数控进给工作台设计说明书.doc

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1、中国矿业大学毕业设计目 录1 概述11.1何谓数控机床11.2机床数控技术的发展过程21.2.1数控机床的产生31.2.2 数控机床的发展动向31.2.3我国的发展情况41.3数控机床的种类61.3.1按工艺用途分类61.3.2按数控机床的运动轨迹分类81.3.3按伺服系统的控制方式分类101.3.4按数控装置分类131.4数控机床的工作原理141.4.1 数控系统的工作过程141.4.2 数控系统的插补原理151.5数控机床的发展历史171.5.1 美国的数控发展史181.5.2德国的数控发展史181.5.3日本的数控发展史191.5.4 我国的现状192 总体方案的确定222.1设计参数2

2、22.2初选步进电动机和丝杠222.3初定工作台尺寸232.4系统组成框图253.机械部分的设计263.1传动系统等效转动惯量计算263.1.1机转子转动惯量263.1.2丝杠的转动惯量263.1.3工作台转动惯量263.1.4总转动惯量计算273.2工作载荷分析及计算273.2.1 每齿进给量计算273.2.2 主切削力计算283.3进给工作台工作载荷计算283.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核293.4.1最大工作载荷的计算293.4.2最大动负载的计算及主要尺寸初选293.4.3传动效率计算303.4.4刚度验算303.4.5压杆稳定性验算313.5导轨的选型和计算323.6驱动电机的选用3

3、23.6.1步距角的选择403.6.2步进电机输出转矩的选择403.6.3启动矩频特性校核423.6.4工进运行矩频特性校核434.数控系统的设计454.1 控制系统硬件的基本组成454.2 步进电机控制电路464.2.1 步进电机开环驱动原理464.2.2脉冲分配464.3 驱动电路474.4 控制系统软件的组成及结构.484.4.1 步进电机控制模块484.4.2 直线插补程序设计494.4.3 键盘输入程序504.4.4LED 显示器显示程序515 电机过热保护525.1 电机进行过热保护原因525.2 PTC热敏电阻简介及工作原理525.2.1 PTC热敏电阻简介525.2.2 PTC

4、热敏电阻工作原理575.3继电器简介及工作原理585.3.1 继电器的分类、继电器的工作原理和特性595.3.2 继电器主要产品技术参数625.3.3 继电器测试635.3.4 继电器的电符号和触点形式635.4 保护电路设计645.4.1 过热保护电路原理电路645.4.2 过热保护电路主要元器件选择655.4.3 过热保护电路安装与调试676 结 论687 参考文献698 附录71附录一：71附录二：73附录三：75附录四：788 翻译部分80致 谢1071071 概述1.1何谓数控机床数控机床是指采用数字形式信息控制的机床。详言之，凡是用数字化的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以

5、及刀具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上，送入计算机或数控系统经过译码、运算及处理，控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件的一类机床即为数控机床。图1-1 数控设备的一般形式我们可用图1-1来描述数控设备的一般形式。图中，A为被加工物的图纸，图纸上的数据大致分为两类：几何数据和工艺数据。这些数据是指示给数控设备命令的原始依据（简 称“指令”）。B为控制介质（或程序介质、输入介质），通常用纸带、磁带、磁盘等作为记载指令的控制介质。C为数据处理和控制的电路，通常是一台控制计算机。原始数据经过它处理后，变成伺服机构能够接受的位置指令和速度指令。D为伺服机构（或伺服系统），我们可以把

6、“控制计算机（C）”比拟为人的“头脑”，则“伺服机构（D）”相当于人的“手”和“足”，我们要求伺服机构无条件地执行“大脑”的意志。E为数控设备。F为加工后的物件。这就是一般数控设备的工作过程。本书将述及数控机床的伺服系统和控制计算机的工作原理与应用。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，采用数控机床有以下几方面的好处： 提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；提高生产效率，一般约提高效率3-5倍，使用数控加工中心机床则可提高生产率

