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【JX16-12】CK7815型数控车床的床鞍设计与仿真(二维+三维+论文)

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【JX16-12】CK7815型数控车床的床鞍设计与仿真(二维+三维+论文)
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X轴滚珠丝杠.SLDPRT
X轴滚珠丝杠法兰.SLDPRT
X轴滚珠丝杠滑块1.1.SLDPRT
X轴滚珠丝杠滑块1.SLDPRT
X轴滚珠丝杠螺母副1.SLDPRT
X轴滚珠丝杠轴套1.SLDPRT
X轴滚珠丝杠轴套2.SLDPRT
X轴滚珠丝杠轴套3.SLDPRT
Z轴丝杠.SLDPRT
Z轴丝杠法兰1.SLDPRT
Z轴丝杠法兰2.SLDPRT
Z轴丝杠轴套1.SLDPRT
Z轴丝杠轴套2.SLDPRT
Z轴滚珠丝杠支座1.SLDPRT
Z轴滚珠丝杠支座2.SLDPRT
Z轴滚珠丝杠支座2组件.SLDASM
Z轴滚珠丝杠支座组件.SLDASM
Z轴滚珠丝杠法兰.SLDPRT
Z轴滚珠丝杠螺母副1.SLDPRT
丝杠螺母座.SLDPRT
丝杠螺母座A1.DWG
小拖板.SLDPRT
尾座轴套.SLDPRT
尾座首轮.SLDPRT
尾架体.SLDPRT
床身.SLDPRT
床身A0.dwg
床鞍总装.SLDASM
床鞍总装图A0.dwg
手把.SLDPRT
燕尾导轨.SLDPRT
罩.SLDPRT
螺杆.SLDPRT
钣金.SLDPRT
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JX16-12 【JX16-12】CK7815型数控车床的床鞍设计与仿真二维+三维+论文
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【JX16-12】CK7815型数控车床的床鞍设计与仿真(二维+三维+论文),JX16-12,【JX16-12】CK7815型数控车床的床鞍设计与仿真二维+三维+论文
内容简介:
摘 要随着机械制造业的飞速发展,为进一步提高教学生产类中小型数控车床的性价比,提高主轴转速,增加机床刚性,对原有的数控车床作了一定的结构改进设计,使之不仅能满足教学用途外还能用于生产实际上半精、精加工。设计的内容为主要介绍了数控机床的现状及发展趋势,数控机床的概述和分类等,主要设计为CK7815车床床鞍部件设计,首先是主要动力参数的确定,主运动功率确定和切削量的选择,切削功率的选择等,进给驱动部件的设计,滚珠丝杠的选用,之后对其进行校核,介绍了导轨、导轨架及床身的设计。对导轨架的尺寸进行了估算。完成了进给驱动的相关设计问题,能满足教学生产类中小型数控车床加工相关零件的要求,同时该机床也有较好的性价比,有一定的应用价值。 关键词:数控车床,床鞍,滚珠丝杠 IIIAbstractWith the rapid development of mechanical manufacturing industry,to further improve the teaching production in small CNC lathe price,improve the spindle speed,increases the rigidity of the machine tool,on the original CNC lathe made certain structure improvement design,so that it can not only meet the teaching purposes can also be used in the production of actually semi finishing and finish machining.Design the content is mainly introduced the status quo and development trend of CNC machine tools,overview and classification of the NC machine tool,mainly design of CK7815 lathe saddle part design,first of all is determination of the main dynamic parameters,determination of main motor power and cutting the amount of choice,and selection of cutting power,feed drive components design,the selection of ball screw. After the check and introduces the design of guide rail and a guide frame and bed. The size of the guide rail is estimated.The design of the feed drive is completed,which can meet the requirements of small and medium-sized CNC lathes in teaching and production. The machine tool has a good price performance,and it has a certain application value. Key Words:CNC lathe, bed saddle, ball screw目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 选题的背景、目的和意义11.1.1 数控机床简介11.1.2 主要工作及结构11.2 数控机床概述21.2.1 数控机床定义21.2.2 数控机床组成及特点21.3 