【正文】 銑床。這臺(tái)數(shù)控機(jī)床的誕生，標(biāo)志著機(jī)械制造的數(shù)字控制時(shí)代的開(kāi)始。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管 — 分立式晶體管 — 小規(guī)模集成電路 — 大規(guī)模集成電路 — 小型計(jì)算機(jī) — 超大規(guī)模集成電路 — 微機(jī)式 數(shù)控系統(tǒng)等幾個(gè)發(fā)展階段。 美、德、日三國(guó)是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。因而在機(jī)床技術(shù)河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 5 上不斷創(chuàng)新，如 1952 年研制出世界第一臺(tái) 數(shù)控機(jī)床、 1958 年創(chuàng)制出加工中心、 70年代初研制成 FMS、 1987 年首創(chuàng)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等。 德國(guó)政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。企業(yè)與大 學(xué)科研部門(mén)緊密合作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的共性和特性問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。如西門(mén)子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競(jìng)相采用。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德 國(guó)，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國(guó)，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場(chǎng)。日本 FANUC 公司戰(zhàn)略正河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 6 確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。因此對(duì)加工機(jī)械產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)設(shè)備 —— 機(jī)床也相應(yīng)提出了高性能、高精度與高自動(dòng)化的要求。 但是應(yīng)用這些專(zhuān)用生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，產(chǎn)品改型不易，因而使新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期增長(zhǎng)。特別是一些由曲線、曲面輪廓組成的復(fù)雜零件，只能借助靠模和仿行機(jī)床，或者借助劃線和樣板用手工操作的方法來(lái)加工，加工精度和生產(chǎn)效率受到很大的限制。自 1952 年美國(guó) PARSONS 公司與麻省理工學(xué)院合作研制了第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床，它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密檢測(cè)與新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是一種新型的機(jī)床，可用于加工復(fù) 雜曲面零件。從第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問(wèn)世到現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展非常迅速，幾乎所有品種的機(jī)床都實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化。此外，數(shù)控技術(shù)也在繪圖機(jī)械、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光與火焰切割機(jī)等機(jī)械設(shè)備中得到河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 廣泛應(yīng)用。 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂腥缦绿攸c(diǎn)。數(shù)控機(jī)床是按照被加工零件的數(shù)控程序來(lái)進(jìn)行自動(dòng)加工的，當(dāng)改變加工零件時(shí)，只要改變數(shù)控程序，不必用凸輪、靠模、樣板、或鉆鏜模等專(zhuān)用工藝裝備。 2）生產(chǎn)效率和加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定。還有自動(dòng)換速、自動(dòng)換刀和其它輔助操作自動(dòng)化等，使輔助時(shí)間大為縮短，而且無(wú)需工序間的檢驗(yàn) 與測(cè)量，所以，比普通機(jī)床的生產(chǎn)效率高 3~4 倍甚至更高。 3）能完成復(fù)雜型面的加工。數(shù)控機(jī)床，特別是自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床，在一次裝夾的情況下，幾乎可以完成零件的全部加工，一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可以代替數(shù)臺(tái)普通機(jī)床。 5）數(shù)控機(jī)床是 一種高技術(shù)的設(shè)備。盡管如此，使用數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)效益還是很高的。將數(shù)控程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、啟停，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移大小，以及其它諸如刀具選擇交換、工件夾緊松開(kāi)和冷卻潤(rùn)滑的啟、停等動(dòng)作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格地按照數(shù)控程序規(guī)定的順序、路程和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出形 狀、尺寸與精度符合要求的零件。 2）數(shù)控系統(tǒng)：數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工的核心，是整個(gè)數(shù)控機(jī)床的靈魂所在。主控制系統(tǒng)主要由 CPU、存儲(chǔ)器、控制器等組成。其中主 控制器內(nèi)的插補(bǔ)模塊就是根據(jù)所讀入的零件程序，通過(guò)譯碼、編譯等處理后，進(jìn)行相應(yīng)的刀具軌跡插補(bǔ)運(yùn)算，并通過(guò)與各坐標(biāo)伺服系統(tǒng)的位置、速度反饋信號(hào)的比較，從而控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的位移。 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 9 3）伺服系統(tǒng)：伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床本體之間的電傳動(dòng)聯(lián)系環(huán)節(jié)。伺服電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)則是伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源。 4）強(qiáng)電控制柜：強(qiáng)電控制柜主要用來(lái)安裝機(jī)床強(qiáng)電控制的各種電氣元件，除了提供數(shù)控、伺服等一類(lèi)弱電控制系統(tǒng)的輸入電源以及各種短路、過(guò)載、欠壓等電氣保護(hù)外，主要在 PLC 的輸出接口與機(jī)床各類(lèi)輔助裝置的電氣執(zhí)行元件之間起橋梁連接作用，控制機(jī)床輔助裝置的各種交流電動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)電磁閥或電磁離合器等。