数控机床毕业设计说明书.doc

目录目录 摘要3 ABSTRACT.4 前言部分5 第 1 章 绪论6 1.1 机床总体方案的设计.6 1.1.1 课程设计任务书.6 1.1.2 总体方案设计.6 1.2 开环伺服进给系统机械部分设计.6 1.2.1 滚珠丝杠螺母副的计算选型.6 1.2.2 步进电动机的计算和选型.6 第 2 章 机床机电一体化改造总体方案的设计7 2.1 课程设计任务书.7 2.1.1 题目.7 2.1.2 原始数据：.7 2.1.3 主要技术参数：.7 2.1.4 课程设计的内容及要求：.7 2.2 总体方案设计.7 2.2.1 系统的运动方式的确定.7 2.2.2 伺服系统的选择.7 2.2.3 执行机构传动方式的确定.7 2.2.4 数控系统的选择.8 第 3 章 开环伺服进给系统机械部分设计8 3.2 计算切削力.8 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（.9 3.3.1 计算进给牵引力.9 3.3.2 计算最大动负载.9 3.3.3 滚珠丝杠螺母副的选型.10 3.3.4 传动效率计算.10 3.3.5 刚度计算.10 3.3.6 稳定性校核.12 3.3.7 纵向滚珠丝杠副的几何参数12 3.4 齿轮传动比计算.12 3.5 步进电动机的计算和选型.13 3.5.1 等效转动惯量计算.13 3.5.2 电机力矩计算.14 3.5.3 计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率.16 第 4 章 机械传动机构的调整和结构的简要说明17 4.1 丝杠进给速度的调节.17 4.2 轴向的预紧力的调整及定位.18 结论部分18 设计体会19 参考文献21 谢词22 摘要摘要 本设计是把普通数控的改造经济型数控机床，经济型数控机床就是指价格 低廉、操作使用方便、比较适合我国国情的，动化的机床。：分析和总结了现 有数控维修教学和实训中存在的主要问题，针对存在的 问题，简单介绍了虚拟 数控机床的功能，着重阐述了虚拟数控机床在数控维修 教学不同模块中的使用。 是使用数控机床可以降低工人劳动强度，节省劳动力（一个人可看管多台机床） ， 减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应，在 设计时候具体进行了详细的各种部件的选型和计算。机床计算机数据控的基本 原理，数控机床的组成、分类及发展，CNC 装置的硬件、软件及其接口，插补 原理、刀具补偿与速度控制，伺服驱动系统及位置控制，加工程序编制等。 比 如：导轨设计选型、滚珠丝杠副选型与计算，进行传动系统误差分析、驱动电 机的选型与计算、驱动电机与滚珠丝杆的联接，驱动电机与进给传动系统的动 态特性分析等。 关键词：车床 数控 传动系统 数控维修 虚拟数控机床 教学 Abstract This design is the common lathe with economical CNC machine tool, economic type CNC machine tools is low price, convenient operation and use, is suitable for the national conditions of our country, the move of the machine tool. The use of CNC machine tool can reduce the labor intensity of workers, labor saving ( a person can control more than one machine), reduce tooling, shorten new product development cycle and the production cycle, the rapid response to market demand, in the design of specific detail when the various parts of the design and calculation of. Machine computer data control principle, the composition of CNC machine tools, classification and development, CNC hardware, software and interface, interpolation theory, compensation of cutting tools and speed control, servo drive system and position control, processing procedures for the preparation and. For example: guide design, selection and calculation of ball screw transmission system, error analysis, selection and calculation of driving motor, driving motor and ball screw coupling, the drive motor and the feed drive system dynamic characteristics analysis. Key words: lathe numerical control drive system 前言部分前言部分 计算机技术和先进制造技术的发展，推动了机械加工在各方面的变革和进 步。