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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
XK6130銑床數(shù)控總體設(shè)計(jì)及垂直進(jìn)給伺服系統(tǒng)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
數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量、零件多變的問(wèn)題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。
本文的主要內(nèi)容有：
1．對(duì)銑床數(shù)控化設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)詳細(xì)論證，確定普通銑床數(shù)控化設(shè)計(jì)方案；
2．對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號(hào)選擇與裝配設(shè)計(jì)，支承方式的設(shè)計(jì)與軸承型號(hào)選擇，步進(jìn)電機(jī)選擇等進(jìn)行了詳細(xì)研究；
3．對(duì)常用進(jìn)口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)比較，根據(jù)所設(shè)計(jì)的性能和精度指標(biāo)來(lái)選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動(dòng)刀架型號(hào)，提出選擇方法；
4.為保持切削螺紋的功能，仔細(xì)研究了在主軸上安裝脈沖發(fā)生器的選型，脈沖發(fā)生器直接與主軸間連接方法，并形成了相應(yīng)的技術(shù)圖；
5.拆卸普通機(jī)床，甩掉原有進(jìn)給箱等，對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)行大修，滑板貼塑與鏟刮調(diào)試，對(duì)機(jī)床相關(guān)部件和參數(shù)進(jìn)行測(cè)繪、測(cè)量；
6.繪出相應(yīng)的零件圖和裝備圖；
7．給出普通銑床數(shù)控化設(shè)計(jì)的安裝、調(diào)試方法。
關(guān)鍵詞：銑床、數(shù)控、設(shè)計(jì)
III
Abstract
Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise’s production.
As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.
Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises’ equipment updating step are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’ competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is:
1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle.
2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.
3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.
4. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram.
5. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe.
6. Draw out parts diagrams and assemble diagram.
7 .Methods of installing and testing of general purpose lathe’s numerically controlled reforming were put forward.
Key Words: General purpose milling， Numerical control(NC)，Reform
目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
第1章 前言 1
1.1問(wèn)題提出 1
1.1.1國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 1
1.1.2數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 2
1.1.3智能化新一代PC NC數(shù)控系統(tǒng) 3
1.2普通機(jī)床數(shù)控化設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià) 3
1.2.1微觀看設(shè)計(jì)的必要性 3
1.2.2宏觀看設(shè)計(jì)的必要性 4
1.3 普通機(jī)床數(shù)控化設(shè)計(jì)市場(chǎng) 5
1.3.1設(shè)計(jì)的市場(chǎng) 5
1.3.2進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化設(shè)計(jì)市場(chǎng) 5
第2章 總體方案的設(shè)計(jì) 6
2.1總體方案設(shè)計(jì)要求 6
2.2 總體方案擬定 6
2.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 7
2.3.1伺服控制系統(tǒng)的選擇 7
2.3.2機(jī)械部分設(shè)計(jì) 7
第3章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 10
3.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10
3.1.1 主傳動(dòng)變速系統(tǒng) 10
3.1.2 主軸部件設(shè)計(jì) 10
3.2 主軸系統(tǒng)計(jì)算 13
第4章 垂直進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 16
4.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16
4.1.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 16
4.1.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 16
4.2 垂直滾珠絲杠副計(jì)算與選擇 17
4.2.1 精度 17
4.2.2疲勞強(qiáng)度 17
4.2.3選用 FC1-4020-2.5型絲杠 18
4.2.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算 19
4.2.5 剛度驗(yàn)算 20
4.2.6 效率驗(yàn)算 21
總結(jié)與展望 22
參考文獻(xiàn) 23
致 謝 24
第1章 前言
1.1問(wèn)題提出
數(shù)控銑床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、零件多變的加工問(wèn)題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。
企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存、求得發(fā)展,就必須在最短的時(shí)間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出合乎市場(chǎng)需要的、性能合適的產(chǎn)品,而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產(chǎn)成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。
購(gòu)買新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑,但是成本太高，很多工廠在短時(shí)間內(nèi)都無(wú)法有那么多的資金，這嚴(yán)重阻礙企業(yè)的設(shè)備更新和設(shè)備設(shè)計(jì)的步伐；同時(shí)目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長(zhǎng)使用壽命的普通機(jī)床，由于普通機(jī)床加工精度相對(duì)較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰。而設(shè)計(jì)現(xiàn)有舊機(jī)床、配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床，是當(dāng)前許多企業(yè)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計(jì)換代的首選辦法，也是提高機(jī)床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的捷徑，使企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力，在我國(guó)成為世界制造業(yè)中心及制造強(qiáng)國(guó)的進(jìn)程中，占有一席之地。
