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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
XK5036數(shù)控立式銑床總體及
橫向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
從研究銑床著手，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)XK5036數(shù)控立式銑床，滿足了生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的要求。XK5036數(shù)控立式銑床整個(gè)銑床主要包括橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)、立柱、橫梁、底座、工作臺(tái)等主要組部件。其中所有進(jìn)給機(jī)構(gòu)均采用滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，并由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主軸箱安裝在門架上，運(yùn)用類比法自行設(shè)計(jì)了滾珠絲杠螺母副的制動(dòng)裝置。全面闡述了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并進(jìn)行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。
其中XK5036橫向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)著重介紹了橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要通過滾珠絲杠執(zhí)行完成的，重點(diǎn)介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對(duì)滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則以及廠家的選擇等。
關(guān)鍵詞：銑床，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
Abstract
Started from the study of milling machine, referring to the domestic and foreign advanced experience, to design a XK5036 CNC vertical milling machine, to meet the requirements of production and design. XK5036 CNC vertical milling machine milling machine mainly comprises the entire transverse and longitudinal feed mechanism, a vertical feed mechanism, column, beam, a base, etc. the main component of working table. All of which feed mechanism adopts the ball screw drive, and is driven by servo motor. The spindle box is arranged on the door frame, by using the method of analogy to design their own ball screw nut pair of braking device. Comprehensively expounds the structure principle, CNC milling machine design features, discusses the advantages of using a servo motor and a ball screw nut pair. Introduces the structure design and verification of CNC milling machine, and analyses the. In addition, a summary of the relevant technical parameters.
The design of XK5036 transverse feed transmission mechanism introduced emphatically the transverse feed mechanism, a transverse feed mechanism mainly through ball screw has finished executing, emphatically introduces the principle and the selection principle of ball lead screw, ball screw system on the production and application of such links are introduced. Including the principles and manufacturers selection, parameter selection, selection accuracy, cycle mode choice, and matching host selection.
Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 1
1.1 數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn) 1
1.1.1 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的區(qū)別 1
1.1.2 數(shù)控機(jī)床的適用范圍 2
1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 2
1.3數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 3
1.3.1控制系統(tǒng)的選擇 4
1.3.2 選擇設(shè)計(jì)對(duì)象要適宜 4
1.3.3 機(jī)床的機(jī)械設(shè)計(jì)范圍要適當(dāng) 5
1.3.4 輔助設(shè)計(jì)要合適 5
1.4 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢 6
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 8
2.1總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容 8
2.2 設(shè)計(jì)方案的確定 8
第3章 確定切削用量及選擇刀具 11
3.1 科學(xué)選擇數(shù)控刀具 11
3.1.1 選擇數(shù)控刀具的原則 11
3.1.2 選擇數(shù)控車削用刀具 11
3.1.3 選擇數(shù)控銑削用刀具 12
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) 12
3.3 確定切削用量 13
3.3.1 確定主軸轉(zhuǎn)速 13
3.3.2 確定進(jìn)給速度 13
3.3.3 確定背吃刀量 13
第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì) 14
4.1 參數(shù)的擬定 14
4.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇 14
4.3 轉(zhuǎn)速圖擬定 16
4.4 齒輪齒數(shù)的確定及傳動(dòng)系統(tǒng)圖的繪制 19
第5章 橫向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖和零件圖的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
5.1設(shè)計(jì)方案的確定 24
5.2 進(jìn)給滾珠絲桿副的選擇 24
5.2.1 導(dǎo)程確定 24
5.2.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 25
5.2.3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 25
5.2.4 確定絲桿的等效負(fù)載 25
5.2.5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 25
5.2.6 精度的選擇 26
5.2.7 選擇滾珠絲桿型號(hào) 27
5.3 校核 27
5.3.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 27
5.3.2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 28
5.3.3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 28
5.4 電機(jī)的選擇 29
5.4.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 29
5.4.2 電機(jī)扭矩計(jì)算 30
結(jié) 論 32
致 謝 33
參考文獻(xiàn) 34
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是機(jī)械制造業(yè)中，普通機(jī)械正逐漸被高效率、高精度、高自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)械所代替。目前國外機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化率已達(dá)到85%以上，而我國的機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化率不足20%，隨著我國機(jī)制行業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國計(jì)民生的一些重要行業(yè)（汽銑、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。1.高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢2.軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展3.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢4.重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立其中包括：a.關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范b. 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范，加強(qiáng)數(shù)控銑床的整機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)該把握的主要問題的訓(xùn)練。
