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畢業(yè)設計說明書 設計題目：Φ630mm的數(shù)控車床總體設計及六角回轉刀架設計 學 生 班 級 學 號 指導教師 繼 續(xù) 教 育 學 院 摘要 現(xiàn)代數(shù)控機床是未來工廠自動化的基礎。數(shù)控系統(tǒng)設計車床的研究具有重要意義。 本文在敘述了數(shù)控技術的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎上，通過對舊機床的分析，結合機床設計的總體思想，提出了數(shù)控化設計的技術方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案;針對舊機床的要求，進行了傳動系統(tǒng)的重新設計，提高了傳動的精度，重新設計機床的控制邏輯，通過對伺服系統(tǒng)的分析，完成了機床各主要參數(shù)的優(yōu)化和匹配。 本機床設計后將會展示出強大的功能、穩(wěn)定的性能，將完全符合機床的技術規(guī)格和精度標準，加工出合格的零件，大大提高了車床的性能，是一次有益的嘗試。 關鍵詞：Φ630;機床;設計;數(shù)控系統(tǒng)。 Abstract The modern Computer Numerical Control （CNC）machine is the foundation of the modern manufactory. The remaking of old machine for CNC is an efficient means to promote the progress of the manufactory, which is adapted to the circumstance for our country. Its range is wide, its cost is low and its period is short. Therefore, it is very important to study a remarking the lathe machine by using CNC system. This paper introduces the history and the development of CNC system. Based on its theory, through the analysis about the components of the old machine, presents the remaking transmission system to raise the precision of the lathe。Presents the remaking schemes of the CNC system. According to the old machine, the detail design and adjustment of the electric system have been completed, including the design of hardware and control software：Have introduced the one-chip computer system briefly, and has designed the electric control circuit of the numerical control lathe with the one-chip computer；And also redesign the control logic of the machine, through analyzing of the servo system, the main parameters of the machine have been confirmed and optimized also. Have discussed two kinds interpolation numerical control lathes with thematic part, and design the interpolation forms for the numerical control lathe. The remarked machine will show its powerful ability and high reliability, it conforms to the technical regulation and the accuracy standard of the machine.，and will process the qualified part, it has improved the performance of the lathe greatly, it’s a beneficial try. Keywords：Φ630;lathe ; Remake ; CNC system ; One-chip computer. 目錄 摘要 II Abstract III 目錄 IV 第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 1 1.1數(shù)控機床 1 1.1.1數(shù)控機床的特點 1 1.1.2數(shù)控機床的發(fā)展簡史 1 1.1.3數(shù)控機床的分類 2 1.1.4數(shù)控機床的組成 5 1.1.5數(shù)控機床的數(shù)字控制 5 1.1.6數(shù)控機床的伺服機構 6 1.1.7數(shù)控機床的關鍵零部件 6 1.1.8數(shù)控機床的發(fā)展方向 7 1.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 11 1.2.1工藝范圍 11 1.2.2加工精度 11 1.3數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 11 1.4數(shù)控機床的發(fā)展趨向 14 第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 15 2.1 總體方案比較 15 2.2 數(shù)控車床方案確定 15 2.3機床設計的總體任務 16 2.4運動系統(tǒng)方案確定 16 2.4.1伺服系統(tǒng)的選擇 16 2.4.2傳動方式的選擇 17 2.5數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設計 17 2.6數(shù)控系統(tǒng)硬件結構 18 2.7數(shù)控系統(tǒng)軟件結構 18 第3章 確定切削用量及選擇刀具 19 3.1刀具選擇 19 3.2切削用量確定 19 3.3切削三要素 20 3.4加工精度和表面粗糙度 20 3.5刀具材料 23 第4章 傳動系統(tǒng)圖的設計計算 24 4.1 參數(shù)的確定 24 4. 2 傳動設計 26 4.3轉速圖的擬定 28 第5章 Φ630數(shù)控車床六角回轉刀架的結構設計 32 5.1設計內容和研究方法 32 5.2車床刀架的功能,類型和應滿足的要求 33 5.2.1車床刀架的功能 33 5.2.2機床刀架的類型 34 5.2.3機床刀架應滿足的要求 34 5.3數(shù)控車床刀架總體方案設計與選擇 35 5.3.1刀架的整體方案設計 35 5.3.2車床刀架的轉位機構方案設計 35 5.3.3刀架定位機構方案設計 36 5.4 車床刀架的工作原理 37 5.5刀架的設計計算 37 5.5.1 驅動刀架的伺服電機的選擇計算 37 5.5.2 蝸輪蝸桿的設計計算 41 5.5.3 刀架主軸的結構設計計算 45 結論 47 致謝 48 參考文獻 49 50- 第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 1.1數(shù)控機床 數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息（程序指令），控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。 