五轴联动加工机床总体结构及数控系统设计

论文：五轴联动加工机床总体结构及数控系统设计第一章 绪论1.1 课题的研究背景和意义数字控制是 20 世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法，采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床。加工中心（Machining Center,简称 MC）是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床，如图 1 所示。它是适应省力、省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现在控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。图 1 加工中心随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常的监视、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等，如图 2 所示。加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接，并能进行切屑自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统合自动化工厂的关键设备和基本单元。图 2 刀具寿命的监视功能和切削状态的监视功能企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求，如图 3 所示为数控机床。图 3 五轴联动数控机床数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛，数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高，因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。1.2 数控加工中心的分类1.2.1 按照机床形态分类（1）卧式加工中心。指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，如图 4 所示，卧式加工中心一般具有 3-5 个运动坐标。常见的有三个直线运动坐标(沿X、Y、Z 轴方向 )加一个回转坐标 (工作台) ，它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。卧式加工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大，重量大；结构复杂，价格较高。 图 4 卧式加工中心（2）立式加工中心 指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心 5 所示，如图立式加工中心一般具有三个直线运动坐标，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。立式加工中心多用于加工筒单箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮的加工。立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。图 5 立式加工中心（3）龙门加工中心 与龙门铣床类似，适应于大型或形状复杂的工件加工，如图 6 所示。图 6 龙门加工中心（4）万能加工中心 万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工；具有立式和卧式加工中心的功能，如图 7 所示。常见的万能加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转 900 既可象立式加工中心一样，也可象卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工件旋转 900 完成对工件五个面的加工。在万能加工中心安装工件避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高。图 7 万能加工中心1.2.2 按换刀形式分类（1）带刀库机械手的加工中心。加工中心换刀装置由刀库、机械手级组成，换刀动作由机械手完成。（2）机械手的加工中心。这种加工中心的换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀过程。（3）转塔刀库式加工中心。一般应用于小型加工中心，主要以加工孔为主。