1.1.1國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況
?機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代機(jī)床－數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過(guò)程中可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器。加工過(guò)程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過(guò)CAD/CAM及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒(méi)有反饋控制環(huán)節(jié)，整個(gè)制造過(guò)程中CNC只是一個(gè)封閉式的開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過(guò)程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長(zhǎng)、加工余量等加工參數(shù)，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，更無(wú)法通過(guò)反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過(guò)程，因此，對(duì)數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢(shì)在必行。
1.1.2數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
1、性能發(fā)展方向
(1) 高速高精高效化
速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對(duì)式檢測(cè)元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。
(2) 柔性化
包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能覆蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。
(3) 工藝復(fù)合性和多軸化
以減少工序、輔助時(shí)間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾后，通過(guò)自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺(tái)等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá)24軸。
(4) 實(shí)時(shí)智能化
早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng)的、更現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域發(fā)展，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個(gè)主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定和刀具自動(dòng)管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時(shí)的綜合運(yùn)動(dòng)控制中引入提前預(yù)測(cè)和預(yù)算功能、動(dòng)態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達(dá)到最佳控制的目的。
1.1.3智能化新一代PC NC數(shù)控系統(tǒng)
當(dāng)前開發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過(guò)程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化新一代PCNC數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。
智能化新一代PC NC數(shù)控系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，形成嚴(yán)密的制造過(guò)程閉環(huán)控制體系。
1.2普通機(jī)床數(shù)控化設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)
根據(jù)對(duì)市場(chǎng)的調(diào)研，目前新的經(jīng)濟(jì)數(shù)控銑床，8.5萬(wàn)/臺(tái)，普通新銑床，售價(jià)3.8萬(wàn)/臺(tái)，使用壽命8-10年，而已使用了6-8年的舊銑床，估價(jià)0.5萬(wàn)/臺(tái)，通過(guò)設(shè)計(jì)還可使用4-6年。普通銑床每臺(tái)數(shù)控化設(shè)計(jì)所需價(jià)格大約3萬(wàn)，數(shù)控加工的生產(chǎn)率可提高20-30%。因此需要對(duì)普通銑床的數(shù)控化設(shè)計(jì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。
設(shè)備現(xiàn)代化設(shè)計(jì)是指應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)成就和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)生產(chǎn)的需要，改變現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)（包括更換新部件、新裝置、新附件等），改善現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)性能，使之全部或局部達(dá)到新設(shè)備的性能。
1.2.1微觀看設(shè)計(jì)的必要性
從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。
(1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
(2) 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動(dòng)化"。
(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(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。
由以上五條派生的優(yōu)點(diǎn)：(1)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；(2)節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床）；(3)減少了工裝；縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期；(4)可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
1.2.2宏觀看設(shè)計(jì)的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)。除在制造過(guò)程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入設(shè)計(jì)（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后20年。如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化設(shè)計(jì)的必要性。
1.3 普通機(jī)床數(shù)控化設(shè)計(jì)市場(chǎng)
1.3.1設(shè)計(jì)的市場(chǎng)
我國(guó)目前機(jī)床總量380余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國(guó)機(jī)床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)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(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。
