數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)及z軸進給系統(tǒng)設(shè)計【畢業(yè)論文+cad圖紙全套】

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）</p><p>　　設(shè)計(論文)題目： 數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)及Z軸進給系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　專 題 題 目： 數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)及Z軸進給系統(tǒng)設(shè)計 </p><p&g

2、t;　　姓 名： </p><p><b>　　專業(yè)班級： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p>　　數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)及Z軸進給系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　[摘要]本文介紹了立式數(shù)控銑床的一些基本概況，簡述了機床主傳動系統(tǒng)方面的原理和類

3、型，分析了各種傳動方案的機理。立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)包括了主軸電動機、主軸傳動系統(tǒng)和主軸組件三部分組成。本文詳細介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程，該立式數(shù)控銑床主軸變速是靠帶輪進行的，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，是嚙合傳動中唯一一種不需要潤滑的傳動方式。在嚙合傳動中，它的結(jié)構(gòu)最簡單，制造最容易，最經(jīng)濟，彈性緩沖的能力最強，重量輕，兩軸可以任意布置，噪聲低。它的帶由專業(yè)廠商生產(chǎn)，帶輪自行設(shè)計制造，

4、它在遠距離、多軸傳動時比較經(jīng)濟。文中介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)各種傳動方案優(yōu)缺點的比較、主傳動方案的選擇和確定、主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計計算、主軸組件的設(shè)計、軸承的選用及其潤滑、關(guān)鍵零件的校核、以及主軸電動機的控制等設(shè)計過程。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]數(shù)控機床；立式數(shù)控銑床；主傳動系統(tǒng)；主軸組件；軸承；主軸電動機</p><p>　　CNC milling machine and sp

5、indle system z-axis feed system design</p><p>　　Abstract： this text introduces the vertical CNC milling machine of some of the basic situation, this paper describes the main drive system of machine tool of p

6、rinciple and type, analyzes the mechanism of all kinds of transmission scheme. Vertical CNC milling machine main transmission system including the spindle motor, main shaft transmission system and spindle component of th

7、ree parts. This paper introduces the vertical CNC milling machine main transmission system design process, the vertical a</p><p>　　Key words：Numerical control machine tools; Vertical CNC milling machine; Mai

8、n transmission system; Spindle component; Bearing; Spindle motor </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引言4</b></p><p>　　第一章 緒 論6</p><p><b>

9、　　1.1 概述6</b></p><p>　　1.1.1數(shù)控機床簡介6</p><p>　　1.1.2數(shù)控機床組成和特點7</p><p>　　1.1.3數(shù)控機床分類10</p><p>　　1.2數(shù)控機床的發(fā)展15</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)外發(fā)展趨勢15</p>

10、<p>　　1.2.2主軸部件發(fā)展趨勢19</p><p>　　1.2.3 向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展20</p><p>　　1.2.4向高速化、高精度化和智能化方向發(fā)展20</p><p>　　第二章 數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)設(shè)計22</p><p>　　2.1 主軸系統(tǒng)方案確定23</p><p

11、>　　2.1.1數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)簡介23</p><p>　　2.1.2數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的要求24</p><p>　　2.1.3主軸傳動方案的選擇24</p><p>　　2.1.4主軸組件總體方案26</p><p>　　2.2 主軸系統(tǒng)組件的設(shè)計27</p><p>　　2.2.1主軸電機選擇2

12、8</p><p>　　2.2.2 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計30</p><p>　　2.2.3主軸組件支承設(shè)計42</p><p>　　2.2.4同步帶設(shè)計46</p><p>　　2.2.5主軸組件的潤滑與密封50</p><p>　　2.2.6 鍵的設(shè)計53</p><p>　　第三章 數(shù)

13、控銑床Z軸進給系統(tǒng)設(shè)計55</p><p>　　3.1 Z向進給電機選用55</p><p>　　3.2 聯(lián)軸器的設(shè)計56</p><p>　　3.3 Z向進給組件設(shè)計56</p><p>　　3.3.1切削力的計算56</p><p>　　3.3.2滾珠絲杠副的設(shè)計計算57</p>&

14、lt;p>　　3.3.3 軸承設(shè)計驗算60</p><p>　　3.3.4 絲杠拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率驗算63</p><p>　　第四章 總 結(jié)65</p><p><b>　　參考文獻67</b></p><p><b>　　致 謝68</b></p>&

15、lt;p>　　外文科技資料翻譯69</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟的實力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機械制造裝備的競爭。機床是制造業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，而數(shù)控機床是高精度、高效率的自動化生產(chǎn)設(shè)備。目前，國內(nèi)、外數(shù)控機

16、床正朝著高性能、高精度、高效率、高柔性、高自動化和模塊化方向迅速發(fā)展。盡管我國數(shù)控機床的制造、設(shè)計、檢測等技術(shù)得到了一定的發(fā)展，但與國外相比，差距還是很大，主要表現(xiàn)在:可靠性差、應(yīng)變能力差、產(chǎn)品開發(fā)周期長、設(shè)計手段落后等，這種差距尤其表現(xiàn)在高精度、高速度等尖端機床方面。因此，我們必須緊跟國際機床技術(shù)發(fā)展的前沿，發(fā)展機床的設(shè)計、檢測、制造等技術(shù)。</p><p>　　數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如：