7、5-10倍 可加工形状复杂的零件； 减轻了劳动强度，改善了劳动条件； 有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。1.2机床数控技术的发展过程数控机床综合应用了自动控制、计算机、微电子、精密测量和机床结构等方面的最新成就。40多年来，随着科学技术的发展，机床数控技术亦经历了数代的变化，当前又出现了一些新的发展动向，以下就来谈这些问题。1.2.1数控机床的产生从1952年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了五代。1959年，由于在计算机行业中研制出晶体管元件，因而在数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。1965年，出现小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得

8、以进一步提高。数控系统发展到第三代。以上三代系统，都是采用专用控制计算机的硬接线数控系统，我们称之为硬线系统，统称为普通数控系统（NC）。随着计算技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，激烈地冲击着市场。数控系统的生产厂家认识到，采用小型计算机来取代专用控制计算机，经济上是合算的，许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的存储器中，构成所谓控制软件而加以实现，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统，称为第四代系统，即计算机数控系统（CNC）。但是，计算机技术的发展是日新月异的，就在1970年前后，美国英特尔（Intel）公司开发和使用了四位微处理器，微处理芯片渗透到各个行业，数控技术也不例外。

9、我们把以微处理机技术为特征的数控系统称为第五代系统（MNC）。1.2.2 数控机床的发展动向上面曾谈到，从数控系统的发展来看，数控机床已发展了五代。在实际应用中，除了机床行业之外，数控技术还应用在其他部门，产生了各种数控设备。最初，人们考虑的是在一台设备上如何提高自动化程度。例如，增加控制坐标轴的个数，如多轴数控系统（目前世界上的数控系统，最多控制的轴数是24轴）。又如，在一台设备上实现多工序自动控制，“加工中心”就是一台多工序数控机床，在一台机床上，可以实现车、铣、钻、镗、攻丝等多种功能。后来，人们发现电子计算机处理数据的速度比数控设备的加工速度快，利用一台计算机可控制多台数控设备，即我们习

10、惯称之为群控系统或直接数控系统（DNC）。当前，国内外在数控装置、机床结构等的研究与开发方面不断取得成果，其水平和功能也日臻提高和完善，出现了新的发展特点。从数控系统方面看，主要有：（1） 主控机向着多位的微处理机化发展。（2） 数控装置向着集成化和智能化的方向发展。（3） 数控系统采用模块化结构。（4） 数控编程更加图形化和自动化。（5） 数控系统更加可靠和宜人化。在数控机床的结构方面，一是其驱动装置正向着交流和数字化的方向发展；二是机床床体部分的设计和制造不断选用新的材料；三是其加工刀具等辅助工具的材料引人注目。1.2.3我国的发展情况我国从1958年开始研究数控机械加工技术，60年代针对

11、壁锥、非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床、数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过3年努力，到1975年已试制生产了40多个品种300多台数控机床。据国家统计局的资料，从1973-1979年，7年内全国累计生产数控机床4108台（其中约3/4以上为数控线切割机床）。从技术水平来说，我国大致已达到国外60年代后期的技术水平。为了扬长避短，以解决用户急需，并争取打入国际市场，1980年前后我国采取了暂时从国外（主要是从日本和美国）引进数控装置和伺服驱动系统

12、，为国产主机配套的方针，几年内大见成效。1981年，我国从日本发那科（FANUC）公司引进了5，7，3等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂，当年年底开始验收投产，1982年生产约40套系统，1983年生产约100套系统，1985年生产约400套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。这些系统是国外70年代的水平，功能较全，可靠性比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有较大的发展与提高。1982年，青海第一机床厂生产的XHK754卧式加工中心，长城机床厂生产的CK7815数控车床，北京机床研究所生产的JCS01

