CK6140数控车床纵向及横切向进给系统设计

第 56页1 绪论1.1 课题背景和目的在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务1。而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：（1） 提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。采用最佳参数和最佳走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。（2） 数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正及补偿，故可以获得比机床本身精度还要高的精度和重复精度。（3） 有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。（4） 可以实现一机多用。一些数控机床，可以自动换刀，一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积。（5） 可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。（6） 不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求。节省了专用夹具设计制造和存放的费用。（7） 大大减轻了工人的劳动强度2。因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。 此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。从2004年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则强烈增长，尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台数控车床CK6140，用于对转体零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工，以提高生产效率和产品质量和降低工人劳动强度。此外，力求完成课题之余，熟悉国内外数控技术及数控机床的现状及发展趋势,增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 我国数控车床的研究现状 我国从1958年开始研究数控机床，一直到20世纪60年代中期还处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出试验性样机，是从电子管起步的。 目前我国数控机床生产厂家有100多家，生产数控机床配套产品的企业有300余家，产品品种包括八大类2000种以上。目前以新开发出数控系统80余种。分为3种型级，即经济型、普及型和高级型。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种300余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际上20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床2。 进入20世纪90年代以来，我国数控机床生产企业都经历了结构调整、转变机制的艰苦磨砺过程。近期，国家为扩大内需，通过加大技改投资和基础设施建设投资的措施来拉动国内市场消费。目前，中国机床工业厂多人众。2000年，金切机床制造厂约358家(20.6万人)，成形机床制造厂191家(约6.5万人)，共计549家(27.1万人)。其中生产数控金切机床的约150家，生产数控成形机床的约30家，共计约180家，占厂家总数的1/3。2001年金切机床产量19.2万台，内数控金切机床17,521台，约占9%。总的来说：数控机床产量不断增长，2001年为1991年的3.6倍；进口量增长较快，达29倍，出口量有所增加，但数目较小，为4.8倍；数控机床消费量增加较快，达7.9倍。产量满足不了社会发展的需求。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力3。1.2.2进给系统的发展现状 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。伺服系统的特点：数字控制，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成。1. 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带等，通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统可能还包含一套自动编程机或者CAD/CAM系统。2. 计算机数控系统计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、CRT、键盘、面板、机床接口等。软件由管理软件和控制软件组成。数控装置控制机床的动作可概括为：机床主运动、机床的进给运动、刀具的选择和刀具的补偿、其它辅助运动等。3. 伺服系统它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件,它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。4. 机床它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展起来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特点是：由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；不少数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率1。数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。数控机床伺服系统的一般结构如下图所示：由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。伺服系统对伺服电机的要求：1） 从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2） 电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。3） 为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。4） 电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高4。 图1.1 伺服系统结构图1.2.3数控机床的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代化发展的大趋势。当前世界上数控技术及其装备的发展呈现以下发展趋势： （1）高精度化 现代科学技术的发展、新材料及新零件的出现，对精密加工技术不断提出新的要求，提高加工精度，发展新型超精密加工机床，完善精密加工技术，适应现代科技的发展，已经成为数控机床的发展之一。其精度已从微米级到亚微米级，乃至纳米级。提高数控系统的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术来实现提高数控机床的加工精度。（2）高速化 提高生产率是数控机床追求的基本目标之一。数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度，对制造野实现高效、优质、低成本生产具有广泛的适用性。