【正文】 nt uses 51 monolithic integrated circuits to realize to an electrical machinery more precise control and realizes the machinery velocity modulation automatic control. Keywords:Main drive system。 Design。 Machining center 1 第 1 章 緒 論 引言 裝備 工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,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：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(guó)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(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)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(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來(lái)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(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。 數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展自 1953年美國(guó)研制出第一臺(tái)三坐標(biāo)方式升降臺(tái)數(shù)控銑床算起，至今已有 53年歷史了。 20世紀(jì) 90年開(kāi)始，計(jì)算機(jī)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(jī)床的發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展。我國(guó)數(shù)控技術(shù)研究從 1958年起步，國(guó)產(chǎn)的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。雖然從時(shí)間上看只比國(guó)外晚了幾年，但由于種種原因，數(shù)控機(jī)床技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展卻一直落后于國(guó)際水平，到 1980年我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量還 不到 700臺(tái)。到 90年代，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展才得到了一個(gè)較大的提速。目前，與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距。 總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。 研發(fā)背景及意義 本課題是以加工中心為研究目標(biāo)，從其主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其電氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)入手，對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組成分析、分級(jí)變速分析、傳動(dòng)件的計(jì)算分析和主傳動(dòng)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。為優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改善傳動(dòng)系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定特性提供必要的理論依據(jù)通 過(guò)本課題的研究，使加工中心結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能更加優(yōu)越，生產(chǎn)加工更加精密。 與普通數(shù)控機(jī)床的工藝裝備相比較，加工中心工藝裝備的制造精度更高、靈活性好、 2 適用性更強(qiáng)，一般采用電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓以及計(jì)算機(jī)控制，其自動(dòng)化程度更高。合理使用加工中心的工藝裝備，能提高零件的加工精度。各種類型加工中心所配置的數(shù)控系統(tǒng)雖然各有不同，但各種數(shù)控系統(tǒng)的功能，除一些特殊功能不盡相同外，其主要功能基本相同。 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r 對(duì)于高速加工中心，國(guó)外機(jī)床在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的加工中心快速進(jìn)給大多在 min/40m 以上，最高已達(dá)到 min/90m 。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心已實(shí)用化，進(jìn)給速度可提高到 min/100~80 m ，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。國(guó)外高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般都在 m in/2 5 0 0 0~1 2 0 0 0 r，由于某些機(jī)床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)速上限可提高到 min/100000r 。國(guó)外先進(jìn)的加工中心的刀具交換時(shí)間，目前普遍已在 s1 左右，高的已達(dá) ，甚至更快。在結(jié)構(gòu)上，國(guó)外的加工中心都采用了適應(yīng)于高速加工要求的獨(dú)特箱中箱結(jié)構(gòu)或龍門(mén)式結(jié)構(gòu)。在加工精度上，國(guó)外臥式加工中心都裝有機(jī)床精度溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定。國(guó)外加工中心定位精度基本上按德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，行程 mm1000 以下，定位精度可控制在 ~ 之內(nèi)。此外，為適應(yīng)未來(lái)加工精度提高的要求，國(guó)外不少公司還都開(kāi)發(fā)了坐標(biāo)鏜精度級(jí)的加工中心。 