數(shù)控機床畢業(yè)設計

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　數(shù)控機床是數(shù)字控制機床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作數(shù)控折彎機并加工零件。</p><p>　　數(shù)控機床的操作和

2、監(jiān)控全部在這個數(shù)控單元中完成，它是數(shù)控機床的大腦。與普通機床相比，數(shù)控機床有如下特點： </p><p>　?。?）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量； </p><p>　?。?）可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件； </p><p>　?。?） 加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準備時間； 機床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率

3、高（一般為普通機床的3~5倍）； </p><p>　　（4）機床自動化程度高，可以減輕勞動強度； </p><p>　?。?）對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高。 </p><p>　　高速、精密、復合、智能和綠色是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在： </p><p>　?。?/p>

4、1）機床復合技術(shù)進一步擴展隨著數(shù)控機床技術(shù)進步，復合加工技術(shù)日趨成熟，包括銑-車復合、車銑復合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復合，車磨復合，成形復合加工、特種復合加工等，復合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_機床就是一個加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復合加工機床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 </p><p>　?。?）智能化技術(shù)有新突破數(shù)控機床的智能化技術(shù)有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)

5、。如：自動調(diào)整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學習功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質(zhì)。 </p><p>　?。?）機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應用，使得柔性線更加靈活、功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車銑復合機床、磨床、齒輪加工

6、機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應用。 </p><p>　?。?）精密加工技術(shù)有了新進展數(shù)控金切機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前的微米級（0.001mm），有些品種已達到0.05μm左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05μm左右，形狀精度可達0.01μm左右。采用光、電、化學等能源的特

7、種加工精度可達到納米級（0.001μm）。通過機床結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術(shù)，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 </p><p>　?。?）功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應用。全數(shù)字交流伺服電機和驅(qū)動裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電

8、機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應用，極大的提高數(shù)控機床的技術(shù)水平。</p><p><b>　　2. 進給系統(tǒng)概述</b></p><p>　　數(shù)字控制，是一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術(shù)的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。數(shù)控機床是典型的數(shù)控化設備，它一般由信息載體、計算機數(shù)控

9、系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床四部分組成。</p><p><b>　　信息載體</b></p><p>　　信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機床上加工一個零件所必需的各種信息，以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的機械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過相應的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過竄行口將計算機上編寫的加工程序

10、輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級的數(shù)控系統(tǒng)可能還包含一套自動編程機或者CAD/CAM系統(tǒng)。</p><p><b>　　計算機數(shù)控系統(tǒng)</b></p><p>　　計算機數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經(jīng)計算和處理后去控制機床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機外，其外圍設備主要包括光電閱讀機、CRT、鍵盤、面板、機床接口等。軟件由管理軟件和控制軟

11、件組成。數(shù)控裝置控制機床的動作可概括為：機床主運動、機床的進給運動、刀具的選擇和刀具的補償、其它輔助運動等。</p><p><b>　　伺服系統(tǒng)</b></p><p>　　它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動機構(gòu)和機床移動部件,它接受數(shù)控裝置發(fā)來的各種動作命令，驅(qū)動受控設備運動。伺服電動機可以是步進電機、電液馬達、直流伺服電機或交流伺服電機。</p>&

12、lt;p><b>　　機床</b></p><p>　　它是用于完成各種切削加工的機械部分，是在普通機床的基礎上發(fā)展起來的，但也做了很多改進和提高，它的主要特點是：由于大多數(shù)數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動鏈較短；為了適應數(shù)控機床連續(xù)地自動化加工，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??；更多地采用高效傳動部件

13、，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌等；不少數(shù)控機床還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機床工作效率[1]。</p><p>　　數(shù)控機床集中了傳統(tǒng)的自動機床、精密機床和萬能機床三者的優(yōu)點，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數(shù)控機床技術(shù)水平的提高首先依賴于進給和主軸驅(qū)動特性的改善以及功能的擴大，為此數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機、機械傳動等方面都有很高的要求。</p><p>

14、;　　伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標軸進給驅(qū)動的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自CNC裝置的進給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動各加工坐標軸按指令脈沖運動。這些軸有的帶動工作臺，有的帶動刀架，通過幾個坐標軸的綜合聯(lián)動，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復雜的機械運動，加工出所要求的復雜形狀工件。</p><p>　　進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床機械傳動部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是

15、數(shù)控機床的重要組成部分。它包含機械、電子、電機(早期產(chǎn)品還包含液壓)等各種部件，并涉及到強電與弱電控制，是一個比較復雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當高的技術(shù)性能指標的控制系統(tǒng)，的確是一個相當復雜的任務。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對于數(shù)控機床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)之一。</p><p>　　數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示