17、信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。制造技術(shù)和裝備是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國

18、實行封鎖和限制政策。</p><p>　　數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展自1953年美國研制出第一臺三坐標(biāo)方式升降臺數(shù)控銑床算起，至今已有53年歷史了。20世紀(jì)90年開始，計算機技術(shù)及相關(guān)的微電子基礎(chǔ)工業(yè)的高速發(fā)展，給數(shù)控機床的發(fā)展提供了一個良好的平臺，使數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展。我國數(shù)控技術(shù)研究從1958年起步，國產(chǎn)的第一臺數(shù)控機床是北京第一機床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。雖然從時間上看只比國外晚了幾年，但由于種種原因，數(shù)

19、控機床技術(shù)在我國的發(fā)展卻一直落后于國際水平，到1980年我國的數(shù)控機床產(chǎn)量還不到700臺。到90年代，我國的數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展才得到了一個較大的提速。目前，與國外先進水平相比仍存在著較大的差距。</p><p>　　總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。</p><p>　　數(shù)控（numerical control,N

20、C）機床，顧名思義，是一類由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機床。與人工操作的普通機床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動化程度高、柔性強、操作者勞動強度低、易于組成自動生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點。數(shù)控機床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。</p><p>　　通過這次畢業(yè)設(shè)計，可以達到以下目的：1.培養(yǎng)綜合運用專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力；2.強化工程實踐能力和意識,提

21、高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；3.使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻閱讀、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達等各方面的能力；4.培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和工程經(jīng)濟觀點，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團隊合作精神。</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>&

22、lt;b>　　1.1 概述</b></p><p>　　數(shù)控機床是一種高效能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。與普通機床相比，數(shù)控機床具有如下一些優(yōu)點：易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實現(xiàn)一機多用，多機看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動強度

23、，減少所需工人數(shù)量等。</p><p>　　數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件、分度臺等部分組成。傳動系統(tǒng)的作用是把運動和力由動力源傳遞給機床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動態(tài)特性。傳動系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，從而影響機床的工作性能。隨著機床切削速度的提高和自動化方向的發(fā)展，傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單，但對其機械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越

24、高。</p><p>　　數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床，其加工過程中的動作順序、運動部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機床上加工零件那樣，對機床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進行人為補償，所以數(shù)控機床幾乎在任何方面均要求比普通機床設(shè)計得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動化程度的要求，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計已形成自己的獨立體系，在這一

25、結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。隨著社會進步的迅速節(jié)奏，機電產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜。產(chǎn)品的精度要求越來越高、更新?lián)Q代的周期也越來越短，從而促進了現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展。尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工等行業(yè)，用普通機床進行加工（精度低、效率低、勞動度大）已無法滿足生產(chǎn)要求，從而一種新型的用數(shù)字程序控制的機床應(yīng)運而生。這種機床是一種綜合運用了計算機技術(shù)、自動控制、精密測量和機械設(shè)計等新技術(shù)的機電一體化典型產(chǎn)品數(shù)控機床。

26、</p><p>　　1.1.1數(shù)控機床簡介</p><p>　　數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的自動化機床。該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令（刀具移動軌跡信息）規(guī)定的程序。具體地講，把數(shù)字化了的刀具移動軌跡的信息輸入到數(shù)控裝置，經(jīng)過譯碼、運算，從而實現(xiàn)控制刀具與工件相對運動，加工出所需要的零件的機床，即為數(shù)控機床。數(shù)控銑床是一種加工功能很強的數(shù)控機床，目前

27、迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元都是在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，兩者都離不開銑削方式。由于數(shù)控銑削工藝最復(fù)雜，需要解決的技術(shù)問題也很多，因此，人們在研究和開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)及自動編程語言的軟件系統(tǒng)時，也一直把銑削加工作為重點。數(shù)控銑床機械部分與普通銑床基本相同，工作臺可以做橫向、縱向和垂直三個方向的運動。因此普通銑床能加工的工藝內(nèi)容，數(shù)控銑床度能做到。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)

28、越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對機械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動化的要求。在機床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機床為數(shù)控機床所代替，這就極大地促進了機床行業(yè)的技術(shù)進步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機車車輛、機床、建筑、通用機械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。

29、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅(qū)動、機床結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)；FMS的迅速發(fā)展和CIMS的不斷成熟，又將對數(shù)控機的可靠性、通信功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出更高的要求。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日益完蓋，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用頷域日益擴大。</p><p>　　綜上所

