经济型数控车床进给传动机构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 1 前言 . 4 2 数控车床设计概述 . 错误 !未定义书签。 3 机械部分设计和计算 . 错误 !未定义书签。 向进给系统的设计计算 . 5 向进给系统的设计 . 5 切削力计算 . 6 珠 丝杆的设计计算 . 7 轮及转矩的有关计算 . 9 向进给系统的设计计算 . 12 向进给系统的设计 . 12 切削力计算 . 12 珠丝杆的设计 计算 . 13 轮及转矩的有关计算 . 15 进电机的选择 . 错误 !未定义书签。 设计 . 错误 !未定义书签。 身及导轨 的设计 . 错误 !未定义书签。 珠丝杆螺母副 的设计 . 21 轮 传动副 的设计 . 错误 !未定义书签。 轮箱的设计 . 错误 !未定义书签。 总结与体会 . 27 致谢词 . 29 参考文献 . 29 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 数控车床进给传动机构设计说明书 中文摘要 目前，我国数控系 统和数控车床正处于由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时刻，而 控车床是最常用的数控车床之一。而 控车床的进给传动机构是该型车床的关键部件之一。本设计即根据 控车床技术规格和主要机构对横向和纵向进给机构进行设计。 在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算 ,比如：机床功率和电动机选用，滚珠丝杆副选用与计算校核，方案设计即提出纵向和横向进给机构的设计方案，进行有关轴和齿轮强度 、 刚度校核，进行相关参数选择以及必要的参数校核计算等。 关键词：车床 、 数控 、 传动系统 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 t s NC is in to of NC NC of at a of of to of is of On as as as 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 1 前言 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 台，年产值约为 18 亿元。机床的数控化率仅为 6。这些机床中 ,役龄 10 年以上的占 60以上； 10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20， 自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性： 1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高 3 7 倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。 因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动 力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。 此外，机床数控化还是推行 性制造单元）、 性制造系统）以及 算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。而经济型数控车床是最常用的数控车床之一。而经济型数控车床的进给传动机构是该型车床的关键部件之一。本设计即根据 控车床技术规格和主要机构对横向和纵向进给机构进行设计。 在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算 ,比如：机床 功率和电动机选用，滚珠丝杆副选用与计算校核，方案设计即提出纵向和横向进给机构的设计方案，进行有关轴和齿轮强度 、 刚度校核，进行相关参数选择以及必要的参数校核计算及绘制装配图和典型零件图等。 设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。 在设计中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理 ，作用及结构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 2 数控车床设计概述 用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息变成加工 程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条件不紊乱地作，从而加工出零件的全部轮廓。 数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原来的 程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。 经济 型 数控车床 ，对于保证和提高被加工零件的精度， 主要依靠 两 方面来 实 现 ：一 是系统的控制精度 ； 二 是机床本身的机械传 动 精度。数 控 车床的进 给 传动系统 ，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式 车床 相比应具有 有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平 稳性 。 数控机械 传动 系统的要求为： （ 1)尽 量 采用低摩擦的传 动副 。如 滚动导轨 和滚珠丝杠 螺母副，以减小摩擦力。 （ 2)选用最 佳 的降速比，为达到 数控 机 床所要求的脉冲当量，使运动 位移尽可能加 速达到跟踪指今。 （ 3)尽量缩短传动链 以及用预紧的办法 提 高 传动系统的刚度 。 （ 4)尽 量 消除传动间隙，以减小 反向行程 误差。 如 采用消除间隙的联轴节 和消除传动齿轮 间隙的机构等。 （ 5)尽 量 满足低 振动和高可靠性 方 面 的要求 。 为此应选 择 间隙小 、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。 数控装置 步进电机 减速箱机床工作台指令输入图 1 开环控制系统图 本设计利用微机对纵向和横向进给系统进行开环控制。