加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心，加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心。主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加工中心或五面加工中心，也称复合加工中心。按加工中心立柱的数量分；有单柱式和双柱式（龙门式）。1.2.3 按数控系统功能分类加工中心根据数控系统控制功能的不同分：有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制。 1.2.4 按工作台的数量和功能分类有单工作台加工中心、双工作台加工中心，和多工作台加工中心。1.2.5 按加工精度分类（1）普通加工中心 普通加工中心，分辨率为 1m，最大进给速度1525m/min，定位精度 l0 m 左右。（2）高精度加工中心 高精度加工中心，分辨率为 0.1m，最大进给速度为 15100m/min，定位精度为 2m 左右。介于 2l0 m 之间的，以5 m 较多，可称精密级。1.3 加工中心的主要加工对象加工中心适宜于加工复杂、工序多、要求较高、需用多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。其加工的主要对象有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工等五类。1.3.1 箱体类零件箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。这类零件在机床、汽车、飞机制造等行业用的较多。箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪，攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，费用高，加工周期长，需多次装夹、找正，手工测量次数多，加工时必须频繁地更换刀具，工艺难以制定，更重要的是精度难以保证，如图 8 所示。图 8 箱体类零件加工箱体类零件的加工中心，当加工工位较多，需工作台多次旋转角度才能完成的零件，一般选卧式镗铣类加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。1.3.2 复杂曲面复杂曲面在机械制造业，特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成的。在我国，传统的方法是采用精密铸造，可想而知其精度是低的。复杂曲面类零件如：各种叶轮，导风轮，球面，各种曲面成形模具，螺旋桨以及水下航行器的推进器，以及一些其它形状的自由曲面。这类零件均可用加工中心进行加工，如图 9 所示。铣刀作包络面来逼近球面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。图 9 复杂曲面1.3.3 异形件异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成，如图 10 所示。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。图 10 异形件1.3.4 盘、套、板类零件带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心，如图 11 所示。图 11 盘零件和套筒1.3.5 特殊加工在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案，如图 12 所示；在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；用加工中心装上高速磨头，可实现小模数渐开线圆锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等。图 12 工件表面刻图案1.4 数控机床的发展方向随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及制床技术推向了一个又一个高潮。目前数控机床己经发展到第五代，如图 13 所示，随着制造技术的发展，数控机床得到了迅速发展，不断更新换代。晶体管元件、小规模集成电路、小型计算机以及中、大规模集成电路的依次问世把数控机数控机床一般由三部分组成：主机，数控系统(包括伺服及驱动系统)及相关配套件。它集现代机械制造技术、计算机技术、通讯技术、控制技术、液压气动技术、光电技术为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点。图 13 第五代数控机床数控机床技术发展关键在于数控功能部件技术的发展。数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等。