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数控车床 ck6163 纵向 进给 系统 设计 毕业论文 cad 图纸 通过 答辩 25

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沈阳工业 大学毕业设计 附录 附录 外文文献翻译 外文原文 沈阳工业 大学毕业设计 附录 沈阳工业 大学毕业设计 附录 沈阳工业 大学毕业设计 附录 沈阳工业 大学毕业设计 附录 沈阳工业 大学毕业设计 附录 沈阳工业 大学毕业设计 附录 沈阳工业 大学毕业设计 附录 中文翻译 型泵设计及其在低雷诺数下的流量估计 ee 性材料和加工实验室，机械工程学院 ，内华达大学 摘要 本文介绍了 由 离子高分子金属复合 材料 ）驱动器驱动 的无 阀微型泵 的设计和流量估计。应当指出的是，对于微型泵应用来说， 一种非常有前途的材料，因为它可以用低输入电压控制并产生较大的存储容量，同时可以对流速进行控制。使用微型泵制造工艺简单；可以预计 型 泵的制造成本与其他技术相比是非常有竞争力的。为了有效地设计一个作为微型泵的驱动马达的 膜，利用有限元分析（ 膜的电极形状进行优化并且对他的存储容量进行估计。此外，利用数值研究泵室压力对存储容量产生的影响。同时也研究无阀 微型泵 的适当的进出口，喷嘴 /扩散元件。以选定几何形状的喷嘴 /扩散元件和 膜的估计存储容量为基础，在 50 左右的低雷诺系数下对微型泵的流量进行估计。 1. 介绍 微型泵是非常有吸引力的设备，因为它们可以被用来 作 为配药治疗 器具， 冷却微电子系统 ，发展微小全分析系统，推进微型 航天器等 1 对于这样的各种各样的应用 ，许多类型的微型泵已经开发 ， 但一般分为两类 ： 机械微型泵 （即压电 式，静电式，热气动式，磁式等）和非机械微型泵（即电渗式，电泳式，电流体动力式，磁流体动力式等）。与此同时，基于进出口机构不同，各类微型泵也分为阀式微型泵和无阀微型泵 1,2,4。无阀微型泵，使用喷嘴 /扩散元件，很容易 制成 小 体积且 可避免 磨损和疲劳的移动部件 。 为了使机械种类的微型泵产生存储空间，隔膜被广泛应用 1,2。 压电驱动隔膜通常产生高驱动力和快速的机械响应，但是他们需要高的输入电压。隔膜产生的 存储空间相对较小。热气动式驱动隔膜 7需要低输入电压，产生高泵率，而且结构可以非常接凑，但是高功率消耗和较长的热时间常数是其主要缺点。 静电驱动隔膜 8有快速响应时间 ，微电机械系统（ 容性好和低功率消耗 的优点， 但是小的驱动器行程，较差的降解性能和高输入电压是使用这一隔膜的主要阻碍。 电磁驱动隔膜 9有 较快速的沈阳工业 大学毕业设计 附录 相应时间， 但他们没有得到很好的 与 且 需要高能耗 。 0一种新型的，非常有前途的材料用于微型泵的驱动隔膜。机电驱动的 低输入电压下（ 2V）有能力产生更 大的弯曲变形（超过 1%的弯曲应变），并不仅可以在液体中操作，而且可以在空气当中 16。此外，使用 微型泵制造工艺简单。预计使用 微型泵制造成本与上文所述其他技术相比有非常强大的竞争力。 在这项研究中 ，介绍了 动器驱动的无阀微型泵系统设计方法。 上被认为是最好的驱动隔膜材料。为了估计圆形 膜的变形形状，应用有限元法（ 利用双晶片梁模型 17相当于 动器。使用这种模型，对多个参数进行研究，来确定 膜的最佳电极形状并研究压力对存储容 量的影响。此外，对最佳的 膜进行普通的模态分析来评估共振对存储容量的影响。对无阀进出口部分， 基于流动阻力系数方程 ，使用锥形的喷嘴 /扩散元件 18考虑选定几何形状的喷嘴 /扩散元件和最佳 无阀式微型泵的流量进行估计。 2. 设计一个有效的 膜 效双晶片梁模型 对 膜进行数值模拟并分析在输入电压下产生的变形。进行数值分析，商业有限元分析（ 序 21，配合使用于等效双晶片梁模型。等效双晶片梁模型的建立方便了 动器的建模与行为分析 17。在这里，我们简要介绍其关键概念。当电压在厚度方向通过 的水合反离子（或阳离子）从阳极一侧迁移到阴极一侧。 这意味着移 动的 水合离子扩大了阴极侧 ，同时它使阳极一侧收缩从而使 阳极一侧弯曲 13。基于上文描述驱动机制，等效双晶片梁模型，如图 1所示， 假定一个 两个同等厚度 的 虚拟层 。利用穿过 电场影响，使 此相反，使 生弯曲运动。 等效机电耦合系数 的确定如下 17： 沈阳工业 大学毕业设计 附录 图 1一 种 典型形状的双晶片梁 式中： s 是测量的末端位移 ； V 是输入电压； 悬臂 电场强度；下标 1和 3分别代表 方向。 因为 21不支持机电耦合分析 ，所以在有限元模型中利用热类比技术 22执行机电耦合效应。在热类比技术中，机电耦合系数 1，如下： 式中： 后，温差 V。关于更多关于热类比技术的细节和事实可以在 22中找到。 膜 通过参数研究来找到一个圆圈形 膜（半 径： 10最佳的电极形状。为了估计 用有限元分析的方法分析等效双晶片梁模型。基于实验数据，等效双晶片梁模型为我们提供了 动器的等效性能 17。因此，通过等效双晶片梁模型得出的等效机电耦合系数 等效 弹性模量 E 使用于各种形状的 圆形的 于目前的工作，得到了 i+形式负载过重白金（ 6%等效性能。 图 2显示了使用圆形电极的隔膜 1/4大小的有限元模型。总元件数（ 4 次方 21）为 400。 对称性边界 情况 适用于纵向和 横向线 ，固定边界情况使用于隔膜的外部边缘。如图 2 所示， 膜由一部分 一部分 成。由于这种组合，当电压施加在 分上时， 图 2 膜（ 1/4 型） 沈阳工业 大学毕业设计 附录 纵向接触更加容易，因为 有较低的弹性模量，隔膜产生大弯曲变形。根据使用2V 的输入，可以计算隔膜的中心位移和电极半径的变化。 用于计算的材料特性和厚度列于表 1。 i+形式的 等效机电耦合系数 等效 弹性模量 E 通过等效双晶片梁模型得出 17。 式的弹 性模量和泊松比分别来自文献 23,24。 