典型的数控机床已成为现代加工器械的鲜明代表。考虑到企业的生产效率 和投入成本，普通车床的数控化改造将是一个极为有意义的课题。 数控车床改造的设计是机电一体化系统课程设计的主要内容。作为机械设 计制造及其自动化专业的学生，这次设计是本人在学习完“机电一体化系统设 计” 、 “数控机床”等专业课程之后进行的一个重要的实践性教学环节。通过综 合运用所学的机械、电子、自动控制、微机等知识，进行一次机电结合的全面 训练，以培养独立分析问题，解决问题和进行机电一体化系统初步设计的能力。 此设计过程为期三个星期，在赵洪兵的指导下，本人将对普通车床进行开环控 制纵向进给的改造。 动轨迹信息记录在程序介质上，然后送人数控系统经过译码和运算，控制 机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控 加工的基本过程。数控机床是用数字信息进行控制的机床。凡是用代码化的数 字信息将刀具移 在数控机床加工工件前，要分析零件图，拟定零件加工工艺方案，明确加 工工艺参数，然后按编程规则编制数控加工程序。当加工零件的几何信息和工 艺信息转换为数字化信息后，可以用不同方法输入到机床的数控系统中，经检 查无误即可启动机床，运行数控加工程序数控装置会自动完成数控加工程序发 出的各种控制指令。如果不出现故障，直到加工程序运行结束，零件加工完毕 为止。数控加工的控制过程与计算机控制打印机的打印过程，特别是与计算机 控制绘图机的绘图. 由于学生水平有限，在设计乃至计算过程中难免会有一些错误，望各位老 师及同学指点赐教。不胜感激。 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 机床总体方案的设计机床总体方案的设计 .1 课程设计任务书课程设计任务书 （1） 题目400mm 的数控车床总体设计及纵向进给设计 （2） 原始数据 （3） 主要技术参数 （4） 课程设计的内容及要求 .2 总体方案设计总体方案设计 （1） 系统的运动方式的确定 （2） 伺服系统的选择 （3） 执行机构传动方式的确定 （4） 数控系统的选择 1.21.2 开环伺服进给系统机械部分设计开环伺服进给系统机械部分设计 .1 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠）滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠） （1） 计算进给牵引力 m( )FN （2） 计算最大动负载 C （3） 滚珠丝杠螺母副的选型 （4） 传动效率计算 （5） 刚度计算 （6） 稳定性校核 .2 步进电动机的计算和选型步进电动机的计算和选型 （1） 等效转动惯量的计算 （2） 电机力矩计算 （3） 计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率 第第 2 2 章章 机床机电一体化改造总体方案的设计机床机电一体化改造总体方案的设计 2.12.1 课程设计任务书课程设计任务书 .1 题目：题目：400mm 车床总体设计及纵向进给设计 .2 原始数据：原始数据： 最大回转直径：400 毫米 在床身上 D=400 毫米在床鞍上 D=210 毫米 最大工件长度 900mm 主电动机功率 7.5 千瓦；转速 1450 转/分 .3 主要技术参数（均为纵向）主要技术参数（均为纵向）： 最大进给速度 1.0 米/分 最大快移速度 4 米/分 起动加速时间 30 毫秒 移动部件重量 80 公斤 机床定位精度 0.015 毫米 .4 课程设计的内容及要求课程设计的内容及要求： 能按时独立完成毕业设计规定的全部内容，方案选择正确，论据充分，对 设计中的主要问题分析深入，解决合理，有独立见解，能很好运用所学理论和 提供的资料解决设计中的问题，能独立查阅和正确引用中外文参考资料，说明 书文字通顺、清楚、选用数据论证合理、计算准确，图面整洁。 2.22.2 总体方案设计总体方案设计 .1 系统的运动方式的确定系统的运动方式的确定 由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循 环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。 .2 伺服系统的选择伺服系统的选择 应任务书的要求，采用步进电机开环控制系统。 .3 执行机构传动方式的确定执行机构传动方式的确定 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，若直接将电机与滚珠丝杠联必会引起丝杠温度过高即磨损加剧使其 寿命降低。故在其两者之间加一消隙齿轮箱，一使丝杠速度降低，二则消除系 统传动中的间隙，提高传动精度，并有效减少反向运动死区现象，消隙齿轮箱 与丝杠可采用联轴器形式连接，这样便确定了如下图 2-1 所示的传动方案。 电机消隙齿轮箱滚珠丝杠螺母副工作台 .4 数控系统的选择数控系统的选择 根据机床要求，本着经济耐用的原则，确定采用 8 位机。MCS51 系列单 片机主要有三种型号的产品：8031、8051 和 8751。由于 MCS51 系列单片机的 特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，故对于简单的应用场合，MCS51 系统的最小系统用一片 8031 外扩一片 EPROM 就能满足开环控制的要求。