1.1.1數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床具有廣泛的適應性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。 隨著數(shù)控技術的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。 1.1.2數(shù)控機床的發(fā)展簡史 1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以適應，于是提出計算機控制機床的設想。1949年，該公司在美國麻省理工學院（MIT）伺服機構研究室的協(xié)助下，開始數(shù)控機床研究，并于1952年試制成功第一臺由大型仿形車床改裝而成的三坐標數(shù)控車床，不久即開始正式生產(chǎn)，于1957年正式投入使用。這是制造技術發(fā)展過程中的一個重大突破，標志著制造領域中數(shù)控加工時代的開始。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術的基礎，這一發(fā)明對于制造行業(yè)而言，具有劃時代的意義和深遠的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達國家都十分重視數(shù)控加工技術的研究和發(fā)展。 當時的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門用來加工復雜型面零件；1959年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960年以后，較為簡單和經(jīng)濟的點位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控車床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機床在機械制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。我國于1958年開始研制數(shù)控機床，成功試制出配有電子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床，1965年開始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標數(shù)控車床。 1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數(shù)控機床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數(shù)控系統(tǒng)（簡稱DNC），又稱群控系統(tǒng)；采用小型計算機控制的計算機數(shù)控系統(tǒng)（簡稱CNC）,使數(shù)控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。 1974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數(shù)控裝置（簡稱MNC），這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴大了一倍，而體積則縮小為原來的1/20，價格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。 80年代初，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，出現(xiàn)了能進行人機對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數(shù)控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。 1.1.3數(shù)控機床的分類 數(shù)控機床的品種很多，根據(jù)其加工、控制原理、功能和組成，可以從以下幾個不同的角度進行分類。 一、按加工工藝方法分類 1．金屬切削類數(shù)控機床 與傳統(tǒng)的車、銑、鉆、磨、齒輪加工相對應的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機床等。盡管這些數(shù)控機床在加工工藝方法上存在很大差別，具體的控制方式也各不相同，但機床的動作和運動都是數(shù)字化控制的，具有較高的生產(chǎn)率和自動化程度。 在數(shù)控數(shù)控機床加裝一個刀庫和換刀裝置就成為數(shù)控加工中心機床。加工中心機床進一步提高了數(shù)控數(shù)控機床的自動化程度和生產(chǎn)效率。例如銑、鏜、鉆加工中心， 它是在數(shù)控車床基礎上增加了一個容量較大的刀庫和自動換刀裝置形成的，工件一次裝夾后，可以對箱體零件的四面甚至五面大部分加工工序進行銑、鏜、鉆、擴、 鉸以及攻螺紋等多工序加工，特別適合箱體類零件的加工。加工中心機床可以有效地避免由于工件多次安裝造成的定位誤差，減少了機床的臺數(shù)和占地面積，縮短了 輔助時間，大大提高了生產(chǎn)效率和加工質量。 2．特種加工類數(shù)控機床 除了切削加工數(shù)控機床以外，數(shù)控技術也大量用于數(shù)控電火花線切割機床、數(shù)控電火花成型機床、數(shù)控等離子弧切割機床、數(shù)控火焰切割機床以及數(shù)控激光加工機床等。 3．板材加工類數(shù)控機床 常見的應用于金屬板材加工的數(shù)控機床有數(shù)控壓力機、數(shù)控剪板機和數(shù)控折彎機等。 近年來，其它機械設備中也大量采用了數(shù)控技術，如數(shù)控多坐標測量機、自動繪圖機及工業(yè)機器人等。 二、按控制運動軌跡分類 1．點位控制數(shù)控機床 點位控制數(shù)控機床的特點是機床移動部件只能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確定位，在移動和定位過程中不進行任何加工。機床數(shù)控系統(tǒng)只控制行程終點的坐標 值，不控制點與點之間的運動軌跡，因此幾個坐標軸之間的運動無任何聯(lián)系。可以幾個坐標同時向目標點運動，也可以各個坐標單獨依次運動。 這類數(shù)控機床主要有數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點焊機等。點位控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置稱為點位數(shù)控裝置。 2．直線控制數(shù)控機床 直線控制數(shù)控機床可控制刀具或工作臺以適當?shù)倪M給速度，沿著平行于坐標軸的方向進行直線移動和切削加工，進給速度根據(jù)切削條件可在一定范圍內變化。 直線控制的簡易數(shù)控車床，只有兩個坐標軸，可加工階梯軸。直線控制的數(shù)控車床，有三個坐標軸，可用于平面的銑削加工?，F(xiàn)代組合機床采用數(shù)控進給伺服系統(tǒng)，驅動動力頭帶有多軸箱的軸向進給進行鉆鏜加工，它也可算是一種直線控制數(shù)控機床。 