16、：</p><p>　　由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆運行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　伺服系統(tǒng)對伺服電機的要求：</p><p>　　從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min

17、或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。</p><p>　　2）電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。</p><p>　　3）為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機應具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在0.2s以內(nèi)從靜止啟

18、動到額定轉(zhuǎn)速。</p><p>　　4）電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。</p><p>　　隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進伺服性能的措施，使控

19、制精度和品質(zhì)大大提高[4]。</p><p>　　圖2.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3 總體方案設計</p><p>　　3.1 方案設計及總體布局</p><p>　　機床結(jié)構(gòu)可以布置成臥式、立式、倒立式及斜置式等，根據(jù)設計任務——加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，采用臥式斜床身形式。主軸水平安裝，橫向成45°

20、;布置。</p><p>　　數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和機床主體的重要部分，在設計中，在伺服方式上選擇最廣泛應用的半閉環(huán)方式。采用螺旋傳動，計算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進行絲杠的校核并進行精度等驗算，根據(jù)計算的扭矩選擇伺服電機。</p><p>　　3.2 主切削力的計算</p><p>　　切削力的大小可用各種測力儀測得，也可用實驗得出的近似公式計算：&

21、lt;/p><p><b>　　(2.1)</b></p><p><b>　　(2.2) </b></p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　式中 ——系數(shù)。決定于工件材料和加工方法，在一定的切削條件（v、s、t固定）下，為一常數(shù)。大表示工件材料的加

22、工性差；小表示工件材料的加工性好。</p><p>　　k——總的修正系數(shù)。決定于工件材料、切削用量和刀具幾何形狀等。</p><p>　　——分別為工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨損限度對P的修正系數(shù)。</p><p>　　、——指數(shù)。一般情況下>。這說明吃刀深度對切削力的影響要比走刀量對切削力的影響大。</p><p>　　

23、下表所列為的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)。這些系數(shù)在下列條件下制定：刀片材料為硬質(zhì)合金，工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，，，，，，后刀面磨損限度，切削時不用冷卻液，車削外圓。</p><p>　　它們的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)之值也各有不同，可從有關(guān)手冊中查得。</p><p><b>　　表 2.1</b></p><p>　　切削功率是切削時在切削區(qū)內(nèi)消耗的功率

24、。當切削速度為已知時，切削功率可用下式計算：</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　在校驗機床選用的電動機功率時應使</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　式中 ——機床電動機名義功率（千瓦）；</p><p>

25、;　　——機床效率（一般齒輪機床=0.70.8）；</p><p>　　——電動機超載時容許的系數(shù)（一般=1.25） [5][7]。</p><p>　　如表2.1，取其中各參數(shù)的最大值進行估算：</p><p>　　取 =167， =1.0， ，</p><p>　　=1.09， =1.08， =1.3， =1.05，

26、=0.9</p><p>　　取 切深t=5mm，進給量s=0.3mm/r</p><p>　　則由公式(2.3)：</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　切削功率：取切削速度為105m/min，由公式(2.4)(2.5)得:</p><p><b>　　

27、取 </b></p><p>　　4 橫向進給系統(tǒng) </p><p>　　4.1 已知技術(shù)參數(shù)</p><p>　　橫向最大行程（X軸）180 mm；</p><p>　　工作進給速度為18000mm/min；</p><p>　　橫向快速進給速度：8 m/min；</p>&

28、lt;p>　　刀架估計質(zhì)量：150kg；</p><p>　　滑板的估計尺寸（長寬高）：400mm200mm80mm；</p><p>　　材料選為HT200。</p><p>　　4.2 滾珠絲杠的計算及選擇</p><p>　　4.2.1 滾珠絲杠螺母副的預緊</p><p>　　滾珠絲杠螺母副必須預緊才能

29、正常工作。預緊：消除滾珠與滾道的間隙，保證傳動精度；使?jié)L珠與滾道有點接觸變成微小面接觸，提高傳動剛度。常采用雙螺母，使兩個螺母產(chǎn)生軸向位移，以消除間隙和施加預緊力。預緊常有三種結(jié)構(gòu)：</p><p><b>　　1．螺紋消隙結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　一個螺母外斷為法蘭，另以螺母外端為螺紋，上裝兩個圓螺母，兩螺母以平鍵與螺母座相聯(lián)，限制螺母的轉(zhuǎn)動。擰緊圓螺母，就

30、能使兩螺母在軸向產(chǎn)生位移，消除間隙和施加預緊力。結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便；調(diào)整精度差。</p><p><b>　　2．墊片消隙結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　兩螺母外端都為法蘭結(jié)構(gòu)，通過修磨墊片的厚度，使兩螺母產(chǎn)生軸向位移，消除間隙和施加預緊力。結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝拆方便；調(diào)整麻煩。</p><p><b>　　3．齒差調(diào)隙結(jié)構(gòu)<