表 1 膜材料性能和厚度 载过重白金（ 6% 铂 的 载入是独特的设计技术，以提高湿度 控制 5。 计算结果列于图 3。对 膜，最大的中心位移是 电极半径为 参数研究表明，最大挠度对应一个最佳的电极半径。同时，由图 4 所示的变形形状，在最佳电极情况下（半径： 可计算出一半的存储容量（也是后文图 8 一半存储容量的 定义） l。 图 3 图 4 膜变形形状（电极半径 = 沈阳工业 大学毕业设计 附录 普通模式分析 采用普通模式分析最优的 膜（电极半径： 探讨其动态特性。用于计算，以 式的 度为 103 kg m3，来源于参考文献 15。以 式的 度加定位 103 kg m3。 图 5 显示的第一 第二模态形状的隔膜 。计算的一阶（即基本）和二阶固有频率分别为 430 1659如果我们考虑驱动 膜的频率范围不到 406，计算的固有频率远大于驱动频率范围。因此，在这个驱动频率范围，共振将不会影响存储容量。此外，该结果意味着，我们可以在低驱动频率下（ 40线性的控制 动的微型泵流速，因为在低频率驱动范围，微型泵流速线性的随着驱动频率的增大而增加 26。 图 5 在最佳 膜下的普通模式分析结果（电极半径 = 存储容量的压力影响 研究压力对最佳 膜的影响。主要由流体的拖拽和背压产生的压力可以看做为微型泵的腔室压力。为了数值计算 在压力下的存储空间，统一的压力作用于电极半径为 最优化的 膜有限元模型上（如图 6）。图 7 显示在有压力和 2V 输入的情况下，估计的最佳圆形隔膜的存储容量。在图 7 中，“相反的方向”说明了隔膜的弯曲和压力在相反的方向时，一半的存储容量，“相同的反响”说明了隔膜的弯曲和压力在相同的方向时，一半的存储容量。根据结果显示，在“相反的方向”条件下， 300右的压力沈阳工业 大学毕业设计 附录 图 6 统一压力下的隔膜（ 1/4型）图 7 膜的一半存储容量 3. 喷嘴 /扩散 器 设计和流 量 估计 在这一章节中，介绍 动器驱动的微型泵的合适的喷嘴 /扩散器的设计。在非常低的雷诺系数（ 50）和考虑锥形喷嘴 /扩散器的的情况下，对微型泵的流量进行估计。我们用最优的 膜（即隔膜半径 10极半径 为抽水的微型泵的驱动隔膜，并且它的驱动频率为 8 为使用锥形喷嘴 /扩散器 膜驱动的微型泵的示意图。如图 8 所示，隔膜在出水时向上弯曲，在进水时向下弯曲。在出水时实体的大小箭头分别表示液体流经出口和进口部件， 同时在进水时虚线的大小箭头分别沈阳工业 大学毕业设计 附录 表示液体流经进口和出口部件。 口压力 口压力 室压力 半部存储空间 半部存储空间 V = 储空间 间 实体箭头：出水流向 虚线箭头：进水流向 图 8 使用喷嘴 /扩散元件的 动的微型泵的一种示意图 锥形喷嘴 /扩散器的流体阻力系数 图 9 所示锥形喷嘴 /扩散元件。其中 D 为直径， v 为流速， 为圆锥角， L 为长度，雷诺系数， 为运动粘度。下标 0 和 1 分别表明小直径部分和大直径部分。下标 n和 d 分别代表喷嘴和扩散器。如图 9 所示，同样的元件按照流动方向的不同可以被看做是一个喷嘴或一个扩散器。 图 9 锥形喷嘴和扩散器结构 在低雷诺系数（ 1 50）和小圆锥角（ 40）情况下，扩散器的流动阻力系数可以写成如下 18,20： 沈阳工业 大学毕业设计 附录 对于喷嘴在低雷诺系数（ 1 50）和小圆锥角（ 40）情况下，流动阻力系数可以描述为 18,20： 利用方程（ 4）和（ 5），锥形喷嘴 /扩散元件流动系数 阻力 可以写成如下： 同时，流动阻力系数与穿过扩散器和喷嘴的压力差有关 19： 式中： 别为穿过扩散器和喷嘴的压力差； 为液体密度。 将方程（ 4）和（ 5）代入方程（ 7）和（ 8）。在低雷诺系数下的压力差可以写成： 如 果相对于腔室压力 i 图 8 中的压力），压力差P d=P n=9，并且由公式（ 9）和（ 10），可推导出下面的公式 ： 因为喷嘴和扩散器的雷诺系数比为 (v0)n/(v0)d（见图 9 中方程），方程（ 11）可以写成如下： 或者 沈阳工业 大学毕业设计 附录 由方程（ 6）和（ 12）得，流动阻力系数比值可以写成如下： 或 根据方程（ 4）（ 5）和（ 13a），在低雷诺系数和确定几何形状的喷嘴 /扩散器元件条件下，比值 为定值。此外，方程（ 13b）可以直接由方程（ 7）和（ 8）得到。 图 10（ a）和（ b）表明了由锥形喷嘴 /扩散元件的直径 锥角 ，长度 L 计算得出的流动阻力系数比值 。系数比 随着直径 变大而减小；另一方面，随着喷嘴/扩散元件的圆锥角 和长度 L 的变大而增加。如果我们仅考虑喷嘴 /扩散元件的效率，在低雷诺系数下，越小的直径 大的圆锥角 ，越长的长度 L 更有利于液体流动。注意在图（ 10b）中，在 2 = 40,和 L = 9 件下，直径 图 10 喷嘴对扩散器的流动阻力系数比 微型泵的平均输出流量 如果我们考虑通过喷嘴 /扩散元件的平均流动速度，在进水或出水过程中的存储容量（见图 8 中存储空间定义）与液体流动速度相关，如下： 沈阳工业 大学毕业设计 附录 或 式中： ( 别表示出水过程中流经出口和进口的流出液体量， ( 喷嘴 /扩散器在小直径 的面积， T 为周期。 无论在进水还是出水时，我们可以将方程（ 14a）和（ 14b）重写成如下： 应当注意到，在出水时出口流速 (v0)d 应该等于进水时进口流速 (v0)d，并且出水时进口流速 (v0)n 应该等于进水时出口流速 (v0)n。 在一个周期 T 时间内，流经出口的液体净输出量 下定义： 定义平均输出流量 Q 为 ，我们可以重新得到方程（ 16）如下： 将方程（ 13）和（ 15）代入方程（ 17），在一个周期 T 时间内，平均输出流量 Q 可以预计如下 19,20： 式中 一半的存储容量（ V/2）。 由于方程（ 4）和（ 5）只有在低雷诺系数 (1 50)下有 效，我们在对平均输出流沈阳工业 大学毕业设计 附录 量进行有效预测时需要知道在喷嘴 /扩散元件处的雷诺系数。在低雷诺系数下，通过喷嘴的液体流速也低于通过扩散器的液体流速。