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ck6132
数控车床
进给
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设计
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ck6132数控车床进给驱动部件设计,ck6132,数控车床,进给,驱动,部件,设计
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1 无锡职业技术学院（论文） 开 题 报 告 （ 2013 届） 题 目 EX106 数控车床进给部件设计 指导教师 薛锦忠 院 系 机 械 班 级 数控设备 11033 学 号 1060103337 姓 名 赵南村 二一 三 年 二 月 二十 日 nts 2 一丶 毕业设计的内容和意义 当今的世界，制造业在经济发展中占有十分重要的地位，机械制造业更加是制造业中的支柱与核心。在现代社会生产领域中，计算机辅助设计、计算机辅助制造并将它们有机地集合起来的计算机集成制造已经成为现代企业科技进步和实现现代化的标志。用计算机辅助制造工程技术对 我国传统产业进行改造，是我国制造业走向世界、走向现代化的必由之路。在国际竞争日益激烈的今天，作为计算机辅助制造工程技术基础的数控加工技术在机械制造业中的地位显得愈来愈重要。数控机床已成为机械制造业的主要设备。数控技术在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。各种新型的数控机床层出不穷，数控机床的规格大小种类也十分丰富。不断改善着工业发展方式与环境。 这次的毕业设计，主要是结合我自己的专业方向，所以我选择了这次的设计题目， EX106 数控车床进给部件设计。在以前的 学习中，有实际接触操作过这台数控车床，有一定的经验，并且在以前的学习中有一定相关知识的基础积累。通过这次毕业设计也可以检验自己的学习情况，会用到许多以前的所学，锻炼自己，同时希望能改进自己的欠缺和不足，对今后的相关的学习和工作等多方面都会有一定程度上的帮助和锻炼。 二丶 文献综述 2.1 国内外发展情况及趋势 当今世界，工业国家数控机床的拥有量可以反映这个国家的经济能力和国防实力。机电一体化在国外迅猛发张。西方工业国家的数控机床占有率一般能达到 20%左右。美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面 的需求而不断提出基层的发展方向，科研任务，并提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。 1952 年 MIT 研制出世界第一台数控机床， 1958 年研制出加工中心， 70 年代初研制成 FMS， 1987 年首创开放式数控系统等。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，忽视了应用技术，在上世纪 80 年代数控机床产量增加缓慢， 1982 年被后进的日本超过，并大量进口。德国政府一向重视基础工业的重要战略地位，在多方面大力扶植，于 1956 年研制出第一台数控机床。其机，电，液，气，光，刀具，测量，数控系统， 各种功能部件，在质量，性能上居世界前列。日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划，法规引导发展。自 1958 年研制出第一台数控机床后， 1978 年产量超过美国，至今产量，出口一直居世界首位。 2001 年我国机床产值为世界第 5 名，机床消费额在世界排名第 3 位，达 47.4 亿美元，仅次于德国和美国。数控机床消费量从 1991 年的 4113 台增长到 2000 年的 23482 台，年均增长 25%。据权威人士预测，今后 5 到 10 年，我国数控机床消费将呈现高速增长态势，数控机床将成为市场需求的主流。纵观改革开放 20 年，我国机床消费额大致 和国民经济 GDP 增长值同步，十年翻了一番。我国将有可能在 2005 年成为世界机床第一消费大国。可以说，我国还处于数控机床普遍应用到提高的过渡期，随着我国制造业的振兴，数控技术将得到更快的发展，前景广阔。另一方面，虽然我国的数控机床总拥有量有较大的提高，各种类型、不同档次的数控机床在企业得到了广泛的使用，其中不乏世界领先的数控机床。 当前数控车床主要呈现以下发展趋势。高速、高精密化 。高可靠性。数控车床设计电子化、结构设计模块化。功能复合整合化。更加地人性化、智能化、网络化、柔性化和集成化。 数控车床技术中高速 、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响 应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转nts 3 时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到 10000r/min 以上。直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙 (包括反向间隙 )，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。通过直线电机和直线滚动导 轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的 10 20m/mim 提高到 60 80m/min，甚至高达 120m/min。 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。 随着计算机应用的普及及软件技术的发展， CAD 技术得到了广泛发展。 CAD 不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就 可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用 CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。 通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期、 功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使非加工辅助的时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围，同时提高效率，实现一机多用、一机多能化，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工等；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经 研制成功的 CX25Y 数控车铣复合中心，该机床同时具有 X、 Z 轴以及 C轴和 Y 轴。