31、/b></p><p>　　兩個螺母的外端制成圓柱外齒輪，其齒數(shù)差為一。兩個內(nèi)齒圈用螺釘和銷釘固定在螺母座上。預緊時，先取出內(nèi)齒圈，使兩個螺母分別在相同方向轉(zhuǎn)過一個或幾個齒，這時，兩螺母在軸向產(chǎn)生相應的位移，其消隙位移距離s可用下式計算：</p><p>　　n----轉(zhuǎn)過的齒數(shù)，t----絲杠導程。Z1，Z2----齒數(shù)。</p><p>　　(二) 絲杠的

32、預拉伸</p><p>　　滾珠絲杠工作時會發(fā)熱。發(fā)熱使絲杠熱膨脹，從而加大導程，影響傳動和定位精度。對要求很精密傳動的絲杠，需要補償熱膨脹。絲杠預拉伸就使常用的補償方法。</p><p>　　在制造時，使絲杠螺紋部分的長度小于公稱長度（導程乘螺紋圈數(shù)）一個預拉伸量。預拉伸量略大于熱膨脹量。裝配時，通過一定拉伸結(jié)構(gòu)，將絲杠拉長一個預拉伸量，使絲杠螺紋部分到公稱長度。工作時，熱膨脹量抵消部分

33、預拉伸量，絲杠拉應力下降，但長度不變。從而保證螺距精度不受熱膨脹的影響。</p><p>　　4.2.2 滾珠絲杠導程及等效轉(zhuǎn)速的確定</p><p>　　在本設計中，電機和絲杠直接相連，傳動比為，設電機的最高工作轉(zhuǎn)速為，則絲杠導程為：</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p><b>

34、　　，取 </b></p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　由公式(3.2),最大進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：</p><p>　　最小進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：</p><p>　　絲杠等效轉(zhuǎn)速：（取 ）</p><p><b>　　(3.3)</

35、b></p><p>　　，——轉(zhuǎn)速，作用下的時間(s)。</p><p>　　4.2.3 估計工作臺質(zhì)量及工作臺承重</p><p><b>　　刀架質(zhì)量：</b></p><p><b>　　滑板：</b></p><p><b>　　總質(zhì)量：</

36、b></p><p>　　4.2.4 確定絲杠的等效負載及最大動載荷</p><p>　　工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.11.5，現(xiàn)取為1.1，則絲杠所受的力為：</p><p><b>　　(3.4)</

37、b></p><p>　　其等效負載可按下式估算</p><p><b>　?。ㄈ?， ）：</b></p><p>　　t1，t2——軸向載荷，作用下的時間(s)。</p><p>　　n1，n2——軸向載荷，作用下的轉(zhuǎn)速(r/min)。</p><p><b>　　(3.5)

38、</b></p><p><b>　　圖4.1 受力分析</b></p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　fw——負荷性質(zhì)系數(shù)；（查表：當一般運轉(zhuǎn)時，fw 為1.21.5，取fw=1.5。）</p><p>　　ft——溫度系數(shù)；（查表：）</p>

39、<p>　　fh——硬度系數(shù)；（查表：滾道實際硬度≥HRC58時，fh=1。）</p><p>　　fa——精度系數(shù)；（查表：當精度等級為3時，fa=1.0。）</p><p>　　fk——可靠性系數(shù)；(查表：可靠性為90%時，fk =1.00。)</p><p>　　Fm——等效負荷(N)；</p><p>　　nm——等效轉(zhuǎn)

40、速(r/min)；</p><p>　　Tn——工作壽命(h)。（查表得：數(shù)控機床：Th=15000。）</p><p>　　由公式(3.6) </p><p>　　4.2.5 選擇滾珠絲杠型號</p><p>　　由文獻[7,8]可知，查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預緊導珠管埋入型，型號： CDM3206-3。絲杠公稱直徑為

41、φ32mm，基本導程，其額定動載荷，額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=1.52，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑27. 9mm，螺母長度為112mm，取絲杠的精度為3級。在本設計中采用雙螺母墊片預緊。兩邊軸承分別為φ20mm和φ25mm。</p><p>　　本設計中絲杠采用兩端固定的支承方式。選用成對絲杠專用軸承組合。 </p><p>　　滾珠絲杠支承用專用軸承：</p><p

42、><b>　　軸承特點：</b></p><p>　　1. 剛性大。由于采用特殊設計的尼龍成形保持架，增加了鋼球數(shù)，且接觸角為60°軸向剛性大。</p><p>　　2. 不需要預調(diào)整。對每種組合形式，生產(chǎn)廠家已作好了能得到最佳預緊力的間隙，故用戶在裝配時不需要再調(diào)整，只要按廠家作出的裝置序列符號（＞）排列后，裝緊即可。</p><

