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本科畢業(yè)設(shè)計開題報告 題 目： 320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 班 級： 機(jī)制08-1 班 姓 名： 吳彬 學(xué) 號： 2008021480 指導(dǎo)教師： 盧玉梅 教師職稱： 講師 黑龍江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計開題報告 題 目 320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 來源 工程實(shí)際 1、研究目的和意義 我國目前機(jī)床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的數(shù)控化率僅為6％。這些機(jī)床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動/半自動機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi)、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(jī)床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有以下明顯的優(yōu)越性： 1、可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 2、可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4、可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。 因此，采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。 此外，機(jī)床數(shù)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(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例逐漸增大。從2005年的市場消費(fèi)內(nèi)容也可可看出,普通機(jī)床的市場份額在下降,數(shù)控機(jī)床則大幅度增長，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床供不應(yīng)求?？梢灶A(yù)見，未來幾年普通機(jī)床的市場份額將不斷下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)會逐漸擴(kuò)大。[2] 通過本次設(shè)計培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實(shí)際問題的能力，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能及能力得到訓(xùn)練和提高。此外，力求完成課題之余，熟悉國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,增強(qiáng)對如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識。 2、國內(nèi)外發(fā)展情況 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 自從1951年計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（NC）和計算機(jī)數(shù)控（CNC）兩個階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六代――基于PC（PC－BASED）。 未來數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢： 1、 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。 2、向高速化和高精度化發(fā)展 3、向智能化方向發(fā)展 （1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。 （2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 （3）引入故障診斷專家系統(tǒng) （4）引入動裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng) 可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行 我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀 ??? 機(jī)床產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，裝備制造業(yè)發(fā)展的重中之重?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）將“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”確定為16個科技重大專項(xiàng)之一。通過國家相關(guān)計劃的支持，我國在數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究方面有了較大突破，創(chuàng)造了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果和核心技術(shù)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面： ???（1）中高檔數(shù)控機(jī)床的開發(fā)取得了較大進(jìn)展，在五軸聯(lián)動、復(fù)合加工、數(shù)字化設(shè)計以及高速加工等一批關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，自主開發(fā)了包括大型、五軸聯(lián)動數(shù)控加工機(jī)床，精密及超精密數(shù)控機(jī)床以及一大批專門化高性能機(jī)床，并形成了一批中檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化基地。 ???（2）關(guān)鍵功能部件的技術(shù)水平、制造質(zhì)量逐年穩(wěn)步提高，功能逐步完善，部分性能指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的功能部件。開發(fā)出了高速主軸單元、高速滾珠絲杠、重載直線導(dǎo)軌、高速導(dǎo)軌防護(hù)裝置、直線電機(jī)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、刀庫與機(jī)械手、A/C軸數(shù)控銑頭、高速工具系統(tǒng)、數(shù)字化量儀等高性能功能部件樣機(jī)，其中有的品種已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。 ???（3）中高檔數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)研究與應(yīng)用取得一定成果。通過自主研發(fā)或與國外開展技術(shù)合作，在中檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)上取得明顯進(jìn)展。初步解決了多坐標(biāo)聯(lián)動、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)難題；為適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的配套要求，相繼開發(fā)出交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和主軸交流伺服控制系統(tǒng)，并形成了系列化產(chǎn)品。 與國外的差距 ???（1）高檔數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)供應(yīng)能力不足。 ??? 盡管我國機(jī)床行業(yè)近年來取得了長足的發(fā)展，數(shù)控化率穩(wěn)步提高，但機(jī)床消費(fèi)和生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)性矛盾仍然比較突出。目前，國內(nèi)對中高檔機(jī)床的需求量逐漸超過低檔機(jī)床。但國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床以低檔為主，高檔數(shù)控機(jī)床絕大部分依賴進(jìn)口。 ???（2）自主創(chuàng)新能力不足。 ??? 長期以來，我國機(jī)床制造業(yè)的基礎(chǔ)、共性技術(shù)研究工作主要在行業(yè)性的研究院所進(jìn)行。能力薄弱，技術(shù)創(chuàng)新投入不足，引進(jìn)消化吸收能力差，低水平生產(chǎn)能力過剩，自主創(chuàng)新能力不高，缺乏優(yōu)秀技術(shù)人才。雖然國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，但缺乏對基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，企業(yè)的市場響應(yīng)速度慢。 ???（3）產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性及服務(wù)等能力不強(qiáng)。 ??? 國產(chǎn)機(jī)床在質(zhì)量、交貨期和服務(wù)等方面與國外著名品牌相比存在較大的差距。在質(zhì)量方面，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)MTBF與國際先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)相差較大。國產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心的MTBF與國際上先進(jìn)水平也有較大差距。在交貨期方面，絕大多數(shù)企業(yè)由于任務(wù)重拖期交貨。服務(wù)體系不健全，在市場開拓、成套技術(shù)服務(wù)、快速反應(yīng)能力等方面不能滿足市場快節(jié)奏和個性化的要求。 ???（4）功能部件發(fā)展滯后。 ??? 機(jī)床是由各種功能部件（主軸單元及主軸頭、滾珠絲杠副、回轉(zhuǎn)工作臺和數(shù)控伺服系統(tǒng)等）在床身、立柱等基礎(chǔ)機(jī)架上集裝而成的，功能部件是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)與數(shù)控機(jī)床功能部件的發(fā)展是相互依賴、共同發(fā)展的，所以功能部件的創(chuàng)新也深深地影響著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。我國數(shù)控機(jī)床功能部件已有一定規(guī)模，電主軸、主軸單元、數(shù)控系統(tǒng)等也有專門的制造廠家，其中個別產(chǎn)品的制造水平接近國際先進(jìn)水平。但整體上，我國機(jī)床功能部件發(fā)展緩慢、品種少、產(chǎn)業(yè)化程度低，精度指標(biāo)和性能指標(biāo)的綜合情況還不過硬。目前，滾珠絲杠、數(shù)控刀架、電主軸等功能部件僅能滿足中低檔數(shù)控機(jī)床的配套需要。衡量數(shù)控機(jī)床水平的高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電主軸、高速滾動功能部件等還依賴進(jìn)口。 3、研究/設(shè)計的目標(biāo)： 現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機(jī)床主傳動系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無極調(diào)速范圍；在切削加工中能自動變換速度，機(jī)床結(jié)構(gòu)要簡單，噪聲要小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度自動化的機(jī)電一體化設(shè)備，其主傳動系統(tǒng)的設(shè)計一般應(yīng)滿足如下基本要求。 （1）使用性能要求 首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動特性，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動系統(tǒng)設(shè)計合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。 （2）傳遞動力要求 主電動機(jī)和傳動機(jī)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。 （3）工作性能要求 主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗震性，熱變形特性穩(wěn)定。 此外，還要求主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護(hù)性能好；使用壽命長。 4、設(shè)計方案： 主傳動系統(tǒng)的傳動方式 機(jī)床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無極變速傳動。無極變速傳動可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳速度，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速傳動。 與普通機(jī)床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直流主軸調(diào)速電動機(jī)，電動機(jī)調(diào)速范圍大，并可無極調(diào)速，使主軸箱結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需要，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)有以下三種傳動方式。 （1）由電動機(jī)直接驅(qū)動 主軸電動機(jī)與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機(jī)直接驅(qū)動，。采用直接驅(qū)動可大大簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點(diǎn)是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)的特性完全一致。但由于主軸的功率和轉(zhuǎn)矩特性直接決定于主軸電動機(jī)的性能，因而使這種變速傳動的應(yīng)用受到一定限制。 （2）采用定比傳動 主軸電動機(jī)經(jīng)定比傳動傳遞給主軸。定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動，。帶傳動具有傳動噪聲小、振動小的優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用在中、小型數(shù)控車床上。采用定比傳動擴(kuò)大了直接驅(qū)動的應(yīng)用范圍，即在一定程度上能滿足主軸功率與轉(zhuǎn)鉅的要求，但其變速范圍仍與電動機(jī)的調(diào)速范圍相同。 （3）采用分檔變速傳動 采用分檔變速傳動主要是為了解決主軸電動機(jī)的功率特性與機(jī)床主軸功率特性的匹配。變速機(jī)構(gòu)一般仍采用齒輪副來實(shí)現(xiàn)，。通過電動機(jī)的無級變速，配合變速機(jī)構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求。目前，電動機(jī)本身的調(diào)速范圍已達(dá)1:100—1:1000，所以多數(shù)機(jī)床的變速傳動機(jī)構(gòu)不超過2級。采用分檔變速傳動可適應(yīng)更多種類的刀具材料和更廣泛的工藝要求，并滿足各種切削運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。 經(jīng)綜合比較，所設(shè)計車床屬于中、小型，采用定比傳動方式較好。 5、方案的可行性分析： 320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括確定車床的傳動方式，確定主軸的轉(zhuǎn)速，確定傳動軸的轉(zhuǎn)速及其他運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)的確定。車床主軸采用高精度主軸專用角接觸球軸承支承，并采用高速潤滑脂潤滑。車床的進(jìn)給軸由混合式步進(jìn)電機(jī)（或交流伺服電機(jī)）直接驅(qū)動滾珠絲杠副，帶動溜板運(yùn)動。為了提高進(jìn)給軸的動態(tài)響應(yīng)時間，減少摩擦和磨損，車床的移動副都采用了貼塑工藝。車床的移動導(dǎo)軌副和滾珠絲杠副的潤滑采用手動集中潤滑系統(tǒng)（或間歇式自動潤滑系統(tǒng)），方便了各潤滑點(diǎn)的潤滑。其主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、能保證一定的加工精度和表面質(zhì)量切較為經(jīng)濟(jì)。 通過綜合分析以上設(shè)計方法和設(shè)計制造難度，方案可行。 6、該設(shè)計的創(chuàng)新之處 所設(shè)計主傳動系統(tǒng)有更大的調(diào)速范圍，能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。無級變速電機(jī)的性能進(jìn)一步提高，價格下降，直接由電機(jī)通過皮帶將動力傳給主軸，這樣數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)進(jìn)一步簡化，速度進(jìn)一步提高。特別是電主軸的應(yīng)用，真正將數(shù)控機(jī)床帶入了超高速時代。從而生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量等都有提高。而且傳動較平穩(wěn)，噪聲較低?？拐裥砸灿兴岣摺? 7、設(shè)計產(chǎn)品的主要用途和應(yīng)用領(lǐng)域： 數(shù)控車床用于加工軸類或盤類的回轉(zhuǎn)體零件，可自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等工序的切削加工?？杉庸じ呔鹊那媾c端面螺紋。用的刀具主要是車刀、各種孔加工刀具（如鉆頭、鉸刀、鏜刀等）及螺紋刀具。數(shù)控車床和盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面。數(shù)控車床加工零件的尺寸精度可達(dá)IT5—IT6，表面粗糙度可達(dá)Ra1.6μm以下。在汽車、船舶、飛機(jī)、模具等行業(yè)都有重要作用。 8、時間進(jìn)程 3月19日-3月23日 整理實(shí)習(xí)日記、撰寫實(shí)習(xí)總結(jié)和準(zhǔn)備開題。 3月26日-3月30日 總體結(jié)構(gòu)確定。 4月2日-4月6日 主傳動系統(tǒng)傳動方式確定。 4月9日-4月13日 計算及選擇其運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)。 4月16日-4月20日 各零部件的設(shè)計計算。 4月23日-5月4日 繪制床頭箱裝配總圖。 5月7日-5月25日 繪制主要零部件圖。 5月28日-6月4日 修改圖紙，撰寫及核對說明書,準(zhǔn)備答辯。 9、參考文獻(xiàn)： 1. 文懷興 ,夏田. 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計[M] .化學(xué)工業(yè)出版社, 2005 2. 濮良貴, 紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計.第七版. [M] 高等教育出版社, 2004 3. 龔桂義. 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計圖冊.第三版[M]. 高等教育出版社,2004 4. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 上海紡織工業(yè)學(xué)院 天津大學(xué) 機(jī)床設(shè)計圖冊[M]. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2003 5. 王愛玲. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[M]. 國防工業(yè)出版社，2005 6. 成大先. 機(jī)械設(shè)計手冊.第三版.[M].化學(xué)工業(yè)出版社 2000 7. 劉百喜. 中國車床制造業(yè)現(xiàn)狀及數(shù)控車床的發(fā)展.[J]. 機(jī)械論壇 2006 8. 劉百喜. 中國數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析.[J]. 機(jī)械工程師 2006 9. 李夢群, 武文革, 孫厚芳.21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè).[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造，2003 10. 張伯霖 高速切削技術(shù)及應(yīng)用.[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002 11. Design in the New Millennium ADVANCED ENGINEERING ENVIRONMENTS. Committee on Advanced Environments. Commission on Engineering and Technical Systems. National Research Council. .Nation Academy of Engineering. NATIONAL ACADEMY PREDD. Washington, D. C. Copyright 2004 National Academy of Sciences. 12. Shici Sano, Yoshimi Furukawa, etc. Four Wheel Steering System with Rear Wheel Steel Angle: SEA Technical Paper series,No.860625, 2004 13. Industrial automation systems and integration Physical device control IOS 14649 Data Model for Computerized Numerical Controllers. Part10; General Process Data. Reference number of working document; ISO/TC 184/SC 1N 000 Version description; V3-August 2000. Data: 2000-08-03.Reference number of document; ISO/DIS 14649-10.Committee identification. 指導(dǎo)教師意見 教師簽字： 年 月 日 開題答辯小組意見： 組長簽字： 成員簽字： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)小組意見: 組長簽字： 年 月 日 實(shí)習(xí)總結(jié) 實(shí)習(xí)單位：黑龍江科技學(xué)院 實(shí)習(xí)時間：2012.3.12—2012.3.30 一、320mm數(shù)控車床簡介 該車床為水平床身結(jié)構(gòu)，機(jī)床外觀造型為半封閉滑動防護(hù)門結(jié)構(gòu)。車床的床座采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵整體鑄造而成，不但提高了機(jī)床的整體剛性，而且具有較好的吸振性。主軸變速有兩種方式，一種為手動集中變速方式，所有變速機(jī)構(gòu)都集中在主軸箱內(nèi)，通過數(shù)控系統(tǒng)對雙速電機(jī)的控制，在每一個手動變速檔下，可以有高、低兩檔自動變速。