由 I/一级齿买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现纵向 、 横向进给运动。如图 1所示 。 对于经济型数控车床一般采用功率步进电机驱动，一般纵向快移速度 6m/向快移速度不大于 3m/ 值通常为：纵向 向 动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杆副。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 （一）纵向进给系统的设计与计算 经济型数控车床一般是步进电机经减速驱动丝杆，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置可放 在丝杆的任意一端。如图 2所示。 步进电机变速箱车床步进电机变速箱工件图 2 经济型数控车床进给传动系统总体设计方案图 查相关机床使用说明书取 工作台重量： W=1000N 时间常数： T=25珠丝杆基本导程： 0L=5程： S=870冲当量：p=距角： = 快速进给速度： m/1) 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 式中 N 电机功率，查机床说明书， N=4 主传动系统总效率，一般为 =文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 K 进给系统功率系数，取为 K= 因为 6120C 所以 v Z 6120式中 v 切削线速度，取 v=100m/切削力 100 120金属切削原理可知，主切削力 查表得 M P 8 8 0,1, 则可计算 下表所示 算结果 )( 2 2 2 3 3 3 f ( (1125 1523 1891 1687 2287 2837 当 削深度刀量 f=r,以此参数作为下面计算的依据。 从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时： F ) , F ) 取 X Y (2) 滚珠丝杆 设计计算 由经济型数控车床系统设计，机械工业出版社，得出综合导轨车床丝杆的轴向力： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 )( X 式中 K=f =为 P=000)=)强度计算 寿命值 61060 001 00 0 主取工件直径 D=80表得5000h 则 m 0* 00*1 00 0 rn i 5000*0 6 最大动负载 查表得 运转系数 1,Hw 度系数则 8 8 2*1* 根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杆的型号。 由文献 7,8可知，查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号： 杠公称直径为 32本 导程 6hP 其额定动载荷 16917 额定静载荷 45968 圈数 列数=2， 丝杠螺母副的接触刚度为 1 1 3 0 / m， 丝杠底径 27. 9螺母长度为112丝杠的精度为 本设计中采用双螺母垫片预紧。两边轴承分别为 205 2）效率计算 根据机械原理的公式，丝杆螺母副的传动效率 为)( tg f=摩擦角 = 10 ，螺旋升角253 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 则 0253(253 3）刚度验算 滚珠丝杆受工作负载 1 式中 ， E=26 /10 滚珠丝杆截面积 222 2( 则 61 10*0* 滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化量 2L 很小，可忽略，即 L = 1L ，所以， 导程变形总误差 为 0 查表知 1m 长）为 15um/m,故刚度足够。 4）稳定性验算 丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定的支承方式。 长压杆失稳时的临界负荷可依据材料力学中的欧拉公式计算 )()( 22 式中 E 材料的弹性模量 E 钢 =21 106(N/ l 丝杆工作长度 ( u 丝杆轴端系数， u=1/2 I 丝杠最小截面惯性矩 ( 4： 4420( 1 . 2 )6 4 6 4 wI d d d (式中 丝杠公称直径 ( 滚珠直径 ( 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 44 4 则 )(97)100*0*21*262 临界负载与工作负载 1 6 5 1 00 4 1 9 7 一般 ，对于水平丝杆，考虑自重影响可取 4 致失稳。 （ 3）齿轮及转矩的有关计算 60 5* 步进电动机的步距角，（ 0） / 脉冲当量， mm/ 丝杆螺距， 齿轮 231 z ， 242 z ，模数 m=宽 b=20020 ,齿宽系数 1.1d， * ch a 2(224(*)2(223()2(6024*1122*1122114)22( *22 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 1 计算小齿轮的转动惯量 1J 224414141 *10*.7 计算小齿轮的转动惯量 2J 224424242 *0*.7 计算丝杆的转动惯量0*.7 计算工作台的转动惯量 0*) 8 0()1 8 0( 负载折算到电机轴上的转动惯量为 )(1221 = 22 * 计算加速力矩10*当 m a xm a x 时， m 0 4 0 0 00m a xm a x rL 4m a x 10*040*m 当 时，m i n/0*00*1000510000主买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 22 000 当 f 时 f * 00* )1(2 20000 当 时预加载荷10 ，则 6)1()1(220020000 = g f * ) =m t * =m 所以，快速空载启动所需力矩0m a x =m 切削时所需力矩 M= 0=m 快 速进给时所需力矩0f =m 由以上分析可知，所需最大力矩发生在快速启动时*m (二 )横向进给系统的设计与计算 济型数控车床的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杆，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度，如图 2所示。 