13、8立式加工中心，上海机床厂生产的H160数控端面外圆磨床等，都能可靠地进行工作，并陆续形成了批量生产。1984年仅机械工业部门就生产数控机床650台，全国当年总产量为1620台，已有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数控机床返销国外。1985年，我国数控机床的品种已有了新的发展，除了各类数控线切割机床以外，其他各种金属切削机床（如各种规格的立式、卧式加工中心，立式、卧式数控车床，数控铣床，数控磨床等），也都有了极大的发展。新品种总计45种。到1989年底，我国数控机床的可供品种已超过300种，其中数控车床占40%，加工中心占27%。目前，我国除具有设计与生产常规的数控机床（包括MNC

14、系统的车、铣，加工中心机床等）外，还生产出了柔性制造系统。1984年北京机床研究所研制成功了FMC1和FMC2柔性加工单元，之后又开始了柔性制造系统的开发工作，并与日本发那科公司合作，在北京机床研究所内建立了第一条柔性制造系统（JCSFMC1型），用于加工直流伺服电机的轴类、法兰盘类、刷架体类和壳体类的14种零件。近年来，依靠我国科技人员的努力，已先后研制成功并在北京、长春等地安装使用了FMS。这一切说明，我国的机床数控技术已经进入了一个新的发展时期。预计在不远的将来，我国将会赶上和超过世界先进国家的水平。1.3数控机床的种类目前，数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多个

15、品种规格。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面4种方法来分类的。1.3.1按工艺用途分类（1） 一般数控机床。这类机床和传统的通用机床种类一样，有数控的车、铣、 镗、钻、磨床等等， 而且每一种又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等。这类机床的工艺可能性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。 （2） 数控加工中心机床。这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的。它是在一般数控机床上加装一个刀库(可容纳10-100多把刀具)和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床(又称多工序数控机床或镗铣类加工中心，习惯上简称为加工中心Machinin

16、g Center)， 这使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展 。数控加工中心机床和一般数控机床的区别是:工件经一次装夹后,数控装置就能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工面自动地完成铣 ( 车 ) 、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。这类机床大多是以镗铣为主的，主要用来加工箱体零件。它和一般的数控机床相比具有如下优点： 减少机床台数, 便于管理，对于多工序的零件只要一台机床就能完成全部加工，并可以减少半成品的库存量； 由于工件只要一次装夹，因此减少了由于多次安装造成的定位误差，可以依靠机床精度来保证加工质量； 工序集中，减少了辅助时间，提高了生产率；由于零件在一台机床上一次装夹就能完

17、成多道工序加工，所以大大减少了专用工夹具的数量，进一步缩短了生产准备时间。由于数控加工中心机床的优点很多，深受用户欢迎，因此在数控机床生产中占有很重要的地位。另外还有一类加工中心，是在车床基础上发展起来的，以轴类零件为主要加工对象。除可进行车削、镗削外，还可以进行端面和周面上任意部位的钻削、铣削和攻丝加工。这类加工中心也设有刀库，可安装4-12把刀具，习惯上称此类机床为车削中心(TC：Turning Center) 。图1-2 五轴联动的数控加工（3）多坐标数控机床。有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋桨、飞机曲面零件的加工等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需形状

18、。于是出现了多坐标的数控机床，其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂，其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求。现在常用的是4，5，6坐标的数控机床。图13为五轴联动的数控加工示意图。这时，x,y,z 三个坐标与转台的回转、刀具的摆动可以同时联动，以加工机翼等类零件。 1.3.2按数控机床的运动轨迹分类按照能够控制的刀具与工件间相对运动的轨迹，可将数控机床分为点位控制数控机床、点位直线控制数控机床、轮廓控制数控机床等。现分述如下：（1）点位控制数控机床。这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置精确地移动到另一个位置( 点 ) ，即仅控制行程终点的坐标值，在移动过程中不进行任何