数控未来发展趋势41.3.1继续向开放式的第六代方向发展41.3.2向高速化、高精度化和智能化方向发展4第2章 数控车床总体方案确定52.1数控车床总体布局概念52.2数控车床布局结构特点62.3影响数控车床布局的因素62.4 CK7815数控车床布局方案确定7第3章 床鞍部件传动功率的计算83.1 数控机床进给传动系统要求83.2 计算进给部件传动功率理论基础93.3进给部件传动功率和扭矩计算103.3.1 Z轴进给方向计算123.3.2 X轴进给方向计算13第4章 滚珠丝杠及导轨、床身等设计及校核154.1 横向进给系统设计计算154.2 纵向进给系统计算174.3 静载强度计算204.4 滚珠丝杠支撑方式214.5 导轨设计234.5.1 滑动导轨类型234.5.2 燕尾导轨设计244.5.3 滑动导轨间隙调整机构274.5.4 滑动导轨润滑274.6 导轨架设计274.6.1 导轨架结构274.6.2 导轨架长度确定274.6.3 导轨架宽度确定284.7 床身设计28第5章 CK7815数控车床床鞍主要零件三维造型295.1 软件概述295.2 床身造型295.3 电机建模305.4 丝杠螺母座建模315.5 丝杠螺母座建模315.6 基于SolidWorks的车床床鞍装配325.7车床床鞍二维装配图33第6章 结论34参考文献35致 谢36 第1章 绪论1.1 选题的背景、目的和意义1.1.1 数控机床简介随着科学技术的发展,机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短,从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业,用普通机床进行加工(精度低、效率低、劳动度大)已无法满足生产要求,从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统(数控系统)的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码,或其他符号编码指令(刀具移动轨迹信息)规定的程序。具体地讲,把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置,经过译码、运算,从而实现控制刀具与工件相对运动,加工出所需要的零件的机床,即为数控机床1。随着工业生产社会化、专业化、集中化、高度机械化乃至自动化的步伐的加快,机械制造业对数控机床的要求也越来越向高精度、高稳定性、高生产率、高适应性方向发展。为进一步提高我国数控机床技术,对于教学类数控机床在保持原有的小型化基础上,提高转速也显得越来越重要了。毕业设计课题CK7815数控车床来源于南京迈顺数控新技术有限公司即原来的江苏东方数控有限公司的。原东方公司主要从事于教学实验台和教学用小型数控机床的生产,产品结构和功能单一不利于市场竞争。公司为了扩大产品结构,增强市场的竞争力除整合保留原有的教学用相关设备,同时面向生产型的企业这块市场需要,新公司现在又开发了新的产品系列,生产中小型数控机床(主要是车、铣及加工中心)。此次我们主要从事小型中高速数控车床的设计。1.1.2 主要工作及结构毕业设计主要设计数控车床机械本体部分,其中主要完成机床本体的设计、进给驱动部件及主要零部件的设计。在此次设计中,主要讲述了数控机床概述,从数控机床的分类与发展方面以及其在先进制造业中的作用进行了细致的介绍。简单介绍了数控车床的结构特点及总体布局对机床的影响。主要介绍了机床主参数的计算,如切削用量的选择、切削力的计算、进给驱动部件的计算等。其中主要进行了主电机的选择。是滚珠丝杠的选用及校核,主要叙述了滚珠丝杠的型号、滚珠丝杠螺母副的预紧方式以及滚珠丝杠的安装方法,此后对所选的滚珠丝杠进行了校核。介绍了导轨、导轨架及床身的设计。对导轨架的尺寸进行了估算。由于时间较短,本文主要讨论的是关于数控机床床鞍部件的设计。对于数控车床电气设备只是在设计过程中有初步的了解,本文没有深入讨论此方面的问题。1.2 数控机床概述1.2.1 数控机床定义数控即数字控制(Numerical Control,NC)。数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。数控机床,简单的说,就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示,把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统,数控系统经过译码、运算以及处理,发出相应的动作指令,自动地控制机床的刀具与工件的相对运动,从而加工出所需要的工件1。实际上,数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。所以说数控机床是最典型的机电一体化产品。1.2.2 数控机床组成及特点数控机床主要由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成。其中,程序介质用于记载机床加工零件的全部信息。如零件加工的工艺过程、工艺参数、位移数据、切削速度等。常用的程序介质有磁带、磁盘等。也有一些数控机床采用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接输入或通过串行接口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。在计算机辅助设计与计算机辅助制造(CAD/CAM)集成系统中,加工程序可不需要任何载体而直接输入到数控系统。数控装置是控制机床运动的中枢系统,它的基本任务是接收程序介质带来的信息,按照规定的控制算法进行插补运算,把它们转换为伺服系统能够接收的指令信号,然后将结果由输出装置送到各坐标控制的伺服系统2。伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成,是数控系统的执行部件。它的基本作用是接收数控装置发来的指令脉冲信号,控制机床执行部件的进给速度、方向和位移量,以完成零件的自动加工。通常数控系统由数控装置和伺服系统两部分组成,各公司的数控产品也是将两者作为一体的。