（3）高柔性化 采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率，缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争力的有效手段。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。（4）高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。（5）智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产柔型化、自动化发展需要，智能化正成为数控机床研究和发展的热点，它不仅贯穿在生产加工的全过程（如智能编程、智能数据库、智能监控），还贯穿在长品的售后服务和维修中。（6）复合化 复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗、精加工工序的概念。（7）高可靠性 数控机床的可靠性一直是用户最关心的。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。（8）网络化 为了适应FMC、FMS以及进一步联网组成CIMS的要求，先进的CNC系统为用户提供了强大的联网能力，除有RS232串行接口、RS422等接口外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。（9）开放式体系结构 20世纪90年代以后，计算机技术的飞速发展推动数控机床技术更快地更新换代，世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统4。1.3 课题研究内容和方法1.3.1课题研究内容本课题设计的数控车床的主要参数如下：工件最大回转直径：400mm；最大加工直径：280mm横向最大行程（X轴）：180 mm；纵向最大行程（Z轴）：650 mm最大车削长度：500mmm；X,Z轴的最小设定单位：0.001mm主轴最大/最小转速：R=100-200 4000/45r/min快速进给速度：横向：8 m/min；纵向:15m/min刀架估计质量：150kg；1.3.2研究方法第一步，明确设计要求，找出研究重难点：普通数控车床最基本的要求是精度达标，稳定可靠，操作、维修、保养方便，寿命较长，此外力求外型美观。第二步，进工厂观摩，大量收集国内外相关资料。吸取专家的设计经验。第三步，初步确定总体设计方案：1、 软件方面：综合考虑功能、价格、技术先进、服务方便等因素，以及数控系统所具有的功能是否与CK6140的性能相匹配。选择了SINUMERIK 802D机床微机控制系统。2、 硬件方面：（1） 根据机床性能要求，确定机床支撑件结构形式为斜床身结构，并进行总体布局；（2） 选择主电机。根据切削力大小及机床的变速要求，初步确定主电机型号；（3） 设计主传动系统及箱体。由主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数及传动方式。1.4论文构成1. 机床总体设计方案及总体布局图2. 主传动系统设计3. 横向进给系统设计4. 纵向进给系统设计5. CK20数控系统设计6. 典型零件的数控车削加工程序编制7. 外文资料文献翻译8. 撰写毕业设计论文（说明书）2 总体设计2.1床身和导轨设计(1)床身 机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。床身的结构对机床的布局有很大的影响。按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图1所示的5种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点： 容易实现机电一体化； 机床外形整齐、美观，占地面积小； 容易设置封闭式防护装置； 容易排屑和安装自动排屑器； 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度； 宜人性好，便于操作； 便于安装机械手，实现单机自动化。这次设计中，我们采用的是45度斜床身。(2)导轨 车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。这次设计中采用的是新型塑料滑动导轨。机床床身的五种结构形式图示如下： (a) 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 图1.1 床身结构示意图2.2 主轴系统设计经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩。这次设计中采用二级机械变速机构。2.3 刀架系统设计数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。(1) 排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。(2) 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀架。(3) 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。基于以上原因，本次设计中采用六工位卧式回转刀架。3 主传动系统的设计3.1 主传动系统的设计要求数控系统的主轴系统除了应满足普通机床主传动要求以外，还提出以下要求：1、 具有更大的调速范围，并实现无级调速；2、 具有较高的精度和刚度、传动平稳，噪声低；3、 良好的抗震性和热稳定性。3.2 总体设计3.2.1 拟定传动方案数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化，主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主运动的调速范围大（R=100200），单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭转矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和扭矩特性。为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图2.1；3.2.2选择电机1、选择电机应综合考虑的问题：（1）根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。（2）根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。（3）根据使用场所得环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的机构型式。（4）根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。（5）根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。2、电动机类型和结构形式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能（旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等），因此，主轴选择选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表一简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。