Φ600mm的数控车床总体设计及横向进给设计【毕业论文+CAD图纸全套】

购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 毕业设计说明书 设计题目 ： 600数控 车床 总体设计及 横 向进给设计 学 生 班 级 学 号 指导教师 继 续 教 育 学 院 二零一 三 年 十 月 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 要 全面阐述了数控 车 床 的结构原理，设计特点，论述了采用 伺服 电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控 车 床的结构设计及校核，并进行了分析。另外 汇总了有关技术参数。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。 关键词 ： 车 床 ， 数控 ，伺服 电机 ， 滚珠丝杠 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 of C In to on of of 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 录 摘 要 . . I 目 录 . 1 章 绪 论 . 1 控机床及其特点 . 5 控机床的工艺范围及加工精度 . 6 控机床加工工艺分析 . 6 控加工工艺的设计 . 7 析加工工艺路线 . 7 程原点的选择 . 7 拟仿真技术 . 7 控机床的精度影响及分析 . 8 隙误差的影响 . 8 的反向误差控制 . 9 控机床的经济分析 . 10 制系统的选择 . 11 择设计对象要适宜 . 12 床的机械设计范围要适当 . 12 助设计要合适 . 13 控机床的发展趋向 . 13 性化的发展趋势 . 14 性化是市场适应性发展趋势 . 14 放性是体系结构的发展趋势 . 14 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 . 16 体方案设计内容 . 16 统运动方式的确定 . 17 制方式的选择 . 17 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 体方案确定 . 17 统的运动方式伺服系统的选择 . 17 控系统 . 17 械传动方式 . 18 行性论证 . 18 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 . 19 学选择数控刀具 . 19 择数控刀具的原则 . 19 择数控车削用刀具 . 20 置刀点和换刀点 . 20 定切削用量 . 21 定主轴转速 . 21 定进给速度 . 21 定背吃刀量 . 21 第 4 章 600动系统图的设计 . 22 传动系统的设计要求 . 22 体设计 . 22 定传动方案 . 22 择电机 . 23 运动调速范围的确定、计算各轴计算转速、功率和转矩 . 26 速图 . 28 步带传动的设计和选定 . 28 系部件的结构设计 . 31 轴结构设计 . 31 I 轴结构设计 . 35 磁摩擦离合器的计算和选择 . 40 第 5 章 横 向进给伺服进给结构设计 . 42 已知技术参数 . 42 定脉冲当量 . 42 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 削力的 计算 . 42 滚珠丝杠的计算及选择 . 45 滚珠丝杠导程的确定 . 45 确定丝杠的等效转速 . 45 估计工作台质量及工作台承重 . 46 确定丝杠的等效负载 . 46 定丝杠所受的最大动载荷 . 47 选择滚珠丝杠型号 . 47 核 . 48 临界压缩负荷 . 48 临界转速 . 49 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 . 49 丝杠扭转刚度 . 50 动精度计算 . 51 伺服电机计算 . 52 电机的选择 . 53 第 6 章 单片机控制应用系统电路设计 . 54 件电路设计 . 54 控系统的硬件结构 . 54 控系统硬件电路的功能 . 54 于各线路元件之间线路连接 . 55 于电路原理图的一些说明 . 56 总 结 . 60 参考文献 . 61 致 谢 . 