另一種為無級變速方式，由交流變頻調(diào)速電機(jī)通過三角膠帶直接帶動主軸，在這種情況下，車床主軸采用高精度主軸專用角接觸球軸承支承，并采用高速潤滑脂潤滑。車床的進(jìn)給軸由混合式步進(jìn)電機(jī)（或交流伺服電機(jī)）直接驅(qū)動滾珠絲杠副，帶動溜板運(yùn)動。。該車床配置了立式四工位電動刀架，可一次裝夾四把刀具，便于工件一次裝夾，多工序加工。對進(jìn)給軸進(jìn)行開環(huán)（或半閉環(huán)）控制。該車床適用于中、小型軸類、盤套類零件的內(nèi)、外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面和螺紋面的加工，特別適用于批量生產(chǎn)的加工中。 二、機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)和連接尺寸 項(xiàng)目 單位 參數(shù) 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 mm Ф320 最大工件長度 mm 750 刀架上最大回轉(zhuǎn)直徑 mm Ф170 主軸通孔直徑 mm Ф55 主軸內(nèi)孔錐度 ? 莫氏6號 主軸頭部形式 ? A2－5 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) ? 無級 主軸轉(zhuǎn)速范圍 r.p.m 50~2500 進(jìn)給軸快速移動速度 mm/min 7000（X軸減半） 進(jìn)給軸驅(qū)動電機(jī)功率 kw 1.0 進(jìn)給軸最小設(shè)定單位 mm 0.001 進(jìn)給軸重復(fù)定位精度 mm X軸：±0.007? Z軸：±0.01 主電機(jī)功率 kw >=5.5 電動刀架刀具容量 支 4 尾座套筒內(nèi)孔錐度 ? 莫氏6號 加工標(biāo)準(zhǔn)試件的表面粗糙度Ra μm ≤1.6 外形尺寸（長×寬×高） mm 2100×1050×1500 機(jī)床凈重/機(jī)床總重 kg 1900/2100 三、機(jī)床精度的選擇 選擇機(jī)床的精度等級應(yīng)根據(jù)典型零件關(guān)鍵部位加工精度的要求來定。 精度項(xiàng)目 普通型 精密型 單軸定位精度 0.01/0.300或全長 0.005/全長 單軸重復(fù)定位精度 0.006 0.003 銑圓精度 0.03~0.04 0.02 數(shù)控機(jī)床的其它精度與表中所列數(shù)據(jù)都有一定的對應(yīng)關(guān)系。定位精度和重復(fù)定位精度綜合反映了該軸各運(yùn)動元部件的綜合精度。尤其是重復(fù)定位精度，它反映了該控制軸在行程內(nèi)任意定位點(diǎn)的定位穩(wěn)定性。這是衡量該控制軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標(biāo)。目前的數(shù)控系統(tǒng)軟件功能比較豐富，一般都具有控制軸的螺距誤差和累積誤差可以用螺距補(bǔ)償功能，能對進(jìn)給傳動鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進(jìn)行穩(wěn)定的補(bǔ)償。如絲杠的螺距補(bǔ)償來消除。但這是一種理想的做法，實(shí)際造成這反向運(yùn)動量損失的原因是，存在驅(qū)動元部件的反向死區(qū)、傳動鏈各環(huán)節(jié)的間隙、彈性變形和接觸剛度等變化因素。其中有些誤差是隨機(jī)誤差，它們往往隨著工作臺的負(fù)載大小、移動距離長短、移動定位的速度改變等反映出不同的損失運(yùn)動量。這不是一個固定的電氣間隙補(bǔ)償值所能全部補(bǔ)償?shù)?。所以，即使是?jīng)過仔細(xì)的調(diào)整補(bǔ)償，還是存在單軸定位重復(fù)性誤差，不可能得到高的重復(fù)定位精度。 總之，力求提高每個數(shù)控坐標(biāo)軸的重復(fù)定位精度是機(jī)床制造廠和用戶的共同愿望。 銑圓精度是綜合評價數(shù)控機(jī)床有關(guān)數(shù)控軸的伺服跟隨運(yùn)動特性和數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)功能的指標(biāo)。由于數(shù)控機(jī)床具有一些特殊功能，因此在加工中等精度的典型工件時，一些大孔徑、圓柱面和大圓弧面可以采用高切削性能的立銑刀銑削。測定每臺機(jī)床的銑圓精度的方法是用一把精加工立銑刀銑削一個標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件；中小型機(jī)床圓柱試件的直徑一般在左右。將標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件放到圓度儀上，測出加工圓柱的輪廓線，取其最大包絡(luò)圓和最小包絡(luò)圓，兩者間的半徑差即為其精度（一般圓輪廓曲線僅附在每臺機(jī)床的精度檢驗(yàn)單中，而機(jī)床樣本只給銑圓精度允差） 從機(jī)床的定位精度可估算出該機(jī)床在加工時的相應(yīng)有關(guān)精度。如在單軸上移動加工兩孔的孔距精度約為單軸定位精度的1.5~2倍（具體誤差值與工藝因素密切相關(guān)）。因此，普通型加工中心可以批量加工出8級精度零件，精密型加工中心可以批量加工出6~7級精度零件。這些都是選擇數(shù)控機(jī)床的一些基本參考因素。此外，普通型數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)大都采用半閉環(huán)方式，對滾珠絲杠受溫度變化造成的位置伸長無法檢測，因此會影響工件的加工精度。 四、無級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計 （1）數(shù)控機(jī)床、重型機(jī)床和精密機(jī)床已廣泛地采用直流或交流無級變速電動機(jī)，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的主軸。從計算轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率區(qū)，從計算轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速為恒扭矩區(qū)，恒功率變速范圍比恒扭矩變速范圍大2-4倍。直流并激電動機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速，是采用調(diào)節(jié)磁場電流的辦法來調(diào)速的，屬恒功率調(diào)速；從額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速，是利用調(diào)節(jié)電樞電壓的方法來調(diào)速的，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。普通直流電機(jī)的n=1000r/min~2000r/min，恒功率調(diào)速范圍為2~4。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍達(dá)幾十甚至100以上；交流調(diào)速電機(jī)的n＝1500r/min，額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速為恒功率，范圍為3-5，由額定轉(zhuǎn)速n至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩，調(diào)速范圍達(dá)幾十或超過100。如果用它們驅(qū)動做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的主軸，則由于主軸要求的恒功率調(diào)速范圍遠(yuǎn)大于電動機(jī)所能提供的恒功率范圍，常用串聯(lián)分級變速箱的辦法來擴(kuò)大其恒功率調(diào)速范圍。變速箱的公比原則上應(yīng)等于電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍Ｒp。 （2）通過帶傳動的主傳動系統(tǒng) 通過一級帶傳動實(shí)現(xiàn)變速的主傳動系統(tǒng)，本機(jī)床采用的就是這種傳動，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，且在一定程序上能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求，但調(diào)速范圍受電機(jī)調(diào)速范圍比的約束。 五、實(shí)習(xí)收獲和總結(jié) 為期三周的實(shí)習(xí)已經(jīng)結(jié)束，通過這次實(shí)習(xí)，對320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計有了較深的了解，對如何做畢業(yè)設(shè)計也有了初步想法。主傳動系統(tǒng)的設(shè)計，首先要確定其傳動方式。還要選擇其動力參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)。然后確定其主軸組件及其他一系列問題。畢業(yè)設(shè)計是檢驗(yàn)一個學(xué)生大學(xué)四年所學(xué)知識的重要標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過這次實(shí)習(xí)，相信我一定能順利的完成畢業(yè)設(shè)計。 2012年 3月31日 任務(wù) 姓名： 吳彬 一、設(shè)計題目： 320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、設(shè)計要求：設(shè)計出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)，其主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、能保證一定的加工的精度和表面質(zhì)量。能熟練使用PRO/E?、AUTOCAD,?等三維CAD,CAM繪圖軟件。隨著數(shù)控加工技術(shù)在汽車、船舶、飛機(jī)、模具等各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床的需求量日益增加，數(shù)控機(jī)床在加工制造業(yè)中的重要性也日益突出。數(shù)控機(jī)床作為一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，其技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家加工制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一 。 三、設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：論文包括說明書和圖紙兩部分，說明書主要包括：⑴零件的工藝分析和工藝方案的確定；⑵工藝與設(shè)計計算；⑶各主要零件尺寸的確定。圖紙包括：繪制主軸零件的2D圖；主軸箱的總裝配圖，并繪制箱體零件的2D圖；可以附加機(jī)床結(jié)構(gòu)的示意圖；（繪圖量不少于折成A0號圖紙2張） 四、設(shè)計目標(biāo)：根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和工藝特性設(shè)計出經(jīng)濟(jì)合理的主傳動系統(tǒng)，其主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、能保證一定的加工的精度和表面質(zhì)量。又能為學(xué)生將來從事相關(guān)設(shè)計工作打下了良好的基礎(chǔ)，并通過設(shè)計完成能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計能力。 320mm數(shù)控車床 320mm數(shù)控車床簡介[3] 該車床為水平床身結(jié)構(gòu)，機(jī)床外觀造型為半封閉滑動防護(hù)門結(jié)構(gòu)。車床的床座采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵整體鑄造而成，不但提高了機(jī)床的整體剛性，而且具有較好的吸振性。主軸變速有兩種方式，一種為手動集中變速方式，所有變速機(jī)構(gòu)都集中在主軸箱內(nèi)，通過數(shù)控系統(tǒng)對雙速電機(jī)的控制，在每一個手動變速檔下，可以有高、低兩檔自動變速。