43、p>　　3. 起動力矩小。與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，起動力矩小。</p><p>　　為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，推薦采用正面組合形式。（DF,DFD,DFF等）</p><p><b>　　4.3 校核 </b></p><p>　　滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影

44、響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度Ke由絲杠本身的拉壓剛度KS，絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度Kc，軸承的接觸剛度KB，螺母座的剛度KH，按不同支承組合方式的計算而定。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計算。 </p><p>　　4.3.1 臨界壓縮負荷</p

45、><p>　　絲杠的支承方式對絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對絲杠進行預拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。所以設計中采用兩端固定的支承方式[9]。</p><p>　　臨界壓縮負荷按下式計算：</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　式中 E——材料的彈性模量E鋼=2.1

46、5;1011(N/m2)；</p><p>　　L0——最大受壓長度(m)；</p><p>　　K1——安全系數(shù)，取K1=1/3；</p><p>　　Fmax——最大軸向工作負荷(N)；</p><p>　　f1——絲杠支承方式系數(shù)；(支承方式為雙推——雙推時，見下圖，f1=4，f2=4.730)</p><p>

47、　　I——絲杠最小截面慣性矩(m4)：</p><p><b>　　(3.8)</b></p><p>　　式中 d0——絲杠公稱直徑(mm)；</p><p>　　dw——滾珠直徑(mm)。</p><p>　　絲杠螺紋部分長度，取 </p><p>　　支承跨距 ， 絲杠全長 </

48、p><p><b>　　由公式(3.7)</b></p><p>　　可見遠大于，臨界壓縮負荷滿足要求。</p><p>　　4.3.2 臨界轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　(3.9)</b></p><p>　　式中 A——絲杠最小橫截面：</p><p

49、>　　——臨界轉(zhuǎn)速計算長度：</p><p><b>　　取 ，</b></p><p>　　——安全系數(shù)，一般取 ；</p><p><b>　　——材料的密度：；</b></p><p>　　——絲杠支承方式系數(shù)，查表得，</p><p><b>　

50、　滿足要求。</b></p><p>　　4.3.3 絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率</p><p>　　絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式：</p><p><b>　　兩端固定：</b></p><p><b>　　(3.10)</b></p><p&g

51、t;　　式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；</p><p>　　KH——螺母座的剛度(N/μm)；</p><p>　　Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；</p><p>　　KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；</p><p>　　KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。</p><p&g

52、t;　　絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號樣本。</p><p>　　軸承的接觸剛度可查軸承型號樣本。</p><p>　　螺母座的剛度可近似估算為1000。</p><p>　　絲杠本身的拉壓剛度：</p><p>　　對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式：</p><p><b>　　(3.11)&l

53、t;/b></p><p>　　式中 A——絲杠最小橫截面，；</p><p>　　E——材料的彈性模量，E=2.11011(N/m2)；</p><p>　　l——兩支承間距(m)；</p><p>　　a——螺母至軸向固定處的距離(m)。</p><p>　　已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的

54、最小拉壓剛度（見后面計算）。螺母座剛度。</p><p>　　絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率：</p><p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　式中 m——絲杠末端的運動部件與工件的質(zhì)量和(N/μm)；</p><p>　　Ke——絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)。</p>&

55、lt;p>　　顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。</p><p>　　4.3.4 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度</p><p>　　絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度按下式計算： (3.13)</p><p>　　式中 ——絲杠平均直徑：</p><p><b>

56、;　　L——絲杠長度</b></p><p>　　扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率:</p><p><b>　　(3.14)</b></p><p>　　式中 JW——運動部件質(zhì)量換算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；</p><p>　　JZ——絲杠上傳動件的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；<

57、/p><p>　　JS——絲杠的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)。</p><p>　　由文獻[7，8]得：</p><p>　　平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為</p><p><b>　　絲杠轉(zhuǎn)動慣量：</b></p><p>　　顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，可以滿足要求。<

58、/p><p>　　4.3.5 傳動精度計算</p><p>　　滾珠絲杠的拉壓剛度 (3.15)</p><p>　　導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值分別為300mm和100mm。</p><p>　　最大與最小機械傳動剛度：</p>&

59、lt;p>　　最大和最小機械傳動剛度：</p><p>　　由于機械傳動裝置引起的定位誤差為</p><p><b>　　(3.16)</b></p><p>　　對于3級滾珠絲杠，其任意300mm導程公差為 ，機床定位精度，所以，，可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5）機床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補償，

60、定位精度能進一步提高[10]。</p><p>　　4.3.6 伺服電機計算</p><p>　　根據(jù)文獻[11]，扭矩的計算為：</p><p><b>　　理論動態(tài)預緊轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　查表知3級滾珠絲杠 ， 而 </p><p><b>　　(3.17)<