研究此課題的意義在于：針對(duì)大學(xué)畢業(yè)生技能的需求，在培養(yǎng)過程中，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，把自己置身于工程背景之中，以提高我們的專業(yè)水平。通過此設(shè)計(jì)，我們可以初步掌握設(shè)計(jì)一般銑床的方法與步驟，可為我們今后工作打下良好的基礎(chǔ)。將大學(xué)三年所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行匯總，考核我們所學(xué)知識(shí)的牢固度，檢驗(yàn)我們運(yùn)用知識(shí)的能力。
1.1 數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn)
1.1.1 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的區(qū)別
數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工過程，是嚴(yán)格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動(dòng)作執(zhí)行的。它是一種高效能自動(dòng)或半自動(dòng)機(jī)床，與普通機(jī)床相比，具有以下明顯特點(diǎn)：
1. 適合于復(fù)雜異形零件的加工
數(shù)控機(jī)床可以完成普通機(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
2. 加工精度高
3. 加工穩(wěn)定可靠
實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
4. 高柔性
加工對(duì)象改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，體現(xiàn)出很好的適應(yīng)性，可大大節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上，可以組成具有更高柔性的自動(dòng)化制造系統(tǒng)—FMS。
5. 高生產(chǎn)率
數(shù)控機(jī)床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機(jī)床的 3～5 倍，對(duì)某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。
6. 勞動(dòng)條件好
機(jī)床自動(dòng)化程度高，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，工作環(huán)境較好。
7. 有利于管理現(xiàn)代化
采用數(shù)控機(jī)床有利于向計(jì)算機(jī)控制與管理生產(chǎn)方面發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。
8. 投資大，使用費(fèi)用高
9. 生產(chǎn)準(zhǔn)備工作復(fù)雜
由于整個(gè)加工過程采用程序控制，數(shù)控加工的前期準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜，包含工藝確定、程序編制等。
10. 維修困難
數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，技術(shù)含量高，對(duì)維修人員的技術(shù)要求很高。
1.1.2 數(shù)控機(jī)床的適用范圍
由于數(shù)控機(jī)床的上述特點(diǎn)，適用于數(shù)控加工的零件有：
·批量小而又多次重復(fù)生產(chǎn)的零件；
·幾何形狀復(fù)雜的零件；
·貴重零件加工；
·需要全部檢驗(yàn)的零件；
·試制件。
對(duì)以上零件采用數(shù)控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數(shù)控加工的優(yōu)勢。
1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度
數(shù)控銑床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)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(fù)雜的軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過程序控制自動(dòng)完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等加工。
由于數(shù)控銑床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補(bǔ)功能，有些數(shù)控銑床還具有非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過程中具有自動(dòng)變速功能等特點(diǎn)，所以它的工藝范圍要比普通銑床要寬得多。
由于數(shù)控銑床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，部分銑床數(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數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析
由于歷史的原因，我國普通加工設(shè)備多，數(shù)控加工設(shè)備少；老設(shè)備多，新設(shè)備少。許多企業(yè)的機(jī)床精度差、故障率高。通過機(jī)床數(shù)控設(shè)計(jì)使普通機(jī)床不僅具有好的加工精度，而且還具有數(shù)控機(jī)床的功能。對(duì)于中小型企業(yè)，沒有足夠的資金來購買全功能的數(shù)控機(jī)床，但是使用單板機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)型開環(huán)數(shù)控機(jī)床，具有花錢少、見效快的特點(diǎn)。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控技術(shù)改裝加工批量零件的機(jī)床非常合適。微機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床簡易數(shù)控的工作原理采用微機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床簡易數(shù)控的裝置，主要由單板機(jī)、控制程序、零件加工程序、驅(qū)動(dòng)電源裝置，收發(fā)信板、功率步進(jìn)電機(jī)等部件組成。
圖1.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的系統(tǒng)裝置框圖。
在圖1.1所示的系統(tǒng)裝置中，單板機(jī)在控制程序的控制下，可以使數(shù)控系統(tǒng)具有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)加工工件輪廓的功能；具有進(jìn)給速度控制和快速回零的功能；具有刀具補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償?shù)墓δ?，以及其它多種功能。當(dāng)零件加工程序給出具體的位移尺寸、位移方向和進(jìn)給速度后，控制程序就會(huì)通過單板機(jī)按照所輸入的零件加工程序發(fā)出一系列的脈沖信號(hào)。經(jīng)隔離放大以后，分別驅(qū)動(dòng) 向和 向功率步進(jìn)電機(jī)，使刀架按照要求的方向、速度和位移量實(shí)現(xiàn)縱向和橫向運(yùn)動(dòng)。從而構(gòu)成了一個(gè)經(jīng)濟(jì)型開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。用微機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床簡易數(shù)控優(yōu)化方案的確定原則
1.3.1控制系統(tǒng)的選擇
目前數(shù)控系統(tǒng)的類型較多，選擇前應(yīng)對(duì)被設(shè)計(jì)機(jī)床的功能有個(gè)充分了解，再依據(jù)價(jià)格合理、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便的原則選擇數(shù)控系統(tǒng)。其中和單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是用得較多的兩種系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心是系列的單片微機(jī)。它用三路驅(qū)動(dòng)電路，分別控制、和向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它進(jìn)行機(jī)床的位移運(yùn)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)任意二坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)或三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。單片機(jī)是系列微機(jī)的典型產(chǎn)品，其硬件功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單板機(jī)，尤其適合實(shí)時(shí)控制、智能儀表、自動(dòng)機(jī)床，是控制類型領(lǐng)域中最理想的八位微型計(jì)算機(jī)，在全世界都得到廣泛應(yīng)用。數(shù)控裝置是三坐標(biāo)（銑床）數(shù)控系統(tǒng)，它用國際標(biāo)準(zhǔn)代碼進(jìn)行編程，除了能執(zhí)行本身的編程指令外，還能執(zhí)行二坐標(biāo)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的編程指令，而且三坐標(biāo)系統(tǒng)的各種操作方法（如輸入、修改、刪除及運(yùn)行加工程序）相同于二坐標(biāo)系統(tǒng)。
選擇控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該注意以下幾方面的問題：
（1）在資金充足的情況下，盡量選用質(zhì)量好的產(chǎn)品。因?yàn)榇祟悢?shù)控系統(tǒng)零件篩選嚴(yán)格，制造工藝規(guī)范可靠，能很好地預(yù)防電器元件的故障或提前失效引起的設(shè)備故障。
（2）應(yīng)該注重?cái)?shù)控功能的選擇，不應(yīng)單純追求數(shù)控系統(tǒng)的高性能指標(biāo)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)較高的性能價(jià)格比非常重要。
