593638903数控机床设计说明书.doc

数控机床设计说明书学 院：专 业： 班 级：机自 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2011年 1 月 5 日摘 要当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键字：机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势 前 言一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。（一）、数控技术的发展趋势。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 ,他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。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1)、 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ min左右。目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10m提高到 5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到 11.5m并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 、5 轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。(3) 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。（二）、对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。（三）、对我国数控技术和产业化发展的战略思考(1) 、战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。(2)、发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。.数控机床基本概述随着社会生产和科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化，机械产品日趋精密复杂，且改型频繁，尤其是在宇航、军事、造船等领域所需的零件，精度要求高，形状复杂，批量又小。传统的普通加工设备已难以适应市场对产品多样化的要求。为了满足上述要求，以数字控制技术为核心的新型数字程序控制机床应运而生。1948年，美国帕森斯公司（Parsons Co）受美国空军委托与麻省理工学院伺服机构研究所（Servo Mechanismus Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作进行数控机床的研制工作。1952年，第一台三坐标立式铣床试制成功，但第一台工业用数控机床直到1954年11月才生产出来。我国数控机床的研制是从1958年起步的，由清华大学研制出了最早的样机。早期的数控机床控制系统采用电子管，其体积大，功耗高，只在军事部门应用，只有在微处理机用于数控机床后，才真正使数控机床得到了普及。何谓数控机床数控（NC）是数字控制（Numerical Control）的简称，是20世纪中叶发展起来的一种用数字化信息进行自动控制的一种方法。装备了数控技术的机床，称为数控机床，也简称为NC机床。70年代初，随着计算机技术的发展，使小型计算机的价格急剧下降，采用小型计算机代替专用控制计算机的第四代数控系统，不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序来实现，将它存储在小型计算机的存储器中，构成所谓控制软件，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统又称为软接线（软线）数控，即计算机数控系统，简称CNC（Computerized NC）。1976年制成以微处理机为核心的数控系统，称为第五代微型机数控系统。简称MNC（Microcomputerized NC）。国际信息联盟第五技术委员会对数控机床做了如下定义：数控机床是一个装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑地处理，具有使用号码或其他符号编码指令规定程序。定义中的控制系统就是数控系统。数控机床的工作原理数控机床工作原理，首先根据被加工零件的图样，将工件的形状、尺寸及技术要求等，采用手工或计算机按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码及程序格式编成加工程序单，并将这些程序代码存储在穿孔纸带、磁带、磁盘、由计算机用通信方式等信息载体上（或直接用键盘输入），然后经输入装置， 读出信息并送入数字控制装置。数控装置就依照指令带上的数码指令进行一系列地处理和运算，变成脉冲信号，并将其输入驱动装置，带动机床传动机构，机床工作部件有次序地按要求的程序自动进行工作（如工件夹紧与放松、冷却液的开闭、刀具的自动更换、各轴的进给等），加工出图样要求的零件。