机床主体也称主机,包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件,如底座、立柱、滑鞍、工作台(刀架)、导轨等。数控机床与普通机床不同,它的主运动和各个坐标轴的进给运动都是由单独的伺服电动机驱动,所以它的传动链短、结构比较简单。为了保证数控机床的快速响应特性,在数控机床上还普遍采用精密滚珠丝杠副和直线滚动导轨副。在加工中心上还配备有刀库和自动换刀装置。同时还有一些良好的配套设施,如冷却、自动排屑、自动润滑、防护和对刀仪等,以利于充分发挥数控机床的功能。此外为了保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工,数控机床的其他机械结构也产生了很大的变化。本次设计即主要完成机床主体部分的设计。数控机床与普通机床加工零件的区别,在于数控机床是按照程序自动加工零件,而普通机床由工人手工操作来加工零件。在数控机床上只要改变控制机床动作的程序,就可以达到加工不同零件的目的。由于是一种程序控制过程,数控机床相应形成了以下几个特点。(1)采用数控机床可以提高零件的加工精度、稳定产品的质量。因为数控机床按照预定的加工程序进行加工,加工过程中消除了操作者人为的操作误差,所以零件加工的一致性好,而且加工精度还可以利用软件来进行校正补偿,因此可以获得比机床本身所能达到的精度还要高的加工精度及重复定位精度。(2)数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的具有复杂曲面的零件的加工。因此它在航空航天、造船、模具等加工业中得到广泛应用。(3)采用数控机床比普通机床可以提高生产效率23 倍,尤其是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。(4)可以实现一机多用。一些数控机床将几种普通机床功能合一,加上刀库与自动换刀装置构成加工中心,如果能配置数控转台或分度转台,则可以实现一次安装、多面加工。(5)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。1.3 数控未来发展趋势1.3.1继续向开放式的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统。远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍5。1.3.2向高速化、高精度化和智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度将不断提高。 (1)应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数,达到改进系统运行状态的目的。 (2)引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中,以工艺参数数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。 (3)引入故障诊断专家系统 (4)智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行。37第2章 数控车床总体方案确定2.1数控车床总体布局概念数控机床是一种全自动化的机床,但是像装卸工件和刀具(加工中心可以自动装卸刀具)、清理刀屑、观察加工情况和调整等辅助工作,还得由操作者来完成,因此在考虑数控机床总体布局时,不仅要遵循机床布局的一般原则,还要考虑在使用方面的特定要求:(1) 数控机床的布局首先要满足用户提出来的要求,如机床的加工范围,工作精度,生产效率和经济性等等。(2) 确保在加工过程中工件和刀具之间的相对位置和相对运动。在经济、合理的条件下,尽量采用较短的传动链,简化机构,提高传动精度和传动效率。(3) 确保数控机床具有大的切削率,高的静、动态刚度和良好的抗振性能(4) 确保数控机床具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性(5) 便于同时操作和观察,数控机床的操作按钮开关都放在数控装置上,对于小型数控机床,将数控装置放在机床的近旁,操作者一边在数控装置上进行操作,一边观察机床的工作情况,还是比较方便的。但是,对于尺寸较大的机床,这样的布局方案,因工作区与数控装置之间距离较远,使操作者的操作与观察会有顾此失彼的问题,因此,要设置吊挂按钮站,可由操作者移至需要和方便的位置,对机床进行操作和观察。对于重型数控机床这一点尤为重要,在重型数控机床上,总是设在接近工作区域并可以随工作区变动而移动的操作台或数控装置放在操作台上,以便同时操作和观察。(6) 刀具、工件装卸、夹紧方便,除了自动换刀的加工中心机床以外,数控机床的刀具和工件的装卸和夹紧松开,都是由操作者来完成的,要求易于接近装卸区域,而且安装装夹机构要省力简便。(7) 数控机床的效率高、切屑多,所以机床结构的布局要便于排屑和冷却。(8) 体积小,重量轻,节省原材料,成本要低,缩小机床的占地面积,外形要美观。这次设计的CK7815数控车床,采用普通车床最常用的卧式布局形式。2.2数控车床布局结构特点数控车床的床身结构和导轨有很多种形式,主要有水平床身、倾斜床身以及水平床身斜滑板等。一般中小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构。因为这种布局结构具有机床外形美观,占地面积小,易于排屑和冷却液的排流,便于操作者操作与观察,易于安装上下料机械手,实现全面自动化等特点。倾斜床身还有一个优点是可采用封闭截面整体结构,以提高床身的刚度。床身导轨倾斜角度多为45、60和70,但倾斜角度太大会影响导轨的导向性及受力情况。水平床身加工工艺性好,其刀架水平放置,有利于提高刀架的运动精度,但这种结构床身下部空间小,排屑困难。床身导轨常采用宽支撑V平形导轨,丝杠位于两导轨之间。数控车床多采用自动回转刀架来夹持各种不同用途的刀具,受空间大小的限制,刀架的工位数量不可能太多,一般都采用6、8、10或12。数控车削中心是在数控车床的基础之上发展起来的,一般具有C轴控制,在数控系统的控制下,实现C轴Z轴插补或C轴X轴插补。