数控机床三维建模与设计

1.1.1数控机床的产生与发展
微电子技术，自动信息处理，数据处理以及电子计算机的发展，给自动化带来了新的概念，推动了机械制造自动化的发展。
采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早在20世纪40年代提出的，当时美国的一个小型飞机工业承包商帕森公司在麻省理工学院伺服机构试验室的协助下，经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。在早先的数控机床都采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统，装有这类数控系统的机床为普通数控机床（简称NC机床）。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样的数控系统称为计算机数控系统（简称CNC）。近20年来，微处理机数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用。
本设计主要通过对现有数控机床主轴部件现状的分析，探讨合理的结构形状，优化其参数，提高机床主轴部件的工作性能；采用计算机建模技术，设计数控机床主轴部件的数控样机。因此，将数字化技术应用于数控机床的主轴部件的设计与研究，对于稳定机床产品的质量，提高生产率，推动机床功能部件的发展，加快产品的更新换代具有重要意义。
计算机建模技术将机械设计的参数化应用于数控机床的设计与研究，以提高机床产品的质量，加快数控机床的更新换代。在传统机械设计的基础上，使用功能强大的Pro/e工程建模软件建立数控机床主轴部件的实体模型，并模拟机床主轴部件的装配过程、主传动、换刀运动等过程，使设计者在制造样机之前，及时发现设计过程中潜在的缺陷，为下一步的设计提供良好的条件。
计算转速nj是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速图上直接得出如表2-1所示。
表2-1 各轴的计算转速
轴
Ⅰ
Ⅱ
计算转速（r/min）
682
150
各轴功率和扭矩计算：
已知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），同步带传动效率为0.98,则：
Ⅰ轴：P1=Pd×0.98=7.5×0.98=7.35 KW
数控机床三维建模与设计
摘要
数控车床是装有数字程序控制系统的自动化车床。其通过数字化信号由伺服系统对机床运动及加工过程进行控制，最终实现车床自动完成对零件的加工。与其他控制相比，数控的最大特点是运动的执行与程序的编制相互独立。其集中了自动化机床、精密机床和通用机床的优点，具有高效率、高质量和高柔性的特点。
d=91 (2-3)
可得传动轴的估算直径：d=40mm;
主轴轴径尺寸的确定：
已知车床最大加工直径为Dmax=400mm,则：
主轴前轴颈直径D1=0.25Dmax±15=85～115mm 取D1=95mm
后轴颈直径 D2=(0.7～0.85)D1=67～81mm取D2=75mm
内孔直径 d=0.1Dmax±10=35～55mm取d=40mm
而主轴要求的恒功率转速范围Rnp=26.7,远大于交流主轴电动机所能提供的恒功率转速范围，所以必须串联变速机构的方法来扩大其恒功率转速范围。
设计变速箱时，考虑到机床结构的复杂程度，运转的平稳性等因素，取变速箱的公比Фf等于交流主轴电动机的恒功率调速范围Rdp，即Фf=Rdp=3，功率特性图是连续的，无缺口和无重合的。
The calculator is set up the mold technique to turn the parameter that the machine design to apply in the design and researches that the number control the tool machine, with the quantity of the exaltation tool machine product, the renewal that speeds number to control the tool machine changes the generation.On the foundation that the traditional machine design, the strong engineering of Pro/ e of the usage function sets up the entity model that the mold software builds up number to control the tool machine principal axis parts, and imitate the assemble process, lord of the tool machine principal axis parts to spread to move, change the knife the sport etc. process, make design is before make the kind machine, discovering to design the process in time in the latent blemish, provide the good condition for the design of the next move.
Ⅱ轴：P2=P1×0.97=7.35×0.97=7.13 KW
Ⅰ轴扭矩：T1=9550P1/n1=9550×7.35/682=1.029×105N.mm
Ⅱ轴扭矩: T2=9550P2/n2=4.539×105N.mm
[φ]是每米长度上允许的扭转角（deg/m），可根据传动轴的要求选取，其选取的原则如表2-2所示。
1.1.2数控机床的技术发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造夜带来了革命性的变化，使制造也成为工业化的象征。当前世界上数控技术及其装备的发展呈现出高速、高精密化发展趋势。
1）．高速
新一代数控机床（含加工中心）只有通过高速化大幅度缩短切削工时才能进一步提高其生产率。超高速加工，特别是超高速铣削与新一代数控机床特别是高速加工中心的开发与应用紧密相关。依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的速度已达5000m/min-8000m/min以上，主轴转速在10000r/min以上；工作台移动速度：分辨率为1μm时在100m/min以上，分辨率为0.1μm时在24m/min以上；自动换刀速度在1s以内；小线段插补速度达12m/min。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，已开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床。
表2-2 许用扭转角选取原则
轴
主轴
一般传动轴
较低的轴
[φ]（deg/m）
0.5-1
1-1.5
1.5-2
根据表3-2确定各轴所允许的扭转角如表3-3所示。
表2-3许用扭转角的确定
轴
Ⅰ
Ⅱ
[φ]（deg/m）
1
1
把以上确定的各轴的输入功率N=7.5KW、计算转速nj（如表2-1）、允许扭转角[φ]（如表2-3）代入扭转刚度的估算公式
2）．高精密度
从精密加工到超精密加工，是世界个工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，其应用范围日益广泛。随着科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精密要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。
2主传动设计
2.1驱动源的选择
机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin是调节电枢电压的方法来调速的，属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。
根据主轴要求的最高转速4000r/min，最大切削功率5.5KW,选择北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，其基本转速是300r/min，最高转速是4500r/min。
2.2转速图的拟定
根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围
Rdp=nmax/nd=3（2-1）
1.2设计的主要任务
数控机床主轴部件是机床的核心部件。目前，高速主轴单元在国外有很大的发展，其数控机床的转速已经达到10000-20000r/min,主轴功率可达22KW；较先进的数控机床主轴转速可达20000-60000r/min，主轴功率达20-60KW。而我国对高速高精度机床虽然也取得了一定的成果，但无论在转速还是精度方面与国外先进水平还有很大的差距，其已成为我国发展超高速加工技术的“瓶颈”。
图2-1主传动系统图
图2-2转速图 图2-3主轴功率特性
2.3传动轴的估算
传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷比较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下（弯曲，轴向，扭转）不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角）。如果刚度不够，轴上的零件如齿轮，轴承等由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。通常，先按扭转刚度轴的直径，画出草图后，再根据受力情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。
变速箱的变速级数
Z=lg Rnp/lg Rdp=lg26.7/ lg3=2.99(2-2)
取 Z=3
确定各齿轮副的齿数：
取S=116
由u=1.955 得Z1=39 Z1′=77