數(shù)控機(jī)床的尺寸計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、1 緒論數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床（computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動作數(shù)控折彎機(jī)并加工零件。數(shù)控機(jī)床的操作和監(jiān)控全部在這個(gè)數(shù)控單元中完成，它是數(shù)控機(jī)床的大腦。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床有如下特點(diǎn)： （1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量； （2）可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件； （3） 加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間； 機(jī)床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高（一般為普通

2、機(jī)床的35倍）； （4）機(jī)床自動化程度高，可以減輕勞動強(qiáng)度； （5）對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高。 高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在： （1）機(jī)床復(fù)合技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)步，復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括銑-車復(fù)合、車銑復(fù)合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_機(jī)床就是一個(gè)加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 （2）智能化技術(shù)有新突破數(shù)控機(jī)床的智能化技術(shù)有新的突破

3、，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動調(diào)整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護(hù)功能、加工零件檢測和自動補(bǔ)償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機(jī)床震動等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段，智能化提升了機(jī)床的功能和品質(zhì)。 （3）機(jī)器人使柔性化組合效率更高機(jī)器人與主機(jī)的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、功能進(jìn)一步擴(kuò)展、柔性線進(jìn)一步縮短、效率更高。機(jī)器人與加工中心、車銑復(fù)合機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床、工具磨床、電加工機(jī)床、鋸床、沖壓機(jī)床、激光加工機(jī)床、水切割機(jī)床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應(yīng)用。 （4）精密加工技術(shù)有了新進(jìn)展數(shù)控金切機(jī)床的加工精度已

4、從原來的絲級（0.01mm）提升到目前的微米級（0.001mm），有些品種已達(dá)到0.05m左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05m左右，形狀精度可達(dá)0.01m左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級（0.001m）。通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級超精加工時(shí)代。 （5）功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機(jī)和驅(qū)動裝置，高技術(shù)含量的電主軸

5、、力矩電機(jī)、直線電機(jī)，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用，極大的提高數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。2. 進(jìn)給系統(tǒng)概述數(shù)字控制，是一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對控制對象加以控制的一種方法。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。數(shù)控機(jī)床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成。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，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過相應(yīng)的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。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

6、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)。高級的數(shù)控系統(tǒng)可能還包含一套自動編程機(jī)或者cad/cam系統(tǒng)。2. 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)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)床的動作。它由硬件和軟件組成。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。軟件由管理軟件和控制軟件組成。數(shù)控裝置控制機(jī)床的動作可概括為：機(jī)床主運(yùn)動、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動、刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償、其它輔助運(yùn)動等。3. 伺服系統(tǒng)它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動部件,它接受數(shù)控裝置發(fā)來的各種動作命令，驅(qū)動受控設(shè)備運(yùn)動。伺服電動機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)

7、、電液馬達(dá)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。4. 機(jī)床它是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但也做了很多改進(jìn)和提高，它的主要特點(diǎn)是：由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動鏈較短；為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)地自動化加工，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??；更多地采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌等；不少數(shù)控機(jī)床還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機(jī)床工作效率1。數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動機(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。而數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依

8、賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動特性的改善以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動等方面都有很高的要求。伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動的位置控制系統(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)動各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動。這些軸有的帶動工作臺，有的帶動刀架，通過幾個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳動部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。它包含機(jī)械、電子、電機(jī)(早期產(chǎn)品還包含液壓)等各種部件，

9、并涉及到強(qiáng)電與弱電控制，是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。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)。提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示：由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對進(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。伺服系統(tǒng)對伺服電機(jī)的要求：1） 從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低

10、速如0.1r /min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。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。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。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)和啟動電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動到額定轉(zhuǎn)速。4）電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。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。由位置、速度和電流構(gòu)成的

11、三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字pid，使用靈活，柔性好。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。 圖2.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 總體方案設(shè)計(jì)3.1 方案設(shè)計(jì)及總體布局 機(jī)床結(jié)構(gòu)可以布置成臥式、立式、倒立式及斜置式等，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，采用臥式斜床身形式。主軸水平安裝，橫向成45布置。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床主體的重要部分，在設(shè)計(jì)中，在伺服方式上選擇最廣泛應(yīng)用的半閉環(huán)方式。采用螺旋傳動，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)。3.2 主切削力的計(jì)算切削力的大小可

