002小型机械产品制作1简易数控车床制作要点.doc

简易数控车床的制作教案
专业
（工种）
数控技术（车工）
教师
张明
课　题
（项目）
小型机械产品制作
分课题
简易数控车床的制作
授课班级
技师培训
授　课
时　间
2008.9.8—9.9
课
时
10
训练目标
知识目标
（1）了解简易数控车床的种类与用途。
（2）了解简易数控车床材料的要求和性能。
（3）了解简易数控车床的结构。
（4）掌握简易数控车床的制作过程。
技能目标
（1）初步掌握常用刀具的刃磨方法。
（2）能正确找正和安装工件。
（3）能对零件尺寸进行测量和对质量进行简单分析。
教学重点
（1）简易数控车床的种类与用途；
（2）简易数控车床材料的要求和性能；
（3）简易数控车床的结构；
（4）简易数控车床的制作过程；
教学难点
（1）简易数控车床的种类与用途；
（2）简易数控车床的刃磨方法。
教学对象
分析
该教学对象已对生产实习有了一定的感性认识，具备了一定的机械加工基础。
教学环境
三个车工实习车间共计24台车床，完全满足实习生产要求。
教学方法
讲解、分析、设问、演示示范、练习
教学回顾
（1）学生操作时，指导教师要进行巡回指导，指出操作要点，演示操作要领，对操作有错误学生要进行个别指导。
（2）让学生学会分析简易数控车床磨损原因，强调简易数控车床磨损后应及时修磨。
（3）采用设问法教学生刃磨方法。

教学过程及教学内容
1.O 引言
数控车床，它由床身、安装在床身的导轨尾部的尾座、安装在床身的导轨中部的刀架、安装在床身头部的床头箱、安装在床头箱上的主轴及其上的卡盘、安装在床头箱上的电机、安装在电机轴和主轴及床头箱上的变速传动装置所构成，其特征在于所说的变速传动装置由固定在主轴端部的从动变速三角带轮的固定半轮、套装在主轴上且与固定半轮插合的从动变速三角带轮的可动半轮、以轴承安装在可动半轮端部的推拉臂、安装在推拉臂和床头箱之间的压簧、固定在推拉臂上与主轴平行并可在床头箱的孔中滑动的齿条、与齿条啮合端部穿过床头箱的齿轮轴、以小轴安装在齿轮轴端部的开口槽中且带有手柄的偏心轮、安装在电机轴或其连接轴上的主动变速三角带轮的可动半轮和固定半轮、安装在可动半轮和电机轴或其连接轴端部的挡圈之间的压簧以及安装在主动和从动变速三角带轮上的三角皮带所构成
。
1.1.1 数控车床的历史
用于加工木材的车床出现较早。15世纪末，欧洲有了人力、畜力、风力和水力驱动的简单数控锯机。1791年，英国的S.边沁先后发明了平刨床、单轴数控铣床、镂铣机和数控钻床等。1805 年，英国的M.I.布津内尔发明圆锯机。1828年，美国的W.伍德沃思发明压刨机。1834年，美国的G.佩奇和J.A.费伊分别发明榫槽机和开榫机。1880 年 ，发明了框锯机。1900年，发明了多联带锯机。此后随着电子技术和计算机技术的发展，各种自动数控机床相继出现。
1.1.2数控车床的发展
　国内数控机械以山东青岛，广东伦教较为集中。 改革开放以来，以前的老国有企业纷纷改制，转变经营理念，像哈尔滨数控机械，苏州福马集团，山西榆次热压机厂，山东威海数控机械厂，青岛数控机械总公司等等，都完全转变为市场经营体制。
　　砂光机以德国，意大利见长，台湾产砂光机在50-80年代占据了中低端市场，近二十年来，大陆产砂光机异军突起，在大陆及世界各地运转生产，但是质量仍然有待提高，质量及性价比上以青岛千川木业设备有限公司的“千川”牌，青岛建成豪，新动力等市场占有率较高，目前在国内山东临沂，菏泽，江苏邳州，浙江嘉善，南浔，福建莆田，广西，四川等木业加工密集地区都有大量分布；目前我国的数控机械出口势头甚猛，主要市场以第三世界国家为主，东南亚，南亚地区为主，有些质量比较好的甚至出口到美洲，欧洲市场。
　　总之，我国的数控机械发展已经有了很大提高，但是质量上仍然亟需提高才能在世界木机之林占有一席之地。
1.1.3 市场分析
据国内资料统计，订购新的数控车床的交货周期一般较长，往往不能满足用户需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。
1.1.4 生产分析
在现代木材制造工业中，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重。若要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控车床，其中数控车床是最能适应这种生产需要的。
1.1.5 综合分析
数控机电一体化技术的新成果不断涌现，数控机械从纯粹机械产品想机电一体化技术过渡，数控机械的普及率大大提高，加强数控数控技术在数控机床上的应用，重视和发展数控车床，以适应多品种小批量生产需要的数控机械，发展木材加工机械的新产品。

