Φ460mm的数控车床总体设计及横向进给设计（全套含CAD图纸）

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 毕业设计 (论文 ) 460数控 车床 总体设计 及横向进给设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 of C In to on of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 录 摘 要 . . 录 . 1 章 数控机床发展概述 . 1 控机床及其特点 . 1 控机床的工艺范围及加工精度 . 1 艺范围 . 1 工精度 . 1 控机床的经济分析 . 2 . 2 控 机床选购的策略 . 3 控机床的发展趋向 . 4 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 . 6 体方案设计内容 . 6 统运动方式的确定 . 6 制方式的选择 . 6 体方案确定 . 6 统的运动方式伺服系统的选择 . 6 控系统 . 6 械传动方式 . 7 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 . 7 学选择数控刀具 . 7 择数控刀具的原则 . 7 择数控车削 用刀具 . 8 置刀点和换刀点 . 8 定切削用量 . 9 定主轴转速 . 9 定进给速度 . 9 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 V 定背吃刀量 . 10 第 4 章 变速主传动系统方案的制定 . 10 传动系统主要技术指标的确定 . 10 . 10 . 11 . 12 速主传动系统的设计 . 13 . 13 . 14 . 15 第 5 章 横向进给系统设计计算 . 15 选择脉冲当量 . 15 算切削力 . 16 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 17 轮进给齿轮箱传动比计算 . 25 进电机的计算和选型 . 26 第 6 章 微机数控系统的设计 . 30 微机数控系统的设计纲要 . 30 件电路设计 . 30 件电路设计 . 31 8031 单片机及其扩展 . 32 031 单片机的简介 . 32 031 单片机的系统扩展 . 33 储器扩展 . 35 I/O 口的扩展 . 36 步进电机驱动电路 . 37 脉冲分配器（环行分配器） . 38 光电隔离电路 . 38 率放大器 . 38 他辅助电路 . 39 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 论 . 41 致 谢 . 42 参考文献 . 43 全套图纸加 Q 401339828买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 1 第 1 章 数控机床发展概述 控机床及其特点 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。 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只 需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、车床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 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。 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；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 控机床的工艺范围及加工精度 艺范围 数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数 量最多的数控机床，约占数控机床总数的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。 工精度 由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控车床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 2 车床要宽得多。 由于数控车床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿 和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以车代磨。 数控车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。 由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特 别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。 普通车床所能车削的螺纹类型相当有限，它只能车等导程的直、锥面公、英制螺纹，而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。而数控车床不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。 控机床的经济分析 近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。 由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性 ,以及品种型号、档次的多样性 ,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备 , 成为中小型企业十分关心的问题。 小企业数控机床选用中存在的问题 目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才 ,在数控机床选购中存在着盲目性、片面性 ,主要表现在以下几方面 : 部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益 ,忽略性价比 ,盲目追求进口、高档 ,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些 功能用不上或几乎不用。 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品 , 数控系统不统一 , 购置后给操作、编程、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 3 维修带来困难。 而忽略附件和刀具的配套 , 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。 所购设备的功能的发挥受到制约。 控机床选购的策略 购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。 (1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时 ,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异 ,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关 ,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度 ,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求 尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。 (2)数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能 , 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外 , 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基本功能比较便宜 , 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中 , 性能差别很大 ,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。 从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量 , 合理地选择适合机床的可选功能 ,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置 (是加工中心的基本特征， 置的投资往往占整机的 30% 50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价 ,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下 , 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的 , 机床选得实用、经济 , 可避免不 必要的浪费 , 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 4 数控机床的设计使用寿命一般为 7 年 , 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率 , 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品 , 已受到多数用户的青睐和肯定 , 一般不会有太多的质量问题。 选购数控机床应考虑投资回报 , 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业 购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价 40 万，三年后可能降至 35 万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没 有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。 