（3）數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能要與準(zhǔn)備設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床所能達(dá)到的功能相匹配，盡量減少過剩的數(shù)控功能。
1.3.2 選擇設(shè)計(jì)對(duì)象要適宜
采用微機(jī)數(shù)控機(jī)床加工零件，必須首先編制出加工程序。通常適宜于加工具有一定批量的相類似零件。因此，在選擇適宜于進(jìn)行設(shè)計(jì)的機(jī)床時(shí)，首先必須對(duì)各類機(jī)床的零件加工情況進(jìn)行調(diào)查研究，分類統(tǒng)計(jì)，看零件有無批量，看各類批量主要在哪種機(jī)床上進(jìn)行加工，以及在哪種型號(hào)的機(jī)床上進(jìn)行加工，這樣才能確定出設(shè)計(jì)對(duì)象。一般中小銑床上的工件總是比較飽滿，成批量的零件也比較多。因此，用微機(jī)技術(shù)把中小銑床設(shè)計(jì)成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床比較適宜。對(duì)于一些中小型企業(yè)，為了充分發(fā)揮銑床的作用，更需要經(jīng)過設(shè)計(jì)的銑床。這樣既能用數(shù)控系統(tǒng)加工批量零件，又具有臥式銑床的功能，以適于加工單件零件。對(duì)于一些形狀復(fù)雜的零件，普通機(jī)床往往難于加工成形。如果采用機(jī)械仿形的方法進(jìn)行加工，在不成批量的情況下很不合算。這時(shí)，用微機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)床，就可以使問題得到解決，明顯提高企業(yè)加工能力。編程要比制作靠模容易得多，靈活得多。用數(shù)控機(jī)床加工形狀復(fù)雜的零件是非常適宜的。
1.3.3 機(jī)床的機(jī)械設(shè)計(jì)范圍要適當(dāng)
機(jī)床設(shè)計(jì)范圍的大小，應(yīng)根據(jù)機(jī)床自身精度及性能來決定。以臥式銑床為例加以說明。對(duì)于舊銑床的設(shè)計(jì)范圍，一般都是把原來的機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，由主軸箱通過掛輪箱帶動(dòng)進(jìn)給變速箱，將運(yùn)動(dòng)傳給光杠或絲杠。然后再驅(qū)動(dòng)溜板運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)過程，設(shè)計(jì)為由功率步進(jìn)電機(jī)通過消隙減速齒輪，直接帶動(dòng)滾珠絲杠，使刀架分別實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)動(dòng)和
橫向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行兩個(gè)坐標(biāo)的控制。對(duì)于精度符合要求的銑床，為了實(shí)現(xiàn)簡易數(shù)控設(shè)計(jì)，一般都是對(duì)銑床的部件基本不動(dòng)，只是把床鞍的縱向滑動(dòng)絲杠副設(shè)計(jì)為縱向滾珠絲杠副。在縱向滾珠絲杠的右端安裝一套消隙減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)也把中滑板的橫向滑動(dòng)絲杠副設(shè)計(jì)為橫向滾珠絲杠副，在橫向滾珠絲杠的外端安裝一套消隙減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)，從而使銑床的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)既能用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，又能由操作者進(jìn)行普通操作。在機(jī)床設(shè)計(jì)過程中，只要把溜板箱中的開合螺母及中滑板上的滑動(dòng)螺母拆除，在合適的位置上安裝好滾珠螺母座即可。在電氣控制方面，為了避免數(shù)控操作與普通操作相干涉，發(fā)生操作失誤現(xiàn)象，必須有電氣連鎖開關(guān)控制操作轉(zhuǎn)換。對(duì)于全新或較新銑床，在進(jìn)行簡易數(shù)控設(shè)計(jì)時(shí)，一般都是全部保留機(jī)床的零部件。直接把消隙減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)分別按裝在縱向滑動(dòng)絲杠的右端和橫向滑動(dòng)絲杠的外端。從而也可以使銑床同時(shí)具有普通操作功能和簡易數(shù)控功能。
1.3.4 輔助設(shè)計(jì)要合適
如果在設(shè)計(jì)后的簡易數(shù)控銑床上，采用一把刀可以完成全部工序，就沒有必要對(duì)刀架進(jìn)行設(shè)計(jì)。但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)工件需要兩把刀或幾把刀來分別完成兩個(gè)或幾個(gè)工序的情況，這時(shí)可根據(jù)每把刀的使用情況，分別進(jìn)行編程，通過一個(gè)程序，使用一把刀，來完成一個(gè)工序。使原來普通操作使用的刀架在數(shù)控操作時(shí)也可以使用。這樣，根據(jù)設(shè)計(jì)后銑床的主要加工對(duì)象，確定刀架是否需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以使設(shè)計(jì)費(fèi)用使用得更加合理，避免發(fā)生設(shè)計(jì)過剩現(xiàn)象。如果設(shè)計(jì)后的簡易銑床，主要用來加工比較復(fù)雜的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部車工工序，就必須對(duì)刀架部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般可采用安裝有四把刀、由鼠牙盤定位、進(jìn)行絕對(duì)刀位控制的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架比較合適。重復(fù)定位誤差可小于 ，精度持久性比較好。這種刀架出廠時(shí)，就規(guī)定了刀號(hào)位置。當(dāng)需要幾號(hào)刀在加工位置時(shí)，只需對(duì)該刀控制信號(hào)口發(fā)出信號(hào)，刀架就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到需要的位置。設(shè)計(jì)后的簡易數(shù)控銑床需要加工螺紋時(shí)，可以在主軸后端同軸安裝或異軸安裝一個(gè)主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信號(hào)反饋元件。目的是為了檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，并且將其變化情況輸送給單板機(jī)，使單板機(jī)能按照所需加工的螺距進(jìn)行處理?？刂瓶v向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過縱向滾珠絲杠帶動(dòng)刀架完成螺紋加工。
1.4 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢
1. 高速、高效、高精度、高可靠性
（1） 高速、高效加工
進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)床向高速化方向發(fā)展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質(zhì)量和精度.上世紀(jì)90年代以來歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。
（2）高精度、超精密化加工
當(dāng)前，機(jī)械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍.達(dá)到5微米;精密加工精度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，超精密加工精度進(jìn)入納米級(jí)(0.001微米)，主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到0.01-0.05微米，加工圓度為0.1微米加工表面粗糙度Ra0.003微米等從精密加工發(fā)展到超精密加工〔特高精度加工)，是世界各工業(yè)強(qiáng)國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級(jí)到亞微米級(jí)，乃至納米級(jí)(<10nm).其應(yīng)用范圍日趨廣泛
（3）高可靠性
是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性在一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠對(duì)于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時(shí)內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率P(t)=99%以上的話，則數(shù)控機(jī)床的平均無故障運(yùn)行時(shí)間MTBF 就必須大于3000小時(shí).當(dāng)前國外數(shù)控裝置的MIBF值已達(dá)60000小時(shí)以上，驅(qū)動(dòng)裝置達(dá)30000小時(shí)以上.
2. 模塊化、智能化、柔性化和集成化
(1)模塊化、專門化與個(gè)性化
為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床多品種、小批量的特點(diǎn).機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化，機(jī)床性能價(jià)格比顯著提高并加快優(yōu)化。個(gè)性化是近幾午來特別明顯的發(fā)展趨勢.
(2)智能化
在數(shù)控系統(tǒng)中智能化的內(nèi)容包括①為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化:如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成:②為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算等:③簡化編程、簡化操作方面的智能化:④智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容等。
(3)柔性化和集成化
數(shù)控機(jī)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床) 、線(FMC 、FMS F、TL F、ML)向面(工段車間獨(dú)立制造島、工廠自動(dòng)化FA)、體(CIMS,分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展.
