【正文】 .................................................. 18 西門子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) ............................................................................................ 18 6 進(jìn)給系統(tǒng)的模擬仿真 ........................................................................................................ 19 臥式數(shù)控車床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 繪制三維零件圖及運(yùn)動(dòng)仿真 .................................................................................... 19 結(jié)束語 ...................................................................................................................................... 20 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 21 附錄 .......................................................................................................................................... 22 致謝 .......................................................................................................................................... 25 臥式數(shù)控車床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡史及國外發(fā)展現(xiàn)狀 1949 年美國帕森公司首先提出了機(jī)床數(shù)字控制的概念。 20世紀(jì) 50年代末，完全由固定布線的晶休管元器件電路所組成的第二代數(shù)控系統(tǒng) —— 晶體管數(shù)控系統(tǒng)被研制成功，取代了昂貴的、易壞的、難以推廣的電子管控制裝置。 1970 年，在美國芝加哥國際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了第四代數(shù)控系統(tǒng) —— 小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，然后，隨著微型計(jì)算機(jī)以其無法比擬的性能價(jià)格比滲透各個(gè)行業(yè)， 1974 年，第五代數(shù)控系統(tǒng) —— 微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了。綜上所述，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)也隨著不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎 5年左右時(shí)間就更新?lián)Q代一次 [1]。歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)程， 1990 年日本機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá) 75％，美國達(dá) 70． 1％，德國達(dá) 57％。 我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 數(shù) 控技術(shù)狀 況 目前， 我國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡的關(guān)鍵時(shí)期，也是由封閉型向開放型過渡的時(shí)期。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對(duì)我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。尤其是基于 PC 機(jī)的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)線等功能既可作為獨(dú)立產(chǎn)品，又是一代開放式的開發(fā)平臺(tái)，為機(jī)床廠及軟件開發(fā)商二次開發(fā)創(chuàng)造了條件。同時(shí)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)，自我配套率超過 60%。 臥式數(shù)控車床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 2 我國進(jìn)行改革開 放后，由于政策的開放，使得金屬切削行業(yè)得以和世界上先進(jìn)的機(jī)床制造國家進(jìn)行技術(shù)交流，并通過引進(jìn)技術(shù) ，到 80 年代初，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)入實(shí)用化階段， 1991 年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值數(shù)控化率為 14． 3％，到 1997 年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率為 24． 5％。 但是，與國外數(shù)控車床相比，在性能、質(zhì)量 設(shè)計(jì)、制造等各方面存在較大差異，并存在許多不足：機(jī)械件的材質(zhì)、加工精度、加工工藝存在較大差距，裝配工藝也存在一定差距；主軸及卡盤剛性差，主軸定位準(zhǔn)停不好；安全性較差，軟硬件保護(hù)功能不夠；刀片磨損快，生產(chǎn)成本高，效率低；硬件設(shè)計(jì)方面不規(guī)范，不符合國標(biāo)，比如使用電壓等級(jí)、電線 顏色使用、圖紙資料的繪制裝訂、提交等等，有的機(jī)床廠家甚至仍然停留在十年二十年前的設(shè)計(jì)思想；程序設(shè)計(jì)方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)，不規(guī)范，邏輯性不強(qiáng)，故障率高，在使用過程中需不斷對(duì)程序進(jìn)行修改；外圍元件布置及走線不規(guī)范，標(biāo)牌線號(hào)不清，圖紙與實(shí)物不符，維修困難；使用的元器件本身質(zhì)量差，使用壽命短，故障率高，有的機(jī)床廠家為了降成本卻忘記了質(zhì)量、忘記了可靠性，選用一些國產(chǎn)的軸承、接觸器、繼電器、接近開關(guān)等元件，在生產(chǎn)過程中小故障連綿不斷；柔性化不強(qiáng)，多品種生產(chǎn)困難。 機(jī)械件材質(zhì)、加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設(shè)計(jì)有專門的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)規(guī)范合理，配套件齊全，標(biāo)牌標(biāo)示清楚齊全；使用的元器件質(zhì)量好，故障率低；新技術(shù)的應(yīng)用及時(shí)領(lǐng)先；概括來說，精度及可靠性高、性能穩(wěn)定故障率低 [3] 。為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技發(fā)展的需要，數(shù)控系統(tǒng)正朝著高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及開放性等方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。 1． 信息載體 信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床上加工一個(gè)零件所必需的各種信息，以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械加工。數(shù)控機(jī)床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過竄行口將計(jì)算機(jī)上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。 臥式數(shù)控車床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 3 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經(jīng)計(jì)算和處理后去控制機(jī)床的動(dòng)作。硬件除計(jì)算機(jī)外，其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)、 CRT、鍵盤、面板、機(jī)床接口等。數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作可概括為：機(jī)床主運(yùn)動(dòng)、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償、其它輔助運(yùn)動(dòng)等。