19、切削加工，至于两相关点之间的移动速度及路线则取决于生产率。为了在精确定位的基础上有尽可能高的生产率，所以两相关点之间的移动先是以快速移动到接近新的位置，然后降速 1-3 级，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。这类机床主要数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床和数控测量机等，其相应的数控装置称之为点位控制装置。（2） 点位直线控制数控机床。 这类机床工作时，不仅要控制两相关点之间的位置 (即距离)，还要控制两相关点之间的移动速度和路线(即轨迹)。其路线一般都由和各轴线平行的直线段组成。它和点位控制数控机床的区别在于：当机床的移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向(一般地也可以沿45斜线进行切削，但

20、不能沿任意斜率的直线切削)进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制的数控机床多，例如，要增加主轴转速控制、循环进给加工、刀具选择等功能。这类机床主要有简易数控车床、数控镗铣床和数控加工中心等。相应的数控装置称之为点位直线控制装置。 （3） 轮廓控制数控机床。这类机床的控制装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个加工过程中每点的速度和位置，使机床加工出符合图纸要求的复杂形状的零件。它的辅助功能亦比较齐全。这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控磨床和电加工机床等。其相应的数控装置称之为轮廓控制装置(或连续控制装置) 。 1.3.3按伺服系统的控制方式

21、分类数控机床按照对被控制量有无检测反馈装置可以分为开环和闭环两种。在闭环系统中，根据测量装置安放的位置又可以将其分为全闭环和半闭环两种。在开环系统的基础上，还发展了一种开环补偿型数控系统。(1) 开环控制数控机床。在开环控制中，机床没有检测反馈装置（见图1-3）。图1-3 开环控制系统框图 数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程,它对 机床移动部件的实际位置不作检验，所以机床加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。 工作过程是: 输入的数据经过数控装置运算分配出指令脉冲,通过伺服机构(伺服元件常为步进电机)使被控工作台移动。 这种机床工作比较稳

22、定、反应迅速、调试方便、维修简单，但其控制精度受到限制。 它适用于一般要求的中、小型数控机床。(2) 闭环控制数控机床。由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求，所以必须检测它的实际工作位置，为此，在开环控制数控机床上增加检测反馈装置，在加工中时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到很高的加工精度。 闭环控制系统框图如图1-4所示。 图中A为速度测量元件， C为位置测量元件。当指令值发送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与指令值

23、进行比较，用比较的差值进 行控制，直至差值消除时为止，最终实现工作台的精确定位。这类机床的优点是精度高、速度快，但是调试和维修比较复杂。其关键是系统的稳定性，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视 。 图1-4 闭环控制系统框图（3）可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产，模块化的软、硬件，提高了系统的质量和可靠性。所以，现代数控机床都采用 CNC 装置。 半闭环控制数控机床。半闭环控制系统的组成如图1-5所示。图1-5 半闭环控制系统框图这种控制方式对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电机 A 和光电编码盘 B( 或旋转变压器 ) 等间接检测

24、出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位移量，图 1-5 半闭环控制系统框图用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制 。 从图 1-5 可以看出，由于工作台没有完全包括在控制回路内，因而称之为半闭环控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便。 （4）开环补偿型数控机床。将上述三种控制方式的特点有选择地集中起来，可以组成混合控制的方案 。这在大型数控机床中是人们多年研究的题目，现在已成为现实。 因为，大型数控机床，需要高得多的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度。如果只采用全闭环的控制，机床传动链和工作台全部置于控制环节中，因素十分复杂，尽管安装调试多经周折，仍然困难

25、重重。为了避开这些矛盾，可以采用混合控制方式。在具体方案中它又可分为两种形式：一是开环补偿型；一是半闭环补偿型。这里仅将开环补偿型控制数控机床加以介绍。图1-6为开环补偿型控制方式的组成框图。它的特点是：基本控制选用步进电机的开环控制伺服机构，附加一个校正伺服电路。通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信号来校正机械系统的误差。图1-6 开环补偿型控制框图1.3.4按数控装置分类数控机床若按其实现数控逻辑功能控制的数控装置来分，有硬线（件）数控和软线（件）数控两种。（1） 硬线数控（称普通数控，即NC）。 这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能均由集成电路或分立元件等器件实现。一般来说，数