3. 開放性
為適應(yīng)數(shù)控進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個(gè)性化、多品種、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的耍求，最重耍的發(fā)展趨勢是體系結(jié)構(gòu)的開放性，設(shè)計(jì)生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)，例如美國的OMAC,歐共體的OSACA及日本的OSEC發(fā)展開觸式數(shù)控的計(jì)劃等。
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
2.1總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容
數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
2.2 設(shè)計(jì)方案的確定
在我國設(shè)備數(shù)控設(shè)計(jì)時(shí)，較多采用步給電機(jī)作為私服驅(qū)動(dòng)元件。步給電機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，它利用通電激磁繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩，將脈沖電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件，當(dāng)激磁繞組按一定規(guī)律獲得分配比例關(guān)系，而且轉(zhuǎn)動(dòng)與輸入脈沖在時(shí)間上同步，因此可以利用這些特點(diǎn)控制運(yùn)動(dòng)的速度和位移量。
步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，電氣控制和驅(qū)動(dòng)電路也簡單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜，實(shí)際制造較簡單，容易調(diào)試，使用維修方便。位移精度較好，對(duì)各種干擾因素不敏感，結(jié)構(gòu)誤差不會(huì)累積。另外，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)快。但步給點(diǎn)饑也有缺點(diǎn)，主要是容易丟步，啟動(dòng)頻率低，工作頻率也不夠高，低頻率振動(dòng)大，沖擊大，有時(shí)還有自激振蕩。補(bǔ)給電機(jī)沒有過載能力，當(dāng)工作條件變動(dòng)時(shí)，可能造成失誤，因此步進(jìn)電機(jī)多用于負(fù)載較小，負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型簡易型數(shù)控設(shè)備中。
功率放大
光電隔離
微 機(jī)
步進(jìn)電 機(jī)
橫向工作臺(tái)
步進(jìn)電 機(jī)
功率放大
光電隔離
采用直流或交流伺服閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難得多，造價(jià)也高。閉環(huán)控制可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中各種誤差，消除間隙、干擾等對(duì)加工精度影響，一般應(yīng)用與要求高的數(shù)控設(shè)備中。另外，由于閉環(huán)控制使機(jī)械傳動(dòng)得各個(gè)環(huán)節(jié)都綜合作用于反饋信號(hào)，因此對(duì)系統(tǒng)得穩(wěn)定性造成影響因素都嚴(yán)格控制把關(guān)。由于設(shè)計(jì)數(shù)控車床的目標(biāo)工件加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。
采用直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間。由于調(diào)速范圍寬，過載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步給電機(jī)開環(huán)控制：反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動(dòng)元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以比閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn)。但是采用半閉環(huán)控制，調(diào)試比開環(huán)控制步給要困難些，設(shè)計(jì)上也要有其自身的特點(diǎn)；另外反饋環(huán)節(jié)外的傳動(dòng)元件將會(huì)直接影響機(jī)床精度和加工精度，因此在設(shè)計(jì)也必須重視。
查看了銑床的有關(guān)資料，按銑床設(shè)計(jì)后擬加工的零件要求，確定數(shù)控系統(tǒng)的選用步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)，縱向脈沖當(dāng)量為0.001mm/脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖。該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步給電機(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，使不給電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移量、速度和運(yùn)動(dòng)方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步給電機(jī)角位移精度，齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單調(diào)，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
數(shù)控設(shè)計(jì)中主要機(jī)械部件改裝，一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計(jì)上要達(dá)到：有高的靜動(dòng)態(tài)剛度；運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量達(dá)到上任要求。不恩能夠認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對(duì)主要部件進(jìn)行相與的設(shè)計(jì)使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。
滾珠絲杠副是精密元件，工作時(shí)要嚴(yán)防灰塵特別是切削及硬砂粒進(jìn)入渠道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取FC1B系列，即外插管變螺距型滾珠絲杠副。其優(yōu)點(diǎn)是螺母的軸向尺寸小，切已經(jīng)預(yù)加載荷消除間隙。
縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱和溜板箱，利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安置在原絲杠的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進(jìn)給整體剛度只可能增加。
橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。保留原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于微進(jìn)給和機(jī)床刀具對(duì)零的操作，原有的支承結(jié)構(gòu)也保留。步給電機(jī)-齒輪箱體安裝在機(jī)床后側(cè)。為了便于安裝滾珠絲杠，絲杠軸不是整體的，而采用分移式，然后用套筒剛性聯(lián)接。
縱、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用一級(jí)齒輪減速，并用雙片齒輪錯(cuò)齒法消除間隙。雙片齒輪間沒有加彈簧自動(dòng)消除間隙。因?yàn)閺椈傻膹椓茈y適應(yīng)負(fù)載的變化。當(dāng)負(fù)載變大時(shí)，彈簧力顯小，起不到消除間隙的目的；當(dāng)負(fù)載小時(shí)，彈簧力有顯大，則加速齒輪的磨損。應(yīng)次，采用定期人工調(diào)整、螺釘緊固的方法消除間隙。
拖板與滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對(duì)防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌。在溜板箱上安裝縱、橫向快速進(jìn)給按鈕和急停按紐。
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第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1 科學(xué)選擇數(shù)控刀具
3.1.1 選擇數(shù)控刀具的原則
刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時(shí),應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命,而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種,前者根據(jù)單件工時(shí)最少的目標(biāo)確定,后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定。?