數(shù)控鏜車床、加工中心等機床，它的各個坐標方向的進給運動的速度能在一定范圍內進行調整，兼有點位和直線控制加工的功能，這類機床應該稱為點位/直線控制的數(shù)控機床。 3．輪廓控制數(shù)控機床 輪廓控制數(shù)控機床能夠對兩個或兩個以上運動的位移及速度進行連續(xù)相關的控制，使合成的平面或空間的運動軌跡能滿足零件輪廓的要求。它不僅能控制機床移動部件的起點與終點坐標，而且能控制整個加工輪廓每一點的速度和位移，將工件加工成要求的輪廓形狀。 常用的數(shù)控車床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機床。數(shù)控火焰切割機、電火花加工機床以及數(shù)控繪圖機等也采用了輪廓控制系統(tǒng)。輪廓控制系統(tǒng)的結構要比點位/直線控系統(tǒng)更為復雜，在加工過程中需要不斷進行插補運算，然后進行相應的速度與位移控制。 現(xiàn)在計算機數(shù)控裝置的控制功能均由軟件實現(xiàn)，增加輪廓控制功能不會帶來成本的增加。因此，除少數(shù)專用控制系統(tǒng)外，現(xiàn)代計算機數(shù)控裝置都具有輪廓控制功能。 三、按驅動裝置的特點分類 1．開環(huán)控制數(shù)控機床 這類控制的數(shù)控機床是其控制系統(tǒng)沒有位置檢測元件，伺服驅動部件通常為反應式步進電動機或混合式伺服步進電動機。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個進給指令，經(jīng)驅動電路 功率放大后，驅動步進電機旋轉一個角度，再經(jīng)過齒輪減速裝置帶動絲杠旋轉，通過絲杠螺母機構轉換為移動部件的直線位移。移動部件的移動速度與位移量是由輸 入脈沖的頻率與脈沖數(shù)所決定的。此類數(shù)控機床的信息流是單向的，即進給脈沖發(fā)出去后，實際移動值不再反饋回來，所以稱為開環(huán)控制數(shù)控機床。 開環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床結構簡單，成本較低。但是，系統(tǒng)對移動部件的實際位移量不進行監(jiān)測，也不能進行誤差校正。因此，步進電動機的失步、步距角誤差、齒 輪與絲杠等傳動誤差都將影響被加工零件的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)僅適用于加工精度要求不很高的中小型數(shù)控機床，特別是簡易經(jīng)濟型數(shù)控機床。 2．閉環(huán)控制數(shù)控機床 閉環(huán)控制數(shù)控機床是在機床移動部件上直接安裝直線位移檢測裝置，直接對工作臺的實際位移進行檢測，將測量的實際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移 值進行比較，用差值對機床進行控制，使移動部件按照實際需要的位移量運動，最終實現(xiàn)移動部件的精確運動和定位。從理論上講，閉環(huán)系統(tǒng)的運動精度主要取決于 檢測裝置的檢測精度，也與傳動鏈的誤差無關，因此其控制精度高。圖1-3所示的為閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖。圖中A為速度傳感器、C為直線位移傳感器。當位移指令值發(fā)送到位置比較電路時，若工作臺沒有移動，則沒有反饋量，指令值使得伺服電動機轉動，通過A將速度反饋信號送到速度控制電路，通過C將工作臺實際位移量反饋回去，在位置比較電路中與位移指令值相比較，用比較后得到的差值進行位置控制，直至差值為零時為止。這類控制的數(shù)控機床，因把機床工作臺納入了控制環(huán)節(jié)，故稱為閉環(huán)控制數(shù)控機床。 閉環(huán)控制數(shù)控機床的定位精度高，但調試和維修都較困難，系統(tǒng)復雜，成本高。 3．半閉環(huán)控制數(shù)控機床 半閉環(huán)控制數(shù)控機床是在伺服電動機的軸或數(shù)控機床的傳動絲杠上裝有角位移電流檢測裝置（如光電編碼器等），通過檢測絲杠的轉角間接地檢測移動部件的實際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，并對誤差進行修正。圖1-4所示的為半閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖。圖中Ａ速度傳感器、Ｂ角度傳感器。通過測速元件A和光電編碼盤B可間接檢測出伺服電動機的轉速，從而推算出工作臺的實際位移量，將此值與指令值進行比較，用差值來實現(xiàn)控制。由于工作臺沒有包括在控制回路中，因而稱為半閉環(huán)控制數(shù)控機床。 半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)的調試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度檢測裝置和伺服電動機設計成一體，這樣，使結構更加緊湊。 4．混合控制數(shù)控機床 將以上三類數(shù)控機床的特點結合起來，就形成了混合控制數(shù)控機床?；旌峡刂茢?shù)控機床特別適用于大型或重型數(shù)控機床，因為大型或重型數(shù)控機床需要較高的進給速 度與相當高的精度，其傳動鏈慣量與力矩大，如果只采用全閉環(huán)控制，機床傳動鏈和工作臺全部置于控制閉環(huán)中，閉環(huán)調試比較復雜?；旌峡刂葡到y(tǒng)又分為兩種形 式： （1）開環(huán)補償型。圖1-5為開環(huán)補償型控制方式。它的基本控制選用步進電動機的開環(huán)伺服機構，另外附加一個校正電路。用裝在工作臺的直線位移測量元件的反饋信號校正機械系統(tǒng)的誤差。 （2）半閉環(huán)補償型。圖1-6為半閉環(huán)補償型控制方式。它是用半閉環(huán)控制方式取得高精度控制，再用裝在工作臺上的直線位移測量元件實現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統(tǒng)一。其中Ａ是速度測量元件（如測速發(fā)電機），B是角度測量元件，C是直線位移測量元件。 1.1.4數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)用于數(shù)控機床的運算、管理和控制，通過輸入介質得到數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行解釋和運算并對機床產(chǎn)生作用；伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅動機床，把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉換成機床移動部件的運動指令，使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代碼規(guī)定的運動；檢測系統(tǒng)則是用來檢測機床執(zhí)行件(工作臺、轉臺、滑板等)的位移和速度變化量，并將檢測結果反饋到輸入端，與輸入指令進行比較，根據(jù)其差別調整機床運動；機床傳動系統(tǒng)是由進給伺服驅動元件至機床執(zhí)行件之間的機械進給傳動裝置；輔助系統(tǒng)種類繁多，如：固定循環(huán)(能進行各種多次重復加工)、自動換刀(可交換指定刀具)、傳動間隙補償償機械傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙誤差)等等。 