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附件4-4：任務(wù)書(shū)
華 南 理 工 大 學(xué) 廣 州 學(xué) 院
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 任 務(wù) 書(shū)
茲發(fā)給 2011級(jí)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)8班學(xué)生蘇毅勇畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)，內(nèi)容如下：
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：普通車床的數(shù)字化改造
2.應(yīng)完成的項(xiàng)目：
（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，編寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；翻譯相關(guān)英文文獻(xiàn)一篇。
（2）了解普通車床的加工特點(diǎn)及原理，對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)字化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造成為CNC裝置控制的、能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將刀架改造成為能自動(dòng)換到的回轉(zhuǎn)刀架。
（3）完成總體方案設(shè)計(jì)：應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、伺服系統(tǒng)的類型、計(jì)算機(jī)控制（CNC裝置）以及傳動(dòng)方式的選擇。
（4）完成總體布置圖、相關(guān)零部件的工程圖和改造的計(jì)算簡(jiǎn)圖。
（5）完成不少于1.5萬(wàn)字的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
3.參考資料以及說(shuō)明：
（1）文懷興. 數(shù)控機(jī)床與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版，2005
（2）朱曉春. 數(shù)控技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995
（3）杜增輝. 數(shù)控系統(tǒng)維修技術(shù)與實(shí)例[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)版社，2012
（4）曾志新，劉旺玉. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育版社，2011
（5）其它相關(guān)期刊文章及專利
（6）自選英文翻譯資料（譯成中文約為5千字左右），主要內(nèi)容應(yīng)與數(shù)控設(shè)備有關(guān)。
4.本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)于2014年11月8日發(fā)出，應(yīng)于2015年 5 月10日前完成，然后提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)進(jìn)行答辯。
指導(dǎo)教師（導(dǎo)師組負(fù)責(zé)人） 簽發(fā)， 2014 年 11月 8 日
教研室負(fù)責(zé)人 審核， 2014 年 11月 8 日
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
普通車床的數(shù)字化改造
【用GSK980T數(shù)控系統(tǒng)】
學(xué) 院
專業(yè)班級(jí)
學(xué)生姓名
學(xué)生學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
提交日期 年 月 日
VI
華南理工大學(xué)廣州學(xué)院
學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日
學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)
本人完全了解華南理工大學(xué)廣州學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：按照有關(guān)要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；華南理工大學(xué)廣州學(xué)院圖書(shū)館有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；可以采用復(fù)印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的的前提下，可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。
學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日
指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日
作者聯(lián)系電話： 電子郵箱：
VI
摘 要
本次設(shè)計(jì)是對(duì)舊機(jī)床數(shù)控化進(jìn)給系統(tǒng)的改造的設(shè)計(jì)。在這里主要包括:主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而我主要是針對(duì)橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。
主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)械設(shè)計(jì)。要求的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造加工精度不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。通過(guò)控制橫向進(jìn)給系統(tǒng)，確保機(jī)床的定位，直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)的設(shè)計(jì)，和暫停。傳動(dòng)效率是機(jī)床的要求，采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)絲桿；為了保證傳動(dòng)精度和一定的穩(wěn)定性，盡量減少摩擦，滾珠絲杠副的選擇。
關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控設(shè)計(jì)，聯(lián)軸器，滾珠絲杠
Abstract
ThisdesignisaboutthecommonLathetransformationofNC.Maintasksare:thetransformationofthemaintransmissionsystem,thetransformationoftheverticalfeedingsystem,horizontalfeedsystemreform.WhileIwasmainlyaimatthelateralfeedingsystemmechanicaltransformation.Thegraduationprojectonthedesignofthebasicskillstraininghasimprovedtheanalysisandtheabilitytosolveengineeringproblems,andcreateacertainconditionforgeneralmechanicaldesign.
NCtransformationismainlyatransformationofmechanicaldrivesystem.BecauseoftheeconomylessprecisionCNCmachining,itisordertosimplifythestructureandreducecosts.Bycontrollingthecross-feedsystem,itensuresthemodifiedlathewithpositioning,linearinterpolation,circularinterpolation,andpause.Requiredfortherealizationofthetransmissionefficiencyofmachinetool,weshouldusasteppingmotordriveandthenscrewthroughthecoupling.Toensureacertaindegreeofdrivingaccuracyandstabilityandminimizefriction,aballscrewpairisneeded.
