摘 要隨著科學技術的迅猛發(fā)展，數控機床已經成為衡量一個國家機械制造工業(yè)水平的重要標志。數控化技術涉及機械、電子、以及控制等多門學科，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎技術和核心技術之一，是衡量一個國家機械裝備發(fā)展水平的重要標志。雖然這門學科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機械工業(yè)技術革命的前沿方向，是綜合國力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應該重視該學科的研究，并大力發(fā)展這門學科，逐漸縮小與日美等發(fā)達國家的差距。數控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)。這也是數控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。提高伺服系統(tǒng)的技術性能和可靠性，對于數控機床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數控機床的關鍵技術之一。本次設計是對 CK6140 車床的進給系統(tǒng)進行設計，此設計主要是結合國內的具體國情，針對于廣大的用戶所設計的。遠遠比不上那些外國的設備所達到的精度。當然，時代在發(fā)展，隨著我國的正和國力迅速攀升，在不久的將來那些精度要求比較高的數控設備一定出現(xiàn)在中國的大部分企業(yè)中。關鍵字： 發(fā)展趨勢 數控車床 進給伺服系統(tǒng) 滾珠絲桿 AbstractAlong with the science technical fast fierce development, number's controling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level. The technology of numerical control turns a technique to involve a machine, electronics, and control etc. several subjects, is one of the foundation technique and core techniques of modern and industrial most, is the important marking which measures a national development level of the machine material. Although this academics is still be placed in a development a stage, many orieses are still placed in research and perfect stage, it represents the machine industrial technique revolution of ex- follow a direction, is comprehensive another concrete body of national strength now. Therefore, we should value the research of that academics, and strongly develop this academics, contract to wait with day the United States gradually flourishing nation of margin. The feed system of numerical control lathe in general are used feed servo system. Servo system of the technical performance and reliability for numerical control machine tools are of great significance, research and development performance Servo system has been a modern numerical control which is the key technology of machine tools.This design is to control to design a feed servo system to the number of Ck6140 lather. This design is mainly to combine local concrete state of the nation and aim at at what large customer design. Far and far can not compare with the accuracy that the equipments of those foreign countries attain. Certainly, the ages is in the development, along with our country of positive with the national strength quickly increase, in the near future those greatly parts of business enterprises that the accuracy requests higher number to control an equipments and must appear in China in.Keyword：trend of development numerically controlled lathe feed servo system ball screw 第 1 頁摘 要隨著科學技術的迅猛發(fā)展，數控機床已經成為衡量一個國家機械制造工業(yè)水平的重要標志。數控化技術涉及機械、電子、以及控制等多門學科，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎技術和核心技術之一，是衡量一個國家機械裝備發(fā)展水平的重要標志。雖然這門學科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機械工業(yè)技術革命的前沿方向，是綜合國力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應該重視該學科的研究，并大力發(fā)展這門學科，逐漸縮小與日美等發(fā)達國家的差距。