相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高速加工中心快速進(jìn)給大多在 min/30m 左右，個(gè)別達(dá)到min/60m 。而直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心僅試制出樣品，還未進(jìn)入產(chǎn)量化，應(yīng)用范圍不廣。國(guó)內(nèi)高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般在 m in/18000~6000 r，定位精度控制在~ 之內(nèi)，重復(fù)定位精度控制在 ~ 之內(nèi)。在換刀速度方面，國(guó)內(nèi)機(jī)床多在 s5~4 ，無(wú)法與國(guó)際水平相比。 雖然國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在近幾年中取得了可喜的 進(jìn)步，但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，仍存在著不少差距，造成國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率逐年下降。 國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國(guó)外產(chǎn)品相比，差距主要在機(jī)床的高速、高效和精密上。除此之外，在機(jī)床可靠性上也存在著明顯差距，國(guó)外機(jī)床的平均無(wú)故障時(shí)間（ MTBF）都在 5000 小時(shí)以上，而國(guó)產(chǎn)機(jī)床大大低于這個(gè)數(shù)字，國(guó)產(chǎn)機(jī)床故障率較高是用戶反映最強(qiáng)烈的問(wèn)題之一。 課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 各類機(jī)床對(duì)其主軸組件和進(jìn)給組件的要求，主要是精度問(wèn)題，就是要保證機(jī)床在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，組件能帶動(dòng)工件或刀具精確地、 穩(wěn)定地繞其軸心旋轉(zhuǎn)，并長(zhǎng)期地保持這一性能。主軸組件和進(jìn)給組件的設(shè)計(jì)和制造，都是圍繞著解決這個(gè)基本問(wèn)題出發(fā)的。 3 為了達(dá)到相應(yīng)的精度要求，通常，主軸組件和進(jìn)給組件應(yīng)符合以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求： 旋轉(zhuǎn)精度：旋轉(zhuǎn)精度是指機(jī)床在空載低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動(dòng)值滿足要求，目的是保證加工零件的幾何精度和表面粗糙度。 剛度：指主軸組件和進(jìn)給組件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。剛度不足時(shí)，不僅影響加工精度和表面質(zhì)量，還容易引起振動(dòng)，惡化傳動(dòng)件和軸承的工作條件。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在其它條件允許的條件下，盡量提高剛 度值。 抗振性：指主軸組件和進(jìn)給組件在切削過(guò)程中抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|(zhì)量和生產(chǎn)率，應(yīng)盡量提高。 溫升和熱變形：溫升會(huì)引起機(jī)床部件熱變形，使主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給的相對(duì)位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過(guò)高會(huì)改變軸承等元件的間隙、破壞潤(rùn)滑條件，加速磨損。 耐磨性：指長(zhǎng)期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤(rùn)滑方式。 4 第 2 章 立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 加工中心主軸箱的組成 主軸箱是由主軸、主軸支承、裝 在主軸上的傳動(dòng)件和減速齒輪等組成的。主軸的啟動(dòng)、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過(guò)裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，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(duì)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(dòng)態(tài)剛度、加工精度等。主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)是自動(dòng)刀具交換裝置的組成部分。 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定 主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 對(duì)于現(xiàn)在的機(jī)床主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要分為齒輪傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。 齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，應(yīng)用普遍，類型較多，適應(yīng)性廣。其傳遞的功率 可達(dá)近十萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá) sm200 ，效率可達(dá) 。齒輪傳動(dòng)大多數(shù)為傳動(dòng)比固定的傳動(dòng)，少數(shù)為有級(jí)變速傳動(dòng)。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合。 同步帶是嚙合傳動(dòng)中唯一一種不需要潤(rùn)滑的傳動(dòng)方式。在嚙合傳動(dòng)中，它的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，制造最容易，最經(jīng)濟(jì)，彈性緩沖的能力最強(qiáng)，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(jì)制造，它在遠(yuǎn)距離、多軸傳動(dòng)時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。