1.3.2進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化設(shè)計(jì)市場(chǎng)
我國(guó)自改革開放以來(lái)，很多企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1979～1988年10年間，全國(guó)引進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目就有18446項(xiàng)，大約165.8億美元。這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國(guó)外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母摺a(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長(zhǎng)時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒(méi)有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。
這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的設(shè)計(jì)市場(chǎng)。
第2章 總體方案的設(shè)計(jì)
2.1總體方案設(shè)計(jì)要求
總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。
（1）普通銑床數(shù)控化設(shè)計(jì)后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。
（2）銑床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據(jù)普通銑床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性價(jià)比，因此，可選 MCS—51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。
（5）設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。
（6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。
（7）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。
（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。
2.2 總體方案擬定
數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求： 在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能保留原機(jī)床結(jié)構(gòu)。主傳動(dòng)系統(tǒng)中保留主軸箱內(nèi)滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)，取消原操作手柄，實(shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)及停止，改由數(shù)控系統(tǒng)直接控制主電機(jī)，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出M03指令后，主電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)?？v、橫進(jìn)給系統(tǒng)均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)。用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)代替普通的滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu),具有摩擦力小,運(yùn)動(dòng)靈敏, 無(wú)爬行現(xiàn)象, 也可以進(jìn)行預(yù)緊, 以實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng),傳動(dòng)剛度好,反向時(shí)無(wú)空程死區(qū)等特點(diǎn)。可提高傳動(dòng)精度。導(dǎo)軌需沿用原機(jī)床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機(jī)床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤(rùn)滑性。將原刀架和小托板拆除，將銑床刀架換為四工位電動(dòng)刀架，將刀架調(diào)整好高度安裝在中拖板上，由數(shù)控系統(tǒng)直接控制，減少輔助時(shí)間，提高效率。為保證加工螺紋時(shí)縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，需要在主軸尾部安裝主軸脈沖發(fā)生器。主軸脈沖發(fā)生器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出與主軸轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，使數(shù)控系統(tǒng)控制刀架的縱向移動(dòng)量。
2.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
2.3.1伺服控制系統(tǒng)的選擇
因要求設(shè)計(jì)后的銑床為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床。所以在保證具有一定加工精度的前提下，從設(shè)計(jì)成本考慮。應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本?？刹梢圆竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的開環(huán)系統(tǒng)，但是考慮到加工精度的要求，應(yīng)采用以伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路短，剛性好，較容易獲得較高的精度和速度，目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用半閉環(huán)系統(tǒng)，而隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，伺服電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)中就把電機(jī)和檢測(cè)元件直接安裝在一起，形成成套的產(chǎn)品，極大的方便了用戶，省去了安裝調(diào)整誤差。（半閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖1所示）
檢測(cè)器
執(zhí)行件
伺服放大器
伺服電機(jī)
減速箱
脈沖指令
比較線路
圖1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖
2.3.2機(jī)械部分設(shè)計(jì)
1.床頭箱部分
保留主軸箱內(nèi)的滑移齒輪，取消操作手柄。將原床身的掛輪、進(jìn)給箱及內(nèi)部傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)去除，其余部分保持不變。在該處安裝縱向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速箱總成。絲杠、光杠和操作桿（“三桿”）拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠。滾珠絲杠的另一端支承座安裝在銑床尾座原來(lái)裝軸承座的部分。 并在主軸箱后端安裝光電編碼器。編碼器的安裝方式有兩種，一種是安裝，另一種是異軸安裝。因?yàn)樵瓩C(jī)床主動(dòng)掛輪與主軸傳動(dòng)比為1:1，所以可將編碼器安裝于原機(jī)床主動(dòng)掛輪處。這種安裝方式較簡(jiǎn)單，易安裝。
2.進(jìn)給系統(tǒng)（橫向）的設(shè)計(jì)
將銑床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的普通絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副， 伺服電機(jī)與絲杠間采用一級(jí)減速器聯(lián)接, 以縮小傳動(dòng)鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動(dòng)鏈誤差。橫向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速器總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠通過(guò)膜片聯(lián)軸器相連。膜片聯(lián)軸器的特點(diǎn)是易平衡，不需潤(rùn)滑。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有一定的補(bǔ)償性能和緩沖性能。因其尺寸較大，故可將其放在減速箱內(nèi)。