它们是数控机床的重要组成部分。功能部件技术水平的高低，性能的优劣以及整体的配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能。随着数控部件技术的发展，数控机床技术正朝着如下四个方面的趋势发展。第一，高速、高效化方向。提高生产率是机床技术追求的基本目标之一，实现该目标的关键是提高切削速度、进给速度和减少辅助时间。新一代数控机床为提高生产效率，向着超高速方向发展，采用新型功能部件(如电主轴、直线电机、高速滚珠丝杆等)实现超高速加工，主轴转速可达/min ，进给运动部件快速移动速度 60120m/min，切削进给速度 60m/min，最高加速度 10G，加工中心换刀时间减少到小于 1s。第二，智能化、柔性化、开放性和网络化。近年来，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。数控系统在控制性能上向智能化方向发展。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三三维刀具补偿、运动参数动态补偿、温差刚性变形补偿等功能，而且人机界面极为友好，故障诊断专家系统使得自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动化调整参数。直线电机驱动系统已实用化。在制造系统的柔性化(如FMC、FML、 FMS 和 FA 等)继续发展的基础上，单机智能化、柔性化的趋势日渐增强，其典型代表为近年发展起来的虚拟轴机床，其智能化、柔性化程度大大提高，同时，机床产品网络化的发展趋势也十分明显。第三，复合加工。复合加工是指工件一次装夹，能进行多种工序复合加工，可以大大提高生产效率和加工精度。近几年来，制造企业对复合化要求的程度更高，国外已经出现了加工中心与车削中心复合机床，加工中心与激光加工复合机床，集车、磨、铣、钻、铰、镗、滚齿等工序与一身的车磨复合机床，复合加工机床的发展适应多品种小批量、变品种变批量生产时代的要求，取得了快速的发展。第四，精密加工。从精密加工发展到超精密加工是目前国际加工技术发展的热点之一，其精度已从微米级发展到亚微米级、纳米级。超精加工主要包括超精密切削(车、铣) 、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工。1.5 本课题的主要研究任务根据任务书给定的主要设计参数和技术指标，完成以下设计任务:1、总体方案设计包括主轴/副主轴单元、工作台与两坐标回转工作台、铣削电主轴、床身、控制系统电控柜的机床外型结构及总体布局；2、数控系统设计；3、数控系统关键部件设计；4、控制电路设计（包括辅助电路及操作系统） ；5、相关机械部件的校核设计。设计要求：1、设计说明书部分（约 1.5 万字） ，应合乎规范，设计计算正确，完成后装订成册（如果打印须附电子文档） ；2、 图纸部分（1）机床（主机与系统）总体尺寸联系图 1A0；（2）数控系统总图 1A0；（3）数控系统关键部件图总计 3A0；（4）采用 CAD 设计图纸，其中手工图纸总计不得少于 1A1，计算机三维图不少于 1 张，另附电子文档。第二章 总体方案的制定和比较2.1 设计参数1、机床除了有 X、Y、Z 三个直线进给轴之外，还有两个回转进给轴，在一次装夹中，可以加工除定位面之外五个加工面，尤其是可对复杂的空间曲面进行高精度数控铣削和数控车削加工。2、机床主轴（C 轴）驱动采用交流变频调速电机-皮带轮-主轴的传动方式。主轴电机调速范围 8000rpm自动主轴卡盘3、双轴数控回转工作台可以绕 Z 轴做 360回转、绕 X 轴做 30120回转, 回转最小分度值一般为 0.001，回转速度10 rpm。4、机床 X、Y、Z 直线位移坐标进给移动导轨采用滚动导轨（帖塑）或燕尾导轨进给驱动采用伺服电机-（齿轮）同步带- 滚珠丝杠副-工作台/ 主轴单元的传动方式。进给脉冲当量 0.001mm切削进给速度 2000mm/min快速进给速度 5000mm/min5、直线移动最大行程 X 向 550mm Y 向 350mm Z 向 350mm6、工作台尺寸 400mm（宽）800mm（长）工作台承重 500kg 2.2 机床的组成和方案设计五轴联动通常是在 X、Y、Z 三个线性轴基础上增加由 A、B、C 三个回转轴中任意两个回转轴所组合的运动， 2 个回转轴可以都配置在刀具切削头部位或工件安装部位，也可在这两个部位上分别配置 1 个回转轴。根据这些配置方式可以组合出的有效布局方案共有：23CA个。机床基础件，床身，底座，立柱，滑座，工作台等，起支撑作用；主传动系统，实现主运动；进给系统，实现进给运动；实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，液压，气动，润滑，冷却，防护，排屑；实现工件回转，分度定位的装置和附件，回转工作台；特殊功能装置，如刀具破损监测、精度检测和监控装置等。