因此，在本研究中预测雷诺系数时只对通过扩散器的液体流速进行计算。 由方程 （ 12） 和（ 15）知，流经扩散器的液体平均流速用如下公式进行计算： 使用方程（ 18）中的液体流速，流经扩散器的雷诺系数可由如下公式计算： 图 11 （ a）和（ b） 显示 由 动器驱动的微型泵的平均输出流量估计。为了对流量进行计算，我们使用在章节 提到的最优化的 膜，选择 膜的驱动频率 f = z，使用一半存储容量， l。使用在 20C 时水的运动粘度系数 =10-6 为流量估计仅仅在低雷诺系数范围 (1 50)内有效，我们在每幅图中标记有效估计极限为 0。如图 11(a)和 (b)所示，平均输出流量 Q 随着直径 变大而减小，并且随着喷嘴 /扩散元件的圆锥角 和长度 L 的变大而增加。在图 11（ b）中，我们给定喷嘴 /扩散元件的圆锥角 =40，长度 L=9径和雷诺系数分别为 50 ， 估 计 平 均 输 出 流 量 为 l s1 。图 11 在低雷诺系数下 动器驱动的微型泵平均输出流量估计 事实上， 括几何形状，输入电压， 学毕业设计 附录 隔膜驱动频率，和喷嘴 /扩散元件的一些方程等。应该调整和优化所有的设计参数使动器驱动的微型泵使用于不同的特定场合。 4. 结束语 在 本文中 ，介绍了 动的无阀式微型泵的详尽的设计方法。为了准确的估计膜的变形形状，在有限元方法中使用了非常方便的 动器的等效双晶片梁模型。通过使用数值方法对参数进行研究，结 果发现，为了产生最大的中心位移，应该使用圆形的 膜，其中电极半径为 膜半径为 10最优值。对最优的圆形 膜进行普通模式分析表明，由于计算出的系统固有频率（ 430大于驱动频率范围（ 40共振不会对存储容量产生影响。基于选定几何形状的锥形喷嘴 /扩散元件，在较低的雷诺系数下（ 0），使用流体阻力系数方程对 动器驱动的无阀式微型泵进行平均输出流量进行估计。目前，我们正在制造定型的 将在不久的将来把这项研究 的结果报告出来。 致谢 非常感谢美国国家科学基金会奖次项目通过 划，并给予一定得财政支持。本文第一作者得到了韩国研究基金会部分支持（ 此外， 常感谢 司和美国陆军 对 膜的支持。 毕业设计（论文）任务书 课题名称 向进给系统设计 专业 机械设计制造及自动化 姓名 刘健 学号 12101718 主要内容、基本要求、主要参考资料、进度安排等： 一、主要内容：（ 1）滚珠丝杠螺母副结构设计（ 1） （ 2） 减速箱结构设计（ 1） （ 3） 纵向进给系统总装配图设计（ 1） （ 4） 编写设计说明书一份 二、基本要求： 面、中文摘要、英文摘要、目录、正文、致谢、参考文献及附录八部分。 文的书写规范： 论文（设计说明书）要求统一使用 一采用 面（ 210297 ）复印纸，单面打印。其中上边距 30 、下边距 30 、左边距 30 、右边距 20 、页眉 15 、页脚 15 。字间距为标准，行间距为固定值 22 磅。 字体和字号要求 ： 两行书写时用小二号）黑体字。 第一层次（章）题序和标题用三号黑体字，题序和标题之间空两个字，不加标点，下同。 第二层次（节）题序和标题用四号黑体字。 第三层次（条） 题序和标题用小四号黑体字。 以下各层次题序和标题一律用小四号黑体字。 正文：小四号宋体 页码：小五号宋体 数字和字母： “ 摘要 ” 字样（ 三 号黑体），字间空一字符， “ 摘要 ” 二字下空一行打印摘要正文（小四号宋体）。 摘要正文后下空一行打印 “ 关键词 ” 三字（小 四 号黑体），其后为关键词（小四号 宋体） ，关键词一般为 3 5 个，每一关键词之间用分号 “ ； ” 隔开，最后一个关键词后不打标点符号。 三、 主要参考资料： 1 武友德 式车床数控化改造 交通大学， 2005 2 尹志强等主编 机械工业出版社， 3 王仁德，张耀满，赵春雨，赵亮 东北大学出版社， 4 蔡厚道，吴日韦主编 北京理工大学出版社， 5 金钰，胡祜德，李向春编著 北京理工大学出版社 6 吴振彪主编 中国人民大学出版社， 2000 7 谢红 同济大学出版社， 8 机床设计手册 1 通用标准资料（上册） 1978 9 文怀兴 ,夏田 化学工业出版社， 2008 10 文怀兴 ,夏田 化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心， 2005 11 荣西林 东北大学出版社， 2001 12 朱喜林 ,张代治 科学出版社， 2007 13 陈西文 接口程序设计入门与应用 1996 14 袁任光 华南理工大学出版社， 15 张洪润 ,张亚凡 清华大学出版社， 2005 16 成大先主编 化学工业出版社， 1993 17 张玉，刘平 东北大学出版社， 18 柳洪义 科学出版社， 19 刘杰，赵春雨，宋伟刚，张镭 冶金工业出版社， 20 万福君，潘松峰 中国科学技术大学出版社， 21 李亮玉，刘新娟 其应用 1994 年第 3 期，2822 阳彦雄 通车床数控化改造 2008 23 范立南，谢子殿 北京大学出版社， 、进度安排： 第 1 周 第 2 周： 选题、下达设计任务书、拟定设计方案； 第 2 周 第 4 周： 查找资料、毕业设计开题报告； 第 4 周 第 6 周： 设计方案修订； 第 6 周 第 12 周：设计计算及图纸绘制； 第 12 周 第 15 周：撰写说明书论文。 指导教师签字： 2015 年 12 月 23 日 教研室主任签字： 2015 年 12 月 24 日 系主任签字： 2015 年 12 月25 日 毕业设计（论文）开题报告 课题名称 向进给系统设计 课题来源 教师指定 课题类型 导教师 马晓波 开题报告内容： （调研资料准备情况，设计的目的、要求、思路与预期成果；工作任务分解，各阶段完成的内容及时间分配；完成设计（论文）所具备的条件、存在的问题等。） 