(qū)域，這樣將吸入塵埃。吸入的塵埃積累在導(dǎo)軌的固定螺釘內(nèi)以及導(dǎo)軌面上，使?jié)L動(dòng)直線導(dǎo)軌的壽命急劇下降。
為了保證其使用壽命，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?
1).采用密封端蓋和密封底片，以防止塵埃、雜物進(jìn)入滑塊內(nèi)部。
2).為防止雜物聚集在導(dǎo)軌固定螺釘孔穴而混入滑塊中，使用螺孔帽將其封閉。螺孔帽選用耐油及耐磨損的優(yōu)質(zhì)合成橡膠，以保證充分的使用壽命。
3).采用拆疊式或伸縮板式防護(hù)罩，加以保護(hù)，防止污物侵蝕[16]。
第六章 床身設(shè)計(jì)
機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，一般用來(lái)放置導(dǎo)軌、箱體等重要部件，導(dǎo)軌的功用是承受載荷和導(dǎo)向，床身對(duì)整個(gè)機(jī)床的剛度有很大的影響，導(dǎo)軌對(duì)機(jī)床的精度、平穩(wěn)性有很大的影響，因此這部分也是重要的環(huán)節(jié)[12]。
6.1 床身結(jié)構(gòu)的基本要求
為了滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求，與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。對(duì)數(shù)控機(jī)床床身主要在以下3個(gè)方面有更高的要求：
（1）很高的精度和精度保持性
在床身上有很多安裝零部件的加工面和運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面，這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要能長(zhǎng)時(shí)間保持。另外，機(jī)床在切削加工時(shí)，所有的靜、動(dòng)載荷最后往往都傳到床身上，所以，床身上的受力很復(fù)雜。為此，為保證零部件之間的相互位置或相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度，除滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還需要滿足靜、動(dòng)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性和工藝性等方面的技術(shù)要求。
（2）應(yīng)具有足夠的靜、動(dòng)剛度
靜剛度包括：床身的自身機(jī)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達(dá)到有較高的剛度——質(zhì)量比。
動(dòng)剛度直接反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，為了保證機(jī)床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動(dòng)及自激振動(dòng)的能力，可以通過(guò)適當(dāng)增加阻尼，提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。
（3）較好的熱穩(wěn)定性
對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，尤其是高精度數(shù)控機(jī)床，熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個(gè)突出問(wèn)題，必須在設(shè)計(jì)上要作到使整機(jī)的熱變形小，或使熱變形對(duì)加工精度的影響較小。
6.2 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類型不同，床身的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。本機(jī)床采用了T型床身設(shè)計(jì)，是由橫置的前床身（亦叫橫床身）和與它垂直的后床身（亦叫縱床身）組成，并采用了整體式床身設(shè)計(jì)，這樣的床身剛性和精度保持性都比較好。前床身為箱體結(jié)構(gòu)，并采用了合理的對(duì)角筋板結(jié)構(gòu)，這樣可以使床身在較小的質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率。床身還采用了封砂結(jié)構(gòu)，將泥砂留在鑄件中不清除，利用砂粒良好的吸振性能，可以提高結(jié)構(gòu)件的阻尼比，有明顯的消振作用。封砂結(jié)構(gòu)降低了床身的重心，有利于床身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還可以提高床身結(jié)構(gòu)的靜剛度、抗彎和抗扭剛度。
第七章 數(shù)控系統(tǒng)選擇
7.1FANUC數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介
FANUC公司創(chuàng)建于1956年，1959年首先推出了電液步進(jìn)電機(jī)，在后來(lái)的若干年中逐步發(fā)展并完善了以硬件為主的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。進(jìn)入70年代，微電子技術(shù)、功率電子技術(shù)，尤其是計(jì)算技術(shù)得到了飛速發(fā)展，F(xiàn)ANUC公司毅然舍棄了使其發(fā)家的電液步進(jìn)電機(jī)數(shù)控產(chǎn)品，一方面從GETTES公司引進(jìn)直流伺服電機(jī)制造技術(shù)。1976年FANUC公司研制成功數(shù)控系統(tǒng)5，隨時(shí)后又與SIEMENS公司聯(lián)合研制了具有先進(jìn)水平的數(shù)控系統(tǒng)7，從這時(shí)起，F(xiàn)ANUC公司逐步發(fā)展成為世界上最大的專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品日新月異，年年翻新。
1979年研制出數(shù)控系統(tǒng)6，它是具備一般功能和部分高級(jí)功能的中檔CNC系統(tǒng)，6M適合于銑床和加工中心；6T適合于車床。與過(guò)去機(jī)型比較，使用了大容量磁泡存儲(chǔ)器，專用于大規(guī)模集成電路，元件總數(shù)減少了30%。它還備有用戶自己制作的特有變量型子程序的用戶宏程序。
1980年在系統(tǒng)6的基礎(chǔ)上同時(shí)向抵擋和高檔兩個(gè)方向發(fā)展，研制了系統(tǒng)3和系統(tǒng)9。系統(tǒng)3是在系統(tǒng)6的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化而形成的，體積小，成本低，容易組成機(jī)電一體化系統(tǒng)，適用于小型、廉價(jià)的機(jī)床。系統(tǒng)9是在系統(tǒng)6的基礎(chǔ)上強(qiáng)化而形成的具備有高級(jí)性能的可變軟件型CNC系統(tǒng)。通過(guò)變換軟件可適應(yīng)任何不同用途，尤其適合于加工復(fù)雜而昂貴的航空部件、要求高度可靠的多軸聯(lián)動(dòng)重型數(shù)控機(jī)床。
1984年FANUC公司又推出新型系列產(chǎn)品數(shù)控10系統(tǒng)、11系統(tǒng)和12系統(tǒng)。該系列產(chǎn)品在硬件方面做了較大改進(jìn)，凡是能夠集成的都作成大規(guī)模集成電路，其中包含了8000個(gè)門電路的專用大規(guī)模集成電路芯片有3種，其引出腳竟多達(dá)179個(gè)，另外的專用大規(guī)模集成電路芯片有4種，厚膜電路芯片22種；還有32位的高速處理器、4兆比特的磁泡存儲(chǔ)器等，元件數(shù)比前期同類產(chǎn)品又減少30%。由于該系列采用了光導(dǎo)纖維技術(shù)，使過(guò)去在數(shù)控裝置與機(jī)床以及控制面板之間的幾百根電纜大幅度減少，提高了抗干擾性和可靠性。該系統(tǒng)在DNC方面能夠?qū)崿F(xiàn)主計(jì)算機(jī)與機(jī)床、工作臺(tái)、機(jī)械手、搬運(yùn)車等之間的各類數(shù)據(jù)的雙向傳送。它的PLC裝置使用了獨(dú)特的無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)極性輸出和大電流、高電壓輸出電路，能促使強(qiáng)電柜的半導(dǎo)體化。此外PLC的編程不僅可以使用梯形圖語(yǔ)言，還可以使用PASCAL語(yǔ)言，便于用戶自己開(kāi)發(fā)軟件