数控车床CK6163的纵向进给系统设计【说明书+CAD】
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数控车床
CK6163
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数控车床CK6163的纵向进给系统设计【说明书+CAD】,说明书+CAD,数控车床,CK6163,纵向,进给,系统,设计,说明书,CAD
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毕业设计（论文）附件题 目： CK6163纵向进给系统设计 专 业： 机械设计制造及自动化 学 号： 12101718 姓 名： 刘 健 指导教师： 马晓波 机械与运载学院 沈阳工学院毕业设计（论文）课题申报表课题名称CK6163纵向进给系统设计课题来源指导教师指定课题课题类型AY课题简介：（主要内容、进行方式、工作量大小及准备程度、现有技术和物质条件、时间安排、预期成果）主要内容：首先根据典型工艺数据，结合拟定参数，确定传动方案。对传动系统主要结构进行设计，包括选择滚珠丝杠螺母副和减速箱体的机构设计，从而完成整个进给系统机械结构设计。然后，通过计算选择步进电机，驱动滚珠丝杠运动，从而带动工作台运动。基于AT89C51对步进电机的控制系统设计，使电机实现正反转，快速正反转功能，保证对传动系统的控制要求，从而完成整个进给系统的设计。 进行方式：查阅相关资料结合实际要求进行。工作量大小及准备程度：需完成二维装配图，主要工作零件的二维图和说明书。现已对进给系统结构有了充分的了解。现有技术和物质条件：近几年，数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、柔性制造系统、计算机集成制造系统等，都是建立在数控技术基础上的。实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。时间安排:第1周到第2周进行选题、拟定设计方案，第2周到第4周查找资料和毕业设计开题报告的完成，第4周到第6周进行设计方案的修订， 第6周到第12周进行设计计算及图纸绘制，第12周至15周撰写说明书论文。 预期成果：绘制进给系统的装配图，工作零件图并完成说明书。 申报人姓名： 日期：2015 年12月 21日学院毕业设计（论文）工作领导小组意见： 组长签字： 2015年12 月22 日说明：课题类型（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研。（2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题。（1）、（2）均要填写，如AY、DX等。毕业设计（论文）任务书课题名称CK6163纵向进给系统设计专业机械设计制造及自动化姓名刘健学号12101718主要内容、基本要求、主要参考资料、进度安排等：一、主要内容：（1）滚珠丝杠螺母副结构设计（A01） （2）减速箱结构设计（A01） （3）纵向进给系统总装配图设计（A01） （4）编写设计说明书一份二、基本要求：1. 毕业设计论文应包括：封面、中文摘要、英文摘要、目录、正文、致谢、参考文献及附录八部分。2. 毕业设计论文的书写规范： 论文（设计说明书）要求统一使用Microsoft Word软件进行文字处理，统一采用A4页面（210297）复印纸，单面打印。其中上边距30、下边距30、左边距30、右边距20、页眉15、页脚15。字间距为标准，行间距为固定值22磅。 字体和字号要求： 1.论文题目用二号（分两行书写时用小二号）黑体字。 第一层次（章）题序和标题用三号黑体字，题序和标题之间空两个字，不加标点，下同。 第二层次（节）题序和标题用四号黑体字。 第三层次（条）题序和标题用小四号黑体字。 以下各层次题序和标题一律用小四号黑体字。 正文：小四号宋体 页码：小五号宋体 数字和字母：Times New Roman体 2.摘要“摘要”字样（三号黑体），字间空一字符，“摘要”二字下空一行打印摘要正文（小四号宋体）。 摘要正文后下空一行打印“关键词”三字（小四号黑体），其后为关键词（小四号宋体），关键词一般为35个，每一关键词之间用分号“；”隔开，最后一个关键词后不打标点符号。3、 主要参考资料：1 武友德.C616卧式车床数控化改造.西南交通大学，20052 尹志强等主编.机电一体化系统设计课程设计指导书.机械工业出版社，2007.53 王仁德，张耀满，赵春雨，赵亮.机床数控技术.东北大学出版社，2007.94 蔡厚道，吴日韦主编.数控机床构造.北京理工大学出版社，2007.25 金钰，胡祜德，李向春编著.伺服系统设计指导.北京理工大学出版社2000.26 吴振彪主编.机电综合设计指导.中国人民大学出版社，20007 谢红.数控机床机器人机械系统设计指导.同济大学出版社，2004.88 机床设计手册 1 通用标准资料（上册）.机械工业出版社，19789 文怀兴,夏田.数控机床设计实践指南.化学工业出版社，200810 文怀兴,夏田.数控机床系统设计.化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心，200511 荣西林.电工与电子技术.东北大学出版社，200112 朱喜林,张代治.机电一体化设计基础.科学出版社，200713 陈西文.I/O接口程序设计入门与应用.机械工业出版社，199614 袁任光.可编程控制器应用技术及实例.