橫向滾珠絲杠選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZL型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副。型號(hào)為FFZL2505-3【1】,其公稱直徑d0 =25mm、基本導(dǎo)程L0=5mm 。滾珠絲杠的支撐方式選用兩端固定式，其傳動(dòng)精度高，并有較好的剛度。適合于距離不長(zhǎng)的場(chǎng)合。滾珠絲杠需要預(yù)緊，其大小約為軸向力的三分之一。
減速箱齒輪傳動(dòng)初定傳動(dòng)比為2，可取Z1=24 則Z2=48,齒寬B=16.在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，為了提高傳動(dòng)精度，必須消除齒輪副的間隙。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)由于經(jīng)常處于變向狀態(tài),反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隔,就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào),從而影響其傳動(dòng)精度,因此24/48這一對(duì)齒輪還必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙,以提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度。齒輪間隙的調(diào)整采用圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯(cuò)齒法來(lái)實(shí)現(xiàn),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 齒輪間隙的調(diào)整結(jié)構(gòu)圖
圖中,在2 個(gè)薄片齒輪1 和2 上裝有螺紋的凸耳4 和8 ,彈簧的一段鉤在凸耳4上,另一端鉤在螺釘5 上。彈簧3 所受的張力大小可用螺母6 來(lái)調(diào)節(jié)螺釘5 的伸出長(zhǎng)度,調(diào)整好后再用螺母7 鎖緊。
在選擇伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：a、慣量匹配，即0.25≤Jd/Jm≥1， 其中Jd為折算到到電動(dòng)機(jī)的負(fù)載慣量，Jm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。b、轉(zhuǎn)矩伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須滿足實(shí)際需要，但是不需要留有過(guò)多的余量，因?yàn)橐话闱闆r下，其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3 倍。c、短時(shí)間特性(加減速轉(zhuǎn)矩)，工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電動(dòng)機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩。根據(jù)以上原則，取電動(dòng)機(jī)型號(hào)為1FT5066-0A01△【2】
3.導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
因原機(jī)床的導(dǎo)軌精度不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求。但設(shè)計(jì)的原則是盡量保持原機(jī)床的部件。故只能將導(dǎo)軌加以利用。導(dǎo)軌表面貼塑的方法可使得導(dǎo)軌精度提高。因此可在導(dǎo)軌上加四氟乙烯軟帶。其特點(diǎn)是，摩擦系數(shù)低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可吸收震動(dòng)，維修方便，損壞后更換容易。在本次設(shè)計(jì)中采用美國(guó)霞板公司研制的德爾賽塑料導(dǎo)軌軟帶。
(三)、數(shù)控系統(tǒng)的選擇
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng))是數(shù)控機(jī)床的控制核心，隨著機(jī)床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，提高了數(shù)控機(jī)床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著，現(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床已在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。
目前市場(chǎng)上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC、西門子、華中數(shù)控系統(tǒng)等，本設(shè)計(jì)為經(jīng)濟(jì)行數(shù)控銑床，只要滿足設(shè)計(jì)要求功能及精度即可。通過(guò)比較，國(guó)內(nèi)的華中數(shù)控系統(tǒng)不僅能達(dá)到要求，并且價(jià)格便宜，是數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)的首選系統(tǒng)，根據(jù)功能要求，選擇華中HNC-21TF型數(shù)控系統(tǒng)。
第3章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
主傳動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力源（如電動(dòng)機(jī)）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺(tái)），以及開停、換向和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。動(dòng)力源給執(zhí)行元件提供動(dòng)力，并使其得到一定的運(yùn)動(dòng)速度和方向,變速裝置傳遞動(dòng)力以及變換運(yùn)動(dòng)速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機(jī)床所需的運(yùn)動(dòng)，完成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床的性能提出越來(lái)越高的要求，如轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍大，恒扭矩調(diào)速范圍達(dá)1：100～1：1000，恒功率調(diào)速范圍達(dá)1：10以上；更大的功率范圍達(dá)2.2～250kW，能在切削加工中自動(dòng)變換速度；機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪聲小，動(dòng)態(tài)性能好，可靠性高等。
3.1.1 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)
普通機(jī)床一般采用機(jī)械有級(jí)變速調(diào)速傳動(dòng)，而數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)變速；且在切削階梯軸的不同直徑，且削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時(shí)，需要隨切削的直徑的變化而自動(dòng)變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選用到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。
機(jī)床主傳動(dòng)中常采用得無(wú)級(jí)變速裝置有三大類：變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無(wú)級(jí)變速裝置和液壓無(wú)級(jí)變速裝置。
無(wú)級(jí)變速主傳動(dòng)系設(shè)計(jì)原則：