2. 横向进给系 统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。 查相关机床使用说明书取 工作台重量： W=400N 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 时间常数： T=25珠丝杆基本导程： 0L=5程： S=230冲当量：p=距角： = 快速进给速度： m/ 1） 切削力计算 横向进给量为纵向的 2/1,3/12/1 取 ，则切削力约为纵向的 1/2。 21金属切削原理可知，主切削力 查表得 M P 8 8 0,1, 则可计算 下表所示 算结果 )( 1 1 1 f ( (562 761 945 当 削深度刀量 f=r,以此参数作为下面计算的依据。 切断工件时：F 2) 滚珠丝杆设计计算 1)强度计算 对于综合型导轨： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 )( 式中 K=f =为 P=00)=命值 61060 001 00 0 主取工件直径 D=80表得5000h 则 m 0* 00*1 00 0 rn i 5000*0 6 最大动负载 查表得 运转系数 1,Hw 度系数则 8 5*1* 根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杆的型号。 由文献 7,8可知，查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号： 杠公称直径为 20本导程6hP ， 其额定动载荷 16917， 额定静载荷 45968， 圈数 列数=2， 丝杠螺母副的接触刚度为 1 1 3 0 / m， 丝杠底径 27. 9螺母长度为112丝杠的精度为 本设计中采用双螺母垫片预紧。两边轴承分别为 170 2）效率计算 根据机械原理的公式，丝杆螺母副的传动效率 为)( tg f=摩擦角 = 10 ，螺旋升角253 则 0253(253 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 3）刚度验算 滚珠丝杆受工作负载 1 式中 ， E=26 /10 滚珠丝杆截面积 222 2( 则 61 10*0* 滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化量 2L 很小，可忽略，即 L = 1L ，所以， 导程变形总误差 为 0 查表知 1m 长）为 15um/m,故刚度足够。 4）稳定性验算 丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定的支承方式。 长压 杆失稳时的临界负荷可依据材料力学中的欧拉公式计算 )()( 22 式中 E 材料的弹性模量 E 钢 =21 106(N/ l 丝杆工作长度 ( u 丝杆轴端系数， u=1/2 I 丝杠最小截面惯性矩 ( 4： 4420( 1 . 2 )6 4 6 4 wI d d d (式中 丝杠公称直径 ( 滚珠直径 ( 44 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 则 )(29394)100*0*21*262 临界负载与工作负载 1 8 3 0 02 9 3 9 4 一般 ，对于水平丝杆，考虑自重影响可取 4 致失稳。 （ 3）齿轮及转矩的有关计算 60 5* 步进电动机的步距角，（ 0） / 脉冲当量， mm/ 丝杆螺距， 齿轮 201 z ， 422 z ，模数 m=2,齿宽 b=20020 ,齿宽系数 1.1d， * ch a 2(882*)242(*)2(442*)220()2(8442*24020*2*1122*1122119)22( *22 22 84402 21 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 计算小齿轮的转动惯量 1J 224414141 *10*.7 计算小齿轮的转动惯量 2J 224424242 *0*.7 计算丝杆的转动惯量*10*.7 计算工作台的转动惯量80()180( 负载折算到电机轴上的转动惯量为 )(1221 = 22 * 计算加速力矩10*当 m a xm a x 时， m 6 6 0 0 00m a xm a x rL 4m a x 10*664*m 当 时，m i n/0* 0 0*1 0 0 051 0 0 00主 22 000 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 当 f 时 f * 0* )1(2 20000 则y 6)1()1(220020000 = g f * 1 ) =m =m 所以，快速空载启动所需力矩0m a x =m 切削时所需力矩 M= 0=m 快速进给时所需力矩0f =m 由以上分析可知，所需最大力矩发生在快速启动时m (二 )步进电机的选择 q * m a x 为满足最小步距要求 ,电动机选用三相六拍工作方式 ,查表知 , 步进电动机最大静转矩 步进电机最高工作频率 0 500060 m a xm a x 综合考虑 ,查表选用 200直流步进电机 ,能满足使用要求。 2. 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 q * m a x 为满足最小步距要求 ,电动机选用三相六拍工作方式 ,查表知 , 步进电动机最大静转矩 步进电机最高工作频率 0 400060 m a xm a x 综合考虑 ,查表选用 130能满足使用要求。 4 进给系统的结构设计 1. 床身和导轨 床身 对于数控机床来说，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的好坏直接影响着机床的各项性能指标。它支承着数控车床的床头箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着数控车床的制造成本；影响着车床各部件之间的相对位置精度和车床在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性，从而影响着工件的加工质量；还影响着车床所用刀具的耐用度，同时也影响着机床的工作效率和寿命等。 