Keywords:lathe,NCTransformation,Coupling,BallScrew
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
第一章 緒論 1
1.1課題背景 1
1.2機(jī)床改造的內(nèi)容及意義 2
1.3普通車床的數(shù)字化改造主要解決的問(wèn)題 3
第二章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 4
2.1數(shù)控系統(tǒng)的選擇 4
2.2 GSK980T車床數(shù)控系統(tǒng)的組成部分 6
2.3 電氣控制原理 6
第三章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.1確定脈沖當(dāng)量 8
3.2切削力的計(jì)算 8
3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 9
3.3.1精度的選擇 9
3.3.2絲杠導(dǎo)程的確定 9
3.3.3最大工作載荷的計(jì)算 9
3.3.4最大動(dòng)載荷的計(jì)算 10
3.3.5滾珠絲杠螺母副的選型 10
3.3.6滾珠絲杠副的支承方式 11
3.3.7傳動(dòng)效率的計(jì)算 11
3.3.8剛度的驗(yàn)算 11
3.3.9穩(wěn)定性校核 12
3.3.10臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 12
3.4齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 13
3.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 13
第四章 橫向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
4.1切削力的計(jì)算 16
4.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 16
4.2.1最大工作載荷的計(jì)算 16
4.2.2最大動(dòng)載荷的計(jì)算 16
4.2.3滾珠絲杠螺母副的選型 17
4.2.4滾珠絲杠副的支承方式 17
4.2.5傳動(dòng)效率的計(jì)算 17
4.2.6剛度的驗(yàn)算 17
4.2.7穩(wěn)定性校核 18
4.2.8臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 18
4.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 18
4.3.1確定傳動(dòng)比 18
4.3.2齒輪參數(shù)的計(jì)算 18
4.4.步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用 19
4.4.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 19
4.4.2電機(jī)力矩的計(jì)算 20
4.5步進(jìn)電機(jī)的選擇 21
第五章 主軸交流伺服電機(jī) 22
5.1 擬定傳動(dòng)方案 22
5.2 主軸的變速范圍 23
5.3初選主軸電機(jī)的型號(hào) 23
5.4主軸電機(jī)的校核 23
第六章 元件的選擇 25
6.1主軸系統(tǒng)的方案確定 25
6.2安裝電動(dòng)卡盤 25
6.3 SZGDBM01光電編碼器 25
6.3.1 概述 25
6.3.2 主要技術(shù)性能 25
6.4數(shù)控刀架/AK21系列刀架 26
結(jié)論 28
參考文獻(xiàn) 29
致謝 31
第一章 緒論
第一章 緒論
1.1課題背景
機(jī)械制造業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，具有重要的地位。為此，各國(guó)的經(jīng)濟(jì)學(xué)家和企業(yè)家在不斷探索新形勢(shì)下的各種先進(jìn)制造技術(shù)及制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。作為制造業(yè)核心的機(jī)床制造業(yè)則是支柱的基石，是任何行業(yè)都不可或缺的。產(chǎn)生與發(fā)展的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)(1)我國(guó)現(xiàn)有的、數(shù)以萬(wàn)計(jì)的陳舊、落后的機(jī)床是機(jī)床大修與數(shù)控化改造行業(yè)產(chǎn)生的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，由于長(zhǎng)期自身機(jī)制的不適應(yīng)性，經(jīng)濟(jì)實(shí)力過(guò)低、技術(shù)落后、設(shè)備陳舊，極大地制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為盡快改變我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的落后狀態(tài)，近二十多年來(lái)，我們?cè)谄D難地發(fā)展民族機(jī)床制造業(yè)的同時(shí)，積極地引進(jìn)了世界先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備。一方面與世界先進(jìn)機(jī)床制造廠合作，不斷生產(chǎn)出具有世界先進(jìn)水平的各類機(jī)床；另一方面直接購(gòu)進(jìn)了大量的各類機(jī)床。這一切都為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起到了巨大的作用。
但是，機(jī)床長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)甚至超負(fù)荷使用，同時(shí)又缺少認(rèn)真的維修與保養(yǎng)，造成機(jī)床嚴(yán)重磨損，喪失了精度；有些機(jī)床則由于企業(yè)人員及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變，或由于技術(shù)力量不足而被長(zhǎng)期閑置，需要使用時(shí)卻發(fā)現(xiàn)早已銹跡斑斑，電控系統(tǒng)不能起動(dòng)；由于新產(chǎn)品制造的需要，原有機(jī)床性能已不能滿足使用要求，急需更新升級(jí)改造；由于世界計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，造成數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廠的產(chǎn)品更新加快，原有產(chǎn)品過(guò)早停產(chǎn)，給備件更換與維修帶來(lái)一定困難；況且數(shù)控系統(tǒng)的使用壽命一般在5～10年，而我國(guó)大多數(shù)機(jī)床都在超期服役。這些諸多因素都需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行大修及數(shù)控化升級(jí)改造。
(2)新進(jìn)的大批二手機(jī)床成為機(jī)床大修及數(shù)控化改造行業(yè)的催化劑自改革開(kāi)放以來(lái)，許多企業(yè)引進(jìn)了一大批國(guó)外淘汰的舊機(jī)床，雖然有一部分尚能滿足使用要求，但是多數(shù)由于缺少經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)、資料及備件等因素，造成雖廉價(jià)購(gòu)進(jìn)但卻不能繼續(xù)發(fā)揮作用而閑置的尷尬局面。其中不乏有為改造后投入使用而引進(jìn)的舊機(jī)床和生產(chǎn)線。這里多數(shù)的二手機(jī)床只要再有適當(dāng)?shù)馁Y金投入，經(jīng)過(guò)大修改造即可發(fā)揮作用。
(3)顯著的經(jīng)濟(jì)效益是機(jī)床大修及數(shù)控化改造行業(yè)的發(fā)展動(dòng)力對(duì)于機(jī)床擁有者來(lái)說(shuō)，只需花費(fèi)購(gòu)買相同新機(jī)床30%以下的費(fèi)用即可獲得相同的使用效果。根據(jù)國(guó)際該行業(yè)的記載，即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行徹底改造升級(jí)，也只需花費(fèi)購(gòu)買新機(jī)床60%左右的價(jià)格。
對(duì)于機(jī)床大修改造業(yè)內(nèi)公司來(lái)說(shuō)，這不僅為他們的服務(wù)企業(yè)產(chǎn)生巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，而且也是他們自身生存和發(fā)展的根本動(dòng)力。
(4)機(jī)床大修及數(shù)控化改造的優(yōu)勢(shì)是該行業(yè)生存與發(fā)展的有利條件舊機(jī)床的大修、翻新、升級(jí)改造與購(gòu)買新機(jī)床相比有優(yōu)勢(shì)。
1.2機(jī)床改造的內(nèi)容及意義