強(qiáng)電控制柜由各種中間繼電器、接觸器、變壓器、電源開(kāi)關(guān)、接線端子和各類(lèi)電氣保護(hù)元器件等構(gòu)成。 5）機(jī)床本體：數(shù)控機(jī)床的本體指其機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)體。為了滿足數(shù)控技術(shù)的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，歸納起來(lái)包括以下幾個(gè)方面的變化。 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 10 下圖所示為 XK5040A 式數(shù)控銑床的整體圖，及各部件名稱： 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi) 數(shù)控機(jī)床的品種規(guī)格很多，分類(lèi)方法也各不相同。 按機(jī)床運(yùn)動(dòng)的控制軌跡分類(lèi) 1）點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床：點(diǎn)位控制只要求控制機(jī)床的移動(dòng)部件 從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡的要求并不嚴(yán)格，在移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行加工，各坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)是不相關(guān)的。 3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床：也稱連續(xù)控制數(shù)控機(jī)床，其控制特點(diǎn)是能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移和速度同時(shí)進(jìn)行控制。因此在這類(lèi)控制方式中，就要求數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算功能，所謂插補(bǔ)就是根據(jù)程序輸入的運(yùn)算器的數(shù)學(xué)處理，把直線或圓弧的形狀描述出來(lái)，也就是一邊計(jì)算，一邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向各坐標(biāo)軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)位移量與要求的輪廓相符合。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向 隨著世界對(duì)數(shù)控機(jī)床研究的深入化及行業(yè)需求標(biāo)準(zhǔn)的 精確化，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工提出了更高的要求，超高速銑削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，要求數(shù)控機(jī)床的各個(gè)組成部分具有更高的性能指標(biāo)。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）高速度與高精度化 速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是在超高速銑削、超精密加工技術(shù)的實(shí)施中，它對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸位移速度和定位精度提出了更高的要求；另外，這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)又是相互制約的，也 就是說(shuō)要求位移速度越高，定位精度越難提高。 ② 前臺(tái)加工、后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能，以充分提高其工作效率和機(jī)床利用率。 3）智能化 ① 引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)：自適應(yīng)控制 AC（ Adaptive Control）技術(shù)的目的是要求在隨機(jī)變化的加工 過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過(guò)程中所得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)自動(dòng)校正自身的工作參數(shù)，以達(dá)到或接近最佳工作狀態(tài)。這些變量事先難預(yù)知，編制加工程序時(shí)只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以致在實(shí)際加工中，很難用最佳參數(shù)、銑削用量等，使加工過(guò)程中能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時(shí)也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)率。并利用“戎余”技術(shù)，自動(dòng)使故障模塊脫機(jī)，接通備用模塊。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損等，進(jìn)行及時(shí)報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 13 4）高的可靠性 數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)，它取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動(dòng)單元的可靠性，為了提高可靠性，目前主要采取以下幾個(gè)方面的措施： ① 提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量； ② 采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化方式； ③ 增強(qiáng)故障自診斷、自恢復(fù)和保護(hù)功能。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 14 2 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 主傳動(dòng) 系統(tǒng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開(kāi)停、變速、換向和制動(dòng)等。 ，全部結(jié)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的動(dòng)力要求。 ，調(diào)整維修方便，潤(rùn)滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。 相比之下，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān)，省之了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級(jí)或三級(jí)齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的范圍。它 能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率銑削和高速銑削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)有較寬的調(diào)速范圍，一般 Rn＞ 100，以保證加工時(shí)能選用合理的銑削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。 ④主軸組件的耐磨性高，使傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的精度保持性。 