30、述，數(shù)控機床在促進技術(shù)進步和經(jīng)濟發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機會等方面，起著非常重要的作用。</p><p>　　1.1.2數(shù)控機床組成和特點</p><p>　　數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件、分度臺等部分組成。傳動系統(tǒng)的作用是把運動和力由動力源傳遞給機床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動態(tài)特性。傳動系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動系統(tǒng)的軸

31、組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，從而影響機床的工作性能。隨著機床切削速度的提高和自動化方向的發(fā)展，傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單，但對其機械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越高，從而使傳統(tǒng)的設(shè)計方法遠遠達不到要求，這樣，各種設(shè)計理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。</p><p>　　數(shù)控機床是一種高效能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。與普通機床相比，數(shù)控機床具有如下一些優(yōu)點：易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實現(xiàn)一機多

32、用，多機看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動強度，減少所需工人數(shù)量等。</p><p>　　數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床，其加工過程中的動作順序、運動部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機床上加工零件那樣，對

33、機床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進行人為補償，所以數(shù)控機床幾乎在任何方面均要求比普通機床設(shè)計得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動化程度的要求，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計已形成自己的獨立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機床相比，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)有許多特點。</p><p>　　(1)數(shù)控機床的組成：</p><p>　　數(shù)控機床主要由輸入

34、輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機床本體組成，如圖1-1所示。</p><p>　　其中，存儲介質(zhì)用于記載機床加工零件的全部信息。如零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)、位移數(shù)據(jù)、切削速度等。常用的存儲介質(zhì)有磁帶、磁盤等。也有一些數(shù)控機床采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接輸入或通過串行接口將計算機上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。在計算機輔助設(shè)計與計算機輔助制造(CAD/CAM)集成系統(tǒng)中，加工程序可不需

35、要任何載體而直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　圖1-1 數(shù)控機床的組成</p><p>　　數(shù)控裝置是控制機床運動的中樞系統(tǒng)，它的基本任務(wù)是接收程序介質(zhì)帶來的信息，按照規(guī)定的控制算法進行插補運算，把它們轉(zhuǎn)換為伺服系統(tǒng)能夠接收的指令信號，然后將結(jié)果由輸出裝置送到各坐標(biāo)控制的伺服系統(tǒng)。</p><p>　　伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機和伺服驅(qū)動裝置組成，是數(shù)控系統(tǒng)的

36、執(zhí)行部件。它的基本作用是接收數(shù)控裝置發(fā)來的指令脈沖信號，控制機床執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移量，以完成零件的自動加工。</p><p>　　通常數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)兩部分組成，各公司的數(shù)控產(chǎn)品也是將兩者作為一體的。</p><p>　　機床主體也稱主機，包括機床的主運動部件、進給運動部件、執(zhí)行部件和基礎(chǔ)部件，如底座、立柱、滑鞍、工作臺(刀架)、導(dǎo)軌等。數(shù)控機床與普通機床不同，它的

37、主運動和各個坐標(biāo)軸的進給運動都是由單獨的伺服電動機驅(qū)動，所以它的傳動鏈短、結(jié)構(gòu)比較簡單。為了保證數(shù)控機床的快速響應(yīng)特性，在數(shù)控機床上還普遍采用精密滾珠絲杠副和直線滾動導(dǎo)軌副。在加工中心上還配備有刀庫和自動換刀裝置。同時還有一些良好的配套設(shè)施，如冷卻、自動排屑、自動潤滑、防護和對刀儀等，以利于充分發(fā)揮數(shù)控機床的功能。此外為了保證數(shù)控機床的高精度、高效率和高自動化加工，數(shù)控機床的其他機械結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了很大的變化。本次設(shè)計即主要完成機床主體部分

38、的設(shè)計。</p><p>　　(2)數(shù)控機床的特點</p><p>　　數(shù)控機床與普通機床加工零件的區(qū)別，在于數(shù)控機床是按照程序自動加工零件，而普通機床由工人手工操作來加工零件。在數(shù)控機床上只要改變控制機床動作的程序，就可以達到加工不同零件的目的。由于是一種程序控制過程，數(shù)控機床相應(yīng)形成了以下幾個特點。</p><p>　?。?） 采用數(shù)控機床可以提高零件的加工精度

39、、穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量。因為數(shù)控機床按照預(yù)定的加工程序進行加工，加工過程中消除了操作者人為的操作誤差，所以零件加工的一致性好，而且加工精度還可以利用軟件來進行校正補償，因此可以獲得比機床本身所能達到的精度還要高的加工精度及重復(fù)定位精度。</p><p>　　(2）. 數(shù)控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的具有復(fù)雜曲面的零件的加工。因此它在航空航天、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。</p>&l

40、t;p>　　(3). 采用數(shù)控機床比普通機床可以提高生產(chǎn)效率2～3 倍，尤其是對某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。</p><p>　　(4). 可以實現(xiàn)一機多用。一些數(shù)控機床將幾種普通機床功能合一，加上刀庫與自動換刀裝置構(gòu)成加工中心，如果能配置數(shù)控轉(zhuǎn)臺或分度轉(zhuǎn)臺，則可以實現(xiàn)一次安裝、多面加工。</p><p>　　(5). 采用數(shù)控機床有利于向計算機控制與管理生