數控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)。這也是數控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。提高伺服系統(tǒng)的技術性能和可靠性，對于數控機床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數控機床的關鍵技術之一。本次設計是對 CK6140 車床的進給系統(tǒng)進行設計，此設計主要是結合國內的具體國情，針對于廣大的用戶所設計的。遠遠比不上那些外國的設備所達到的精度。當然，時代在發(fā)展，隨著我國的正和國力迅速攀升，在不久的將來那些精度要求比較高的數控設備一定出現(xiàn)在中國的大部分企業(yè)中。關鍵字： 發(fā)展趨勢 數控車床 進給伺服系統(tǒng) 滾珠絲桿 第 2 頁AbstractAlong with the science technical fast fierce development, number's controling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level. The technology of numerical control turns a technique to involve a machine, electronics, and control etc. several subjects, is one of the foundation technique and core techniques of modern and industrial most, is the important marking which measures a national development level of the machine material. Although this academics is still be placed in a development a stage, many orieses are still placed in research and perfect stage, it represents the machine industrial technique revolution of ex- follow a direction, is comprehensive another concrete body of national strength now. Therefore, we should value the research of that academics, and strongly develop this academics, contract to wait with day the United States gradually flourishing nation of margin. The feed system of numerical control lathe in general are used feed servo system. Servo system of the technical performance and reliability for numerical control machine tools are of great significance, research and development performance Servo system has been a modern numerical control which is the key technology of machine tools.This design is to control to design a feed servo system to the number of Ck6140 lather. This design is mainly to combine local concrete state of the nation and aim at at what large customer design. Far and far can not compare with the accuracy that the equipments of those foreign countries attain. Certainly, the ages is in the development, along with our country of positive with the national strength quickly increase, in the near future those greatly parts of business enterprises that the accuracy requests higher number to control an equipments and must appear in China in.Keyword：trend of development numerically controlled lathe feed servo system ball screw第 3 頁目錄1.緒論 .11.1 課題背景和目的 .11.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .21.3 課題的研究內容和方法 .81.4 論文構成 .92.總體設計 92.1 床身和導軌設計 .92.2 主軸系統(tǒng)設計 .112.3. 刀架系統(tǒng)設計 113.主傳動系統(tǒng)的設計 123.1 主傳動系統(tǒng)的設計要求 123.2 總體設計 .123.3. 軸系部件的結構設計 .174.橫向進給系統(tǒng)的設計 .274.1 已知技術參數 284.2 滾珠絲桿副的計算與選擇 .284.3 滾珠絲桿副的校核 .304.4 伺服電機的計算 .355.縱向進給系統(tǒng)的設計 .365.1 已知技術參數 365.2 滾珠絲桿副的計算與選擇 .365.3 滾珠絲桿副的校核 .405.4 伺服電機的計算 .42第 4 頁結論及致謝…………………………………………………………………………………………………………………………43參考文獻 . 441 緒論1.1 課題背景和目的在我國，數控技術與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來取得了相當大的進步。特別是在通用微機數控領域，以 PC 平臺為基礎的國產數控系統(tǒng)，已經走在了世界前列。但是，我國在數控技術研究和產業(yè)發(fā)展方面亦存在不少問題，特別是在技術創(chuàng)新能力、商品化進程、市場占有率等方面情況尤為突出。