8031 单片机内含 4kb EEPROM 程序存储器，具有功耗低、抗干扰能力强的特点，数据 存储器 WM0016DRH 是一种多功能非易失性 SRAM，8031 单片机高速高抗干扰自保 持，不怕掉电，上下电百万次数据无丢失，断电保护 10 年有效，既可高速连续 读写，也可任意地址单字节操作，无需拼凑页面，随机读写不需等待，立即有 效，输入输出 TTL/CMOS 兼容，上电复位输出，掉电保护，内置看门狗，电源监 测，不用外加电路和电池，且引脚与标准 SRAM 兼容。8031 单片机价格低，使 用灵活，其特点具具体如下： （1）具有功能很强的 8 位中央处理单元（CPU） ； （2）片内有时钟发生电路（6MH 或 12MH） ； （3）片内具有 128 字节的 RAM； （4）具有 21 个特殊寄存器。 （5）可扩展 64K 字节的外部数据存储器和 64K 字节的外部程序存储器； （6）具有 4 个 I/O 口，32 根 I/O 线； （7）具有 2 个 16 位定时器/计数器； （8）具有 5 个中断源，配备 2 个中断优先级； （9）具有一个全双功串行接口； （10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。 从上述特性可看出这种 8031 芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就 可以构成一个完整的微机系统。故应选用 8031 单片机。 第第 3 3 章章 开环伺服进给系统机械部分设计开环伺服进给系统机械部分设计 3.13.1 确定系统脉冲当量确定系统脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/步，横向 0.005mm/步。 3.23.2 计算切削力计算切削力 确定切削力（纵车外圆）： 主切削力按经验公式估算：() Z FN 1.51.5 max 0.670.67 4005360 Z FDN 按切削力各分力比例： zy :1:0.25:0.4 x FFF 取：5360 0.251340 x FN y 5360 0.42144FN 3.33.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠）滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠） .1 计算进给牵引力计算进给牵引力 m( )FN 纵向进给为综合型导轨 m( )() xz FNKFfFG 1.15 13400.16 (5360800)2530N 式中考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取；K1.15K 滑动导轨摩擦系数：f0.150.18: 溜板及刀架重力：Gg8010800 N kg GmkgN .2 计算最大动负载计算最大动负载C 3 C= wm L f F 6 60 10 n T L 0 1000 s v n L 式中滚珠丝杠导程，初选； 0 L 0 6Lmm 最大切削力下的进给速度，可取最大进给速度的（） ，此处 s v 11 23 : 取；1.0min0.50.5min s vrr 使用寿命，按；T15000h 运转系数，按一般运转取； w f1.21.5 w f : 寿命，以转为 1 单位。L 6 10 0 10001000 0.5 83.3min 6 s v nr L 66 6060 88.3 15000 75.0 1010 n T L 33 75.0 1.2 253012801.6 wm CL f FN .3 滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠螺母副的选型 查阅附录 A 表 A-2，可采用外循环螺纹调整浴巾的双螺母滚珠丝 1 W 4006L 杠副，1 列 2.5 圈，其额定动负载为 164000N，进度等级按表 4-6 选为 3 级（大 致相当于老标准 E 级） 。 .4 传动效率计算传动效率计算 tan tan() 式中螺旋升角， 1 W 4006L2 44 摩擦角，取，滚动摩擦系数100.0030.004: 12801.6CN tantan2 44 0.94 tan()tan(2 44 10) .5 刚度计算刚度计算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图 3-1 所示。最大牵引力为 2530N，支承间距，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴1500Lmm 向负荷的。1 3 图 3-1 纵向进给系统计算简图 （1）丝杠的拉伸或压缩变形量 1 查课程设计指导书P17，图 4-2，根据 ，查出，可算出2530,40 m FN Dmm 5 0 1.2 10 L L 52 1 0 15001.2 1015001.8 10 L mm L 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了 预拉伸，故其拉压刚度 可以提高 4 倍。其实际变形量为： 1( )mm 2 11 1 0.45 10 4 （2） 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 查课程设计指导书P18 图 4-3，W 系列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 ，因进行预紧， 2=6.4 m 22 11 =6.4=3.2 22 m （3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 采用 51107（旧代号为 8107）型推力球轴承，滚动体直径 1 35dmm ，滚动体数量 z=18。