表1.1 理想主轴驱动系统性能项目内容高性能1、低速区要有足够的转矩2、宽恒功率范围，并在高速范围内保持一定转矩3、高旋转精度4、高动态响应5、高加减速，起制动能力6、具有强鲁棒性，能适应环境条件和参数变化7、高效率，低噪声。低价格低够买价格，低维护价格，低服务价格通用要求耐用性，可维护性，安全可靠性。 感应电动机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几KW到上百KW，广泛地应用于各种数控机床上。 经过对比分析本设计中决定采用FANUaci系列交流主轴电机。aci系列是高速、高精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑。3、电动机容量的选择 选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和启动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续运转的电动机，只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算，本设计中电机容量按以下步骤确定：（1） 确定主轴切削力切削力的大小可用各种测力仪测得，也可用实验得出的近似公式计算： (2.1) (2.2) (2.3)式中 系数。决定于工件材料和加工方法，在一定的切削条件（v、s、t固定）下，为一常数。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总的修正系数。决定于工件材料、切削用量和刀具几何形状等。分别为工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨损限度对P的修正系数。、指数。一般情况下。这说明吃刀深度对切削力的影响要比走刀量对切削力的影响大。下表所列为的系数、指数和修正系数。这些系数在下列条件下制定：刀片材料为硬质合金，工件材料为碳素结构钢，后刀面磨损限度h=0.9-1.2毫米，切削时不用冷却液，车削外圆。它们的系数、指数和修正系数之值也各有不同，可从有关手册中查得。表 2.1系 数 及 指 数工件材料结构钢16710075修 正 系 数工 件材 料4050506060707080809090100=08409009510104109切 削速 度v=50100200300400500=10090082077074071主 偏角=3045607090=10810094094089前 角=+20+100-10-20=09010111213后刀面磨损限度h=091.21.52.0=1.01.05=167, =1.0,=0.75 取=1.09，=1.08=0.9，=1.3，=1.05切深t取5mm，进给量取0.3mm/r。 = 切削速度V=105m/min=（2） 确定电机输出功率Pd 传动装置的总效率：=其中，圆柱直齿轮传动效率，由机械设计手册表1-7查得=0.98 II轴轴承效率，由设计手册1-7查得=0.990.99=0.98 III轴（主轴）轴承效率，由设计手册表1-7查得=0.990.99=0.98由此=0.980.980.980.98=0.922.故，（3） 选择电动机额定功率如前所述，电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9，所以电动机额定功率选取为11（4） 电动机电压和转速的选择由资料【10】，表22-1-9，小功率电机一般选为380v电压。所以本电机的电压可选为380v。同一类型的、功率相同的电动机具有多种转速。一般而言，转速高的电动机，其尺寸和重量小，价格较低，但会使转动装置的传动比、结构尺寸和重量增加。选用转速低的电动机泽情况相反。要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择。 本课题中数控机床的主轴转速范围要求为354000。由于只有一根中间传动轴，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒定变速范围以及整个变速范围要求较高。轴上齿轮传动比确定为，轴上两对直齿轮的传动比分别为，。所以两条齿轮链中，高速传动链传动比，低速传动链传动比。由此可得电动机的转速范围：（5） 确定电动机的型号由前面信息，可选取FANUC交流电机，型号为ac126000i。这种电机转速非常平稳，采用160，000，000rev的超高分辨率位置编码器，通过线圈切换可实现电机的高速、高加速控制，作为a系列的后续产品，具有更先进的节能效果。电机参数如下表所示：表2.2电机参数型号额定功率连续30min功率最低转速最高转速重量震动冷却ac126000i11kw15kw1500rmin4500rmin95KgV556W机座长为465mm，电机轴径为48mm，轴伸为110mm，中心高为132mm，22.3 计算各轴计算转速、功率和转矩1、各轴计算转速首先估算主轴的计算转速，由于采用的无极调速，所以采用以下公式：然后通过传动比计算传动轴和电机轴的计算转速， 4、 各轴输入转矩 将以上计算结果整理后列于表2.2.供以后计算选择，供以后计算使用：表2.3各轴的传动参数参数 轴轴（电机轴） 轴（中间传动轴）轴（主轴）计算转速（rmin）746373145输入功率（Kw）1110.610.2转矩（Nm）140.82271.39671.79传动比，2.2.4 转速图 由电机的转速范围（包括恒定功率变速范围）和各轴的传动比，作数控车床的转速图，见图所示3.3 轴系部件的结构设计2.3.1 I轴结构设计 I轴上的零件主要是齿轮1.一端用凸台定位，另一端用紧定螺钉定位。1 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数。根据选定的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。（1） 本设计属于金属切削机床类，一般齿轮传动，故用6级精度。（2） 材料选择。选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS，满足要求。（3） 选小齿轮齿数=35，大齿轮齿数=235=702.按齿面接触强度设计由机械设计计算公式8.21进行试算： 1） 确定公式内的各计算数值（1） 试选载荷系数=1.3（2） 计算小齿轮传递的扭矩：由上文知为140N.m（3） 由表8.6选取齿宽系数=0.5（4） 由表8.5查得材料的弹性影响系数=（5） 由图8.15得重合度系数=0.90，由图8.14得节点区域系数=2.5（6） 由图8-28(e)(a)按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限；（7） 由式8.28计算应力循环次数：； （8） 由图8.29查得接触疲劳寿命系数（9） 计算接触疲劳许用应力：取失效概率为1%，安全系数S=1，由式8.26得： 2） 计算（1） 小齿轮分度圆直径：=96.047mm（2） 计算圆周速度V V=（3） 计算齿宽b b=0.596.047=48.024mm（4） 计算齿宽与齿高之比b/h模数 齿高 h=b/h=48.024/6.175=7.78（5）计算载荷系数根据V=3.75m/s，6级精度，由图8.7得动载系数由表8.4查得齿间载荷分配系数由表8.3查得使用系数由图8.11查得齿向载荷分布系数故载荷系数：K=（6） 因K与有较大差异故需进行修正：（7） 计算模数m m=3.按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式：1) 确定公式内的各计算数值（1） 由图8.28(f)(b)查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限;大齿轮的弯曲疲劳强度极限（2） 由图8.30得弯曲疲劳寿命系数（3） 计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：， （4） 计算载荷系数K：K=1.894（5） 查取齿形系数：由图8.19查得（6） 查取应力校正系数：由图8.20查得（7） 计算大小齿轮的并加以比较 大齿轮的数值大。