61、/b></p><p><b>　　最大動態(tài)摩擦力矩</b></p><p>　　對于3級滾珠絲杠，，</p><p><b>　　(3.18)</b></p><p>　　驅(qū)動最大負載所耗轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　(3.19)</b>&l

62、t;/p><p>　　支承軸承所需啟動扭矩</p><p><b>　　查軸承表：</b></p><p><b>　　對于的軸承，其，</b></p><p><b>　　對于的軸承，其，</b></p><p><b>　　則 。</b

63、></p><p>　　驅(qū)動滾珠絲杠副所需扭矩</p><p><b>　　電機的額定扭矩</b></p><p>　　4.3.7 電機的選擇</p><p>　　根據(jù)以上計算的扭矩及文獻[12]，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7 。</p><p>　　5

64、 縱向進給系統(tǒng) </p><p>　　5.1 已知技術(shù)參數(shù)</p><p>　　縱向最大行程（Z軸）650 mm；</p><p>　　工作進給速度為115000mm/min；</p><p>　　縱向快速進給速度：15 m/min；</p><p>　　床鞍及其他的估計尺寸（長寬高）：600mm300mm1

65、00mm；</p><p>　　材料選為HT200。</p><p>　　5.2 滾珠絲杠的計算及選擇</p><p>　　5.2.1 滾珠絲杠導程及等效轉(zhuǎn)速的確定</p><p>　　在本設計中，電機和絲杠直接相連，傳動比為，設電機的最高工作轉(zhuǎn)速為，則由公式(3.1)可得絲杠導程為：</p><p>　　由公式(

66、3.2) ，最大進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：</p><p>　　最小進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：</p><p>　　由公式(3.3) ，絲杠等效轉(zhuǎn)速為： </p><p>　　5.2.2 估計工作臺質(zhì)量及工作臺承重：</p><p><b>　　橫向工作臺質(zhì)量：</b></p><p><b>

67、;　　床鞍及其他：</b></p><p><b>　　總質(zhì)量：</b></p><p>　　5.2.3 確定絲杠的等效負載及最大動載荷：</p><p>　　取滑動導軌摩擦系數(shù)為0.025，則絲杠所受的力為（如圖4.1所示）：</p><p><b>　　(4.1)</b></

68、p><p>　　其等效負載可按公式(3.5)估算：</p><p>　　由公式(3.6)得：</p><p><b>　　圖5.1 受力分析</b></p><p>　　查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預緊導珠管埋入型，型號： CDM2510-2.5。絲杠公稱直徑為φ25mm，基本導程，其額定動載荷，額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=2.

69、51，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑24.5mm，螺母長度為125mm，取絲杠的精度為3級。在本設計中采用雙螺母墊片預緊。兩邊的軸承選為φ17mm與φ20mm。</p><p>　　5.3 校核 </p><p>　　5.3.1 臨界壓

70、縮負荷</p><p>　　軸向固定的長絲杠在承受壓縮負荷時，應驗算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負荷按公式(3.7)(3.8)計算：</p><p>　　絲杠螺紋部分長度，取 </p><p>　　支承跨距 ， 絲杠全長 </p><p>　　可見遠大于，臨界壓縮負荷滿足要求。</p><p>　　5.3.2 臨界轉(zhuǎn)速&

71、lt;/p><p><b>　　由公式(3.9)</b></p><p><b>　　取 ，</b></p><p><b>　　滿足要求。</b></p><p>　　5.3.3 絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率</p><p>　　由公式 (3.1

72、0)(3.11)(3.12) ：</p><p>　　已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度（見后面計算）。螺母座剛度。</p><p>　　絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率：</p><p>　　顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。</p><p>　　5.3.4 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度</p

73、><p>　　絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度由公式(3.13)計算： </p><p>　　由文獻[7,8]得：</p><p>　　平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為</p><p><b>　　絲杠轉(zhuǎn)動慣量：</b></p><p>　　扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率按公式(3.14)計算:</p><p>　　顯

74、然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，可以滿足要求。</p><p>　　5.3.5 傳動精度計算</p><p>　　導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值分別為650mm和100mm。</p><p>　　由公式(3.15) ，最大與最小機械傳動剛度：</p><p>　　最大和最小機械傳動剛度：</

75、p><p>　　由于機械傳動裝置引起的定位誤差據(jù)公式(3.16)</p><p>　　對于3級滾珠絲杠，其任意300mm導程公差為 ，機床定位精度，所以，，可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5）機床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補償，定位精度能進一步提高。</p><p>　　5.3.6 伺服電機計算</p><p>