6.35 Q dmm 33 22 3 22 253 0.00240.0024 6.35 18 m Q F dZ 0.0075mm 注：此公式中的单位应为 kgf。 m F 因施加预紧力，故 33 11 0.00750.0038 22 mm 据以上计算： 123 0.00450.00320.00380.0115mm定位精度 .6 稳定性校核稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需要作稳定性校核。 .7 纵向滚珠丝杠副的几何参数纵向滚珠丝杠副的几何参数 表 3-1 滚珠丝杠的几何参数 1 W 4006L 名称符号参 数 公称直径 0 d 40 导 程 0 L 6 接触角2 44 钢球直径(mm) q d3.969 滚道法面半径R 0.52 q Rd 2.064 偏心距e 2 sin q d eR（） 0.056 螺 纹 滚 道 螺纹升角 0 0 tan L act d （）2 44 螺杆外径d 0 (0.20.25) q ddd:39 螺杆内径 1 d 10 22ddeR 35.984 螺 杆 螺杆接触直径 z d 0 cos zq ddd36.0355 螺母螺纹直径D 0 22DdeR 44.016 螺 母 螺母内径 1 D 10 (0.20.25) q Ddd:40.7938 3.43.4 齿轮传动比计算齿轮传动比计算 已取得纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电0.01 p 0 6Lmm 动机步距角。可计算出传动比0.6i 可选定齿轮齿数为： 1 2 36 36 z i z 故，取，模数取 2.5。有关参数表 3-2。 12 36zzm 表 3-2 传动齿轮的几何参数 齿 轮 编 号 1 z 2 z 3 z 齿数323224 分度圆dmz808060 齿顶圆 2 a ddm 858560 齿根圆 2 1.25 f ddm 73.7573.7553.75 齿宽 610 m: 202015 中心距 12 2Add 8070 3.53.5 步进电动机的计算和选型步进电动机的计算和选型 .1 等效转动惯量计算等效转动惯量计算 计算简图见图 3-1，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算： 2 ()Jkg cm 22 01 12 2 () ()() 2 MS LZG JJJJJ Zg 式中步进电机转子转动惯量J 2 ()kg cm 、齿轮、的转动惯量 1 J 2 J 1 Z 2 Z 2 ()kg cm 滚珠丝杠转动惯量。 S J 2 ()kg cm 参考同类型机床，初选反应式步进电机，其转子惯量1103503BYG 2 18 M Jkg cm 3434 1211 0.78 100.78 1082JJdL 2 6.390kg cm 342 0.78 10415029.952 S Jkg cm 800GN 式中、齿轮、的分度圆直径； 1 d 2 d 1 Z 2 Z 、齿轮、的齿宽。 2 L 2 L 1 Z 2 Z 代入上式： 2 2 01 12 2 () 2 MS LZG JJJJJ Zg 22 32800 0.6 186.390(6.39029.952) 329.82 2 61.477kg cm 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 2 43.477 M JJJkg cm 43.477 2.4153 18 M J J 基本满足惯量匹配的要求。 .2 电机力矩计算电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： （1）快速空载起动力矩M起 在快速空载起动阶段加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 0f MMMM a m ax起 2 2 maxmax 210 10 60 60 2 a a nn MJJJ t t a m ax 将前面的数据带入，式中各符号意义同前。 。 max max 40000.6 666.7min 3600.01360 b p v nr 起动加速时间30 a tms 22 max 2102666.7 10 61.477 6060 0.03 a n MJ t a m ax 1429.98N cm 折算到电机轴上的摩擦力矩： f M 0 00 21 22 Z f fFGLF L M izz 0.1653608000.6 117.7 20.8 1 N cm 附加摩擦力矩： 0 M 1 022 03 000 21 11 22 po m F L F L M izz 1 2 3 2530 6 1 0.9 20.8 1.25 80.5 0.1915.3N m 上述三项合计： 0f MMMM a m ax起 1429.98 117.7 15.31562.98N cm （2）快速移动时所需力矩M快 0 117.715.3133 f MMMN cm 快 （3）最大切削负载时所需力矩M切 0 00 2 x ftf F L MMMMMM i 切 1340 0.6 117.7 15.3 20.8 1 117.7 15.3 160.03293.03N cm 从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需M起M快M切 力矩最大，此项作为初选步进电动机的依据。 