同步帶傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá) sm50 （有時(shí)允許達(dá) sm100 ），傳動(dòng)功率可達(dá) kW300 ，傳動(dòng)比可達(dá) 10（有時(shí)允許達(dá) 20 ），傳動(dòng)效率可達(dá) 。 本課題的主軸傳動(dòng)方式中選擇齒輪傳動(dòng)。 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定 綜合 ，本課題的總體設(shè)計(jì)方案現(xiàn)確定如下： 由于采用齒輪傳動(dòng)，能保證 固定的傳動(dòng)比，且傳動(dòng)效率高，傳遞功率大，允許的線速度較高，需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動(dòng)方式中選擇齒輪傳動(dòng)。 在主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運(yùn)行時(shí)無(wú)爬行、無(wú)振動(dòng)，能夠很好地確保 Z軸的進(jìn)給精度。 由于加工中心具備自動(dòng)換刀功能，所以在主軸組件中還應(yīng)有主軸準(zhǔn)停裝置、刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。在本課題中，主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)采用磁力傳感器檢測(cè)定向， 5 其不僅能夠使主軸停止在調(diào)整好的位置上，而且能夠檢測(cè)到主軸的轉(zhuǎn)速，并在加工中心的操控面板上顯示出來(lái)，方便機(jī)床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。 在換刀 過(guò)程中，刀具自動(dòng)夾緊機(jī)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(shí)能緊緊地固定在主軸上，在換刀時(shí)能輕松地卸載。本課題采用了液壓缸運(yùn)行的方式，通過(guò)活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到刀桿的松緊目的。同時(shí)，為了減少液壓推力對(duì)主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了一段碟形彈簧，使活塞對(duì)拉桿的作用起到一個(gè)緩沖的作用。同時(shí)，在換刀過(guò)程中，活塞及拉桿的內(nèi)部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來(lái)清除切屑。使刀桿和主軸始終具有很好的配合精度。 在伺服系統(tǒng)中，本課題在進(jìn)給系統(tǒng)中選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，而在主運(yùn) 動(dòng)系統(tǒng)中則選用交流伺服電動(dòng)機(jī)。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器，需要常常維修，故不適合于主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 由主軸轉(zhuǎn)速 100— 2500r/min,由此初步確定軸轉(zhuǎn)速及電機(jī)選用。 1 主軸轉(zhuǎn)速由變速箱加上 PCL 控速速，選取總傳動(dòng)比 1： ，則電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為120r/min— 3000r/min. 2 確定主軸轉(zhuǎn)矩以及功率 電機(jī)轉(zhuǎn)矩由主軸正常工作時(shí)需要的轉(zhuǎn)矩來(lái)確定，因此需要計(jì)算切削用量。由《專用機(jī)床設(shè)計(jì)與制造》 Pg680 頁(yè)銑削力及銑削功率的計(jì)算如下： 銑削分力 車 銑削時(shí)的切 削分力（見(jiàn)切削了力圖 圖 25 和表 21）有： 圓周力 Pz，即主切削力；走刀力 Ph，即水平分力；頸向力 Py，即銑刀所受的頸向切學(xué)力；軸向力 Po；壓軸力（垂直分力） Pv。 6 圖 25 切削力圖 表 21 銑削各分力與圓周力的比值 銑削條件 比 值 對(duì)稱銑削 不對(duì)稱銑削 逆銑 順銑 端 銑 PH/PZ B/D= zS = PV/PZ PO/PZ 平面銑、立銑、圓盤(pán)銑、成形銑 t/D= PH/PZ zS = PV/PZ PO/PZ 銑削圓周力的計(jì)算 公式如下： p p pppx y up [2]z料 pqwc t g s g B zP = K ( 公 斤 力 ）D g n 7 ?????銑 削 功 率 ： [2 ]6120EPvN = g ?????銑 削 扭 矩 ： [2 ]2021EPDM = g 刀具：高速鋼（粗加工，低速） 加工材料： бb=75公斤力 /mm,中、高碳鋼 1）端銑： B=～ =26～ 52mm(取 B=40mm) t= Z=3 v=9～ 12m/min n=100r/min V=? Dn=65? *100/1000=????銑 削 扭 矩 ： 公 斤 力 ＝ 公 斤 力 ＝1 1 3 . 2 3 6 5 3 . 6 7 3 62 0 0 0 2 0 0 0EPDM m m N m180。== g g g g ?????銑 削 功 率 ： 2 2 3 . 6 9 . 4 2 0 . 3 86 1 2 0 6 1 2 0EPvN kw kw180。= = =g 2)立銑： 由經(jīng)驗(yàn)值得 D=30mm,B=30mm,t=5mm, mm ， z=2,n=1000r/min, ( m )mm?ZS 取 ??zS())/pzD mmBt mmznS mmK???? ? ????????????? ? ????????????? ? ???????????? ??????????? ????????? ? ???????????? ?料式 中 銑 刀 直 徑銑 削 寬 度銑 削 深 度 （銑 刀 齒 數(shù)銑 刀 速 度每 齒 走 刀 量 （ 齒 ）材 料 改 變 時(shí) 的 修 正 系 數(shù)　 　6 6 .8 5vD m mnp==?0. 95 . ..(8 2 .2 3 .5 0 .2 3 .5 3 165 1 1 3 .2 3 (p p pppx y up zpqwc t g s g B zPKD g n?? ? ? ?????Ｅ 料０ ８ １ １１ １公 斤 力 ）１公 斤 力 ）( ) ( ) 17 5 7 5pnbpK ?? ? ?料82 . 2 , 0. 95 , 0. 8 , 1. 1 , 1. 1 , 0p p p p pp x y u q wc ? ? ? ? ? ?68 . 2 , 0. 95 , 0. 72 , 1. 0 , 0. 86 , 0p p p p p