76、<b>　　扭矩的計算</b></p><p><b>　　理論動態(tài)預緊轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　查表知3級滾珠絲杠 ， 而 </p><p>　　由公式(3.17) </p><p><b>　　最大動態(tài)摩擦力矩</b></p><p

77、>　　對于3級滾珠絲杠，，由式(3.18)</p><p>　　3) 驅(qū)動最大負載所耗轉(zhuǎn)矩</p><p>　　由公式(3.19) </p><p>　　4) 支承軸承所需啟動扭矩</p><p><b>　　查軸承表：</b></p><p><b>　　對于的軸承

78、，其，</b></p><p><b>　　則 。</b></p><p>　　5) 驅(qū)動滾珠絲杠副所需扭矩</p><p><b>　　電機的額定扭矩</b></p><p>　　5.3.7 電機的選擇</p><p>　　根據(jù)以上計算的扭矩及文獻[12]，

79、選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。</p><p><b>　　6 數(shù)控系統(tǒng)選擇 </b></p><p>　　6.1 西門子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點 </p><p>　　西門子數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，設計中選擇SINUMERIK 802D型號。</p><p>　　其控制器：具有免維護性能的SI

80、NUMERIK 802D，其核心部件 - PCU（面板控制單元）將CNC、PLC、人機界面和通訊等功能集成于一體?？煽啃愿摺⒁子诎惭b；SINUMERIK802D可控制4個進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸。通過生產(chǎn)現(xiàn)場總線PROFIBUS將驅(qū)動器、輸入輸出模塊連接起來； 模塊化的驅(qū)動裝置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服電機，為機床提供了全數(shù)字化的動力。通過視窗化的調(diào)試工具軟件，可以便捷地設置驅(qū)動參數(shù)，并對驅(qū)動器的控制參數(shù)進行動態(tài)

81、優(yōu)化； SINUMERIK802D集成了內(nèi)置PLC系統(tǒng)，對機床進行邏輯控制。采用標準的PLC的編程語言Micro/WIN進行控制邏輯設計。并且隨機提供標準的PLC子程序庫和實例程序，簡化了制造廠設計過程，縮短了設計周期。 CNC功能：控制車床、鉆銑床；可控制4個進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸；三軸聯(lián)動，具有直線插補、平面圓弧插補、螺旋線插補、空間圓?。–IP）插補等控制方式；螺紋加工、變距螺紋加工；旋轉(zhuǎn)軸控制；端面和柱面坐標轉(zhuǎn)換（

82、C軸功能）；前饋控制、加速度突變限制；程序預讀可達35段；刀具壽命監(jiān)控；主軸準停，剛性攻絲</p><p><b>　　6.2 數(shù)控連線圖</b></p><p>　　其連線圖如圖5.1所示。</p><p>　　圖6.1 數(shù)控系統(tǒng)連線圖</p><p><b>　　數(shù)控編程</b></p&g

83、t;<p>　　編制如圖7.1所示零件的加工程序，材料為45鋼，棒料直徑為40mm[16]。</p><p>　　圖7.1 數(shù)控零件圖</p><p><b>　　1. 刀具設置</b></p><p>　　選擇93°正偏刀為1號刀，2號割槽刀（寬4mm），60°硬質(zhì)合金螺紋刀為3號刀。</p>

84、<p><b>　　2. 工藝路線</b></p><p>　　工件伸出卡盤外85mm，找正后夾緊。</p><p>　　用1號刀車工件右端面，粗車外圓至φ38.5×70。</p><p>　　先車φ32.5×58圓柱，再車φ30.5×48圓柱，再車φ20.5×10圓柱。</p>

85、<p>　　車右端圓弧，留0.5mm精車余量。</p><p>　　精車外形輪廓至尺寸。</p><p>　　割退刀槽，并用割槽刀右刀尖倒出M30×3螺紋左端C2倒角。</p><p>　　換螺紋刀車雙線螺紋。</p><p><b>　　割斷工件。</b></p><p>

86、;<b>　　3. 相關(guān)計算</b></p><p>　　1） 計算雙線螺紋M30×3（P1.5）的底徑：</p><p>　　D=d-2×0.62P=(30-2×0.62×1.5)mm=28.14mm</p><p>　　2） 確定背吃刀量分布：1.5mm、0.25mm、0.07mm</p>

87、;<p><b>　　4. 加工程序</b></p><p>　　N01 G90 G94 G54 ； 采用G54工件坐標系，分進給，絕對編程</p><p>　　N02 S800 M03 ； 主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速800rpm</p><p>　　N03 T01 M0

88、8 ； 換1號外圓刀，切削液開</p><p>　　N04 G00 X40 Z0 ； 快速進刀</p><p>　　N05 G01 X0 F100 ； 車端面</p><p>　　N06 G00 X19.5 Z2 ； 快速退刀</p>

