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1、总体方案设计国内外发展现状专用机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，而且往往是组成自动生产线式生产制造系统中，不可缺的机床品种。组合机床是专用机床的一种，它以标准化部件为基础，配以少量的专用部件组成。而目前一些机床厂对其生产的通用机床若作改动时，也习惯用专用机床来取代。比如数控车床由于盘改为专用设计的，这台数控车床则不用原机床型号，而采取编专用机床号的办法。由于专用机床是一种量体裁衣产品，具有高效自动化的优点，是大批量生产企业的理想装备。随着制造技术的进步，数控技术的普及，专用机床的数控化发展也很快，专用机床在生产实践中占有一定的比重。据有关资料介绍，日本2001年专用机床产值占机
2、床产值的比达到8.8%；我国台湾省这一数字达到6.9%;而我国仅为0.67%。所以，在当前产品结构调整中，发展专用机床是行业发展中的一个值得注意的问题。 专用机床及其自动化生产线的制造，与大量生产汽车等性质不一样，也与普通机床的制造性质不一样，它具有两个极其鲜明的特征：一是集成性。用户订购专用机床都是要求交钥匙工程，它集加工工艺（含工艺方法及工艺参数），机床、夹具、工具（包含辅助）的开发设计与选择，检验测量（包括进入机床前的毛坯检验、加工中及成品的检验测量）物流的输送，切屑和冷却液的防护与处理等于一体。它不仅仅解决其中的某一问题，而是要解决好涉及较宽的技术领域可能遇到的每一个问题。二是单一性。
3、专用机床几乎都是单台性生产，要根据用户提出的要求，进行一次性开发，一次性制造，而且还要保证一次性成功。 根据长期有关从事专用机床及其自动生产线开发制造的人员的体会，将专用机床制造业的工作归纳为以下八个特点： A.技术难度大。由于它是集加工工艺、机床、夹具、辅具、刀具、检验测量、物流等于一体，实现交钥匙工程，从而涉及技术领域宽且复杂，又是一次性制造，要保证一次成功，所以技术难度大。 B.是经营风险率高。专用机床（或自动线）根据用户订单“量体裁衣”制造的，不可能有试制探索过程，要确保一次成功，有相当大的技术风险。由于技术方案不当，造成局部或整体报废的情况屡见不鲜；由于一次性制造，在制造调试过程中难
4、保不出现问题，解决这些总是需要时间，从而按期交货也有一定的风险；由于装备是专门为某一用户订做的，当该用户因种种原因不能如期付款、甚至无力付款时，势必造成制造企业的损失；在现行的金融制度还无法约束对方，产品无法转让他人的情况下，经营显而易见。 C.是协作困难大。由于是一次性制造，它不像汽车零部件那样大量生产，也不像通用设备那样批量生产，找协作厂家很困难。条件一般的企业，很难保证一次性制造出合格的产品；条件好的企业，又不愿当配角，对这种委托协作看不上。 D.是技术依赖性强。专用机床及其自动线从设计、工艺编制、生产制造到装配调试的全过程，都需要一批有经验的技术人员、管理人员和技术工人。 E.是利润空
5、间小。在国外不同的生产模式的企业（指大量生产、批量生产或单件小批生产），其生产产品的效益相差不会太大，但国内这几种生产模式的企业效益却相差悬殊。如果做一比较，就很能说明问题，假如国外的某种产品价格为1，相对国内轿车价格则为1.15-1.25，对通用机床国内的价格为0.7左右，而国内专用机床的价格仅为0.3-0.4。 由于国情或用户对专用机床制造业不够理解等原因，专用机床的销售价格总体偏低。近几年，国内市场专用机床的单台平均售价呈下降趋势，以组合机床为例，其单台平均售价从1996年的31万多元下降到2000年的23万多元，降幅达25%。在国外购买一台标准的加工中心的费用和为其配全成加工某种零件所