選擇刀具壽命時(shí)可考慮如下幾點(diǎn)根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具,由于換刀時(shí)間 短,為了充分發(fā)揮其切削性能,提高生產(chǎn)效率,刀具壽命可選得低些,一般取15-30min。對(duì)于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合機(jī)床與自動(dòng)化加 工刀具,刀具壽命應(yīng)選得高些,尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個(gè)車間的生產(chǎn)率的提高時(shí),該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時(shí)間 內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時(shí),刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時(shí),為保證至少完成一次走刀,避免切削時(shí)中途換刀,刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度來 確定。與普通機(jī)床加工方法相比,數(shù)控加工對(duì)刀具提出了更高的要求,不僅需要岡牲好、精度高,而且要求尺寸穩(wěn)定,耐用度高,斷和排性能壇同時(shí)要求安裝調(diào)整方 便,這樣來滿足數(shù)控機(jī)床高效率的要求。數(shù)控機(jī)床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細(xì)粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。
3.1.2 選擇數(shù)控車削用刀具
數(shù)控車削常用的一般分成型銑刀、尖形銑刀、圓弧形銑刀以及三類。成型銑刀也稱樣板銑刀,其加工零件的輪廓形狀完全由銑刀刀刃的形伏和尺寸決定。數(shù)控車削加 工中,常見的成型銑刀有小半徑圓弧銑刀、非矩形車槽刀和螺紋刀等。在數(shù)控加工中,應(yīng)盡量少用或不用成型銑刀。尖形銑刀是以直線形切削刃為特征的銑刀。這類 銑刀的刀尖由直線形的主副切削刃構(gòu)成,如900內(nèi)外圓銑刀、左右端面銑刀、切槽(切斷)銑刀及刀尖倒棱很小的各種外圓和內(nèi)孔銑刀。尖形銑刀幾何參數(shù)(主要 是幾何角度)的選擇方法與普通車削時(shí)基本相同,但應(yīng)結(jié)合數(shù)控加工的特點(diǎn)(如加工路線、加工干涉等)進(jìn)行全面的考慮,并應(yīng)兼顧刀尖本身的強(qiáng)度。?
二是圓弧形銑刀。圓弧形銑刀是以一 圓度或線輪廓度誤差很小的圓弧形切削刃為特征的銑刀。該銑刀圓弧刃每一點(diǎn)都是圓弧形銑刀的刀尖,應(yīng)此,刀位點(diǎn)不在圓弧 上,而在該圓弧的圓心上。圓弧形銑刀可以用于車削內(nèi)外表面,特別適合于車削各種光滑連接(凹形)的成型面。選擇銑刀圓弧半徑時(shí)應(yīng)考慮兩點(diǎn)銑刀切削刃的圓弧 半徑應(yīng)小于或等于零件凹形輪廓上的最小曲率半徑,以免發(fā)生加工干淺該半徑不宜選擇太小,否則不但制造困難,還會(huì)因刀尖強(qiáng)度太弱或刀體散熱能力差而導(dǎo)致銑刀 損壞。
3.1.3 選擇數(shù)控銑削用刀具
在數(shù)控加工中,銑削平面零件內(nèi)外輪廓及銑削平面常用平底立銑刀,該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:一是銑刀半徑RD應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑 Rmin,一般取RD=(0.8-0.9)Rmin。二是零件的加工高度H<(1/4-1/6)RD,以保證刀具有足夠的剛度。三是用平底立銑刀銑 削內(nèi)槽底部時(shí),由于槽底兩次走刀需要搭接,而刀具底刃起作用的半徑Re=R-r,即直徑為d=2Re=2(R-r),編程時(shí)取刀具半徑為 Re=0.95(Rr)。對(duì)于一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工,常用球形銑刀、環(huán)形銑刀、鼓形銑刀、錐形銑刀和盤銑刀。?
目前,數(shù)控機(jī)床上大多使用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化刀具,對(duì)可轉(zhuǎn)位機(jī)夾外圓銑刀、端面銑刀等的刀柄和刀頭都有國家標(biāo)準(zhǔn)及系列化型號(hào)對(duì)于加工中心及有自動(dòng)換刀裝置的機(jī) 床,刀具的刀柄都已有系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定,如錐柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為TSG-JT,直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為DSG-JZ,此外,對(duì)所選擇的刀具,在 使用前都需對(duì)刀具尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的測量以獲得精確數(shù)據(jù),并由操作者將這些數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)系統(tǒng),經(jīng)程序調(diào)用而完成加工過程,從而加工出合格的工件。
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn)
刀具究竟從什么位置開始移動(dòng)到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始,必須確定刀具在工件坐標(biāo)系下開始運(yùn)動(dòng)的位置,這一位置即為程序執(zhí)行時(shí)刀具相對(duì)于工件 運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn),所以稱程序起始點(diǎn)或起刀點(diǎn)。此起始點(diǎn)一般通過對(duì)刀來確定,所以,該點(diǎn)又稱對(duì)刀點(diǎn)。在編制程序時(shí),要正確選擇對(duì)刀點(diǎn)的位置。對(duì)刀點(diǎn)設(shè)置原則是: 便于數(shù)值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查；引起的加工誤差小。對(duì)刀點(diǎn)可以設(shè)置在加工零件上,也可以設(shè)置在夾具上或機(jī)床上,為了提高零 件的加工精度,對(duì)刀點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基誰上。實(shí)際操作機(jī)床時(shí),可通過手工對(duì)刀操作把刀具的刀位點(diǎn)放到對(duì)刀點(diǎn)上,即“刀位點(diǎn)”與“對(duì)刀 點(diǎn)”的重合。所謂“刀位點(diǎn)”是指刀具的定位基準(zhǔn)點(diǎn),銑刀的刀位點(diǎn)為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點(diǎn)；球頭銑刀是球頭的球心,鉆 頭是鉆尖等。用手動(dòng)對(duì)刀操作,對(duì)刀精度較低,且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對(duì)刀鏡、對(duì)刀儀、自動(dòng)對(duì)刀裝置等,以減少對(duì)刀時(shí)間,提高對(duì)刀精度。加工過程中需 要換刀時(shí),應(yīng)規(guī)定換刀點(diǎn)。所謂“換刀點(diǎn)”是指刀架轉(zhuǎn)動(dòng)換刀時(shí)的位置,換刀點(diǎn)應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部,以換刀時(shí)不碰工件及其它部件為準(zhǔn)。
3.3 確定切削用量
數(shù)控編程時(shí),編程人員必須確定每道工序的切削用量,并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。對(duì)于不同的加工方法,需要選 用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度,充分發(fā)揮刀具切削性能,保證合理的刀具耐用度,并充分發(fā)揮機(jī)床的性能,最大限度 提高生產(chǎn)率,降低成本。
3.3.1 確定主軸轉(zhuǎn)速
主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)允許的切削速度和工件(或刀具)直徑來選擇。其計(jì)算公式為:?
n=1000v/71D?
式中:v—速度,單位為m/m動(dòng),由的耐用度決定；n一一主軸轉(zhuǎn)速,單位為r/min,
D—工件直徑或刀具直徑,單位為mm。?