12、用各種測力儀測得，也可用實(shí)驗(yàn)得出的近似公式計(jì)算： (2.1) (2.2) (2.3)式中 系數(shù)。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，為一常數(shù)。大表示工件材料的加工性差；小表示工件材料的加工性好。 k總的修正系數(shù)。決定于工件材料、切削用量和刀具幾何形狀等。error! no bookmark name given.分別為工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨損限度對p的修正系數(shù)。、指數(shù)。一般情況下。這說明吃刀深度對切削力的影響要比走刀量對切削力的影響大。下表所列為的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)。這些系數(shù)在下列條件下制定：刀片材料為硬質(zhì)合金，工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，后刀面磨損限

13、度，切削時(shí)不用冷卻液，車削外圓。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)手冊中查得。表 2.1系 數(shù) 及 指 數(shù)工件材料結(jié)構(gòu)鋼16710075修 正 系 數(shù)工 件材 料4050506060707080809090100=08409009510104109切 削速 度v=50100200300400500=10090082077074071主 偏角=3045607090=10810094094089前 角=+20+100-10-20=09010111213后刀面磨損限度h=091.21.52.0=1.01.05切削功率是切削時(shí)在切削區(qū)內(nèi)消耗的功率。當(dāng)切削速度為已知時(shí)，切削功率可用下式計(jì)

14、算： (2.4)在校驗(yàn)機(jī)床選用的電動機(jī)功率時(shí)應(yīng)使 (2.5)式中 機(jī)床電動機(jī)名義功率（千瓦）； 機(jī)床效率（一般齒輪機(jī)床=0.70.8）； 電動機(jī)超載時(shí)容許的系數(shù)（一般=1.25） 57。如表2.1，取其中各參數(shù)的最大值進(jìn)行估算：取 =167， =1.0， ，=1.09， =1.08， =1.3， =1.05， =0.9取 切深t=5mm，進(jìn)給量s=0.3mm/r則由公式(2.3)： (2.6)切削功率：取切削速度為105m/min，由公式(2.4)(2.5)得: 取 4 橫向進(jìn)給系統(tǒng) 4.1 已知技術(shù)參數(shù) 橫向最大行程（x軸）180 mm； 工作進(jìn)給速度為18000mm/min；橫向快速進(jìn)給速

15、度：8 m/min；刀架估計(jì)質(zhì)量：150kg；滑板的估計(jì)尺寸（長寬高）：400mm200mm80mm；材料選為ht200。4.2 滾珠絲杠的計(jì)算及選擇4.2.1 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊 滾珠絲杠螺母副必須預(yù)緊才能正常工作。預(yù)緊：消除滾珠與滾道的間隙，保證傳動精度；使?jié)L珠與滾道有點(diǎn)接觸變成微小面接觸，提高傳動剛度。常采用雙螺母，使兩個(gè)螺母產(chǎn)生軸向位移，以消除間隙和施加預(yù)緊力。預(yù)緊常有三種結(jié)構(gòu)： 1螺紋消隙結(jié)構(gòu) 一個(gè)螺母外斷為法蘭，另以螺母外端為螺紋，上裝兩個(gè)圓螺母，兩螺母以平鍵與螺母座相聯(lián)，限制螺母的轉(zhuǎn)動。擰緊圓螺母，就能使兩螺母在軸向產(chǎn)生位移，消除間隙和施加預(yù)緊力。結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便；調(diào)整精度差