数控机床的组成组成一台完整的数控机床，主要由控制介质（穿孔带、磁带）、数控装置、伺服系统和机床四部分及辅助装置组成.1控制介质数控机床工作时，不需要人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图。这就需要在人与机床之间建立某种联系的中间媒介物称为控制介质。在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息。因此，控制介质就是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机和磁盘驱动器等。除了上述几种控制介质以外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接将程序及数据输入。另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM软件在其它计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。2数控装置数控装置是数控机床的控制中心，人们喻为“中枢系统”。数控装置包括输入装置，控制运算器(CPU)和输出装置等构成，如图1-3所示。图中虚线内包含部分为数控装置。数控装置的功能是接受控制介质上的各种信息，经过识别与译码后，送到运算控制器进行计算处理再经过输出装置将运算控制器发出的控制命令送到伺服系统，带动机床完成相应的运动。目前均采用微型计算机作为数控装置。微型计算机的中央处理单元（CPU）又称为微处理器，是一种大规模集成电路，它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微型计算机中，输入与输出电路也采用大规模集成电路，即所谓的I/O接口。微型计算机拥有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。3伺服系统伺服系统是数控系统的执行机构，包括驱动、执行和反馈装置。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求与位置、速度反馈信号相比较后带动机床的移动部件或执行部件动作，加工出符合图纸要求的零件。指令信息以脉冲信号表示，反映到机床移动部件上的移动量称为脉冲当量，常用脉冲当量为0.0010.01mm，脉冲当量在设计数控机床时即已规定。伺服系统直接影响数控机床的速度、位置、加工精度、表面粗糙度等。当前数控机床的伺服系统，常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。后两者都带有光电编码器等位置测量元件，可用来精确控制工作台的实际位移量和移动速度。4机床本体机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。它与普通机床相比较有所改进，具有以下特点：（1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统，机械传动结构简化，传动链较短。（2）机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。（3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。与普通机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这些变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。因此，必须建立数控机床设计的新概念。5辅助装置辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、工件夹紧机构、润滑装置、冷却装置、照明装置、排屑装置、液压汽动系统、过载保护与限位保护装置等。数控机床的分类数控机床的种类很多，一般可以按以下几种方式来划分，见表1-1。表1-1数控机床的分类方式分类方式包括内容按运动轨迹分类点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廊切削(连续轨迹)控制数控机床按联动轴数分类2轴联动数控机床、2.5轴联数控机床、3轴联动数控机床、多轴联动数控机床按工艺类型分类金属切削类数控机床、金属成型类数控机床、特种加工、其它类型数控机床按伺服类型分类开环、闭环、和半闭环控制数控机床、混合环伺服系统数控机床按数控装置功能水平分类低档、中档、高档数控机床一、 按运动轨迹分类1 点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是控制刀具或机床工作台等移动部件的终点位置，即控制移动部件由一个点准确地移动到另一个点，而点与点之间的运动轨迹没有严格要求。在移动和定位过程中刀具不进行任何切削加工。因此，为了尽可能减少移动部件的运动时间和提高定位精度，通常先以快速移动到接近终点坐标，然后进行13次减速，准确移动到定位点，以保证定位精度，如图1-4所示。使用这类控制系统的数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机和数控测量机等。2 直线控制数控机床直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动既要控制起点与终点之间的准确位置外，又要控制刀具在这两点之间运动的速度和轨迹。