不同类型的机床根据需要可做成五轴联动，但应用比较多的是铣镗类机床。这种机床也有多个类型和品种，较简单的是在数控镗铣床的工作台上附加 A/B轴转台，配上相应的数控系统，实现 X、Y、Z 三个直线运动和 A/B 轴两个旋转运动并可联动。这种配置由于接合层次多，刚性差些，因此有专门将 A/B 转轴的支座与工作台或床身做成一体的。由于受安装工件的转台的尺寸和重量的制约，这种机床仅适用于加工中小型工件。加工大重型工件的则用立式龙门式数控铣床、数控卧式铣镗床和刨台式铣镗床等，此时 A/C 转轴大都装于主轴处。配合的地方，这可以大大简化主轴箱体的加工复杂程度。在箱体外部，要考虑到主轴电机的安装以及主轴电机与主轴之间的传动形式。在对比了各种主轴组件和主轴单元的结构形式后，可以看出，主轴前支承普遍采用了三个角接触球轴承。其中，前两个轴承主要承受轴向力和径向力，后一轴承主要承受反向的轴向力和部分径向力。主轴前支承在轴承的组配方式上有三联组配的，有双联组配的，也有单个的。就目前轴承制造水平来看，各大轴承厂商已经能够根据用户所提供的预紧力事先组配好三联及其以上的轴承组。对于用户来说，只需要提前向轴承厂家定货，到货后装上即可使用，非常的方便。基于这个因素，本次设计中同样采用事先组配好的角接触球轴承。对于后支承，一种情况是选用双列圆柱滚子轴承，另一种情况是采用背靠背组合的角接触球轴承。如果采用前者，则轴承不承受轴向力，轴和轴承之间可以很容易实现轴向相对移动。在整个主轴固定方式上，必须采用前支承固定而后支承游动的方式。如果采用后者，则主轴后端即可以做成游动支承也可以做成固定支承，只是说在做成游动方式是，只能是轴承外圈相对于箱体轴承座孔游动。这种在箱体内孔游动的方式就对箱体座孔的加工精度有更高的要求。另外，这种在箱体内孔游动的方式从运动精度来讲是不及双列圆柱滚子轴承的滚动体相对于轴承外圈内壁游动时的高。不过相对于前轴承精度对主轴运动精度的影响，后轴承的影响要小得多。因此，这两种轴承之间的这一点差别可忽略不记。从主轴单元的结构形式出发，主轴传动部件已被移动到了主轴后端，位于两支承之外，这在主轴组件设计历程中是一个大的变革。这种变革可以最大化的简化主轴箱体的内部结构。本次设计正好吸取这种结构形式。当传动件位于箱体外部后，主轴电机的布置也应该接近传动件。在本次设计中，主轴和电机之间是通过同步带传动的。同步带传动的优点是可以实现准确的传动比。另外，同步带重量轻，噪声也小，传动比较紧凑。为了实现斜齿轮的加工要求，主轴除了要能实现 B 轴回转运动外，还要能具备一定角度范围的偏转功能。为实现这个要求，结构上需要在主轴单元与前立柱连接部分设置一回转轴。这样，通过主轴单元的偏转配合尾架的偏转，即可实现斜齿轮的加工。根据上述情况及相关资料,参考现市场是几款成熟的产品及设计理念，在此基础上进行了多个方案的设计比较，现从中选择以下 6 个典型方案加以分析。方案 1 机床采用数控龙门移动铣床结构，龙门移动，工作台固定在龙门底座上，且配置为二轴联动的旋转工作台。X 轴采用双丝杠驱动加线性滚珠导轨，Y 轴采用双线性滚珠导轨安装呈垂直分布状态， Z 轴采用大规格线性滚珠导轨与双平衡液压缸装置,哈默 C30U 和 C40U 五轴立式加工中心机床就属这一结构（无平衡液压缸装置） ，见图 2-1。三轴均采用伺服电机与滚珠丝杠螺母副通过联轴器直接的形式。图 2-1 龙门式铣镗加工中心方案 2 与方案 1 一样，采用龙门移动结构，工作台与龙门底座采用一体结构，Z 轴滑枕上配置五轴联动铣头。导轨配置方面，与方案 1 一致，沈阳机床 GMC2050U 系列龙门式铣镗加工中心属此结构，见图 2-2。图 2-2 BK50 龙门式加工中心方案 3 机床采用定梁式龙门铣床结构，配置二轴联动的旋转工作台，且工作台在线性滚珠导轨上作 X 向运动，滚珠丝杠螺母副与导轨配置方面，与案1 一致。方案 4 与方案 3 一样，采用定梁式龙门铣床结构，工作台在线性滚珠导轨上作 X 向运动，Z 轴滑枕上配置五轴联动铣头。导轨配置方面，与方案 1 一致，大连机床厂的 BK50 龙门式加工中心属此结构。方案 5 如图 2-3 所示为方案 5。1.主轴组件 2.床身 3.铣削动力头 4.圆工作台组件 5.尾座组件 6.Z 轴电机 7.Z 轴进给机构 图 2-3 方案 5 示意图方案 6 如图 2-4 所示为方案 6 示意图。1.主轴组件 2.床身 3.铣削动力头 4.圆工作台组件 5.尾座组件 6.Z 轴电机 7.Z 轴进给机构 图 2-4 方案 6 示意图对比分析以上 6 种方案设计，方案 1 与方案 2 都采用动梁式龙门结构，此结构的最大缺陷： 由于是靠滚珠丝杠与线性滚珠导轨驱动形式，则难以保证机床的刚性； 采用双丝杠驱动技术，对机床控制部分要求提高了，同时提高了零件加工工艺难度。优点在于机加工效率较高。方案 1 与方案 2 在于：方案 1 采用了二轴联动的旋转工作台结构；方案 2 采用了五轴联动铣头结构。