26、控机床不同，其控制电路也不同，因此系统的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在 70 年代以前应用得比较广泛。（2） 软线数控（又称计算机数控或微机数控，即CNC或MNC）。 这类系统利用中、大规模及超大规模集成电路组成 CNC 装置，或用微机与专用集成芯片组成，其主要的数控功能几乎全由软件来实现， 对于不同的数控机床，只须编制不同的软件就可以实现， 而硬件几乎 可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产，模块化的软、硬件，提高了系统的质量和可靠性。所以，现代数控机床都采用 CNC 装置。1.4数控机床的工作原理图1-7 数控机床的工作原理图1-8 一段曲线的插

27、补原理1.4.1 数控系统的工作过程 1）输入：零件加工程序一般通过DNC从上一级计算机输入而来。2）译码：译码程序将零件加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。3）数据处理：包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理。4）插补：是在已知一条曲线的种类、起点、终点以及进给速度后，在起点和终点之间进行数据点的密化。5）伺服输出：伺服控制程序的功能是完成本次插补周期的位置伺服计算，并将结果发送到伺服驱动接口中去。1.4.2 数控系统的插补原理1.什么是插补？为什么要进行插补？插补：在实际加工中，用一小段直线或圆弧去逼近(拟合)零件轮廓曲线，即直线或圆弧插补。插补的任务:就是根据进给速度的要求，在轮

28、廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。2.现代CNC系统插补的实现方法(1)由硬件和软件的结合实现；(2)全部采用软件实现。3.插补算法分类：目前应用的插补算法分两大类：脉冲增量插补、数据采样插补(1)脉冲增量插补：每次插补的结果仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。如逐点比较法和数字微分分析器 (Digital Differential Analyzer 简称：DDA) 方法图1-9 开环数控系统(2)数据采样插补 (或称：时间分割法)适合于闭环和半闭环控制系统。1)插补原理：它是把加工一段直线或圆弧的整段时间t细分为许多相等的时间间隔，即单位时间间隔(插补周期T)。每

29、经过T进行一次插补计算，直到加工终点(如图1-9所示)。2)特点：插补运算分两步完成：第一步：粗插补，第二步：精插补。 粗插补：在给定的起点和终点的曲线之间插入若干个点用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每小段直线长度L(即步长)相等，并与进给速度V有关，加工一小段直线的时间为一个插补周期T，则L=VT。每经过一个插补周期就进行一次插补计算，算出在该插补周期内各坐标的进给量，边计算，边加工。精插补：在粗插补时算出的每条微小直线段上，再做“数据点的密化”工作。 4.逐点比较法举例 (1)逐点比较法 就是每走一步都要将加工点的瞬时坐标同规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向；如果加工

30、点走到图形外面去了，就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，就要向图形外面走(如图1-10所示)。图1-10 逐点比较法图1-11 逐点比较法直线插补(2)逐点比较法直线插补插补原理：以第1象限直线为例，每进给一步需要进行四步：偏差判别、坐标进给、新偏差运算、终点比较(如图1-11所示)。1.5数控机床的发展历史数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨

31、床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。1.5.1 美国的数控发展史美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充

32、分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。1.5.2德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相

33、结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。1.5.3日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青

34、出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了

35、重大促进作用。1.5.4 我国的现状我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。

36、由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。 高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加

37、工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2.智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3.机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、

38、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。4.精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从

39、而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5.功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。2 总体方案的确定2.1设计参数系统分辨率为0.01mm，其它设计参数如下表。表2-1 设计参数表最大铣刀直径最大铣削宽度ae最大铣削深度ap加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度16mm5mm2mm碳钢X=200,y=1503m/min图2-1 工作台草图2.2初选步进电动机和丝杠当传动比i=1时，可用联