华南理工大学出版社，1997.615 张洪润,张亚凡.单片机原理及应用.清华大学出版社，200516 成大先主编.机械设计手册.化学工业出版社，199317 张玉，刘平.几何量公差与测量技术.东北大学出版社，2006.818 柳洪义.机械工程控制基础.科学出版社，2006.719 刘杰，赵春雨，宋伟刚，张镭.机电一体化技术基础与产品设计.冶金工业出版社，2003.120 万福君，潘松峰.单片机微机原理系统设计与应用.中国科学技术大学出版社，2001.821 李亮玉，刘新娟.步进电机脉冲分配器CH250及其应用.电子技术，1994年第3期，28-2922 阳彦雄.CA6140普通车床数控化改造.电子科技大学，200823 范立南，谢子殿.单片机原理及应用教程.北京大学出版社，2006.1四、进度安排： 第1周第2周： 选题、下达设计任务书、拟定设计方案； 第2周第4周： 查找资料、毕业设计开题报告； 第4周第6周：设计方案修订； 第6周第12周：设计计算及图纸绘制； 第12周第15周：撰写说明书论文。指导教师签字： 2015年12月23 日 教研室主任签字： 2015年12月24 日系主任签字： 2015年12月25 日毕业设计（论文）开题报告课题名称CK6163纵向进给系统设计课题来源教师指定课题类型AY指导教师马晓波开题报告内容：（调研资料准备情况，设计的目的、要求、思路与预期成果；工作任务分解，各阶段完成的内容及时间分配；完成设计（论文）所具备的条件、存在的问题等。） 一、调研资料准备情况1 武友德.C616卧式车床数控化改造.西南交通大学，20052 尹志强等主编.机电一体化系统设计课程设计指导书.机械工业出版社，2007.53 王仁德，张耀满，赵春雨，赵亮.机床数控技术.东北大学出版社，2007.94 蔡厚道，吴日韦主编.数控机床构造.北京理工大学出版社，2007.25 金钰，胡祜德，李向春编著.伺服系统设计指导.北京理工大学出版社2000.26 吴振彪主编.机电综合设计指导.中国人民大学出版社，20007 谢红.数控机床机器人机械系统设计指导.同济大学出版社，2004.88 机床设计手册 1 通用标准资料（上册）.机械工业出版社，19789 文怀兴,夏田.数控机床设计实践指南.化学工业出版社，200810 文怀兴,夏田.数控机床系统设计.化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心，200511 荣西林.电工与电子技术.东北大学出版社，200112 朱喜林,张代治.机电一体化设计基础.科学出版社，200713 陈西文.I/O接口程序设计入门与应用.机械工业出版社，199614 袁任光.可编程控制器应用技术及实例.华南理工大学出版社，1997.615 张洪润,张亚凡.单片机原理及应用.清华大学出版社，200516 成大先主编.机械设计手册.化学工业出版社，199317 张玉，刘平.几何量公差与测量技术.东北大学出版社，2006.818 柳洪义.机械工程控制基础.科学出版社，2006.719 刘杰，赵春雨，宋伟刚，张镭.机电一体化技术基础与产品设计.冶金工业出版社，2003.120 万福君，潘松峰.单片机微机原理系统设计与应用.中国科学技术大学出版社，2001.821 李亮玉，刘新娟.步进电机脉冲分配器CH250及其应用.电子技术，1994年第3期，28-2922 阳彦雄.CA6140普通车床数控化改造.电子科技大学，200823 范立南，谢子殿.单片机原理及应用教程.北京大学出版社，2006.12、 设计的目的、要求、思路及预期成果 目的：数控机床加工时，既能控制机床的动作次序，又能控制机床运动部件的移动量，提高了速度，可靠性和可变适应性。要求：三张A0图、一份毕业论文。预期成果：可以实现大批量多样化生产。 三、工作任务分解，各阶段完成的工作内容及时间分配： 第1周第2周： 选题、下达设计任务书、拟定设计方案； 第2周第4周： 查找资料、毕业设计开题报告； 第4周第6周：设计方案修订； 第6周第12周：设计计算及图纸绘制； 第12周第15周：撰写说明书论文。指导教师意见：指导教师签名： 2016年3 月4 日课题类型（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研。（2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题。（1）、（2）均要填写，如AY、DX等。毕业设计（论文）学生自查表（中期教学检查用）学生姓名刘健专业机械设计制造及自动化学号12101718指导教师马晓波职称工作进度已完成的内容：一.进给系统的工艺性分析 二.相关设计参数的确定 三.草图的设计 待完成的内容：一.进给系统结构的设计 二.绘制整套图纸及设计说明书已完成百分比：50%存在问题：滚珠丝杠的预紧和消隙 对于滚丝杠副来说，除单一方向的进给传动精度有一定要求外，其轴向间隙也应该有严格的要求，以保证反向精度的要求。 轴向间隙一般是指丝杠固定不动，螺母在限制其回转状态下所出现的轴向位移。滚珠丝杠副的轴向间隙是受负载时，在滚珠与滚道面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和，要将轴向间隙完全清除是相当困难的。通常采用双螺母预紧的方式，将弹性变形控制在最小的限度内，如果滚珠丝杆与配合公差选择得适当，就可以获得相当高的定位精度。目前国内生产的滚珠丝杠，外循环单螺母径向间隙达0.05mm，而双螺母经加预紧力调整后能基本消除间隙。指导教师签字： 2016 年4 月8 日指导教师毕业设计（论文）评审表课题名称： CK6163纵向进给系统设计 序号评审项目指标满分评分1工作量、工作态度按期完成规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实；善于与他人合作。202调查论证根据课题任务，能独立查阅文献资料和从事其它有关调研，能较好的书写出开题报告，有收集、综合和正确利用各种信息的能力。103设计、实验方案、分析与技能综合分析科学，方案设计合理，数据采集、计算、处理正确，推导正确，计算准确，论证充分；结构合理、工艺可行；图样绘制与技术要求符合国家标准要求。404设计说明书论文质量条理清楚、文理通顺、用语符合技术规范，图表完整、正确、书写格式规范。205创新能利用最新技术手段，有重大改进或独特见解；有一定应用价值。10总分评语： 指导教师签字： 2016年5 月16日评阅教师毕业设计（论文）评审表课题名称： CK6163纵向进给系统设计 序号评审项目指标满分评分1课题完成量能按期完成任务书规定的任务，课题达到教学基本要求。难易程度、工作量大小合适。202调查论证根据课题任务，能独立查阅文献资料和从事其它有关调研，能较好的书写出开题报告，有收集、综合和正确利用各种信息的能力。103设计、计算论证、推导综合分析科学，方案设计合理，数据采集、计算、处理正确，推导正确，计算准确，论证充分；结构合理、工艺可行；图样绘制与技术要求符合国家标准要求。404设计说明书条理清楚、文理通顺、用语符合技术规范，图表完整、正确、书写格式规范。205创新点能利用最新技术手段，有重大改进或独特见解；有一定应用价值。10总分评语： 评阅组负责人签字： 2016年5 月17日毕业设计（论文）答辩申请表 申请时间：2016年5月20日课题名称CK6163纵向进给系统设计专业机械设计制造及其自动化姓名刘健学号12101718已完成情况：（1）滚珠丝杠螺母副结构设计（A01） （2）减速箱结构设计（A01） （3）纵向进给系统总装配图设计（A01） （4）编写设计说明书一份 指导教师： 年 月 日 评阅教师： 年 月 日备注：毕业设计（论文）答辩评审表课题名称： CK6163纵向进给系统设计 序号评审项目指标满分评分1报告内容思路清新；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。402报告过程准备工作充分，时间符合要求。103创新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。104答辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确、深入。40总分评语： 对申请评优或答辩不合格的补充说明：答辩委员会（小组）负责人： 年 月 日沈阳工学院毕业设计（论文）成绩评定表论文题目CK6163纵向进给系统设计学生姓名刘健学号12101718指导教师姓名马晓波职称设计（论文）说明书页数图纸张数加工零件数有、无产品模型评分项目标准得分权重折合得分指导教师评分评阅组评分答辩组评分综合得分论文评定等级毕业设计（论文）答辩委员会意见： 机械与运载学院答辩委员会负责人： 2016年5 月27 日 沈阳工学院毕业论文（设计）答辩记录表答辩日期：2016年 5月23日 答辩地点：5309学院（或系）专业学生姓名学号成绩论文（设计）题目指导教师答辩纪录： （用简明语言记录答辩过程，答辩委员会提出的问题及学生回答情况）提出问题：回答摘要： 答辩组组长签名： 答辩委员会记录人（签字）：沈阳工学院毕业设计说明书摘 要数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、柔性制造系统、计算机集成制造系统等等，都是建立在数控技术基础之上的。同时，数控技术也关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业因素之一，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。推广与应用数控技术是我国机械制造行业的一项重要的战略任务。数控机床的生产准备的时间短，所制造的零件重复精度高，对改变零件设计的适用性强，夹具成本低，加工形状复杂的零件时准确可靠。因此，数控机床在现阶段以及以后的时间将占据重要地位。本题目是数控车床CK6163的纵向进给系统设计。首先根据典型工艺数据，结合拟定参数，传动方案的确定。对传动系统主要结构进行设计，包括选择滚珠丝杠螺母副和减速箱体的机构设计，从而完成整个进给系统机械结构的设计。然后，通过计算选择步进电机，驱动滚珠丝杠运动，从而带动工作台运动。基于AT89C51对步进电机的控制系统设计，使电机实现正反转，快速正反转功能，保证对传动系统的控制要求，从而完成整个进给系统的设计。关键词：数控机床；滚珠丝杠；步进电机；单片机IAbstractNumerical control technique is the basic of automation, flexible, integrated, production in manufacturing, modern CAD/CAM, flexible manufacturing systems, computer integrated manufacturing systems are all built on the basic of numerical control technology. At the same time, numerical control technique is related to the strategic importance of a country and it is one of the important foundation industries to reflect the overall national strength of a country, the level of which is the core signs of measuring the modernization of a countrys manufacturing. The realization of the processing of CNC machine tools and production processes has become the development direction of the manufacturing. Popularizing and using numerical control technology is a strategic task in our mechanical manufacturing industry. NC machine tools, which can produce parts with high repeated precision and manufacture complex shape parts with reliability, need no more time to prepare, have more flexibility to alteration of parts, and clamping apparatuses of NC machine tools are very simple. Consequently, NC machine tools will play an important position in mechanical manufacturing at now and a period of time in the future.The topic is the design of CK6163 vertical feed system. First of all, the solution of transmission will be determined according to the typical technological data and combined with the formulation parameters. Design the main structure of the transmission system, including choice the ball screw and design the structure of the slowdown box, so as to complete the design of mechanical structure of the whole system. Then, choice the stepping motor by calculating, drive the ball screw, which led campaign table. In order to complete the design of feeding system, design the control system of stepping motor based on AT89C51, so that the motor to achieve positive or negative rotating, rapid positive or negative rotating, ensure the control of the transmission system.Key words: CNC machine tools；ball screw；stepping motor；single-chip II目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 数控机床的发展历史与现状1 1.2 发展数控机床的必要性21.3 数控机床的结构与特点21.4 数控机床的发展方向52 设计任务与方案确定72.1 设计任务72.2 设计技术参数72.3 总体方案的确定73 机械传动设计计算83.1 计算内容及步骤83.2 滚珠丝杠设计计算83.2.1 切削力的计算83.2.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型83.2.3 滚珠丝杠螺母副的验算103.3 步进电机的计算与选型123.3.1 步进电机选型123.3.2 传动比的确定133.3.3 转动惯量的计算133.3.4 步进电机转矩校核143.3.5 步进电机性能校核153.4 滚珠丝杠的预紧和消隙164 环保性与经济性分析174.1 经济性分析174.2 环保性分析17 结论19参考文献20致 谢21IV1 绪论1.1 数控机床的发展历史与现状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1。 计算机数值控制工具十分适应性,只需要改变输入指令修改方案,处理对象性能高于一般自动机、复杂曲面加工精度,适合中小批量加工,修改部分高精度和复杂形状坯料,取得良好的经济效果。数字技术在不断发展，数控机床系统种类不断增加,有车床、铣床、镗床、钻床、砂轮机、机械加工、电气火花机机器工具等等。除了自动更换刀具，还有加工中心、车削中心加工等。 1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓的加工设备。由于样板形状复杂多样化，精度要求较高，一般加工设备难以完成，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床的研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久便4开始正式生产。 当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门来加工复杂型面零件；1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960年以后，较为简单与经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。 1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，而且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的数控系统(简称DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC),使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。 1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。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；可靠性大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程1。1.2 发展数控机床的必要性在机械加工过程中，经常要用到加工批量不大、改型频繁、精度要求高、形状复杂的一类零件。据统计，单件和中、小批量零件的加工约占机械加工总量的80%以上。如何解决这类产品的自动化加工呢？显然，一般自动化机床已不适应这类加工，因为一般自动化机床往往用凸轮或其他专门机构来控制机床进行加工。当零件尺寸改变时，必须重新更换凸轮或靠模，调整尺寸，才能重新加工。重新调整的工作量非常大，同时也不经济。另外，对于那些形状十分复杂的零件，通常的自动化加床也无能为力。针对这些问题，数控机床的迅速发展，为解决这类零件加工提供了良好的途径，为机械工业的发展做出了卓越的贡献。相比较于普通机床，数控机床有着如下优点：1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2） 可以实现加工的自动化，且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3到7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记录和存储下来，然后按程序规定的顺序自动执行，从而实现自动化。数控机床只需更换程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产的自动化，故被称为实现了柔性自动化。 3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配更加容易，不再需要修配。 4） 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁装夹。 5） 由以上五条好处。如：降低工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应等等。1.3 数控机床的结构与特点数字程序控制机床（数控机床）是近20年来综合应用了计算技术、自动控制、精密测量和机床结构设计等各个技术领域里的最新技术成就而发展起来的一种既具有广泛的通用性，又具有很高的自动化程度的完全新型的机床。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。 数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、控制部分和输出部分等。数控装置按所能实现的控制功能分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制三大类。 点位控制是只控制刀具或者工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需要控制。采用这类控制的有数控镗床、数控钻床和数控坐标镗床等。 直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位之外，还控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有平面铣削的数控铣床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床与数控磨床等。 连续轨迹控制(或称轮廓控制)能够连续控制两个或两个以上的坐标方向的联合运动。为了使刀具按照规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差接近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削的过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有能加工曲面用的数控铣床、数控磨床、数控车床和加工中心等。 伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种。开环伺服机构是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易使用，但是精度和速度的提高受到限制。半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器构成。位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度来间接测出工作台的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。位置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。 闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达和半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或者长磁栅。 为了保证机床具有很大的工艺适应性和连续稳定工作的能力，数控机床结构设计的特点具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等等，以尽量减小反向间隙。机床采用塑料减摩导轨、滚动导轨或静压导轨，以提高运动的平稳性并且使低速运动时不出现爬行现象。由于采用了宽调速的进给伺服电动机和宽调速的主轴电动机，可以不用或少用齿轮传动和齿轮变速，这就简化了机床的传动机构。机床布局便于排屑和工件装卸，部分数控机床带有自动排屑器与自动工件交换装置。大部分数控机床采用具有微处理器的可编程序控制器，以代替强电柜中大量的继电器，提高了机床强电控制的可靠性和灵活性4。数控机床加工时，既能控制机床的动作次序，又能控制机床运动部件的移动量，其工作过程如下图1.1所示：图1.1 数控机床加工过程目前，在市场上已见不到普通的数控机床（NC），取而代之的是计算机数控机床（CNC），CNC是NC的发展。计算机数控是将通用的小型或微型计算机装入数控机床的控制柜，再适当增加借口电路及输入、输出装置（如荧光屏等），用以替代数控机床系统控制柜中的专用电子计算装置。计算机数控系统不仅比原来的数控系统使用范围广、功能全，而且还有相当大的通用性，改善了对机床操作的控制。计算机数控系统大致有以下一些特点：1）用存储的软件实行控制，代替普通数控的硬件控制；2）有存储零件程序和修改零件程序的功能。可以在CNC系统存储器中划出一部分可读可写的存储器存放零件程序，而且还可以通过利用CNC系统软件的编辑功能来修改零件程序；3）有诊断故障功能。CNC系统具备了用软件查找故障的功能；4）可以用软件取代机床的继电器控制。可使机床的全部动作全由软件加以控制和监视，提高了速度，可靠性和可变适应性；5）可以提高编程效率；6）有保护零件的能力，可以实现输入数据的正确性，监视数据在机床上的执行情况。1.4 数控机床的发展方向目前，数控机床正在以下几个方面得到发展：（1） 使数控机床标准化、系列化，以进一步提高数控装置的可靠性，降低其生产时间和生产成本；（2） 发展简易数控装置。虽然简易数控装置机能较少，但一般由于其使用简单、维护方便、价格低廉，在普通零件的中、大批量生产中也可以采用；（3） 自适应控制数控机床。它能在加工过程中，随切削加工的参数变动，自动的调整进给量、切削量等，使机床和刀具都在较佳状态下工作，工作效率大大提高，并能保证零件得到更好的精度和光洁度；（4） 分布式控制（DNC）：用一台计算机直接控制多台数控机床，或控制整个零件的加工生产过程；（5） 自动编制程序。为了减轻人工编程的劳动强度，提高程序编制的效率与减少错误，出现了用电子计算机自动编制程序。计算机数控机床（CNC）已有20多年历史，最初阶段，主要是采用通用机床进行改装的方法，例如把普通车床、铣床、钻床及镗床改造成数控车床、数控铣床、数控钻床及数控镗床等。但随着技术的发展，由通用机床改为数控机床存在着一些严重的弱点，例如机床刚度不足，滑动面的摩擦阻力太大，传动元件中存在间隙等问题越来越突出地暴露出来。由于在数控机床上进行加工不能象在普通机床上加工那样，可以用人工的手工操作来弥补上述因素对加工零件的精度影响，故对于数控机床几乎在任何方面都要求比通用机床设计得更完善，制造得更精密。因此数控机床已由改装通用机床逐步发展到专门为满足数控要求而设计的新的数控机床。在这过程中，对机床的结构设计起了很大的推动作用，从通用机床的基础上逐渐发展了不少完全新颖的结构和原件，这些变动，大致体现在下列几个方面：1）采用了刚度和抗震性较好的机床新结构；2）采用了无间隙的齿轮传动副，以消除传动装置反向时的空程死区；3）采用了传动效率很高的精密滚珠丝杠螺母副等传动元件；4）采用了摩擦系数很低的滚动导轨或静压导轨，提高机床运动灵敏性；5）采用了增大功率的电机和先进刀具，以提高切削用量；6）采用了多主轴、多刀架结构，以提高单位时间内的切削效率；7）采用了自动换刀和自动更换工件的装置，以减少停机时间；8）采用了自动排屑，自动润滑装置。21沈阳工学院毕业设计说明书2 设计任务与方案确定2.1 设计任务本设计任务是进行CK6163纵向进给系统设计。利用微型计算机（单片机）对纵向进给系统进行开环控制，对纵向进给系统进行数控化设计。驱动系统采用BYG系列步进电机，传动系统采用滚珠丝杠。2.2 设计技术参数最大加工直径 在床面上 630mm在床鞍上 350mm最大加工长度 2900mm快进速度 纵向 2.0m/min最大切削进给速度 纵向 0.5m/min滑板及刀架重力 纵向 1200N最小指令值（脉冲当量） 纵向 0.01mm/脉冲机床定位精度 2.3 总体方案的确定参照数控车床进给系统设计经验及有关资料确定总体方案是：由微型计算机（单片机）进行数据计算、程序运行，然后经I/O借口输出步进脉冲，经过硬件环分器、驱动芯片，驱动步进电机动作，通过联轴器直联驱动滚珠丝杠，从而带动工作台实现纵向进给。如图2.1所示。图2.1 总体设计方案沈阳工学院毕业设计说明书3 机械传动设计计算3.1 计算内容及步骤本节只对纵向进给系统的滚珠丝杠，步进电机进行计算与选择。采用由系统左端相系统右端步骤进行计算与选择。见图3.1。图3.1 设计计算内容3.2 滚珠丝杠设计计算3.2.1 切削力的计算车床主切削力FZ（见文献6） （3-1）式中：Dmax为在车床床面上加工的最大直径（mm），已知Dmax=630mm。代入公式（3-1）中，得走刀方向切削分力Fx和垂直走刀方向的切削分力Fy可按以下比例求出：Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4则Fx=2649N, Fy=4238N3.2.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）计算进给牵引力Fm（见文献6） （3-2）式中：Fx为走刀方向切削分力（N）； FZ为主切削力（N）； G为移动部件重力（N）； K和f为分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，取 K=1.15，f=0.15。代入公式（3-2）中，得（2）计算最大动载荷C（见文献6） （3-3）式中：L为工作寿命， n为丝杠转速（r/min）， v为最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的1/21/3， ，取v=0.25m/min； L0为丝杠基本导程，初取L0=6mm； t为额定使用寿命，取t=15000h； fm为运转状态系数，取fm=1.2； Fm为滚珠丝杠工作载荷h将上面结果代入公式（3-3）中，得（3）计算最大静载荷C0（见文献6） （3-4）式中：fd为静态安全系数，取fd =1.5； Fm为丝杠工作载荷（N）。代入公式（3-4）中，得初选CDM5006滚珠丝杠螺母副 L0=6mm 公称直径d=50mm，丝杠取5级精度该型号的丝杠为外循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式的滚珠丝杠副。该型号滚珠丝杠额定动载荷：额定静载荷：（4）滚珠丝杠传动效率（见文献6）（3-5）式中：为丝杠螺旋升角，由丝杠型号查出，； 为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，其摩擦角约等于。代入公式（3-5）计算，得3.2.3 滚珠丝杠螺母副的验算（1）刚度验算1）丝杠的拉压变形量（见文献6） （3-6） 式中：为在工作载荷Fm作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量（mm）； Fm为丝杠工作载荷（N）； L为滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm），滚珠丝杠工作长度为2900mm， 考虑两端安装轴承，左右支撑的中心距离约为3150mm； E为材料弹性模量，对刚E=20.6104MPa； A为滚珠丝杠按内径确定的横截面积(mm2)。代入式（3-6）中计算2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量（见文献6） （3-7）式中：Dw为滚珠直径，Dw=3.969mm； 为滚珠总数量=Z圆数列数； Z为一圈滚珠数，； dm为滚珠丝杠的公称直径(mm)； FYJ为预紧力(N)； Fm为滚珠丝杠工作载荷(N)。= Z圆数列数=39.522.51=198将上面各结果代入式（3-7）中进行计算滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3，值可减少一半左右3）丝杠副刚度的验算丝杠的总变形量丝杠有效行程为2900mm，5级精度滚珠丝杠有效行程在25003150mm时，行程偏差允许达到69，丝杠刚度足够。（2）压杆稳定性验算滚珠丝杠是一种受轴向力的长柱压杆（见文献6） （3-8）式中：E为丝杠材料弹性模量，对刚E=20.6104MPa； I为截面惯性矩(mm4)，对丝杠圆截面（d1为丝杠底径）； L为丝杠最大工作长度(mm)；fz为丝杠支承方式系数，取fz=2.0。代入式（3-8）中，可得故滚珠丝杠不会失稳。