計(jì)算的主軸轉(zhuǎn)速n,最后要選取機(jī)床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。
3.3.2 確定進(jìn)給速度
進(jìn)給速度是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù),主要根據(jù)零件的精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的性能限 制。確定進(jìn)給速度的原則:當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時(shí),為提高生產(chǎn)效率,可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選??；在切 斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時(shí),宜選擇較低的進(jìn)給速度,一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選取；當(dāng)加工精度,表面粗糙度要求高時(shí),進(jìn)給速度應(yīng)選小 些,一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取；刀具空行程時(shí),特別是遠(yuǎn)距離“回零”時(shí),可以設(shè)定該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進(jìn)給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來決定,在剛度允許的條件下,應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量,這樣可以減少走刀次數(shù),提高生產(chǎn)效率。為了保證 加工表面質(zhì)量,可留少量精加工余量,一般0.2一0.5mm,總之,切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床性能、相關(guān)的手冊(cè)并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)用類比方法確定。
同時(shí),使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進(jìn)給速度三者能相互適應(yīng),以形成最佳切削用量。?
切削用量不僅是在機(jī)床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù),而且其數(shù)值合理與否對(duì)加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指充 分利用刀具切削性能和機(jī)床動(dòng)力性能(功率、扭矩),在保證質(zhì)量的前提下,獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。
第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)
4.1 參數(shù)的擬定
XK5036數(shù)控立式銑床設(shè)計(jì)參數(shù)
1、主軸轉(zhuǎn)速：30-1500轉(zhuǎn)/分
2、工作臺(tái)尺寸(長×寬)： 1250mm×360mm
3、工作臺(tái)最大行程： 縱向 600mm 橫向 320mm 垂直 360mm
4、快速移動(dòng)速度： 15m/min
工作臺(tái)定位精度 x、y、z ±0.03mm；
5、工作臺(tái)重復(fù)定位精度 x、y、z ±0.02mm；
6、縱向、橫向及垂直進(jìn)給為微機(jī)控制，采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲
杠傳動(dòng)，脈沖當(dāng)量0.010mm/脈沖。
7、實(shí)現(xiàn)功能：銑削平面、斜面、溝槽、齒輪等。
8、操作要求：起動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、單步運(yùn)行、自動(dòng)循環(huán)、暫停、停止
XK5036數(shù)控立式銑床選定公比，確定各級(jí)傳送機(jī)床常用的公比 為1.26或1.41，考慮適當(dāng)減少相對(duì)速度損失，這里取公比為 =1.26，根據(jù)給出的條件：主運(yùn)動(dòng)部分Z=18級(jí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表，確定各級(jí)轉(zhuǎn)速為：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.
4.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇
1，確定變數(shù)組數(shù)目和各變數(shù)組中傳動(dòng)副的數(shù)目
該機(jī)床的變數(shù)范圍較大，必須經(jīng)過較長的傳動(dòng)鏈減速才能把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降到主軸所需的轉(zhuǎn)速。級(jí)數(shù)為Z的傳動(dòng)系統(tǒng)由若干個(gè)傳動(dòng)副組成，各傳動(dòng)組分別有. .`````````個(gè)傳動(dòng)副，即Z=```````。傳動(dòng)副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制，通常采用P=2或3，即變速Z應(yīng)為2或3的因子：Z=x
因此，這里18=3x3x2，共需三個(gè)變速組。
2，傳動(dòng)組傳動(dòng)順序的安排
18級(jí)轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)組，可以排成：3x3x2，或3x2x3。
選擇傳動(dòng)組安排方式時(shí)，要考慮到機(jī)床主軸變速率的具體結(jié)構(gòu)，裝置和性能。I軸如果安置制動(dòng)的電磁離和器時(shí)，為減少軸向尺寸。第一傳動(dòng)組的傳動(dòng)副數(shù)不能多，以2為宜，有時(shí)甚至用一個(gè)定比傳動(dòng)副；主軸對(duì)加工精度，表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個(gè)傳動(dòng)組的傳動(dòng)副選用2 ，或一個(gè)定比傳動(dòng)副。
這里，根據(jù)前多后少的原則，選擇18=3x3x2方案。
3，傳動(dòng)系統(tǒng)的擴(kuò)大順序安排
對(duì)于18=3x3x2的傳動(dòng)，有3！=6種可能安排，亦即有6種機(jī)構(gòu)副和對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)，傳動(dòng)方案中，擴(kuò)大順序與傳動(dòng)順序可以一致，，結(jié)構(gòu)式18=xx的傳動(dòng)中，擴(kuò)大順序與傳動(dòng)順序一致，稱為順序擴(kuò)大傳動(dòng)，而，18=xx的傳動(dòng)順序不一致，根據(jù)“前密后疏”的原則，選擇18=xx的結(jié)構(gòu)式。
4驗(yàn)算變速組的變速范圍
齒輪的最小傳動(dòng)1/4，最大傳動(dòng)比2，決定了一個(gè)傳動(dòng)組的最大變速范圍=/
因此，可按下表，確定傳動(dòng)方案：
根據(jù)傳動(dòng)比及指數(shù) x, 的值
公比
極限值傳動(dòng)比指數(shù)
1.26
x值: =1/=1/4
6
值: ==2
3
（x+）值：==8
9
因此，可選擇18=xx的傳動(dòng)方案。
5、最后擴(kuò)大傳動(dòng)組的選擇：
正常連續(xù)順序擴(kuò)大傳動(dòng)（串聯(lián)式）的傳動(dòng)式為：
Z=*
最后擴(kuò)大傳動(dòng)組的變速范圍為：
r==
按原則，導(dǎo)出系統(tǒng)的最大收效Z和變速范圍為：
2
3
1.26
Z=18
R=50
Z=12
R=12.7
因此，傳動(dòng)方案18=3*3*2符合上述條件，其結(jié)構(gòu)網(wǎng)如下圖4.1：
圖4.1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖
4.3 轉(zhuǎn)速圖擬定
XK5036數(shù)控立式銑床運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定后，主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定電機(jī)功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機(jī)的型號(hào)，分配個(gè)變速組的最小傳動(dòng)比；擬定轉(zhuǎn)速圖，確定各中間軸的轉(zhuǎn)速。