一、调研资料准备情况 1 武友德 式车床数控化改造 2005 2 尹志强等主编 机械工业出版社， 3 王仁德，张耀满，赵春雨，赵亮 术 4 蔡厚道，吴日韦主编 北京理工大学出版社， 5 金钰，胡祜德，李向春编著 北京理工大学出版社 6 吴振彪主编 中国人民大学出版社， 2000 7 谢红 同济大学出版社， 8 机床设计手册 1 通用标准资料（上册） 1978 9 文怀兴 ,夏田 化学工业出版社， 2008 10 文怀兴 ,夏田 床系统设计 2005 11 荣西林 东北大学出版社， 2001 12 朱喜林 ,张代治 科学出版社， 2007 13 陈西文 接口程序设计入门与应用 1996 14 袁任光 华南理工大学出版社， 15 张洪润 ,张亚凡 清华大学出版社， 2005 16 成大先主编 化学工业出版社， 1993 17 张玉，刘平 东北大学出版社， 18 柳洪义 科学出版社， 19 刘杰，赵春雨，宋伟刚，张镭 冶金工业出版社， 20 万福君，潘松峰 中国科学技术大学出版社， 21 李亮玉，刘新娟 其应用 1994 年第 3 期，2822 阳彦雄 通车床数控化改造 2008 23 范立南 ，谢子殿 北京大学出版社， 、 设计的目的、要求、思路及预期成果 目的： 数控机床加工时，既能控制机床的动作次序，又能控制机床运动部件的移动量，提高了速度，可靠性和可变适应性。 要求： 三张 、一份毕业论文。 预期成果： 可以实现大批量多样化生产 。 三、工作任务分解，各阶段完成的工作内容及时间分配： 第 1 周 第 2 周： 选题、下达设计任务书、拟定设计方案； 第 2 周 第 4 周： 查找资料、毕业设计开题报告； 第 4 周 第 6 周： 设计方案修订； 第 6 周 第 12 周：设计计算及图纸绘制； 第 12 周第 15 周：撰写说明书论文。 指导教师意见： 指导教师签名： 2016 年 3 月 4 日 课题类型（ 1） A 工程设计； B 技术开发； C 软件工程； D 理论研。（ 2） X真实课题； Y 模拟课题； Z 虚拟课题。（ 1）、（ 2）均要填写，如 。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 I 摘 要 数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的 性制造系统、计算机集成制造系统等等，都是建立在数控技术基础之上的。同时，数控技术也关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业因素之一，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。推广与应用数控技术是我国机械制造行业的一项重要的战略任务。数控机床的生产准备的时间短，所制造的零件重复精度高，对改变零件设计的适用性强，夹具成本低，加工形状复杂的零 件时准确可靠。因此，数控机床在现阶段以及以后的时间将占据重要地位。 本题目是数控车床 纵向进给系统设计。首先根据典型工艺数据，结合拟定参数，传动方案的确定。对传动系统主要结构进行设计，包括选择滚珠丝杠螺母副和减速箱体的机构设计，从而完成整个进给系统机械结构的设计。然后，通过计算选择步进电机，驱动滚珠丝杠运动，从而带动工作台运动。基于 步进电机的控制系统设计，使电机实现正反转，快速正反转功能，保证对传动系统的控制要求，从而完成整个进给系统的设计。 关键词 ：数控机床；滚珠丝杠；步进 电机；单片机 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 is of in on of At is to of a it is of to of a of is of of a s of NC of is a in NC no to to of C NC an in at a of in is of of be to of of so as to of of by In to of of so to or or of 买后包含有 纸和论文 ,咨询 买后包含有 纸和论文 ,咨询 买后包含有 纸和论文 ,咨询 V 目录 摘 要 . I . 绪论 . 1 数控机床的发展历史与现状 . 1 发展数控机床的必要性 . 2 数控机床的结构与特点 . 2 数控机床的发展方向 . 5 2 设计任务与方案确定 . 7 设计任务 . 7 设计技术参数 . 7 总体方案的确定 . 7 3 机械传动设计计算 . 8 计算内容及步骤 . 8 珠丝杠设计计算 . 8 切削力的计算 . 8 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 8 滚珠丝杠螺母副的验算 . 10 步进电机的计算与选型 . 12 步进电机选型 . 12 传动比的确定 . 13 转动惯量的计算 . 13 步进电机转矩校核 . 14 步进电机性能校核 . 15 滚珠丝杠的预紧和消隙 . 16 4 环保性与经济性分析 . 17 经济性分析 . 17 环保性分析 . 17 结论 . 19 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 考文献 . 20 致 谢 . 21 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 1 1 绪论 数控机床的发展历史与现状 数字控制机床是用数字代码形式的信息 (程序指令 )，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨 迹进行自动加工的机床，简称数控机床 1。 计算机数值控制工具十分适应性 ,只需要改变输入指令修改方案 ,处理对象性能高于一般自动机、复杂曲面加工精度 ,适合中小批量加工 ,修改部分高精度和复杂形状坯料 ,取得良好的经济效果。 数字技术在不断发展，数控机床系统种类不断增加 ,有车床、铣床、镗床、钻床、砂轮机、机械加工、电气火花机机器工具等等。除了自动更换刀具，还有加工中心、车削中心加工等。 1948 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓的加工设备。