伺服電 動(dòng)機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、電液馬達(dá)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。 數(shù)控機(jī)床集中 了傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)床、精密機(jī)床和萬能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自 CNC 裝置的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。要使它成為一個(gè)既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當(dāng)高的技術(shù)性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，的確是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 如下圖所示： 臥式數(shù)控車床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 4 圖 1 由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動(dòng)剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。 (2）電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。 (3）為了滿足快速響應(yīng)的 要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。 (4）電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能 的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高 [4]。 設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，解決工程實(shí)際問題的能力，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊(cè)等基本技能得到訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，加強(qiáng) 團(tuán)隊(duì)合作精神。選擇合適的算法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果查閱手冊(cè)，得出相關(guān)的結(jié)構(gòu)或零件。最后，撰寫說明書。主軸水平安裝，橫向成 45176。根據(jù)縱橫向長度定外觀總長度 布局。采用螺旋傳動(dòng)，計(jì)算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進(jìn)行絲杠的校核并進(jìn)行精度等驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算的扭矩選擇伺服電機(jī)。決定于工件材料和加工方法，在一定的切削條件（ v、 s、 t固定）下， PZC 為一常數(shù)。 k—— 總的修正系數(shù)。 vPZ PZ PZ hP ZPZk k k k k??料 —— 分別為工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨損限度對(duì) P的修正系數(shù)。一般情況下 PZX PZY 。 下表所列為的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)。 它們的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)之值也各有不同，可從有關(guān)手冊(cè)中查得。 45176。 70176。 PZk? = 1． 08 1． 0 0． 94 0． 94 0． 89 前 角 γ= +20176。 0176。 20176。當(dāng)切削速度為已知時(shí)，切削功率可用下式計(jì)算： 1 0 2 6 0 6 1 2 0ZZP v P vN kw???切 削 () 在校驗(yàn)機(jī)床選用的電動(dòng)機(jī)功率時(shí)應(yīng)使 N N k??切 削 過電 機(jī) () 式中 N電 機(jī) —— 機(jī)床電動(dòng)機(jī)名義功率（千瓦）； ? —— 機(jī)床效率（一般齒輪機(jī)床 ? =? ）； k過 —— 電動(dòng)機(jī)超載時(shí)容許的系數(shù)（一般 k過 =） [5][7]。 滾珠絲杠的計(jì)算及選擇 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定 在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為 1i? ，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為臥式數(shù)控車床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 8 m ax 150 0 / m innr? ，則絲杠導(dǎo)程為： maxmaxhvP n? () 38 10 hP ???，取 6hP? 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 / minhvnrP? () 由公式 (),最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速： 3m a xm a x 8 1 0 1 3 3 3 . 3 3 / m in6hvnrP ?? ? ? 最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速： m inm in 1 0 .1 6 7 / m in6hvnrP? ? ? 絲杠等效轉(zhuǎn)速：（取 122tt? ） m a x 1 m in 212 / m inmn t n tnrtt?? ? () 1t ， 2t —— 轉(zhuǎn)速 maxn ， minn 作用下的時(shí)間 (s)。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為 ， K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取 ? ，現(xiàn)取為 ，則絲杠所受的力為（如圖 2所示）： 臥式數(shù)控車床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 9 20 13 Nm a x22()221. 1 12 00 0. 03 ( 20 00 48 00 ) 19 20 20 00X Z YF KF f G F F G? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? () min 0FN? 其等效負(fù)載可按下式估算（取 21tt? ， 212nn? ）： t1 t2—— 軸向載荷 maxF ， minF 作用下的時(shí)間 (s)。133 3m a x 1 1 m i n 2 21 1 2 21396m F n t F n tFNn t n t?????????? () 圖 2 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 1 / 360610F f T nm w h mCNa f f f ft h a k???? ???? () fw—— 負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)；（查表：當(dāng)一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， fw 為 ，取 fw=。） fa—— 精度系數(shù)；（查表：當(dāng)精度等級(jí)為 3時(shí)， fa=。 ) Fm—— 等效負(fù)荷 (N)； nm—— 等效轉(zhuǎn)速 (r/min)； Tn—— 工作壽命 (h)。） 臥式數(shù)控車床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 10 由公式 () 660 60 15 00 0 88 8. 94 80 0 10hmTn ? ? ? ? ? n?cr 13660 1684710 hma m w TnC F f N? ???????? 選擇滾珠絲杠型號(hào) 由文獻(xiàn) [7,8]可知， 查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號(hào)： CDM32063。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。 本設(shè)計(jì)中絲杠采用兩端固定的支承方式。 滾珠絲杠支承用專用軸承： 軸承特點(diǎn)： (1) 剛性大。軸向剛性大。對(duì)每種組合形式，生產(chǎn)廠家已作好了能得到最佳預(yù)緊力的間隙，故用戶在裝配時(shí)不需要再調(diào)整，只要按廠家作出的裝置序列符號(hào)（＞）排列后，裝緊即可。與圓錐滾子 軸承、圓柱滾子軸承相比，起動(dòng)力矩小。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度 Ke由絲杠本身的拉壓剛度 KS，絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度 Kc，軸承的接觸剛度 KB，螺母座的剛度 KH，按不同支承組合方式的計(jì)算而定。 臨界壓縮負(fù)荷 絲杠的支承方式對(duì)絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對(duì)絲 杠進(jìn)行預(yù)