刀具相对工件移动轨迹是平行于机床某一坐标轴的直线方向，刀具在移动过程中进行切削，如图1-5所示。使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床和数控磨床等。3 轮廊切削(连续轨迹)控制数控机床大多数数控机床都具有轮廊切削控制功能，其特点是这类数控机床能控制两个或两个以上的轴，坐标方向同时严格地连续控制，不仅要控制每个坐标的行程移置，还要控制每个坐标的运动速度，这样可以加工出任意的斜线、曲线或曲面组成的复杂零件，如图1-6所示。使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床和数控加工中心等。 二、 按联动轴分类数控机床的计算机数控系统能够控制的坐标数目，反映了计算机数控系统的运算处理能力，它与计算机的内存容量、运算速度密切相关。目前世界上数控系统最高能控制几十轴。联动是指各个坐标轴同时达到空间某一点。在1999年10月举行的中国国际机床展览会上已看到国产可控轴数为30，24或16，联动轴数达9轴的数控系统，如华中数控公司展出的5轴联动加工中心（用于叶轮的加工）；北京机电院和北京航空航天大学联合开发的JT2010型数控系统，可以用一个系统，控制总轴数多达50的多台机床组成的成套机群。现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上联动的功能，不仅有刀具半径补偿、刀具长度补偿、还有机床轴向运动误差补偿、丝杠、齿轮的间隙误差补偿等一系列功能。按联动轴可分为以下几种1二轴联动数控机床如数控车床，加工曲面回转体；某些数控铣床，二轴联动铣斜面。如图1-7 a所示2三轴联动数控机床如数控铣床和数控加工中心，三轴联动加工曲面零件。如图1-7 b所示。3二轴半联动数控机床是指有三个坐标控制轴(X、Y、Z)，其中任意两个轴联动，第三轴作周期性等距运动。如某些数控铣钻床。如图1-7 c所示。4 多轴联动数控机床是指能四轴或四轴以上联动的数控机床。如多轴联动数控铣床和多轴联动数控加工中心等。三、按工艺类型分类1 金属切削类数控机床金属切削类数控机床发展最早，种类繁多，功能差异大。与传统的通用机床一样，这类数控机床主要包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床、数控齿轮加工机床及数控加工中心等。数控加工中心也称为具有刀库或自动换刀装置的数控机床。其特点是：在一次装夹后，可以进行多种工序加工的数控机床。数控加工中心目前主要有两大类：一类是以数控铣床、数控镗床为基础发展起来的，叫做铣削中心，另一类是在数控车床基础上发展起来的，叫做车削中心，如图1-8所示。数控加工中心又称为多工序数控机床。在加工中心上，可使零件一次装夹后，进行多种工艺、多道工序的集中连续加工，这就大大减少了机床台数。由于减少了装卸工件、更换和调整刀具的辅助时间，从而提高了机床效率，同时由于减少了多次安装造成的定位误差，从而提高了各加工面间的位置精度；因此，近年来加工中心得以迅速发展。图1-8 金属切削类数控机床a）车削中心 b）铣削中心2 金属成型类数控机床金属成型类数控机床主要包括数控弯管机、数控组合冲床、数控转头压力机等。这类机床起步晚，但发展较快。3 数控特种加工机床数控特种加工机床主要包括数控线(电极)切割机床，如图1-9所示的数控火焰切割机床，如图1-10所示的数控火焰切割机、数控激光切割机。图1-9 数控火焰切割机床图1-10 数控电火花加工机床4 其它类型的数控机床其它类型的数控机床主要有数控三坐标测量机等。 四、按伺服类型分类1 开环伺服系统数控机床开环伺服系统数控机床构造简单，它没有位置测量装置和反馈装置，不能对移动工作台实际移动距离进行位置测量并反馈回来与原指令值进行比较较正，如图1-12所示。这类系统的数控机床一般采用步进电动机或电液脉冲马达，按指令脉冲驱动各轴进给。其移动部件的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲数决定，位移精度主要决定于该系统各有关零件的制造精度，如步进电动机的转动精度、减速装置和滚珠丝杠的精度等。图1-12 开环伺服系统 2闭环伺服系统数控机床闭环伺服系统数控机床有位置测量装置和反馈装置，如图1-13所示。加工中将实际测量的结果反馈到数控装置中，与输入的指令进行比较及较正直至差值为零，即实现移动部件的最终精确定位。其特点是加工精度高，但结构复杂，设计和调试较困难，主要用于一些精度较高的数控镗铣床，超精度数控车床和数控加工中心等。图1-13 闭环伺服系统数控机床3 半闭环伺服系统数控机床半闭环伺服系统数控机床不直接测量机床工作台的位移量，而通过检测丝杠转角间接地测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置进行位移校正，如图1-14所示。其精度低于闭环系统，但测量装置结构简单，安装调试方便，常用于中档数控机床，如数控车床、数控铣床、数控磨床等。图1-14 半闭环伺服系统数控机床4 混合环伺服系统数控机床将以上三类控制系统的特点有选择地集中起来，组成混合环控制系统，特别适用于大型数控机床，因为大型数控机床需要较高的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制环中，因素十分复杂，难于调试得稳定。