由于样板形状复杂多样化，精度要求较高，一般 加工设备难以完成，于是提出计算机控制机床的设想。 1949 年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床的研究，并于 1952 年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久便 4 开始正式生产。 当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门来加工复杂型面零件； 1959 年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降； 1960 年以后，较为简单与经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数 控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。 1965 年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，而且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。 60 年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的数控系统 (简称 又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统 (简称 使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。 1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置 (简称 这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能 扩大了一倍，而体积则缩小为原来的 1/20，价格降低了 3/4，可靠性也得到极大的提高。 80 年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程购买后包含有 纸和论文 ,咨询 2 序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程 1。 发展数控机床的必要性 在机械加工过程中 ，经常要用到加工批量不大、改型频繁、精度要求高、形状复杂的一类零件。据统计，单件和中、小批量零件的加工约占机械加工总量的 80%以上。如何解决这类产品的自动化加工呢？显然，一般自动化机床已不适应这类加工，因为一般自动化机床往往用凸轮或其他专门机构来控制机床进行加工。当零件尺寸改变时，必须重新更换凸轮或靠模，调整尺寸，才能重新加工。重新调整的工作量非常大，同时也不经济。另外，对于那些形状十分复杂的零件，通常的自动化加床也无能为力。针对这些问题，数控机床的迅速发展，为解决这类零件加工提供了良好的途径，为机械工业的 发展做出了卓越的贡献。相比较于普通机床，数控机床有着如下优点： 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。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2） 可以实现加工的自动化，且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 到 7 倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记录和存储下来，然后按程序规定的顺序自动执行，从而实现自动化。数控机床只需更换程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产的自动 化，故被称为实现了 柔性自动化 。 3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配更加容易，不再需要 修配 。 4） 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁装夹。 5） 由以上五条好处。如：降低工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应等等。 数控机床的结构与特点 数字程序控制机床（数控机床）是近 20 年来综合应用了计算技术、自动控制、精密测量和机床结构设计等各个技术领域里的最新技术成就而发展起来的一种既具有 广泛的通用性，又具有很高的自动化程度的完全新型的机床。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记购买后包含有 纸和论文 ,咨询 3 录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。 数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、控制部分和输出部分等。数控装置按所能实现的控制功能分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制三大类。 点位控制是只控制刀具或者工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需要控制。采用这类控制的有数控镗床、数控钻 床和数控坐标镗床等。 直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位之外，还控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有平面铣削的数控铣床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床与数控磨床等。 