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牛皮切邊機的數控系統及傳動機構設計

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更新時間：2014-12-22
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牛皮切邊機的數控系統及傳動機構設計
總體方案設計
國內外發展現狀
專用機床是一種專門適用于特定零件和特定工序加工的機床，而且往往是組成自動生產線式生產制造系統中，不可缺的機床品種。組合機床是專用機床的一種，它以標準化部件為基礎，配以少量的專用部件組成。而目前一些機床廠對其生產的通用機床若作改動時，也習慣用專用機床來取代。比如數控車床由于盤改為專用設計的，這臺數控車床則不用原機床型號，而采取編專用機床號的辦法。由于專用機床是一種《量體裁衣》產品，具有高效自動化的優點，是大批量生產企業的理想裝備。隨著制造技術的進步，數控技術的普及，專用機床的數控化發展也很快，專用機床在生產實踐中占有一定的比重。據有關資料介紹，日本2001年專用機床產值占機床產值的比達到8.8%；我國臺灣省這一數字達到6.9%;而我國僅為0.67%。所以，在當前產品結構調整中，發展專用機床是行業發展中的一個值得注意的問題。
專用機床及其自動化生產線的制造，與大量生產汽車等性質不一樣，也與普通機床的制造性質不一樣，它具有兩個極其鮮明的特征：一是集成性。用戶訂購專用機床都是要求交鑰匙工程，它集加工工藝（含工藝方法及工藝參數），機床、夾具、工具（包含輔助）的開發設計與選擇，檢驗測量（包括進入機床前的毛坯檢驗、加工中及成品的檢驗測量）物流的輸送，切屑和冷卻液的防護與處理等于一體。它不僅僅解決其中的某一問題，而是要解決好涉及較寬的技術領域可能遇到的每一個問題。二是單一性。專用機床幾乎都是單臺性生產，要根據用戶提出的要求，進行一次性開發，一次性制造，而且還要保證一次性成功。
根據長期有關從事專用機床及其自動生產線開發制造的人員的體會，將專用機床制造業的工作歸納為以下八個特點：
A.技術難度大。由于它是集加工工藝、機床、夾具、輔具、刀具、檢驗測量、物流等于一體，實現交鑰匙工程，從而涉及技術領域寬且復雜，又是一次性制造，要保證一次成功，所以技術難度大。
B.是經營風險率高。專用機床（或自動線）根據用戶訂單“量體裁衣”制造的，不可能有試制探索過程，要確保一次成功，有相當大的技術風險。由于技術方案不當，造成局部或整體報廢的情況屢見不鮮；由于一次性制造，在制造調試過程中難保不出現問題，解決這些總是需要時間，從而按期交貨也有一定的風險；由于裝備是專門為某一用戶訂做的，當該用戶因種種原因不能如期付款、甚至無力付款時，勢必造成制造企業的損失；在現行的金融制度還無法約束對方，產品無法轉讓他人的情況下，經營顯而易見。
C.是協作困難大。由于是一次性制造，它不像汽車零部件那樣大量生產，也不像通用設備那樣批量生產，找協作廠家很困難。條件一般的企業，很難保證一次性制造出合格的產品；條件好的企業，又不愿當配角，對這種委托協作看不上。
D.是技術依賴性強。專用機床及其自動線從設計、工藝編制、生產制造到裝配調試的全過程，都需要一批有經驗的技術人員、管理人員和技術工人。
E.是利潤空間小。在國外不同的生產模式的企業（指大量生產、批量生產或單件小批生產），其生產產品的效益相差不會太大，但國內這幾種生產模式的企業效益卻相差懸殊。如果做一比較，就很能說明問題，假如國外的某種產品價格為1，相對國內轎車價格則為1.15-1.25，對通用機床國內的價格為0.7左右，而國內專用機床的價格僅為0.3-0.4。
由于國情或用戶對專用機床制造業不夠理解等原因，專用機床的銷售價格總體偏低。近幾年，國內市場專用機床的單臺平均售價呈下降趨勢，以組合機床為例，其單臺平均售價從1996年的31萬多元下降到2000年的23萬多元，降幅達25%。在國外購買一臺標準的加工中心的費用和為其配全成加工某種零件所需的夾具、刀具及相關輔具的費用之比，一般是100:60左右，之所以后者占有如此高的比例，是因為除了考慮硬件的消耗外，更多是考慮技術的投入和由此而帶來的風險。而國內這一比值一般用戶僅能接受100:25左右。如果在考慮5%的質量保證金要在一年后才能拿到，這種種原因把產品的利潤壓縮到極小的空間。
F.是技術成長期長。專用機床的設計制造涉及專業面廣，要具備較豐富的工藝知識，要比較熟悉用戶的制造工藝，要保證一次成功，培養一名熟練的主管設計師，要花幾年時間，才能做出好的產品設計、好的制造工藝，生產出好的產品，技術成長期要長。
G.是人員流動困難。由于訂單不均衡，會引起生產的不均衡，國外除了零部件外協條優越外，還有成熟的技術勞動力市場，企業可以根據訂單情況輸出或吸收有關勞動力，使這與企業生產相適應。國內則無法做到這一點，有時可以招些臨時工，但多數只能承擔一些輔助性工作，熟練技工則難以尋求。
H.是技術引進困難，與國外合作難。由于專用機床是一次性設計制造，引進技術若僅供一次使用，則成本太高，很難實現。到目前為止，我國專用機床制造業沒有一家談成合資，雖有接觸，但都僅限于具體項目的合作。
八個特點，八種原因，既相互關聯，又各具特性，但確實是影響我國專用機床制造業發展的重要方面。今天，我們要調整機床工業的產業結構，發展專用機床是一項十分重要的工作。
為此，從總體戰略和技術路線兩個層次及數控系統、功能部件、數控整機等幾個具體方面探討了新世紀的發展途徑。
國外利用數字計算機進行控制加工，是從40年代開始的，當時計算機用于對機機翼加工路徑進行數據處理。1952年美國麻省理工學院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數控系統，成功地實現同時控制三軸的運動，它成了世界上第一臺數控機床。此后，從60年代開始，其他一些工業國家如德國、日本等陸續地開發生產及使用數控機床。1974年微處理機直接用于數控機床，進一步促進了數控機床的普及應用和大力發展。從此，數控機床在制造業中擔當了十分重要的角色。
我國數控機床的研制是從1958年開始的，經歷了幾十年的發展，直至80年代后引進了日本、美國、西班牙等國數控伺服及伺服系統技術后，我國的數控技術才有質的飛躍，應用面逐漸鋪開，數控技術產業才逐步形成規模。目前，我國銑床的加工水平與發達國家相比設備陳舊，技術水平落后，嚴重影響了生產力的發展，采用先進的數控機床，已經成為我國制造加工技術發展的總趨勢。
總體方案
由于該設計是專用機床設計，所以在考慮具體方案時，應遵守的基本原則是在滿足使用要求的前提下，盡量降低成本。要求切削的工作效率高，機床的控制可靠，工作運行平穩，應用范圍廣。
工作臺的設計
由于機床采用了專門的控制軟件通過數控系統控制走刀的路徑。以直線路徑替代加工輪廓的各種曲線，大大提高了工作效率。所以將工作臺設計成圓形工作臺，使工作臺僅作平穩，快速的圓周運動。
工作臺傳動機構的設計
由于工作臺要求是快速，平穩，所以采用二級傳動，以減輕步進電機對工作臺的沖擊。由步進電機帶動蝸桿傳動，再由蝸桿帶動蝸輪軸，在通過一對斜齒帶動工作臺作圓周運動，電機放在工作臺與機床主軸箱之間。
數控部分設計
根據設計要求，本微機數控系統采用連續控制系統。
采用以步進電機驅動的開環控制。開環控制多用于負載變化不大或要求不高的經濟型數控設備中。因為開環控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調試、價格便宜、使用維修方便等優點。