它的回转刀架还可以安置动力刀具,使工件在一次装夹下,除完成一般车削外,还可在工件轴向或径向等部位进行钻铣等加工。2.3影响数控车床布局的因素(1)工件的形状、尺寸和质量随着工件尺寸、形状和质量的变换,数控车床的布局可有卧式车床、落地车床、单立柱立式车床、双立柱立式车床和龙门移动式立式车床的变化。当工件的直径1250mm时,可用普通卧式车床加工;当工件直径mm时,采用单立柱立式车床加工;当工件直径为25008000mm时,采用双立柱立式车床加工。根据以上要求以及任务书中给定的数据(床鞍上最大加工直径260mm),综合考虑,本次设计的CK7815数控车床采用卧式普通车床的形式。(2)车床的生产率要求随着生产率要求的不同,数控车床的布局可以产生单主轴单刀架、单主轴双刀架、双主轴双刀架等不同的结构变化。本次设计的CK7815数控车床是小型的数控车床,它的生产率不是很高,因此,这次的数控车床采用单主轴单刀架的形式。(3)机床精度随着机床精度的不同,数控车床的布局要考虑到切削力、切削热、和切削振动的影响。要是这些因素对精度影响最小,机床的布局就要考虑都各部件的刚度、抗振性和在受热时使得热变形的影响在不敏感的方向。由此可看出,在卧式数控车床的布局中,刀架和导轨的布局已成为重要的影响因素。刀架和导轨的位置较大的影响了机床和刀具的调整、工件的装卸、机床操作的方便性以及机床的加工精度。数控车床的床身和导轨的布局主要有水平床身、倾斜床身、水平床身斜滑板、立式床身等,如图3-1所示。其中平床身的加工工艺性好,部件精度容易保证。另外,平床身机床工件重量产生的变形方向向下,它与刀具运动方向垂直,对加工精度的影响较小。虽然操作、防护性能稍差,但其敞开面宽,起吊容易,装卸比较方便。在本次设计中,根据客户要求,CK7815采用平床身平滑板式。2.4 CK7815数控车床布局方案确定这次设计的CK7815数控车床是在做了周密和必要的调查研究后和满足用户提出的要求的前提下,查阅了大量的设计手册、相关的书籍和参考了同类型数控车床的设计实例而设计的。根据上面提到的数控机床的布局原则和影响布局的因素,则CK7815数控车床采用卧式车床的布局形式。床身的左端是主轴箱,V带传动。主轴是由变频电动机驱动。机床可以无级调速和恒线速度切削。主轴前端采用莫氏3号锥度。主轴支撑轴承为角接触球轴承以保证主轴的刚度和精度。主轴面对操作者,便于装卸工件。数控车床的Z轴和X轴都是采用电机和滚珠丝杠直接连接的形式。脉冲编码器与主轴相联。第3章 床鞍部件传动功率的计算床鞍系统主要包含工作台的进给运动,机械传动结构是伺服进给系统,主要由传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件组成,它是实现成形加工运动所需的运动及动力的执行机构。由于数控机床的进给运动是数字控制的直接对象,被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。3.1 数控机床进给传动系统要求为了确保数控机床进给传动系统的传动精度和工作平稳性,在设计机械传动装置时,应注意以下要求。(1) 提高传动精度和刚度。数控机床本身的精度,尤其是进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用,是数控机床的特征指标。为此,首先要保证各个传动件的加工精度,尤其是提高滚珠丝杠螺母副(直线进给系统)、蜗杆副(圆周进给系统)的传动精度。另外,在进给传动链中加入减速齿轮以减小脉冲当量(即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离),从系统设计的角度分析,也可以提高传动精度;通过预紧传动滚珠丝杠,消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法,来提高传动精度和刚度。(2)减少各运动零件的惯量。传动件的惯量对进给传动系统的启动和制动特性都有影响,尤其是高速运转的零件,其惯量的影响更大。在满足传动强度和刚度的前提下,尽可能减小执行部件的质量,减小旋转零件的直径和质量,以减少运动部件的惯量。(3) 减少运动件的摩擦阻力。机械传动结构的摩擦阻力,主要来自丝杠螺母副和导轨。在数控机床进给传动系统中,为了减小摩擦阻力,消除低速进给爬行现象,提高整个伺服进给系统稳定性,广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨等。(4)响应速度快。所谓快速响应特性是指进给传动系统对输入指令信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。快速响应是伺服进给系统的动态性能,反映了系统的跟踪精度。工件加工过程中,工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令,在运行时不出现丢步和多步现象。进给传动系统响应速度的大小不仅影响到机床的加工效率,而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值,以提高伺服进给系统的快速响应性。(5) 较强的过载能力。由于电动机频繁换向,且加减速度很快,电动机可能在过载条件下工作,这就要求电动机有较强的过载能力,一般要求在数分钟内过载46 倍而不损坏。(6) 稳定性好,寿命长。稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本条件,特别是在低速进给情况下不产生爬行,并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性、刚度、阻尼及增益等都有关系,适当选择的各项参数,并能达到最佳的工作性能,是伺服进给系统设计的目标。所谓伺服进给传动系统的寿命,主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短,即各传动部件保持其原来制造精度的能力。为此,应合理选择各传动部件的材料、热处理方法及加工工艺,并采用适当的润滑方式和防护措施,以延长其寿命。(7)使用维护方便。