连续轨迹控制 (或称轮廓控制 )能够连续控制两个或两个以上的坐标方向的联合运动。为了使刀具按照规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差接近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削的过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有能加工曲 面用的数控铣床、数控磨床、数控车床和加工中心等。 伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种。开环伺服机构是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易使用，但是精度和速度的提高受到限制。 半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器构成。位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度来间接测出工作台的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服 马达。位置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。 闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达和半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或者长磁栅。 为了保证机床具有很大的工艺适应性和连续稳定工作的能力，数控机床结构设计的特点 具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。进给系统的机械传动链购买后包含有 纸和论文 ,咨询 4 采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等等，以尽量减小反向间隙。机床采用塑料减摩导轨、滚动导轨或静压导轨，以提高运动的平稳性并且使低速运动时不出现爬行现象。 由于采用了宽调速的进给伺服电动机和宽调速的主轴电动机，可以不用或少用齿轮传动和齿轮变速，这就简化了机床的传动机构。机床布局便于排屑和工件装卸，部分数控机床带有自动排屑器与自动工件交换装置。大部分数控机床采用具有微处理器的可编程序控制器，以代替强电柜中大量的继电器，提高了机床强电控制的 可靠性和灵活性 4。 数控机床加工时，既能控制机床的动作次序，又能控制机床运动部件的移动量，其工作过程如下图 示： 图 控机床加工过程 目前，在市场上已见不到普通的数控机床（ 取而代之的是计算机数控机床（ 发展。计算机数控是将通用的小型或微型计算机装入数控机床的控制柜，再适当增加借口电路及输入、输出装置（如荧光屏等），用以替代数控机床系统控制柜中的专用电子计算装置。计算机数控系统不仅比原来的数控系统使用范围广、功能全，而且还有相当大的通用性，改善了对机床操作的 控制。计算机数控系统大致有以下一些特点： 1） 用存储的软件实行控制，代替普通数控的硬件控制； 2） 有存储零件程序和修改零件程序的功能。可以在 统存储器中划出一部分可读可写的存储器存放零件程序，而且还可以通过利用 统软件的编辑功能来修改零件程序； 3） 有诊断故障功能。 统具备了用软件查找故障的功能； 4） 可以用软件取代机床的继电器控制。可使机床的全部动作全由软件加以控制和监视，提高了速度，可靠性和可变适应性； 5） 可以提高编程效率； 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 5 6） 有保护零件的能力，可以实现输入数据的正确性，监视数据在 机床上的执行情况。 数控机床的发展方向 目前，数控机床正在以下几个方面得到发展： （ 1） 使数控机床标准化、系列化，以进一步提高数控装置的可靠性，降低其生产时间和生产成本； （ 2） 发展简易数控装置。虽然简易数控装置机能较少，但一般由于其使用简单、维护方便、价格低廉，在普通零件的中、大批量生产中也可以采用； （ 3） 自适应控制数控机床。它能在加工过程中，随切削加工的参数变动，自动的调整进给量、切削量等，使机床和刀具都在较佳状态下工作，工作效率大大提高，并能保证零件得到更好的精度和光洁度； （ 4） 分布式控制（ 用一台计 算机直接控制多台数控机床，或控制整个零件的加工生产过程； （ 5） 自动编制程序。为了减轻人工编程的劳动强度，提高程序编制的效率与减少错误，出现了用电子计算机自动编制程序。 计算机数控机床（ 有 20 多年历史，最初阶段，主要是采用通用机床进行改装的方法，例如把普通车床、铣床、钻床及镗床改造成数控车床、数控铣床、数控钻床及数控镗床等。但随着技术的发展，由通用机床改为数控机床存在着一些严重的弱点，例如机床刚度不足，滑动面的摩擦阻力太大，传动元件中存在间隙等问题越来越突出地暴露出来。由于在数控机床上进行加工不能象在普 通机床上加工那样，可以用人工的手工操作来弥补上述因素对加工零件的精度影响，故对于数控机床几乎在任何方面都要求比通用机床设计得更完善，制造得更精密。因此数控机床已由改装通用机床逐步发展到专门为满足数控要求而设计的新的数控机床。在这过程中，对机床的结构设计起了很大的推动作用，从通用机床的基础上逐渐发展了不少完全新颖的结构和原件，这些变动，大致体现在下列几个方面： 1）采用了刚度和抗震性较好的机床新结构； 2）采用了无间隙的齿轮传动副，以消除传动装置反向时的空程死区； 3）采用了传动效率很高的精密滚珠丝杠 螺母 副等传动元件； 4）采用了摩擦系数很低的滚动导轨或静压导轨，提高机床运动灵敏性； 5）采用了增大功率的电机和先进刀具，以提高切削用量； 6）采用了多主轴、多刀架结构，以提高单位时间内的切削效率； 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 6 7）采用了自动换刀和自动更换工件的装置，以减少停机时间； 8）采用了自动排屑，自动润滑装置。 