機械部分設計
傳動部分的說明
本次設計的牛皮切邊專用機床是雙工位機床，即由一獨立步進電機帶動滾軸絲杠，使得走刀路徑走直線運動，在由步進電機帶動二個工作臺作圓周運動，完成加工任務。走刀路徑為X軸，二個工作臺分別為Y軸和Z軸。
總體設計如圖3-1所示：

圖3-1 機床尺寸聯系圖俯視圖
蝸輪的設計
采用圓弧圓柱蝸桿傳動，其特點是：
a.齒廓凸凹齒合的形式，而共軛曲面的當量曲率半徑達。單位齒面壓力小。因而接觸強度得到提高。
b.瞬時接觸線方向與相對滑動速度方向的夾角比較大，有利于形成和保持共軛齒面間的動壓油膜。能夠減小磨損，提高傳動效率及可高性
c.基本齒廓為圓弧齒形，只要齒形參數選擇合適，就能增大齒跟厚度，提高齒的彎曲強度和抗沖擊能力。
d.設計方便，工藝簡單。制造加工無需特殊專用機床。
e.采用蝸輪正變位，變位系數一般在0.5以上齒合性能好，能保證傳動質量，當然也應該注意防止大變位引起的理論齒合區減少，蝸輪齒面邊切區擴大。以至齒頂尖等現象。
總之它具有承載能力大，傳動效率高。使用壽命長，重量輕，結構緊湊等優 ...

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