【正文】 產(chǎn)的通用機床，自動化程度低，也就是說我國機床數(shù)控化率還不到 ％。近十幾年來，我國的數(shù)控機床年產(chǎn)量約為～ 萬臺，年產(chǎn)值約為 18 億元。機床的數(shù)控化程度僅為 ％。這些機床中 ,役齡 11 年以上的占 50％以上； 11 年以下的機床中，自動 /半自動機床不到 23％， FMC（柔性制造單元） /FMS(柔性制造系統(tǒng) )等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床已占 62％以上）?？梢娢覈拇蠖鄶?shù)制造企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大部分用的都是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在 12年以上的舊機床。采用這種裝備加 工出來的產(chǎn)品在國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越性： （ 1）可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 （ 2）可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機床提高 3～ 7 倍。 （ 3）使加工的零件精度較高，尺寸分散程度小，使其便于裝配。 （ 4）便于實現(xiàn)多工序的集中，減少工件在機床之間的多次搬運。 （ 5）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 因此，采用 數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力，減少工件安裝，縮短新產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和試制周期，可對市場需求作出快速反應。 此外，數(shù)控化的機床還是推行 FMC、 FMS 以及 CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)普遍成為企業(yè)制造自動化的核心技術(shù)。 自從 1951 年計算機技術(shù)應用于機床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（ NC）和計數(shù)控機床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 V 算機數(shù)控（ CNC）兩個階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六 代――基于 PC（ PC－ BASED）。 未來數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢： ⑴ 高速化、高精密化 當前的機床正不斷向高速切削、干切削和準干切削的方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機的成功應用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副以及帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市，也為機床向高速、精密方向的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。 ⑵ 主軸變速范圍寬、 變速迅速可靠 ⑶ 向智能化方向發(fā)展 ① 應用自適應控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)在運行過程中能檢測一些重要的信息，并且能自動調(diào)整系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，以達到對系統(tǒng)運的行狀態(tài)的改善。 ② 引入專家系統(tǒng)指導加工 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)。 ③ 引入故障檢測專用系統(tǒng) ④ 引入動裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng) 可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。 數(shù)控機床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 1 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點 與普通機床比較，數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)具有下列特點。 （ 1）轉(zhuǎn)速 較 高、功率 較 大。它能 實現(xiàn) 大功率切削和高速切削， 進行 高效率的零件 加工。 （ 2） 較 寬 的 變速范圍。 它 的主傳動系統(tǒng)調(diào)速范圍較寬，一般 Ra100，以 確保 加工時能合理的選用切削用量，從而 達到 最 高 的生產(chǎn) 效 率、表面 的 質(zhì)量和 加工的精度 。 （ 3）可靠 的 迅速變速主軸，數(shù)控機床的變速 能 按照控制指令自動進行，因此 數(shù)控機床的 變速機構(gòu)必須適應自動操作的要求。 隨著 直流和交流主軸電動機的調(diào)速系統(tǒng) 逐漸 完善， 很容易就能 實現(xiàn)寬范圍無級變速， 這樣以來，不僅 減少了 變速機構(gòu)的 中間傳遞環(huán)節(jié)， 而且 變速控制的可靠性 也大大提高了 。 （ 4）主軸組件的耐磨性高， 這 使 得 傳動系統(tǒng) 具備了很高 的精度。凡有機械摩擦的部位，如軸承、錐孔等都有足夠的硬度，軸承處還有良好的潤滑。 主傳動系統(tǒng)的要求 （ 1）主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、 變 速級數(shù)， 而且 能夠?qū)崿F(xiàn)運動的變速、開停、制動和換向，以滿足機床的運動要求。 （ 2）主電機 具備足夠大 的功率， 為 滿足機床的動力要求，全部機構(gòu)和元件都 具有足夠的強度和剛度。 （ 3）主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)， 尤其 是主軸組件要 具備 足夠高的精度、抗震性，熱變形和噪聲要小，傳動效率高， 才能 滿足機床的工作性能要求。 （ 4）操作靈活可靠，維修方便，潤滑密封 非常 良好， 才能 滿足機床的使用要求。 （ 5）結(jié)構(gòu) 要 簡單、緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。 數(shù)控機床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 2 2 總體方案擬定 擬定主運 動參數(shù) 機床設(shè)計的初始，首先需要確定有關(guān)參數(shù)，它們是傳動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，影響到產(chǎn)品是否能滿足所需要的功能要求。