16、。 2墊片消隙結(jié)構(gòu) 兩螺母外端都為法蘭結(jié)構(gòu)，通過修磨墊片的厚度，使兩螺母產(chǎn)生軸向位移，消除間隙和施加預(yù)緊力。結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝拆方便；調(diào)整麻煩。 3齒差調(diào)隙結(jié)構(gòu) 兩個(gè)螺母的外端制成圓柱外齒輪，其齒數(shù)差為一。兩個(gè)內(nèi)齒圈用螺釘和銷釘固定在螺母座上。預(yù)緊時(shí)，先取出內(nèi)齒圈，使兩個(gè)螺母分別在相同方向轉(zhuǎn)過一個(gè)或幾個(gè)齒，這時(shí)，兩螺母在軸向產(chǎn)生相應(yīng)的位移，其消隙位移距離s可用下式計(jì)算：n-轉(zhuǎn)過的齒數(shù)，t-絲杠導(dǎo)程。z1，z2-齒數(shù)。(二) 絲杠的預(yù)拉伸 滾珠絲杠工作時(shí)會發(fā)熱。發(fā)熱使絲杠熱膨脹，從而加大導(dǎo)程，影響傳動和定位精度。對要求很精密傳動的絲杠，需要補(bǔ)償熱膨脹。絲杠預(yù)拉伸就使常用的補(bǔ)償方法。 在制造時(shí)，

17、使絲杠螺紋部分的長度小于公稱長度（導(dǎo)程乘螺紋圈數(shù)）一個(gè)預(yù)拉伸量。預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。裝配時(shí)，通過一定拉伸結(jié)構(gòu)，將絲杠拉長一個(gè)預(yù)拉伸量，使絲杠螺紋部分到公稱長度。工作時(shí)，熱膨脹量抵消部分預(yù)拉伸量，絲杠拉應(yīng)力下降，但長度不變。從而保證螺距精度不受熱膨脹的影響。4.2.2 滾珠絲杠導(dǎo)程及等效轉(zhuǎn)速的確定在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動比為，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為，則絲杠導(dǎo)程為： (3.1)，取 (3.2)由公式(3.2),最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：絲杠等效轉(zhuǎn)速：（取 ） (3.3)，轉(zhuǎn)速，作用下的時(shí)間(s)。4.2.3 估計(jì)工作臺質(zhì)量及工作臺承重刀架質(zhì)量：滑板：總質(zhì)量

18、：4.2.4 確定絲杠的等效負(fù)載及最大動載荷工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，k為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.11.5，現(xiàn)取為1.1，則絲杠所受的力為： (3.4)其等效負(fù)載可按下式估算（取 ， ）：t1，t2軸向載荷，作用下的時(shí)間(s)。n1，n2軸向載荷，作用下的轉(zhuǎn)速(r/min)。 (3.5) 圖4.1 受力分析 (3.6)fw負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)；（查表：當(dāng)一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，fw 為1.21.5，取fw=1.5。）ft溫度系數(shù)；（查表：）fh硬度系數(shù)；（查表：滾道實(shí)際硬度hrc58時(shí)，fh=1。）f

19、a精度系數(shù)；（查表：當(dāng)精度等級為3時(shí)，fa=1.0。）fk可靠性系數(shù)；(查表：可靠性為90%時(shí)，fk =1.00。)fm等效負(fù)荷(n)；nm等效轉(zhuǎn)速(r/min)；tn工作壽命(h)。（查表得：數(shù)控機(jī)床：th=15000。）由公式(3.6) 4.2.5 選擇滾珠絲杠型號由文獻(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： cdm3206-3。絲杠公稱直徑為32mm，基本導(dǎo)程，其額定動載荷，額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=1.52，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑27. 9mm，螺母長度為112mm，取絲杠的精度為3級。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊軸承分別為20mm和25mm。本

20、設(shè)計(jì)中絲杠采用兩端固定的支承方式。選用成對絲杠專用軸承組合。 滾珠絲杠支承用專用軸承：軸承特點(diǎn)：1. 剛性大。由于采用特殊設(shè)計(jì)的尼龍成形保持架，增加了鋼球數(shù)，且接觸角為60軸向剛性大。2. 不需要預(yù)調(diào)整。對每種組合形式，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（）排列后，裝緊即可。3. 起動力矩小。與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，起動力矩小。為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，推薦采用正面組合形式。（df,dfd,dff等）4.3 校核 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。