沈阳工学院毕业设计说明书 7 2 设计任务与方案确定 设计任务 本设计任务是进行 向进给系统设计。利用微型计算机（单片机）对纵向进给系统进行开环控制，对纵向进给系统进行数控化设计。驱动系统采 用 列步进电机，传动系统采用滚珠丝杠。 设计技术参数 最大加工直径 在床面上 630床鞍上 350大加工长度 2900进速度 纵向 大切削进给速度 纵向 板及刀架重力 纵向 1200N 最小指令值（脉冲当量） 纵向 冲 机床定位精度 总体 方案的确定 参照数控车床进给系统设计经验及有关资料确定总体方案是：由微型计算机（单片机）进行数据计算、程序运行，然后经 I/O 借口输出步进脉冲，经过硬件环分器、驱动芯片，驱动步进电机动作， 通过联轴器直联驱动滚珠丝杠，从而带动工作台实现纵向进给。如图 示。 图 体设计方案 沈阳工学院毕业设计说明书 8 3 机械传动设计计算 计算内容及步骤 本节只对纵向进给系统的滚珠丝杠，步进电机进行计 算与选择。采用由系统左端相系统右端步骤进行计算与选择。见图 图 计计算内容 珠丝杠设计计算 切削力的计算 车床主切削力 文献 6） （ 3 式中： 在车床床面上加工的最大直径（ 已知 30 代入公式（ 3，得 1 0 5 9 56 3 m a x 走刀方向切削分力 垂直走刀方向的切削分力 按以下比例求出： x: 649N, 238N 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 （ 1）计算进给牵引力 文献 6） （ 3 式中： 走刀方向切削分力（ N）； 主切削力（ N）； 沈阳工学院毕业设计说明书 9 G 为移动部件重力（ N）； K 和 f为分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，取 K=f= 代入公式（ 3，得 1 51 2 0 01 0 5 9 4 （ 2）计算最大动载荷 C（见文献 6） （ 3 式 中： L 为工作寿命， n 为丝杠转速（ r/ v 为最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的 1/21/3， a x ，取 v= 丝杠基本导程，初取 t 为额定使用寿命，取 t=15000h； 运转状态系数，取 滚珠丝杠工作载荷 h 将上面结果代入公式（ 3，得 （ 3）计算最大静载荷 见文献 6） 0（ 3 式中： 静态安全系数，取 丝杠工作载荷（ N）。 代入公式（ 3，得 2 1 01000L 5 00 6 0 01 0 0 00rL 660阳工学院毕业设计说明书 10 初选 珠丝杠螺母副 称直径 d=50杠取 5 级精度 该型号的丝杠为外循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式的滚珠丝杠副。 该型号滚珠丝杠额定动载荷： a 1 9 3 4 22 1 2 5 0 额定静载荷： 2 37 4 6 0 0 0 （ 4）滚珠丝杠传动效率（见文献 6） （ 3 式中： 为丝杠螺旋升角，由丝杠型号查出， 112 ； 为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f=摩擦角约等于 10 。 代入公式（ 3算，得 滚 珠丝杠螺母副的验算 （ 1）刚度验算 1）丝杠的拉压变形量 1 （见文献 6） （ 3 式中： 1 为在工作载荷 用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量（ 丝杠工作载荷（ N）； L 为滚珠丝杠在支承间的受力长度 （ ，滚珠丝杠工作长度为 2900 考虑两端 安装轴承，左右支撑的中心距离约为 3150 E 为材料弹性模量，对刚 E=104 A 为滚珠丝杠按内径确定的横截面积 ( 代入式（ 3计算 2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 （见文献 6） （ 3 tg 0112( 112 F m 0 4 4 2 5 1 52413 阳工学院毕业设计说明书 11 式中： 滚珠直径， =Z圆数列数； Z 为一圈滚珠数， ； 滚珠丝杠的公称直径 ( 预紧力 (N)； 滚珠丝杠工作载荷 (N)。 Z= Z圆数列数 =2 1=198 将上面各结果代入式（ 3进行计算 滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的 1/3， 2 值可减少一半左右 3）丝杠副刚度的验算 丝杠的总变形量 9 2 4 9 7 4 2 丝杠有效行程为 29005 级精度滚珠丝杠有效行程在 25003150，行程偏差允许达到 69 m ，丝杠刚度足够。 （ 2）压杆稳定性验算 滚珠丝杠是一种受轴向力的长柱压杆（见文献 6） （ 3 式中： E 为丝杠材料弹性模量，对刚 E=104 3 22 22L 64418153131 沈阳工学院毕业设计说明书 12 I 为截面惯性矩 (对丝杠圆截面（ 丝杠底径）； L 为丝杠最大工作长度 ( 丝杠支承方式系数，取 代入式（ 3，可得 故滚珠丝杠不会失稳。 