另一種為無級變速方式，由交流變頻調(diào)速電機(jī)通過三角膠帶直接帶動主軸，在這種情況下，車床主軸采用高精度主軸專用角接觸球軸承支承，并采用高速潤滑脂潤滑。車床的進(jìn)給軸由混合式步進(jìn)電機(jī)（或交流伺服電機(jī)）直接驅(qū)動滾珠絲杠副，帶動溜板運(yùn)動。為了提高進(jìn)給軸的動態(tài)響應(yīng)時間，減少摩擦和磨損，車床的移動副都采用了貼塑工藝。車床的移動導(dǎo)軌副和滾珠絲杠副的潤滑采用手動集中潤滑系統(tǒng)（或間歇式自動潤滑系統(tǒng)），方便了各潤滑點(diǎn)的潤滑。該車床配置了立式四工位電動刀架，可一次裝夾四把刀具，便于工件一次裝夾，多工序加工。對進(jìn)給軸進(jìn)行開環(huán)（或半閉環(huán)）控制。該車床適用于中、小型軸類、盤套類零件的內(nèi)、外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面和螺紋面的加工，特別適用于批量生產(chǎn)的加工中。 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)和連接尺寸 表1-1 機(jī)床的技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 單位 參數(shù) 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 mm Ф320 最大工件長度 mm 750 刀架上最大回轉(zhuǎn)直徑 mm Ф170 主軸通孔直徑 mm Ф55 主軸內(nèi)孔錐度 ? 莫氏6號 主軸頭部形式 ? A2－5 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) ? 無級 主軸轉(zhuǎn)速范圍 r.p.m 50~2500 進(jìn)給軸快速移動速度 mm/min 7000（X軸減半） 進(jìn)給軸驅(qū)動電機(jī)功率 kw 1.0 進(jìn)給軸最小設(shè)定單位 mm 0.001 進(jìn)給軸重復(fù)定位精度 mm X軸：±0.007? Z軸：±0.01 主電機(jī)功率 kw >=5.5 電動刀架刀具容量 支 4 尾座套筒內(nèi)孔錐度 ? 莫氏6號 加工標(biāo)準(zhǔn)試件的表面粗糙度Ra μm ≤1.6 外形尺寸（長×寬×高） mm 2100×1050×1500 機(jī)床凈重/機(jī)床總重 kg 1900/2100 機(jī)床精度的選擇 選擇機(jī)床的精度等級應(yīng)根據(jù)典型零件關(guān)鍵部位加工精度的要求來定。 表1-2 (mm) 精度項(xiàng)目 普通型 精密型 單軸定位精度 0.01/0.300或全長 0.005/全長 單軸重復(fù)定位精度 0.006 0.003 銑圓精度 0.03~0.04 0.02 數(shù)控機(jī)床的其它精度與表中所列數(shù)據(jù)都有一定的對應(yīng)關(guān)系。定位精度和重復(fù)定位精度綜合反映了該軸各運(yùn)動元部件的綜合精度。尤其是重復(fù)定位精度，它反映了該控制軸在行程內(nèi)任意定位點(diǎn)的定位穩(wěn)定性。這是衡量該控制軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標(biāo)。目前的數(shù)控系統(tǒng)軟件功能比較豐富，一般都具有控制軸的螺距誤差和累積誤差可以用螺距補(bǔ)償功能，能對進(jìn)給傳動鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進(jìn)行穩(wěn)定的補(bǔ)償。如絲杠的螺距補(bǔ)償來消除。但這是一種理想的做法，實(shí)際造成這反向運(yùn)動量損失的原因是，存在驅(qū)動元部件的反向死區(qū)、傳動鏈各環(huán)節(jié)的間隙、彈性變形和接觸剛度等變化因素。其中有些誤差是隨機(jī)誤差，它們往往隨著工作臺的負(fù)載大小、移動距離長短、移動定位的速度改變等反映出不同的損失運(yùn)動量。這不是一個固定的電氣間隙補(bǔ)償值所能全部補(bǔ)償?shù)摹Ｋ?，即使是?jīng)過仔細(xì)的調(diào)整補(bǔ)償，還是存在單軸定位重復(fù)性誤差，不可能得到高的重復(fù)定位精度。 總之，力求提高每個數(shù)控坐標(biāo)軸的重復(fù)定位精度是機(jī)床制造廠和用戶的共同愿望。 銑圓精度是綜合評價數(shù)控機(jī)床有關(guān)數(shù)控軸的伺服跟隨運(yùn)動特性和數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)功能的指標(biāo)。由于數(shù)控機(jī)床具有一些特殊功能，因此在加工中等精度的典型工件時，一些大孔徑、圓柱面和大圓弧面可以采用高切削性能的立銑刀銑削。測定每臺機(jī)床的銑圓精度的方法是用一把精加工立銑刀銑削一個標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件；中小型機(jī)床圓柱試件的直徑一般在左右。將標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件放到圓度儀上，測出加工圓柱的輪廓線，取其最大包絡(luò)圓和最小包絡(luò)圓，兩者間的半徑差即為其精度（一般圓輪廓曲線僅附在每臺機(jī)床的精度檢驗(yàn)單中，而機(jī)床樣本只給銑圓精度允差） 從機(jī)床的定位精度可估算出該機(jī)床在加工時的相應(yīng)有關(guān)精度。如在單軸上移動加工兩孔的孔距精度約為單軸定位精度的1.5~2倍（具體誤差值與工藝因素密切相關(guān)）。因此，普通型加工中心可以批量加工出8級精度零件，精密型加工中心可以批量加工出6~7級精度零件。這些都是選擇數(shù)控機(jī)床的一些基本參考因素。此外，普通型數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)大都采用半閉環(huán)方式，對滾珠絲杠受溫度變化造成的位置伸長無法檢測，因此會影響工件的加工精度。 摘 要 近年來，我國機(jī)械制造業(yè)的自動化生產(chǎn)技術(shù)有了較快的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，生產(chǎn)過程中材料、半成品的輸送、定向及設(shè)備的上、下料等輔助工序所花的費(fèi)用約占全部加工費(fèi)用的三分之一，所花時間約占全部加工時間的三分之二以上。為了解決上述問題，發(fā)展了一種用計算機(jī)以數(shù)字指令方式控制的數(shù)字控制機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用幾乎已擴(kuò)展到所有加工領(lǐng)域，許多工廠為了適應(yīng)產(chǎn)品的頻繁更新，提高加工精度、降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品交貨周期和減輕勞動強(qiáng)度等目的，在中等批量、甚至大批量生產(chǎn)中也應(yīng)用了數(shù)控機(jī)床，即使在5000件的生產(chǎn)批量下加工結(jié)構(gòu)形狀不太復(fù)雜的零件，使用數(shù)控機(jī)床也能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 320mm數(shù)控車床為全能型加工車床，可進(jìn)行多次重復(fù)循環(huán)加工，特別適合于汽車、石油機(jī)械、軍工等多種行業(yè)的機(jī)械加工，主要用于軸類、盤類的精加工和半精加工，可以加工內(nèi)、外圓柱表面、錐面、車削螺紋、鏜孔、鉸孔以及各種曲線回轉(zhuǎn)體?？筛鶕?jù)用戶要求配置手動、電動、液壓卡盤和手動、電動、液壓尾座等。機(jī)床防護(hù)有全防護(hù)、封閉防護(hù)兩種形式。 ? 關(guān)鍵字：數(shù)控車床；精加工；液壓尾座 Abstract In recent years, the automation production technique of the our country machine manufacturing industry contain quicker development. According to the covariance, material in the production line, the semi-processed goods transport, definite direction and equipments of up, bottom anticipate the etc., the expenses that the assistance work preface spend about has all 1/3 of process the expenses, time spend about has all 2/3 of process time is above.For resolving the above-mentioned problem, produce a kind of numeral control tool machine that controls by numerical instruction with the calculator. The application that number controls the tool machine almost has already expand to all process the realm.Many factory for the sake of the multifarious renewal of the orientation product, the exaltation processes the accuracy, lowers the production cost and shortens the product to deliver goods the period and ease to labor the strength etc. purpose, also applied the number to control the tool machine in win wait batch quantity, even mass-produce, even process the not that complicated spare parts of the structure shape under 5000 pieces production batch quantities, using the number to control the tool machine also can obtain good economic performance. 320 mm the number controls the lather to process the lather for the omnipotent type, can carry on many repetitions to process circularly, special suitable for automobile, petroleum machine, the soldier work etc. the machine of various profession process, mainly using for stalk, dish 's process to process with the half , can process inside, the outside cylinder surface, face, the car pares thread, bore of ，bore of and various curves turn-over body.Can request to install to move according to the customer, dynamoelectric, the liquid presses the card dish and hands to move, dynamoelectric, the liquid presses the tail.The tool machine protection contain whole protection, close two kinds of forms of protection. Keywords：The number controls；the lather to process；the liquid to press the tail 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景及目的 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2 1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2 1.2.2 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2 第2章 320mm數(shù)控車床 7 2.1 320mm數(shù)控車床簡介 7 2.2 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)和連接尺寸 8 2.3 機(jī)床精度的選擇 8 2. 