21、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。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計(jì)算。 4.3.1 臨界壓縮負(fù)荷絲杠的支承方式對絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。所以設(shè)計(jì)中采用兩端固定的支承方式9。臨界壓縮負(fù)荷按下式計(jì)算： (3.7)式中 e材料的彈性模量e鋼=2.11011(n/m2)； l0最大受壓長度(m)； k1安全系數(shù)，取k1=1/3； fmax最大軸向工作負(fù)荷(n)； f1絲杠支承方式系數(shù)；(支承方式為雙推雙推時(shí)，見下圖，

22、f1=4，f2=4.730) i絲杠最小截面慣性矩(m4)： (3.8)式中 d0絲杠公稱直徑(mm)； dw滾珠直徑(mm)。絲杠螺紋部分長度，取 支承跨距 ， 絲杠全長 由公式(3.7)可見遠(yuǎn)大于，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。4.3.2 臨界轉(zhuǎn)速 (3.9)式中 a絲杠最小橫截面： 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度：取 ，安全系數(shù)，一般取 ；材料的密度：；絲杠支承方式系數(shù)，查表得，滿足要求。4.3.3 絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度ke的計(jì)算公式：兩端固定： (3.10)式中 ke 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(n/m)； kh螺母座的剛度(n/m)；kc絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(n/m)

23、；ks絲杠本身的拉壓剛度(n/m)；kb軸承的接觸剛度(n/m)。1) 絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號樣本。2) 軸承的接觸剛度可查軸承型號樣本。3) 螺母座的剛度可近似估算為1000。4) 絲杠本身的拉壓剛度：對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式： (3.11)式中 a絲杠最小橫截面，；e材料的彈性模量，e=2.11011(n/m2)；l兩支承間距(m)；a螺母至軸向固定處的距離(m)。已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度（見后面計(jì)算）。螺母座剛度。絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率： (3.12)式中 m絲杠末端的運(yùn)動部件與工件的質(zhì)量和(n/m)；ke絲杠系統(tǒng)的

24、軸向拉壓系統(tǒng)剛度(n/m)。顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。4.3.4 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度按下式計(jì)算： (3.13)式中 絲杠平均直徑：l絲杠長度扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率: (3.14)式中 jw運(yùn)動部件質(zhì)量換算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)； jz絲杠上傳動件的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)； js絲杠的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)。由文獻(xiàn)7，8得：平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為絲杠轉(zhuǎn)動慣量：顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，可以滿足要求。4.3.5 傳動精度計(jì)算滾珠絲杠的拉壓剛度 (3.15)導(dǎo)軌運(yùn)動到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，l值分別為30

25、0mm和100mm。最大與最小機(jī)械傳動剛度：最大和最小機(jī)械傳動剛度：由于機(jī)械傳動裝置引起的定位誤差為 (3.16)對于3級滾珠絲杠，其任意300mm導(dǎo)程公差為 ，機(jī)床定位精度，所以，可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5）機(jī)床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補(bǔ)償，定位精度能進(jìn)一步提高10。4.3.6 伺服電機(jī)計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)11，扭矩的計(jì)算為：1. 理論動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩查表知3級滾珠絲杠 ， 而 (3.17)2. 最大動態(tài)摩擦力矩對于3級滾珠絲杠， (3.18)3. 驅(qū)動最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩 (3.19)4. 支承軸承所需啟動扭矩查軸承表：對于的軸承，其，對于的軸承，其，則 。5.

26、 驅(qū)動滾珠絲杠副所需扭矩 6. 電機(jī)的額定扭矩 4.3.7 電機(jī)的選擇根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及文獻(xiàn)12，選擇電機(jī)型號為siemens的ift5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7 。5 縱向進(jìn)給系統(tǒng) 5.1 已知技術(shù)參數(shù) 縱向最大行程（z軸）650 mm； 工作進(jìn)給速度為115000mm/min；縱向快速進(jìn)給速度：15 m/min；床鞍及其他的估計(jì)尺寸（長寬高）：600mm300mm100mm；材料選為ht200。5.2 滾珠絲杠的計(jì)算及選擇5.2.1 滾珠絲杠導(dǎo)程及等效轉(zhuǎn)速的確定在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動比為，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為，則由公式(3.1)可得絲杠導(dǎo)程為： 由公式(3.2) ，最大進(jìn)