相比之下，二轴联动的旋转工作台因受结构及空间的约束，不宜加工大型工件；而五轴联动铣头相对结构紧凑，在空间上自由度较大。方案 3 与方案 4 都采用定梁式龙门结构，此结构的最大优点：在结构上具有实际任意的刚度，且不用担心质量不当而影响机床的加速度方面的性能；结构的缺陷在于工作而移动，从而在 X 轴方向上占用的空间较大，也不利机床 X轴向上的加速度性能。其旋转工作台结构与五轴联动铣头方面的特点前面已作说明，此处不再重述。方案 5：没有 Y 轴方向的进给，在 Y 方向的位移是靠圆工作台的上下摆动来完成，这样就少了一个联动轴数，简化了数控系统的复杂性。方案 6：该方案采用两个主轴，增强了机床的性能，铣削动力头和圆工作台安装在立柱的斜托板上，很好的解决了铣削时铣刀的方向问题，同时该方案增加了 Y 方向的进给，所以在控制上较方案一复杂；该方案把车削和铣削部分分开，并把车刀架做成八方刀架，除了安装车刀外，还配以转头、镗刀和车削动力头，就可以完成钻孔和镗削功能，这样使得控制等就变得复杂了。综合上述资料，再结合机床设计的技术性能参数，最后确定机床采用定梁式龙门结构，工作台在线性滚珠导轨上作 X 向运动， Z 轴滑枕上配置五轴联动铣头，Y 轴采用双线性滚珠导轨安装 ，Z 轴采用大规格线性滚珠导轨与双平衡液压缸装置 。这种结构的优点在于：采用定梁式龙门结构具有实际任意的刚度，且不用担心质量不当而影响机床的加速度方面的性能；采用五轴联动铣头相对结构紧凑，在空间上自由度较大吗，所以首选方案 5。第三章 数控系统关键部件设计校核及电机选型3.1 轴承的选择球轴承主轴，前支承为深沟球轴承和推力球轴承，后支承为深沟球轴承或圆锥滚子轴承。前支承的推力球轴承设置在深沟球轴承的前边，承受的轴向力大，适用于钻孔工序。依据轴承的结构，尺寸，以及所受轴向力的特点可以初步确定主轴以及传动轴上的轴承分别选择推力轴承和深沟球轴承。具体结构如下：图 3-1 轴承连接结构3.2 轴承寿命的计算直齿圆柱齿轮的受力情况：由图 3-2 知，所受轴向力 N，扭矩 T：0.8.60.80.6=2=21.3762=149NDfHB1.9. .9.7.f圆周力 247.6=13NtTFd径向力 tan.052r图 3-2 简化成力学模型示意图 215X13970由上式解出： 6N28X图 3-3 简化成力学模型示意图 2143X179由上式解出： 1N24X由上面计算可知轴承 2 所受的力较大所以只计算轴承 2 的寿命。(1) 当量动载荷计算由此可知轴承 1 和 2 都是深沟球轴承，但是轴承 2 所受的径向力要大于轴承 1 所受的径向力。所以在校核轴承寿命时应计算轴承 2。取轴承 2 为校核对象，所受径向力 ；由于机械工作是常有震动和冲击。因此，轴承的8rFN当量动载荷应按下式计算： +draPfXFY冲击载荷系数 由表 4 选取载荷性质为平稳运转或轻微冲击时， 取 1.1df df在此深沟球轴承不承受轴向力，因此 ，查表 5 滚动轴承当量动载荷计算=0a的 X、Y 值： arFe因此，查表得：X=1，Y=0；当量动载荷： =+YF=1.8=96.draPfXN（2）基本额定寿命计算根据机械设计，若轴承工作转速为 n r/min，可求出以小时数为单位的基本额定寿命： 6101670=hCCLnpnp寿命指数，球轴承 ； 3P当量动载荷，单位为 N；根据轴承手册，基本额定动载荷 C=12800N，在此次设计中我们设计的轴承预期寿命 ：=60hL 7101670286.31049.hChnP 可得 。所以可知所选用的深沟球轴承 6204 可以满足设计寿命要10hL求。（3）深沟球轴承的静载荷计算根据机械设计，P382 当量静载荷的计算方法如下： 00=+rraPXFY取两式中大值， 径向静载荷系数；0X轴向静载荷系数。Y根据机械设计，P382 表 18.12 当量静载荷计算中的 值可知：深沟球轴0XY、承 ， ，在此深沟球轴承不承受轴向力，因此 。可知选用公0=.6X0.5 =.5aF式 计算当量静载荷：FrP0=F8rPN按额定静载荷选定轴承，其基本公式为： 00CS式中， 基本额定静载荷，单位为 N；0C计算额定静载荷，单位为 N；当量静载荷，单位为 N；0P安全系数。S根据机械设计，P382 表 18.14 轴承静载荷安全系数 ，对旋转精度及平稳0S性要求高，或承受冲击载荷的球轴承， 取 1.5：0S01.5832CPN根据轴承手册，P263 基本额定静载荷 ， 所以静载荷计0065,CC算符合要求。结论：所选轴承能满足寿命、静载3.3 齿轮传动的设计计算1、选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1）选用直齿轮2）数控机床为一般工作机器且轻质载荷，故选用 7 级精度（GB1009588）3）材料选择。