數(shù)字控制機(jī)床又稱為機(jī)床數(shù)控化改造，這是一種將數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的控制技術(shù)。它把機(jī)械加工過(guò)程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過(guò)信息載體輸入數(shù)控裝置，經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動(dòng)地將零件加工出來(lái)。機(jī)床數(shù)控化改造較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問(wèn)題，是一種柔性、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，是典型的機(jī)電產(chǎn)品。
機(jī)床數(shù)控化改造能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，增加切屑加工時(shí)間的比率；
使用機(jī)床數(shù)控化改造進(jìn)行生產(chǎn)，加工的零件精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,從而有效的提高了產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力；
機(jī)床數(shù)控化改造具有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性，因此能夠完成很多機(jī)床數(shù)控化改造很難完成或者根本不能加工的、具有復(fù)雜型面、要求高精度的零件的加工；
許多機(jī)床數(shù)控化改造如加工中心具有自動(dòng)換刀功能，使零件一次裝夾之后就能夠完成多個(gè)加工部位的加工，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，大大節(jié)省了設(shè)備和廠房面積；
生產(chǎn)者可以對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行預(yù)算，并對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行合理的安排，以達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的；應(yīng)用機(jī)床數(shù)控化改造進(jìn)行生產(chǎn)，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工人工作的環(huán)境質(zhì)量，增加了工人的生產(chǎn)積極性，促進(jìn)了生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。
數(shù)控改造化車床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床，也是使用數(shù)量最多的機(jī)床數(shù)控化改造，約占機(jī)床數(shù)控化改造總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過(guò)程序控制自動(dòng)完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能切槽、鉆、擴(kuò)、鉸孔的加工。
由于數(shù)控改造化車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補(bǔ)功能，有些數(shù)控改造化車床還具有非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過(guò)程中具有自動(dòng)變速功能等特點(diǎn)，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。
1.精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控改造化車床剛性好，制造和對(duì)刀精度高，以及能方便和精確地進(jìn)行人工補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。
2.表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
數(shù)控改造化車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來(lái)切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控改造化車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進(jìn)給量，要求小的部位選用小的進(jìn)給量。
3.輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控改造化車床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補(bǔ)功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零件。
1.3普通車床的數(shù)字化改造主要解決的問(wèn)題
解決形狀復(fù)雜、精密、多品種及中小批零件的加工問(wèn)題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，隨著制造技術(shù)向自動(dòng)化、柔性化方向的發(fā)展，當(dāng)前機(jī)床的數(shù)控化率已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。但目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用受到一些條件的限制。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，目前我國(guó)機(jī)床總擁有量為378萬(wàn)臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床只有8萬(wàn)多臺(tái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)、日本、德國(guó)、韓國(guó)等制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)床數(shù)控化率20％以上的水平。國(guó)內(nèi)數(shù)控設(shè)備嚴(yán)重失衡的原因：數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資大，對(duì)中小型企業(yè)常是心有余而力不足；同時(shí)各企業(yè)有大量的普通機(jī)床，如果全部用數(shù)控機(jī)床來(lái)代替也將造成很大的浪費(fèi)。要較好地解決問(wèn)題，用數(shù)控技術(shù)對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行改造，是既適合我國(guó)國(guó)情又能提高機(jī)床數(shù)控化率的一條有效途徑，是我國(guó)尤其在中西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)企業(yè)設(shè)備技術(shù)改造的主要方向之一。２改造的方案普通機(jī)床的數(shù)控化改造一般是指對(duì)現(xiàn)有普通機(jī)床的某些部位做一些改裝，再配上經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置或標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)，從而使原機(jī)床具有數(shù)控加工的能力。普通機(jī)床數(shù)控化改造后較改造前機(jī)床的自動(dòng)化程度高、專業(yè)性強(qiáng)、加工精度及生產(chǎn)率都有很大的提高；改造機(jī)床的費(fèi)用比購(gòu)買數(shù)控機(jī)床的費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)性好、生產(chǎn)周期短。改造中應(yīng)完成的兩項(xiàng)主要工作是：增加數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的改造。３數(shù)控系統(tǒng)的選擇３．１控制方式選擇目前數(shù)控系統(tǒng)控制方式主要有３種類型：步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、異步電機(jī)或電機(jī)光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和交／伺服電機(jī)拖動(dòng)編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其中步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，其伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。該系統(tǒng)位移精度較低，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試維修方便、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本低、抗干擾性能強(qiáng)、對(duì)環(huán)境室溫要求不高，易改裝成功，適用于精度要求一般的中小型機(jī)床的改造，這是目前數(shù)控改造中應(yīng)用最為廣泛的一種.