89、<p>　　N07 G01 Z-70 F150 ； 粗車外圓</p><p>　　N08 G00 X30 Z2 ； 快速退刀</p><p>　　N09 G01 X18 ； 快速進刀</p><p>　　N10 G01 Z-58 ；

90、 粗車外圓</p><p>　　N11 G00 X30 Z2 ； 快速退刀</p><p>　　N12 G00 X16.5 ； 快速進刀</p><p>　　N13 G01 Z-58 ； 粗車外圓</p><p>　　N14 G

91、00 X30 Z2 ； 快速退刀</p><p>　　N15 G00 X15.5 ； 快速進刀</p><p>　　N16 G01 Z-48 ； 粗車外圓</p><p>　　N17 G00 X30 Z2 ； 快速退刀</p>

92、<p>　　N18 G00 X14 ； 快速進刀</p><p>　　N19 G01 Z-12 ； 粗車外圓</p><p>　　N20 G00 X20 Z2 ； 快速退刀</p><p>　　N21 G00 X12 ；

93、 快速進刀</p><p>　　N22 G01 Z-10 ； 粗車外圓</p><p>　　N23 G00 X15 Z2 ； 快速退刀</p><p>　　N24 G00 X0 ； 快速進刀</p><p>　　N

94、25 G03 X12 Z-10 CR=12 F100 ； 車R12圓弧</p><p>　　N26 G02 X15 Z-15 CR=3 ； 車R3圓弧</p><p>　　N27 G00 Z0.5； 快速退刀</p><p>　　N28 G00 X0 ；

95、 快速進刀</p><p>　　N29 G03 X10.5 Z-10 CR=10.5 ； 車R10.5圓弧</p><p>　　N30 G02 X15 Z-15 CR=4.5 ； 車R4.5圓弧</p><p>　　N31 G00 X100 Z100 ；

96、 快退至起刀點</p><p>　　N32 S1000 M03 ； 主軸變速</p><p>　　N33 G00 X2 Z2 ； 快速進刀</p><p>　　N34 G01 X0 Z0 F60 ； 進刀至（0，

97、0）點</p><p>　　N35 G03 X10 Z-10 CR=10 ； 精車R10圓弧</p><p>　　N36 G02 X15 Z-15 CR=5 ； 精車R5圓弧</p><p>　　N37 G01 z-40 ； 精車螺紋外圓至φ30</

98、p><p>　　N38 G00 X16 Z-45 ； 快速進刀</p><p>　　N39 G01 Z-58 ； 精車φ32外圓</p><p>　　N40 G01 X19 ； 車臺階</p><p>　

99、　N41 G01 Z-65 ； 車φ38外圓</p><p>　　N42 G00 X100 Z100 ； 快退至起刀點</p><p>　　N43 T02 ； 換2號割槽刀</p><p>　　N44 S420

100、 M03 ； 主軸變速</p><p>　　N45 G00 X20 Z-44 ； 快進至（X20，Z-44）點</p><p>　　N46 G01 X13.1 F30 ； 割槽至φ26.2</p><p>　　N47 G00 X20 ；

101、 快速退刀</p><p>　　N48 G00 Z-48 ； 向左移動4mm</p><p>　　N49 G01 X13 F30 ； 割槽至φ26</p><p>　　N50 G01 Z-44 ；

102、 向右橫拖4mm，消除割刀接縫線</p><p>　　N51 G01 X17 Z-36 F30 ； 用割槽刀右刀尖倒M30左端2×45°倒角</p><p>　　N52 G00 X100 Z100 ； 快退至起刀點</p><p>　　N53 T03

103、； 換3號螺紋刀</p><p>　　N54 S600 M03 ； 主軸變速</p><p>　　N55 G00 X15 Z-12 ； 快速進刀</p><p>　　N56 HUANG ；

104、 調(diào)子程序車第一條螺紋</p><p>　　N57 G00 X14.5 ； 快速進刀</p><p>　　N58 HUANG ； 調(diào)子程序車第一條螺紋</p><p>　　N59 G00 X14.07 ；

105、 快速進刀</p><p>　　N60 HUANG ； 調(diào)子程序車第一條螺紋</p><p>　　N61 G00 X15 Z-13.5 ； 快速進刀</p><p>　　N62 HUANG ； 調(diào)子程序車第二條

106、螺紋</p><p>　　N63 G00 X14.5 ； 快速進刀</p><p>　　N64 HUANG ； 調(diào)子程序車第二條螺紋</p><p>　　N65 G00 X14.07 ； 快速進刀</p>

107、<p>　　N66 HUANG ； 調(diào)子程序車第二條螺紋</p><p>　　N67 G00 X100 Z100 ； 快退至起刀點</p><p>　　N68 T02 S420 M03 ； 換2號割槽刀，主軸變速</p><