我們的大多數制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床，而且半數以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品國內、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數控化率。在新世紀到來時，如何有效解決這些問題，使我國數控領域沿著可持續(xù)發(fā)展的道路，從整體上全面邁入世界先進行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數控研究開發(fā)部門和生產廠家所面臨的重要任務 [1]。而相對于傳統(tǒng)機床，數控機床有以下明顯的優(yōu)越性：（1） 提高生產率。數控機床能縮短生產準備時間，增加切削加工時間的比率。采用最佳參數和最佳走刀路線，縮短加工時間，從而提高生產率。（2） 數控機床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產品質量。由于它是按照程序自動加工不需要人工干預，其加工精度還可以利用軟件進行校正及補償，故可以獲得比機床本身精度還要高的精度和重復精度。（3） 有廣泛的適應性和較大的靈活性。通過改變程序，就可以加工新產品的零件，能夠完成很多普通機床難以完成或者根本不能加工的復雜型面零件的加工。（4） 可以實現(xiàn)一機多用。一些數控機床，可以自動換刀，一次裝卡后，幾乎第 5 頁能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設備和廠房面積。（5） 可以進行精確的成本計算和生產進度安排，減少在制品，加速資金周轉，提高經濟效益。（6） 不需要專用夾具。采用普通的通用夾具就能滿足數控加工的要求。節(jié)省了專用夾具設計制造和存放的費用。（7） 大大減輕了工人的勞動強度 [2]。因此，采用數控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床） ，減少工裝，縮短新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應。此外，機床數控化還是推行 FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。 由于以上優(yōu)越性，數控機床所占的比例逐漸增大。從 2004 年的市場消費內容也可可看出,普通機床的市場份額在下降,數控機床則強烈增長，尤其是中高檔數控機床供不應求?？梢灶A見，未來幾年普通機床的市場份額將不斷下滑, 數控機床的消費會逐漸擴大。 [1]在這樣一種背景下，我的課題選擇為設計一臺數控車床——CK6140 ，用于對轉體零件的圓柱面、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，以提高生產效率和產品質量和降低工人勞動強度。此外，力求完成課題之余，熟悉國內外數控技術及數控機床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,增強對如何發(fā)展民族數控機床產業(yè)的感性認識。1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 我國數控車床的研究現(xiàn)狀我國從 1958 年開始研究數控機床，一直到 20 世紀 60 年代中期還處于研制、開發(fā)時期。當時，一些高等院校、科研單位研制出試驗性樣機，是從電子管起步的。目前我國數控機床生產廠家有 100 多家，生產數控機床配套產品的企業(yè)有 300 余第 6 頁家，產品品種包括八大類 2000 種以上。目前以新開發(fā)出數控系統(tǒng) 80 余種。分為 3 種型級，即經濟型、普及型和高級型?！熬盼濉逼陂g數控機床發(fā)展已進入實現(xiàn)產業(yè)化階段，數控機床新開發(fā)品種 300 余種，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產數控機床產品大部分達到國際上 20 世紀 80 年代中期水平，部分達到 90 年代水平，為國家重點建設提供了一批高水平數控機床 [2]。進入 20 世紀 90 年代以來，我國數控機床生產企業(yè)都經歷了結構調整、轉變機制的艱苦磨礪過程。近期，國家為擴大內需，通過加大技改投資和基礎設施建設投資的措施來拉動國內市場消費。目前，中國機床工業(yè)廠多人眾。2000 年，金切機床制造廠約 358 家(20.6 萬人)，成形機床制造廠 191 家(約 6.5 萬人)，共計 549 家(27.1 萬人)。其中生產數控金切機床的約 150 家，生產數控成形機床的約 30 家，共計約 180 家，占廠家總數的 1/3。2001年金切機床產量 19.2 萬臺，內數控金切機床 17,521 臺，約占 9%?？偟膩碚f：數控機床產量不斷增長，2001 年為 1991 年的 3.6 倍；進口量增長較快，達 29 倍，出口量有所增加，但數目較小，為 4.8 倍；數控機床消費量增加較快，達 7.9倍。產量滿足不了社會發(fā)展的需求。在 20 余年間，數控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓一批設計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產先進數控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進元部件、數控系統(tǒng)配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數控機床，供應國內市場的需求，但對關鍵技術的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數控系統(tǒng)依靠國外技術支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數控機床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“ 機電法” 、 “機信法”那樣的指引；嚴重缺乏各方面專家人才和熟練技術工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力 [3]。1.2.2 進給系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀第 7 頁數控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)。這也是數控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。