4 電動機(jī)的選擇 10 2.4.1 選擇電動機(jī)類型 10 2.4.2 選擇電動機(jī)容量 10 2.4.3 確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 11 2.5 無級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計 11 2. 6主軸組件的基本要求 11 2.6.1 旋轉(zhuǎn)精度 12 2.6.2 靜剛度 12 2.6.3 抗震性 12 2.6.4 溫升和熱變形 13 2.6.5 耐磨性 13 第3章 數(shù)控機(jī)床的主軸及其機(jī)械結(jié)構(gòu) 14 3.1 對主軸驅(qū)動的要求 14 3.1.1 主傳動要有寬的調(diào)速范圍及盡可能實(shí)現(xiàn)無級變速 14 3.1.2 功率大 14 3.1.3 動態(tài)響應(yīng)性要好 15 3.1.4 精度高 15 3.1.5 旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動功能 15 3.1.6 恒線速度切削功能 15 3.2 初選主軸直徑 15 3.3 傳動軸直徑 18 3.4 確定帶輪直徑 18 3.5 普通V帶的設(shè)計 18 第4章 軸承選用與壽命計算 27 4.1 軸承選用 27 4.2 軸承的壽命計算 28 4.3 軸承的潤滑與密封 28 4.3.1 主軸滾動軸承的潤滑 29 第5章 箱體的設(shè)計 31 5.1 箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求 31 5.1.1 箱體的結(jié)構(gòu)要求 31 5.1.2 箱體的主要技術(shù)要求 31 5.2 壁厚的選擇 32 結(jié) 論 33 致 謝 34 參考文獻(xiàn) 35 CONTENTS Abstract I Chapter 1 Introduction 1 1.1 Background and objective 1 1.2 The trend of domestic and international research status and development 2 1.2.1 The trend of NC system development 2 1.2.2 The trend of China's CNC lathe research status and development 2 Chapter 2 320mm NC lathe 7 2.1 320mm CNC lathe 7 2.2 The main machine technical parameters and connection size 8 2.3 The selection of the precision of the machine tool 8 2.4 Motor selection 10 2.4.1 The selection of motor type 10 2.4.2 Selection of motor capacity 10 2.4.3 The selection of the motor speed 11 2.5 The design of stepless main driving system 11 2.6 The basic requirements of main components 11 2.6.1 The rotating accuracy 12 2.6.2 The static stiffness 12 2.6.3 The resistance of earthquake 12 2.6.4 Temperature-rise and thermal deformation 13 2.6.5 The resistance of Wear 13 Chapter 3 CNC machine tool spindle and its mechanical structure 14 3.1 The requirements of spindle drive 14 3.1.1 The main drive to a wide speed range and possible to realize stepless speed 14 3.1.2 High-power 14 3.1.3 Better dynamic response 15 3.1.4 High-precision 15 3.1.5 The function of rotation axis 15 3.1.6 Constant line speed and cutting function 15 3.2 The primary chosen of spindle diameter 15 3.3 The diameter of drive shaft 18 3.4 The determination of the belt wheel diameter 18 3.5 The design of common V belt 18 Chapter 4 Selection and calculation of fatigue bearing life 27 4.1 The selection of bearing 27 4.2 The calculation of bearing life 28 4.3 Bearing lubrication and sealing 28 4.3.1 The lubrication spindle rolling bearing 29 Chapter 5 The design of box 31 5.1 The structure of box body characteristics and technical requirements 31 5.1.1 The requirements of box body structure 31 5.1.2 The main technical requirements of box 31 5.2 Selection of wall thickness 32 Conclusion 33 Thanks 34 Reference 35 36 第1章 緒論 1.1 課題背景及目的 我國目前機(jī)床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的數(shù)控化率僅為6％。這些機(jī)床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動/半自動機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占60％以上）。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi)、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(jī)床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有以下明顯的優(yōu)越性： 1、可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 2、可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4、可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。 因此，采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。 此外，機(jī)床數(shù)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(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例逐漸增大。從2005年的市場消費(fèi)內(nèi)容也可可看出,普通機(jī)床的市場份額在下降,數(shù)控機(jī)床則大幅度增長，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床供不應(yīng)求?？梢灶A(yù)見，未來幾年普通機(jī)床的市場份額將不斷下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)會逐漸擴(kuò)大。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 自從1951年計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（NC）和計算機(jī)數(shù)控（CNC）兩個階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六代――基于PC（PC－BASED）[1]。 未來數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢： 1. 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。 2. 向高速化和高精度化發(fā)展 3. 向智能化方向發(fā)展 (1) 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。 (2) 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 (3) 引入故障診斷專家系統(tǒng) (4) 引入動裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng) 可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。 1.2.2 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1. 研究現(xiàn)狀 我國數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場，至今通過各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機(jī)床廠家的合作、合資、技術(shù)引進(jìn)、樣機(jī)消化吸收等措施，使得我國的機(jī)床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進(jìn)入實(shí)用和全面發(fā)展階段[2]。 (1) 床身 按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身有圖1-1所示的5種布局形式。一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)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(yùn)動精度有好處，但排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)檫@種布局形式具有以下特點(diǎn)： 1) 容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化； 2) 機(jī)床外形整齊、美觀，占地面積?。? 3) 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置； 4) 容易排屑和安裝自動排屑器； 5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度； 6) 宜人性好，便于操作； 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化。 (2) 導(dǎo)軌 車床的導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。 滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點(diǎn)。 滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。根據(jù)滾動體的不同，滾動導(dǎo)軌可分為滾珠直線導(dǎo)軌和滾柱直線導(dǎo)軌。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數(shù)略大。 ?????? a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 ? ? c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 圖1-1 床身布局型式 (3) 主軸變速系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)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(jī)，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。 (4) 刀架系統(tǒng) 按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主?；剞D(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，回轉(zhuǎn)刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架對刀具的數(shù)目有一定的限制，當(dāng)需要數(shù)量較多的刀具時，應(yīng)采用帶刀庫的自動換刀裝置。 (5) 進(jìn)給傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用進(jìn)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)。前者定位精度低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它對機(jī)床的要求比較高，且造價較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。前者由于具有可靠性高、造價低等特點(diǎn)而被廣泛采用。 2. 發(fā)展趨勢 (1) 高速、高精密化 當(dāng)前機(jī)床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市，也為機(jī)床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。 (2) 高可靠性 (3) 數(shù)控車床設(shè)計CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化 采用CAD技術(shù)以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，進(jìn)行設(shè)計方案選擇和大件整機(jī)的靜、動態(tài)特性分析、計算、預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計，以及對整機(jī)各工作部件進(jìn)行動態(tài)模擬仿真。這樣大大提高了工作效率，提高設(shè)計的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設(shè)計成本，提高市場競爭能力。 (4) 功能復(fù)合化 擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍、提高效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺數(shù)控車床既可以實(shí)現(xiàn)車削功能，也可以實(shí)現(xiàn)銑削加工。 (5) 智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化。 ， 第2章 320mm數(shù)控車床 2.1 320mm數(shù)控車床簡介 該車床為水平床身結(jié)構(gòu)，機(jī)床外觀造型為半封閉滑動防護(hù)門結(jié)構(gòu)。車床的床座采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵整體鑄造而成，不但提高了機(jī)床的整體剛性，而且具有較好的吸振性。主軸變速有兩種方式，一種為手動集中變速方式，所有變速機(jī)構(gòu)都集中在主軸箱內(nèi)，通過數(shù)控系統(tǒng)對雙速電機(jī)的控制，在每一個手動變速檔下，可以有高、低兩檔自動變速。另一種為無級變速方式，由交流變頻調(diào)速電機(jī)通過三角膠帶直接帶動主軸，在這種情況下，車床主軸采用高精度主軸專用角接觸球軸承支承，并采用高速潤滑脂潤滑。車床的進(jìn)給軸由混合式步進(jìn)電機(jī)（或交流伺服電機(jī)）直接驅(qū)動滾珠絲杠副，帶動溜板運(yùn)動。為了提高進(jìn)給軸的動態(tài)響應(yīng)時間，減少摩擦和磨損，車床的移動副都采用了貼塑工藝。車床的移動導(dǎo)軌副和滾珠絲杠副的潤滑采用手動集中潤滑系統(tǒng)（或間歇式自動潤滑系統(tǒng)），方便了各潤滑點(diǎn)的潤滑。該車床配置了立式四工位電動刀架，可一次裝夾四把刀具，便于工件一次裝夾，多工序加工。對進(jìn)給軸進(jìn)行開環(huán)（或半閉環(huán)）控制。該車床適用于中、小型軸類、盤套類零件的內(nèi)、外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面和螺紋面的加工，特別適用于批量生產(chǎn)的加工中。 2.2 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)和連接尺寸 表2-1 機(jī)床的技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 單位 參數(shù) 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 mm Ф320 最大工件長度 mm 750 刀架上最大回轉(zhuǎn)直徑 mm Ф170 主軸通孔直徑 mm Ф55 主軸內(nèi)孔錐度 莫氏6號 主軸頭部形式 A2－5 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) 無級 主軸轉(zhuǎn)速范圍 r.p.m 50~2500 進(jìn)給軸快速移動速度 mm/min 7000（X軸減半） 進(jìn)給軸驅(qū)動電機(jī)功率 kw 1.0 進(jìn)給軸最小設(shè)定單位 mm 0.001 進(jìn)給軸重復(fù)定位精度 mm X軸：±0.007 Z軸：±0.01 主電機(jī)功率 kw >=5.5 電動刀架刀具容量 支 4 尾座套筒內(nèi)孔錐度 莫氏6號 加工標(biāo)準(zhǔn)試件的表面粗糙度Ra μm ≤1.6 外形尺寸（長×寬×高） mm 2100×1050×1500 機(jī)床凈重/機(jī)床總重 kg 1900/2100 2.3 機(jī)床精度的選擇 選擇機(jī)床的精度等級應(yīng)根據(jù)典型零件關(guān)鍵部位加工精度的要求來定。 表2-2 精度項(xiàng)目 普通型 精密型 單軸定位精度 0.01/0.300或全長 0.005/全長 單軸重復(fù)定位精度 0.006 0.003 銑圓精度 0.03~0.04 0.02 數(shù)控機(jī)床的其它精度與表中所列數(shù)據(jù)都有一定的對應(yīng)關(guān)系。定位精度和重復(fù)定位精度綜合反映了該軸各運(yùn)動元部件的綜合精度。尤其是重復(fù)定位精度，它反映了該控制軸在行程內(nèi)任意定位點(diǎn)的定位穩(wěn)定性。這是衡量該控制軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標(biāo)。目前的數(shù)控系統(tǒng)軟件功能比較豐富，一般都具有控制軸的螺距誤差和累積誤差可以用螺距補(bǔ)償功能，能對進(jìn)給傳動鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進(jìn)行穩(wěn)定的補(bǔ)償。如絲杠的螺距補(bǔ)償來消除。但這是一種理想的做法，實(shí)際造成這反向運(yùn)動量損失的原因是，存在驅(qū)動元部件的反向死區(qū)、傳動鏈各環(huán)節(jié)的間隙、彈性變形和接觸剛度等變化因素。其中有些誤差是隨機(jī)誤差，它們往往隨著工作臺的負(fù)載大小、移動距離長短、移動定位的速度改變等反映出不同的損失運(yùn)動量。這不是一個固定的電氣間隙補(bǔ)償值所能全部補(bǔ)償?shù)?。所以，即使是?jīng)過仔細(xì)的調(diào)整補(bǔ)償，還是存在單軸定位重復(fù)性誤差，不可能得到高的重復(fù)定位精度[5]。 總之，力求提高每個數(shù)控坐標(biāo)軸的重復(fù)定位精度是機(jī)床制造廠和用戶的共同愿望。 銑圓精度是綜合評價數(shù)控機(jī)床有關(guān)數(shù)控軸的伺服跟隨運(yùn)動特性和數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)功能的指標(biāo)。由于數(shù)控機(jī)床具有一些特殊功能，因此在加工中等精度的典型工件時，一些大孔徑、圓柱面和大圓弧面可以采用高切削性能的立銑刀銑削。測定每臺機(jī)床的銑圓精度的方法是用一把精加工立銑刀銑削一個標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件；中小型機(jī)床圓柱試件的直徑一般在左右。將標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件放到圓度儀上，測出加工圓柱的輪廓線，取其最大包絡(luò)圓和最小包絡(luò)圓，兩者間的半徑差即為其精度（一般圓輪廓曲線僅附在每臺機(jī)床的精度檢驗(yàn)單中，而機(jī)床樣本只給銑圓精度允差） 從機(jī)床的定位精度可估算出該機(jī)床在加工時的相應(yīng)有關(guān)精度。如在單軸上移動加工兩孔的孔距精度約為單軸定位精度的1.5~2倍（具體誤差值與工藝因素密切相關(guān)）。因此，普通型加工中心可以批量加工出8級精度零件，精密型加工中心可以批量加工出6~7級精度零件。這些都是選擇數(shù)控機(jī)床的一些基本參考因素。此外，普通型數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)大都采用半閉環(huán)方式，對滾珠絲杠受溫度變化造成的位置伸長無法檢測，因此會影響工件的加工精度。 2.4 電動機(jī)的選擇 選擇電動機(jī)的容量時應(yīng)保證電動機(jī)的額定功率、等于或稍大于工作機(jī)所需的電動機(jī)的功率,即 工作機(jī)所需電動機(jī)功率為: = kW (2-1) 式中 ——工作機(jī)所需功率。指輸入工作機(jī)軸的功率kW: ——有電動機(jī)至工作機(jī)的總功率: kW (2-2) 式中 ——工作機(jī)的阻力矩Nm ——工作機(jī)的轉(zhuǎn)速殊 ——運(yùn)動副效率乘積; 2.4.1 選擇電動機(jī)類型 按工作要求選用Y系列鼠籠型交流伺服電動機(jī)，電壓380V, 2.4.2 選擇電動機(jī)容量 各部分的傳動效率:V帶傳動效率=0. 96;滾動軸承傳動效率 =0. 99;編碼器傳動效率=0.97;同步齒形帶= 0.95; 0.858 Kw 2.4.3 確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速越高，磁極對數(shù)越少，其重量越輕，外廓尺寸越小，價格越低，而轉(zhuǎn)速越大，價格越高。所以根據(jù)條件，選電動機(jī)型號為Y132S 一4，功率5.5 kw，轉(zhuǎn)速1450r/min,最大轉(zhuǎn)矩2.2Nm 2.5 無級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)控機(jī)床、重型機(jī)床和精密機(jī)床已廣泛地采用直流或交流無級變速電動機(jī)，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的主軸。從計算轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率區(qū)，從計算轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速為恒扭矩區(qū)，恒功率變速范圍比恒扭矩變速范圍大2-4倍。