选择小齿轮材料为 40 （调质） ，硬度为 280HBS，大齿轮rC材料为 45 钢（调质）硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。4）选小齿轮齿数 =20，传动比为 = 2, 大齿轮齿数 = 2 20 = 40。1ziz2、按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即2.32td1321)(HEdZuKT(1) 确定公式内的各计算数值1）试选载荷系数 =1.3。t2）计算小齿轮传递的转矩。= N mm=0.3657 N mm1T150.9nP1405.94103)由表选取齿宽系数 = 1。d4)由表查得材料的弹性影响系数 = 189.8 EZ21aMP5)由表按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 =600 ；大齿1limHaP轮的接触疲劳强度极限 =550 。2limHa6）计算应力循环次数。= 60 = 60 1410 1 （2 8 365 8）= 1NhjLn1.441 = =0.25190275.049917)由图取接触疲劳寿命系数 =0.95； =0.96。1HNK2HN8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为 1 ，安全系数 S = 1，由式得0 = =0.95 600 =570H1NlimaMPa = =0.96 550 =5282SK2li aa(2) 计算1）试算小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值。td1H2.32 =2.32 mm=22.6mmtd1321)(HEdZuKT3 24)58.19(10657.由于机床实际的尺寸关系，这里小齿轮的分度圆直径取为 =40mmtd12)计算圆周速度 v。v= = =1.08160tdn4051sm3)计算齿宽 b。根据机床经验公式，齿宽为模数的 68 倍，这里模数先试取 2，故 b =（6 8）m = 16mm , 这里取 b=20mm4)计算齿宽与齿高之比 。h模数 = = 40/20 mm = 2 mmt1zdt齿高 h = 2.25 = 2.25 2 mm = 4.5 mmtm= = 10.67b096.5345)计算载荷系数。根据 v = 1.46 , 7 级精度，由图 108 查得动载系数 = 1.06 21；s vK直齿轮， = =1HKF由表查得使用系数 =1.25；A由表用插值法查得 7 级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，=1.420。H由 = 10.67, =1.420 查图得 =1.35；故载荷系数：hbHKFK= =1.25 1.06 1 1.420 = 1.8815AvH6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式得：= =40 =45.246mm1dt3tK3.1857）计算模数 m：m = = mm = 2.26mm1z2046.53、按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为m321)(FSadYzKT（1） 确定公式内的各计算数值1）由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 =500 大齿轮的弯曲强1FEaMP度极限 =3802FEaMP2）由图取弯曲疲劳寿命系数 =0.88, =0.90；1FNK2FN3）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式得： = = =314.29F1SFEN14.508aMPa = = =244.29F2KFE2.39aa4）计算载荷系数 K。K= =1.25 1.06 1 1.35=1.789AvF5）查取齿形系数。由表查得 =2.80; =2.40。 1FaY2Fa6）查取应力校正系数。由表查得 =1.55; =1.67。1Sa2Sa7）计算大、小齿轮的 并加以比较。FY= =0.013811FSa29.34580= =0.016402FSaY.67大齿轮的数值大。（2） 设计计算m mm=0.81 mm324016.013657.89.2故可知上面所预选的模数 m=2 符合设计要求。= = =201zmdt24大齿轮齿数 =2 20=40。2z4、几何尺寸计算（1）计算分度圆直径= m=20 2=40 mm1dz= m=40 2=80 mm2（2）计算中心距a= = mm = 60mm21d804（3）计算齿轮宽度根据机床实际设计取值，取 =20mm, =15mm。