【正文】 .. 43 緒論 1 第一章 緒論 課題背景及目的 我國目前機(jī)床總量 380 余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到 3％。機(jī)床的數(shù)控化率僅為 6％?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)床。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 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。 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運。 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（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求 做出 快速反應(yīng)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。從 2021 年的市場消費內(nèi)容也可可看出 ,普通機(jī)床的市場份額在下降 ,數(shù)控機(jī)床則大幅度增長，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床供不應(yīng)求。 在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計一臺數(shù)控車床 ——CK20，用于對轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制 螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動加工，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量和降低工人勞動強(qiáng)度。此外，力求完成課題之余，熟悉國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ,增強(qiáng)對如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識。目前，數(shù)控 系統(tǒng)正處于第六代――基于 PC（ PC－ BASED）。至少采用 PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。 （ 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)。 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 研究現(xiàn)狀 我國數(shù)控車床從 20 世紀(jì) 70 年代初進(jìn)入市場，至今通過各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機(jī)床廠家的合作、合資、技術(shù)引進(jìn)、樣機(jī)消化吸收等措施，使得我國的機(jī)床制造 水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。 但數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品競爭力在國際市場中仍處于較低水平，即使在國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢：一方面國內(nèi)市場對各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量需求，而另一方面卻有不少國產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓，國內(nèi)機(jī)床產(chǎn)品充斥市場，嚴(yán)重影響我國數(shù)控機(jī)床自主發(fā)展的勢頭。 緒論 3 1）床身 按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身有圖 1 所示的 5 種布局形式。平床身工藝性好，易于加工制造。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，床身寬度也不會太大。 2)導(dǎo)軌 車床的導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。根據(jù)滾動體的不同，滾動導(dǎo)軌可分為滾珠直線導(dǎo)軌和滾柱直線導(dǎo)軌。 結(jié)構(gòu)如下圖所示： 緒論 4 a)后斜床身 斜滑板 b)直立床身 直立滑板 c)平床身 平滑板 d)前斜床身 平滑板 e)平床身 斜滑板 3）主軸傳動系統(tǒng) 機(jī)床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無級變速傳動。無級變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。 與普通車床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直主軸調(diào)速電動機(jī)，電動機(jī)調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化 。 ⑴ 電動機(jī)直接驅(qū)動 主軸電動機(jī)與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機(jī)驅(qū)動。這種傳動的特點是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與主軸的特性完全一致。 ⑵ 采用定比傳動 主軸電動機(jī)經(jīng)定比傳動給主軸。 目前 ，交流、直流主軸電動機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有 24，而恒轉(zhuǎn)矩范圍則達(dá) 100以上；許多大、中型機(jī)床的主軸要求有更寬的恒功率轉(zhuǎn)速范圍。所以這種變速方式多用于小型或高速數(shù)控機(jī)床。變速多采用齒輪副來實 現(xiàn)，電動機(jī)的無級變速配合變速機(jī)構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，回轉(zhuǎn)刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。 5）進(jìn)給傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖 編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。 發(fā)展趨勢 1）高速、高精密化 當(dāng)前機(jī)床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。 2） 高可靠性 3）數(shù)控車床設(shè)計 CAD 化、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化 采用 CAD 技術(shù)以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，進(jìn)行設(shè)計方案選擇和大件整機(jī)的靜、動態(tài)特性分析、計算、預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計，以及對整機(jī)各工作部件進(jìn)行動態(tài)模擬仿真。 4）功能復(fù)合化 緒論 6 擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工。 課題研究內(nèi)容及方法 課題研究內(nèi)容 本課題設(shè)計的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下： 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑： 400? ；溜板箱上直徑： 最大車削長度： ；主軸錐度：莫氏 6 主軸轉(zhuǎn)速： 25~2500rpm（有級或無極變頻調(diào)速）；主軸功率： 課題研究的主要內(nèi)容包括主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計、 換擋變速機(jī)構(gòu)的選用 。 第二步，進(jìn)工廠觀摩，大量收集國內(nèi)外相關(guān)資料，吸取專家的設(shè)計 經(jīng)驗。選擇了 SINUMERIK 802D 機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)。（ 2）選擇主電機(jī)。（ 3）設(shè)計主傳動系統(tǒng)及箱體。 論文構(gòu)成 本論文構(gòu)成如下： 第一 章闡述課題的研究背景及內(nèi)容。 