6、需的夹具、刀具及相关辅具的费用之比，一般是100:60左右，之所以后者占有如此高的比例，是因为除了考虑硬件的消耗外，更多是考虑技术的投入和由此而带来的风险。而国内这一比值一般用户仅能接受100:25左右。如果在考虑5%的质量保证金要在一年后才能拿到，这种种原因把产品的利润压缩到极小的空间。 F.是技术成长期长。专用机床的设计制造涉及专业面广，要具备较丰富的工艺知识，要比较熟悉用户的制造工艺，要保证一次成功，培养一名熟练的主管设计师，要花几年时间，才能做出好的产品设计、好的制造工艺，生产出好的产品，技术成长期要长。 G.是人员流动困难。由于订单不均衡，会引起生产的不均衡，国外除了零部件外协条优越
7、外，还有成熟的技术劳动力市场，企业可以根据订单情况输出或吸收有关劳动力，使这与企业生产相适应。国内则无法做到这一点，有时可以招些临时工，但多数只能承担一些辅助性工作，熟练技工则难以寻求。 H.是技术引进困难，与国外合作难。由于专用机床是一次性设计制造，引进技术若仅供一次使用，则成本太高，很难实现。到目前为止，我国专用机床制造业没有一家谈成合资，虽有接触，但都仅限于具体项目的合作。 八个特点，八种原因，既相互关联，又各具特性，但确实是影响我国专用机床制造业发展的重要方面。今天，我们要调整机床工业的产业结构，发展专用机床是一项十分重要的工作。 为此，从总体战略和技术路线两个层次及数控系统、功能部件
8、、数控整机等几个具体方面探讨了新世纪的发展途径。国外利用数字计算机进行控制加工，是从40年代开始的，当时计算机用于对机机翼加工路径进行数据处理。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。从此，数控机床在制造业中担当了十分重要的角色。我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术
9、后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。目前，我国铣床的加工水平与发达国家相比设备陈旧，技术水平落后，严重影响了生产力的发展，采用先进的数控机床，已经成为我国制造加工技术发展的总趋势。总体方案由于该设计是专用机床设计，所以在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下，尽量降低成本。要求切削的工作效率高，机床的控制可靠，工作运行平稳，应用范围广。工作台的设计由于机床采用了专门的控制软件通过数控系统控制走刀的路径。以直线路径替代加工轮廓的各种曲线，大大提高了工作效率。所以将工作台设计成圆形工作台，使工作台仅作平稳，快速的圆周运动。工作台传动机构的设
10、计由于工作台要求是快速，平稳，所以采用二级传动，以减轻步进电机对工作台的冲击。由步进电机带动蜗杆传动，再由蜗杆带动蜗轮轴，在通过一对斜齿带动工作台作圆周运动，电机放在工作台与机床主轴箱之间。数控部分设计根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。采用以步进电机驱动的开环控制。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。机械部分设计传动部分的说明本次设计的牛皮切边专用机床是双工位机床，即由一独立步进电机带动滚轴丝杠，使得走刀路径走直线运动，在由步进电机带动二个工作台作圆周运动，完成加工任务