1.1.5數(shù)控機床的數(shù)字控制 數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運算部分、控制部分和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實現(xiàn)的控制功能分為點位控制、直線控制、連續(xù)軌跡控制三類。 點位控制是只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標鏜床等。 直線控制是除控制直線軌跡的起點和終點的準確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有平面銑削用的數(shù)控車床，以及階梯軸車削和磨削用的數(shù)控車床和數(shù)控磨床等。 連續(xù)軌跡控制（或稱輪廓控制）能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標方向的聯(lián)合運動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調各坐標方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數(shù)控車床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。 1.1.6數(shù)控機床的伺服機構 伺服機構分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種類型。開環(huán)伺服機構是由步進電機驅動線路，和步進電機組成。每一脈沖信號使步進電機轉動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。這種伺服機構比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。 半閉環(huán)伺服機構是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達、速度檢測器和位置檢測器組成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達的端部，利用絲杠的回轉角度間接測出工作臺的位置。常用的伺服馬達有寬調速直流電動機、寬調速交流電動機和電液伺服馬達。位置檢測器有旋轉變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機構所能達到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機構，為大多數(shù)中小型數(shù)控機床所采用。 閉環(huán)伺服機構的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機構相同，只是位置檢測器安裝在工作臺上，可直接測出工作臺的實際位置，故反饋精度高于半閉環(huán)控制，但掌握調試的難度較大，常用于高精度和大型數(shù)控機床。閉環(huán)伺服機構所用伺服馬達與半閉環(huán)相同，位置檢測器則用長光柵、長感應同步器或長磁柵。 1.1.7數(shù)控機床的關鍵零部件 為了保證機床具有很大的工藝適應性能和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，數(shù)控機床結構設計的特點是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進給系統(tǒng)的機械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。機床采用塑料減摩導軌、滾動導軌或靜壓導軌，以提高運動的平穩(wěn)性并使低速運動時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 由于采用了寬調速的進給伺服電動機和寬調速的主軸電動機，可以不用或少用齒輪傳動和齒輪變速，這就簡化了機床的傳動機構。機床布局便于排屑和工件裝卸，部分數(shù)控機床帶有自動排屑器和自動工件交換裝置。大部分數(shù)控機床采用具有微處理器的可編程序控制器，以代替強電柜中大量的繼電器，提高了機床強電控制的可靠性和靈活性。 隨著微電子技術、計算機技術和軟件技術的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。 1.1.8數(shù)控機床的發(fā)展方向 未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來越多；激光加工等技術將應用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。 數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河，成為先進制造技術中的一項核心技術。數(shù)控系統(tǒng)技術的突飛猛進為數(shù)控機床的技術進步提供了條件。當前，數(shù)控機床的發(fā)展主要體現(xiàn)為以下幾方面： 1 高速、高效 機床向高速化方向發(fā)展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質量和精度。超高速加工技術對制造業(yè)實現(xiàn)高效、優(yōu)質、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。20 世紀90 年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉速15000 － 100000r/min）、高速且高加/減速度的進給運動部件（快移速度60～120m/min，切削進給速度高達60m/min）、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達到了新的技術水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控系統(tǒng)）和防護裝置等一系列技術領域中關鍵技術的解決，為開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床提供了技術基礎。目前，在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達到5000～8000m/min以上；主軸轉數(shù)在30000 轉/分（有的高達10 萬r/min）以上；工作臺的移動速度（進給速度）：在分辨率為1 微米時，在100m/min（有的到200m/min） 以上，在分辨率為0.1 m 時，在24m/min 以上；自動換刀速度在1 秒以內；小線段插補進給速度達到12m/min。 2 高精度 從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（#lt;10nm），其應用范圍日趨廣泛。當前，在機械加工高精度的要求下，數(shù)控級數(shù)控機床的加工精度已由±10 m 提高到±5 m；精密級加工中心的加工精度則從±3～5 m，提高到±1～1.5 m，甚至更高；超精密加工精度進入納米級（0.001m），主軸回轉精度要求達到0.01～0.05 m，加工圓度為0.1m，加工表面粗糙度Ra=0.003 微米等。這些機床一般都采用矢量控制的變頻驅動電主軸（電機與主軸一體化），主軸徑向跳動小于2 m，軸向竄動小于1 m，軸系不平衡度達到G0.4 級。高速高精加工機床的進給驅動，主要有#quot;回轉伺服電機加精密高速滾珠絲杠#quot;和#quot;直線電機直接驅動#quot;兩種類型。此外，新興的并聯(lián)機床也易于實現(xiàn)高速進給。