因此，床身特别是数控车床的床身具有足够的静态刚度和较高的刚度 /质量比；良好的动态性能；较小的热变形和内应力；并易于加工制造，装配等，才能满足数控车床对床身的要求。 数控车床工作时，受切削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大的是床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜 45的斜面床身。这种结构的特点是： (1)在加工工件时，切屑和切削液可以从斜面的前方 (即床身的一侧 )落下，就无需在床身上开排屑孔，这样，床身斜面就可以做成一个完整的 斜面。 (2)切屑从工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器将切屑排出。这样，机床在工作中，排屑性能和散热性能要好，可以减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床身的热变形，使机床更好地保持加工精度。 (3)由于在床身上无需开排屑孔，就可以增加与底座连接的床身底面的整体性，从而可增加床身底买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力，以及它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯曲、扭转载荷作用下，床身的变形与床身的 截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、截面相同，但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面，但圆形截面的抗扭刚度较高；封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。为此，在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用空心截面，加大轮廓，减小壁厚，采用全封闭的类似矩形的床身截面形式，同时，为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度重量比，在大截面内设计一个较小的 类似圆形截面 (如图 。 床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的 硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性。 导轨 车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻 图 身结构 力大且磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖 层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点 。在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上都有应用，特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶摩擦副。 机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。 导轨的功用是导向和承载。车床的床身导轨属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支承的静导轨之间的相对运动速度较低。 直线运动滑动 导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并可互相组合。 由于买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 矩形导轨制造简单，刚度高，承载能力大，具有两个相垂直的导轨面。且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装。再将矩形整体倾斜 45后，侧面磨损能自动补偿，克服了矩形导轨侧面磨损不能自动补偿的缺陷，使其导向性更好。 图 种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高，加工、检验和维修都方便，而被广泛地采用。特别是数控机床，双矩形，动导轨贴塑料软带，是滑动导轨的主要形式。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整。图 （ a）由一条导轨的两侧导向，称为窄式组合；图（ b）分别由两条导轨的左、右侧面导向，称为宽式组合。导轨受热膨胀时宽式组合比窄式的变形量大，调整时应留较大的侧向间隙，因而导向性较差。所以，双矩形导轨窄式组合比宽式用得更多一些。 图 矩形导轨 图 矩形导轨的两种形式 镶条是用来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧。压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。如图 用磨或刮压板 3的 板的 e 面用空刀槽分开，间隙大 磨刮 紧时则修 种方式构造简单，应用较多，但调整时比较麻烦 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 图 板结构 2. 滚珠丝杆螺母副的设计 滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。 滚珠丝杠螺母副具有以下特点： （ 1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为 普通丝杠高 3。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的 1/4-/3. （ 2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。 （ 3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 （ 4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。 （ 5）磨损小，使用寿命长。