混合环伺服系统数控机床如图1-15所示，这实际是半闭环和闭环系统的混合形式，内环是速度环，控制进给速度，外环是位置环，主要对数控机床进给运动的坐标位置进行控制。现在采用这类方式控制的数控机床越来越多。五按数控装置功能水平分类按数控装置功能水平通常把数控机床分为低、中、高档三类。这种分类方式在我国用得很多。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准会有所不同。就目前的发展水平看，可以见表1-2的一些功能及指标，将各种类型的数控产品分为低、中、高档三类。其中高、中档一般称为全功能数控或标准数控。在八十年代及九十年代初我国还有经济型数控的提法。当时所谓经济型数控是指由单板机、单片机和步进电机组成的数控系统和其功能简单、价格低的数控系统。随着数控技术的发展，经济型数控也在不断进步，新一代的经济型数控介于低档与中档数控之间。为此，经济型数控已被称作普及型或简易型数控。其目的是根据实际机床的使用要求，合理简化系统，降低产品价格。表1-2不同档次数控功能及指标表功 能低 档中 档高 档系统分辨率10m1m0.1m进给速度815m/min1524m/min24100m/min伺服进给类型开环及步进电动机系统半闭环及直、交流伺服闭环及直、交流伺服联动轴数23轴24轴5轴或5轴以上通信功能无RS-232C或DNCRS-232C、DNC、MAP显示功能数码管显示CRT：图形、人机对话CRT：三维图形、自诊断内装PLC无有强功能内装PLC主CPU8位CPU16位、32位CPU32位、64位CPU数控机床的特点及应用范围一、数控机床的特点数控机床不同于普通机床，也不同于专用机床和一般程序控制的自动和半自动机床。在数控机床上加工零件的整个过程全由数字指令控制。机床按数字指令信息进行加工段长度、进给方向、进给量、切削速度、主轴的开停、冷却液的通断、刀具更换等方面的控制。1数控机床与普通机床的区别（1）手动与自动。数控机床一般具有手动加工（用电手轮）、机动加工和控制程序自动加工功能，加工过程中一般不需要人工干预。普通机床只有手动加工和机动加工功能，加工过程全部由人工控制。（2）数控机床一般具有CRT屏幕显示功能。显示加工程序、多种工艺参数、加工时间、刀具运动轨迹以及工件图形等。数控机床一般还具有自动报警显示功能，根据报警信号或报警提示，可以迅速查找机器故障。而普通机床不具备上述功能。（3）数控机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机。一般没有主轴变速箱，传动链短。而普通机床主传动和进给传动一般采用三相交流异步电动机，由变速箱实现多级变速以满足工艺要求，机床传动链长。（4）数控机床一般具有工件测量系统。加工过程中一般不需要进行工件尺寸的人工测量。而普通机床在加工过程中必须由人工不断地进行测量，以保证工件的加工精度。数控机床与普通机床最显著的区别是当对象（工件）改变时，数控机床只需改变加工程序（应用软件），不需要对机床作较大的调整，即能加工出各种不同的工件。2数控机床有以下特点（1）加工精度高。数控机床是高度综合的机电一体化产品。它由精密机械和自动化控制系统组成。所以数控机床的传动系统与机床结构都有较高的精度、刚度、热稳定性及动态敏感度。此外，目前数控机床的刀具或工作台最小移动量（脉冲当量）普遍达到了0.001mm，而且在设计传动结构时采用了减少误差的措施（如位置和速度反馈部件等），并由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到很高的加工精度。当前中、小型数控机床，定位精度普遍可达0.03mm，重复定位精度可达0.01mm。数控机床加工零件的质量有保证。数控机床的自动加工方式避免了人为操作误差的影响，同批零件的尺寸一致性强，产品合格率高，加工质量稳定。（2）生产效率高。加工零件所需时间包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床能有效地减少这两部分时间。因为数控机床具有良好刚性、机床功率大、主轴转速和进给速度范围大等优点，所以在加工时可采用强力切削和选用最合适的切削用量。数控机床能自动连续完成整个切削过程，这样就提高了数控机床的切削效率，减少了机动时间。数控机床的移动部件在空行程时采用快速移动（一般在15m/min以上）。在数控机床上加工零件时，对工夹具的要求低且装夹时间短，对刀、换刀快，数控机床有较高的重复定位精度，更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，这样大大地缩短了生产准备周期，减少测量和检测时间。在数控加工中心上加工时，一台机床能实现多道工序的连续加工，生产效率的提高更加明显。所以数控机床比普通机床的生产效率高得多，一般能提高23倍，甚至几十倍。（3）减轻劳动强度、改善劳动条件和劳动环境。在数控机床上进行加工时，操作者要做的是，按图纸要求制定加工工艺及编制加工程序、装卸零件、装夹刀具及对刀、键盘操作、观察监视机床运行过程、抽测零件质量。除此之外，不需要进行繁重的重复性手工操作。因此，能大大减轻操作者的劳动强度与紧张程度。数控机床一般都有安全罩，实现封闭式生产，这样即能减少安全事故的发生，又能改善劳动条件和劳动环境。（4）良好的经济效益。在数控机床上改变加工零件时，只要重新修订加工程序，不需制造更换工具、夹具和模具，更不需要更新机床，而且可以实现一机多用。这样可以缩短生产准备周期、降低生产设备投资费用、节省厂房面积、节约建厂投资。