滾珠絲杠由于工藝成熟，應用廣泛，不僅精度能達到較高（ISO34081 級），而且實現(xiàn)高速化的成本也相對較低，所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當前使用滾珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g。滾珠絲杠屬機械傳動，在傳動過程中不可避免存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應地造成運動滯后和其它非線性誤差，為了排除這些誤差對加工精度的影響，1993 年開始在機床上應用直線電機直接驅動，由于是沒有中間環(huán)節(jié)的#quot;零傳動#quot;，不僅運動慣量小、系統(tǒng)剛度大、響應快，可以達到很高的速度和加速度，而且其行程長度理論上不受限制，定位精度在高精度位置反饋系統(tǒng)的作用下也易達到較高水平，是高速高精加工機床特別是中、大型機床較理想的驅動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床最大快移速度已達208 m/min，加速度2g，并且還有發(fā)展余地。 3 高可靠性 隨著數(shù)控機床網(wǎng)絡化應用的發(fā)展，數(shù)控機床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商和數(shù)控機床制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16 小時內連續(xù)正常工作，無故障率在P（t）＝ 99%以上，則數(shù)控機床的平均無故障運行時間MTBF 就必須大于3000 小時。我們只對一臺數(shù)控機床而言，如主機與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10:1（數(shù)控的可靠比主機高一個數(shù)量級）。此時數(shù)控系統(tǒng)的MTBF 就要大于33333.3 小時，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅動等的MTBF 就必須大于10 萬小時。當前國外數(shù)控裝置的MTBF 值已達6000 小時以上，驅動裝置達30000 小時以上，但是，可以看到距理想的目標還有差距。 4 復合化 在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，復合功能的機床成為近年來發(fā)展很快的機種。柔性制造范疇的機床復合加工概念是指將工件一次裝夾后，機床便能按照數(shù)控加工程序，自動進行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個復雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。就棱體類零件而言，加工中心便是最典型的進行同一類工藝方法多工序復合加工的機床。事實證明，機床復合加工能提高加工精度和加工效率，節(jié)省占地面積特別是能縮短零件的加工周期。 5 多軸化 隨著5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的普及，5 軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控車床已經(jīng)成為當前的一個開發(fā)熱點，由于在加工自由曲面時，5 軸聯(lián)動控制對球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削3 維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3 軸聯(lián)動控制的機床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削，因此，5 軸聯(lián)動機床以其無可替代的性能優(yōu)勢已經(jīng)成為各大機床廠家積極開發(fā)和競爭的焦點。最近，國外還在研究6 軸聯(lián)動控制使用非旋轉刀具的加工中心，雖然其加工形狀不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一時尚難實用化。 6 智能化 智能化是21 世紀制造技術發(fā)展的一個大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡技術和理論的加工，它是要在加工過程中模擬人類專家的智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預才能解決的問題。智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質量的智能化，如自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。世界上正在進行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數(shù)控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。 7 網(wǎng)絡化 數(shù)控機床的網(wǎng)絡化，主要指機床通過所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計算機進行網(wǎng)絡連接和網(wǎng)絡控制。數(shù)控機床一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場和企業(yè)內部的局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂Internet/Intranet 技術。隨著網(wǎng)絡技術的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又稱#quot;e-制造#quot;，是機械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標志之一，也是國際先進機床制造商當今標準配置的供貨方式。隨著信息化技術的大量采用，越來越多的國內用戶在進口數(shù)控機床時要求具有遠程通訊服務等功能。機械制造企業(yè)在普遍采用CAD/CAM的基礎上，越加廣泛地使用數(shù)控加工設備。數(shù)控應用軟件日趨豐富和具有#quot;人性化#quot;。虛擬設計、虛擬制造等高端技術也越來越多地為工程技術人員所追求。通過軟件智能替代復雜的硬件，正在成為當代機床發(fā)展的重要趨勢。在數(shù)字制造的目標下，通過流程再造和信息化設計，ERP 等一批先進企業(yè)管理軟件已經(jīng)脫穎而出，為企業(yè)創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟效益。 8 柔性化 數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點（數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復合加工機床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標；注重加強單元技術的開拓、完善；CNC 單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數(shù)控機床及其構成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS 聯(lián)結，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。 9 綠色化 21 世紀的金切機床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實現(xiàn)切削加工工藝的綠色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因為切削液既污染環(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進行，但也包括在特殊氣體氛圍中（氮氣中、冷風中或采用干式靜電冷卻技術）不使用切削液進行的切削。不過，對于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目前尚難與實際應用，故又出現(xiàn)了使用極微量潤滑（MQL） 的準干切削。目前在歐洲的大批量機械加工中，已有10～15%的加工使用了干和準干切削。對于面向多種加工方法/工件組合的加工中心之類的機床來說，主要是采用準干切削，通常是讓極微量的切削油與壓縮空氣的混合物經(jīng)由機床主軸與工具內的中空通道噴向切削區(qū)。在各類金切機床中，采用干切削最多的是滾齒機?？傊瑪?shù)控機床技術的進步和發(fā)展為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使制造業(yè)向著高效、優(yōu)質以及人性化的方向發(fā)展?？梢灶A見，隨著數(shù)控機床技術的發(fā)展和數(shù)控機床的廣泛應用，制造業(yè)將迎來一次足以撼動傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。 1.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 1.2.1工藝范圍 數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。 1.2.2加工精度 由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比數(shù)控車床要寬得多。 1.精度要求高的回轉體零件 由于數(shù)控車床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以車代磨。 2.表面粗糙度要求高的回轉體零件 數(shù)控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給量，要求小的部位選用小的進給量。 3.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉體零件 由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的回轉體零件。 4.帶特殊螺紋的回轉體零件 數(shù)控車床所能車削的螺紋類型相當有限，它只能車等導程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導程的螺紋。而數(shù)控車床不但能車削任何等導程的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。 1.3數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 將數(shù)控機床設計成數(shù)控機床, 是許多機械生產(chǎn)廠家在沒有大量資金投入的情況下所走的設備技術設計之路1經(jīng)濟型數(shù)控機床設計方案不同1得到的經(jīng)濟效益也不同1針對常德紡織機械廠提出的經(jīng)濟型數(shù)控車床設計的技措任務, 結合其它廠家以往數(shù)控車床設計的經(jīng)驗教訓, 我們開展了深入細致的調研工作, 特別是對沈陽第一機床廠的數(shù)控車床進行了熟悉了解, 下面分析經(jīng)濟型數(shù)控車床設計的價值效益 經(jīng)濟型數(shù)控車床設計方案初探 數(shù)控系統(tǒng)及電氣控制部份: 目前我國生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的廠家有70余家, 知名的有常州寶馬集團公司BKC2系列, 北京航天數(shù)控集團, 南京大方數(shù)控公司J WK系列及重慶巴山儀器廠2385系列等1這些廠家在研制數(shù)控系統(tǒng)時都從系統(tǒng)功能、可靠性、操作宜人性等方面作了大量工作,克服了單板機TP - 801(Z80)系統(tǒng)的缺點,從而促進了我國經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的技術發(fā)展,為經(jīng)濟型數(shù)控機床的生產(chǎn)和設計打下了良好的基礎1沈陽一機廠在研制CAK - 6150時選用了多家系統(tǒng), 經(jīng)過了長時間的反復考驗、篩選, 最后選用了重慶巴山儀器廠2385 - IT系統(tǒng)1該系統(tǒng)性能較好, 可靠性高, 具有細分斬波先進技術, 有良好的性價比1步進電機選擇了華中理工大學試驗工廠產(chǎn)品, 切削扭矩大, 這方面是值得我們借鑒的1機床電氣控制還需考慮: 主軸馬達啟停、變速控制、轉塔刀架、冷卻泵等控制1保證機床可靠性, 此處不可忽視, 須有一定的投入1212　主軸系統(tǒng): 一般經(jīng)濟型數(shù)控車床設計主軸系統(tǒng)是較困難的或根本不加設計, 這勢必影響機床主軸速度控制的自動化程度, 并且復雜工藝零件加工的適應性差, 這是不可取的1常紡機廠車床設計可以考慮以下兩種方案: (1) 按沈陽一機廠方案, 即保留一級手柄三檔變速操作, 另加每檔位四檔自動變速, 用系統(tǒng)S指令控制, 即S1～S4, 加上手動共3×4 = 12級主軸速度, 如此設計需增加雙速電機一臺615/ 8 KW , 電磁離合器兩只, 機械結構也需作部分設計1 (2) 選用變頻器控制主軸速度, 原機床主軸電機保留, 主軸手動變速取消1可以考慮高低檔齒輪變速, 通過電磁閥啟動切換, 全部變速系統(tǒng)S指令控制, 但數(shù)控系統(tǒng)需選用南京大方公司J WK - 21T數(shù)控系統(tǒng), 具有12級S指令, 此方案主軸變速自動化程度更高, 但費用也相應高些, 若典型加工零件四檔自動變速可以滿足工藝要求, 則考慮方案(1) 性價比更高些1213　進給系統(tǒng): 對于數(shù)控機床, 進給系統(tǒng)是非常關鍵的1它直接影響機床的定位精度以及零件的加工精度,除了數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)的有效保證外, 機械執(zhí)行機構的合理選擇和設計不容忽視1首先是螺旋傳動, 數(shù)控車床采用數(shù)控絲桿, 主要缺點是精度差, 間隙小, 且傳動機械效率低, 一般僅為g = 50 %左右, 即使用于精度要求不高的機床也容易造成步進電機丟步或機械爬行1因此, 必須采用滾珠絲桿, 其特點是: 傳動效率高g = 90 %以上, 反向間隙小, 運動平穩(wěn), 傳動精度高且保持性好, 壽命長, 但設計成本也要增加, 一味追求數(shù)控化而忽視數(shù)控系統(tǒng)對機械的要求, 是很不合理的1其次機床導軌也不可忽視, 對原機床導軌要進行檢查, 對磨損部位通過磨削, 配研予以修復1為了減少摩擦力、振動以及爬行, 增加機床精度保持性, 可考慮床鞍貼塑即TSF軟帶1最后還須考慮絲桿預拉伸、軸承座、聯(lián)軸節(jié)等機械結合件的設計制造以盡可能減少它們對機械精度的影響1214　自動轉塔刀架: 一般來說自行設計制造轉塔刀架是可以做到的, 但其結構的合理性, 加工工藝、安裝精度是難以與專業(yè)廠家相比的1為了提高機床可靠性, 外購專業(yè)廠家產(chǎn)品很有必要, 如煙臺機床附件廠、瓦房店機床附件廠的產(chǎn)品13　設計車床與成品數(shù)控車床的比較311　機床性能: 在選用相同數(shù)控系統(tǒng)和參照CAK - 6150進行設計, 可以說機床性能將不會有很大差異1312　機床結構及外觀: 由于CAK - 6150是按數(shù)控機床要求設計, 因此結構合理性超過設計車床, 其外觀美也是設計機床無法達到的1313　機床精度: 由于一般廠家加工設備及工藝手段無法與專業(yè)廠家相比, 加之員工素質的影響, 在剛性、動靜摩擦力等諸多方面, 設計的環(huán)節(jié)將可能影響機床精度, 想要達到加工IT6 級的零件, 還有一定距離1314　機床可靠性: 沈陽一機廠經(jīng)三年時間研制開發(fā), 且又經(jīng)過兩年多時間廠內使用, 投入了相當?shù)娜肆?、物? 不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題, 使CAK - 6150達到了一定的可靠性1他們也有過慘痛教訓, 就是用BS03系統(tǒng)改進100臺數(shù)控車床, 由于可靠性差, 除少數(shù)幾臺還在使用外, 其余全部報廢或改為數(shù)控車床, 非常類似我廠的情況1雖然我們現(xiàn)在已經(jīng)認識到可靠性的重要, 也有一定的措施和把握, 但與沈陽一機廠相比, 無論是技術素質上以及投入的人力、物力上均有天壤之別, 因此可靠性無法與之相比1315　經(jīng)濟性: 按CAK - 6150的檔次進行設計, 需外購的裝置及部件有: (1) 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)及伺服裝置, 估價115萬元～2萬元 (2) 主軸雙速電機615/ 8 KW一臺, 估價0115萬元～012萬元 (3) 滾珠絲桿兩根, 估價0135萬元 (4) 電磁離合器兩只, 估價0105萬元 (5) 轉塔刀架四工位AKZ1150×4型, 估價013萬元～015萬元 (6) 電氣控制柜設計安裝, 估價013萬元 另外, 自制機械零部件, 安裝、調試、差旅費等估計018萬元, 以上各項總計4萬元左右, 原數(shù)控車床 CA6140以82年產(chǎn)品估價4萬元, 則設計后機床價值8萬元左右1而沈陽一機CAK - 6150型報價10萬元, 與設計相比, 價值基本接近1 4結論 經(jīng)濟型數(shù)據(jù)控車床設計應根據(jù)各廠的具體情況, 典型零件的加工工藝及精度要求, 批量大小, 決定進行設計的程度1設計的程度越高, 機床性能越好, 加工零件的適應性越強, 所花費的設計費用也就越大, 若要求設計車床的性能接近和達到CAK - 6150層次, 則設計從經(jīng)濟角度來看意義并不太大, 從機床可靠性方面來看更是得不償失。 1.4數(shù)控機床的發(fā)展趨向 4月19日從第七屆中國國際機床展獲悉，隨著科學技術不斷發(fā)展，數(shù)控機床的發(fā)展也越來越快，數(shù)控機床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。 高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強，數(shù)控機床也實現(xiàn)多臺集中控制，甚至遠距離遙控。高精度：數(shù)控機床本身的精度和加工件的精度越來越高，而精度的保持性要好。高速度：數(shù)控機床各軸運行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控機床的柔性化將向自動化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應輔機集成柔性制造系統(tǒng)。模塊化：數(shù)控機床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商又有利于客戶。 我國近幾年數(shù)控機床雖然發(fā)展較快，但與國際先進水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長，應變能力差。為了縮小與世界先進水平的差距，有關專家建議機床企業(yè)應在以下6個方面著力研究： 1．加大力度實施質量工程，提高數(shù)控機床的無故障率。 2．跟蹤國際水平，使數(shù)控機床向高效高精方面發(fā)展。 3．加大成套設計開發(fā)能力上求突破。 4．發(fā)揮服務優(yōu)勢，擴大市場占有率。 5．多品種制造，滿足不同層次的用戶。 6．模塊化設計，縮短 開發(fā)周期，快速響應市場。 數(shù)控機床使用范圍越來越大，國內國際市場容量也越來越大，但競爭也會加劇，我們只有緊跟先進技術進步的大方向，并不斷創(chuàng)新，才能趕超世界先進水平。 第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案比較 總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。 數(shù)控車床后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。 屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應結構簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。 比較項目 方案一 方案二 確定后的方案 具體原因 主軸箱 分級變速采用 調速電機+ 齒輪傳動 采用三相異步 電機+減速器 方案一 變速級數(shù)比較多 滿足多種加工 需要，也符合 任務書要求 進給機構 滾珠絲杠 +步進電機 滾珠絲杠 +伺服電機 方案一 脈沖當量 步進電機控制 的準確 刀架 四工位回轉 刀架 六工位回轉 刀架 都可以 各有各的好處 尾座 液壓尾座 手動普通尾座 液壓尾座 可通過數(shù)控系統(tǒng) 調整方便 數(shù)控系統(tǒng) 8位單片機 16位單片機 方案一 基本需求可以滿足 2.2 數(shù)控車床方案確定 (1) 主傳動系統(tǒng)設計 為了保證主軸在運動時有準確的定位，安裝主傳動的定位檢測裝置。采用電氣式主軸準停裝置，利用磁力傳感器檢測定位。只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準確的定位。這種磁力傳感器的工作原理是，在主軸上裝上永磁鐵和主軸一起旋轉，在距離磁鐵l-2mm的旋轉軌跡外，固定一個磁傳感器，當傳感器發(fā)出信號后經(jīng)過放大，由定向電路使電動機準確的停止在規(guī)定的周向位置上。將主傳動采用變頻交流電動機無級調速。低檔轉速為270-1500r/min，高檔轉速為1500-4500r/min，在各檔內可以實現(xiàn)無級調速。與原立式車床的機械結構相比比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，主傳動系統(tǒng)是一個開環(huán)控制的交流變頻調速系統(tǒng)，通過軟件來實現(xiàn)它的調速。 (2) 進給傳動系統(tǒng)設計 進給采用滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，使機床的機械傳動部分具有高靜態(tài)、動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦因數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。，其定位精度為±0.01mm，重復定位精度為±0．005mm。 (3) 數(shù)控系統(tǒng)的設計 采用AT89C58單片機控制系統(tǒng)。采用模塊化設計方案，從總體上分為人機界面模塊、坐標進給模塊、變頻調速控制模塊、串行通信模塊、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及基于89C58單片機的主控模塊。利用變頻調速的原理，設計主軸的無級變頻調速系統(tǒng)；通過插補算法，實現(xiàn)步進電機的準確定位以便達到工件的精確度；通過鍵盤和顯示模塊，實現(xiàn)程序的編輯和顯示；通過其他輔助系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)機床功能的完善化。 2.3機床設計的總體任務 進給伺服系統(tǒng)設計計算：此部分為設計計算部分，用以確定脈沖當量，進給牽引力，選擇絲杠螺母副，計算傳動效率，確定傳動比，選擇伺服電機等，并繪制設計后機床的總裝配圖及箱體。 2.4運動系統(tǒng)方案確定 2.4.1伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)： 開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置的控制指令直接通過驅動裝置控制步進電機的運轉，然后通過機械傳動系統(tǒng)轉化成刀架或工作臺的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋校正，位移精度一般不高，但其控制方便、結構簡單、價格便宜。 閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測裝置安裝在機床刀架或工作臺等執(zhí)行部件上，用以直接檢測這些執(zhí)行部件的實際運行位置（直線位移），并將其與CNC裝置的指令位置（或位移）相比較，用差值進行控制。但是，由于很多機械傳動環(huán)節(jié)包含在閉環(huán)控制的環(huán)路中，各部件的摩擦性，剛性等都是非線性量，直接影響系統(tǒng)的調節(jié)參數(shù)，因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設計和調速都有很大難度。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度要求高的場合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電機或者絲杠的端頭，通過測量伺服電機的角位移間接計算出機床工作臺等執(zhí)行部件的實際位置（或位移），然后進行反饋控制。由于將絲杠螺母副及機床工作臺等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補償他們的運動誤差，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調試比較方便、價格也較全閉環(huán)系統(tǒng)便宜。 本次設計由于使用步進電機，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.4.2傳動方式的選擇 為保證設計后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度及工作臺的平穩(wěn)性，在設計機床的傳動系統(tǒng)時，應努力保證傳動系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。因此在傳動系統(tǒng)中注意以下幾點： (1) 用低摩擦高精度的傳動元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動導軌。 (2) 采用消隙齒輪減小傳動間隙。 2.5數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設計 為了使數(shù)控系統(tǒng)能夠長期、可靠、方便地在工業(yè)環(huán)鏡中運行，在制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時必須重點考慮以下幾個方面。 (1) 加強系統(tǒng)可靠性。影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的因素很多，硬件規(guī)模和硬件的制造工藝水平往往是影響可靠性的關鍵因素。因此，應選用高性能的CPU作為系統(tǒng)的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能。在系統(tǒng)的具體硬件構成上，選用可靠性高的工控PC作為數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺，減少自制硬件數(shù)量。此外，在軟件設計、電源選用、接插件設計與選用、接地與屏蔽設計等方面采用強抗干擾、高可靠性的設計，從而全面提高系統(tǒng)的可靠性。 (2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。數(shù)控系統(tǒng)的控制精度是保證機床加工精度的關鍵。因此，它在數(shù)控系統(tǒng)中處于重要位置。如提高數(shù)控系統(tǒng)的最小分辨率，使用高精度的步進電機，采用高速高精度插補算法，提高軌跡生成精度;增強位置環(huán)控制能力;增加補償功能等。 (3) 提高使用方便性。提高數(shù)控編程的方便性，是提高數(shù)控系統(tǒng)使用方便性的關鍵。因此，數(shù)控系統(tǒng)除提供全屏幕編輯進行手工編程外，還應該配置自動編程系統(tǒng)，從而大大提高數(shù)控編程的速度和智能化程度，大大方便普通用戶的使用。另外，因為現(xiàn)代工人都比較熟悉個人計算機，數(shù)控系統(tǒng)在操作方面應采用標準計算機鍵盤或與其兼容的薄膜鍵盤等輸入設備，也可用軟盤、移動磁盤、串行通訊、網(wǎng)絡系統(tǒng)等輸入零件程序。此外，數(shù)控系統(tǒng)中應設置仿真功能，便于用戶在加工前檢查零件程序的正確性。 2.6數(shù)控系統(tǒng)硬件結構 系統(tǒng)由工控PC硬件平臺、數(shù)控操作面板(包括LCD顯示器，鍵盤)、數(shù)控接口板卡(工/0板，D/A板)和驅動執(zhí)行機構等組成。PC硬件平臺包括工控電源、無源母板、工控PC主板和軟盤驅動器、硬盤驅動器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計算機與外部執(zhí)行裝置間進行信息交換和轉換的通道，對內通過無源母板與工控PC主板相連，對外通過屏蔽電纜與驅動執(zhí)行裝置相連接。 該系統(tǒng)的驅動執(zhí)行環(huán)節(jié)包括四個子系統(tǒng):進給軸控制與驅動子系統(tǒng);主軸控制與驅動子系統(tǒng);開關量控制系統(tǒng)。 主軸控制與驅動子系統(tǒng)的功能包括兩方面:主軸轉速的調速控制，以滿足寬范圍切削速度的要求;主軸轉角的精確控制，以滿足加工螺紋時的主軸與進給軸的聯(lián)動控制和換刀時的主軸精確定位控制要求。 開關量控制系統(tǒng)完成機床的邏輯順序運動控制，如主軸起?？刂?、刀具交換、工件裝夾、冷卻開關、行程保護等任務。開關量控制系統(tǒng)與其它模塊相配合，共同完成機床工作過程的控制。 2.7數(shù)控系統(tǒng)