41、產(chǎn)方面發(fā)展，為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化創(chuàng)造了條件。</p><p>　　1.1.3數(shù)控機床分類</p><p>　　數(shù)控機床種類很多，規(guī)格不一，人們從不同的角度對其進行了分類。</p><p>　　(1)按機械運動軌跡分類：</p><p>　　數(shù)控機床按其刀具與工件相對運動的方式，可以分為點位控制、直線控制和輪廓控制。</p>&l

42、t;p>　　1)點位控制數(shù)控機床</p><p>　　如圖1-2所示，點位控制是指數(shù)控系統(tǒng)只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準(zhǔn)確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標(biāo)鏜床等。</p><p>　　2)直線控制數(shù)控機床</p><p>　　如圖1-3所示，點位直線控制是指數(shù)控系統(tǒng)除控制直線軌跡的起點和終

43、點的準(zhǔn)確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床和數(shù)控磨床等。</p><p>　　圖1-2 點位控制鉆孔加工示意圖</p><p>　　現(xiàn)代組合機床采用數(shù)控技術(shù)，驅(qū)動各種動力頭、多軸箱軸向進給鉆、鏜、銑等加工，也算是一種直線控制數(shù)控機床。直控制也稱為單軸數(shù)控。</p><p>　　圖1-3 直線控制切削加工示意

44、圖 圖1-4 輪廓控制銑削加工示意圖</p><p>　　3)輪廓控制數(shù)控機床</p><p>　　輪廓控制數(shù)控機床亦稱連續(xù)軌跡控制，如圖1-4所示，能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標(biāo)方向的聯(lián)合運動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐標(biāo)方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度。采

45、用這類控制的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。</p><p>　　現(xiàn)代數(shù)控機床絕大部分都具有兩坐標(biāo)或兩坐標(biāo)以上聯(lián)動的功能，除此之外還具有刀具半徑補償、刀具長度補償、機床軸向運動誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒側(cè)間隙誤差補償?shù)纫幌盗泄δ堋?lt;/p><p>　　(2)按伺服系統(tǒng)的類型分類：</p><p>　　1)開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床</p>&

46、lt;p>　　開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)，由步進電機驅(qū)動線路和步進電機組成。數(shù)控裝置經(jīng)過控制運算發(fā)出脈沖信號，每一脈沖信號使步進電機轉(zhuǎn)動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。如圖1-5 所示。這種伺服機構(gòu)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制，多用于對舊機床的數(shù)控化改造。</p><p>　　圖1-5 開環(huán)伺服系統(tǒng)</p><p>　　2

47、)閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)是在機床移動部件位置上直接裝有直線位置檢測裝置，將檢測到的實際位移反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較后的差值控制移動部件作補充位移，直到差值消除時才停止移動，達到精確定位的控制系統(tǒng)。圖1-6所示為閉環(huán)伺服系統(tǒng)。</p><p>　　這類數(shù)控機床可以消除由于傳動部件制造中存在的精度誤差給工件加工帶來的影響，從

48、而得到很高的精度。但是由于很多機械傳動環(huán)節(jié)包括在閉環(huán)控制的環(huán)路內(nèi)，各部件的摩擦特性、剛性以及間隙等都是非線性量，直接影響到伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。因此，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整都非常困難。</p><p>　　圖1-6 閉環(huán)伺服系統(tǒng)</p><p>　　閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是精度高。但其系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)整困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，主要用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精密車床、超精密銑床、加工中心等。&

49、lt;/p><p>　　3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床</p><p>　　這類數(shù)控機床采用安裝在進給絲杠或電動機端頭上的轉(zhuǎn)角測量元件測量絲杠旋轉(zhuǎn)角度，來間接獲得位置反饋信息。圖1-7所示為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。</p><p>　　圖1-7 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)</p><p>　　這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及工作臺，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性。而

50、且由于采用了高分辨率的測量元件，可以獲得比較滿意的精度及速度。大多數(shù)數(shù)控機床采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。</p><p>　　4)混合控制數(shù)控機床 </p><p>　　將以上三類數(shù)控機床的特點結(jié)合起來，就形成了混合控制數(shù)控機床。混合控制數(shù)控機床特別適用于大型或重型數(shù)控機床，因為大型或重型數(shù)控機床需要較高的進給速度與相當(dāng)高的精度，其傳動鏈慣量與力矩大，如果只采用全

51、閉環(huán)控制，機床傳動鏈和工作臺全部置于控制閉環(huán)中，閉環(huán)調(diào)試比較復(fù)雜?；旌峡刂葡到y(tǒng)又分為兩種形式： </p><p>　?。ㄒ唬╅_環(huán)補償型。它的基本控制選用步進電動機的開環(huán)伺服機構(gòu)，另外附加一個校正電路。用裝在工作臺的直線位移測量元件的反饋信號校正機械系統(tǒng)的誤差，如圖1-8所示。</p><p>　　圖1-8開環(huán)補償型控制方式</p><p>　?。ǘ┌腴]環(huán)補償型。它