數控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅動控制單元、驅動元件、機械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系統(tǒng)。機械傳動部件和執(zhí)行元件組成機械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng)。進給伺服系統(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)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內，后者則完全置機械傳動部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內。開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉。由于影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機械傳動部件在控制環(huán)內，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅動裝置的結構和參數，而且還與機械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關系，故必須對機電部件的結構參數進行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機床的要求比較高，且造價也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。交流伺服電機由于具有可靠性高、基本上不需要維護和造價低等特點而被廣泛采用。直流伺服電動機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經常因碳刷產生的火花而影響生產，并對其他設備產生電磁干擾。同時機械換向器的換向能力，限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉子上，使得電動機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。交流伺服已占據了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術的發(fā)展而不斷完善，具體第 8 頁體現(xiàn)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用；三是網絡化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術的成熟，將使基于網絡的伺服控制成為可能。伺服系統(tǒng)的特點：數字控制，是一種自動控制技術，是用數字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數控機床是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統(tǒng)的機床。數控機床是典型的數控化設備，它一般由信息載體、計算機數控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床四部分組成。1. 信息載體信息載體又稱控制介質，用于記錄數控機床上加工一個零件所必需的各種信息，以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的機械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過相應的輸入裝置將信息輸入到數控系統(tǒng)中。數控機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，或通過竄行口將計算機上編寫的加工程序輸入到數控系統(tǒng)。高級的數控系統(tǒng)可能還包含一套自動編程機或者 CAD/CAM 系統(tǒng)。2. 計算機數控系統(tǒng)計算機數控系統(tǒng)是數控機床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經計算和處理后去控制機床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機外，其外圍設備主要包括光電閱讀機、CRT、鍵盤、面板、機床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組成。數控裝置控制機床的動作可概括為：機床主運動、機床的進給運動、刀具的選擇和刀具的補償、其它輔助運動等。3. 伺服系統(tǒng)它是數控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅動機構和機床移動部件,它接受數控裝置發(fā)來的各種動作命令，驅動受控設備運動。伺服電動機可以是步進電機、電液馬達、直流伺服電機或交流伺服電機。第 9 頁4. 機床它是用于完成各種切削加工的機械部分，是在普通機床的基礎上發(fā)展起來的，但也做了很多改進和提高，它的主要特點是：由于大多數數控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此數控機床的機械傳動結構得到了簡化，傳動鏈較短；為了適應數控機床連續(xù)地自動化加工，數控機床機械結構具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??；更多地采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌等；不少數控機床還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機床工作效率 [1]。數控機床集中了傳統(tǒng)的自動機床、精密機床和萬能機床三者的優(yōu)點，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數控機床技術水平的提高首先依賴于進給和主軸驅動特性的改善以及功能的擴大，為此數控機床對進給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機、機械傳動等方面都有很高的要求。伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在數控機床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標軸進給驅動的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自 CNC 裝置的進給脈沖，經變換和放大，再驅動各加工坐標軸按指令脈沖運動。