Φ460mm的数控车床总体设计及纵向进给设计（全套含CAD图纸）

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 I 毕业设计 (论文 ) 460数控 车床 总体设计 及纵向进给设计设计 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 本次设计是对 460控车床的设计。 在这里 主要包括 :主传动系统的设计、 纵向 进给系统的设计、 横向 进给系统的设计。 而我主要是针对纵向 进给系统 进行机械 设计 。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件 。 数控设计主要传动系统的机械设计。 由于对经济型数控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本。通过控制横进给系统，保证设计后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的 传动效率 ，采用步进电机经 联轴器 再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。 关键词： 车床 ， 数控设计 ， 联轴器 ， 滚珠丝杠 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 is 460MM C. of of at on of to a NC is a of of NC it is to By it of of we us a To a of a is , 全套图纸加 Q 401339828 买文档就送您 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 - 控机床的经济分析 . - 2 - 控机床的工艺范围及加工精度 . - 2 - 控机床的发展趋势 . - 3 - 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 . - 5 - 体方案设计内容 . - 5 - 体方案的论证 . - 5 - 械部分的改造设计 . - 5 - 服进给系统的改造设计 . - 6 - 控系统的硬件电路设计 . - 6 - 体方案的确定 . - 6 - 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 . - 6 - 学选择数控刀具 . - 6 - 择数控刀具 的原则 . - 6 - 择数控车削用刀具 . - 6 - 置刀点和换刀点 . - 7 - 定切削用量 . - 8 - 定主轴转速 . - 8 - 定进给速度 . - 8 - 定背吃刀量 . - 8 - 第 4 章 传动系统图的设计 . - 10 - 传动系统主要技术指标的确定 . - 10 - 力参数的确定 . - 10 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 V 运动调速范围的确定 . - 11 - 轴计算转速的确定 . - 12 - 速主传动系统的设计 . - 13 - 定传动方案 . - 13 - 速图的拟定 . - 14 - 定传动变速系统图 . - 15 - 第 5 章 纵向进给系统设计 . - 16 - 向滚珠丝杠副的选用 . - 16 - 定系统的脉冲当量 . - 16 - 削力的计算 . - 17 - 珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 . - 17 - 进电机的选用 . - 21 - 冲量的选择 . - 21 - 效负载转矩计算 . - 21 - 效转动惯量的计算 . - 22 - 进电动机型号的选择 . - 23 - 轮传动间隙的调整 . - 24 - 第 6章 电气控制部分的设计 . 27 片机的选择 . 27 进电机的驱动 . 28 形脉冲分配器的选择 . 28 率放大器的选用 . 29 进电机的微机控制 . 32 结 论 . 34 致 谢 . 35 参考文献 . 36 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 数字控制机床（ 简称数控机床，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量 、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电一体化产品。 数控机床一般由下列几个部分组成： 1）主机，它是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部件。 2）数控装置，是数控机床的核心，相当于人的大脑，它包括硬件（印刷电路板、示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 3）驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动系统、伺 服驱动系统、主轴电机及伺服电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线以及曲面的加工。 4）辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5） 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 与数控机床相比，数控机床有如下特点： 1）加工精度高，具有稳定的加工质量； 2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 4）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（一般为数控买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 2 - 机床的 3）； 5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 控机床的经济分析 数控机床能缩短生产准备时间，增加切屑加工时间的比率； 使用数控机床进行生产，加工的零件精度高，产品质量稳定 ,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力； 数控机床具有广泛 的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多数控机床很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工； 许多数控机床如加工中心具有自动换刀功能，使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房面积； 生产者可以对生产成本进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的； 应用数控机床进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增加了工人的生产积极性，促进了生产，提高了生产效率。 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂 ，且需频繁改型，数控机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强 、 加工精度高 、 加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机 、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。 控机床的工艺范围及加工精度 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。 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，所以它的工买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 3 - 艺范围要比普通车床要宽得多。 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，甚至可以以铣代磨。 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。 控机床的发展趋势 数控机床最早是从美国开始研制的。 1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的 初始设想。 1949 年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于 1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床 。经过三年改进和自动编程研究，于 1955 年进入实用阶段。一直到 20 世纪 50 年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了 60 年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床 、 冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊 接机 、 火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。 自 1952 年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术 、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。 第一代数控： 1952 第二代数控：从 1959 年开始采用晶体管电路的 统。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 4 - 第三代数控：从 1965 年开始采用小、中规模集成电路的 统。 第四代数控：从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。 第五代数控：从 1974 年开始采用微型电子计算机控制的系统。 目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的数控数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。 近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透 到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 5 - 第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 数控机床可以较好的解决形状复杂、精密多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已经成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。 