1，主電機(jī)的選擇
中型機(jī)床上，一般都采用交流異步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，可在下列中選用，在選擇電機(jī)型號(hào)時(shí)，應(yīng)注意：
（1）電機(jī)的N：
根據(jù)機(jī)床切削能力的要求確定電機(jī)功率，但電機(jī)產(chǎn)品的功率已標(biāo)準(zhǔn)化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標(biāo)準(zhǔn)值。
（2）電機(jī)的轉(zhuǎn)速
異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有：3000，1500，1000，750，r/min,這取決于電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)P
=60f/p=60x50/p ( r/min)
機(jī)床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 兩種，選用是要使電機(jī)轉(zhuǎn)速與主軸最高速度和工軸轉(zhuǎn)速相近為宜，以免采用過大或過小的降速傳動(dòng)。
根據(jù)以上要求，我們選擇功率為7.5KW，轉(zhuǎn)速為1500r/min的電機(jī)，查表，其型號(hào)為Y132M-4，其主要性能如下表
電機(jī)型號(hào)
額定功率KW
荷載轉(zhuǎn)速r/min
同步轉(zhuǎn)速r/min
Y132M-4
7.5KW
1440
1500
2、分配最小傳動(dòng)比，擬定轉(zhuǎn)速圖
（1）軸的轉(zhuǎn)速：
軸從電機(jī)得到運(yùn)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速和主軸最小轉(zhuǎn)速應(yīng)相近，顯然，從動(dòng)件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下功率工作時(shí)所受扭矩最小來考慮，軸轉(zhuǎn)速不宜將電機(jī)轉(zhuǎn)速降得太低。弱軸上裝有離合器等零件時(shí)，高速下摩檫損耗，發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，軸轉(zhuǎn)速也不宜也太高，軸轉(zhuǎn)速一般取700~1000r/min左右較合適。
因此，使中間變速組降速緩慢。以減少結(jié)構(gòu)的徑向尺寸，在電機(jī)軸I到主傳動(dòng)系統(tǒng)前端軸增加一對(duì)26/54的降速齒輪副，這樣，也有利于變型機(jī)床的設(shè)計(jì)，改變降速齒輪傳動(dòng)副的傳動(dòng)比，就可以將主軸18級(jí)轉(zhuǎn)速一起提高或降低。
（2）中間軸的轉(zhuǎn)速
對(duì)于中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小和噪音，振動(dòng)等性能要求之間的矛盾。
中間傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，中間傳動(dòng)軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸徑和齒輪模數(shù)小些：
d, m從而可使結(jié)構(gòu)緊湊。但這樣引起空載功率和噪音加大：
=1/(3.5+cn)KW
式中：C——系數(shù)，兩支承滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承C=8.5，三支承滾動(dòng)軸承C=10；
——所有中間軸軸徑的平均值；
——主軸前后軸徑的平均值
——中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速之和
n——主軸轉(zhuǎn)速（r/min）
=20lg-K
式中：（——所有中間傳動(dòng)齒輪的分度圓直徑的平均值mm;
——主軸上齒輪分度圓直徑的平均值mm;
q——傳到主軸上所經(jīng)過的齒輪對(duì)數(shù)
——主軸齒輪螺旋角
,K——系數(shù)，根據(jù)機(jī)床類型及制造水平選取，我國中型車床，銑床=3.5，銑床K=50.5
從上述經(jīng)驗(yàn)公式可知，主軸n和中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速和 對(duì)機(jī)床噪音和發(fā)熱的關(guān)系，確定中間軸轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況做相應(yīng)的修正。
a，對(duì)高速輕載或精密機(jī)床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低些
b,控制齒輪圓周速度v<8m/s(可用７級(jí)齒輪精度)，在此條件下，可適當(dāng)選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。
（3），齒輪傳動(dòng)比的限制
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動(dòng)比：
a, 升速傳動(dòng)中，最大傳動(dòng)比 2 ，過大，容易引起振動(dòng)的噪音。
b, 降速傳動(dòng)中，最小傳動(dòng)比 1/4。過小，則主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪的直徑相差太大將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大。
（4）分配最小傳動(dòng)比
a,決定軸V-VI和VI-的傳動(dòng)比，根據(jù)臺(tái)式銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，及對(duì)同類車床的比較，為使傳動(dòng)平穩(wěn)取其傳動(dòng)比為1，
b,決定各變速組的傳動(dòng)比；
由前面2軸的轉(zhuǎn)速及中間軸轉(zhuǎn)速的分析，及齒輪傳動(dòng)比的現(xiàn)在，根據(jù)“前緩后急”的原則，取軸IV-V的最小降速比為極限值的1/4，=1.26，=4，軸III-IV和軸II-III均取=1/
（5）擬定轉(zhuǎn)速圖：
根據(jù)結(jié)構(gòu)圖及結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖及傳動(dòng)比的分配，擬定轉(zhuǎn)速圖，如下圖4.2所示：
圖4.2 傳動(dòng)系統(tǒng)圖
4.4 齒輪齒數(shù)的確定及傳動(dòng)系統(tǒng)圖的繪制
1，齒輪齒數(shù)的確定的要求：
可用計(jì)算法或查表確定齒輪齒數(shù)，后者更為簡便，根據(jù)要求的傳動(dòng)比u和初步定出的傳動(dòng)副齒數(shù)和，查表即可求出小齒輪齒數(shù)：
選擇是應(yīng)考慮：
a,傳動(dòng)組小齒輪不應(yīng)小于允許的最小齒數(shù)，即：
推薦：
對(duì)軸齒輪=12，特殊情況下=11，
對(duì)套裝在軸上的齒輪，=16，特殊情況下=14，
對(duì)套裝在滾動(dòng)軸承上的空套齒輪，=20；
當(dāng)齒數(shù)少于不發(fā)生根切的最小齒數(shù)時(shí)（壓力角a=20的直齒標(biāo)準(zhǔn)，=17），一般需對(duì)齒輪進(jìn)行正變位修正。
b,保證強(qiáng)度和防止熱處理變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚，一般取則，如圖4.3所示。
c、同一傳動(dòng)組的個(gè)齒輪副的中心矩應(yīng)相等。若摸數(shù)相等時(shí)，則齒數(shù)和亦相等，
但由于傳動(dòng)比要求，尤其是在傳動(dòng)中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求，
機(jī)床上可用修正齒輪，在一定范圍內(nèi)調(diào)整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齒數(shù)差不能夠超過3~4個(gè)齒。
2，變速傳動(dòng)組中齒輪齒數(shù)的確定
為了減少齒輪數(shù)目和縮短變速箱的軸向尺寸，這里采用了公用齒輪。但由于公用齒輪的采用，使兩個(gè)傳動(dòng)組間的傳動(dòng)比互相牽制，不能獨(dú)立地按照最緊湊的原則決定傳動(dòng)件的尺寸，因此，徑向尺寸一般較大，此外，公用齒輪的兩側(cè)齒面同時(shí)嚙合會(huì)影響其磨損和壽命。這里我們采用查表法來確定齒輪的齒數(shù)。查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定個(gè)齒輪齒數(shù)如下：