62 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 1 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 2 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 3 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 4 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 5 第 1 章 绪 论 控机床及其特点 数控机床与机床的区别 数控机床对零件的加 工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与机床相比，具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具 等加工业中得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 4. 高柔性 加工对象改变时 ，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为机床的 35 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6. 劳动条件好 机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。 7. 有利于管理现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大 ，使用费用高 9. 生产准备工作复杂 由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 6 控机床的适用范围 由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有： 批量小而又多次重复生产的零件； 几何形状复杂的零件； 贵重零件加工； 需要全部检验的零件； 试制件。 对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。 控机床的工艺 范围及加工精度 数控机床综合了精密机械、电子、电力拖动、自动控制、自动检测、故障诊断和计算机等多方面的技术，是典型的高精度、高效率及高柔性的机电一体化产品，近年 来我国的数控机床技术正处在突飞猛进的阶段，在数控机床的使用过程中，加工工艺和精度分析对于机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响，本文结合笔者 多年的操作经验，研究了数控加工工艺的主要步骤和精度研究中容易出现的问题以及解决方法。 控机床加工工艺分析 数控机床是是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其 他符号指令规定的程序，其数控加工工艺以自动化和高速精密性为 主。高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，数控机床的在机械加工中的作用更为突出。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、 发展而不断创新的一种应用技术，所谓数控加工工艺就是用数控机床加工零件的一种工艺方法。随着我国数控机床用户的不断增加，数控加工工艺在应用的领域的重 要性日益突出，数控加工工艺以改善加工性能和提高加工效率为主要发展方向，并将二者融合到控制程序之中，运用自动化控制系统的规范处理方式，融合多种加工 方法，以达到工 序集中的复合加工方式为目的，提供更高水平的加工技术，从而进一步推动数控技术在制造业中应用与发展。数控加工技术的地位如此重要就必须首 先了解数控加工工艺的主要特点和技术原则要求： (1) 数控加工的工艺内容要按照零件加工的要求进行工步细化，所以在进行施工的过程中必须要依据加工要求进行准确编程； (2) 数控加工工艺路线设计应合理，以保证数控机床的加工所产生的误差最小化； (3) 数控加工的工序相对集中，以购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 7 提高加工效率，对于复杂的加工过程，需要进行必要的数控仿真技术支持。 控加工工艺的设计 数控机床有着高 度的自动化特点，其加工工艺要依靠数控模块对设计好的程序进行实施，因此要求加工的工艺线路在规划时必须精准，同时要把握好加工程序的编 制，因为编程函盖了数控机床加工的重要内容，也是其工艺质量得以保证的重要指标。对于数控机床来说，必须先有合理有效的编程工艺路线设计，然后才能保证加 工工艺进程的完整。 析加工工艺路线 数控机床的加工工艺路线设计要考虑到具体的加工环节，尤其是对数控镗车床的加工环节更要重视，要根据具体情况做出明确的分辨。在数控车、镗车床或加工中心 上加工有同轴度要求的内、外圆柱面或端面与外 圆、内孔有垂直度要求时，均应在一次装夹中完成。在数控镗车床或加工中心上加工有孔与端面有垂直度要求或平面 与平面有位置精度要求时，应注意尽可能在一次装夹中完成。 