【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國民經(jīng)濟的水平和現(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)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。 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)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。 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。 研發(fā)背景及意義 本課題是以加工中心為研究目標(biāo)，從其主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其電氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)入手，對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)組成分析、分級變速分析、傳動件的計算分析和主傳動電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計的幾個方面進行設(shè)計研究。為優(yōu)化傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改善傳動系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定特性提供必要的理論依據(jù)通 過本課題的研究，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，一般采用電動、氣動、液壓以及計算機控制，其自動化程度更高。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 對于高速加工中心，國外機床在進給驅(qū)動上，滾珠絲杠驅(qū)動的加工中心快速進給大多在 min/40m 以上，最高已達到 min/90m 。采用直線電機驅(qū)動的加工中心已實用化，進給速度可提高到 min/100~80 m ，其應(yīng)用范圍不斷擴大。國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，由于某些機床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承，預(yù)計轉(zhuǎn)速上限可提高到 min/100000r 。國外先進的加工中心的刀具交換時間，目前普遍已在 s1 左右，高的已達 ，甚至更快。在結(jié)構(gòu)上，國外的加工中心都采用了適應(yīng)于高速加工要求的獨特箱中箱結(jié)構(gòu)或龍門式結(jié)構(gòu)。在加工精度上，國外臥式加工中心都裝有機床精度溫度補償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定。國外加工中心定位精度基本上按德國標(biāo)準(zhǔn)驗收，行程 mm1000 以下，定位精度可控制在 ~ 之內(nèi)。此外，為適應(yīng)未來加工精度提高的要求，國外不少公司還都開發(fā)了坐標(biāo)鏜精度級的加工中心。 相對而言，國內(nèi)生產(chǎn)的高速加工中心快速進給大多在 min/30m 左右，個別達到min/60m 。而直線電機驅(qū)動的加工中心僅試制出樣品，還未進入產(chǎn)量化，應(yīng)用范圍不廣。國內(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，國內(nèi)機床多在 s5~4 ，無法與國際水平相比。 雖然國產(chǎn)數(shù)控機床在近幾年中取得了可喜的 進步，但與國外同類產(chǎn)品相比，仍存在著不少差距，造成國產(chǎn)數(shù)控機床的市場占有率逐年下降。 國產(chǎn)數(shù)控機床與國外產(chǎn)品相比，差距主要在機床的高速、高效和精密上。除此之外，在機床可靠性上也存在著明顯差距，國外機床的平均無故障時間（ MTBF）都在 5000 小時以上，而國產(chǎn)機床大大低于這個數(shù)字，國產(chǎn)機床故障率較高是用戶反映最強烈的問題之一。 課題擬解決的關(guān)鍵問題 各類機床對其主軸組件和進給組件的要求，主要是精度問題，就是要保證機床在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，組件能帶動工件或刀具精確地、 穩(wěn)定地繞其軸心旋轉(zhuǎn)，并長期地保持這一性能。主軸組件和進給組件的設(shè)計和制造，都是圍繞著解決這個基本問題出發(fā)的。 3 為了達到相應(yīng)的精度要求，通常，主軸組件和進給組件應(yīng)符合以下幾點設(shè)計要求： 旋轉(zhuǎn)精度：旋轉(zhuǎn)精度是指機床在空載低速旋轉(zhuǎn)時，安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動值滿足要求，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，不僅影響加工精度和表面質(zhì)量，還容易引起振動，惡化傳動件和軸承的工作條件。設(shè)計時應(yīng)在其它條件允許的條件下，盡量提高剛 度值。 抗振性：指主軸組件和進給組件在切削過程中抵抗強迫振動和自激振動保持平穩(wěn)運轉(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：溫升會引起機床部件熱變形，使主軸旋轉(zhuǎn)和進給的相對位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過高會改變軸承等元件的間隙、破壞潤滑條件，加速磨損。 耐磨性：指長期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤滑方式。 4 第 2 章 立式加工中心主傳動系統(tǒng)設(shè)計 加工中心主軸箱的組成 主軸箱是由主軸、主軸支承、裝 在主軸上的傳動件和減速齒輪等組成的。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。 機械系統(tǒng)方案的確定 主軸傳動機構(gòu) 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 sm200 ，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。 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 sm50 （有時允許達 sm100 ），傳動功率可達 kW300 ，傳動比可達 10（有時允許達 20 ），傳動效率可達 。 本課題的主軸傳動方式中選擇齒輪傳動。 加工中心主軸組件總體設(shè)計方案的確定 綜合 ，本課題的總體設(shè)計方案現(xiàn)確定如下： 由于采用齒輪傳動，能保證 固定的傳動比，且傳動效率高，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，所以在主軸傳動方式中選擇齒輪傳動。 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。 由于加工中心具備自動換刀功能，所以在主軸組件中還應(yīng)有主軸準(zhǔn)停裝置、刀具自動夾緊機構(gòu)以及切屑清除機構(gòu)。在本課題中，主軸準(zhǔn)停機構(gòu)采用磁力傳感器檢測定向， 5 其不僅能夠使主軸停止在調(diào)整好的位置上，而且能夠檢測到主軸的轉(zhuǎn)速，并在加工中心的操控面板上顯示出來，方便機床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。 在換刀 過程中，刀具自動夾緊機構(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。本課題采用了液壓缸運行的方式，通過活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\動來達到刀桿的松緊目的。同時，為了減少液壓推力對主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了一段碟形彈簧，使活塞對拉桿的作用起到一個緩沖的作用。同時，在換刀過程中，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。 運動及動力參數(shù)計算 由主軸轉(zhuǎn)速 100— 2500r/min,由此初步確定軸轉(zhuǎn)速及電機選用。 1 主軸轉(zhuǎn)速由變速箱加上 PCL 控速速，選取總傳動比 1： ，則電機轉(zhuǎn)速范圍為120r/min— 3000r/min. 2 確定主軸轉(zhuǎn)矩以及功率 電機轉(zhuǎn)矩由主軸正常工作時需要的轉(zhuǎn)矩來確定，因此需要計算切削用量。由《專用機床設(shè)計與制造》 Pg680 頁銑削力及銑削功率的計算如下： 銑削分力 車 銑削時的切 削分力（見切削了力圖 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 對稱銑削 不對稱銑削 逆銑 順銑 端 銑 PH/PZ B/D= zS = PV/PZ PO/PZ 平面銑、立銑、圓盤銑、成形銑 t/D= PH/PZ zS = PV/PZ PO/PZ 銑削圓周力的計算 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 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