【正文】 產(chǎn)的通用機(jī)床，自動化程度低，也就是說我國機(jī)床數(shù)控化率還不到 ％。近十幾年來，我國的數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為～ 萬臺，年產(chǎn)值約為 18 億元。機(jī)床的數(shù)控化程度僅為 ％。這些機(jī)床中 ,役齡 11 年以上的占 50％以上； 11 年以下的機(jī)床中，自動 /半自動機(jī)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(jī)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(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 12年以上的舊機(jī)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(jī)床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有以下明顯的優(yōu)越性： （ 1）可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)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(jī)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(jī)床之間的多次搬運。 （ 5）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)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(jī)床，可以降低工人的勞動強(qiáng)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(yīng)。 此外，數(shù)控化的機(jī)床還是推行 FMC、 FMS 以及 CIMS（計算機(jī)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(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（ NC）和計數(shù)控機(jī)床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 V 算機(jī)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(dāng)前的機(jī)床正不斷向高速切削、干切削和準(zhǔn)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(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲杠副以及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市，也為機(jī)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(yīng)用自適應(yīng)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(dá)到對系統(tǒng)運的行狀態(tài)的改善。 ② 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)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(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。 數(shù)控機(jī)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(jī)床主傳動系統(tǒng)的特點 與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)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(jìn)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(dá)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(jī)床的變速 能 按照控制指令自動進(jìn)行，因此 數(shù)控機(jī)床的 變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。 隨著 直流和交流主軸電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床的運動要求。 （ 2）主電機(jī) 具備足夠大 的功率， 為 滿足機(jī)床的動力要求，全部機(jī)構(gòu)和元件都 具有足夠的強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jì)性要求。 數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)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(kuò)大變 速范圍可以用增加傳動組數(shù)，也可用背輪機(jī)構(gòu)、分支傳動等型式；變速型式上既可用多速電機(jī)，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(qiáng)度進(jìn)行校核。 數(shù)控機(jī)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(yīng)該在分析所設(shè)計機(jī)床幾種典型加工方式的切削用量和參考現(xiàn)有同類型機(jī)床的技術(shù)性能的基 礎(chǔ)上，并按照“技術(shù)上先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上合理”的原則進(jìn)行。 由于通用性機(jī)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(fù)雜的任務(wù)，必須對有關(guān)加工工序和切削用量進(jìn)行分析，在分析切削用量的過程中，應(yīng)特別注意下列幾點： ⑴ 考慮先進(jìn)加工方法，但所選的切削用量不應(yīng)該是個別記錄，而應(yīng)該具有普遍性。 ⑵ 應(yīng)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(yīng)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(yīng)該和先進(jìn)的同類機(jī)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(yīng)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(jī)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(jìn)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(dāng)?shù)湫凸ば驗殂q孔或加工螺紋時，應(yīng)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(jī)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(jī)械制造裝備設(shè)計課程設(shè)計》 10P 表 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表，這里我們?nèi)?shù)控機(jī)床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 5 標(biāo)準(zhǔn)公比系列 ? =. 因為 ? == ，根據(jù)《機(jī)械制造裝備設(shè)計課程設(shè)計》 10P 表 標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的選擇 合理的確定電機(jī)功率 P，使機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)床的效率為 ， 數(shù)控機(jī)床主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計 6 )( 9 kwpP zZ ??? ? 根據(jù)《機(jī)械設(shè) 計課程設(shè)計》 196P 表 201 Y 系列（ IP44）三相異步電動機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù) ,Y系列（ IP44）電動機(jī)為一般用途全封閉自扇冷式籠型異步電動機(jī)，具有防塵埃、鐵屑或其他雜物侵入電動機(jī)內(nèi)部的特點，