一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動(dòng)系要求的無(wú)級(jí)變速裝置。如銑床主傳動(dòng)系要求恒功率傳動(dòng)，就應(yīng)選擇恒功率無(wú)級(jí)變速裝置。二為無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時(shí)，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機(jī)床實(shí)際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無(wú)級(jí)變速裝置宇機(jī)械分級(jí)變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴(kuò)大恒功率變速范圍和整個(gè)變速范圍。
3.1.2 主軸部件設(shè)計(jì)
主軸部件的性能要求
主軸部件是機(jī)床主要部件之一，它是機(jī)床的執(zhí)行元件。他的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，完成表面成型運(yùn)動(dòng)。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、密封件及定位元件等組成。
主軸部件的工作性能對(duì)整機(jī)性能和加工質(zhì)量以及機(jī)床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。因此，對(duì)主軸部件有如下要求：
1）軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無(wú)載荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的7：24錐孔）的徑向和軸向跳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤(rùn)滑劑和主軸組件的平衡。
2 ）剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性便形時(shí)，在位移方向上所施加的作用力來(lái)定義的。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾動(dòng)軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動(dòng)件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸部件的剛度。
3）溫升 因個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦生熱，切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引起熱變形使主軸伸長(zhǎng)，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會(huì)降低潤(rùn)滑劑的粘度，惡化潤(rùn)滑條件。因此，各類機(jī)床對(duì)溫升都有一定的限制。
4）可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。
5）精度保持性 它指長(zhǎng)期保持其原始制造精度的能力。對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長(zhǎng)期保持精度。
（2）主軸部件的組成和軸承選型
1) 主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、密封件及定位元件等組成。
2) 主軸的傳動(dòng)件，可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動(dòng)件位于后懸伸端的越來(lái)越多。這樣做，可以實(shí)現(xiàn)分離傳動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨(dú)立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動(dòng)聯(lián)接。本三坐標(biāo)曲面數(shù)控銑床采用帶傳動(dòng)聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向）。角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。推力支承應(yīng)位于前支承內(nèi)，原因是數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)，常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點(diǎn)的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點(diǎn)支推力支承之間的距離。
3) 主軸軸承，選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。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，長(zhǎng)采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對(duì)背，面對(duì)面和同向組配，背靠背和面對(duì)面組配都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。主軸軸承必須采用背靠背組配。
4) 角接觸球軸承的間隙調(diào)整和預(yù)緊
主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承，還應(yīng)在過(guò)盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。
軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支承主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正圓，因而預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將增多，各滾動(dòng)體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動(dòng)，則由于各個(gè)方面都有滾動(dòng)體支承，可以提高抗振性。
角接觸球軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡(jiǎn)稱預(yù)緊力Fa0，單位為N。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級(jí)預(yù)緊。訂貨時(shí)可指定預(yù)緊級(jí)別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對(duì)面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去δ。裝配時(shí)擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個(gè)軸承間需要隔開一定的距離，可在兩軸承之間加入厚度相同的內(nèi)外隔套。在軸向載荷的作用下，不受力側(cè)軸承的滾動(dòng)體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個(gè)條件的最小預(yù)緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的35%。
5) 承載能力和壽命
主軸軸承通常載荷相對(duì)較輕。除上些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒(méi)有問(wèn)題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點(diǎn)蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為P4級(jí)，經(jīng)使用磨損后跳動(dòng)精度降為P5級(jí),這個(gè)軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。
（3） 主軸組件的動(dòng)態(tài)特性
通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)高速主軸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動(dòng)態(tài)特性，可采取下列措施：
1) 是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。
2） 增大比尼。
3） 采用消振裝置。
3.2 主軸系統(tǒng)計(jì)算
三角膠帶傳動(dòng)的計(jì)算和選定
三角帶的選用應(yīng)保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲勞強(qiáng)度）。