直流并激電動機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速，是采用調(diào)節(jié)磁場電流的辦法來調(diào)速的，屬恒功率調(diào)速;從額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速，是利用調(diào)節(jié)電樞電壓的方法來調(diào)速的，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。普通直流電機(jī)的,恒功率調(diào)速范圍為2~4。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍達(dá)幾十甚至100以上;交流調(diào)速電機(jī)的,額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速為恒功率，范圍為3-5,由額定轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩，調(diào)速范圍達(dá)幾十或超過100。如果用它們驅(qū)動做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的主軸，則由于主軸要求的恒功率調(diào)速范圍遠(yuǎn)大于電動機(jī)所能提供的恒功率范圍，常用串聯(lián)分級變速箱的辦法來擴(kuò)大其恒功率調(diào)速范圍·變速箱的公比原則上應(yīng)等于電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍。如果為了簡化變速機(jī)構(gòu)，取心>，則電動機(jī)的功率應(yīng)取得比要求的功率大些。 通過一級帶傳動實(shí)現(xiàn)變速的主傳動系統(tǒng)，本機(jī)床采用的就是這種傳動， 其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，且在一定程序上能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸 出要求，但調(diào)速范圍受電機(jī)調(diào)速范圍比的約束。 2.6主軸組件的基本要求 與一般傳動軸一樣，主軸也要在一定的轉(zhuǎn)速下傳遞一定的扭矩。但是主 軸要帶著工件或刀具參與切削工作，以形成工件表面。所以，一臺機(jī)床的加 工質(zhì)量在很大程度上決定于主軸組件的質(zhì)量。主軸要傳遞扭矩，直接承受切 削力，而且還要滿足通用機(jī)床、專用機(jī)床、數(shù)控機(jī)床各自不同的要求。 2.6.1 旋轉(zhuǎn)精度 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸 前端安裝工件或刀具部位的徑向跳動和軸向跳動。當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時， 由于潤滑油膜的產(chǎn)生和不平衡的擾動，旋轉(zhuǎn)精度將有所變化。這一點(diǎn)對于精 密、高精度機(jī)床尤為重要。 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸、軸承、箱體孔等的 制造、裝配和調(diào)整精度。旋轉(zhuǎn)精度還決定于主軸轉(zhuǎn)速、支撐的設(shè)計和性能， 潤滑劑以及主軸組件的平衡。 2.6.2 靜剛度 主軸組件的靜剛度反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。主軸組件的彎 曲剛度定義為:使主軸前端產(chǎn)生單位位移時，在位移方向測量所需施加的 力，即，影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、配置形式和預(yù)緊，滑動軸承的型號和油膜剛度，前后支撐間的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。各類機(jī)床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 2.6.3 抗震性 主軸組件工作時產(chǎn)生振動會降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主 軸軸承壽命，還會產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。 振動表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動和自激振動兩種形式。主軸組件產(chǎn)生自激振動，不 僅嚴(yán)重影響加工質(zhì)量，甚至使切削無法進(jìn)行下去。抵抗強(qiáng)迫振動則要提高動 剛度，動剛度是指激振力幅值與振動幅值之比。 影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度、質(zhì)量分布和阻尼。主軸的 固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于激振力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。目前，尚未制定出 抗震性的指標(biāo)，只有一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供設(shè)計時參考。 2.6.4 溫升和熱變形 主軸組件工作時因?yàn)楦飨鄬\(yùn)動處的攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使 主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化。 主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發(fā)生變化。溫升使?jié)櫥驼扯认陆?，? 低了滑動軸承的承載。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸 承溫升不同，還會導(dǎo)致主軸軸線傾斜。因此，對主軸軸承的溫升要做出限制， 主軸軸承在高速空轉(zhuǎn)、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的允許溫升:高精度機(jī)床為8度到10 度，精密機(jī)床和數(shù)控機(jī)床為15度到20度，普通機(jī)床為30度到40度。 由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機(jī)床要進(jìn)一步提高加工精 度，往往受熱變形的限制。研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫，是高 精度機(jī)床主軸組件研究的重要課題之一。 2.6.5 耐磨性 主軸組件的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。對精 度有影響的部位首先是軸承，其次是安裝刀、夾具或工件的部位，如錐孔， 定心軸頸等。此外，還有移動式主軸的工作表面如幢床主軸的外圓，坐標(biāo)幢 床和某些加工中心主軸的套筒外圓等。 裝有滾動軸承的主軸，支撐處的耐磨性則決定于滾動軸承。如果用滑動 軸承，則軸頸的耐磨性在很大程度上影響精度保持性。為了提高耐磨性，一般機(jī)床主軸的上述部分應(yīng)淬硬至HRC60左右，深約1 mm。 第3章 數(shù)控機(jī)床的主軸及其機(jī)械結(jié)構(gòu) 3.1 對主軸驅(qū)動的要求 數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動是指產(chǎn)生切削運(yùn)動的傳動，它是數(shù)控機(jī)床的重要組 成部分之一。在數(shù)控機(jī)床上，主運(yùn)動的最高與最低轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速范圍、傳遞功 率和動力特征，決定了數(shù)控車床的切削加工效率和加工工藝性能。主軸組件 的回轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性能和熱變形，直接影響加工零件的尺寸，位置精 度和表面質(zhì)量，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控車床對主軸驅(qū)動提出了 更高的要求。 3.1.1 主傳動要有寬的調(diào)速范圍及盡可能實(shí)現(xiàn)無級變速 數(shù)控加工時切削用量的選擇，特別是切削速度的選擇，關(guān)系到表面加工 質(zhì)量和機(jī)床生產(chǎn)率。對于自動換刀數(shù)控機(jī)床，為適應(yīng)各種工序和不同材料加 工的要求，更需要主傳動有寬的自動變速范圍。數(shù)控機(jī)床的主軸變速是依指 令自動進(jìn)行的，要求能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行無級變速，并減少中間傳遞 環(huán)節(jié)，以簡化主軸箱和降低傳動誤差。 目前數(shù)控機(jī)床的主驅(qū)動系統(tǒng)要求在1:(100~1000)范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩和 1: 10范圍內(nèi)的」恒功率調(diào)速。由于主軸電機(jī)與驅(qū)動的限制，為滿足數(shù)控機(jī)床 低速強(qiáng)力切削的需要，常采用分段無級變速的方法，即在低速段采用機(jī)械減 速裝置，以提高輸出轉(zhuǎn)矩。 3.1.2 功率大 要求主軸有足夠的驅(qū)動功率或輸出轉(zhuǎn)矩，在整個速度范圍內(nèi)均能提供切 削所需的功率或轉(zhuǎn)矩，特別是在強(qiáng)力切削時，并且有一定的過載能力和較硬 的調(diào)速機(jī)械特性，即在負(fù)載變化的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動小。 3.1.3 動態(tài)響應(yīng)性要好 要求主軸升降速時間短，調(diào)速時運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，對有的數(shù)控機(jī)床需同時能實(shí) 現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)切削，則要求換向時均可進(jìn)行自動加減速控制，即要求主軸有四 象限驅(qū)動能力。 3.1.4 精度高 主要指主軸回轉(zhuǎn)精度，要求主軸部件具有足夠的剛度和抗振性，具有較 好的熱穩(wěn)定性，即主軸的軸向和徑向尺寸隨溫度變化較小，另外，要求主傳 動的傳動鏈要短。 3.1.5 旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動功能 要求主軸與其他直線坐標(biāo)軸同時實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)聯(lián)動控制，如在車削中心上， 為了使之具有螺紋車削功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動實(shí)行聯(lián)動控制，即主軸 具有旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸(c軸)的控制功能。 3.1.6 恒線速度切削功能 為了提高工件表面質(zhì)量和加工效率，有時要求數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)表面恒線 速度切削，如數(shù)控機(jī)床對大直徑工件端面切削時，要求主軸轉(zhuǎn)速隨切削端面 的直徑變小而變快，并以切削表面為恒線速度的規(guī)律變化。 3.2 初選主軸直徑 主軸直徑直接影響主軸部件的剛度。直徑越粗，剛度越高，但同時與它 相配的軸承等零件的尺寸也越大。故設(shè)計之初，只能根據(jù)統(tǒng)計資料選擇主軸 直徑。 車床、銑床、幢床、加工中心等機(jī)床因裝配的需要，主軸直徑常是自前 往后逐步減小的。前軸頸直徑大于后軸頸直徑。對于車、銑床，一般 。 