1.2 数控车床的基本结构
1.2.1机床本体
数控车床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置
1.2.2 按加工工艺方法分类
木材切削类数控车床
有数控车床、刨床、钻床、磨床等。

1.3.3 数控车床按驱动装置的特点分类
1．开环控制数控车床
控制系统不带反馈装置，使用功率步进电动机为伺服执行机构。
开环控制系统结构简单，成本低。但是不能进行误差校正，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等的传动误差将影响被加工零件的精度。开环系统仅适用于加工精度要求不是很高的中小型数控车床，特别是简易小型经济型数控车床。

2．半闭环控制数控车床
半闭环控制数控车床的特点是，在伺服电动机的轴或数控车床的传动丝杠上装有角度检测的装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，对误差进行修正。半闭环数控系统的调试比较方便，且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，并使结构更加紧凑。

3．闭环控制数控车床
闭环控制数控车床的特点是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，且使移动部件

1.4 数控车床的特点
1．对加工对象的适应性强
在数控车床上改变加工零件时，只需重新编制（更换）程序，输入新的程序就能实现新零件的加工。
2．生产效率高
数控车床能有效的减少机动时间和辅助时间，每一道工序都能选用最有利的切削用量，选用了很高的空行程运动时间。因而消耗在快进、快退、和定位的时间比手工少得多
3.加工精度高
数控车床加工精度高，比手工加工精度高，适合对工件尺寸要求高的生产
4．良好的经济效益
在单件、小批量生产的情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率，从而能够获得良好的经济效益。
1.4.2数控车床的应用范围
数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。车削中心可在一次装夹中完成多个工序的加工，提高加工精度和生产效率，尤其适合于复杂形状回转类零件的加工。

二 主传动系统设计
2.1概述
主传动系统是实现机床主运动的传动系统，它具有一定的转速和一定的变速范围，能方便地实现运动的开停、变速、换向和和制动。
主传动系统包括电动机、传动系统和主轴部件，相比普通车床的主传动系统结构上比较简单，因为变速功能由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复齿轮变速机构，只有二级或三级齿轮变速系统以扩大电动机无级调速的变速范围。
2.1.1数控车床主传动系统的特点
与普通机床比较，数控车床主传动系统具有下列特点：
1) 转速高、功率大。使数控车床能进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。
2) 变速范围宽。一般Rn>100,以保证加工时能选用合理的切削用量，获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。
3) 主轴变速迅速可靠。数控车床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。
主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。
2.1.2数控车床主传动系统的设计要求
1) 主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，以实现运动的开停、变速、换向和和制动。
2) 主电动机具有足够的功率，机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。
3) 主传动的有关结构，主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声小，传动效率高，以满足机床的工作性能要求。
4) 操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封好，从而足机床的使用要求。
5) 结构简单紧凑，工艺性好，成本低，满足经济性要求。
2.2主传动系统的配置
2.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型

数控车床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。主传动系统中，多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。为了扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。此处选用交流主轴电动机配以齿轮变速箱实现分级无级调速。
交流调速电机体积小，转动惯性小，动态响应快，没有电刷，达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障也少。中小功率领域已占优势，故本次设计选用交流调速电动机。通过调节供电频率的办法调速。功率特性见下图：

主轴电动机额定转速时输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率.转矩将发生变化。在额定转速到最低转速为恒转矩速度范围，在额定转速至最高转速为恒功率速度范围时。恒功率的速度范围只有1：3速度比。当电动机速度超过某一定值之后，功率——速度曲线又会向下倾斜，不能保持恒功率。

2.2.2车床交流主轴电机的调速

交流主轴电动机是交流感应电动机,当定子三相绕组通上交流电时,将建立旋转磁场,其主磁通Φm的空间转速即同步转速,其值为

n0 = 60f1/p (r/min)
式中 f1--定子供电电源频率（HZ）
p—旋转磁场极对数
感应电动机转子的转数n为
n= n0（1-s）=60f1（1-s）/p
式中 s—转差数,s= n0-n / n0
由上式可知，调速方法大致可分为两类。第一类改变同步转数n0的调速，它分为两种方法，一种是改变电动机极对数p。由于p是整数，所以只能得到级差很大的有级调速，不能满足一般数控车床的要求；另一种是改变电动机的供电频率f1。可得到平滑的无级调速，是一种高效型的交流调速，范围宽，精度高。第二种是不改变同步转速的调速，一般的有调压调速和电磁调速。由于转差功率损耗，效率低，特性软，不适合数控车床的调速。
在实际调速时，单纯改变电源频率是不行的，由“电动机学”可知，旋转磁场以n0速度切割定绕组，在每相绕组感应电势为
E1=4.44f1k1w1Φm≈u1
式中 k1w1—-定子每相绕组等效匝数；
Φm—每极磁通量；
u1—定子相电压
所以
Φm= u1/4.44f1k1w1
由上式可知，如在变频调速中，保持定子电压u1不变，主磁通大小将会发生变化。如频率从工频往下调节，则上升，导致铁心过热，功率因数下降，电动机带负载能力降低。所以，必须在降低频率的同时，降低电压，以保持不变。这就是恒磁通变频调速中的“调速控制”。
只用变频调速，并且是有效方法。变频调速主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器有：
·交–直–交变频器分为电压型和电流型。电压型先将电网交流电经整流器变为直流，经逆变器变为频率和电压可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。
·交–交变频器该变频器没有中间环节，是直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。
目前对于中小功率电机，用最多的是电压型交–直–交变频器。

