辽宁工程技术大学目录前言 (1)1 国内外数控发展历史 (3)1.1国内外数控车床的研究状况与成果 (3)1.2数控刀架的发展趋势 (6)2 数控刀架整体方案设计 (8)2.1数控机床刀架应满足的要求 (8)2.2动力刀架的整体方案设计 (9)2.3数控机床刀架的类型 (10)2.4数控转塔刀架的开发应用 (12)2.5刀架的工作原理 (13)2.6刀架定位精度及重复定位精度 (15)3 数控机床自动回转刀架机构设计 (16)3.1步进电机的选用 (16)3.2.1 齿轮传动的分类和特点 (17)3.2.2 齿轮传动类型选择的原则 (18)3.3蜗杆及蜗轮的选用与校核 (18)- 1 -辽宁工程技术大学3.3.1选择传动的类型 (18)3.3.2选择材料和确定许用应力 (18)3.3.3按接触强度确定主要参数 (19)3.4蜗杆轴的设计 (21)3.4.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力 (21)3.4.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 (21)3.4.3 确定各轴段的直径和长度 (21)3.4.4蜗杆轴的校核 (22)3.4.5 键的选取与校核 (26)3.5蜗轮轴的设计 (27)3.5.1 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力 (27)3.5.2 按扭转强度，初步估计轴的最小直径 (27)3.5.3确定各轴段的直径和长度 (27)3.6中心轴的设计 (28)3.6.1 刀架轴的结构设计及计算 (28)3.6.2 确定各轴段的直径和长度 (28)3.6.3轴的校核 (30)3.7齿盘的设计 (30)3.7.1齿盘的材料选择和精度等级 (31)3.7.2 确定齿盘参数 (31)- 2 -辽宁工程技术大学3.7.3 按接触疲劳强度进行计算 (31)3.8轴承的选择 (33)3.8.1. 轴承内部结构 (33)3.8.2. 轴承分类与特点 (33)3.8.3 滚动轴承的配合 (34)3.8.4 滚动轴承的润滑 (35)3.8.5 滚动轴承的密封装置 (35)4．电气控制部分设计 (37)4.1硬件电路设计 (37)4.2.控制软件设计 (39)5 总结 (45)致谢 (46)参考文献 (47)附录A (49)附录Ｂ (60)- 3 -辽宁工程技术大学前言制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。

国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。

自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。

由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。

现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。

工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。

对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。

因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。

本课题数控机床刀架设计及运动控制，该刀架能够在一次装夹中完成多道工序，使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。

本次设计的主要内容为：1）数控机床动力转塔刀架总体布局设计；2）动力刀架传动部分设计；3）动力刀架分度机构设计；4）- 1 -辽宁工程技术大学动力刀架运动控制；刀架整体设计和刀架运动控制部分设计是这次设计中的重点内容，同时也是难点。

通过广泛查阅文献资料，参观数控车床实物样机以及与指导老师相互讨论等途径，拟定了如下的研究手段：回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作，刀架转位则由伺服电机来驱动。

刀盘转位动作的实现顺经以下步骤：数控系统发出刀盘转位的命令→伺服电机启动→涡轮蜗杆转动→刀架主轴转动→实现刀盘转位。

- 2 -辽宁工程技术大学1 国内外数控发展历史1.1 国内外数控车床的研究状况与成果本章重点介绍数控机床在国内外的发展情况，以及国内数控机床的发展趋势美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。

因其社会条件不同，各有特点。

美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。

因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。

由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。

当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。

从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。

德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。

，於1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。

企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。

德国的数- 3 -辽宁工程技术大学控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。

尤其是大型、重型、精密数控机床。

德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。

如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。

日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。

在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。

自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。

战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。

在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。

日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。

该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。

日本机械工业协会已制定2010至2025年机床技术革新战略，重点在强调网络连接加工型态、信息化/智能化对应技术、远距离诊断/控制、三维电脑辅助设计/电脑辅助制造（3DCAD/CAM）、环境调和、省能源、微小化、高精度、高速化对应技术等。

日本虽经历十年不景气，但机床厂对未来十年市场仍乐观。

各厂纷纷加强信息科技技术及网络应用、环境保护、人材培养、经营弹性、顾客满意度、收益能力等我国从1958年开始研究数控机床，一直到20世纪60年代中期还处于研制开发时期。

当时，一些高等院校，科研单位研制出试- 4 -辽宁工程技术大学- 5 -样样机，是从电子管起步的。

1965年，国内开始研制晶体管数控系统。

20世纪60年代末至70年代初研制成了圆锥数控铣床，数控非圆齿轮插齿机。

CIL —18晶体管数控系统及Z53K —1G 立式数控铣床。

从20世纪70年代开始,数控技术在车、铣 、镗、磨，齿轮加工，电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海，北京研制成功。

但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性,稳定性末行到解决，因此未能广泛推广。

20世纪80年代，我国从昌本发那科公司引进了3,5,6,7等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机等制造技术，以及引进美国GE 公司的MCI 系统和交流伺服系统，德国西门子VS 系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产.这些系统可靠性高，功能齐全。

与此同时，还自行开发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统(用于火焰切割机)和新品种的伺服电机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。

1985年，我国数控机床的品种有了新的发展。

数控机床品种不断增多，规格齐全。

许多技术复杂的大型数控机床，重型数控机床都相继研制出来。

为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造单元和柔性制造系统。

这个时期，我国在引进，消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。

一些较高档次的数控系统(5轴联动)，分辨率为0.02m μ的高精度数控系统，数字模仿型数控系统为柔性单元配套的数控系统都开发出来了，并造出样机。

我国的数控技术经过“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。

“十五”攻关开发的成果：华中I 号、中华I 号、航天I 号和蓝天I 号4种基本系统建立了具辽宁工程技术大学有中国自主版机的数控技术平台。

具有中国特色经济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的提高。

它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。

目前我国数控机床生产厂有100多家，生产数控机床配套产品的企业有300余家，产品品种包括八大类2000种以上。

目前已新开发出数控系统80余种，分为3种型级，即经济型，普及型和高级型。

“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种300余种，已有一定的覆盖面。

新开发的国产数控机床产品大部分达到期际上20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。

1.2 数控刀架的发展趋势随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电、液组合驱动和伺服驱动方向发展。

目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。

立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。