表3-1幾種常見的通用機(jī)床鋼質(zhì)主軸前軸頸 主電機(jī)功率 5.5 7.5 11 15 臥式車床 60~90mm 75~110mm 90~120mm 100~160mm 升降臺銑床 60~90mm 75~100mm 90~110mm 100~120mm 外圓磨床 55~75mm 70~80mm 75~90mm 75~100mm 為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)盡量大些。前軸承至主軸前端的距離應(yīng)盡 可能小些。為了便于裝配，主軸常做成階梯形的。主軸的結(jié)構(gòu)與形狀和主軸 上所安裝的傳動件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝方法有直接的關(guān) 系。 為了便于在主軸上安裝各種標(biāo)準(zhǔn)刀具或夾具，前端用雙鍵傳遞扭矩。前 端圓螺母用來調(diào)整刀具的軸向位置，平鍵用來傳遞扭矩。 圖3-1 主軸前端 主軸中孔用于通過拉桿。為了能通過更粗的棒料，車床的中孔直徑希望 大些，但受剛度條件的限制，孔徑不宜超過外徑的70% 。 多數(shù)機(jī)床主軸中心有孔，主要用來確定棒料或安裝工具，主軸內(nèi)孔直徑 在一定范圍內(nèi)對主軸剛度影響很小。若超出此范圍則能使主軸剛度急劇下降。 由材料力學(xué)可知，剛度K正比于截面慣性矩I，它與直徑之間有下列關(guān)系: 一般，0. 7對剛度影響不大，若>0. 7將使剛度急劇下降。 所以前軸頸95 mm，后軸頸(0.7-0. 85 )=70 mm 主軸前端懸伸量的選擇: 主軸懸伸量是指主軸前支承徑向作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的 距離，無論從理論分析還是從實(shí)際測試的結(jié)果來看，主軸懸伸量a值愈小愈 能提高主軸部件的剛度。因此，確定主軸懸伸量a的原則是在滿足結(jié)構(gòu)要求 的前提下盡可能取小值。 1. 主軸懸伸量與前軸徑直徑之比 =114mm 2. 根據(jù)查表，計算前支承剛度 =1700×=13.85×n/mm 因?yàn)楹筝S承直徑略小于前軸承，取 ， 則=9.9×n/mm 計算綜合變量= 故取彈性模量E=2 x× =× 3. 確定最佳跨距 查表之點(diǎn)，向上做垂線與的斜直線相交，由交點(diǎn)向左作平線和縱坐標(biāo)軸相交，得，所以=215 mm 合理跨距的范圍為之間合理 圖3-2 普通V帶 3.3 傳動軸直徑 mm (3-1) 式中 ——計算轉(zhuǎn)速，1450 ——輸入功率(kW)，=5. 5 x 0. 96=5. 28 kW ——允許扭轉(zhuǎn)角，=1.5 =650 mm 花鍵6x21x25x5 3.4 確定帶輪直徑 查《機(jī)械設(shè)計》第七版，表8-3，得小帶輪基準(zhǔn)直徑 =125 mm 大帶輪直徑由公式 mm 3.5 普通V帶的設(shè)計 1. 確定計算功率 查表查得工作情況系數(shù)=1.1 =1.1×5.5=6.05 kW 2. 選取普通V帶帶型 根據(jù)、n確定選用B型。 3. 初選中心矩 =700 mm 4. 計算帶的基準(zhǔn)長度 mm mm 5. 選擇帶基準(zhǔn)長度 查=1800 mm 6. 實(shí)際中心矩 mm mm mm 7. 小帶輪包角 8. 帶速v 合格 9. 帶的撓曲次數(shù)u 合格 10. 帶的根數(shù)Z (3-2) 式中 ——包角系數(shù) 查表 - ——長度系數(shù) 查表 V帶傳動功率及其增量經(jīng)查表，得, 。 取3根 3.6 同步齒形帶設(shè)計 1. 設(shè)計功率 查表查得工作情況系數(shù) kW 2. 選取同步帶帶型 根據(jù), n確定選用圓弧齒5M型。 3. 小帶輪齒數(shù) 4. 小帶輪節(jié)圓直徑 mm 5. 帶速V (合格) 6. 傳動比i 7. 大帶輪齒數(shù) 8. 大帶輪節(jié)圓直徑 mm 9. 初定中心矩 選定=500 mm 10. 初定帶的節(jié)線長度及其齒數(shù)mm mm 選1800mm 11. 實(shí)際中心矩a mm mm 3.7 主軸的剛度計算 主軸組件的剛度，可以用有限元法或傳遞矩陣法結(jié)合迭代借助電子計 算。 1. 主軸的簡化及剛度計算 如主軸前后軸承之間由數(shù)段組成，則當(dāng)量直徑 mm 如果前后軸承頸的直徑相差不大，也可把前后軸承頸直徑的平均值近似 地作為當(dāng)量直徑d。 主軸的前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不計。后懸伸部分不影響剛度，也可不計。如主軸前端作用一外載荷F，則撓度 (3-2) 式中 ——外載荷; ——前懸伸，等于載荷作用點(diǎn)至前支撐點(diǎn)間的距離; ——跨距，等于前后支撐間的距離; ——彈性摸量，剛的= (MPa) ; ——截面慣性矩，=0. 05 ()(mm) 軸的外徑和孔徑(mm) 將及之值代入，可得 如，則孔的影響可忽略 + 彎曲剛度 當(dāng) 則 N 3.8 軸的校核 1. 軸的強(qiáng)度校核 在主軸中，主軸承受的載荷較大，相對尺寸較小,下面僅對這根軸的強(qiáng)度和軸承壽命進(jìn)行校核計算[6]。 主軸的材料為40Cr，下面就按彎扭合成強(qiáng)度條件 (1) 軸的受力分析 作出軸的計算簡圖，即力學(xué)模型，在不同轉(zhuǎn)速下 不同。 圖3-3力學(xué)模型 (2) 作出受力圖，彎矩圖，扭矩圖 分別按水平面和垂直面計算各力，以及各力產(chǎn)生的彎矩、扭矩并根據(jù)計 算結(jié)果做了彎矩圖、扭矩圖。 圖3-4水平面受力 圖3-5水平面剪力 圖3-6水平面彎矩 圖3-7垂直面受力 圖3-8垂直面彎矩 圖3-9扭矩 (3) 軸的強(qiáng)度校核 A.按彎扭合成強(qiáng)度條件，對II軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù)彎矩、扭矩圖確定 工一工截面水平彎矩: Nm 垂直彎矩: Nm 合成彎矩: Nm 截面扭矩:T=16.94BN.m B.安全系數(shù)校核計算 由于該減速機(jī)軸轉(zhuǎn)動，彎矩引起脈動循環(huán)的彎應(yīng)力，轉(zhuǎn)矩引起脈動循環(huán) 的剪應(yīng)力。 彎曲應(yīng)力幅為: MPa 式中 ——抗彎斷面系數(shù)，=0.643由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得，由于是對稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，故平均應(yīng)為力=0，根據(jù)公式 (3-3) 式中 ——5稱循環(huán)應(yīng)力時的疲勞極限，由《機(jī)械設(shè)計手冊》表 26.1-1查得 = 255 MPa ; ——正應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，由表26.3-5，按鍵槽得=1.82,按配合查得2.62，故取=1.62 ——表面質(zhì)量系數(shù)，軸經(jīng)車削加工，按表26.3-8查得0.92 ; ——尺寸系數(shù)，由26.3 0.91; ——平均應(yīng)力折算系數(shù)，由表26-3-13查得。 剪應(yīng)力幅為： MPa (3-4) 式中 ——抗扭斷面系數(shù)，由26.3-17查得 根據(jù)式 ——45號鋼扭轉(zhuǎn)疲勞極限，由表26-1-1查得140 MPa ; ——剪應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，由表26.3-5按鍵槽查得1.62，按配合查得1.89，故取1.62; ——表面質(zhì)量系數(shù)，軸經(jīng)車削加工，按表26.3-8查得=0.92; ——尺寸系數(shù)，由表26.3-11查得 0.91; ——平均應(yīng)力折算系數(shù)，由表26.3-13查得 軸-1截面安全系數(shù)由式確定 由表26.3-4可知 故，該軸1-I截面是安全的。 第4章 軸承選用與壽命計算 4.1 軸承選用 選擇滾動軸承類型時，必須了解軸承的工作載荷（大小、性質(zhì)、方向） 轉(zhuǎn)速及其他使用要求[8]。 1、轉(zhuǎn)速較高，載荷較小，要求旋轉(zhuǎn)精度高時宜選用球軸承，轉(zhuǎn)速較低， 載荷較大或有沖擊載荷時則選用滾動軸承。 2、軸承上同時受徑向和軸向聯(lián)合載荷，一般選用角接觸軸承或圓錐滾 子軸承，若徑向載荷較大，軸向載荷小，可選用深溝球軸承，而當(dāng)軸向載荷 較大，徑向載荷較小，可采用推力角接觸球軸承，四點(diǎn)接觸球軸承，或選用 推力球軸承和深溝球軸承的組合結(jié)構(gòu)。 3、各類軸承使用時內(nèi)、外圈間的傾斜角應(yīng)控制在允許角偏斜值之內(nèi)， 否則會增大軸承的附加載荷而降低壽命，當(dāng)兩軸承座孔不對中或由于加工、 安裝誤差和軸撓曲變形大等原因使軸承內(nèi)、外圈傾角較大時，選用調(diào)心軸承， 對軸和軸承的工作情況會有一定改善，帶座外球面軸承則特別適用于補(bǔ)償安 裝不良引起的對中性誤差。 4、為便于安裝拆卸和調(diào)整間隙常選用內(nèi)、外圈可分離的分離型軸承(如 圓錐滾子軸承，四點(diǎn)接觸球軸承、具有內(nèi)錐孔的軸承或帶緊定套的軸承。 5、選軸承時要注意經(jīng)濟(jì)性，球軸承比滾子軸承便宜。同型號尺寸公差 等級為、、、、的滾動軸承價格比約為。 本次設(shè)計主軸選用角接觸球軸承，他多用于高速主軸，隨接觸角的不同又有所區(qū)別，的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速略低，用于車、銑加工中心等主軸;的轉(zhuǎn)速可更高些，但軸向剛度較低，常用于軸向載荷較小，轉(zhuǎn)速較高的磨床主軸或不承受軸向載荷的車、幢、銑主軸后軸承。這種球軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常用多聯(lián)組配的辦法。背靠背、面對面和同向組配，為三種基本組配方式。背靠背和面對面組配都能承受雙向軸向載荷;同向組配則只能承受單向軸向載荷。背靠背與面對面組配相比，支承點(diǎn)(接觸線與軸線的交點(diǎn))間的距離前者比后者大，因而，能產(chǎn)生一個較大的抗彎力矩，即支承剛度較大。運(yùn)轉(zhuǎn)時，軸承外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過盈加大。軸向膨脹對背靠背組配將使過盈減小，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹;而對于面對面組配，將使過盈進(jìn)一步增加。面對面組配常用于絲杠軸承。 4.2 軸承的壽命計算 對于具有額定動載荷C軸承，當(dāng)他所受的載荷P恰好為額定動載荷時， 其額定壽命就是轉(zhuǎn)。但是當(dāng)所受的載荷PC時，軸承的壽命是多少呢? 這就是軸承壽命計算所要解決的一類問題。軸承壽命計算所要解決的另一類 問題是，軸承所受的載荷等于P，而且要求軸承具有的壽命L，那么，須選 用具有多大的額定動載荷的軸承? 額定壽命 轉(zhuǎn) 式中為指數(shù)，對于球軸承 用小時表示為 h 額定載荷N (4-1) 式中 ——載荷， kW ——轉(zhuǎn)速， ——預(yù)期計算壽命， 預(yù)期壽命為2年 h ——為指數(shù)，對于球軸承 代入 h h 4.3 軸承的潤滑與密封 潤滑的作用是減少摩擦、降低溫升和防止腐蝕。潤滑不良會使軸承溫升 劇增，加速軸承的磨損，影響主軸部件的正常工作。潤滑劑的選用和潤滑方 式?jīng)Q定于軸承的類型、速度和工作負(fù)荷，良好的潤滑可以降低軸承溫度，延 長壽命。 4.3.1 主軸滾動軸承的潤滑 滾動軸承可以用潤滑脂或潤滑油來潤滑。速度較低時溫升較低，可用脂 潤滑;速度較高時用油潤滑較好，一般可按軸承的速度因數(shù)來選擇。 1. 脂潤滑 潤滑脂的粘度大，不易流失，因此不需要經(jīng)常更換，密封也較簡單。但 摩擦阻力大，機(jī)械效率低，流動性差，導(dǎo)熱系數(shù)小。因此適用于值較低 的場合，特別適用于立式或套筒式主軸部件，可防止漏油。 潤滑脂填充量不宜過多，尤其不能把軸承的空間填滿，否則將引起過多 的發(fā)熱，并且有可能使油脂溶化流出，效果就適得其反。通常填充量不宜超 過軸承內(nèi)部空間體積的30% 。 機(jī)床主軸常用的潤滑脂是鉀基潤滑脂和精密機(jī)床主軸潤滑脂。 表4-1脂潤滑和油潤滑適用的值 軸承類型 脂潤滑 油潤滑 飛濺油浴潤滑 滴油潤滑 油氣潤滑 噴射潤滑 深溝球軸承 300000 500000 600000 1000000 2500000 角接觸球軸承 300000 500000 500000 900000 2500000 圓柱滾子軸承 25000 40000 400000