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第二章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
第二章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
2.1數(shù)控系統(tǒng)的選擇
數(shù)控機(jī)床是一種先進(jìn)的加工設(shè)備，它以高精度、高可靠性、高效率、可加工復(fù)雜曲面工件等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但若選型不當(dāng)，則不能發(fā)揮其應(yīng)有的效益，且使資金大量積壓，從而產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。廣義的選型主要包括機(jī)型選擇、數(shù)控系統(tǒng)選擇、機(jī)床精度選擇、主要特征規(guī)格選擇等。其中機(jī)型選擇和數(shù)控系統(tǒng)選擇風(fēng)險(xiǎn)最大，機(jī)床精度和主要特征規(guī)格選擇次之，故要減少選型風(fēng)險(xiǎn)，可從以下幾方面著手。
一、機(jī)型選擇 在滿足加工工藝要求的前提下設(shè)備越簡(jiǎn)單風(fēng)險(xiǎn)越小，車削加工中心和數(shù)控車床都可以加工軸類零件，但一臺(tái)滿足同樣加工規(guī)格的車削中心價(jià)格要比數(shù)控車床貴幾倍，如果沒(méi)有進(jìn)一步工藝要求，肯定選擇數(shù)控車床風(fēng)險(xiǎn)較小。同樣在經(jīng)濟(jì)型和普通型數(shù)控車床中要盡量選擇經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。
二、數(shù)控系統(tǒng)選擇
在選購(gòu)數(shù)控機(jī)床時(shí)，同一種機(jī)床本體可配置多種數(shù)控系統(tǒng)。在可供選擇的系統(tǒng)中，性能高低差別很大，直接影響到設(shè)備價(jià)格構(gòu)成。目前數(shù)控系統(tǒng)種類、規(guī)格極其繁多，進(jìn)口系統(tǒng)主要有日本FANUC、德國(guó)SINUMERIK、日本MITSUBISHI、法國(guó)NUM、意大利FIDIA、西班牙FAGOR、美國(guó)A-B等。國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)主要有廣州系統(tǒng)、航天系統(tǒng)、華中系統(tǒng)、遼寧藍(lán)天系統(tǒng)、南京大方系統(tǒng)、北方凱奇系統(tǒng)、清華系統(tǒng)、KND系統(tǒng)等，每家公司都有一系列各種規(guī)格的產(chǎn)品。減少數(shù)控系統(tǒng)選型風(fēng)險(xiǎn)的基本原則是：性能價(jià)格比大，使用維修方便，系統(tǒng)的市場(chǎng)壽命長(zhǎng)。因此不能片面追求高水平、新系統(tǒng)。而應(yīng)該以滿足主機(jī)性能為主，對(duì)系統(tǒng)性能和價(jià)格等作一個(gè)綜合分析，選用合適系統(tǒng)。同時(shí)應(yīng)逐漸少選傳統(tǒng)的封閉體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)或PC嵌入NC結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，因?yàn)檫@類系統(tǒng)的功能擴(kuò)展、改變和維修都必須借助于系統(tǒng)供應(yīng)商。應(yīng)盡可能選用NC嵌入PC結(jié)構(gòu)或SOFT結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部1/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口，就像計(jì)算機(jī)上可以安裝各種品牌的聲卡、顯卡和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣，用戶可以在WINDOWSNT平臺(tái)上，利用開(kāi)放的CNC內(nèi)核，開(kāi)發(fā)所需的功能，構(gòu)成各種類型的數(shù)控系統(tǒng)。另外數(shù)控系統(tǒng)中基本功能以外還有很多選擇功能，用戶可以根據(jù)自己的工件加工要求、測(cè)量要求、程序編制要求等，額外再選擇一些功能列入訂貨合同附件中，特別是實(shí)時(shí)傳輸?shù)腄NC功能等。
三、精度選擇
數(shù)控機(jī)床精度等級(jí)的選擇取決于典型零件的加工精度。一般數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)項(xiàng)目都有20~30項(xiàng)，但其最有特征的項(xiàng)目是：?jiǎn)屋S定位精度、單軸重復(fù)定位精度、兩軸以上聯(lián)動(dòng)加工出來(lái)試件的圓度。定位精度和重復(fù)定位精度綜合反映了該軸各運(yùn)動(dòng)部件的綜合精度。單軸定位精度是指在該軸行程內(nèi)任意一個(gè)點(diǎn)定位時(shí)的誤差范圍，它直接反映了機(jī)床的加工精度能力，而重復(fù)定位精度則反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點(diǎn)的定位穩(wěn)定性，這是衡量該軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標(biāo)。以上兩個(gè)指標(biāo)中，重復(fù)定位精度尤為重要。目前數(shù)控系統(tǒng)中軟件都有豐富的誤差補(bǔ)償功能，能對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進(jìn)行穩(wěn)定的補(bǔ)償。如絲杠的螺距誤差和累計(jì)誤差可以用螺距補(bǔ)償功能補(bǔ)償，進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向死區(qū)可用反向間隙補(bǔ)償來(lái)消除。但電控方面誤差補(bǔ)償功能不可能補(bǔ)償隨機(jī)誤差（如傳動(dòng)鏈各環(huán)節(jié)的間隙、彈性變形和接觸剛度等因素變化產(chǎn)生的誤差），它們往往隨著工作臺(tái)的負(fù)載大小、移動(dòng)距離長(zhǎng)短、移動(dòng)定位速度的快慢等反映出不同的運(yùn)動(dòng)量損失。在一些開(kāi)環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，測(cè)量元件以后的機(jī)械驅(qū)動(dòng)元件，受各種偶然因素影響，也有相當(dāng)大的隨機(jī)誤差影響，例如滾珠絲杠熱伸長(zhǎng)引起的工作臺(tái)實(shí)際定位位置漂移等。所以重復(fù)定位精度的合理選擇可大大減少精度選擇風(fēng)險(xiǎn)。銑削圓柱面精度或銑削空間螺旋槽（螺紋）精度是綜合評(píng)價(jià)該機(jī)床有關(guān)數(shù)控軸（兩軸或三軸）伺服跟隨運(yùn)動(dòng)特性和數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)功能的指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)采用測(cè)量加工出的圓柱面的圓度。在數(shù)控銑床試切件中還有銑斜方形四邊加工，這也是判斷兩個(gè)可控軸在直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)精度的一種方法。對(duì)于數(shù)控銑床，兩軸以上聯(lián)動(dòng)加工出來(lái)試件的圓度指標(biāo)也不容忽略。定位精度要求較高的機(jī)床還必須注意它的進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用半閉環(huán)方式還是全閉環(huán)方式，注意使用檢測(cè)元件的精度及穩(wěn)定性。如機(jī)床采用半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)方式，則精度穩(wěn)定性要受到一些外界因素影響，如傳動(dòng)鏈中滾珠絲杠受工作溫度變化造成絲杠伸長(zhǎng)，對(duì)工作臺(tái)實(shí)際定位位置造成漂移影響，使加工件的加工精度受到影響。
四、數(shù)控機(jī)床主要特征規(guī)格選擇
數(shù)控機(jī)床的主要特征規(guī)格應(yīng)根據(jù)確定的典型工件族加工尺寸范圍而選擇。數(shù)控機(jī)床的最主要規(guī)格是幾個(gè)數(shù)控軸的行程范圍和主軸電機(jī)功率。機(jī)床的三個(gè)基本直線坐標(biāo)（X、Y、Z）行程反映該機(jī)床允許的加工空間，在車床中兩個(gè)坐標(biāo)X、Z反映允許回轉(zhuǎn)體的大小。一般情況下加工件的輪廓尺寸應(yīng)在機(jī)床的加工空間范圍之內(nèi)，如典型工件是450mm×450mm×450mm的箱體，那么應(yīng)選取工作臺(tái)面尺寸為500mm×500mm的加工中心，選用工作臺(tái)面比典型工件稍大一些是考慮到安裝夾具所需的空間。機(jī)床工作臺(tái)面尺寸和三個(gè)直線坐標(biāo)行程都有一定比例關(guān)系，如上述工作臺(tái)500mm×500mm的機(jī)床，X軸行程一般為700~800mm,，Y軸為500~700mm，Z軸為500~600mm。因此，工作臺(tái)面的大小基本上確定了加工空間的大小。個(gè)別情況下也可以有工件尺寸大于坐標(biāo)行程，這時(shí)必須要求零件上的加工區(qū)域處在行程范圍之內(nèi)，而且要考慮機(jī)床工作臺(tái)的允許承載能力，以及工件是否與機(jī)床換刀空間干涉、與機(jī)床防護(hù)罩等附件干涉等一系列問(wèn)題。數(shù)控機(jī)床的主電機(jī)功率在同類規(guī)格機(jī)床上也可以有各種不同配置，一般情況下反映了該機(jī)床的切削剛性和主軸高速性能。輕型機(jī)床比標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)床主軸電機(jī)功率就可能小1~2級(jí)。目前一般加工中心主軸轉(zhuǎn)速在4000~8000r/min，高速型機(jī)床立式機(jī)床可達(dá)2萬(wàn)~7萬(wàn)r/min，臥式機(jī)床1萬(wàn)~2萬(wàn)r/min，其主軸電機(jī)功率也成倍加大。主軸電機(jī)功率反映了機(jī)床的切削效率，從另一個(gè)側(cè)面也反映了切削剛性和機(jī)床整體剛度。在現(xiàn)代中小型數(shù)控機(jī)床中，主軸箱的機(jī)械變速已較少采用，往往都采用功率較大的或交流可調(diào)速電機(jī)直聯(lián)主軸，甚至采用電主軸結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)在低速切削中扭矩受到限制，即調(diào)速電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出功率下降，為了確保低速輸出扭矩，必須采用大功率電機(jī)。所以同規(guī)格機(jī)床數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)比普通機(jī)床大幾倍。當(dāng)?shù)湫凸ぜ嫌写罅康牡退偌庸r(shí)，必須對(duì)機(jī)床的低速輸出扭矩進(jìn)行校核。