40、轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由 i=，b为步进电机步距角Lo为滚珠丝杠导程、为系统脉冲当量。选电动机型号为55BF009，其步矩角=选丝杠规格为2004-3(FYND)其导程为4mm,由传动比公式得 故可用联轴器将电机与丝杠直接连接图2-2 连接示意图预选由广州菱科自动化设备有限公司生产的LK13系列刚性联轴器（）。2.3初定工作台尺寸查机电一体化设计手册，根据(GB/T 158-1996)选工作台T型槽尺寸如下：深度H=15mm槽低宽度B12mm槽宽A6mmC6mm槽数5，间隔40mm；图2-3 T型槽示意图由工作台加工范围200*150选工作台尺寸 240

41、20200 20图2-4 工作台示意图初定滚珠丝杠长度L340mm B B 5060 Lx+B+10203545图2-5 滚珠丝杠示意图2.4系统组成框图图2-6 系统组成框图3.机械部分的设计3.1传动系统等效转动惯量计算3.1.1机转子转动惯量机转子转动惯量查机械制造技术基础课程设计指导教程得3.1.2丝杠的转动惯量丝杠的转动惯量由机械制造技术基础课程设计指导教程有 得3.1.3工作台转动惯量由于工作台材料为碳钢，故其质量为由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计3.1.4总转动惯量计算3.2工作载荷分析及计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴

42、线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.查金属切削手册P398常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀， 其尺寸参数如下：D=16mm,齿数Z=4。3.2.1 每齿进给量计算查金属切削手册P417细齿锥柄立铣刀切削用量表得铣削速度查铣工表24，初选0.03mm因此可得 查机械制造基础课程设计指导书表4-15立式铣床主轴转速表，选铣床型号X51，查其转速表并将转速圆整为实际切削速度为 故实际 3.2.2 主切削力计算根据指导书表2-2得高速钢铣刀铣削公式为 查指导书表2-3得铣削力系数有3.3进给工作台工作载荷计算查指

43、导书表2-4，有如下表格参数表3-1 载荷比值表比值不对称铣削逆铣顺铣120903080404故有纵向进给方向工作台垂直进给方向工作台横向进给方向3.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核3.4.1最大工作载荷的计算滚珠丝杠上的工作载荷为走刀抗力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩力。由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，在此设计中还要求导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算， 将所得数据代入公式有：3.4.2最大动负载C的计算及主要尺寸初选滚珠丝杠最大运载荷由机械制造技术基础课程设计指导教程中可知 3.4.

44、3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为 查得（或可由算出）3.4.4刚度验算丝杠的拉压变形量的计算满载时拉压变形量：滚珠与螺纹滚道间的接触变形量由指导书得式中为滚珠直径，为滚珠总数量滚珠丝杠副刚度的验算丝杠总变形量变形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005=0.003690.005因此符合设计要求。资料来源3.4.5压杆稳定性验算由机械制造技术基础课程设计指导教程失稳时的临界载荷为丝杠截面惯量矩查机械制造技术基础课程设计指导教程得稳定性安全系数故丝杠符合要求3.5导轨的选型和计算由于选择的导轨为直线滚动导轨由机械制造技术基础课程设计指导教程L50（）每个滑块的的工作载荷取硬度系数

45、0.53、=1、0.81、2预设导轨寿命L=50KM 则根据此寿命可算出 3267kN故选导轨型号GDA20SV符合要求，查机械制造技术基础课程设计指导教程可知其=12.4KN资料来源3.6驱动电机的选用表3-2 步进电机的分类分 类 方 式具 体 类 型按力矩产生的原理（1） 反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行、（2） 激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行按输出力矩大小（1） 伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（Nm）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载（2） 功率式：输出力矩在5-50 Nm以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相绕组分布（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列步进电机的主要特性(1) 步距角。步进电机的步距角 是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子