(1) 確定計(jì)算功率P
kW
式中：K—工況系數(shù)
P—電機(jī)額定功率 Kw
(2) 選擇三角帶型號(hào)
根據(jù)P、n由圖7-8選SPA型窄V帶
(3) 確定帶輪直徑D、D
小帶輪直徑D應(yīng)滿足：DD 查表7-4取D,故選擇D
(4) 計(jì)算膠帶速度
故 D選擇合格
D
(5) 確定中心距a和帶長(zhǎng)L
得
初選
帶長(zhǎng)
查表7-3，取
中心距
a的調(diào)整范圍：
(6) 驗(yàn)算小帶倫包角
得 ， 即滿足條件。
(7) 確定V帶根數(shù)z
由表7-6a查得
由表7-10查得
由表7-11查得
由表7-9查得
由表7-3查得
代入求根公式，得
取z=6,符合表7-4推薦的輪槽數(shù)
(8) 確定出拉力
由表7-5得
(9) 計(jì)算作用在軸上的壓力
第4章 垂直進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
4.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求
進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。
(1) 穩(wěn)定性
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,或者在輸入的指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號(hào)（包括指令信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)）的性質(zhì)或形式無(wú)關(guān)。
(2) 精度
伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過(guò)程中通常存在三種誤差：動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實(shí)際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標(biāo)就行。
(3) 快速響應(yīng)性
快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對(duì)指令輸入信號(hào)的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過(guò)程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。
4.1.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有：
能夠克服摩擦力和負(fù)載
(2) 很小的進(jìn)給位移量
(3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度
(4) 足夠的調(diào)速范圍
(5) 進(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象
在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有：
(1) 具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩
(2) 具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量
(3) 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小
對(duì)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求
(1) 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量
高的剛度
良好的阻尼
傳動(dòng)部件在拉壓剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能小的非線性
２.3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析
(1).時(shí)間響應(yīng)特性
進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時(shí)間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。
(2) 頻率響應(yīng)特性
(3) 快速性分析
4.2 垂直滾珠絲杠副計(jì)算與選擇
4.2.1 精度
要求：進(jìn)給精度
快速進(jìn)給精度
4.2.2疲勞強(qiáng)度
絲桿的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進(jìn)給力的垂直分力。主軸重量為300kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》
計(jì)算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級(jí)精度
則：
2）計(jì)算額定動(dòng)載荷
取絲杠的工作壽命為,
4.2.3選用 FC1-4020-2.5型絲杠
由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4.2.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
4.2.5 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況?。ㄆ渲校?
則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為：
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即
該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。
4.2.6 效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。
23
總結(jié)與展望
總結(jié)與展望
經(jīng)過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì),我體會(huì)到任何一向技術(shù)革新都是不容易的。要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算、選擇，重要的是要與實(shí)際相結(jié)合，才能設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的產(chǎn)品，這也是設(shè)計(jì)的主要目的之一。同時(shí)我也意識(shí)到自己還有許多不足之處，知識(shí)掌握得不夠牢固，今后需要不斷的努力來(lái)彌補(bǔ)自己的不足。
通過(guò)分析設(shè)計(jì)題目和要求之后，特別是機(jī)械部分的計(jì)算，有時(shí)不只一次計(jì)算，還要進(jìn)行多次反復(fù)的計(jì)算和校核，可能才能符合要求。同時(shí)還必須不斷翻閱多本參考書目，查找所需的相關(guān)信息。所以通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我又重新學(xué)習(xí)了很多知識(shí)，對(duì)我以后的發(fā)展已到了非常重要的作用。
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附 錄
致 謝
本論文是在機(jī)械系的多位老師的悉心關(guān)懷和指導(dǎo)下完成的。XX老師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的治學(xué)態(tài)度，對(duì)學(xué)術(shù)執(zhí)著的追求精神，日常生活中豁達(dá)的人生態(tài)度，以及日常管理中的領(lǐng)導(dǎo)藝術(shù)，都給學(xué)生留下深刻印象，學(xué)生自覺(jué)受益匪淺。對(duì)于老師的教誨，學(xué)生將受用終生。在此謹(jǐn)對(duì)老師的辛勤培養(yǎng)和悉心關(guān)懷致以最誠(chéng)摯的謝意！
回首半年的論文設(shè)計(jì)工作,組里融洽的工作環(huán)境、濃厚的學(xué)習(xí)氛圍將使我終生難忘。同時(shí)感謝我周圍同學(xué)，感謝他們給予我的無(wú)私幫助，祝愿他們?cè)诮窈蟮膶W(xué)習(xí)生活中一帆風(fēng)順！
最后，要感謝我的家人，在大學(xué)的四年學(xué)習(xí)生活里，是他們給予我無(wú)限的關(guān)懷與支持，鼓勵(lì)我勇敢面對(duì)學(xué)習(xí)與生活中的困難，順利完成學(xué)業(yè)。我還要向周圍的同學(xué)致以我的謝意，他們?cè)谌粘Ｉ钪薪o予我關(guān)懷與理解，我為結(jié)交到如此多的良師益友而感到由衷的欣慰。
僅以此論文獻(xiàn)給四年美好的大學(xué)時(shí)光，希望通過(guò)本論文和大家一起分享這份收獲的喜悅。