2.2.3车床分级变速齿轮箱的传动系统设计
设计数控车床主传动时，须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围（Rnp）远大于电动机恒功率范围Rdp，所以在主轴之间要串联一个分级变速箱，从而扩大其恒功率变速范围，以满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。

先设定主轴的最高转速为4000r/min,最低转速为了30r/min,计算转速为150r/min，最大切削功率为5.5KW，交流主轴电机额定转速为1500r/min,最高转速为4500r/min.
主轴要求的恒功率变速范围Rnp=4000/150=26.7
电动机的恒功率变速范围 Rdp=4500/1500=3
主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围，故必须配以分级变速箱。
变速箱的公比Φf等于电动机的恒功率变速范围Rdp, 即Φf=Rdp=3，功率特性图是连续的，无缺口无重合的。变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范围Rnp等于Rnp=ΦfZ1 Rdp=ΦfZ
故变速箱的变速级数 Z=lgRnp/lgΦf=2.99
取Z=3
变速齿轮箱采用一级变速三对齿轮副数,齿数分别为:高速级Z1:Z2=112:58；中速级Z1:Z2=68：102；低速大转矩级Z1:Z2=30：140
利用原车床主轴箱内的第三轴和主轴，车床图册，两轴的中心距为170mm。因所选用电机与原电机功率相同，轴不必另行校核。
三副齿轮只校核低速重载齿轮副即可。校核如下：
<1>已知电动机输出功率为7.5KW,额定转速为1500r/min,则经同步带传动，第三根轴的转速为750r/min。经Z1:Z2=30/140传动后，主轴转速为160r/min.

<2>大、小齿轮均采用45钢并进行调质处理,选小齿轮硬度HBS260～290,大齿轮硬度HBS220～250,精度选6级。m=2mm,a=20°,齿宽b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齿轮传动效率η=0.98
<3>齿轮几何尺寸计算:
d1=z1m=60mm,
d2=z2m=280mm,
da1=(z1+2)m=64mm,
da2=(z2+2)m=284mm,
df1=(z1-2.5)m=55mm,
df2=(z2-2.5)m=275mm,
a=(z1+z2)m/2=170mm
<3>齿轮校核:
1) 小齿轮转矩
P——电动机的输出功率
η——齿轮传动效率 取0.96
2) 动载荷系数
KA——使用系数取1
Kv——动载荷系数取1.15
KB——齿向载荷系数取1.15
Ka——齿向载荷分配系数
由
查表并插值得Kα=1.179
K=1*1.15*1.15*1.179=1.56
3) 许用弯曲应力
——弯曲疲劳极限；=460N/mm2 =390N/mm2
——弯曲寿命系数
YX——尺寸系数取1
SF——安全系数取1.3

4) 齿要弯曲疲劳强度校核计算

——齿形系数 =2.4 =2.25
——应力修正系数 =1.653 =1.75
——重合度系数

则

故齿根弯曲强度足够，满足要求。

传动系统图见下图

转速图见下图

主轴转速4000r/min至145r/min由AB、BC、CD在段连接而成，在电动机的恒功率区，从145r/min降至30r/min上图中的CD段为恒转矩区。取总效率η=0.75，则电动机功率P=5.5/0.75=7.3KW。可用北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，额定输出功率为7.5KW。

2.2.4主传动系统组件的结构形式

在原有主轴轴承完好、运转正常的前提下保留原有主轴支撑方式。
保留原机床的主轴手动变速，改造后使其主/运动和进给运动分离，主电机的作用为带动主轴旋转。增加一只电磁离合器，接收数控系统的停机制动信号从而控制原制动装置制动停车。
在加工螺纹时，保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，须主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装，橡胶管柔性联接，在实现角位移信号传递的同时，能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲发生器转动平.稳，传递信号准确。
数控车床主轴带传动变速常常用多楔带和同步带。同步带又称为同步齿形带，按齿形不同可分为梯形齿同步带圆弧齿同步带两种。其中梯形齿多用在转速不高和小功率动力传动中，圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高数控车床主运动传动系统中。选用H型梯形齿同步带。
查阅手册选两梯形齿同步带用带轮为Z1:Z2=22：44，带宽为50.8mm,小带轮节圆为80mm, 大带轮节圆为194mm。带高4.3mm齿高2.29mm节距12.7mm。