11、。走刀路径为X轴，二个工作台分别为Y轴和Z轴。总体设计如图3-1所示：图3-1 机床尺寸联系图俯视图蜗轮的设计采用圆弧圆柱蜗杆传动，其特点是：a.齿廓凸凹齿合的形式，而共轭曲面的当量曲率半径达。单位齿面压力小。因而接触强度得到提高。b.瞬时接触线方向与相对滑动速度方向的夹角比较大，有利于形成和保持共轭齿面间的动压油膜。能够减小磨损，提高传动效率及可高性c.基本齿廓为圆弧齿形，只要齿形参数选择合适，就能增大齿跟厚度，提高齿的弯曲强度和抗冲击能力。d.设计方便，工艺简单。制造加工无需特殊专用机床。e.采用蜗轮正变位，变位系数一般在0.5以上齿合性能好，能保证传动质量，当然也应该注意防止大变位引起的
12、理论齿合区减少，蜗轮齿面边切区扩大。以至齿顶尖等现象。总之它具有承载能力大，传动效率高。使用寿命长，重量轻，结构紧凑等优点。如图3-2所示：图3-2 圆弧圆柱蜗杆蜗轮的参数计算A.模数m和压力角通过蜗杆轴线并垂直蜗轮轴线的平面称中间平面。在中间平面上，蜗杆与蜗轮的啮合相当于齿条和齿轮啮合。阿基米德蜗杆传动中间平面上的齿廓为直线，夹角为2=40蜗轮在中间平面上齿廓为渐开线，压力角等于20。显然，蜗杆轴向齿距（相当于螺纹螺距）应等于蜗轮端面齿距，因而蜗杆轴向模数必等于蜗轮端面模数；蜗杆轴向压力角必等于蜗轮端面压力角，即=m， =。标准规定压力角=20。B.蜗杆标准直径为了保证蜗杆与蜗轮正确啮合，蜗
13、轮通常用与蜗杆形状和尺寸完全相同的滚刀加工。区别在于蜗轮滚刀有刃槽，且外径比蜗杆稍大，以便切出蜗杆传动的顶隙。也就是说，切削蜗轮的滚刀不仅与蜗杆模数和压力角一样，而且其头数和分度圆直径还必须与蜗杆的头数和分度圆直径一样。即同一模数蜗轮将需要有许多把直径和头数不同滚刀。为了限制滚刀数目和有利于滚刀标准化，以降低成本，特制定了蜗杆分度圆直径系列国家标准，即蜗杆分度圆直径与模数m有一定的搭配关系，由此可见，同一模数只有有限几种蜗杆直径。将蜗杆的分度圆柱展开，如右图所示。蜗杆同螺旋一样如果旋转一周的周长为其螺旋升角为，则沿轴线移动距离为（p为蜗杆轴向齿距）则可得： (3-1) (3-2) 式中q为蜗杆
14、分度圆直径与模数的比值，称为蜗杆直径系数，由上式可知，q值越小，即蜗杆直径越小，则升高越大，传动效率越高，但直径变小会导致蜗杆的刚度和强度削弱，设计时应综合考虑。一般转速高的蜗杆可取较小q值，蜗轮齿数较多时可取较大q值。C.蜗杆螺旋升角与蜗轮螺旋角一对蜗杆蜗轮啮合时，蜗轮螺旋角与蜗杆螺旋升角大小相等，且旋向相同，才能吻合一致，即=。D.蜗杆头数和蜗轮齿数蜗杆头数愈多，角愈大，传动效率高；蜗杆头数少，升角也小，则传动效率低，自锁性好。一般自锁蜗杆头数取=1。常用蜗杆头数=1、2、4，过多，制造高精度蜗杆和蜗轮滚刀有困难。蜗轮齿数=i。和推荐值。为了避免根切，不应少于26，但也不宜大于60-80。
15、过多时，会使结构尺寸过大，蜗杆支承跨距加大，刚度下降，影响啮合精度。E.传动比i和中心距a对于减速蜗杆传动 （3-3）式中：和分别为蜗杆和蜗轮的转速r/min。对于单级动力蜗杆传动，i=580，常用1550。普通圆柱蜗杆减速装置传动比i的公称值，推荐按下列数值送取：5；7.5；10；12.5；15；20；25；30；40；50；60；70；80，其中10；20；40和80为基本传动比，应优先采用。非变位的标准蜗杆传动的中心距为 （3-4）式中，为蜗轮分度圆直径， = m国家标准规定了中心距标准系列值：40506380100125160（180）200250. （280）. 315. 355. 400. 450. 500另外，为了配凑中心距，蜗杆传动常需要变位。所以取中心距a=100mm蜗杆头数Z1=3蜗轮齿数 Z2=31变位系数X2=0.5蜗杆传动的受力分析：蜗杆传动的受力分析与斜齿轮传动相似。通常不考虑摩擦力的影响。蜗杆传动