2.2 GSK980T車床數(shù)控系統(tǒng)的組成部分
GSK980T車床數(shù)控系統(tǒng)主要由輸入裝置、監(jiān)視器、主控制系統(tǒng)、可編程控制器、各類輸人／輸出接口等組成。主控制系統(tǒng)主要由 CPU 、存儲(chǔ)器、控制器等組成。數(shù)控系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是位置、角度、速度等機(jī)械量，以及溫度、壓力、流量等物理量．其控制方式又可分為數(shù)據(jù)運(yùn)算處理控制和時(shí)序邏輯控制兩大類。其中主控制器內(nèi)的擂補(bǔ)模塊就是根據(jù)所讀入的零件程序，通過(guò)譯碼、編譯等處理后，進(jìn)行相應(yīng)的刀具軌跡插補(bǔ)運(yùn)算，并通過(guò)與各坐標(biāo)伺服系統(tǒng)的位置、速度反饋信號(hào)的比較，從而控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的位移。而時(shí)序邏輯控制通常由可編程控制器來(lái)完成，它根據(jù)機(jī)床加工過(guò)程中各個(gè)動(dòng)作要求進(jìn)行協(xié)調(diào)，按各檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行邏輯判別，從而控制機(jī)床各個(gè)部件有條不紊地按順序工作。數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工的核心，是整個(gè)數(shù)控機(jī)床的靈魂所在。
2.3 電氣控制原理
第三章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第三章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1確定脈沖當(dāng)量
一個(gè)脈沖，使機(jī)床移動(dòng)部件產(chǎn)生位移，也被稱為數(shù)控機(jī)床的最小單位。脈沖是一個(gè)基本的技術(shù)參數(shù)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度。脈沖當(dāng)量的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床和銑床使用的是0.01~0.005mm/脈沖。
確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.01mm/脈沖。
3.2切削力的計(jì)算
車削外圓時(shí)的切削力如圖3-1所示。主切削力與切削速度的方向一致，垂直向下，是計(jì)算車床主軸電動(dòng)機(jī)切削功率的依據(jù)；進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且方向相反；背向力與進(jìn)給方向相垂直，對(duì)加工精度的影響較大。
Fz
Fx
Fy
圖3-1車削力分析
選工件材料碳素結(jié)構(gòu)鋼，=650MP；選用刀具材料為高速鋼；
刀具幾何參數(shù)：主偏角=，前角=，刃傾角=；
切削用量為：背吃刀量=2mm，進(jìn)給量=0.8mm/r，切削速度=1m/min.。
由表（2.1）查得：=1770;=1.0=0.75=0;
由表（2.2）查得：主偏角修正系數(shù)=0.92,前角，刃傾角修正系數(shù)都為1.0；
代入公式：
=
=2754.92(N)
進(jìn)給力與背吃刀力
由經(jīng)驗(yàn)公式：
：：=1:0.35:0.4
知：==2754.92N
==0.35x2754.92=964.22N
==0.4x2754.92=1101.97N
3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
滾珠絲杠副作用是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，在釋放量之間的滾珠絲杠和螺母滾道的螺旋傳動(dòng)，線程產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。螺旋旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道。螺母設(shè)有復(fù)位裝置，和螺紋滾一個(gè)球流通渠道。為了配合無(wú)間隙甚至是球和滾道之間形成的，可以設(shè)置預(yù)緊裝置。為了延長(zhǎng)使用壽命，可設(shè)置的潤(rùn)滑和密封。
3.3.1精度的選擇
滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。對(duì)于車床，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。
3.3.2絲杠導(dǎo)程的確定
與運(yùn)動(dòng)速度導(dǎo)致的選擇，所需的系統(tǒng)等，通常是：4，5，6，8，10，12，20，規(guī)模大，影響一般也可以選擇較大（主要考慮帶齒厚）。在速度上滿足的情況下，較小的鉛一般的選擇（提高控制精度），本設(shè)計(jì)主要縱向絲杠副行程8mm，橫向絲杠導(dǎo)程為5。
3.3.3最大工作載荷的計(jì)算
最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力,其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表3-1所示。
表3-1實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)
導(dǎo)軌類型
實(shí)驗(yàn)公式
矩形導(dǎo)軌
1.1
0.15
燕尾導(dǎo)軌
1.4
0.2
綜合或三角導(dǎo)軌
1.15
0.15-0.18
表中為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為移動(dòng)部件總重量。G=1000N
查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，取1.15,取0.18,為1000；
算得=1.15×1197+0.18×（3420+1000）
=2171.55
3.3.4最大動(dòng)載荷的計(jì)算
載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。比如起重機(jī)以等速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為靜載，起重機(jī)以加速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為動(dòng)載。
對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷計(jì)算公式如下：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通機(jī)床T取5000-10000h，數(shù)控機(jī)床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；
—載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計(jì)取1.2；
—硬度系數(shù)（HRC58時(shí)取1.0；等于55時(shí)取1.11；等于52.5時(shí)取1.35；等于50時(shí)取1.56；等于45時(shí)取2.40）；
—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。
本設(shè)計(jì)中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度,初選絲杠基本導(dǎo)程，則絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得：=17390N。
3.3.5滾珠絲杠螺母副的選型
初選滾珠絲桿副時(shí)應(yīng)使其額定動(dòng)載荷,當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使額定靜載荷。
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL4008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級(jí)為4級(jí)，其參數(shù)如表3-2所示。
表3-2FL4008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1897
40
8
4.763
38.6
35.24
66
31
3.3.6滾珠絲杠副的支承方式
滾珠絲杠副的支承主要用來(lái)約束絲杠的軸向竄動(dòng)，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長(zhǎng)度較大，本設(shè)計(jì)縱向絲杠采用雙推—簡(jiǎn)支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。