步进电机的计算与选型 步进电机选型 初选 130进电机，该型号步进电动机技术数据如下（见文献 2）： 表 30进电机技术参数 步进电机的运行矩频特性如下： 表 进电动机的运行矩频特性（对应表 电动机型号 运行频率 /(100 500 1000 2000 4000 6000 8000 10000 运 行步距角 /( ) 不同频率下的输出转矩 /( ) 130 选用 列步进电机工作特点如下： （ 1）输出转矩大，矩频特性硬； （ 2）驱动电源电流小，功耗低； （ 3）动态性能好，输出角位移与输入脉冲数严格成比例，而且在时间上同步，因此调节输入脉冲的数量、频率、相序即可控制电机相应的角位 移、转速、转向获 得所需要的运动特性，而不需中间转换装置； （ 4）起动制动时间短，在制动状态下，电机转子可以锁住定位； 相数 步距角 /( ) 电压 /V 电流 /A 最大 静转矩 /( 空载起 动频率 /载运 行频率 /子转 动惯量 /)( 2 3 0325 6 37 1500 15000 48 4 1 53 3 4 0 7 3 13 （ 5）输出角位移的定位精度高而且积累误差不随转数而叠加； （ 6）电机轴伸采用键联接。 传动比的确定 传动比 i 计算如下（见文献 2）： （ 3 式中： 为电动机步距角， = 丝杠基本导程， 为脉冲当量， =冲 代入 式（ 3，计算得 转动惯量的计算 丝杠转动惯量（见文献 6） （ 3 对于钢材，材料密度为 10kg/代入式（ 3有 23434 3 7 1102 9 式中： D 为丝杠直径（ L 为丝杠长度（ 圆柱体质量（ 电机转子转动惯量 248 工作台转动惯量 （ 3 式中： 丝杠导程（ M 为工作台质量（ 代入式（ 3算得 3600 0 0 0 8 22 c 202 2220 沈阳工学院毕业设计说明书 14 转动惯量 24 9 1 步进电机转矩校核 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩 快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 1） 快速空载起动时电动机的转轴所承受的负载转矩 文献 2） 算快速空载起动时折到电动机转轴上的最大加速转矩（见文献 2）： （ 3 式中： 对应纵向空载最快移动速度的步进电机最高转速，单位为 r/ 步进电动机由静止不动到加速至 速所需要的时间，单位为 s。 其中 （ 3 式中： 纵向空载最快移动速度， 000mm/ 纵向步进电机步距角，为 纵向脉冲当量， =冲 代入式（ 3算，得 设步进电机由静止加速到 需要时间 向传动链总效率 =入式（ 3算，得 移动部件运动时，折算到电机转轴上的摩擦转矩为（见文献 2）： 3 340732900 64) 1602m a x a ma 360m 0 0 0 rn m 9021602 4m a x 沈阳工学院毕业设计说明书 15 式中： 导轨摩擦系数，滑动导轨取 z 垂直方向工作负载，空载取 0 纵向传动链总效率， =入式（ 3算，得 a 2） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 文献 2） 2前面对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷 649N 最大工作负载 0595N，摩擦转矩 02.6,m 1取安全系数 K=4 a 30进电机最大静转矩 37m 步进电机性能校核 1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 最快工进速度 00m a x 脉冲当量 脉冲/01.0 求出电动机对应运行频率 由 130运行矩频特性（表 知，在此频率下，电动机转矩 0 2 0 00( 0 2 0 01 0 5 9 5( f 8 3 0 060 m a xm a x 沈阳工学院毕业设计说明书 16 f a x 远大于 满足要求。 2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 最快空载移动速度 m 000m a x 电动机对应运行频率 由 130运行矩频特性（表 知，在此频率下，电动机转矩 a x 远大于 满足要求 3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动时，电动机对应运行频率 333m 查表 130进电机运行极限频率为 15000有超出上限，符合要求。 滚珠丝杠的预紧 和消隙 对于滚丝杠副来说，除单一方向进给传动精度有一定要求外，其轴向间隙也应该有严格的要求，以保证反向精度的要求。 轴向间隙一般是指丝杠固定不动，螺母在限制其回转状态下出现的轴向位移。滚珠丝杠副的轴向间隙是受负载时，在滚珠与滚道面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量与螺母原有间隙的总和，要将轴向间隙完全清除是相当困难的。 通常采用双螺母预紧的方式，将弹性变形控制在最小的限度内，如果滚珠丝杆与配合公差选择适当，就可以获得相当高的定位精度。目前国内生产的滚珠丝杠，外循环单螺母径向间隙达 双螺母 经加预紧力调整后基本能消除间隙。 本人所设计选取的滚珠丝杠预加负荷方式为垫片预加负荷式。用螺钉联接两螺母套，在两螺钉间加垫片，通过调整垫片的厚度，使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的，预紧力增大了丝杠的刚度。这种方式结构简单，可靠性好，刚度高，装拆方便，但调整费时，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和进行预紧，运用于一般精度的机构中。同时，在采用预紧力消隙时应注意： （ 1）通过预紧力产生预拉变形，减少了弹性变形引起的位移，但不能使预紧力过大，否则加大驱动力矩，会降低效率，缩短使用寿命； （ 2）特别注意丝杠安装部分和驱动部分的间隙，尽可能使之减小。 4 92 0 3 3 0 0 060 m a xm a x 沈阳工学院毕业设计说明书 17 4 环保性与经济性分析 经济性分析 列数控车床为普及型数控车床，适宜加工形状复杂的轴、套、盘类零件。如车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、切槽、倒角、车螺纹等，尤其适合多品种、中小批量的轮番加工。工艺适应性强，加工效率高，废品率低，