数控机床属于高精度自动控制机床,主要用于单件、中小批量、高精度及复杂的生产加工,机床的开机率相应就高,因而进给传动系统的结构设计应便于维护和保养,最大限度地减少维修工作量,以提高机床的利用率。3.2 计算进给部件传动功率理论基础在进给传动和主传动共用一个电机的通用机床上,如普通车床和钻床,由于进给传动所消耗的功率与主运动相比是很小的,因此在一般情况下是可以忽略进给所需要的功率的。在进给运动与空行程传动共用一个电机的机床上,如升降台铣床,也不必单独考虑进给所需要的功率,因为使升降台快速移动所需要的空行程传动功率比进给传动带来的功率要大的多。对于进给方向的传动采用单独电动机驱动的机床,都需要确定进给传动所需要的传动功率,因此在本次设计的CK7815数控车床中在进给驱动的Z轴和X轴方向是通过采用两个单独的电机来驱动的,所以对于这次设计的进给传动系统是需要进行传动功率的计算的。通过实用机床设计手册10第P497页的内容可以知道,进给方向的传动功率是由进给牵引力、进给速度和机械效率来决定,则三者之间的关系为: ( 公式9)进给牵引力是与导轨有关系的,对于导轨的选择在这里不进行详细的叙述,这方面的内容会在后面进行详细的讲解,因此这里只使用现成的结果。CK7815数控车床采用滑动导轨,横向导轨采用矩形三角形导轨,径向导轨选用燕尾槽形。通过机床设计手册第三部 部件、机构及总体设计 表6.2-34水平导轨的反力和牵引力计算可知:矩形三角形导轨牵引力的计算公式为: (公式10)燕尾形导轨牵引力的计算公式为: (公式11)式中: G移动部件的重力,单位为N; 当量摩擦系数; 考虑倾覆力矩影响系数; 、切削分力,单位为N,其中为沿进给方向的分力;在正常润滑的情况下,k和f可取如下的数值:矩形三角形: k=1.11.15; f=0.150.18;燕尾槽形: k=1.4; f=0.2;3.3进给部件传动功率和扭矩计算要计算出Z轴和X轴进给驱动功率,首先要初步估算出Z轴和X轴两方向的步进电动机所需要带动的移动部件的重力,Z轴和X轴两个方向需要带动的部件主要分为四个部分:大拖板、小拖板、X轴的步进电动机、电机的联接座以及转塔刀架部分。根据公式计算牵引力的时候,切削分力在前面一节中已经算出来了,当量摩擦系数和倾覆力矩影响系数也已经在根据相关的资料查到了,现在主要求的是各移动部件的重力。在计算重力的时,要考虑到各移动部件的密度、体积V、还有计算重力时的一个惯用常数g。在机床上,大拖板和小拖板都是铸件,因此它们所使用的材料是灰铸铁;由于转塔刀架、X轴步进电动机和电动机联接座是装配件,其材料和构成的结构都是比较复杂的,因此为了保险起见假设它们的材料是碳钢,因为碳钢具有较高的强度、屈强比和足够的塑性、韧性;良好的焊接性和冷塑性加工性;具有一定的耐蚀性。较低的冷脆转化温度和低的时效敏感性。查阅实用机床设计手册10表1.1-3可知各材料的密度,灰铸铁的密度;碳钢的密度。在计算的过程中,数据都是参考车间里的数控机床的,因为车间里的数控机床和我这次设计的数控机床都是同一种机床的类型数控车床,不一样的只是我所设计的车床比车间里的小一个型号,下面我们来进行各移动部件的重力估算:小拖板: 大拖板: 转塔刀架: 电动机及联接座: 式中: G移动部件的重力,单位为N; V移动部件的体积,单位为 g常数,一般情况为了计算的方便,取10;Z轴方向的步进电机带动的是以上四个移动部件,故它的重力为以上四个移动部件的重力之和,即:X轴方向的步进电动机带动的是两个移动部件,即刀架和小拖板,故它的重力为两移动部件的重力之和,即:3.3.1 Z轴进给方向计算Z轴方向是采用矩形三角形导轨的,由上面的计算公式得知Z轴方向的牵引力,取k1.15,0.18,则: (公式12) Z轴和X轴方向的丝杠为滚珠丝杠副,详细的选择在后面会说到的,这里应用的是结果。通过实用机床设计手册10表3.7-22可知,由于数控车床在Z轴和X轴方向上的丝杠精度等级分别推荐为2、3、4级和3、4、5级,所以在本次的设计中Z轴和X轴方向的滚珠丝杠同时选用3级精度。根据实用机床设计手册10表1.1-10可知,滚珠丝杠副的机械传动效率为0.850.95,所以这里取一个中间数,即为。Z轴方向的进给速度与进给量和主轴转速有关,则三者的关系为: (公式13)式中: n主轴转速,单位为m/min; f进给量,单位为mm/r;根据上面传动功率的公式可以计算出Z轴的进给功率为: (公式14) 根据实用机床设计手册第P513页可以知道转矩的公式为: (公式15)式中: T转矩,单位为; P传动功率,单位为kW; n电动机的转速,单位为;按照典型工况中计算出来的转速和Z轴方向滚珠丝杠的导程,可以计算出Z轴方向步进电动机的转速为: (公式16)式中: p滚珠丝杠的导程;由此可以计算出步进电动机的转矩,为: (公式17)根据上面计算出来的转矩,Z轴方向的电动机选用常州市宝成电机有限公司提供的型号为:90BC340AH。这种类型的电动机的矩频特性,在电动机的工作范围之内,矩频特性的曲线远大于所需要的转矩,因此所选用的电机完全符合这次设计的要求。3.3.2 X轴进给方向计算X轴方向采用的是燕尾形导轨,由上面的计算公式可以计算出X轴方向的牵引力,取k=1.4,f=0.2,则: (公式18) 与上面一样,同理可得:X轴进给方向的进给速度与切削深度和丝杠转速有关,则三者之间的关系为: 式中: n主轴转速,单位为; 切削深度或背吃刀量,单位为mm;根据上面的传动功率的计算公式,可以计算出X轴方向的进给功率为: 根据金属切削手册10第P513页可以知道转矩的计算公式为:式中: T转矩,单位为; P传动功率,单位为kW; n电动机的转速,单位为;按照典型工况中计算出来的转速和X轴方向滚珠丝杠的导程,可以计算出X轴方向步进电动机的转速为:式中: p滚珠丝杠的导程;由此可以计算出步进电动机的转矩,为:根据上面计算出来的转矩,X轴方向的电动机选用常州市宝成电机有限公司提供的型号为:75BF380。这种类型的电动机的矩频特性,在电动机的工作范围之内,矩频特性的曲线远大于所需要的转矩,因此所选用的电机完全符合这次设计的要求。第4章 滚珠丝杠及导轨、床身等设计及校核滚珠丝杠的计算除强度计算外,刚度和稳定性计算与滑动丝杠计算相同。滚动丝杠不需要进行耐磨性计算。它的强度计算的原则与滚珠轴承相同。