3.3.7傳動(dòng)效率的計(jì)算
滾珠絲杠的傳動(dòng)效率一般在0.8～0.9之間，其計(jì)算公式如下：
=
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得：==96.67%
3.3.8剛度的驗(yàn)算
軸向變形含絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。
因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對(duì)絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以、可以忽略不計(jì)，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：
=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，為3234.36，取1665，為45.24，算得：
==±0.01597=±15.97
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
表3-3有效行程內(nèi)的目標(biāo)行程公差和行程變動(dòng)量
有效行程
精度等級(jí)
1
2
3
4
5
大于
至
—
315
6
6
8
8
12
12
16
16
23
23
400
500
8
7
10
9
15
13
20
19
27
26
1600
2000
18
13
25
18
35
25
48
36
65
51
3.3.9穩(wěn)定性校核
由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長(zhǎng)又受軸向力的作用，若軸向負(fù)載過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk應(yīng)該滿足：
=
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取2，其他方式如表3-4所示；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時(shí)取最小值，本設(shè)計(jì)取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2000；
（其中工件加工長(zhǎng)度為1400，取2000，留600的兩端余量）
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè)
中將代入算出=205513.36。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：==
臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（3234.36N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
表3-4絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡(jiǎn)支
單推-單推
雙推-自由
取值
4
2
1
0.25
3.3.10臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證
共振的最高轉(zhuǎn)速，絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取值如表3-5所示；
—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2300；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
表3-5絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡(jiǎn)支
單推-單推
雙推-自由
取值
27.4
18.9
12.1
4.3
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.4齒輪傳動(dòng)的計(jì)算
有關(guān)齒輪計(jì)算
傳動(dòng)比
故取
；；；；；
3.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
（1）工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
式中——滾珠絲杠的公稱直徑；
——絲杠長(zhǎng)度。
則
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。
因此，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（2）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
式中——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)，時(shí)
當(dāng)時(shí)預(yù)加載荷，則
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
切削時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
由上分析計(jì)算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)：
（3）縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定
電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，知
所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為
步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
綜合考慮，查表選用110BF003型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足要求[7-12]。
第四章 橫向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第四章 橫向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1切削力的計(jì)算
因?yàn)闄M向切削力大小一般等于縱向切削力的一半，所以：
=1368÷2=684
=1197÷2=598.5
式中：—橫向主切削力；
—走刀方向切削力；
—吃刀方向切削力。
4.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
4.2.1最大工作載荷的計(jì)算
已知溜板及刀架重力（N），橫向?yàn)檠辔矊?dǎo)軌，查表3-1，最大工作載荷的計(jì)算如下：
=
式中：—為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取1.4；
—為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.2。
4.2.2最大動(dòng)載荷的計(jì)算
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；
—絲杠壽命，取15000；
—載荷系數(shù)，一般取1.2；
—硬度系數(shù)取1；
—橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6；
—橫向滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為。
—橫向最大工進(jìn)速度，該設(shè)計(jì)值為；
—橫向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。
計(jì)算得出得：=12278.8。
4.2.3滾珠絲杠螺母副的選型
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL4005-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母方式預(yù)緊，精度等級(jí)為3級(jí)，其參數(shù)如表4-1所示。
表4-1FL2005-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1453
20
5
3.5
19
16.5
32.8
14
4.2.4滾珠絲杠副的支承方式
考慮到橫向滾珠絲杠副的長(zhǎng)度、精度與負(fù)載的大小以及改造成本，采用雙推-單推支承方式，該方式軸向剛度高，位移精度好，可以進(jìn)行預(yù)拉伸。
4.2.5傳動(dòng)效率的計(jì)算
=
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°28′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得：==95.67%
4.2.6剛度的驗(yàn)算
=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)設(shè)計(jì)，為2459.6N，為420，為36.5，算得：
==±0.0047
=±4.7
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
4.2.7穩(wěn)定性校核
=
式中：—絲杠支承系數(shù)，由表3-4得出單推-單推時(shí)，取1；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，本設(shè)計(jì)取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為500；
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩，（，單位為）本設(shè)中將代入算出=87080。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：==
臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
4.2.8臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證