程原点的选择 编程原点的设计基础和工艺基准尽量重合，避免产生尺寸链误差及不必要的尺寸换算。设定的编程原点应使工件容易找正，方便对刀，编程简便，有利于编程数值 的计算。对称零件的编程原点应选在零件的对称中心。在加工零件上的工件原点应容易准确的确定，尽可能使加工余量均匀。例如：以孔定位的零件，应以孔的中心 作为编程原点，对于一些形状不规则的零 件，可在其基准面 ( 或线 ) 上选择编程原点，当加工路线呈封闭形式时，应在精度要求较高的表面选择编程原点 ( 或加工起始点 )。 拟仿真技术 智能化模拟仿真技术，可以通过对数控机床的加工工艺路线进行仿真模拟而得出适合加工的一种软件控制手段，结合运用成组技术可以提高数控加工编程效率。例 如：根据其外形结构、技术要求和加工方法的相似性，把零件分成若干组，在每一组零件中选出一个代表性零件 ( 它可以是实际存在的，也可以是假想的，但必须包括组内所有零件的加工要素 )，根据这个代表零件模拟出一套典型的工艺规程，选定和 设计一组机床及工艺设备， 并把它们组成一个专门的加工设计，如果模拟仿真技术成功就只需要略购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 8 微做一下调整，便可以进行加工生产。例如，运用奥匹兹分类方法拆分代号为 12031 的零件结构，如图 1 所示。该零件是一个回转体零件， 所以第一位数是 1；一端有台阶，并有紧固螺纹，所以第二位数是 2；无内孔，所以第三位数是 0；需要加工键槽，所以第四位数是 3；有四个轴向孔，与其他要素 无位置要求，所以第五位数是 1。按成组方式来组织零件生产时，首先按照零件的结构特征、工艺特征以及加工设备的特征，将各种零件进行分组、归类与编码，然后 建立每类零件的典型图库和成组加工工艺库。 控机床的精度影响及分析 数控机床的加工精度目前已经有了高速的发展，数控机床的加工精度已从原来的丝级 (提升到目前的微米级 (而超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到 右，形状精度可达 右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级 (可以说，数控机床的精度已经进入亚微米、纳米级超精加工时代。在这样高精密 度要求下，必须要把握数控机床的精度分析，保证不会出现由于操作问 题而导致的精度误差。 隙误差的影响 进给机构的机械传动机构由减速齿轮、连轴节、滚珠丝杠副及支承轴承组成。在这些机构的组成之中，如果出现一定的连接不稳定就会导致间隙的产生，产生的间隙 就会改变整体的加工环节误差。滚珠丝杠与螺母之间的间隙直接影响工作台的进给精度。设滚珠丝杠与螺母之间的间隙为 反转时造成工作台进给误差 1=仅如此，丝杠螺母副的间隙还影响丝杠螺母副的刚度，进而影响工作台进给精度。针对这些误差问题必须要转变为自动化操作控制方式，在机械换向 时，对换向时间和换向方式做出改 变。而对于滚珠丝杠与螺母之间间隙的消除方法，要重视对间隙的偏差测定，通过反复的间隙测量来确定出具体的偏差基数，要求 测出机床各轴的各项原始误差，比较成熟的测量方法是激光干涉仪，测量精度高。用双频激光干涉仪进行误差测量，需时间长，对操作人员调试水平要求高，主要是 对误差测量环境要求高，常用于三坐标测量机的检测，不适宜生产现场操作。相对误差分解、合成补偿法，测量方法相对简单，一次测量可获得整个圆周的数据信 息，同时可以满足机床精度的检测和机床评价。目前也有不少的误差分解的方法，由于机床情况各异，难以找到合适的通 用数学模型进行误差分解，并且对测量结果 影响相同的原始误差项不能进行分解，也难以推广应用。测定之购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 9 后要再将这种基数输入到程序控制之中，这样就可以最大限度地保证数控程序进行时的偏差数据最小 化，做到补偿适当。具体的补偿方法如下： (1) 备份 制系统中的已有补偿参数； (2) 由计算机产生进行逐点定位精度测量的机床 序，并传送给统； (3) 自动测量各点的定位误差； (4) 根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数，并传送给 统，螺距自动补偿完成； (5) 重复进行精度验证。除此之外，对于脉 冲当量补偿就是指每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量它的大小视机床精度而定，一般为 冲当量影响数控机床的加工精度，它的值取得越小，加工精度越高。当然，数控机床的误差调正有两种方法，一种是靠数控系统补 偿，一种是调整机械部分，如果对于数控系统来说进行数控补偿程序会十分复杂困难，那么就可以通过调整丝杠间隙进行消除。 