主傳動(dòng)系統(tǒng)可按不同的特征來(lái)分類(lèi)： (1)按動(dòng)力源的類(lèi)型 可分為交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)又有多速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和變頻凋速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 (2)按傳動(dòng)裝置類(lèi)型 可分為機(jī)械傳動(dòng)裝置、液壓傳動(dòng)裝置、電氣傳動(dòng)裝置以及它們的組合。 分 級(jí)變速傳動(dòng)是在一定的變速范圍內(nèi)均勻、離散地分布著有限級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)速，變速級(jí)數(shù)一般不超過(guò) 20 一 30 級(jí)。除摩棕片式離合器外，其它變速方式具有傳遞功率較大，變速范圍廣，傳動(dòng)比推確，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。摩擦片式離合器可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，操縱方式可以是機(jī)械的、河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 16 電磁的或液壓的，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到最有利的銑削速度；能 在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于實(shí)現(xiàn)變速自動(dòng)化；能在負(fù)載下變速，便于銑削大端面、無(wú)級(jí)變速器、液壓無(wú)級(jí)變速器和電氣無(wú)級(jí)變速器實(shí)現(xiàn)。液壓無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)換向沖擊小，易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，常用于主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，如磨床、拉床、刨床等機(jī)床的主傳動(dòng)中。 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的 配置方式 數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照按制指令自動(dòng)執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。為擴(kuò)大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應(yīng)用齒輪合級(jí)調(diào)速和電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。 (1)帶有變速齒輪的主傳動(dòng) 大、中型數(shù)控機(jī)床采用這種變速方式。數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成 為分段元級(jí)變速。 (2)通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng) 如圖 3— 1(b)所示，這種傳動(dòng)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機(jī)床。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 17 (3)用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸 如圖 3— 1(c)所示，這是上述兩種方式的混合傳動(dòng)，具有上述兩種性能。 (4)內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 如圖 3— 1(d)所示，這種主傳動(dòng)方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸影響較大。下面簡(jiǎn)單介紹一下與 上述特性相關(guān)的一些基礎(chǔ)理論和概念。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 18 各類(lèi)機(jī)床按精度可分為普通精度級(jí)、精密級(jí)和高精度級(jí)。在設(shè)計(jì)階段主要從機(jī)床的精度分配、元件及材料選擇等方面來(lái)提高機(jī)床精度。如主軸徑向跳動(dòng)及軸向竄動(dòng)、主軸中心線對(duì)滑臺(tái)一動(dòng)方向的平行度或垂直度等。它主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量。如高速回轉(zhuǎn)主軸的回轉(zhuǎn)精度。 3）傳動(dòng)精度 傳動(dòng)精度是指機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)個(gè)末端執(zhí)行件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和準(zhǔn)確度。傳動(dòng)精度有傳動(dòng) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)件的制造和裝配精度等決定。定位精度直接影響被加工工件的尺寸精度和形位精度。用試件的加工精度表示。 6）精度保持性 在規(guī)定的工作期間內(nèi)，保持機(jī)床所要求的精度，稱為精度保持性。 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 19 剛度 1）定義：機(jī)床剛度是指機(jī)床系統(tǒng) 抵抗變形的能力，通常用下面的式子來(lái)表示即： K 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 F—— 作用在機(jī)床上的載荷， N y—— 在載荷的作用下，機(jī)床或主要零部件的變形， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。按照載荷的性質(zhì)不同，可分為靜載荷和動(dòng)載荷。凡隨時(shí)間變化的力，如沖擊振動(dòng)力及切削力的交變部分等稱為動(dòng)載荷。通常所說(shuō)的剛度一般指靜剛度。因此，機(jī)床的整機(jī)剛度不能用某個(gè)零部件的剛度評(píng)價(jià)，而是指整臺(tái)機(jī)床在靜載荷作用下，各構(gòu)件及結(jié)合面抵抗變形的綜合能力。因此，在機(jī)床設(shè)計(jì)中如何提高其剛度是十分重要的。下面對(duì)于數(shù)控銑床進(jìn)行設(shè)計(jì)。而直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。所以選擇交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，因?yàn)榻涣髡{(diào)速電動(dòng)機(jī)體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)反應(yīng)快，沒(méi)有電刷，等達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動(dòng)機(jī)高，磨損和故障也少。 ，額定轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。其功率轉(zhuǎn)矩特性曲線如下圖所示 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 21 銑削力的計(jì)算 根據(jù)《簡(jiǎn)明銑工手冊(cè)》，對(duì)高速鋼圓柱銑刀，銑削力的計(jì)算公 式： 09 . 8 1( 6 0 )FFf FxuF Z eZ F Cq WC a a ZFKdn? ? ??（ 41） 式中： C—— 系數(shù)，其值取決于銑削條件和工件材料，當(dāng)工件為碳鋼時(shí)，查《簡(jiǎn)明銑工手冊(cè)》表 313，取 65FZC ? 公式（ 41）中： pa —— 銑削寬度（銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量） ea —— 被吃刀量 0d —— 銑刀直徑 n —— 銑刀轉(zhuǎn)數(shù) FX 、 Fy 、 Fu 和 FW —— 公式中各