52、是用半閉環(huán)控制方式取得高精度控制，再用裝在工作臺上的直線位移測量元件實現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統(tǒng)一。如圖1-9所示，其中A是速度測量元件（如測速發(fā)電機），B是角度測量元件，C是直線位移測量元件。</p><p>　　圖1-9半閉環(huán)補償型控制方式</p><p>　　（3）按聯(lián)動軸數(shù)分類：</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)控制幾個坐標(biāo)軸按需要的函數(shù)關(guān)系同時協(xié)調(diào)

53、運動，稱為坐標(biāo)聯(lián)動，按照聯(lián)動軸數(shù)可以分為：</p><p><b>　　1） 兩軸聯(lián)動 </b></p><p>　　數(shù)控機床能同時控制兩個坐標(biāo)軸聯(lián)動，適于數(shù)控車床加工旋轉(zhuǎn)曲面或數(shù)控銑床銑削平面輪廓。 </p><p><b>　　2） 兩軸半聯(lián)動 </b></p><p>　　在兩軸的基礎(chǔ)上增加了

54、Z軸的移動，當(dāng)機床坐標(biāo)系的X、Y軸固定時，Z軸可以作周期性進給。兩軸半聯(lián)動加工可以實現(xiàn)分層加工。 </p><p><b>　　3） 三軸聯(lián)動 </b></p><p>　　數(shù)控機床能同時控制三個坐標(biāo)軸的聯(lián)動，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三軸加工完成。 </p><p><b>　　4） 多坐標(biāo)聯(lián)動 </b>

55、</p><p>　　數(shù)控機床能同時控制四個以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動。多坐標(biāo)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高、程序編制復(fù)雜，適于加工形狀復(fù)雜的零件，如葉輪葉片類零件。 </p><p>　　通常三軸機床可以實現(xiàn)二軸、二軸半、三軸加工；五軸機床也可以只用到三軸聯(lián)動加工，而其他兩軸不聯(lián)動。</p><p>　　1.2數(shù)控機床的發(fā)展</p><p>　　隨著

56、機械制造生產(chǎn)模式的演變,對機械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動化程度,進行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟”實現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對世界生產(chǎn)進行快速響應(yīng)，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實制造和快速成形制造技術(shù)。</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)外發(fā)展趨勢 </p><p&g

57、t;　　當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈竟?fàn)?，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術(shù)的進步，數(shù)控機床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術(shù)、爭奪用戶、擴大市場的焦點。較著名的控制系統(tǒng)有:日本FANUC系列、Mitsubishi系列

58、，KUMA 系列、SODICK 系列、日立系列、德國SIEMENS系列、DECKEL系列、Heidenhain系列、HELLER系列、美國ALLEN-BRADLEY (AB)系列，INCINNANTI系列、法國Nun 系列、意大利FIDIA系列、西班牙FAGOR系列、瑞士的AG系列、國產(chǎn)系列等在美 國，日本和德國等發(fā)達國家，它們將機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個“永恒”的課

59、題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，</p><p>　　工業(yè)發(fā)達國家都非常注重機械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機械制造裝備基本上是通用機床加專用工藝裝備，數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強

60、,更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動化程度基本上還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，導(dǎo)致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達國家的差距,我們必須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重。</p><p>　　數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向 六個方面：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國和瑞士的機床精度最高，綜合起來，德國

61、的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國的機床業(yè)一般。中國大陸、韓國。臺灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應(yīng)該能進世界前4名。</p><p>　　目前世界最大的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西班牙凡高等。國內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當(dāng)不錯，但差就差在電器硬件上，故障率比較高

62、。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機床業(yè)進軍，但機床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機床廠的簡易數(shù)控系統(tǒng)也不錯。 我們國家機床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　目前世界著名機床廠商在我國的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機床制造商馬扎克（MAZAK）在寧夏銀川投資建了名為“寧夏小巨人機床公司”的機床公司，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心和車銑復(fù)合中心。機床質(zhì)量不錯，目

63、前效益良好，年產(chǎn)600臺，目前正在建2期工程，建成后可以年產(chǎn)1200臺。 2. 2003年，德國著名的機床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產(chǎn)數(shù)控車床和立式加工中心120臺左右。 3. 2002年，日本著名的機床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機床廠合資建廠，年生產(chǎn)能力為1000臺，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心、臥式加工中心。 4.韓國大宇在山東青島投資建廠，目前生產(chǎn)能力不知。 5.臺灣省的著名機床制造商友嘉在浙江蕭山投資建廠，年生產(chǎn)能力8