的反向误差控制 机床的动态精度，即机床各轴的定位精度 P、重复定位精度 反向误差 U 等指标。它们是以 方法进行检测。考核 数控机床的定位精度 P 是用以下公式进行计算 “P=6+L/300”式中 L 代表数控机床坐标轴的长度。针对数控机床的定位精度来说，应该是与机床的动态精度有着密切的利害关系。其中，反向偏差的测定方法：在所测量坐标轴的行程 内，预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准，再在同一方向给予一定移动指令值，使之移动一段距离，然后再往相反方向移动相同的距离，测量停止 位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定 ( 一般为七次 )，求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为反向偏差测量值。 在测量时一定要先移动一段距离。如：数控车轮车轴专用外圆，在磨削工件 的R 与外圆直径交界处后，发现有明显的过渡不圆滑痕迹。那么在处理这类问题的时候，就要考虑该设备在磨削工件时，采用宽砂轮一次性切入磨削，砂轮修正器的金钢 石笔安装在工作台上，利用工作台 Z 轴和砂轮架 X 轴的复合插补运动，使砂轮的形状与精度修正成与工件完全一样，再用修正好的砂轮磨削工件。由于该工件外圆形状的特殊性，需要 X 轴有正负方向的运行，在检查时发现 X 轴和 Z 轴均有明显的反向间隙存在，使砂轮修正作反向运行时二轴有瞬间停顿现象的出现，造成轮修 圆弧连接处有痕迹，最终使该现象发生在砂轮磨削工件的表面上。由于 丝杠螺母副之间的间隙存在，当工作台反向时，必产生反向间隙误差而影响到工作台送料定位精度。丝杠螺母副之间的间隙具有两个特点： (1) 具有相对的稳定性，即在一定范围内间隙是一个常数； (2) 随着机购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 10 械传动的磨损而相应增加。因此，在控制过程中可以预先测出其间隙，利用反向间隙的统计平均值，对其产生的定位误差进行软件补偿。在软件设计时，只需 设计一方向寄存器，用来判断工作台是否换向，采用不换向不补偿，每换向一次补偿一次来消除丝杠螺母的反向间隙误差。 总之， 对于数控机床的加工工艺和精度分析来说，都必须要把握技术尺度，将合理地操作原理运用到具体的加工环节中去，从数控机床的加工工艺来说，要重视有关 影响数控机床加工工艺的若干问题，结合具体的工艺加工情况，采用理论联系实际的操作方法，在编程过程中保证精准、细致，对出现的问题也要及时进行分析、总 结，确保整个加工工艺路线合理，以能够有加工出色的产品为最终目的。从数控机床的精度分析来看，要重视研究提高数控机床加工精度的方法，首先要对加工设备 产生误差原因和影响进行合理地剖析，研究影响数控机床精度的因素，找出间隙误差和反向 误差的处理方法，开展定位精度的测量。对于数控机床的工艺和精度控制 来说要依靠数控编程和仿真技术的完善以及具体操作的合理，来进行合理有效的机床工艺控制，保证利用现今的数控技术来确保加工工艺和精度更加完美，以达到延 长数控机床使用寿命，提供加工产品优秀性的目的。 控机床的经济分析 由于历史的原因，我国加工设备多，数控加工设备少；老设备多，新设备少。许多企业的机床精度差、故障率高。通过机床数控设计使机床不仅具有好的加工精度，而且还具有数控机床的功能。对于中小型企业，没有足够的资金来购买全功能的数控机床，但 是使用单板机控制步进电机的经济型开环数控机床，具有花钱少、见效快的特点。采用经济型数控技术改装加工批量零件的机床非常合适。微机技术实现机床简易数控的工作原理采用微机技术实现机床简易数控的装置，主要由单板机、控制程序、零件加工程序、驱动电源装置，收发信板、功率步进电机等部件组成。 图 济型数控车床的系统装置框图。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 11 在图 示的系统装置中，单板机在控制程序的控制下，可以使数控系统具有直线插补和圆弧插补加工工件轮廓的功能；具有进给速度控制和快速回零的功能；具有刀具补偿和反向间隙补偿的功能，以及其它 多种功能。当零件加工程序给出具体的位移尺寸、位移方向和进给速度后，控制程序就会通过单板机按照所输入的零件加工程序发出一系列的脉冲信号。经隔离放大以后，分别驱动 向和 向功率步进电机，使刀架按照要求的方向、速度和位移量实现纵向和横向运动。从而构成了一个经济型开环数控系统。用微机技术实现机床简易数控优化方案的确定原则 制系统的选择 目前数控系统的类型较多，选择前应对被设计机床的功能有个充分了解，再依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择数控系统。