1B25、结构设计及绘制齿轮零件图 3-4图 3-4 齿轮配合3.4 主轴的校核1、计算齿轮受力见 3-5 图直齿圆柱齿轮的受力情况，所受轴向力 N，扭矩 T：0.8.6 0.80.626210.37612149NDfHB N1.9. . 72.Tf圆周力： 2472.6=143tTFd径向力： =tan143.20.6=52rFN，16rN28rF，=9r=4r由上述条件画水平面受力图（a） ；画水平面弯矩图（b）： =140xMNm画垂直面受力图（c ） ，画垂直面弯矩图（ d）：386y合成弯矩图（e ）： 2=+=410xyMNm2、画轴转矩图轴受转矩 T，画转矩图(f) 。3.许用应力根据机械设计，P315 表 16.3 转轴和心轴的许用弯曲应力可知：0=13bMPa-175应力校正系数： -10=.8b4、画当量弯矩图计算当量转矩： =0.58472.6740TNm计算当量弯矩，轴承和齿轮中间处： 22 22 18938M画当量弯矩图（g）：（a ）（b）（c ）（d）（e ）（f）（g）图 3-5 轴的校核校核轴径，轴径 330.1498=.720.5bMd m校核合格，符合设计要求。3.5 齿轮的校核在本设计中，选用的齿轮材料是 45 号钢，调质处理。硬度229HB286HB，平均取 240HB。1、齿面接触疲劳强度（1）初步计算及设计结果齿轮分度圆直径 d=66mm；齿宽 b=24mm；根据机械设计，P226 可知：初步计算的许用接触应力： lim0.9H根据机械设计，P223 查出： lim=58MPa可计算出许用接触应力： li0.9.02H（2）校核计算圆周速度： 614=2./6010dnv ms根据机械设计，P207 表 12.6 动力齿轮传动的最大圆周速度可知：选择 8 级精度，齿数和模数：z=33 ；m=2；根据机械设计， P215 表 12.9 使用系数 可查出： =1.25aK根据机械设计，P216 图 12.9 动载荷系数 可查出：.v根据机械设计，P217 表 12.10 齿间载荷分布系数 ：HK2472.6=143tTFNd1.2543=7.5/10/AtKFNmb2.8-3+cos=.8-3=.863 40.aZ221=1.4.8HK根据机械设计，P217 表 12.11 接触强度计算的齿向载荷分布系数 ：HK2 23 -34+10=.7+0.16+0.6124=1.63HbKABCbd 载荷系数： .25.42.57AVHK根据11机械设计 ，P221 表 12.12 弹性系数 可知：EZ弹性系数： 189.EZMPa根据机械设计，P222 图 12.16 节点区域系数 可知：HZ节点区域系数 ；2.5EZ根据机械设计，P225 表 12.14 接触最小安全系数 可知，使用要求为limHS较高可靠度，接触最小安全系数 ，根据机械设计，P224 图 12.18 接lim=1.25HS触寿命系数 可知，接触寿命系数 ，NZ.NZ许用接触应力： lim5801.2HzMPas 2 2+12.574.6189.250.84=83.5HE HKTuz MPabd 计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。否则，尺寸调整后还应在再进行验算。2、齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数： 0.750.75Y=.2=.2+=.618a根据机械设计，P217 表 12.10 齿间载荷分布系数 可知：FK11.540.6FKY根据机械设计，P219 图 12.14 弯曲强度计算的齿向载荷分布系数 ：FK24=5.3.bh齿向载荷分布系数 ，载荷系数：1.5FK.21.5.41.52.AV=根据机械设计，P229 图 12.21 外齿轮齿形系数 可知，根据机械设计，FaYP230 图 12.22 外齿轮应力修正系数 可知：外齿轮应力修正系数 ；SaY 1.65SaY根据机械设计，P231 图 12.23c 试验齿轮的弯曲疲劳极限 可知：齿轮limF的弯曲疲劳极限 ；根据机械设计，P225 表 12.14 最小安全系数lim=450FMpa可知：较高可靠度，最小安全系数 ；根据机械设计，P232 图limFS lim1.60FS12.24 弯曲寿命系数 可知：弯曲寿命系数 根据机械设计，P232 图NY.97NY12.25 弯曲强度计算的尺寸系数 可知：弯曲强度计算的尺寸系数 。X 1.0XY许用弯曲应力： lim450.9712.86FNXYTMPaS2.54.6.451.60. 02FaS FKYbd 传动无严重过载，故不作静强度校核。根据载荷的要求，且各项指标潜力都很大。3.6 电动机的初选下面进行进行主轴电机和进给电机的选型。传动机构的传动比： 12=ni传动的效率： 2211pTn式中：n 1、n 2 分别为电机轴和刀盘转速，T 1、T 2 分别为电机轴和刀盘的扭矩。