108、;p>　　N69 G00 X20 Z-63 ； 快速進刀</p><p>　　N70 G01 X0 F30 ； 割斷</p><p>　　N71 G00 X100 ； 快速退刀</p><p>　　N72 G00 Z

109、100 M09 ； 退回起刀點，切削液關(guān)</p><p>　　N73 M05 ； 主軸停轉(zhuǎn)</p><p>　　N74 M02 ； 主程序結(jié)束</p><p>　　%HUANG ；

110、 車螺紋子程序</p><p>　　N90 G91 G33 Z-30 K3 ； 車削螺紋</p><p>　　N91 G00 X10 ； 快速退刀</p><p>　　N92 G00 Z30 ； 返回

111、</p><p>　　N93 G90 ； 換回絕對坐標編程</p><p>　　N94 RET ； 子程序結(jié)束</p><p>　　8. 結(jié) 論</p><p>　　本次設計的是一臺數(shù)控機床，完成了機床的尺寸計算及結(jié)

112、構(gòu)設計，并對其進行一系列的校核，各項性能指標完全滿足要求，說明設計的結(jié)構(gòu)是合理的。然后選擇軸承和電機，并設計了床身等。由于專業(yè)知識的限制，無法對復雜的數(shù)控系統(tǒng)進行設計，但是，通過選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)，對數(shù)控原理有了一定的了解，并掌握了數(shù)控系統(tǒng)的一些連接方法。最后完成了典型零件的數(shù)控程序編制，對程序的代碼加深了印象，并對現(xiàn)代數(shù)控編程增進了了解。</p><p>　　數(shù)控機床是促進國民經(jīng)濟發(fā)展的巨大源動力，它給機械制造

113、業(yè)帶來了高倍率的效益增長和現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，高品質(zhì)，高可靠性，高性價比的CNC系統(tǒng)具有豐富的功能，為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提供了充足的物質(zhì)技術(shù)條件。同時，也給數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。因此，研究一臺數(shù)控車床對現(xiàn)代加工具有重要的意義。</p><p>　　數(shù)控車床具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、故障率低、維修簡單方便、效率高、操作編程簡單等諸多優(yōu)點，所以數(shù)控車床在很多加工行業(yè)都會成為應用的主體，隨著數(shù)

114、控技術(shù)和機床行業(yè)的發(fā)展，數(shù)控車床將有著廣闊的發(fā)展前景。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控原理及控制系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.1.</p><p>　　[2] 師鴻飛等.我國數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[N].現(xiàn)代制造,2002.</p><p>

115、　　[3] 周毅.數(shù)控車床在汽車制造業(yè)中的應用[N].市場縱橫,2005.</p><p>　　[4] 白恩遠.現(xiàn)代數(shù)控機床伺服及檢測技術(shù)[M].北京:北京工業(yè)出版社,2002.1.</p><p>　　[5] 許兆豐等.車工工藝學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1980.</p><p>　　[6] 中華人民共和國機械工業(yè)部統(tǒng)編[M].科學普及出版社.<

116、;/p><p>　　[7] 成大先等.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社. </p><p>　　[8] 徐灝主編.新編機械設計師手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995.</p><p>　　[9] 蔡樂安.數(shù)控車床滾珠絲杠副的研究設計[N].農(nóng)機化研究,2002.11.</p><p>　　[10] 謝紅.數(shù)控機床機器人機械系

117、統(tǒng)設計指導[M].上海:同濟大學出版社,2004.8.</p><p>　　[11] 山東濟寧博特精密絲杠制造有限公司. 博特產(chǎn)品系列.</p><p>　　[12] SIEMENS公司.西門子(驅(qū)動系統(tǒng)和電機).2002.</p><p>　　[13] 趙寶生.CNC32數(shù)控車床的床身設計[N].機械管理開發(fā),2004.8.</p><p

118、>　　[14] 戴曙主編.金屬切削機床.北京:機械工業(yè)出版社.1995.10.</p><p>　　[15] 趙健.如何選擇數(shù)控車床[N].機械工程師,2001.3.</p><p>　　[16] 關(guān)雄飛.數(shù)控加工技術(shù)綜合實訓[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.8.</p><p><b>　　致 謝</b></p&

119、gt;<p>　　大學生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當我寫完這篇論文的時候，心中有一種如釋重負的感覺，感慨頗多。</p><p>　　首先誠摯的感謝我的論文指導老師，她在忙碌的教學工作中擠出時間來審查、修改我的論文。還有所有教過我的老師。你們嚴謹細致，一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；他們循循善誘的教導和不拘一格的思路給了我無盡的啟迪。</p><p>