64、00臺。</p><p>　　民營企業(yè)進入機床行業(yè)情況 1.浙江日發(fā)公司，2000年投產(chǎn)，生產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心。年生產(chǎn)能力300臺。 2．2004年，浙江寧波著名的鑄塑機廠商海天公司投資生產(chǎn)機床，主要是從日本引進技術(shù)，目前剛開始，起點比較高。 3．2002年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實老板是中國人，采用日本技術(shù)。生產(chǎn)小型儀表數(shù)控車床，水平相當(dāng)不錯。</p><p>　　軍工企業(yè)技改

65、情況 軍工企業(yè)得到國家撥款開始于當(dāng)年“大使館被炸”，后來臺灣阿扁上臺后，大規(guī)模技改開始了，軍工企業(yè)進入新一輪的技改高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購買普通設(shè)備。尤其是近3年來，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進數(shù)控機床。也從國內(nèi)機床廠哪里采購了大批普通數(shù)控機床，國內(nèi)機床廠商為了迎接這次大技改，也引進了不少先進技術(shù)，爭取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能“頂”三年，我們的整體水平會上一個臺階。 其實，胡錦濤總書

66、記掌權(quán)以來，已經(jīng)把國防事業(yè)提到了和經(jīng)濟發(fā)展一樣的高度上，他說，我們要建立和經(jīng)濟發(fā)展相適應(yīng)的國防能力，相信再過10年，隨著我國國防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國家會誕生世界水平的機床制造商，也將會超越日本，成為世界第一機床生產(chǎn)大國。</p><p>　　數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強弱。 </p>

67、<p>　　數(shù)控機床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計算機技術(shù)。隨著計算機及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。我國的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引進，“七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，“八五”期間的數(shù)控應(yīng)用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)用，已逐步形成了以航天數(shù)控、藍天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)

68、業(yè)。 </p><p>　　近年來，我國數(shù)控機床的產(chǎn)量持續(xù)增長，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國一部分普及型數(shù)控機床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)較為成熟，價格合理，在國際市場上具有一定的競爭力。我國數(shù)控機床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有成熟商品走向市場。 </p><p>　　我國在數(shù)控機床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破

69、。目前我國已經(jīng)可以供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機床。同時，我國也已進入世界高速數(shù)控機床生產(chǎn)國和高精度精密數(shù)控機床生產(chǎn)國的行列。目前我國已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在8000~10000轉(zhuǎn)/分以上的數(shù)控機床。 </p><p>　　我國數(shù)控機床行業(yè)近年來大力推廣應(yīng)用CAD等信息技術(shù)，很多企業(yè)已開始和計劃實施應(yīng)用ERP、MRPⅡ和電子商務(wù)。如，濟南第二機床集團有限公司的CAD普及率達100%，是國家級“CAD示范企業(yè)

70、”，企業(yè)的MRPⅡ系統(tǒng)應(yīng)用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。但是和發(fā)達國家相比，我國數(shù)控機床行業(yè)在信息化技術(shù)應(yīng)用上仍然存在很多不足。 </p><p>　?。?）信息化技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，對國外技術(shù)依存度高。我國數(shù)控機床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來源主要依靠引進國外技術(shù)，對國外技術(shù)的依存度較高，對引進技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品

71、自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復(fù)合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能數(shù)控機床基本上還得依賴進口。 </p><p>　?。?）產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在10000小時以上，國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時；整機平均無故障工作時間國外達800小時以上，國內(nèi)最好只有300小時。 </p><p>　　（3）創(chuàng)新能力低，市場競爭力不

72、強。我國生產(chǎn)數(shù)控機床的企業(yè)雖達百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場競爭能力不強。 </p><p>　　隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高要求。當(dāng)今數(shù)控機床信息化正朝著以下幾個方面發(fā)展。 </p><p>　　高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目

73、前，我國生產(chǎn)的第六代數(shù)控機床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度，使得高速運算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時，新一代數(shù)控機床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力</p><p>　　智能化。現(xiàn)代數(shù)控機床的智能化發(fā)展將通過對影響加工精度和效率的物理量進行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對機床的工

74、藝參數(shù)進行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態(tài)。</p><p>　　基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動化。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD/CAM圖形交互式自動編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計算機內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進行計算和后置處理，從而自動生成數(shù)控機床零部件加工程序，以實現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集

75、成的全自動編程方式，其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得，推動數(shù)控機床系統(tǒng)自動化的進一步發(fā)展。</p><p>　　發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時通過自動運行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和

76、各種外部設(shè)備進行故障診斷和報警。 </p><p>　　1.2.2主軸部件發(fā)展趨勢</p><p>　　圖1-10 立式銑床結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　1-切削箱 2-X軸伺服電機 3-Z軸伺服電機 4-主軸電機 5-主軸箱</p><p>　　6-刀庫 7-數(shù)控柜 8-操縱面板 9-驅(qū)動電柜 10-工作臺 11-滑座&l

77、t;/p><p>　　12-立柱 13-床身 14-冷卻水箱 15-間歇潤滑油箱 16-機械手</p><p>　　典型立式銑床的機械結(jié)構(gòu)主要有基礎(chǔ)支承件、加工中心主軸系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、工作臺交換系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺、刀庫及自動換刀裝置以及其他機械功能部件組成[4]。圖1-10所示為立式銑床結(jié)構(gòu)示意圖。</p><p>　　主軸系統(tǒng)由主軸電動機、主軸傳動系統(tǒng)以

78、及主軸組件成。和常規(guī)機床主軸系統(tǒng)相比，加工中心主軸系統(tǒng)要具有更高的轉(zhuǎn)速、更高的回轉(zhuǎn)精度以及更高的結(jié)構(gòu)剛性和抗振性。</p><p>　　隨著電氣傳動技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動的機械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，取消了帶傳動和齒輪傳動，機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床主運動的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的

79、傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸組件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，有時又稱它為“直接驅(qū)動主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動等機床運行參數(shù)的功能，以確保其高速運轉(zhuǎn)的可靠性與安全。</p><p>　　1.2.3 向開放式、基于PC的第六代方向

80、發(fā)展</p><p>　　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，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機作為它的前端機，來處理人機界面、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)。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 </p><p>　　1.2.4向高速化、高精度化和智能化方向發(fā)展</

81、p><p>　　隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。</p><p>　　（1） 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) </p><p>　　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)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 </p><p>　?。?） 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 </p><p>　

82、　將熟練工人和專家的經(jīng)驗，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)。 </p><p>　?。?） 引入故障診斷專家系統(tǒng) </p><p>　?。?） 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置 </p><p>　　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)獲得最佳的運行。</p><p>

83、　　第二章 數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　本次設(shè)計機床主體外觀結(jié)構(gòu)如圖2-1所示</p><p>　　圖2-1立式數(shù)控銑床外形圖</p><p>　　1-底座 2-床身 3-變速箱 4-立洗頭 5-數(shù)控臺 6-滑座和工作臺 7-升降臺</p><p>　　2.1 主軸系統(tǒng)方案確定</p><p&g

84、t;　　2.1.1數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)簡介</p><p>　　主軸組件是由主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動件和密封件等組成的。主軸的啟動、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動態(tài)剛度、加工精度等。主軸內(nèi)部刀具自動夾緊機構(gòu)是自動刀具交換裝置的組成部分。</p&g

85、t;<p>　　主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，他應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。</p><p>　　數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上簡單，這是因為變速功能全部或大部分主軸電動機的無極調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機

86、構(gòu)，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調(diào)速的范圍。</p><p>　　在主傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點：</p><p>　　(1)目前數(shù)控機床的主傳動電機已不再采用普通的交流異步電機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機和直流調(diào)速電機所代替。</p><p>　　(2)轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加

87、工。</p><p>　　(3)變速范圍大。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。</p><p>　　(4)主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減

88、少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。</p><p>　　2.1.2數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的要求</p><p>　　主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。</p><p>　　主電動機具有足夠的功率，全部機構(gòu)和元件具有是夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。</p><p>

89、;　　主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。</p><p>　　操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。</p><p>　　結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。</p><p>　　2.1.3主軸傳動方案的選擇</p><p&g

90、t;　　數(shù)控機床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級凋速系統(tǒng)。為擴大調(diào)速。為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式</p><p>　?。?）具有變速齒輪的主傳動</p><p>　　這是大、中型數(shù)控機床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的

91、要求，見圖2-2所示。一部分小型數(shù)控機床也采用此種傳動方式以獲得強力切削時所需要的扭矩。</p><p>　　圖2-2 圖2-3 圖2-4</p><p>　?。?）通過帶傳動的主傳動</p><p>　　通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和

92、噪聲，見圖2-3所示。</p><p>　　（3）由調(diào)速電機直接驅(qū)動的主傳動</p><p>　　這種主傳動是由電動機直接驅(qū)動主軸，即電動機的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖2-4所示。</p><p>　　近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機主軸，即主軸與電動機轉(zhuǎn)

93、子合為一體。其優(yōu)點是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲。缺點是電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機最高轉(zhuǎn)速可達20000r/min。</p><p>　　對于現(xiàn)在的機床主軸傳動機構(gòu)來說，主要分為齒輪傳動和同步帶傳動。齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，應(yīng)用普遍，類型

94、較多，適應(yīng)性廣。其傳遞的功率可達近十萬千瓦，圓周速度可達，效率可達。齒輪傳動大多數(shù)為傳動比固定的傳動，少數(shù)為有級變速傳動。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。</p><p>　　同步帶是嚙合傳動中唯一一種不需要潤滑的傳動方式。在嚙合傳動中，它的結(jié)構(gòu)最簡單，制造最容易，最經(jīng)濟，彈性緩沖的能力最強，重量輕，兩軸可以任意布置，噪聲低。它的帶由專業(yè)廠商生產(chǎn)，帶輪自行設(shè)計制造，它在

95、遠距離、多軸傳動時比較經(jīng)濟。同步帶傳動時的線速度可達（有時允許達），傳動功率可達，傳動比可達（有時允許達），傳動效率可達。</p><p>　　同步帶傳動的優(yōu)點是：</p><p>　　無滑動，能保證固定的傳動比；</p><p>　　預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受的載荷??；</p><p>　　帶的厚度小，單位長度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高；

96、</p><p>　　帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。</p><p>　　其主要缺點是安裝時中心距的要求嚴(yán)格。</p><p>　　由于齒輪傳動需要具備較多的潤滑條件，而且為了使主軸能夠達到一定的旋轉(zhuǎn)精度，必須選擇較好的工作環(huán)境，以防止外界雜物侵入。而同步帶傳動則避免了這些狀況，并且傳動效率和傳動比等都能符合課題的要求，故在本課題的主軸傳動方式中選擇同步帶傳

97、動，如上圖2-3示。</p><p>　　2.1.4主軸組件總體方案</p><p>　　綜合上幾節(jié)中的方案，本課題的總體設(shè)計方案現(xiàn)確定如下：</p><p>　　由于同步帶無滑動，能保證固定的傳動比，且傳動效率高，允許的線速度較高，無需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動方式中選擇同步帶傳動。但是需要注意的是同步帶的安裝具有嚴(yán)格的要求。</p>

98、<p>　　在主軸的進給運動中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運行時無爬行、無振動，能夠很好地確保Z軸的進給精度。</p><p>　　在本課題中，在換刀過程中，夾緊機構(gòu)也是不可獲缺的一部分。它控制著刀桿的松緊，使刀具在加工時能緊緊地固定在主軸上，在換刀時能輕松地卸載。本課題采用手動的方式，通過拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\動來達到刀桿的松緊目的。同時，為了減少其對主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了

99、一段碟形彈簧，使活塞對拉桿的作用起到一個緩沖的作用。在伺服系統(tǒng)中，本課題在進給系統(tǒng)中選用直流伺服電動機，而在主運動系統(tǒng)中則選用交流伺服電動機。由于交流伺服電動機具有電刷和換向器，需要常常維修，故不適合于主運動系統(tǒng)中。</p><p>　　控制用電動機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確地控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用

100、。</p><p>　　控制用旋轉(zhuǎn)電動機按其工作原理可分為旋轉(zhuǎn)磁場型和旋轉(zhuǎn)電樞型。前者有同步電動機（永磁）、步進電動機（永磁）；后者有直流電動機（永磁）、感應(yīng)電動機（按矢量控制等效模型），具體地可細分為：</p><p>　　步進電動機又稱為脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當(dāng)電動機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。由于其

101、轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，所以對于本課題所需的控制電動機而言，步進電動機很難精確地確保主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，故不適合。</p><p>　　直流伺服電動機通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場磁動勢和電樞電流磁動勢正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。它具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點。但是由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。所以不太適合用于主軸

102、的主電機，但是可以用于進給電動機。</p><p>　　由于交流伺服電動機具有直流伺服電動機的全部優(yōu)點，并且其不具備電刷和換向器，不需要定期維修。雖然在價格上交流伺服電動機較貴，但是由于其性能可靠、精度好，所以正在逐步取代直流電動機的地位。故在本課題的主電機選用中選擇交流伺服電動機。</p><p>　　2.2 主軸系統(tǒng)組件的設(shè)計</p><p><b>

103、　　相關(guān)設(shè)計參照參數(shù):</b></p><p>　　主軸功率P=0.37kw 主軸最高轉(zhuǎn)速為 </p><p>　　Z向最大切削速度V=1500 最大進給量180</p><p>　　主軸組件裝配結(jié)構(gòu)如圖2-7示：</p><p>　　圖2-7主軸組件裝配示意圖</p><

104、;p>　　1——刀架；2——拉釘；3——主軸；4——拉桿；5——碟形彈簧；6——活塞；</p><p>　　7——液壓缸；8、10——行程開關(guān)；9——壓縮空氣管接頭；11——彈簧；</p><p>　　12——鋼球；13——端面鍵</p><p>　　2.2.1主軸電機選擇</p><p><b>　　計算主傳動功率 <

105、/b></p><p>　　(1) 計算主銑削力</p><p>　　經(jīng)驗公式[1]： （2.1）</p><p>　　式中： —— 銑削力，即主切削力（切向圓周分力），</p><p><b>　　—— 銑削深度，</b></p><p><b

106、>　　—— 每齒進給量，</b></p><p><b>　　—— 銑削寬度，</b></p><p><b>　　—— 銑刀直徑，</b></p><p>　　Z —— 銑刀齒數(shù)</p><p>　　—— 銑削力修正系數(shù)，</p><p>　　—— 工件

107、材料抗拉強度，</p><p>　　已知：高速鋼刀具；刀具前角；主偏角；工件材料為碳鋼；每齒進給量；刀具直徑為，齒數(shù)；工件寬度，切削深度</p><p>　　將上述各條件代入公式則主切削力為</p><p><b>　　切削速度[6] </b></p><p>　　(2) 主電機功率估算[1]</p>&l