控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题 , 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率 , 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准 (规定为 460h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国 内应用较多的数控系统有日本 国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全 ,服务队伍的素质是否能胜任工作 ,服务能否及时 ,是否能履行承诺等。 控机床的发展趋向 数控机床是由美国发明家 约翰 帕森斯 上个世纪发 明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 5 技术发展趋势 ： 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，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 合加工技术日趋成熟，包括车 车复合、车 钻 磨复合，成形复合 加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。 “一台机床就是一个加工厂 ”、 “一次装卡，完全加工 ”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到 广泛应用，使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车车复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（ 升到目前 的微米级（ 有些品种已达到 右。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（ 通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 6 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 体方案设计内容 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。 机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。 统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直 线控制系统和连续控制系统。 制方式的选择 系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。 体方案确定 统的运动方式伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机 床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 控系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 列单片机具有集成度高，可靠买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 7 性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制 命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。 系统总体方案框图如下： 图 2统总体方案框图 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 学选择数控刀具 择数控刀具的原则 刀具寿命与切削 用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定 . 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 8 和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时 间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取 15于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时 间内所分担到的全厂开支 M 较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度 来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整 方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速 切削的刀具材料 (如高速钢、超细粒度硬质合金 )并使用可转位刀片。 择数控车削用刀具 在数控加工中，车削平面零件内外轮廓 及车削平面常用平底立车刀，该刀具有关参数的经验数据如下 :一是车刀半径 小于零件内轮廓面的最小曲率半径 般取 是零件的加工高度 H动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。 （ 5） 确定转速级数 Z 取 4，则 对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取 Z=2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 15 （ 6） 拟定转速图和功率特性图如图 定传动变速系统图 拟定传动系统的原则是：在保证机床的运动和使用要求的前提下，运动传动链要尽可能的短而简单；传动效率高以及操作简单方便 。首先要考虑某些结构方面的问题，考虑结构能否实现：如小齿轮的齿根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是 否会碰及相邻轴等；其次因考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。 该机床采用双联滑移齿轮变速组，采用窄式排列结构，使机床结构紧凑。主轴变速拟采用通过滑移齿轮的移位来实现，需保证当齿轮 2与齿轮 4完全脱开啮合之后，齿轮3 和齿轮 6 才能开始进入啮合，所以齿轮 5 与齿轮 6 相邻间的距离 b 要大于于滑移齿轮的宽度（齿轮 b 2与齿轮宽度 3b 之和），一般 b 3b + 2b + , =1 4 综合考虑个因素，拟订传动系统图。 第 5 章 横向进给系统设计计算 选择脉冲当量 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、车床常采用的脉冲当量是 根据机床精度要求确定脉冲当量： 纵向： 横向： 径 ) 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 16 算切削力 用车床经验公式 式中 横切端面时主切削力 可取纵切时 1/2。 求出主切削里 后再按以下比例分别求出分力 ： 中 走刀方向的切削力（ N）； 垂直走刀方向的切削力（ N）。 下图为纵切和横切时切削力的示意图。 图 2 纵切和横切时切削力 的示意图 1、 纵车外圆 主切削力 N)按经验公式估计算： （ N） 按切削力各分力比例： ： x 1 8 7 2 . 7 1 9 1 （ N） 9 9 6 . 3 3 9 1 （ N） 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 17 2、 横切端面 主切削力 （ N）可取纵切的 1/2。 3 7 4 5 . 4 2 1F 21 s （ N） 9 3 6 . 3 4 （ N） 1 4 9 8 . 1 6 4 5 （ N） 珠丝杠螺母副的计算和选型 （一） 纵向进给丝杠 1、 计算进给轴向力 N） 纵向进给这里为三角形导轨： ( 式中 K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取 K= f ：指滑动导轨摩擦系数取 间的值； G：指流板及刀架重力， G=1100N。 则 3 6 1 4. 0 5 2) （ N） 2、 计算最大动负载 Q 考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载 Q 的计算公式为： 61060 式中 0L：指滚珠丝杠导程 ，初选0L=8； n：指丝杠转速，（ r/ 最大切削力条件下的进给速度（ m/,可取最高进给速度的1/21/3，此处取 T ：指使用寿命时间（ h） ,对于数控机床取 T=14600h.。 L：指寿命，以 106 转为一单位； 运动系数，见 表 1， 选 表 1运转系数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 18 运转状态 运转系数 无冲击运转 般运转 冲击运转 n 3 7 0 01 0 0 00 Lv s ( r/L 0 0 Q 151 8 3. 174 8361 4 . N） 3、 滚珠丝杠螺母副的选型 从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载 C 的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足 Q C 的条件。 查表：可采用 4608 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副， 1 列，其额定动负载为 23400N，符合 Q C 的条件。精度等级按表 2，选为 1 级。 106 2滚珠丝杠行程公差 项 目 符 号 有效行程 精度等 级 1 2 3 4 5 目标行程公差 6 8 12 16 23 315400 7 9 13 18 25 400460 8 10 15 20 27 460630 9 11 16 22 30 行程变动量公差 6 8 12 16 23 315400 6 8 12 17 25 400460 7 10 13 19 26 460630 7 11 14 21 29 任意 300 12 16