参考金属切削机床设计第四章第九节,来进行滚珠丝杠的计算和校核。4.1 横向进给系统设计计算已知条件:工作台重(根据图纸粗略计算) W=30f=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L0=4 左旋行程 S=190脉冲当量 p=0.005/step步距角 =0.75/ step快速进给速度 vmax=1m/min(1)切削力计算 横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2FZ=0.5152.76=76.38f=763.8N在切断工件时:Fy=0.5 FZ=0.576.38=38.19f=381.9N(2)滚珠丝杠设计计算1)强度计算:对于燕尾型导轨:P=KFyf(FzW)取K=1.4 f=0.2则P=1.438.190.2(76.3830)=74.74f=747.4N寿命值 L1=13.5最大动负载Q=213.55f=2135.5N根据最大动负载Q的值,可选择滚珠丝杠的型号。例如,滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列,滚珠丝杠公称直径为20,型号为FC1B2045E2左,其额定动负载为5393N,所以强度足够用。既然选择的是有厂家有型号的,最好附上图进行说明,而且要表达清楚丝杠的整体结构和相关尺寸。表3:滚珠丝杆副几何参数参数名称符号关系式WD6008螺纹滚道公称直径20导 程4接触角 2.183钢球直径3.969滚道法面半径2.064偏心距0.0030螺纹升角=接触直径=Cos56.034螺 母螺纹直径=2264.122内 径=(0.20.25) 60.79382)效率计算:螺旋升角=338,摩擦角=10则传动效率=0.9563)刚度验算:滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量L1=5.9610-6滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小,可忽略,即:L=L1所以导程变形总误差为=查表知E级精度丝杠允许的螺旋误差(1m长)为15m/m,故刚度足够。4)稳定性验算:由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同,而支承方式由原来的一端固定、一端悬空,一端固定,一端径向支承,所以稳定性增强,故不再验算。4.2 纵向进给系统计算工作台重量W=800N,加速时间常数t=25ms,滚珠丝杠基本导程L=6mm,快速进给速度V=2m/min。切削力计算由机床设计手册可知,切削功率式中Pc=NKP-电机功率,由条件我们选 P=4 KW-主传动系统总效率,一般为0.750.85,取=0.8;K-进给系统功率系数,取为K=0.96则: Pc =40.80.96=3.072kW切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转距)和最大切削转速(或转速)来计算,即 Pc =10或 Pc=式中 F-主主切削力(N); -切削速度(m/min) T-切削转距(N.m) n-主轴转速(r/min)设按最大切削速度来计算,取=100m/min,则主切削力Fz=(N)=1843.2(N)从机床设计手册中可得知,在一般外圆车削时:Fx=(0.10.6)Fz Fz=(0.150.7)FzFx=0.5Fz=0.51843.2921.6NFy=0.6Fz=0.61843.2=1105.92N滚珠丝杠副是标准化的,因此,将滚珠丝杠副的设计分为滚珠丝杠副的选择。1)计算在螺杆上的最大动载荷:首先根据进给阻力引起的切削力和运动部件的重量,计算出螺杆的轴向载荷,根据寿命的要求计算出螺杆应能承受的最大动载荷。式中 工作负载(N)指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杆上的轴向力; 运转系数,一般运转系数取1.21.5,有冲击的运转取1.52.5; 硬度系数,为60HRC时,为1;为1; G 寿命(以转为单位1,如1.5则为150万转)。寿命G可按下式计算: G=式中 n滚珠丝杠的转速(r/min); T使用寿命时间(h),数控机床T取15000h。 工作负载的数值可用机床设计手册中进给牵引力的实验公式计算,对于三角形或综合导轨 =k+(+W)式中 、切削分力; W移动部件的重力(800N); k考虑颠覆力矩影响的系数,k=1.15; 导轨上的因数,=0.150.18,取=0.16。则 =1.15921.6+0.16(184302+800)N=1482.752N 当机床以线速度v=100m/min,进给量=0.3mm/r,车削直径D=80mm的外圆时,丝杠的转速 n=r/min则G=万转=17.91万转根工作负载、寿命G,取=12,=1,计算出滚珠丝杆副承受的最大动负荷 =1.211482.752N=4655.3N由F查滚珠丝杠的产品样本或机床设计手册,选择丝杠的型号.现在我们参照江苏天安机械有限公司的滚珠丝杠的产品样本,选择滚珠丝杠的直径为32mm,型号为CDM3206-2.5-P3,其额定动载荷是14022N,强度足够用。2)效率计算:根据机械原理,丝杠螺母副的传动效率为式中 螺纹的螺旋升角,该丝杠为325 摩擦角,约等于。 则=0.9533) 刚度校核:由于滚珠丝杠的轴向力和力矩,会引起基本的导向过程的变化,对于滚珠丝杠所引起的滚珠丝杠的扭矩变化很小,忽略不计,所以工作载荷引起的工艺变化 L= 式中 E弹性模量,对于钢,E=20.610N/c; S滚珠丝杠截面积(按丝杠螺纹底径确定d,若d=2.77cm),则S=6.03c。 其中,“+”用于拉伸时,“”用于压缩时。 则L=丝杠1m长度上导程变形总量误差为 =11.78因3级精度丝杠允许的螺距误差为15,故此丝杠的精度足够。4.3 静载强度计算当滚珠丝杠副在低速运转时(转速10转/分),其破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形,规定其塑性变形量不得超过滚珠直径的万分之一,产生这个塑性变形量的载荷称为滚珠丝杠副的最大静载荷。