本设计任务是对 460数控车床总体设计 。利用 单片 机对纵、横向进给系统进行控制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 冲，横向（ X 向）脉冲当量为 冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副 。 体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 械部分的改造设计 为了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杠。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度 和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。 此设计过程主要是纵向进给和横向进给的改造，关键是步进电机和滚珠丝杠的选用。车床简易传动系统如图 2 图 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 6 - 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维 修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。 在设计的数控装置中， 选择是关键，选择 考虑以下要素： 2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 3. I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 在我国，普通机床数控改造方面应用较 普遍的是 要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计以 8031 芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 体方案的确定 经总体设计方案的论证后，车床的纵向（ Z 轴）和横向（ X 轴）进给运动采用步进电机驱动。 将原来机床的普通丝杠改为滚珠丝杠以减小摩擦力。并将 8031 单片机组成 的 微机作为数控装置的核心，由 I/O 接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠 丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 7 - 系统总体方案框图如下： 图 2统总体方案框图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 6 - 第 3 章 确定切削用量及选择刀具 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。 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。 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 （ 6） 拟定转速图和功率特性图如图 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），一般买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 16 - b 3b + 2b + , =1 4 综合考虑个因素，拟订传动系统图。 第 5 章 纵向进给系统设计 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 滚珠螺 旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点： (1) 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达 90 95，耗费能量仅为滑动丝杆的 1/3。 (2) 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。 (3) 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度 (62)、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的 410 倍以上。 (4) 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬 行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。 (5) 同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。 (6) 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 (7) 不能自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 (8) 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。 在数控机床中，一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做脉冲当量，通常用 表示，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 17 - 也称机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数， 按机床设计的加工精度选定。本设计所要求的 纵向（ 冲当量为 冲，横向（ 冲当量为 冲 。 削力的计算 在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都要用到切削力。现我们利用经验公式计算主切削力。 车床的主切削力 )(用下式计算： F Z 式中 车床床身加工的最大直径单位为 因 10： 6 24 1 按以下比例分别求出分力: 391， 226珠丝杠螺 母副的设计、计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称直径 d 、导程0L、滚珠的工作圈数 j 、列数 k 、精度等级等。 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠副的预紧方法选择双螺母螺纹预紧。 图 2 - 1 双 螺 母 螺 纹 调 隙 式 结 构1 、 2 - 单 螺 母 3 - 平 键 4 - 调 整 螺 母12 34买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 18 - (1)计算进给率牵引力而其数值大小和导轨的形式有关。 纵向进给导轨为三角形，则： )( N) 三角形导轨选取参数： 0 0, (2)计算最大动负荷 C 选用滚珠丝杠副的直径0须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷 C 。计算步骤如下： 丝杠转速01000Ln s 其中 s = m 60 L m 6 0 寿命61060 （ 500125606 最大动负荷 (3)计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速（ ）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形 ，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷0C。选取静态安全系数，滚珠 丝 杠 的 最 大 轴 向 负 荷 2254m a x 文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 19 - 5 1 0 82 5 5 42m a fC s 。 (4)选择滚珠丝杠副 见表 2)传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 0 4 7 42t an t 00 表 2珠丝杠副参数 型号 公称直径 螺旋升角 丝杠外径)(丝杠内径)(额定动载荷 )(N 丝杠长度 额定静载荷)(N 40 6 442o 24100 1200 82400 (6)刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载 共同作用下引起的每导程变形量L 是否符合丝杠精度要求。 每导程变形量 L 可按以下公式计算 2 0021 m 选取 )( 221 )( 1 74 FL m 5401 2554 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 20 - 402 其中： 4441 4 2 5 54 则： 21 45 0 0 0 2 9 01 0 01 查表所得，所选用的 D 级丝杠精度允许误差为 0 ，满足要求。 (7) 稳定性校核 机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆。若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲，所以选用时必须进行稳定性校核。如果满足稳定性安全系数则丝杠安全，不会失稳：)( 式中 ( 许用稳定性安全系数，一般取 4。 丝杠失稳时的临界负载，由： 2)( 式中 l 丝杠长度 丝杠轴端系数，由支承条件定。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 21 - J 截面惯性矩，对实心圆 4164对于水平丝杠要考虑自重影响可取 ( 4。 将相关数据代入上式中可得 Np k 1 1 5 7 76)12001( 462 )(4525 5411 577 6 kk 丝杠不会失稳。 初选三相步进电动机的步距角为 00 当三相六拍（ 1 2 相励磁）运行时，步距角 其妹转脉冲数 00 脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比 i 为 0 4 0 T 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 22 - 0 2 3 换算到电动机轴上的转动惯量w 52222 2 52 Z ，小齿轮齿数 361 Z ，模数 。 2342422 0 0 0 5 0 5 g 0 0 4 1 4 g 换算到电动机轴上的总惯性负载 221 i 2 3 0 5 0 5 0 0 4 7 0 4 1 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 - 23 - 已知 23103.2 初选步进电机型号为 110距角 相 六 拍 。 其 中 最 大 静 扭 矩 8m ，由此可得： a x , 233 141