2）设计计算： = 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.46并就近圆整为标准值m=2.5mm,按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数： 大齿轮齿数 这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，由满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。5. 几何尺寸计算1）计算分度圆直径： 2）计算中心距： 3）计算齿轮宽度： b= 取5.验算 100N/mm，合适。3.3.2 II轴结构设计1轴的支承形式该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触轴承背靠背安装，如图所示：2.轴上零件的轴向定位III轴上的主要零件主要由三对直齿圆柱齿轮及其中两直齿圆柱齿轮对应的电磁离合器。滚子轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位。与电机轴上齿轮箱啮合的齿轮左端用圆螺母固定，右端用轴肩定位。另外两齿轮所对应的电磁离合器位于它们中间，相互紧靠，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一捧油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。（1） 轴的材料和最小直径得确定。轴的材料选择为：45号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式10.2得： 式中，C由表10.2，可取得110，故：取。由于dmin取值较计算值大的多，所以不用按弯扭合成强度条件计算和进行疲劳强度校核。轴的零件图如图2-5.（2） 齿轮设计 齿轮1和2的直径相差较大，对齿轮1（小齿轮）在模数和选材及热处理方面要求较高，所以首先进行该齿轮的设计。1.选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数。根据选定的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。（4） 本数控机床的运行速度较高，精度等级选择6级精度。（5） 材料选择。选择小齿轮材料为40Cr（调质后表面淬火），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质后表面淬火）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS，满足要求。（6） 选小齿轮齿数=24，大齿轮齿数=2.按齿面接触强度设计由机械设计计算公式8.21进行试算： 3） 确定公式内的各计算数值（10） 试选载荷系数=1.6（11） 计算小齿轮传递的扭矩：由上文知为271.39N.m（12） 由表8.6选取齿宽系数=0.4（13） 由表8.5查得材料的弹性影响系数=（14） 由图8.15得重合度系数=0.96，由图8.14得节点区域系数=2.46（15） 由图8-28(e)(a)按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限；（16） 由式8.28计算应力循环次数：； （17） 由图8.29查得接触疲劳寿命系数（18） 计算接触疲劳许用应力：取失效概率为1%，安全系数S=1，由式8.26得： 4） 计算（3） 小齿轮分度圆直径：=127.85mm（4） 计算圆周速度V V=（3） 计算齿宽b b=0.4127.85=51.14mm（4） 计算齿宽与齿高之比b/h模数 齿高 h=b/h=51.14/11.986=4.27（5）计算载荷系数根据V=2.50m/s，6级精度，由图8.7得动载系数由表8.4查得齿间载荷分配系数由表8.3查得使用系数由图8.11查得齿向载荷分布系数故载荷系数：K=（8） 因K与有较大差异故需进行修正：（9） 计算模数m m=3.按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式：2) 确定公式内的各计算数值（8） 由图8.28(f)(b)查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限;大齿轮的弯曲疲劳强度极限（9） 由图8.30得弯曲疲劳寿命系数（10） 计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：，（11） 计算载荷系数K：K=1.781（12） 查取齿形系数：由图8.19查得（13） 查取应力校正系数：由图8.20查得（14） 计算大小齿轮的并加以比较 大齿轮的数值大。2）设计计算： = 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.46并就近圆整为标准值m=2.5mm,按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数： 大齿轮齿数 这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，由满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。6. 几何尺寸计算1）计算分度圆直径： 2）计算中心距： 3）计算齿轮宽度： b= 取5.验算 100N/mm，合适。表2.4齿轮尺寸参数参数 齿轮1234模数m3.53.533齿数Z389710056中心距a236.25分度圆直径d133339.5300168齿顶圆直径d140346.5306174齿根圆直径124.25330.75292.5160.5全齿高h7.8756.75齿宽b60545560压力角基圆直径125319282158传动比i187916齿轮宽B65607075齿宽系数0.40.150.20.2轮毂宽706585907、键和圆螺母的选择由资料【12】，可选择键的尺寸如下表2-6表2.6 键的尺寸参数键 参数公称尺寸长度L轴深度t孔深度与离合器配合的键505.53.8圆螺母选用M351.5表2.7轴承尺寸参数 轴承 参数型号内径d外径D轴承宽B安装尺寸安装尺寸轴两端的支撑轴承 10735621441577307C7307AC3580214471与齿轮配合的轴承7308C7308AC40902349814 横向进给系统的设计 4.1 已知技术参数 横向最大行程（X轴）180 mm； 工作进给速度为18000mm/min；横向快速进给速度：8 m/min；刀架估计质量：150kg；滑板的估计尺寸（长宽高）：400mm200mm80mm；材料选为HT200。4.2 滚珠丝杠的计算及选择4.2.1 滚珠丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为，设电机的最高工作转速为，则丝杠导程为： (3.1)，取 4.2.2 确定丝杠的等效转速 (3.2)由公式(3.2),最大进给速度时丝杠的转速：最小进给速度时丝杠的转速：丝杠等效转速：（取 ） (3.3)，转速，作用下的时间(s)。4.2.3 估计工作台质量及工作台承重刀架质量：滑板：总质量：4.2.4 确定丝杠的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，现取为1.1，则丝杠所受的力为（如图3.1所示）： (3.4) 其等效负载可按下式估算（取 ， ）：t1，t2轴向载荷，作