【正文】 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加工，加工精度和生產(chǎn)效率受到很大的限制。自1952年美國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)測量機(jī)、激光與火焰切割機(jī)等機(jī)械設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。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，而且無需工序間的檢驗(yàn)與測量，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、工件夾緊松開和冷卻潤滑的啟、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。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、伺服等一類弱電控制系統(tǒng)的輸入電源以及各種短路、過載、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、電源開關(guān)、接線端子和各類電氣保護(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)，歸納起來包括以下幾個(gè)方面的變化。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 數(shù)控機(jī)床的品種規(guī)格很多，分類方法也各不相同。按機(jī)床運(yùn)動(dòng)的控制軌跡分類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，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)變化的加工過程中，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過程中所得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價(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。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。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)的無級(jí)調(diào)速來承擔(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)可按不同的特征來分類：(1)按動(dòng)力源的類型 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、電磁的或液壓的，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。無級(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、無級(jí)變速器、液壓無級(jí)變速器和電氣無級(jí)變速器實(shí)現(xiàn)。液壓無級(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。(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)熱對主軸影響較大。下面簡單介紹一下與上述特性相關(guān)的一些基礎(chǔ)理論和概念。各類機(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。 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表示即： K 式中 K——機(jī)床剛度，N/ 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，作用在機(jī)床上的載荷有重力、夾緊力、切削力、傳動(dòng)力、摩擦力、沖擊力和振動(dòng)干擾力等。不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢的力稱為靜載荷，如重力、切削力的靜力部分等。故機(jī)床剛度相應(yīng)地分為靜剛度和動(dòng)剛度，后者是抗振性的一部分。 2）整機(jī)剛度 機(jī)床是由許多構(gòu)件結(jié)合而成的，在載荷作用下各構(gòu)件及結(jié)合部都要產(chǎn)生變形，這些變形直接或間接的引起刀具和工件之間的相對位移，這個(gè)位移的大小代表了機(jī)床的整機(jī)剛度。顯然，靜剛度對機(jī)床抗振性、生產(chǎn)率均有影響。3 主軸電動(dòng)機(jī)的選取主軸電動(dòng)機(jī)是數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件之一，它的選擇涉及到主傳動(dòng)系統(tǒng)的變速方式。 采用交流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速伺服電動(dòng)機(jī)和脈沖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都是恒轉(zhuǎn)矩的，而且功率不大，所以只能用直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。又因?yàn)閾Q向器和電刷，在運(yùn)行過程中容易出故障。 初選主軸電動(dòng)機(jī)（交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)）的功率由《中小型電機(jī)產(chǎn)品樣本》所列電機(jī)得，目前適用于這類機(jī)床的系列交流主軸電機(jī)，、1122KW五種規(guī)格，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速，最低轉(zhuǎn)速。查《簡明銑工手冊》表313取=27mm，=4mm， z=4，=30mm，=， n取r/min，其中=，=，=，=0，= 。為1500r/min。其計(jì)算公式如下：——為機(jī)床的計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）——修正系數(shù)一般取 ～0. 5 ==120r/min 變速箱的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主軸電動(dòng)機(jī)的功率功率的確定電動(dòng)機(jī)應(yīng)選擇YVP系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。所以在電動(dòng)機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱，來擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍。參照數(shù)控銑床的參數(shù)，本設(shè)計(jì)的目標(biāo)：主軸的所以機(jī)床的變速范圍：==100在本數(shù)控銑床的主軸箱設(shè)計(jì)當(dāng)中，第二軸（中間軸）上采用滑移齒輪，并采用撥叉，手動(dòng)地改變對應(yīng)各組齒輪的嚙合，從而改變主軸的轉(zhuǎn)速。4 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算根據(jù)XK5325A數(shù)控銑床的傳動(dòng)特性，《機(jī)械設(shè)計(jì)》中幾種帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，可選定從電動(dòng)機(jī)到主軸部分的傳動(dòng)選V帶傳動(dòng)。由于是摩擦傳動(dòng)，帶與輪槽間會(huì)有打滑也可因而緩和沖擊及隔離震動(dòng)。V帶又分為普通V帶和窄V帶。所以選取窄V帶作為該數(shù)控銑床的電機(jī)到主軸的傳動(dòng)部件。下面是V帶傳動(dòng)中的設(shè)計(jì)計(jì)算： 選擇V帶型號(hào)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知：普通V帶按斷面尺寸分為Y、Z、A、B、C、D、E七種型號(hào)，如下圖：根據(jù)計(jì)算功率（kw）和