从课程设计指导书 P36 表 4-13 查出，当步进电动机为三相六拍时， 。 max 0.866 qj MM 最大静力矩。 max 1562.98 0.8661804.8 j MN cm 按此最大静转矩从下表 3-3 110BYG3503 型最大静转矩为。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，20N m 但还必须进一步校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性。 如下表 3-3 所示。 .3 计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率 max 10001000 4.0 6666.71600 6060 0.01 k p v fHzHz 10001000 0.4 666.7 6060 0.01 s e p v fHz 从上表 3-3 查出 110BYG3503 型步进电动机空载起动频率为，图 3-1600Hz 2（http:/hx- 图 3-2）蓝色背景区所示可知其运行距频特性。 表 3-3 110BYG350 系列电机的技术参数 型型 号号 步 距 角 相相 数数 电压电压 线线 电电 流流 静转静转 矩矩 空载空载 起动起动 频率频率 空载运空载运 行频率行频率 转动惯量转动惯量机身长机身长 单单 位位度 VA N.m KHZKHZ （kg.cm2)（mm) 110BYG3501 0.6 3 110-220 5121600 =3011144 110BYG3502 0.6 3 110-220 5161600 =3015182 110BYG3503 0.6 3 110-220 5201600 =3018261 图 3-2 110BYG3503 型步进电动机矩频特性 从图 3-2 看出，当步进电动机起动时，若，则，1600fHz 起 18MN m 能满足此机床所要求的空载起动力矩可直接起动。1562.98N cm 当快速运动和切削进给时，根据图 3-2，步进电动机运行矩频特性知， 时，左右，大于，完全可以满足666.7 e fHz18.3MN m max 1804.8 j MN cm 要求。 第第 4 4 章章 机械传动机构的调整和结构的简要说明机械传动机构的调整和结构的简要说明 4.14.1 丝杠进给速度的调节丝杠进给速度的调节 由于系统为开环系统，故采用脉冲信号的变化来控制步进电机的转速，进 而通过齿轮箱到丝杠轴，对大托板的纵向进给速度进行控制。 4.24.2 轴向的预紧力的调整及定位轴向的预紧力的调整及定位 由装配图可知，在丝杠轴的两端各装有一对锁紧螺母（预紧螺母） ，可有这 对螺母对丝杠轴的轴向预紧进行调整，并起到定位作用。每组支承部件的另一 端，即与锁紧螺母对应的那端采用端盖定位。在丝杠副的一端也采用端盖定位， 另一端为锁紧螺母，既预紧又定位。 结论部分结论部分 经过计算、校核、设计，表明改造任务的初步设计合理，数据准确，现改 造方案已设计成图纸见装配图（图 01）和零件图（图 02） 。 该改造设计相对普通车床来说，提高了自动化程度，加入了计算机控制， 操作、结构简单化，既能降低能耗，又能提高了工作效率。但是设计者由于能 力有限，经验寒酸，时间紧迫，设计及图纸中难免有不妥甚至是重大错误，望 老师和同学指正。 设计体会设计体会 课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问 题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 回顾起此次课程设计，我感慨颇多。 在毕业设计的日子里，可以说得是苦多于甜，但是总体来讲，效果还是很 好的，不仅巩固了以前所学的知识，还学到了很多在书本上无法学到的知识。 整个设计过程不能说是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，和第一次课 程设计相比，力不从心的感觉不再那么强烈，但在设计的过程中还是发现了自 己许多不足之处，使自己认识到对以前所学知识理解得不够深刻，掌握得不够 牢固，比如说螺钉的画法根本没有掌握，全篇的螺钉没有一个画对，箱体壁厚 取值太小，电机无法固定，并出现设计太随意，尺寸随意取，以至于设计方案 难以加工。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识 是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论， 才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过 这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。 这次课程设计终于顺利完成了，虽然很累，但看到老师每天都来给我们指 导，并且还带大四的毕业设计，又要忙评估的事情，就又感觉到累其实是充实。 是他让我学到了很多书本上无法学到的知识，在此，对他孜孜不倦的指导和和 蔼可亲的态度表示崇高的敬意的真挚的感谢！同时，对给过我帮助的所有同学 和其他指导老师表示忠心的感谢！ 参考文献参考文献 1陈志雄数控机床与数控编程技术北京：电子工业出版社，2003 2王平等数控机床与编程实用教程北京：化学工业出版社，