其中和单片机数控系统是用得较多的两种系统。系统的核心 是系列的单片微机。它用三路驱动电路，分别控制、和向步进电动机，它进行机床的位移运动，并能实现任意二坐标联动或三坐标联动。单片机是系列微机的典型产品，其硬件功能远远高于单板机，尤其适合实时控制、智能仪表、自动机床，是控制类型领域中最理想的八位微型计算机，在全世界都得到广泛应用。数控装置是三坐标（车床）数控系统，它用国际标准代码进行编程，除了能执行本身的编程指令外，还能执行二坐标机床数控系统的编程指令，而且三坐标系统的各种操作方法（如输入、修改、删除及运行加工程序）相同于二坐标系统。 选择控制系统时应该注意以下 几方面的问题： （ 1）在资金充足的情况下，尽量选用质量好的产品。因为此类数控系统零件筛选严格，制造工艺规范可靠，能很好地预防电器元件的故障或提前失效引起的设备故障。 （ 2）应该注重数控功能的选择，不应单纯追求数控系统的高性能指标，这对实现较高的性能价格比非常重要。 （ 3）数控系统所具有的功能要与准备设计的数控机床所能达到的功能相匹配，尽购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 12 量减少过剩的数控功能。 择设计对象要适宜 采用微机数控机床加工零件，必须首先编制出加工程序。通常适宜于加工具有一定批量的相类似零件。因此，在选择适宜于进行设计的 机床时，首先必须对各类机床的零件加工情况进行调查研究，分类统计，看零件有无批量，看各类批量主要在哪种机床上进行加工，以及在哪种型号的机床上进行加工，这样才能确定出设计对象。一般中小车床上的工件总是比较饱满，成批量的零件也比较多。因此，用微机技术把中小车床设计成经济型数控车床比较适宜。对于一些中小型企业，为了充分发挥车床的作用，更需要经过设计的车床。这样既能用数控系统加工批量零件，又具有卧式车床的功能，以适于加工单件零件。对于一些形状复杂的零件，机床往往难于加工成形。如果采用机械仿形的方法进行加工，在不成批量 的情况下很不合算。这时，用微机技术设计机床，就可以使问题得到解决，明显提高企业加工能力。编程要比制作靠模容易得多，灵活得多。用数控机床加工形状复杂的零件是非常适宜的。 床的机械设计范围要适当 机床设计范围的大小，应根据机床自身精度及性能来决定。以卧式车床为例加以说明。对于旧车床的设计范围，一般都是把原来的机床进给传动系统，由主轴箱通过挂轮箱带动进给变速箱，将运动传给光杠或丝杠。然后再驱动溜板运动的传动过程，设计为由功率步进电机通过消隙减速齿轮，直接带动滚珠丝杠，使刀架分别实现纵向运动和 横向运 动，进行两个坐标的控制。对于精度符合要求的车床，为了实现简易数控设计，一般都是对车床的部件基本不动，只是把床鞍的纵向滑动丝杠副设计为纵向滚珠丝杠副。在纵向滚珠丝杠的右端安装一套消隙减速箱和功率步进电机。同时也把中滑板的横向滑动丝杠副设计为横向滚珠丝杠副，在横向滚珠丝杠的外端安装一套消隙减速箱和功率步进电机，从而使车床的纵向和横向运动既能用微机系统进行控制，又能由操作者进行操作。在机床设计过程中，只要把溜板箱中的开合螺母及中滑板上的滑动螺母拆除，在合适的位置上安装好滚珠螺母座即可。在电气控制方面，为了避免数控 操作与操作相干涉，发生操作失误现象，必须有电气连锁开关控制操作转换。对于全新或较新车床，在进行简易数控设计时，一般都是全部保留机床的零部件。直接把消隙减速箱和功率步进电机分别按装在纵向滑动丝杠的右端和横向滑动丝杠的外端。从而也可以使车床同时购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 13 具有操作功能和简易数控功能。 助设计要合适 如果在设计后的简易数控车床上，采用一把刀可以完成全部车工工序，就没有必要对刀架进行设计。但有时会出现一个工件需要两把刀或几把刀来分别完成两个或几个工序的情况，这时可根据每把刀的使用情况，分别进行编程，通过一个程序， 使用一把刀，来完成一个工序。使原来操作使用的刀架在数控操作时也可以使用。这样，根据设计后车床的主要加工对象，确定刀架是否需要进行设计，可以使设计费用使用得更加合理，避免发生设计过剩现象。如果设计后的简易车床，主要用来加工比较复杂的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部车工工序，就必须对刀架部件进行设计。一般可采用安装有四把刀、由鼠牙盘定位、进行绝对刀位控制的自动回转刀架比较合适。重复定位误差可小于 ，精度持久性比较好。这种刀架出厂时，就规定了刀号位置。当需要几号刀在加工位置时，只需对该刀控制信号口发出信号，刀 架就会自动转到需要的位置。设计后的简易数控车床需要加工螺纹时，可以在主轴后端同轴安装或异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元件