最大静载荷根据丝杠的直径、一圈内的钢球数、圈数、列数和接触角而定的。按静载计算时,应满足下列计算式: (公式19)式中: P滚珠丝杠的轴向工作载荷,单位为N; 动载荷系数;Z轴和X轴方向滚珠丝杠的轴向工作载荷也就是Z轴和X轴方向移动所需要的牵引力,则Z轴和X轴方向滚珠丝杠的牵引力在前面的第三章中已经计算出来了。即:Z轴方向滚珠丝杠的轴向工作载荷为:X轴方向滚珠丝杠的轴向工作载荷为:动载荷系数查金属切削机床设计表421可知,但是为了安全起见,选用载荷性质选中等冲击,则取。查阅启东市华森丝杠制造有限公司提供的精密滚珠丝杠副可知,Z轴和X轴的滚珠丝杠的额定静载荷分别为:26.69KN和13.35KN。 ; ;下面分别进行Z轴和X轴方向滚珠丝杠的静载荷强度的计算:Z轴方向滚珠丝杠静载荷强度的计算: (公式20)Z轴方向所选用的滚珠丝杠的静载荷强度满足要求。X轴方向滚珠丝杠静载荷强度的计算: (公式21)X轴方向所选用的滚珠丝杠的静载荷强度满足要求。4.4 滚珠丝杠支撑方式珠丝杠副的安装方式一般叫做滚珠丝杠副的支承形式,通常共四种典型的支承形式,支承形式不同,所容许的轴向载荷和容许的回转转速也有所不同,应根据工况适当选择。为便于评估,丝杠旋转类每种支承形式后面给出表征其稳定性的“稳定性系数K2”,K2越大表示该形式越稳定。 1、“固定固定”型:K2=4 适用于高转速、高精度的场合。该形式两端分别分别由一对轴承约束轴向和径向自由度,负荷由两组轴承副共同承担。也可以使两端的轴承副承受反 向预拉伸力,从而提高传动刚度。在定位要求很高的场合,甚至可以根据受力情况和丝杠热变形趋势精确设定目标行程补偿量,进一步提高定位精度。“固定固定”型有时也被 片面地叫做“双推双推”,由于此形式结构较复杂,调整较难,因此一般仅在定位要求很高时采用。 2、“固定游动”型:K2=2 适用于中转速、高精度的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度,另一端由单个轴承约束径向自由度,负荷由一对轴承副承担,游动的 单个轴承能防止悬臂挠度,并消化由热变形产生的应力。“固定游动”型有时也被片面地叫做“双推支承”。此形式结构较简单,效果良好,应用广泛。 3、“支承支承”型:K2=1 适用于中转速,中精度的场合。该形式两端分别设一个轴承,分别承受径向力和单方向的轴向力,随负荷方向的变化,分别由两个轴承单独承担某一方向的力。由于支承点随受力方向变化,定位可控性较低。此形式结构简单,受力情况较差,应用较少。 4、“固定自由”型:K2=0.25 适用于低转速,中精度,轴向长度短的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度,另一端悬空呈自由状态,负荷均由同一对轴承副承担,并且需克服丝杠回转离心力造成的弯矩。“固定自由”型有时也被错误地叫做“双推自由”。此形式结构简单,受力情况差,但在行程小、转速低时 也经常用到。 CK7815数控车床中的滚珠丝杠支撑形式“固定游动”型:K2=2 适用于中转速、高精度的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度,另一端由单个轴承约束径向自由度,负荷由一对轴承副承担,游动的单个轴承能防止悬臂挠度,并消化由热变形产生的应力。“固定游动”型有时也被片面地叫做“双推支承”。此形式结构较简单,效果良好,应用广泛。 4.5 导轨设计机床上的运动部件必须沿着床身或立柱或横梁上的导轨运动。导轨的主要功能是导向和承载作用。导轨使运动部件沿一定轨迹运动,从而保证各部件的相对位置和相对位置精度。导轨承受部件及工件的重量和切削力。导轨在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。导轨简单的可以分为两类:滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨和滚动导轨相比:结构简单、制造方便、接触刚度大的优点;当然在相比之下,摩擦阻力大,磨损快,动、精摩擦系数差别大,低速时易产生爬行等缺点也是很显而易见的。虽然是如此,但是考虑到本次设计的CK7815数控车床精度要求不是很高,而且还要考虑到经济问题,所以本次设计的数控车床采用普通滑动导轨。4.5.1 滑动导轨类型导轨导向精度的高低,刚度的大小,减振能力的好坏,摩擦损失的大小,磨损对加工精度影响的大小和受力的情况,在很大程度上取决于导轨的截面形状。下面就来介绍一下滑动导轨的几种基本类型:(1)矩形导轨 制造简单,刚度和承载能力大,水平方向和垂直方向上的位移互不影响,因此安装调试都很方便。矩形导轨中起导向作用的导轨面磨损后不能自动补偿间隙,所以需要有间隙调整装置。(2)双三角形导轨 这种导轨同时起支撑、导向作用,磨损后相对位置不变,能自行补偿垂直方向和水平方向的磨损,导向精度高,但要求四个表面的刮削或磨削后接触,工艺性较差,床身与运动部件热变形不一样时,不易保证四个面同时接触。(3)燕尾导轨 其磨损后不能自动补偿间隙,需用镶条调整。两燕尾面起压板作用,用一根镶条就可以调整水平、垂直方向的间隙。导轨制造、检验和修理较复杂、摩擦阻力大。当承受垂直作用力时,它以支撑平面为主要工作面,它的刚度与矩形导轨相似;当承受颠簸力矩时,其斜面为主要工作面。刚度较低。燕尾导轨一般用于要求高度小的多层移动部件,两个导轨面间的夹角为。(4) 矩形三角形导轨 不需要镶条调整间隙,导向精度好,加工装配比较方便,温度变化不会改变导轨面的接触情况,但热变形会使移动部件水平偏移,两条导轨磨损不同,对位置精度有影响。(5) 圆柱导轨 制造简单,主要用于受轴向负荷的导轨(抗弯刚对小),适用于同时作直线运动和转动的场合。滑动导轨具有结果简单、制造方便、刚度好、抗震性高等优点,但普通滑动导轨存在静摩擦系数大,且动摩擦系数随速度的变化而变化。近年来,由于新型工程材料的出现,出现了贴塑导轨,其摩擦性能好,耐磨性好,减震性好、工艺性好。综上所述,在本次的设计中,对导轨的要求没有很高的要求,通过参考类似数控车床的导轨,所以床身上的导轨采用矩形三角形,小拖板采用燕尾形导轨。4.5.2 燕尾导轨设计一作用力合作用点位置,作用力方向和作用点的位置唏嘘合理安置。