這些軸有的帶動工作臺，有的帶動刀架，通過幾個坐標軸的綜合聯(lián)動，使刀具相對于工件產生各種復雜的機械運動，加工出所要求的復雜形狀工件。進給伺服系統(tǒng)是數控裝置和機床機械傳動部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數控機床的重要組成部分。它包含機械、電子、電機(早期產品還包含液壓)等各種部件，并涉及到強電與弱電控制，是一個比較復雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個既能使各部件互相配合協(xié)調工作，又能滿足相當高的技術性能指標的控制系統(tǒng)，的確是一個相當復雜的任務。提高伺服系統(tǒng)的技術性能和可靠性，對于數控機床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數控機床的關鍵技術之一。數控機床伺服系統(tǒng)的一般結構如下圖所示：由于各種數控機床所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應并無超調；高精度；低速大轉矩。第 10 頁伺服系統(tǒng)對伺服電機的要求：1） 從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。2） 電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載 4-6 倍而不損壞。3） 為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。電機應具有耐受 4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在 0.2s 以內從靜止啟動到額定轉速。4） 電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展，數控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數字化、軟件處理數字 PID，使用靈活，柔性好。數字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高 [4]。圖 1.1 伺服系統(tǒng)結構圖第 11 頁1.2.3 數控機床的發(fā)展趨勢數控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數字化已是現(xiàn)代化發(fā)展的大趨勢。當前世界上數控技術及其裝備的發(fā)展呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：（1）高精度化 現(xiàn)代科學技術的發(fā)展、新材料及新零件的出現(xiàn)，對精密加工技術不斷提出新的要求，提高加工精度，發(fā)展新型超精密加工機床，完善精密加工技術，適應現(xiàn)代科技的發(fā)展，已經成為數控機床的發(fā)展之一。其精度已從微米級到亞微米級，乃至納米級。提高數控系統(tǒng)的加工精度，一般可通過減少數控系統(tǒng)的誤差和采用機床誤差補償技術來實現(xiàn)提高數控機床的加工精度。（2）高速化 提高生產率是數控機床追求的基本目標之一。數控機床高速化可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低成本，而且還可提高零件的表面加工質量和精度，對制造野實現(xiàn)高效、優(yōu)質、低成本生產具有廣泛的適用性。（3）高柔性化 采用柔性自動化設備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率，縮短生產周期，適應市場變化需求和提高競爭力的有效手段。數控機床在提高單機柔性化的同時，朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。（4）高自動化 高自動化是指在全部加工過程中盡量減少人的介入而自動完成規(guī)定的任務，它包括物料流和信息流的自動化。（5）智能化 隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透與發(fā)展，為適應制造業(yè)生產柔型化、自動化發(fā)展需要，智能化正成為數控機床研究和發(fā)展的熱點，它不僅貫穿在生產加工的全過程（如智能編程、智能數據庫、智能監(jiān)控），還貫穿在長品的售后服務和維修中。第 12 頁（6）復合化 復合化包含工序復合化和功能復合化。數控機床的發(fā)展已模糊了粗、精加工工序的概念。（7）高可靠性 數控機床的可靠性一直是用戶最關心的。數控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數量，提高可靠性。（8）網絡化 為了適應 FMC、FMS 以及進一步聯(lián)網組成 CIMS 的要求，先進的CNC 系統(tǒng)為用戶提供了強大的聯(lián)網能力，除有 RS232 串行接口、RS422 等接口外，還帶有遠程緩沖功能的 DNC 接口，可以實現(xiàn)幾臺數控機床之間的數據通信和直接對幾臺數控機床進行控制。（9）開放式體系結構 20 世紀 90 年代以后，計算機技術的飛速發(fā)展推動數控機床技術更快地更新?lián)Q代，世界上許多數控系統(tǒng)生產廠家利用 PC 機豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結構的新一代數控系統(tǒng) [4]。1.3 課題研究內容和方法1.3.1 課題研究內容本課題設計的數控車床的主要參數如下：工件最大回轉直徑：?400mm；最大加工直徑：?280mm橫向最大行程（X 軸）：180 mm；縱向最大行程（Z 軸）：650 mm最大車削長度：500mmm；X,Z 軸的最小設定單位：0.001mm主軸最大/最小轉速：R=100-200 4000/45r/min快速進給速度：橫向：8 m/min；縱向:15m/min刀架估計質量：150kg；1.3.2 研究方法第一步，明確設計要求，找出研究重難點：普通數控車床最基本的要求是精度達第 13 頁標，穩(wěn)定可靠，操作、維修、保養(yǎng)方便，壽命較長，此外力求外型美觀。第二步，進工廠觀摩，大量收集國內外相關資料。吸取專家的設計經驗。第三步，初步確定總體設計方案：1、 軟件方面：綜合考慮功能、價格、技術先進、服務方便等因素，以及數控系統(tǒng)所具有的功能是否與 CK6140 的性能相匹配。選擇了SINUMERIK 802D 機床微機控制系統(tǒng)。2、 硬件方面：（1） 根據機床性能要求，確定機床支撐件結構形式為斜床身結構，并進行總體布局；（2） 選擇主電機。根據切削力大小及機床的變速要求，初步確定主電機型號；（3） 設計主傳動系統(tǒng)及箱體。