軸II-III間變速齒輪齒數(shù)的確定：
由于公比=1.26，傳動(dòng)比為=1/=，=1/=，=1/
設(shè)：傳動(dòng)組中最小齒輪齒數(shù)=16，查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7.3-14
可查得：=16/39 （0.1%），=19/36 （0.9%），=22/33 （-0.3%）
齒數(shù)和為=55
公用齒輪選為=39
軸III-IV間變速組齒輪齒數(shù)的確定：
傳動(dòng)比為=1/ =1/ =
根據(jù)=，主動(dòng)輪齒數(shù)為39，從表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）
齒數(shù)和為：=65
軸IV-V間變速組齒輪齒數(shù)的確定：
由于變數(shù)組齒輪傳動(dòng)比和各傳動(dòng)副上受力差別較大齒輪副的速度變化，受力差別較大，為了得到合理的結(jié)構(gòu)尺寸，可采用不同模數(shù)的齒輪副。
軸IV-V間的兩對(duì)齒輪，其傳動(dòng)比為=1/4, =2分別?。剑?，＝３則
／＝／＝3／4
?。耍?0，＝30x3=90, =30x4=120
按傳動(dòng)比將齒數(shù)分配如下：
=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38軸V-VI及VI-VII間齒數(shù)確定，由于這兩個(gè)傳動(dòng)組只是改變傳動(dòng)方向，不起便速度作用，只需考慮其結(jié)構(gòu)尺寸及磨損振動(dòng)和噪音等因素。，取V-VI軸間錐材料齒輪齒數(shù)為29，ＶI-VII軸間齒輪齒數(shù)為67。
3、主軸轉(zhuǎn)速系列的驗(yàn)算：
主軸轉(zhuǎn)速在使用上并要求十分準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)速稍高或稍低并無太大影響，但標(biāo)牌上標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列的數(shù)值一般也不允許與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差太大。
由確定的齒輪齒數(shù)所得的實(shí)際轉(zhuǎn)速與傳動(dòng)設(shè)計(jì)理論值難以完全相符，需要驗(yàn)算主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速，最大誤差不得超過即
%
主軸的各級(jí)實(shí)際轉(zhuǎn)速分別為：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min
==2%
而%=2.6%故符合條件
同理：經(jīng)驗(yàn)算，其他各級(jí)轉(zhuǎn)速也滿足要求。
4、傳動(dòng)系統(tǒng)圖的繪制
轉(zhuǎn)速圖和齒輪齒數(shù)確定后，變速箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度也基本確定了（如齒輪個(gè)數(shù)，軸數(shù)，支承軸，為使變速箱的結(jié)構(gòu)緊湊，合理布置齒輪是一個(gè)重要的問題，因?yàn)樗苯佑绊懽兯傧涞某叽?，變速操作的方便性和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可行性問題，在考慮主軸適當(dāng)?shù)闹С芯嗪蜕釛l件下，一般應(yīng)盡可能減少變速箱尺寸。這里為使變速操作的方便，提高效率采用電磁離合器操縱方式。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出傳動(dòng)系統(tǒng)圖，如圖2.4所示
圖1.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)圖
主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)路線表達(dá)式如下：
電動(dòng)機(jī)I——II——III——IV—=V——VI——VIII（主軸）
第5章 橫向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖和零件圖的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1設(shè)計(jì)方案的確定
XK5036數(shù)控立式銑床縱向、橫向及垂直進(jìn)給為微機(jī)控制，采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)，脈沖當(dāng)量0.010mm/脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。
采用微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪減速滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向、垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
XK5036數(shù)控立式銑床設(shè)計(jì)參數(shù)
1、主軸轉(zhuǎn)速：30-1500轉(zhuǎn)/分
2、工作臺(tái)尺寸(長×寬)： 1250mm×360mm
3、工作臺(tái)最大行程： 縱向 600mm 橫向 320mm 垂直 360mm
4、快速移動(dòng)速度： 15m/min
工作臺(tái)定位精度 x、y、z ±0.03mm；
5、工作臺(tái)重復(fù)定位精度 x、y、z ±0.02mm；
6、縱向、橫向及垂直進(jìn)給為微機(jī)控制，采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲
杠傳動(dòng)，脈沖當(dāng)量0.010mm/脈沖。
7、實(shí)現(xiàn)功能：銑削平面、斜面、溝槽、齒輪等。
8、操作要求：起動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、單步運(yùn)行、自動(dòng)循環(huán)、暫停、停止
5.2 進(jìn)給滾珠絲桿副的選擇
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。
設(shè)水平進(jìn)給最大行程為200mm, 兩側(cè)各留10mm的安全距離.最快進(jìn)給速度為18m/min, 絲杠等組件大概質(zhì)量為50kg,工作臺(tái)大概質(zhì)量為80kg,移動(dòng)部件大概質(zhì)量為30kg
5.2.1 導(dǎo)程確定
電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=12mm
5.2.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速
式中取故
5.2.3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重
絲杠等組件重量
工作臺(tái)重量
移動(dòng)部件重量
5.2.4 確定絲桿的等效負(fù)載
工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，）
5.2.5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷
fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負(fù)載
nz-------等效轉(zhuǎn)速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計(jì)算得Car=17300N
表5-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh
表5-1-2精度系數(shù)fa
表5-1-3可靠性系數(shù)fk
表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw
5.2.6 精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的。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。選用滾珠絲杠的精度等級(jí)絲軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸精度等級(jí)為3級(jí)
5.2.7 選擇滾珠絲桿型號(hào)
計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa