数控机床进给系统计算机辅助设计【全套CAD图纸+毕业答辩论文】

买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 含全套 纸和论文 答辩精品 数控车床进给系统计算机辅助设计 摘 要 数控车床的机械结构系统组成包括：主轴传动系统机构、进给传动系统机构、刀架、床身、辅助装置等部分。 数控车床的设计可用于对普通车床的改造 ,以适应当前我国机床业发展的现状 ,具有一定的经济效益和社会效益。本设计主要是对数控车床进给系统的设计。进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成 ,它的作用是接收数控系统发出的信号来驱动执行部件的运动。 本设计主要包括根据一些原始数据结合实际条件和情况对 车床一些参数进行拟定 ,再根据拟定的参数进行传动方案的拟定 ,确定传动方案。然后计算各传动副的传动比及齿轮齿数 ,再估算齿轮模数 ,并对齿轮的强度和刚度进行校核。除此之外 ,还要对箱体内的主要结构进行设计 ,一些零件的选型等 ,从而完成对整个主传动系统和进给系统的设计。最后还要通过运用 等软件对进给系统进行二维图设计和三维建模，并进行组装 关键词 数控车床；进给系统；二维设计；三维建模 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 含全套 纸和论文 答辩精品 NC in of of a to be NC NC be of in to to s a of is NC by is to to of of a of in of on to a of in to in of of In to of In to AD to to D ey 3D 文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 含全套 纸和论文 答辩精品 目 录 摘要 . I . 1章 绪论 . 1 题背景 . 1 题研究的目的和意义 . 1 控机床的现状 . 2 控机床的发展趋势 . 3 第 2 章 总体方案设计 . 4 控车床设计的基本要求 . 4 艺范围 . 4 工精度 . 4 放性 . 4 性 . 5 产 率和自动化 . 5 靠性 . 5 床宜人性 . 5 控车床设计方法和理论 . 5 床设计方法 . 5 控车床设计的步骤 . 6 床设计的基本理论 . 6 控车床总体方案设计 . 6 何运动设计 . 6 床总体结构方案设计 . 7 第 3 章 主传动系统设计 . 8 传动系统传动方式的确定 . 8 动方式和调速方式的确定 . 8 轴电机的选 用 . 9 动带型的确定 . 10 步带和带轮的选择和设计 . 11 步带的设计和计算 . 11 步带带轮的设计和计算 . 11 第 4 章 纵向进给系统设计计算 . 14 削力的计算 . 14 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 杠螺母的设计与计算 . 14 度验算 . 14 率计算 . 15 度验算 . 15 定性验算 . 16 机的选择 . 17 算传动比 . 17 动惯量计算 . 18 需传动力矩计算 . 18 机的选择 . 19 承的选用与校核 . 20 接触球轴承的选择 . 20 沟球轴承的选择 . 21 第 5 章 横向进给系统设计计算 . 22 削力的计算 . 22 杠螺母的设计与计算 . 22 度验算 . 22 率计算 . 23 度验算 . 23 定性验算 . 24 机的选择 . 26 算传动比 . 26 动惯量计算 . 26 需传动力矩计算 . 27 机的选择 . 28 承的选用与校核 . 28 接触球轴承的选择 . 28 沟球轴承的选择 . 29 第 6 章 三维建模 . 30 传动系统的实体建模 . 30 给系统的实体建模 . 32 配建模 . 34 结论 . 38 致谢 . 39 参考文献 . 40 附录 外文翻译 . 41 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - V - 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 1 - 第 1章 绪论 题背景 数控车床作为数控机床中最常见也是最典型的数控设备，被广泛的应用到各行各业的加工和生产当中，是数控技术应用到实践当中最典型的实例。因此，本次设计选择数控车床作为设计对象，本设计将对数控车床的主要机械结构进行设计和计算 ,辅助外设部件进行选择和校核 ,使其加工能力能够达到国际上较为先进的水平。 近几年国内的制造行业发展迅速，国内一些中小型的加工类企业如雨后春笋般的发展起来，与其对先进数控设备的需求随之而来的是我国数控业市场的火暴 。但是在其火暴的背后，却是大量国外进口数控机床充实这国内的市场，而我国国内生产的数控机床不能满足这些中小型企业的需求，造成国内市场的流失。本次设计针对此现象，设计定位为高速高精度的较为先进的小型数控车床。因为据市场分析调查：这些新兴的中小型企业生产的产品多为 形状复杂、精密、多变零件；小尺寸、多品种、小批量、产品更新换代周期快。本次设计根据针对以上产品的加工需求，并参照国际上主流的小型数控车床进行全新设计 。 题研究的目的和意义 数控车床又称为 床 ， 即 用计算机数字控制的车床。普通卧式车床是靠手工操作机床来完成各种切削加工，而数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过车床 X、 Z 坐标轴的伺服电动机去控制车床进给运动部件的动作顺序、移动量和进给速度，再配以主轴转速的转向和自动换刀系统，使能加工出各种形状不同的轴类或盘类回转体零件。因此，数控车床是目前使用较为广泛的机床。 制造业的发达程度是看一个国家的工业发达程度。有人将制造业称之为工业经济时代一个国家经济增长的“发动机”。机床作为制造业中应用最多也是最常见的制造工具，也能反映出其制造业的 水平。而其中的数控机床更是融合了当今各种高科技数字电子技术于一身，更能代表机床中的最高水平和制造业中的尖端技术。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。所设计的数控车床，具有调速范围宽，传动平稳的特点，买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 2 - 适于闭环控制系统，有一定的实际应用价值。 控机床的现状 我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国基础条件的限制，数控技术的发 展较为缓慢。第二阶段是在国家的 “ 六五 ” 、 “ 七五 ” 期问以及 “ 八五 ” 的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术在研究、开发和产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家“ 八五 ” 的后期和 “ 九五 ” 期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在 “ 九五 ” 末期，国产数控机床的国内市场占有率达 50，配国产数控系统 (普及型 )也达到了 10。目前我国一部分普及型数控机床的 生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟产品走向市场。同时，我国也已进人世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。我国现有数控机床生产厂家 100 多家，生产数控产品几千种以上。产品主要分为经济型、普及型和高档型三种类型。在 ，中国内地共展出机床 700 多台，在 600 多台金属切削机床和近 100 台金属成形机床展品中，数控机床分别占 75和 54。这既体现了中国机床市场的需求趋势，也 反映了中国在数控机床产业化方面取得了突破性进展。虽然我国在数控产品的研究开发生产各方面有了较大的进步，但目前我国占据市场的产品主要集中在经济型产品上，而在中档、高档产品上市场比例仍然很小，与国外一些先进产 品相比，在可靠性、稳定性、速度和精度等方面均存在较大差距。与发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。其主要表现在以下三个方面： 信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进 国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的数控机床基本上还依赖进口。 产品成熟度较低，可靠性不高。国外数控系统平均无故障时问在10000h 以上，国内自主开发的数控系统仅 3000 5000h；整机平均无故障工作时间国外达 800内最好只有 300h。 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 3 - 创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足 ，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强 。 控机床的发展趋势 （ 1） 数控系统结构类型 从 1952 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了五十多年的历程。近 10 年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为以下四种类型： 传统数控系统； “ 入 结构的开放式数控系统； “ 入 结构的开放式数控系统； 开放式数控系统。 （ 2） 目前国外数控系统技术发展的总体趋势 新一代数控系统向 和开放式体系结构方向发展。 驱动装置向交流、数字化方向发展。 增强通信功能，向网络化发展。 数控系统在控制性能上向智能化发展。进入 21 世纪，人类社会将逐步进入知识经济时代，知识将成为科技和生产发展的资本与动力，而机床工业，作为机器制造业、工业以至整个国民经济发展的装备部门，其战略地位、受重视程度也将更加鲜明突出。 （ 3） 智能化、开放性、网络化、信息化将成为未来数控系统和数控机床发展的主要趋势 向高速、高效、高精度、高可靠性方向发 展。 向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展。 向 PC和开放性方向发展。 出现新一代数控加工工艺与装备，机械加工向虚拟制造方向发展。 信息技术 (机床的结合，机电一体化先进机床将得到发展。 纳米技术将形成新发展潮流，并将有新的突破。 节能环保机床将加速发展，占领广大市场。 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 4 - 第 2章 总体方案设计 控车床设计的基本要求 艺范围 数控车床的工艺范围是指车床适应不同生产要求的能力，大致包含一下内容：数控车床可以完成的工序种类；所加工零件的类型 ,材料和尺寸范围；数控车 床的生产率和加工成本；毛胚的种类；实用的生产规模，加工精度和表面粗糙度等。 数控车床的功能根据被加工的对象来选择。大批量生产的专用车床的功能设置较少 ,只要满足工艺范围要求 ,达到生产效率缩短车床制造周期及降低成本等效果。单件小批量生产用的通用车床则要求在同一机床上能完成多种多样的工作 ,故通用车床的工艺范围较宽。数控车床由于数字控制的优越性 ,常常使用的工艺范围比普通车床更宽 ,更适用于机械制造业多品种大批量的要求。 工精度 保证加工精度就是要保证被加工零件的形状、尺寸和相互位置等方面的正确性，是数控车床必须保证 的一项性能指标。因此，除几何精度、传动精度及静动态特性、道具的形状误差、夹具定位误差、车床调整及刀换刀误差外，控制系统性能、寄给伺服系统性能、编程误差等都不同程度地影响车床的加工精度。 为了加工出具有一定精度的工件，在车床布局阶段要注意采取措施，尽量提高车床的传动精度和刚度，减少震动和热变形。为了提高数控车床的传动精度 ,除了适当选择传动件的制造精度外 ,尽量缩短传动链 ,实现主运动和进给链的零传动。 放性 对于单机工作的车床，是由人进行物料交接的，要求方便地使用、操作、清理和维护机床。 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 5 - 性 数控车床的柔性是 指其适应加工对象变化的能力，包括空间上的柔性和时间上的柔性。空间柔性也就是功能柔性，指的是在同一时期内，机床能够 多种小批量的加工。时间上的柔性也就是结构柔性，指的是在不同时期，车床各部件经过重新组合，结构新的车床功能。 产率和自动化 要提高车床的生产率，应缩短工作时间。可采用先进刀具、提高切削速度、进给速度、加大切削深度等方法。 靠性 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间没完成规定能力的能力。数控车床主要由数控系统、伺服系统、机床本体三大部分组成。 床宜人性 车床的宜人性是指为操作者提供舒适安全 、方便、胜利等劳动条件的程度。数控车床设计要求布局合理、操作方便、造型每关、色彩悦目，符合人机工程学原理和工程美学原理，使操作者有舒适感、轻松感，以便减少疲劳，避免事故，提高劳动生产率。 数控车床各部位相对应位置的安排，应考虑到便于操作和观察加工的情况。安装工件部位的高度和深度，应正好处于操作者手臂平伸的位置。布局应充分考虑到操作者，满足人机工程学的设计准则。 数控车床设计方法和理论 床设计方法 车床设计经历了有静态分析向动态分心，由定性分析向定量分析，由线性分析向非线性分析，有安全设计向优化分析，有手 工计算向自动化计算的发展过程。数控技术的发展与应用 ,使得机床的传动与结构发生了重大的变化。伺服驱动系统可以方便的实现机床的单轴运动及多轴联动 ,从而可以省去复杂的机械传动系统设计 ,使其结构和布局也有很大变化。 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 6 - 控车床设计的步骤 数控车床设计的步骤大体是通过调查研究，技术经济论证，方案设计，技术设计，工作突设计，样机实验，最后投入正式生产。 床设计的基本理论 车床是用来生产其他机械的工作母机，因此在刚度、精度及运动特性方面有其特殊要求。 刚度指车床系统抵抗变形的能力。作用在车床上的载荷有重力、夹紧力、切削 力、传动力、摩擦力、冲击力和震动干扰力等。按性质不同载荷分为静载荷和动载荷。静刚度对车床抗振性、生产率等均有影响，因此在设计中提高刚度是十分重要的。各部件和结合部对车床整机刚度的贡献大小是不同的，设计时应进行刚度的合理分配或优化。 精度是指车床主要部件的形状、相互位置及其运动的精确程度，其中包括几何精度、传动精度、定位精度及精度保持性等几个方面。在设计阶段主要从车床的精度分配、元件及材料选择等方面来提高车床精度。 抗震性指车床在交变载荷作用下抵抗变形的能力。包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力两方面。 机床振动会降低加工精度工件表面质量和刀具耐用度 ,影响生产率并加速车床的破损 ,而且会产生噪音。故提高车床抗振性是车床设计中一个重要环节。 控车床总体方案设计 何运动设计 车床是依靠刀具与工件之间的相对运动，加工出一定几何形状和尺寸精度的工件表面。车床为获得援助面，应有主轴回转运动和刀架溜板的纵向移动，车端面时则刀架作横向进给运动。 为了完成工件表面的加工，车床上需要设置各种运动，各个运动的功能是不同的。可分为成形运动和非成形运动。完成一个表面的加工所必须的最基本的运动，成为表面成形运动。 在进行运动功能方 案设计的时候要进行五步设计 ,即工艺分析、选取坐标系、写出车床几何运动功能关系式、绘制车床运动机构原理图和绘制车床传动原理图。几何功能关系式是根据工艺要求确定的 ,描述了刀具与工件间的相对运动 ,设计时要详细。 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 7 - 床总体结构方案设计 在进行了几何运动设计之后 ,还要对几何运动功能的分配设计 ,分配设计确定了基础支撑件的位置。由众多的运动功能关系式经过评价筛选后 ,保留下的方案即可进行运动分配设计 ,再对一些运动分配式进行评价 ,删除不合理方案 ,最终确定最合理方案。 机床的结构布局形式有立式、卧式及斜置式等 ,其中支撑件的形式 又有底座式、立柱式、龙门式。本设计主要是卧式车床的设计 ,包括主轴及进给系统结构设计。 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 8 - 第 3章 主传动系统设计 已知参数： 床身最大回转直径 320拖板最大回转直径180最大行程 500 快速移动速度 5m/ 最大行程 240快速移动速度 3m/ 主轴电机功率 传动系统传动方式的确定 主传动系统最基本原则是以最经济合理的方式满足既定的要求。主传动系统设计应满足的基本要求有： 满足机床实用性能要求；首先应满足车床的运动特性，如主轴有足够的转速范围和转速级数，直线运动有 足够的变速级数，传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠。 （ 1） 满足机床传递动力要求；主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高传动效率。 （ 2） 满足机床工作性能要求；主传动中所有零件要有足够的刚度、精度和抗振性，热稳定性。 （ 3） 满足产品设计经济性的要求；传动链尽可能简短，零件数目要少 （ 4） 调整维修方便，结构简单、合理。 按变速连续性分类，主传动系统的传动方式可分为分级变速传动和无级变速传动两种。分级变速传动变速级数一般不超过 20 30 级。有速度损失，不能在运转中变速。无级变速可以在一定的变速范围内连续改 变转速，以便得到最有力的切削速度；能在运转中变速；能在负载下变速；以提高生产效率和加工质量。现代切削加工正朝着高速、高效和高精度的方向发展，要求机床主传动系统具有更高的转速和更大的无级调速范围，所以本设计采用主轴电机无级调速，并由计算机调速系统精确控制。 动方式和调速方式的确定 与普通车床相比，数控车床的主传动采用交、直流调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工需要，数控车床的主传动系统有以下三种传动方式： 据加 工需要和加工产品特点，采用定比传动。主轴电机经定比传动传递给主轴。定比传动采用带传动或齿轮传动。 齿轮能传递较大的转矩，是一般机床常用的传动副。缺点是线速度不能太高，传动也不够平稳。为使主轴运行平稳，可采用斜齿轮 ,但 螺旋倾角一般不宜超过 15 20 ，以免引起有太大的轴向分力。主轴上尽量买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 9 - 不要有滑移齿轮或其它活装零件（如离合器），以免因轴颈与活装零件孔间有间隙而引起振动。 带传动具有传动噪音小、震动小的优点，一般应用在中小型数控车床上。所以本设计选择带传动作为动力的传动方式， 图 3传动 方式 （定比传动 ） 采用定比传动扩大了直接驱动的应用范围，即在一定程度上能满足主轴功率与转矩的要求，但其变速范围仍与电动机的调速范围相同 ,图 3中，在小于计算转速横转矩输出； P 为功率输出曲线，它在大于计算转速一水平线，为恒功率 输出。恒转矩输出与恒功率输出的变量点的转速称为基本转速种特性一般能够满足低速加工所需较大恒转矩的要求，而高转速时多为精加工，需要较小的转矩和恒功率输出。所以这种调速范围多用于小型或高速的数控机床 。 轴电机的选用 主轴电机是整个数控车床的动力核心，和一般的变频调速电动机不同，它不仅要提供功率、转速、转矩的输出还要有很高的调速特性。特别是需要电机在恒功率下的调速范围要宽，因为像数控机床这样的高速高精加工设备，在加工时为保证加工精度 ,需要动力平稳恒定的输 出，所以大多数时间里需要电机在恒功率下输出动力。主轴电机是为数控机床专门设计的具有回转精度高、调速范围宽、转动速度高等特点，并配合计算机变频调速系统实现主轴调速系统的无级调速。 本设计所要加工零件的加工速度范围为 1250r/5000r/加零件所需的功率 用 轴电机 ,其主轴电机参数如表 3 表 3 1 主轴 电机参数表 型号 基本转数 额定功率 额定电流 同步转速 500r/8A 45 轴电机的特性曲线如图 3示，主轴电机在基 本转速1500r/下时主轴电机为恒扭矩输出，其转速较慢扭矩较大适合大切买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 10 - 削量、大进给量的粗切削加工。主轴电机在基本转速以上 1500转速较高功率恒定转动平稳适合高精度的切削和高速切削，在这一调速范围内是机床主要工作的转速范围 。 图 3比传动的主轴输出特性 动带型的确定 在带传动中，常用的有平带传动、 V 带传动、多楔带传动和同步带传动等。平带传动结构最简单，带 轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用较多。在一般机械传动中，应用 较 广泛的是 V 带传动。 V 带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，这是 V 带传动性能上的最主要优点。 且 构较紧凑，以及 V 带多已标准化，因而 较 广泛。多楔带兼有平带和 V 带的优点。 同步齿形带传动是一种新型的带传动，它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动或动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点：无相对滑动，平稳 ,传动比准确，传动精度高。而且齿形带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿形带无需特 别张紧，故作用在轴、轴承等上的载荷小，传动效率高。因此，齿形带传动在数控机床上得到广泛的应用。 本设计选用 同步带 传动 。 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 11 - 步带和带轮的选择和设计 步带的设计和计算 同步齿形带传动是一种新型的带传动，它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动或动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点：无相对滑动、平均传动比准确、传动精度高。而且齿形带的强度高 ,厚度小、重量轻，故可用于高速传动；齿形带无需特别张紧，故作用在轴、轴承等上的载荷小，传动效率高。因此，齿形带传动在数控机床上得到广泛的应用。 齿形带根据齿形的 不同可分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带。梯形齿同步带在传递功率时由于应力集中在齿根部位，使功率传递能力下降，且与齿轮啮合时，由于受力状况不好，会产生噪音和震动。而圆弧齿同步带均化了应力，改善了啮合条件。所以，带传动总是优先选用圆弧齿同步带。 设计功率械零件设计手册表 14,则： 2 . 0 5 . 5 1 1 k P 选定带型和节距： 根据11n=5000 由机械零件设计手册图 14定为 ，节距 带速 11 1 3 0 5 0 0 0 3 4 . 0 2 m / 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 由机械零件设计手册表 14的应选用圆弧齿形同步带 14M，其节线长 2156 传动选用圆弧齿形同步带 14M；中心距： 7 3 5 .5 m 。 步带带轮的设计和计算 同步齿形带带轮除了轮边缘表面需要制出齿轮之外，其它结构与一般带轮相似。为防止工作时齿形带脱落，一般在小带轮两边装有挡边 ,如图 3a)所示；或在大、小轮的不同侧边上装有挡边 ,如图 3b)所示，当带轮轴垂直安装时或带轮旋转速度非常大时 ,需要两边都安装挡边见图3c)所示 。 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 - 12 - 图 3轮挡边的安装形式 设计功率械零件设计手册表 14d （ 3 由公式 （ 33） 得： d 选定带型和节距 根据11n=5000 由机械零件设计