根據(jù)擬定的參數(shù)、規(guī)格和其他特點，了解典型工藝的切削用量，了解極限轉(zhuǎn)速 maxn 、 minn 和級數(shù) Z、主傳動電機功率 N。 運動設(shè)計 根據(jù)擬定的參數(shù)，通過結(jié)構(gòu)網(wǎng)和轉(zhuǎn)速圖的分析，確定傳動結(jié)構(gòu)方案和傳動系統(tǒng)圖。傳動方案有多種，傳動型式更是式樣眾多，比如：傳動型式上有集中傳動的主軸變速箱。分離傳動的主軸箱與變速箱；擴大變 速范圍可以用增加傳動組數(shù)，也可用背輪機構(gòu)、分支傳動等型式；變速型式上既可用多速電機，也可用交換齒輪、滑移齒輪、公用齒輪等。然后計算各傳動比及齒輪的齒數(shù)。 估算齒輪模數(shù) m和軸頸 d，選擇和計算離合器。 軸和齒輪的驗算 估算齒輪模數(shù) m和軸頸 d，選擇和計算離合器。 在結(jié)構(gòu)草圖的基礎(chǔ)上，對一根傳動軸和齒輪的剛度、強度進行校核。 數(shù)控機床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 3 3 參數(shù)擬定 主軸極限轉(zhuǎn)速的確定 確定主軸的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速，應該在分析所設(shè)計機床幾種典型加工方式的切削用量和參考現(xiàn)有同類型機床的技術(shù)性能的基 礎(chǔ)上，并按照“技術(shù)上先進，經(jīng)濟上合理”的原則進行。 由于通用性機床加工對象很廣，不同工序所采用的切削用量相差懸殊，而且加工零件的尺寸變換也很大，所以要合理地確定其極限轉(zhuǎn)速是一個復雜的任務(wù)，必須對有關(guān)加工工序和切削用量進行分析，在分析切削用量的過程中，應特別注意下列幾點： ⑴ 考慮先進加工方法，但所選的切削用量不應該是個別記錄，而應該具有普遍性。 ⑵ 應考慮刀具材料的 發(fā)展趨勢。例如普通車到在大多數(shù)情況下已經(jīng)采用硬質(zhì)合金，目前陶瓷刀具也已開始應用等情況。 ⑶ 最 高和最低轉(zhuǎn)速不能僅用計算方法來確定。還應該和先進的同類機床比較，因為過大的轉(zhuǎn)速范圍不僅不能充分發(fā)揮其性能，而且還可能使結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)。在傳動系統(tǒng)擬定好以后，驗算各主要傳動件的最大圓周速度應不超過允許值。 主軸最高和最低轉(zhuǎn)速可按下列計算： maxn =minmax1000dv? (rpm) ⑴ minn =maxmin1000dv? (rpm) ⑵ 其中： maxn 、 minn —— 主軸最高、最低轉(zhuǎn)速（ m/min）； maxv 、 minv —— 典型工序的最大、最小切削速度（ m/min）； maxd 、 mind —— 最大、最小計算直徑。 數(shù)控車床采用最大速度 maxv 的典型工序一般為用硬質(zhì)合金車刀精車或半精數(shù)控機床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 4 車鋼質(zhì)軸類工件的外圓，取 maxv =200r/min。 采用最小速度 minv 的典型工序又以下幾種情況： ⑴ 在低速光車，要求獲得粗糙度小于 m； ⑵ 精鉸孔 ⑶ 加工各種螺紋及多頭螺紋； ⑷ 用高 速鋼車刀，對鑄鐵材料的盤類工件進行粗車端面工作，取minv =25r/min。 一般取計算直徑： maxd = mind =(~) maxd 式中 D為最大工件回轉(zhuǎn)直徑，即主參數(shù) (mm)。 當?shù)湫凸ば驗殂q孔或加工螺紋時，應按在車床上常用最大鉸孔直徑或經(jīng)常加工的最 大螺紋 直徑作 為最 大計算 直徑 maxd ，根據(jù)調(diào) 研可推 薦：maxd 1D ,( 1D為刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑） 故 maxn =minmax1000dv? = 322021000??? =1990 r/min， 取 maxn =2021 r/min； minnmaxmin1000dv? = 160251000??? = r/min， 取 minn =45 r/min； 與本次設(shè)計的參數(shù)相差不大，取計算值。 主動參數(shù)的擬定 根據(jù)《機械制造裝備設(shè)計》 78P 公式（ 32）因為已知 ??? znR ? ⑶ ∴ Z= ?lglgnR +1 ∴ ? = )1( ?Z nR =11 = 根據(jù)《機械制造裝備設(shè)計課程設(shè)計》 10P 表 標準數(shù)列表，這里我們?nèi)?shù)控機床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 5 標準公比系列 ? =. 因為 ? == ，根據(jù)《機械制造裝備設(shè)計課程設(shè)計》 10P 表 標準數(shù)列。首先找到最小極限轉(zhuǎn)速 45，再每跳過 5個數(shù)（ ～ ）取一個轉(zhuǎn)速，即可得到公比為 的數(shù)列： 4 6 90、 12 180、 250、 35 500、 7 1000、1400、 2021。 主電動機的選擇 合理的確定電機功率 P，使機床既能充分發(fā)揮其使用性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機經(jīng)常輕載而降低功率因素。 現(xiàn)在以常見的中碳鋼為工件材料，取 45 號鋼，正火處理，車削外圓，表面粗糙度 aR =。采用車刀具，可轉(zhuǎn)位外圓車刀，刀桿尺寸： 16mm?25mm。刀具幾 何參數(shù)： 0? =15o ， 0? =6o ， r? =75o ， r?? =15o ， ? =0o ， 01? =10o ， b1r =，re =1mm。 現(xiàn)以確定粗車是的切削用量為設(shè)計： ⑴ 確定背吃刀量 pa 和進給量 f，根據(jù)《切削加工簡明實用手冊》 444P 表 850， pa 取 4mm， f 取 1 rmm 。 ⑵ 確定切削速度，參《切削加工簡明實用手冊》 448P 表 857，取 Vc =2 sm 。 ⑶ 機床功率的計算， 主切削力的計算 根據(jù)《切削加工簡明實用手冊》 449P 450P 表 859 和表860，主切削力的計算公式及有關(guān)參數(shù)： FZ =? F60 ? FcC ? FcZa ? FcZf ? FcZv ? FcK =? ? ?270?4? ? ? ?? =（ N） 切削功率的計算 cP = cF ? cv ? 310? = 2 310? =9kw； 取機床的效率為 ， 數(shù)控機床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 6 )( 9 kwpP zZ ??? ? 根據(jù)《機械設(shè) 計課程設(shè)計》 196P 表 201 Y 系列（ IP44）三相異步電動機的技術(shù)數(shù)據(jù) ,Y系列（ IP44）電動機為一般用途全封閉自扇冷式籠型異步電動機，具有防塵埃、鐵屑或其他雜物侵入電動機內(nèi)部的特點，