式中：—絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時(shí)，由表3-5可得該值為12.1；
—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值約為720；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
4.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算
4.3.1確定傳動(dòng)比
計(jì)算伺服系統(tǒng)的降速比I
選步進(jìn)電機(jī)的步距角=0.6
橫向：
4.3.2齒輪參數(shù)的計(jì)算
摸數(shù)m取2。
計(jì)算如下：
橫向：取小圓齒數(shù)為24
小齒輪：
大齒輪：
4.4.步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用
4.4.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
（1）齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算（）
對(duì)于鋼材：
式中：
M—圓柱體質(zhì)量（）
D—圓柱體直徑（）
L—圓柱體長(zhǎng)度（）
—鋼材的密度
對(duì)于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
對(duì)于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長(zhǎng)度。
具體計(jì)算如下：
縱向：
橫向：
（2）絲杠傳動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量
傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
式中：
具體計(jì)算如下：
縱向：
橫向：
4.4.2電機(jī)力矩的計(jì)算
1） 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩
式中：
（2）快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
因此對(duì)運(yùn)動(dòng)部件已起動(dòng)，固不包含，顯然。
（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
式中：
在采用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種力矩可用下式計(jì)算
式中：
摩擦力矩
式中：
附加摩擦力矩
式中：
折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩
式中：
具體計(jì)算：
橫向：
4.5步進(jìn)電機(jī)的選擇
首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)距
從表中查出，
縱向：
步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率Hz
最高工作頻率Hz
從電機(jī)表中查出，110BYG3500型步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為1600Hz，運(yùn)行頻率為30000Hz，滿足要求。
橫向：
按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，90BYGH3502型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為5N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。
第五章 主軸交流伺服電機(jī)
第五章 主軸交流伺服電機(jī)
5.1 擬定傳動(dòng)方案
數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)換刀、自動(dòng)變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時(shí)，需要切削直徑的變化,主軸必須通過(guò)自動(dòng)變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)變速，以利于在一定的調(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，又有利于提高切削效率。無(wú)級(jí)調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較大（），單靠調(diào)速電機(jī)無(wú)法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無(wú)級(jí)變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。
為簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方案如圖5.1：
有級(jí)變速的自動(dòng)變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機(jī)構(gòu)是通過(guò)液壓缸、活塞桿帶動(dòng)撥叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個(gè)液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個(gè)液壓缸（差動(dòng)油缸）實(shí)現(xiàn)三位移動(dòng)。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但變速時(shí)必須主軸停車后才能進(jìn)行，另外，它增加了數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動(dòng)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(lái)了更多的不可靠因素。
圖5.1 主軸傳動(dòng)圖
電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)時(shí)，能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過(guò)若干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來(lái)改變齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[6]。
5.2 主軸的變速范圍
主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定
（本小節(jié)公式除非特別說(shuō)明，均出自資料[12]）
∵數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速范圍25～2500r/min
則數(shù)控車床總變速范圍
估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無(wú)級(jí)調(diào)速，所以采用以下的公式：
(2.3)
因?yàn)閿?shù)控機(jī)床主軸的變速范圍大于計(jì)算轉(zhuǎn)速的實(shí)際值同時(shí)為了便于計(jì)算
故?。?
主軸的恒功率變速范圍
電機(jī)的恒功率變速范圍
由于Rnp>>Rdp，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個(gè)有級(jí)變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。
取，則對(duì)于數(shù)控車床，為了加工端面時(shí)滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速有一些重復(fù)，故取Z=2
5.3初選主軸電機(jī)的型號(hào)
選主軸電機(jī)的型號(hào)為：SIMODRIVE系列交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)為1HP6167-4CB4，連續(xù)負(fù)載PH/KW=14.5，間歇負(fù)載（60%）/kw=17.5kw,短時(shí)負(fù)載（20min）/kw=19.25kw,額定負(fù)載n/r.min=5000，最大轉(zhuǎn)速nmax/r/min=8000,額定轉(zhuǎn)矩277N.m,慣性矩0.206/kg.m
晶體管PWM變頻器型號(hào)為6SC6058-4AA02
5.4主軸電機(jī)的校核
電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速范圍：
所以所選電動(dòng)機(jī)型號(hào)的調(diào)速范圍滿足主軸所要求的調(diào)速范圍。
第六章 元件的選擇
第六章 元件的選擇
6.1主軸系統(tǒng)的方案確定
若要提高車床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用2~4速的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時(shí)，若工作頻率低于，原來(lái)的電動(dòng)機(jī)可以不更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電動(dòng)機(jī)大）。
6.2安裝電動(dòng)卡盤
為了提高加工效率，夾緊和松開(kāi)工件使用電動(dòng)卡盤，呼和浩特配件廠生產(chǎn)型kd11250電動(dòng)三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與放松的數(shù)控系統(tǒng)。
6.3 SZGDBM01光電編碼器
6.3.1 概述
SZGDBM01光電編碼器，是常用的位移、角位移、長(zhǎng)度、深度等機(jī)械量的檢測(cè)器件，廣泛用于化工、冶金、能源、輕工、紡織、電子、機(jī)械、汽車等行業(yè)。
6.3.2 主要技術(shù)性能
SZGDBM01的分類方法??