由主電機的變速范圍，確定變速箱的減速級數及傳動方式。1.4 論文構成1. 機床總體設計方案及總體布局圖2. 主傳動系統(tǒng)設計3. 橫向進給系統(tǒng)設計4. 縱向進給系統(tǒng)設計5. CK20 數控系統(tǒng)設計6. 典型零件的數控車削加工程序編制7. 外文資料文獻翻譯8. 撰寫畢業(yè)設計論文（說明書）第 14 頁2 總體設計2.1 床身和導軌設計(1)床身 機床的床身是整個機床的基礎支承件，是機床的主體，一般用來放置導軌、主軸箱等重要部件。床身的結構對機床的布局有很大的影響。按照床身導軌面與水平面的相對位置，床身有圖 1 所示的 5 種布局形式。一般來說，中、小規(guī)格的數控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數控車床或小型精密數控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結構，再配置上傾斜的導軌防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結構在現(xiàn)代數控車床中被廣泛應用，是因為這種布局形式具有以下特點：容易實現(xiàn)機電一體化；機床外形整齊、美觀，占地面積?。蝗菀自O置封閉式防護裝置；容易排屑和安裝自動排屑器； 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導軌上影響導軌精度； 宜人性好，便于操作； 便于安裝機械手，實現(xiàn)單機自動化。這次設計中，我們采用的是 45 度斜床身。(2)導軌 車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。 滑動導軌具有結構簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻第 15 頁力大，磨損快，動、靜摩擦系數差別大，低速時易產生爬行現(xiàn)象。目前，數控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。滾動導軌的優(yōu)點是摩擦系數小，動、靜摩擦系數很接近，不會產生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。這次設計中采用的是新型塑料滑動導軌。機床床身的五種結構形式圖示如下：(a) 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 床身結構示意圖2.2 主軸系統(tǒng)設計經濟型數控車床大多數是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后第 16 頁手動變速。而全功能數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)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉，或通過帶傳動和主軸箱內的減速齒輪(以獲得更大的轉矩)帶動主軸旋轉。由于主軸電機調速范圍廣，又可無級調速，使得主軸箱的結構大為簡化。主軸電機在額定轉速時可輸出全部功率和最大轉矩。這次設計中采用二級機械變速機構。2.3 刀架系統(tǒng)設計數控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結構直接影響機床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結構和性能體現(xiàn)了機床的設計和制造技術水平。按換刀方式的不同，數控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。(1) 排式刀架排式刀架一般用于小規(guī)格數控車床，以加工棒料或盤類零件為主。這種刀架在刀具布置和機床調整等方面都較為方便，可以根據具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務后，橫向滑板只要按程序沿 X 軸移動預先設定的距離后，第二把刀就到達加工位置，這樣就完成了機床的換刀動作。這種換刀方式迅速省時，有利于提高機床的生產效率。(2) 回轉刀架回轉刀架是數控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉分度定位來實現(xiàn)機床的自動換刀動作，根據加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應地安裝 4 把、6 把或更多的刀架。(3) 帶刀庫的自動換刀裝置上述排刀式刀架和回轉刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個刀架，對刀具的數目也有一定限制。第 17 頁基于以上原因，本次設計中采用六工位臥式回轉刀架。3 主傳動系統(tǒng)的設計3.1 主傳動系統(tǒng)的設計要求數控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應滿足普通機床主傳動要求以外，還提出以下要求：1、 具有更大的調速范圍，并實現(xiàn)無級調速；2、 具有較高的精度和剛度、傳動平穩(wěn)，噪聲低；3、 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。3.2 總體設計3.2.1 擬定傳動方案數控機床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化，主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調速范圍內選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調速有機械、液壓和電氣等多種形式，數控機床一般采用由直流或交流調速電機作為驅動源的電氣無級變速。由于數控機床的主運動的調速范圍大（R=100—200） ，單靠調速電機無法滿足這么大的調速范圍，另一方面調速電機的功率扭轉矩特性也難于直接與機床的功率和轉矩要求匹配。因此，數控機床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機之后串聯(lián)機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調速范圍和扭矩特性。為簡第 18 頁化主軸箱結構，本方案僅采用二級機械變速機構，運動方案如圖 2.1；3.2.2 選擇電機1、選擇電機應綜合考慮的問題：（1）根據機械的負載特性和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求，選擇電動機類型。