数控机床加工精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。因此，数控机床加工具有良好的经济效益。（5）有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信号与标准代码作为输入信号，适用于与计算机网络连接，通过计算机远程控制，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础，实现生产管理的现代化。但是，利用数控机床生产加工，初期设备投资大，维修费用高，对管理及操作人员的专业技术素质要求较高。因此，应合理地选择及使用数控机床，提高企业的经济效益和竞争力。二、数控机床的应用范围数控机床是一种高度自动化的机床，其独特的优点是一般机床不具备的，所以数控机床的应用范围较广。但数控机床的技术含量要求高、生产成本高、使用维修都有一定难度，若从性价比考虑，数控机床一般要考虑加工情况。1零件批量在多品种、小批量零件的生产中优先考虑使用数控机床。2轮廓要求高结构较复杂、精度要求较高或必须用数字方法决定的复杂曲线、曲面轮廓的零件加工多以数控机床为主。3试制阶段在产品需要频繁改型或试制阶段，数控机床可以随时适应产品的变化。4关键零件价格昂贵，不允许报废的关键零件可以由数控来保证。5周期短对于需要最小生产周期的急需零件，数控机床可以缩短加工时间。6多工序零件需进行多工序联合加工的零件，如需要进行钻、扩、铰、攻丝及铣削等的箱体、壳体零件，多以数控加工中心来完成。数控机床设计部分技术要求工作台、工件和夹具的总重量M970kg（所受的重力W=9500N），其中，工作台的质量=540kg（所受的重力=5300N）；工作台的最大行程=600mm；工作台快速移动速度=15000；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数=0.15,静摩擦系数=0.2；工作台的定位精度为20，重复定位精度为12；机床的工作寿命为20000h（即工作时间为10年）机床采用株洲伺服电机，额定功率=11，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=125mm，主轴转速n=8000，切削状况如表2-1所示表2-1数控铣床的切削状况切削方式进给速度/()时间比例/(%)备注强力切削0.610主电动机满功率条件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1510空载条件下工作台快速进给总体方案设计为了满足以上技术要求，采取以下技术方案。（1） 工作台工作面尺寸（宽度*长度）确定为400*1100。（2） 工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯（PT-FE）导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑。（3） 对滚珠丝杆螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杆进行预拉伸。（4） 采用伺服电机驱动。（5） 采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杆直连。设计计算部分主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削力。根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=125mm）时，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。此时，铣刀的切削速度为若主传动链的机械效率=0.8，按式可计算主切削力；（2）计算各切削分力。根据表2-2可得工作台纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为 表2-2 工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值切削条件比值对称端铣不对称端铣逆铣顺铣端铣（圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣()-导轨摩擦力的计算（1）按式( 数控技术课程设计2-8a )计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时，动摩擦系数，-主切削力的垂向切削分力（N）-横向切削分力（N）；W-坐标轴上移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的重量，N）；-摩擦系数，随导轨形式不同而不同，对于帖塑导轨，=0.15；对于滚动直线导轨，=0.01；-镶条紧固力（N）,其推荐值可查表2-3得镶条紧固力=2000N，则=（W+）=0.15×(8820+2000+1514.7+925.65)N=1986.1N表2-3 镶条紧固力推荐值导轨形式主电动机功率/kw2.23.75.57.5111518贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨254075100125150175（2）按式( 数控技术课程设计2-9a )，计算在不切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力 N=0.2×(9500+2500)N=2400N计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力（1）按式( 数控技术课程设计2-10a )计算最大轴向负载力 （W+）, -主切削力的纵向切削力（W+）=58.78+0.15（9500+2500+159.53+92.36）N=1896.56N（2）按式( 数控技术课程设计2-11a )计算最小轴向负载 =1800N滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算1）确定滚珠丝杆的导程根据已知条件，取电动机的最高转速，则由式得：=10mm2)计算滚珠丝杆螺母副得平均转速和平均载荷（1）估算在各种切削方式下滚珠丝杆的轴向载荷。将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷。一般切削(粗加工)和精细切削（精加工）时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷、分别可按下列公式计算：=+20，=+5，并将计算结果填入表2-4。表2-4 数控铣床滚珠丝杆的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/()时间比例/()备注强力切削1896.56=0.610一般切削（粗加工）2179.31=0.830=+20精细加工（精加工）1894.83=150=+5快移和定镗定位180010,(2)计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速，（3） 按式( 数控技术课程设计2-17 )计算滚珠丝杆螺母副的平均转速。（4）按式( 数控技术课程设计2-18 )计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷。3)确定滚珠丝杆预期的额定动载荷（1）按预定工作时间估算。查表2-5得载荷性质系数。已知初步选择的滚珠丝杆的精度等级为2级，查表2-6得精度系数。查表2-7得可靠性系数，则由式( 数控技术课程设计2-19 )得= =35974.6N表2-5 载荷性质系数载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动11.21.21.51.52表2-6精度系数精度等级1、2、34、571010.90.80.7 表2-7可靠性系数可靠性/()90959697989910.620.530.440.330.21(2)因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式N估算最大轴向载荷。查表2-8得欲加动载荷系数，则=4.5×1896.56N=8534.52N表2-8 欲加动载荷系数欲加载荷类型轻预载中预载重预载6.74.53.4（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷。取以上两种结果的最大值，即=35974.6N。4）按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经（1） 根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杆的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为20，重复定位精度为12，根据公式( 数控技术课程设计2-23 )、( 数控技术课程设计2-24 )以及定位精度和重复定位精度的要求，得 取上述计算结果的较小值，即。（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经。本机床工作台（X）轴滚珠丝杆螺母副的安装方式拟采用两端固定式。滚珠丝杆螺母副的两个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度（1.21.4）行程+（2530）取L=1.4×行程+30=（1.4×600+30×10）mm=1140mm,又=2164N，由式( 数控技术课程设计2-26 )得5）初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号根据计算所得的、，初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆螺母副FFZD4010-5（见数控技术课程设计附录A表A-3）,其公称直径、基本导程、额定动载荷和丝杆底径如下：，故满足式( 数控技术课程设计2-27 )的要求。6） 由式( 数控技术课程设计2-29 )确定滚珠丝杆螺母副的预紧力7） 计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力（1） 按式( 数控技术课程设计2-31 )计算目标行程补偿值-目标行程补偿值；-温度变化值（），一般情况下为23；-丝杆的线膨胀系数（1/）,一般情况下为11×/;-滚珠丝杆副的有效行程(mm)。已知温度变化值=2，丝杆的线膨胀系数= /，滚珠丝杆副的有效行程=工作台行程+安全行程+2×余程+螺母