27、給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：由公式(3.3) ，絲杠等效轉(zhuǎn)速為： 5.2.2 估計(jì)工作臺質(zhì)量及工作臺承重：橫向工作臺質(zhì)量：床鞍及其他：總質(zhì)量：5.2.3 確定絲杠的等效負(fù)載及最大動載荷：取滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.025，則絲杠所受的力為（如圖4.1所示）： (4.1)其等效負(fù)載可按公式(3.5)估算： 由公式(3.6)得： 圖5.1 受力分析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： cdm2510-2.5。絲杠公稱直徑為25mm，基本導(dǎo)程，其額定動載荷，額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=2.51，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑24.5mm，螺母長度為125mm，取絲杠的精度

28、為3級。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊的軸承選為17mm與20mm。5.3 校核 5.3.1 臨界壓縮負(fù)荷軸向固定的長絲杠在承受壓縮負(fù)荷時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負(fù)荷按公式(3.7)(3.8)計(jì)算：絲杠螺紋部分長度，取 支承跨距 ， 絲杠全長 可見遠(yuǎn)大于，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。5.3.2 臨界轉(zhuǎn)速 由公式(3.9)取 ，滿足要求。5.3.3 絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率由公式 (3.10)(3.11)(3.12) ：已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度（見后面計(jì)算）。螺母座剛度。絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率：顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r

29、/min，能滿足要求。5.3.4 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度由公式(3.13)計(jì)算： 由文獻(xiàn)7,8得：平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為絲杠轉(zhuǎn)動慣量：扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率按公式(3.14)計(jì)算:顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，可以滿足要求。5.3.5 傳動精度計(jì)算導(dǎo)軌運(yùn)動到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，l值分別為650mm和100mm。由公式(3.15) ，最大與最小機(jī)械傳動剛度：最大和最小機(jī)械傳動剛度：由于機(jī)械傳動裝置引起的定位誤差據(jù)公式(3.16)對于3級滾珠絲杠，其任意300mm導(dǎo)程公差為 ，機(jī)床定位精度，所以，可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5

30、）機(jī)床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補(bǔ)償，定位精度能進(jìn)一步提高。5.3.6 伺服電機(jī)計(jì)算扭矩的計(jì)算1) 理論動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩查表知3級滾珠絲杠 ， 而 由公式(3.17) 2) 最大動態(tài)摩擦力矩對于3級滾珠絲杠，由式(3.18) 3) 驅(qū)動最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩由公式(3.19) 4) 支承軸承所需啟動扭矩查軸承表：對于的軸承，其，則 。5) 驅(qū)動滾珠絲杠副所需扭矩 6) 電機(jī)的額定扭矩 5.3.7 電機(jī)的選擇根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及文獻(xiàn)12，選擇電機(jī)型號為siemens的ift5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。6 數(shù)控系統(tǒng)選擇 6.1 西門子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 西門子數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，設(shè)計(jì)中選擇sin

31、umerik 802d型號。其控制器：具有免維護(hù)性能的sinumerik 802d，其核心部件 - pcu（面板控制單元）將cnc、plc、人機(jī)界面和通訊等功能集成于一體?？煽啃愿摺⒁子诎惭b；sinumerik802d可控制4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸。通過生產(chǎn)現(xiàn)場總線profibus將驅(qū)動器、輸入輸出模塊連接起來； 模塊化的驅(qū)動裝置simodrive611ue配套1fk6系列伺服電機(jī)，為機(jī)床提供了全數(shù)字化的動力。通過視窗化的調(diào)試工具軟件，可以便捷地設(shè)置驅(qū)動參數(shù)，并對驅(qū)動器的控制參數(shù)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化； sinumerik802d集成了內(nèi)置plc系統(tǒng)，對機(jī)床進(jìn)行邏輯控制。采用標(biāo)準(zhǔn)的plc的編程語言

