一、 选定题目——数控车床
数控机床的特点
1. 适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件 在数控机床上加工不同形状的工件，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件的加工。
2. 加工精度高，生产质量稳定 数控机床的脉冲当量普遍可达
0.001mm/p，传动系统和机床机构都具有很高的刚度和热稳定性，进给系统采用间隙措施，并对反向间隙与丝缸螺距误差等由数控系统实现自动补偿，所以加工精度高。
3. 生产率高 工件加工所需时间包括机动时间和辅助时间。数控机床能有效的减少这两部分时间。数控机床主轴转速和进给量的调速都比普通机床的范围大，机床刚性好，快速移动和停止采用了加速、减速措施，数控机床更换工件时，不需要调整机床。同一批工件加工质量稳定，无需停机检验，故辅助时间大大减少。
4. 减轻劳动强度，改善劳动条件 数控机床加工是自动进行的工件过程不需要人的干预，加工完毕自动停车，这就使工人的劳动条件大为改善。
5. 良好的经济效益 机床价格昂贵，分摊到每个工件的设备费用较大，但是机床可节省许多其他的费用。例如，工件加工前不用划分工序，工件的安装、调整、加工和检验所花费的时间少，特别不用设计制造专用工装夹具，加工精度稳定，减少废品率。
6. 有利于生产管理的现代化 数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，特别在数控机床上使用计算机控制。
二、主要技术指标
1. 用途:指数控车床的工艺范围，包括加工对象的材料、质量、形状及尺寸等。
2. 生产率：包括加工对象的种类、批量及其所要求生产率。
3. 性能指标：包括加工对象所要求的精度或数控车床的精度、刚度、热变形、噪声等。
4. 主要参数：即确定数控车床的加工空间和主要参数。
5. 驱动方式：数控车床驱动方式分为步进电动机驱动与伺服电动机驱动。驱动方式的确定不仅与机床的成本有关，还将直接影响传动方式的确定。
6. 成本及生产周期：无论是订货还是工厂规划的产品，都将确定成本及生产周期方面的指标。
三、系统方案设计
(一) 数控车床基本组成
1) 数控机床是一种利用数控技术，按照事先编好的程序实现动作的机床，它由程序载体、输入装置、数控装置、伺服系统、位置反馈和机床机械部件组成。
2) 数控车床结构由主轴传动机构、进给传动机构、工作台、床身等部分组成。
3) 数控车床由数控装置、床身、主轴箱、刀架进给系统、尾座、液压系统、冷却 系统、润滑系统、排屑器等部分组成。详见下图：
(二) 各组成部件的特性与所应达到的要求
a) 床身 机床床身采用优质铸铁，内部筋采用U形布局，床身整体刚性高。滑动导轨面采用中频淬火，淬硬层深。硬度达 HRC52以上，拖板滑动面贴塑，使得进给系统的刚度，摩擦阻尼系数等动、静特性都处于最佳状态。
b) 床头箱结构 机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用C级高精度轴承，润滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于床头箱带轮侧，使床头箱内结构大为简化，便于维修。
c) 进给系统 机床两轴进给系统采用伺服电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有TSF导轨板，滑动磨擦系数非常小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。在进给系统各滑动处及两轴丝杠丝母处都设置了润滑点。
d) 刀架 机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。
e) 尾座采用手动尾座
f) 冷却系统 冷却箱放在后床腿中。
g) 卡盘 机床标准配置为_250手动卡盘，
h) 电气系统
电路的动力回路，均有过流、短路保护，机床相关动作都有相应的互锁，以保障设备和人身安全。
电气系统具有自诊断功能，操作及维修人员可根据指示灯及显示器等随时观察到机床各部分的运行状态。
i) 安全保护 当机床遇到外部突然断电或自身故障时，由控制电路的设计，机床可动进给轴，冷却电机等如已在“启动”状态者，将进入“停止”状态；如已在“停止”状态的则不可自行进入启动状态，确保了机床的安全。另外由于机床计算机内的控制程序是“固化”在芯片中的，而零件加工程序是由电池供电保护的，所以，意外断电或故障时，不会丢失计算机内存储的程序菜单。
(三) 车床的工作原理简图
(四) 伺服系统选择：半闭环控制系统的数控机床
如果将位置检测元件安装在伺服电动机的端部，或安装在传动丝缸端部，间接测量执行部件的实际位置或位移量，就是半闭环控制系统。下图为一个半闭环数控系统，它可以获得比开闭环控制系统更高的精度，但它的位移精度比闭环控制系统要低，由于位置检测元件安装方便、调试容易。
(五) 车床运动方式：直线控制数控机床
直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制的简易数控车床，这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即x轴和z轴。
(六) 数控车床的坐标轴的确定：
（1）z轴坐标 z坐标轴的运动方向 是传递切削动力的主轴决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴为z坐标轴。零件由主轴带动作为主运动，则z轴与主轴旋转中心重合，平行与导轨。Z轴正向为刀具离开零件的运动方向。
（2） x轴坐标 x轴坐标平行于零件的装夹平面，x轴坐标 的方向在零件的径向上，并且平行于车床的导轨。 （3） y轴方向由右手定则确定。
(七) 数控系统选择
西门子802D小型数控系统
(八) 相关参数的确定
1. 主轴电机功率 Spc90-15