（2）根據負載轉矩、轉速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉矩，選擇電動機功率，并確定冷通風方式。所選電動機功率應留有余量，負荷率一般取 0.8—0.9。（3）根據使用場所得環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的機構型式。（4）根據企業(yè)的電網電壓標準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。第 19 頁（5）根據生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素。2、電動機類型和結構形式的選擇由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能（旋轉速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等） ，因此，主軸選擇選用標準與實際使用需要是緊密相關的?？偟膩碚f，選擇主軸驅動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表一簡要給出了用戶所期望的主軸驅動系統(tǒng)的性能。表 1.1 理想主軸驅動系統(tǒng)性能項目 內容第 20 頁高性能1、低速區(qū)要有足夠的轉矩2、寬恒功率范圍，并在高速范圍內保持一定轉矩3、高旋轉精度4、高動態(tài)響應5、高加減速，起制動能力6、具有強魯棒性，能適應環(huán)境條件和參數變化7、高效率，低噪聲。低價格 低夠買價格，低維護價格，低服務價格通用要求 耐用性，可維護性，安全可靠性。感應電動機交流主軸驅動系統(tǒng)是當前商用主軸驅動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾 KW 到上百 KW，廣泛地應用于各種數控機床上。經過對比分析本設計中決定采用 FANUaci 系列交流主軸電機。aci 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。3、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、過載能力和啟動能力三方面因素，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。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉的電動機，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，本設計中電機容量按以下步驟確定：（1） 確定主軸切削力切削力的大小可用各種測力儀測得，也可用實驗得出的近似公式計算：第 21 頁(2.1)PZXYZFCtsk?(2.2) vPZhPZk??料(2.3)PZXYZvhPZFtskk???料 (公 斤 力 )式中 ——系數。決定于工件材料和加工方法，在一定的切削條件（v、s、tPZC固定）下， 為一常數。 大表示工件材料的加工性差； 小表示工件材料的加PZ PZC工性好。k——總的修正系數。決定于工件材料、切削用量和刀具幾何形狀等?！謩e為工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨損限vPZhPZk??料度對 P 的修正系數。、 ——指數。一般情況下 。這說明吃刀深度對切削力的影響要比ZXYPZXY走刀量對切削力的影響大。下表所列為的系數、指數和修正系數。這些系數在下列條件下制定：刀片材料為硬質合金，工件材料為碳素結構鋼， ， ， ，275/b??公 斤 力 毫 米 50/v?米 分 45???， ，后刀面磨損限度 h=0.9-1.2 毫米，切削時不用冷卻液，車削外圓。10??????它們的系數、指數和修正系數之值也各有不同，可從有關手冊中查得。表 2.1系 數 及 指 數工件材料 PZCPZXPZY結構鋼 167 1．0 0．75第 22 頁修 正 系 數b??40 50:50 60 60 70:70 80 80 90:90 100工 件材 料 =PZk料 0．84 0．90 0．95 1．0 1．04 1．09v= 50 100 200 300 400 500切 削速 度 =vPZk1．0 0．90 0．82 0．77 0．74 0．71φ= 30° 45° 60° 70° 90°主 偏角 =PZk?1．08 1．0 0．94 0．94 0．89γ= +20° +10° 0° -10° -20°前 角=PZk?0．90 1．0 1．1 1．2 1．3h= 0．9 1.2:1.5 2.0:后刀面磨損限度=hPZk1.0 1.05=167, =1.0, =0.75 取 =1.09， =1.08PZCZXZYPZk料 PZk?=0.9， =1.3， =1.05vkP?hPk切深 t 取 5mm，進給量取 0.3mm/r。= 切削速度 V=105m/min切 削 10260ZZFvkw??=P切 削 489.51.397Z k（2） 確定電機輸出功率 Pd第 23 頁P?切 削d=傳動裝置的總效率： = 123其中， —圓柱直齒輪傳動效率，由機械設計手冊表 1-7 查得 =0.98?1 ?1—II 軸軸承效率，由設計手冊 1-7 查得 =0.99×0.99=0.982 2—III 軸（主軸）軸承效率，由設計手冊表 1-7 查得 =0.99×0.99=0.98?3 ?3由此 =0.98×0.98×0.98×0.98=0.922.故， 8.397.102Pkw?切 削d=（3） 選擇電動機額定功率 edp如前所述，電動機功率應留有余量，負荷率一般取 0.8～0.9，所以電動機額定功率選取為 11kw（4） 電動機電壓和轉速的選擇由資料【10】 ，表 22-1-9，小功率電機一般選為 380v 電壓。所以本電機的電壓可選為 380v。同一類型的、功率相同的電動機具有多種轉速。一般而言，轉速高的電動機，其尺寸和重量小，價格較低，但會使轉動裝置的傳動比、結構尺寸和重量增加。選用轉速低的電動機澤情況相反。要綜合考慮電機性能、價格、車床性能要求等因素來選擇。本課題中數控機床的主軸轉速范圍要求為 35 ～4000 。由于只有一根中間傳/minr/inr動軸，傳動鏈較短，因此變速級數較少，故對電動機恒定變速范圍以及整個變速范圍要求較高。第 24 頁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 ， 。12/i?29/16i?38/7i所以兩條齒輪鏈中，高速傳動鏈傳動比 ，低速傳動鏈傳動比12/916/8i??。由此可得電動機的轉速范圍：132/8736/i??max min409/450/,356/7180/minnrr?????（5） 確定電動機的型號由前面信息，可選取 FANUC 交流電機，型號為 ac12／6000i。