切削扭矩： 3 310.5109780.5108MFD Nm 将 P2=9.04kw，n 2=100r/min，T 2=881Nm，代入上式，取 i=4，=0.9，得：111=.,4,=4/inPkwNmnr可选 8 极（50Hz 时同步转速 n=750rpm） ，冷却方式为 IC416(全封闭带单步轴流风机的外表轴向风机冷却)的 YSTP 系列变频调速三相异步电动机YTSP250M1(IC416)，其标称功率为 30kw，额定转矩为 M=382Nm，M 大于T1，满足要求。进给电机选型：取进给传动效率 =0.6，则：所选进给电机功率： 0=P/2.85/06=4.7jj kw选用额定转速 n=1500rpm 的电机，则：转矩 T=9550N0j/n=95504.75/1500=30.24Nm；进给电机需提供的转矩： ；=T/i30.24/=7.56j Nm根据上述计算结果，以及实际应用的需要，进给电机选用西门子 IFT6102-8AB71-IEG0 型电机，其额定转速为 n=1500rpm，额定转矩为 M=24.5Nm，M大于 Tj，满足设计要求。第四章 数控系统控制电路设计4.1 典型数控机床电气控制系统一台典型的数控机床其全部的电气控制系统如图 4-1 所示。数控系统NC接口 可 编 程 序逻 辑 控 制器 PLC数据输入装置 主 轴 驱 动 系 统 电 器 硬 件 电 路速 度 测 量位 置 测 量进 给 伺 服 系 统外 部 设 备 机床电器部分图 4-1 电气控制系统（1）数据输入装置将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。（2）数控系统数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。（3）可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自 CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给 CNC，使 CNC 能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。（4）主轴驱动系统接受来自 CNC 的驱动指令，经速度与转矩(功率) 调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过 PLC 将主轴的各种现实工作状态通告 CNC 用以完成对主轴的各项功能控制。（5）进给伺服系统接受来自 CNC 对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流( 转矩) 调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。它也通过 PLC 与 CNC 通信，通报现时工作状态并接受 CNC 的控制。（6）电器硬件电路随着 PLC 功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与控制电路、隔离继电器部分及各类执行电器。（7）机床(电器部分) 包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。（8）速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。（9）位置测量采用光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到 CNC 并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令位置，从而实现对位置的精确控制。（10）外部设备一般指 PC 计算机、打印机等输出设备。4.2 数控机床运动坐标的电气控制数控机床一个运动坐标的电气控制由电流(转矩)控制环、速度控制环和位置控制环串联组成 。其控制框图如图 4-2 所示。 +/-+/-+/-+/-+/- 电 流 反 馈位 置 反 馈功 率输 出 速 度调 节 器 位 置调 节 器前置反馈运 动指 令 速度反馈 电 流（ 转 矩 ）调 节 器GM图 4-2 数控机床运动坐标控制框图（1）电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。（2）速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分(PI)调节器，其 P、I 调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统(导轨、传动机构)的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环 PI 调节器。（3）位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。位置环将最终影响坐标