一边导轨倾斜的力矩尽量小。否则会使导轨中的摩擦力增大,磨加剧,从而降低导轨的灵活性和导向精度。严重时甚至还可能卡死,不能正常工作。作用在运动件上的推力有三种情况:1.推力通过运动件在轴线2.推力作用点在运动件的轴线上。但推力的方向与轴线成一夹角3.推力平行于运动件的轴线上对于第一种情况,导轨镇南关的摩擦力只受到载荷及运动件本身重量的影响,推力不会产生附加摩擦力。犹豫结构上的限制,实际的结构中往往出项第二第三中情况。为了保证导轨的灵活性,要对导轨进行验算,在已知的条件先,确定各部分的集合尺寸。推力F与运动件轴线组成夹角a,如图所示推力F的作用将使运动件产生倾斜,从而使运动件与承导体的俩点处压紧, 设正压力分别为.,相应摩擦力,作用间的距离为L,轴向阻力为 根据静力平衡条件,运动件的直径较小时,上式中含有d的各项可以略去。可解得:欲推动运动件,则必须使若要保证不卡死的条件是: 由此,可得到当推力F与运动件有一夹角a时,运动件正常工作的条件是 为当量摩擦系数在燕尾形和三角形导轨中:-滑动摩擦系数-眼尾轮廓角与三角底角二选与运动件轴线与轴线相距h,图中为轴向阻力和为反作用力,为当量摩擦系数,根据静力平衡条件解得:推动运动件则必须:保证运动件不卡死条件即:为了保证运动灵活,可取值当取f=0.25时,则有:对圆柱形导轨:对矩形导轨:对燕尾形或三角形导轨:在本设计的导轨中:h=200mm L=360 因符合相关要求。选择燕尾型导轨合理。4.5.3 滑动导轨间隙调整机构为保证导轨的正常运行,运动件与承载件之间应保持适当的间隙。间隙如果过小,就会增加摩擦力,使运动不灵活,会使导向精度降低。所以调整方法如下:(1)采用磨、刮相应的接合面或加垫片的方法,以获取适当的间隙。(2)镶条的调整,这是侧向间隙常用的调整方法,镶条有直镶条和斜镶条两种。在本次设计中,为了调整床身上的矩形三角形导轨的间隙,采用了在导轨两侧各放置一套镶条及压板,这样能保证导轨间隙调整后,中心位置不变。而在拖板上的燕尾形导轨采用了燕尾导轨常用的平头斜镶条调整间隙,平头斜镶条由两个特制的螺钉固定,避免了镶条随导轨一起滑动而丧失了调整间隙的效果。4.5.4 滑动导轨润滑为了减小摩擦,提高机械效率;为了延长寿命,降低温度;为了改善工作条件和防止生锈,导轨必须要进行润滑。在本次的设计中,导轨采用润滑油的润滑,通过用手的润滑泵,使润滑油经过油管通过各个部件进行润滑。这种方法的润滑效果最好,润滑可靠,经济又方便。4.6 导轨架设计4.6.1 导轨架结构在本次的设计中,导轨架的结构采用水平床身。由于CK7815数控车床是小型车床,所以导轨架采用整体式铸造结构,这样其刚度和精度保持性都比较好。前后导轨架连接处刮研,连接时用定位件和专用定位销定位,然后沿截面四周,用大螺栓固紧。本机床的导轨架采用箱体结构,合理的截面形状,合理布置的肋板结构在较小质量下获得了较高的静刚度和适当的固有频率。4.6.2 导轨架长度确定导轨架的长度,除了行程外,还有主轴箱的长度,导轨上好要装上拖板和尾座,因此还要加上拖板的长度,和尾座的长度,除此之外,还要加上一定的余量。所以导轨架的长度为:4.6.3 导轨架宽度确定因为拖板取值为630mm,为了不致使拖板因导轨太窄而晃动太大,一般取导轨跨矩为拖板尺寸的一半左右,即340mm,因此导轨架的宽度为340mm。4.7 床身设计与普通车床相比,数控车床对总体结构刚度、抗振性、热稳定性以及低速稳定性等都提出更高的要求。从总体设计的角度,车床床身的要求有:(1)高的静、动刚度、(2)良好的热稳定性(3)高的运动精度和良好的低速运动平稳性(4)宜人设计为此,我们增加了机床底座的壁厚,这样就增加了底座的重量,提高了底座的稳定性、承载能力及强度。除此之外,我们为了在节省材料的同时提高底座的强度,在底座中添加了一些肋板,并尽量保证了壁厚的均匀,较好地提高了铸件的铸造工艺性,避免了局部壁厚过厚,而导致材料的浪费。第5章 CK7815数控车床床鞍主要零件三维造型5.1 软件概述Solidworks是参数化技术的先驱,参数化是其最突出特点。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一,特别是在国内汽车行业、工程机械行业和产品设计领域占据不可替代位置。本论文运用solidworks软件对床鞍各零件进行建模,然后进行装配。其中在对滚珠丝杠及其它标准件的建模时通过solidworks软件的数化设计来输入各零件的参数完成对零件的建模。通过solidworks的建模清楚、形象、直观地表达床鞍各部分的特点。5.2 床身造型车床的床身是整个车床的基础支承件,一般用来放置导轨、主轴相等重要部件。对车床床身的基本要求有:应有足够的静刚度,较高的刚度重量比。应有较好的动态特性。好的动态特性需要足够的动刚度和合适的阻尼,使车床有较高的抵抗变形的能力,有较高的固有频率,远离激振频率,避免发生共振及因薄壁振动而产生噪声。应具有较好的热稳定性。床身结构较复杂,需要不断的使用拉伸、切除命令得到外形结构,最后使用异形孔命令生成各个螺纹安装孔,床身的三维模型如图5-1所示。图5-1 床身三维模型图5.3 电机建模电机为标准件,一般可通过SolidWorks的标准库内找到。并不需要自己绘制。通过电机型号调取到该数控车床的电机模型。如图5-2所示。图5-2 电机模型5.4 丝杠螺母座建模 丝杠螺母座是滚珠丝杠传动中的重要元件,可将丝杠的回转运动转化为直线运动,运用SolidWorks的拉伸切除命令可得到丝杠螺母座的三维模型。如图5-3所示。图5-3 丝杠螺母座三维模型5.5 丝杠螺母座建模轴承采用分步建模然后在装配,分别使用“旋转”命令生成轴承内圈、外圈和滚子,然后装配完成轴承的建模,轴承的三维模型如图5-4所示。图5-4 轴承三维模型5.6 基于SolidWorks的车床床鞍装配床鞍的三维装配将使设计好的各零件的装
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本文标题:【JX16-12】CK7815型数控车床的床鞍设计与仿真(二维+三维+论文)
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