這種電機轉速非常平穩(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，作為 a 系列的后續(xù)產品，具有更先進的節(jié)能效果。電機參數如下表所示：表 2.2 電機參數型號 額定功率 連續(xù)30min 功率最低轉速 最高轉速 重量 震動 冷卻ac12／6000i11kw 15kw 1500r／min4500r／min95Kg V5 56W機座長為 465mm，電機軸徑為 48mm，軸伸為 110mm，中心高為 132mm，2．2.3 計算各軸計算轉速、功率和轉矩1、各軸計算轉速首先估算主軸的計算轉速，由于采用的無極調速，所以采用以下公式： 0.30.3max3in4()5()15/minr??然后通過傳動比計算傳動軸和電機軸的計算轉速，第 25 頁231458/732.9/minnir???1216/ii1edpkw?1120.9810.6kw???:411242p??4、 各軸輸入轉矩 1950/74610.82TNm???:2./3.939501./45671.T???:將以上計算結果整理后列于表 2.2.供以后計算選擇，供以后計算使用：表 2.3 各軸的傳動參數參數 軸 Ⅰ軸（電機軸） Ⅱ軸（中間傳動軸） Ⅲ軸（主軸）計算轉速（r／min）746 373 145輸入功率（Kw） 11 10.6 10.2轉矩（N·m） 140.82 271.39 671.79傳動比 12/i? ，29/16i?38/7i2.2.4 轉速圖第 26 頁由電機的轉速范圍（包括恒定功率變速范圍）和各軸的傳動比，作數控車床的轉速圖，見圖所示3.3 軸系部件的結構設計2.3.1 I 軸結構設計I 軸上的零件主要是齒輪 1.一端用凸臺定位，另一端用緊定螺釘定位。1． 選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數。根據選定的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。（1） 本設計屬于金屬切削機床類，一般齒輪傳動，故用 6 級精度。（2） 材料選擇。選擇小齒輪材料為 40Cr（調質） ，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45鋼（調質）硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS，滿足要求。（3） 選小齒輪齒數 =35，大齒輪齒數 =2×35=701z2z第 27 頁2.按齒面接觸強度設計由機械設計計算公式 8.21 進行試算：≥1td??2321.tkuEHz??????????1） 確定公式內的各計算數值（1） 試選載荷系數 =1.3tk（2） 計算小齒輪傳遞的扭矩：由上文知為 140N.m（3） 由表 8.6 選取齒寬系數 =0.5d?（4） 由表 8.5 查得材料的彈性影響系數 =Ez1/289.MPa（5） 由圖 8.15 得重合度系數 =0.90，由圖 8.14 得節(jié)點區(qū)域系數 =2.5? Hz（6） 由圖 8-28(e)(a)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 ；lim160MPa??大齒輪的接觸疲勞強度極限 ；lim250HMPa??（7） 由式 8.28 計算應力循環(huán)次數： ；91607461502.410hNnL????921/.2i?（8） 由圖 8.29 查得接觸疲勞壽命系數 120.9;.5NNz?（9） 計算接觸疲勞許用應力：取失效概率為 1%，安全系數 S=1，由式 8.26 得： 1lim10.96540HNMPaSK?????????第 28 頁2lim20.95528HNMPaSK?????????2） 計算（1） 小齒輪分度圓直徑 ：1td≥ = =96.047m1td??2321.tkuEHz?????????? 253.140821. 9.8?????????m（2） 計算圓周速度 VV= 13.496.073.5/601tdnms????（3） 計算齒寬 bb= =0.5×96.047=48.024mmd?1.t（4） 計算齒寬與齒高之比 b/h模數 齒高 h=1/96.047/352.74ttmmz??2.5.2746.15tmm??b/h=48.024/6.175=7.78（5）計算載荷系數根據 V=3.75m/s，6 級精度，由圖 8.7 得動載系數 1.07vK?由表 8.4 查得齒間載荷分配系數 1.2K??由表 8.3 查得使用系數 .5A由圖 8.11 查得齒向載荷分布系數 1.24??第 29 頁故載荷系數：K= 1.2507.124.985AVK?????（6） 因 K 與 有較大差異故需進行修正：t3110.6ttdm?（7） 計算模數 m m= 10.635.1dz?3.按齒根彎曲強度設計彎曲強度設計公式： ??132.KTFaSmdzY?????????1) 確定公式內的各計算數值（1） 由圖 8.28(f)(b)查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ;大齒輪的彎曲疲150FEMPa??勞強度極限 2380FEMPa??（2） 由圖 8.30 得彎曲疲勞壽命系數 120.8,.5NNY?（3） 計算彎曲疲勞許用應力：取彎曲疲勞安全系數 S=1.4，得：， ??10.8259.864NFEFYPaS???（4） 計算載荷系數 K：K=1.894（5） 查取齒形系數：由圖 8.19 查得 12.45;.FaFaY?（6） 查取應力校正系數：由圖 8.20 查得 12.6;1.75SaSaY?第 30 頁（7） 計算大小齒輪的 并加以比較??FaSY???12.4560.1389FaSY?????2.41750.693FaSY???大齒輪的數值大。2）設計計算： =??132.KTFaSmdzY?????????53221.894.01.692.4m???對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數 m 大于由齒根彎曲強度計算的模數，由于齒輪模數 m 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，僅與齒輪直徑有關，可取由彎曲疲勞強度算得的模數 2.46 并就近圓整為標準值 m=2.5mm,按接觸強度算得的分度圓直徑 ，算出小齒輪齒10.6d?數：大齒輪齒數10.6/254z?2148zu??這樣設計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，由滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。5. 幾何尺寸計算1）計算分度圓直徑：1242.5108dzmm???2）計算中心距：12()/(102)/165ad????