额定电压220v，转速8000r∕min
主轴转速范围 45-1800r/min
最大工件长度 750mm
最大车削长度 500mm
最大切削直径 320mm
最大车削直径 150mm
移动距离X/Z 200/500mm
快速移动速度X/Z 12/14m/min
伺服电机扭矩X/Z 8/12
长 ×宽× 高 180×110×130cm
2.(1)滚动导轨副的选择
根据计算额定静载荷初选导轨:
选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25
基本参数如下: 额定载荷/N 动载荷 静载荷 静态力矩/N*M 滑座重量 导轨重量 导轨长度 L (mm) 17500 滑座个数 M 4 26000 198 198 288 0.60 3.1 每分钟往复次数 4 300 单向行程长度 0.6 导轨的额定动载荷
N
依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷
(kN)验算导轨的工作寿命Ln：
额定行程长度寿命:
导轨的额定工作时间寿命:
经计算导轨的工作寿命足够.
（2）滚珠丝杠的选择
初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm
初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm
（1） 强度计算
丝杠轴向力： (N)
其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。
取f=0.004,
则:
寿命值：
，其中丝杠转速
(r/min)
最大动载荷：
式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。
查表得中等冲击时
则:
根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。
其基本参数如下:
其额定动载荷为14205N>
足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.
滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 名称 公称直径 螺距 接触角 钢球直径 螺纹滚道法向半径 偏心距 螺纹升角 螺杆外径 螺杆内径 螺杆接触直径 螺母螺纹外径 螺母内径（外循环） （2） 传动效率计算
19.365mm 16.788mm 1.651mm 0.04489mm ―― ―― ―― 3.175mm ５mm 计算公式 ―― 结果 20mm 17.755mm 23.212mm 20.7mm 丝杠螺母副的传动效率为：
式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。
（3） 稳定性验算
丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。
（4） 刚度验算
滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：
(cm)
Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算
丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差Δ为
E级精度丝杠允许的螺距误差[ Δ]=15μm/m。
3.步进电动机的选择
为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率
,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.
设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：
式中
为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，
为机械传动的效率。若取
，则Ｓ＝
，且 。所以：
式中：
为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），
为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）， 为导轨摩擦系数，
为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。
取
=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），
＝０.8，
=
=279.23Ｎ。考虑到重力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：
取系数为０.３，则：
对于工作方式为三相６拍的步进电机：
(２） 步进电机的最高工作频率
为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率
,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.
电机有关参数如下: 主要技术参数 型号 最大静转矩 电压 相电流 相数 步距角 空载运行频率 分配方式 空载启动频率 (V) (A) (n.m) 0.9 80 7 3.92 重量 轴直径 9 kg 4.5 2000 8000 3相6拍 转子转动惯量 Kg.m 1764 90BF001 3 外形尺寸(mm) 外直径 90
NL3
长度 145 4. 联轴器的选择
公称扭矩160N.M，许用转速6000r∕min，
惯性扭矩3.1KgC㎡
5. 导轨的选择
滑动导轨
（九）装配图
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