通过 C 轴和 Y 轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面，为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的 自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。 网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点 (数控单机、加工中心和数控复合加工机床 )、线 (FMC、 FMS、 FTL、 FML)向面 (工段车间独立制造岛、 FA)、体 (CIMS、分布式网络集成制造系统 )的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。 CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、 CAM、 CAPP 及 MTS 等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 2.2 数控车床应用 现状 数控车床技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业 (IT、汽车、轻工、医疗等 )的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。汽车制造业是机床的需求大户，约占机床总消费的 40%左右。中国汽车年产量的增加同时nts 4 带动汽车零配件产量的大幅度增加。汽车制造业需要大批高效、高性能、专用数控机床和柔性生产线，如用于发动机加工的以高速卧式加工中心为主的柔性生产线、曲轴加工专用数控机床等。汽 车零配件生产需求大批数控车床、立卧式加工中心、数控高效磨床和数控齿轮加工机床等。兵器制造业需求数控机床更是量大面广，要求数控机床可靠、稳定。国产数控机床有很大的市场空间兵器制造业需求大批数控车床、加工中心等。 2.3 数控机床的优缺点 2.3.1 优点 1） 加工精度高 2） 生产加工效率高 3） 有一定的自我诊断修复能力 4） 对加工对象的改变适应性强，适合多种加工模式及加工材料。 5） 减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动环境 6） 有较好的经济效益。 7） 有利于现代化高效生产管理。 2.3.2 缺点 1） 使用制造以及维护的价格较贵。 2） 须由具有专业 知识的人员来进行编程、安装、操作与维护。 3） 有一定的操作危险性。 三丶 拟解决的关键问题及难点 （ 1） 进给部件结构及零件结构的设计 对各部件之间连接方法和传动方式的选择。数控车床进给部件对于定位精度、快速响应性、稳定性等方面有较高要求。 （ 2）进给部件的强度刚度校核 需要对进给部件的强度和刚度有保证，满足工作时的受力要求，需要进行校核计算。 四丶 研究方法及方案 4.1 任务内容及参数 任务内容：通过对数控车床应用现状和发展趋势综述，对数控车床进给部件及其相关零件设计方案进行论证。根据 相关参数，对 EX106 数控车床进给部件结构及其零件结构进行设计，了解数控车床的数控系统，在初步完成设计结构的前提下，对数控车床进给部件的强度和刚度进行校核，根据校核结果，修正进给部件的有关部件。 原始条件及数据： 1)X 轴行程 350mm 2） Z 轴行程： 350mm 3） X、 Z 轴伺服马达： 0.6kw、2.1kw 4）最大加工径： 240mm 5）最大加工长： 350mm 4.2 设计方案 4.2.1 整体结构设计布局 首先，需要多对现有资料进行收集整理，参考优秀的数控车床结构设计，结合已有数据，进行创新设计。这 次的主要设计任务是针对机械传动装置，机械传动装置的作用是传递和转换伺服电动机的运动，并带动工作台的移动，包括减速器、滚珠丝杠副机构等。初期设想 X 轴和 Z轴分别由 2 个独立的伺服马达作为动力，由伺服马达经同步齿形带传动 ,驱动丝杠机构 ,来实现刀架的运动。结构希望能够做到紧凑合理。 4.2.2 传动方式的选择 传动机构的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度。从系统控制的角度分析，其中起决定作用的因素主要有两个：传动机构的刚量和惯量，它直接影响进给系统的稳定性和灵敏度；二是传动部件的精度与传动 系统的非线性，它直接影响系统的位置精度和轮廓加工精度。传动机构的刚度和惯量主要决定于机械机构的设计，而传动机构的间nts 5 隙、摩擦死区则是造成系统非线性的主要原因。所以，在结构设计中要注意提高传动部件的刚度，减小传动部件的惯量，减小传动机构的间隙，减小系统的摩擦阻力。传动方式选择同步齿形带传动，它综合了带传动和链传动的优点，无滑动，能保证正确的传动比，初拉力较小，轴和轴承上所受的载荷小，带的柔性好，所用带轮的直径可以较小。能够确保传动精度，不会出现滑移。可在两端预留空间加装皮带调整预紧装置。并要消除连接间隙，减小连 接件的同轴度误差。 4.2.3 滚珠丝杠的设计 对滚珠丝杠的设计，滚珠丝杠内部结构可以减少摩擦，滚珠丝杠的精度设计最终对加工零件的影响十分明显 , 传动效率高，摩擦损失小。因此不但设计要求高，而且对它的加工工艺也十分严格，滚珠丝杠副的支承，准备采用一端轴向固定，一端简支的方式，这种支承形式能够提高一定的抗弯强度，可以防止丝杠高速旋转时的弯曲变形，适用于丝杠长度、行程较长的情况。尽量减小传动间隙。查阅相关机械设计手册，查询强度计算公式、标准件列表等，对零部件进行初期数据选择，然后根据公式，进行计算。在需要时重新 调整所选零件的尺寸数据，满足要求。再进行强度刚度校核。滚珠丝杠螺母需要调整间隙进行预紧，轴向间隙调整和预紧方法的原理与普通丝杠螺母相同，即通过调整滚珠螺母的轴向相对位置，使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面达到调整间隙的效果。对于滚珠丝杠副的支撑，为了获得高精度，高刚度的进给系统，不仅应选用高精度、高刚度的滚珠丝杠副，而且必须十分重视滚珠丝杠支撑的设计。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，除了丝杠自重外，一般无径向外载荷。因此，滚珠丝杠承受的轴向精度和刚度要求较高。进给系统要求运动灵活，对微小位移响应要灵敏，因此 ，轴承的摩擦力矩因尽量小。 4.2.4 导轨 导轨的作用主要是对运动部件起导向和支撑作用，也就是支撑运动部件（如工作台），并并保证运动部件在外力下能准确沿着规定方向运动。因此，导轨的制造精度及性能对机床加工精度、支撑能力等有着重要的影响。 4.2.5 伺服电机的选择及零件的选择及强度、刚度校核计算 已知伺服马达的功率，查阅机械设计手册，结合整体工作行程距离要求，主要选用交流直线电机。满足丝杠机构强度要求，进行电机型号的选取。现代数控机床多采用大惯量直流伺服电动机或交流伺服电动机，可直接通过滚珠丝杠副带动 工作台运动。 查阅机械设计手册，由给定的参数进行零件的选择，如轴承，螺栓等，并计算刚度，强度，能满足工作要求。 6 参考资料 1 陈婵娟数控车床设计北京：化学工业出版社， 2006： 54 130 2 成大先机械设计手册机械传动北京：化学工业出版社， 2004:2
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