6.4數(shù)控刀架/AK21系列刀架
AK21160*4*4C
安裝圖及尺寸：
型 號(hào)
A
B
C
L1
L2
H1
H
X
X1
y
h
Ф1
Ф2
M
H3
H4
N
AK21160×4
126
126
146
441
225
219
70
160
170
112
30.5
13
20
82
/
/
44
AK21160×4C
117
126
146
388
273
217
70
160
170
114
32
13
20
60
/
/
32
主要參數(shù)：
序號(hào)
項(xiàng) 目
AK21160×44C
1
刀臺(tái)方(mm)
160
2
工位數(shù)(個(gè))
4
3
裝刀基面高(mm)
≥70
4
裝刀基準(zhǔn)孔高(mm)
/
5
單工位轉(zhuǎn)位時(shí)間(s)
3.24
6
刀架轉(zhuǎn)速(r/min)
17
7
最大切向力矩(N .m)
500
8
最大顛覆力矩(N .m)
1250
9
重復(fù)定位精度(mm)
0.005
10
毛重(Kg)
38
11
凈重(Kg)
30
12
箱體尺寸(mm)
560×400×353
結(jié)論
本課題結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控改造化車床進(jìn)給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種桌面型數(shù)控改造化車床的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。本文主要以上工作：
1、確定了數(shù)控改造化車床結(jié)構(gòu)方案。分析了數(shù)控改造化車床的特點(diǎn)，確定了數(shù)控改造化車床基本結(jié)構(gòu)，并確定其基本尺寸。
2、確定了數(shù)控改造化車床技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)。對(duì)該數(shù)控改造化車床的各向切削力進(jìn)行了計(jì)算。
3、選擇了數(shù)控改造化車床系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。采用了東達(dá)電控的電控箱。
4、數(shù)控改造化車床本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
5、零件的剛度和壽命計(jì)算與校核。對(duì)各個(gè)已設(shè)計(jì)零件進(jìn)行剛度和壽命計(jì)算，確保滿足使用要求，使該數(shù)控改造化車床有足夠的可靠性。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)了解了普通車床的加工特點(diǎn)及原理，對(duì)普通車床進(jìn)行了數(shù)字化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造成為CNC裝置控制的、能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將刀架改成為能自動(dòng)換到的回轉(zhuǎn)刀架。
轉(zhuǎn)眼間3個(gè)月的時(shí)間過(guò)去了，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們大學(xué)四年來(lái)進(jìn)行的最綜合、最大型、最全面的、用時(shí)最長(zhǎng)的一次設(shè)計(jì)。是對(duì)大學(xué)所學(xué)的一次大總結(jié)，它匯聚了已學(xué)科目的所有知識(shí)點(diǎn)，幾乎把大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)都囊括在里面了，使所學(xué)知識(shí)得到鞏固與提高。我們通過(guò)不同的途徑查閱相關(guān)的資料，如：圖書(shū)館的館藏資料、網(wǎng)上圖書(shū)館以及查閱我們四年來(lái)所學(xué)的書(shū)本知識(shí)等；豐富了自己的知識(shí)面，提高了解決問(wèn)題的能力和自學(xué)能力。在設(shè)計(jì)中我們遇到了很多的困難，通過(guò)請(qǐng)教指導(dǎo)老師自己查閱資料，與同學(xué)討論，最終都得到了解決。包括選擇毛坯的類型和制造方法、粗精基準(zhǔn)的選擇、加工順序的安排，機(jī)床及的工藝裝備的選擇、工藝的分析計(jì)算、專用夾具的設(shè)計(jì)、填寫(xiě)工藝卡片等。
設(shè)計(jì)中遇到很多細(xì)節(jié)問(wèn)題，如機(jī)床的選擇原則，要根據(jù)加工零件的材料、尺寸，機(jī)床的加工范圍來(lái)確定；刀具的選擇，它是有零件的材料，加工表面的形狀來(lái)確定的；裝配圖上尺寸、配合的標(biāo)注；工序圖繪制原則，加工表面要用粗實(shí)線表示，非加工表面用細(xì)實(shí)線等。這些都是以前設(shè)計(jì)中沒(méi)太注意的問(wèn)題，感謝導(dǎo)師的指出和耐心指導(dǎo)。
通過(guò)此次設(shè)計(jì)，不但使我在設(shè)計(jì)中得到了很大的收獲，豐富了自己的理論知識(shí)，提高了實(shí)踐的能力，為今后在工作崗位中從事設(shè)計(jì)行業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，更讓我深刻感覺(jué)到相互協(xié)作的團(tuán)體精神和導(dǎo)師指導(dǎo)的重要性。由于我的時(shí)間經(jīng)驗(yàn)比較缺乏，理論知識(shí)不夠全面和深入，設(shè)計(jì)中肯定還存在不少的缺點(diǎn)和問(wèn)題，希望能夠得到老師的批評(píng)和指正，它將影響我的一生。
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致謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是將大學(xué)所學(xué)的知識(shí)融合在一