32、micro/win進(jìn)行控制邏輯設(shè)計(jì)。并且隨機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的plc子程序庫和實(shí)例程序，簡化了制造廠設(shè)計(jì)過程，縮短了設(shè)計(jì)周期。 cnc功能：控制車床、鉆銑床；可控制4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸；三軸聯(lián)動，具有直線插補(bǔ)、平面圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、空間圓?。╟ip）插補(bǔ)等控制方式；螺紋加工、變距螺紋加工；旋轉(zhuǎn)軸控制；端面和柱面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（c軸功能）；前饋控制、加速度突變限制；程序預(yù)讀可達(dá)35段；刀具壽命監(jiān)控；主軸準(zhǔn)停，剛性攻絲、恒線速切削；frame功能（坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡象、縮放） 操作單元：單色10.4 tft顯示器，彩色為選件；全功能數(shù)控鍵盤具有水平安裝方式，和垂直安裝方式；標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床控制面板（選件

33、）；三個(gè)手輪接口；rs232串行接口；生產(chǎn)現(xiàn)場總線接口；標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口；pc卡插槽（用于數(shù)據(jù)備份和批量生產(chǎn)） 操作與顯示：帶有8個(gè)水平軟鍵和8個(gè)垂直軟鍵的直觀操作；對刀及刀具測量，工件坐標(biāo)系測量，基本坐標(biāo)偏移；mda方式端面加工；程序段搜索運(yùn)行；坐標(biāo)軸鎖定、快速空運(yùn)行；后臺編程；加工外部程序（通過串行接口）；示波器、袖珍計(jì)算器、和工件計(jì)數(shù)器；兩種語言在線切換；16種語言可選擇安裝；在線公英制切換；機(jī)床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、和相對坐標(biāo)系顯示；加工軌跡實(shí)時(shí)顯示（可辨認(rèn)快速和加工軌跡）；在線幫助；有效g功能和m功能顯示；坐標(biāo)位置、余程以及各軸速度顯示 零件編程：標(biāo)準(zhǔn)g代碼編程（din66025）和西門子

34、高級語言編程；iso標(biāo)準(zhǔn)編程；車削、銑削工藝循環(huán)編程；藍(lán)圖編程；極坐標(biāo)編程；程序存儲器容量達(dá)340k字節(jié) plc：采用標(biāo)準(zhǔn)的s7-200編程語言 micro/win；梯圖編程；梯圖在線顯示；plc遠(yuǎn)程診斷；完全漢化的plc編程工具隨機(jī)提供；隨機(jī)提供plc子程序和用于車床銑床的plc應(yīng)用程序?qū)嵗?；plc的處理速度是6000步/24毫秒 ；40個(gè)定時(shí)器，32個(gè)計(jì)數(shù)器；數(shù)字輸入輸出為144 / 96。6.2 數(shù)控連線圖其連線圖如圖5.1所示。 圖6.1 數(shù)控系統(tǒng)連線圖7 數(shù)控編程編制如圖7.1所示零件的加工程序，材料為45鋼，棒料直徑為40mm16。 圖7.1 數(shù)控零件圖1. 刀具設(shè)置選擇93正偏刀

35、為1號刀，2號割槽刀（寬4mm），60硬質(zhì)合金螺紋刀為3號刀。2. 工藝路線1） 工件伸出卡盤外85mm，找正后夾緊。2） 用1號刀車工件右端面，粗車外圓至38.570。3） 先車32.558圓柱，再車30.548圓柱，再車20.510圓柱。4） 車右端圓弧，留0.5mm精車余量。5） 精車外形輪廓至尺寸。6） 割退刀槽，并用割槽刀右刀尖倒出m303螺紋左端c2倒角。7） 換螺紋刀車雙線螺紋。8） 割斷工件。3. 相關(guān)計(jì)算1） 計(jì)算雙線螺紋m303（p1.5）的底徑：d=d-20.62p=(30-20.621.5)mm=28.14mm2） 確定背吃刀量分布：1.5mm、0.25mm、0.07m