第三章傳動系統(tǒng)零部件的設(shè)計 。 第 五 章總結(jié)本課題設(shè)計的特點及其有待改進(jìn)之處。 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 7 第二章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機(jī)床主傳動系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無極調(diào)速范圍；在切削過程中能自動變換速度，機(jī)床結(jié)構(gòu)要簡單，噪聲要小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。 ① 使用性能要求 首先應(yīng)滿足機(jī)床的運動性能，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。 ② 傳遞動力要求 主電動機(jī)和傳遞結(jié)構(gòu)能夠提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。 此外，還要求主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護(hù)性能好；使用壽命長。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。由于數(shù)控機(jī)床的主運動的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機(jī)無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。 為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運動方案如圖 ： 有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實現(xiàn)自動化。 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 8 圖 機(jī)械變速方案示意圖 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改 變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。 選擇電機(jī) 選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題 (1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機(jī)類型。所選電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取 ～ 。 (4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因素的要求，確定電動機(jī)的電壓等級和類型。 此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護(hù)等等因素。總的來說，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對比、分析。 經(jīng)過對比分析本設(shè)計中決定采用 VFNC 系列變頻主軸電機(jī)。 電動機(jī)容量的選擇 選擇電動機(jī)容量就是合理確定電動機(jī)的額定功率。電動機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。 （ 4）電動機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇 由資料 [7],表 22－ 1－ 9，小功率電動機(jī)一般選為 380V 電壓。 同一類型、功率相同的電動機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速 。選用轉(zhuǎn)速低的電動機(jī)則情況相反。 本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為 25r/min~2500r/min。 V 帶輪傳動比確定為 1 ?,ⅠⅡ 軸上齒輪傳動比確定為 2 ?ⅡⅢ 軸上兩對直齒輪的傳動比分別為 3 ?， 11i4 ?所以兩條傳動鏈中， 底 速傳動鏈傳動比 321低 ??????? ， 高 速傳動鏈傳動比 421高 ??????? ，由此可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍： 5 7 5 00n m ax ??? r/min, min/ rn ??? （ 5）確定電機(jī)的型號 由前面信息，可選取 VFNC 系列變頻主軸電機(jī)型號 VFNC 。 2. 恒功率范圍寬，可實現(xiàn)1:6 倍恒功率設(shè)計 3. 導(dǎo)入基頻 設(shè)計（是我司 “基頻制設(shè)計原理 ”在機(jī)床主軸電機(jī)上的成功應(yīng)用），達(dá)成低速力矩大，確保低速強(qiáng)力切削，超寬恒功率調(diào)速范圍，保障高速切削光潔度。 VFNC 系列變 頻主軸電機(jī)特別適合數(shù)控車床類機(jī)床的主軸驅(qū)動，配合高性能矢量變頻器或主軸驅(qū)動器，更能發(fā)揮其優(yōu)良的主軸特性，成為性能與經(jīng)濟(jì)性具佳的數(shù)控車床類機(jī)床的變頻主軸驅(qū)動方案。 ） 恒轉(zhuǎn)矩范圍 恒功率范圍 額定功率Kw 額定電流A 額定轉(zhuǎn)矩Nm 額定功率Kw 額定電流A 額定轉(zhuǎn)矩Nm ， 30~1000r/min S1100%,1000~6000 r/min S650%,1000~4500 r/min VFNC 7.5 1 7 11 25 105 機(jī)座長為 470mm，電機(jī)軸徑為 48mm ，軸伸為 60mm，中心高 115mm，其余安裝尺寸及其外形由資料 [2]得。 取 6f ?? dpR? ，則 lg RglZ fnp ???對于數(shù)控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速有一些重復(fù)，故取 Z=2 故前面?zhèn)鲃颖确峙淇扇　８鶕?jù)工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動和嚙合帶傳動。 普通 V 帶傳動是常見的帶傳動形式，其結(jié)構(gòu)為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40176。其特點為：當(dāng)量摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動比大、預(yù)緊力小。其應(yīng)用于：帶速 V≤ 25～ 30m/s。傳動比 i≤ 10 軸間距小的傳動。 保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強(qiáng)度和使用壽命是 V 帶傳動設(shè)計的主要依據(jù)，也是靠摩擦傳動的其它帶傳動設(shè)計的主要依據(jù)。P ???? Aca K (31) (2) 選定帶型： 根據(jù) caP 和 jn 由圖 811 確定選用 A 型。 3計算大帶輪的基準(zhǔn)直徑 2d 。 (6)計算帶的根數(shù) Z。 再根據(jù) jn =1000r/min、 i= 和 A 型帶查表 84b 得Δ 0p = 傳動系統(tǒng)零部件設(shè)計 16 查表 85 得 L ???? ： )(KK)PP(P La00r ?????????? (39) 2計算帶的根數(shù) z。 皮帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 對三角皮帶帶輪設(shè)計的要求： ⑴、重量輕； ⑵、結(jié)構(gòu)工藝性好，無過大鑄造內(nèi)應(yīng)力，便于制造； ⑶、質(zhì)量分布均勻； ⑷、輪槽工作面要精細(xì)加工▽ 5～▽ 6，以減少皮帶的磨損； ⑸、應(yīng)保證一定的幾何尺寸精度，以使載荷分布均勻； ⑹、要有足夠的強(qiáng)度和剛度； ⑺、盡可能的從經(jīng)濟(jì)角度加以考慮。 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計 ⑴、輪槽的設(shè)計 對與 A 型皮帶由【 3】 *表 1212 查得有關(guān)參數(shù) 表格 三 1 A 型帶各參數(shù) M f T s b△ δ B φ=3? 16 10 11 6 68 b?=17 B=（ Z1） t+2s=（ 41） 16+2 10=68mm (313) 圖 帶輪各參數(shù)的定義 ⑵帶輪的設(shè)計 ∵ 224?dd mm＜ 300mm， 故采用腹板式。 第 I 軸直徑 d1= 25=45mm D0=（ D1＋ d1） =（ 45＋ 194） = D1=224－ 2 6－ 2（ － ） =194mm