36、m4. 加工程序n01 g90 g94 g54 ； 采用g54工件坐標(biāo)系，分進(jìn)給，絕對編程n02 s800 m03 ； 主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速800rpmn03 t01 m08 ； 換1號外圓刀，切削液開n04 g00 x40 z0 ； 快速進(jìn)刀n05 g01 x0 f100 ； 車端面n06 g00 x19.5 z2 ； 快速退刀n07 g01 z-70 f150 ； 粗車外圓n08 g00 x30 z2 ； 快速退刀n09 g01 x18 ； 快速進(jìn)刀n10 g01 z-58 ； 粗車外圓n11 g00 x30 z2 ； 快速退刀n12 g00 x16.5 ； 快速進(jìn)刀n13 g01 z-58 ；

37、 粗車外圓n14 g00 x30 z2 ； 快速退刀n15 g00 x15.5 ； 快速進(jìn)刀n16 g01 z-48 ； 粗車外圓n17 g00 x30 z2 ； 快速退刀n18 g00 x14 ； 快速進(jìn)刀n19 g01 z-12 ； 粗車外圓n20 g00 x20 z2 ； 快速退刀n21 g00 x12 ； 快速進(jìn)刀n22 g01 z-10 ； 粗車外圓n23 g00 x15 z2 ； 快速退刀n24 g00 x0 ； 快速進(jìn)刀n25 g03 x12 z-10 cr=12 f100 ； 車r12圓弧 n26 g02 x15 z-15 cr=3 ； 車r3圓弧n27 g00 z0.5； 快

38、速退刀n28 g00 x0 ； 快速進(jìn)刀n29 g03 x10.5 z-10 cr=10.5 ； 車r10.5圓弧n30 g02 x15 z-15 cr=4.5 ； 車r4.5圓弧n31 g00 x100 z100 ； 快退至起刀點(diǎn)n32 s1000 m03 ； 主軸變速n33 g00 x2 z2 ； 快速進(jìn)刀n34 g01 x0 z0 f60 ； 進(jìn)刀至（0，0）點(diǎn)n35 g03 x10 z-10 cr=10 ； 精車r10圓弧n36 g02 x15 z-15 cr=5 ； 精車r5圓弧n37 g01 z-40 ； 精車螺紋外圓至30n38 g00 x16 z-45 ； 快速進(jìn)刀n39 g0

39、1 z-58 ； 精車32外圓n40 g01 x19 ； 車臺階n41 g01 z-65 ； 車38外圓n42 g00 x100 z100 ； 快退至起刀點(diǎn)n43 t02 ； 換2號割槽刀n44 s420 m03 ； 主軸變速n45 g00 x20 z-44 ； 快進(jìn)至（x20，z-44）點(diǎn)n46 g01 x13.1 f30 ； 割槽至26.2n47 g00 x20 ； 快速退刀n48 g00 z-48 ； 向左移動4mmn49 g01 x13 f30 ； 割槽至26n50 g01 z-44 ； 向右橫拖4mm，消除割刀接縫線n51 g01 x17 z-36 f30 ； 用割槽刀右刀尖倒m30

40、左端245倒角n52 g00 x100 z100 ； 快退至起刀點(diǎn)n53 t03 ； 換3號螺紋刀n54 s600 m03 ； 主軸變速n55 g00 x15 z-12 ； 快速進(jìn)刀n56 huang ； 調(diào)子程序車第一條螺紋n57 g00 x14.5 ； 快速進(jìn)刀n58 huang ； 調(diào)子程序車第一條螺紋n59 g00 x14.07 ； 快速進(jìn)刀n60 huang ； 調(diào)子程序車第一條螺紋n61 g00 x15 z-13.5 ； 快速進(jìn)刀n62 huang ； 調(diào)子程序車第二條螺紋n63 g00 x14.5 ； 快速進(jìn)刀n64 huang ； 調(diào)子程序車第二條螺紋n65 g00 x14.07 ； 快速進(jìn)刀n66 huang ； 調(diào)子程序車第二條螺紋n67 g00 x100 z100 ； 快退至起刀點(diǎn)n68 t02 s420 m03 ； 換2號割槽刀，主軸變速n69 g00 x20 z-63 ； 快速進(jìn)刀n70 g01 x0 f30 ； 割斷n71 g00 x100 ； 快速退刀n72 g00 z100 m09 ； 退回起刀點(diǎn)，切削液關(guān)n73 m05 ； 主軸停轉(zhuǎn)n74 m02 ； 主程序