3.3 步进电机的计算与选型3.3.1 步进电机选型初选130BYG3502 步进电机，该型号步进电动机技术数据如下（见文献2）：相数步距角/()电压/V电流/A最大静转矩/()空载起动频率/Hz空载运行频率/Hz转子转动惯量/30.68032563715001500048 表3.1 1 30BYG3502步进电机技术参数步进电机的运行矩频特性如下：表3.2 步进电动机的运行矩频特性（对应表3.1）电动机型号运行频率/(Hz)1005001000200040006000800010000运行步距角/()不同频率下的输出转矩/()130BYG35020.635.2035.0031.5026.8022.2018.5015.0011.00所选用BYG系列步进电机工作特点如下：（1）输出转矩大，矩频特性硬；（2）驱动电源电流小，功耗低；（3）动态性能好，输出角位移与输入脉冲数严格成比例，而且在时间上同步，因此 调节输入脉冲的数量、频率、相序即可控制电机相应的角位移、转速、转向获 得所需要的运动特性，而不需中间转换装置；（4）起动制动时间短，在制动状态下，电机转子可以锁住定位；（5）输出角位移的定位精度高而且积累误差不随转数而叠加；（6）电机轴伸采用键联接。3.3.2 传动比的确定传动比i计算如下（见文献2）： （3-9）式中：为电动机步距角，=0.6； L0为丝杠基本导程，L0=6mm； 为脉冲当量，=0.01mm/脉冲代入式（3-9）中，计算得3.3.3 转动惯量的计算丝杠转动惯量（见文献6） （3-10）对于钢材，材料密度为7.810-3（kg/cm3），代入式（3-10），有式中： D为丝杠直径（cm）；L为丝杠长度（cm）；Mc为圆柱体质量（kg）。电机转子转动惯量 工作台转动惯量 （3-11） 式中：L0为丝杠导程（mm）； M为工作台质量（kg）。代入式（3-11）计算得转动惯量3.3.4 步进电机转矩校核计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩Teq有快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1） 快速空载起动时电动机的转轴所承受的负载转矩Teq1（见文献2） 考虑纵向传动链的总效率，计算快速空载起动时折到电动机转轴上的最大加速转矩（见文献2）： （3-12）式中：nm对应纵向空载最快移动速度的步进电机最高转速，单位为r/min； ta 步进电动机由静止不动到加速至nm转速所需要的时间，单位为s。其中 （3-13）式中：vmax纵向空载最快移动速度，vmax=2000mm/min 纵向步进电机步距角，为0.6 纵向脉冲当量，=0.01mm/脉冲代入式（3-13）计算，得设步进电机由静止加速到nm所需要时间ta=0.4s，纵向传动链总效率=0.7，代入式（3-12）计算，得移动部件运动时，折算到电机转轴上的摩擦转矩为（见文献2）： （3-14）式中： 导轨摩擦系数，滑动导轨取0.15 Fz垂直方向工作负载，空载取0 纵向传动链总效率，=0.7代入式（3-14）计算，得2） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2（见文献2）前面对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Fx=2649N最大工作负载Fz=10595N，摩擦转矩 取安全系数K=4 选用的130BYG3502步进电机最大静转矩 符合要求。3.3.5 步进电机性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核最快工进速度脉冲当量求出电动机对应运行频率由130BYG3502的运行矩频特性（表3.2）可知，在此频率下，电动机转矩远大于，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核最快空载移动速度电动机对应运行频率由130BYG3502的运行矩频特性（表3.2）可知，在此频率下，电动机转矩远大于，满足要求3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动时，电动机对应运行频率 查表3.1，130BYG3502步进电机运行极限频率为15000Hz，没有超出上限，符合要求。3.4 滚珠丝杠的预紧和消隙对于滚丝杠副来说，除单一方向进给传动精度有一定要求外，其轴向间隙也应该有严格的要求，以保证反向精度的要求。轴向间隙一般是指丝杠固定不动，螺母在限制其回转状态下出现的轴向位移。滚珠丝杠副的轴向间隙是受负载时，在滚珠与滚道面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量与螺母原有间隙的总和，要将轴向间隙完全清除是相当困难的。通常采用双螺母预紧的方式，将弹性变形控制在最小的限度内，如果滚珠丝杆与配合公差选择适当，就可以获得相当高的定位精度。目前国内生产的滚珠丝杠，外循环单螺母径向间隙达0.05mm，而双螺母经加预紧力调整后基本能消除间隙。本人所设计选取的滚珠丝杠预加负荷方式为垫片预加负荷式。用螺钉联接两螺母套，在两螺钉间加垫片，通过调整垫片的厚度，使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的，预紧力增大了丝杠的刚度。这种方式结构简单，可靠性好，刚度高，装拆方便，但调整费时，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和进行预紧，运用于一般精度的机构中。同时，在采用预紧力消隙时应注意：（1）通过预紧力产生预拉变形，减少了弹性变形引起的位移，但不能使预紧力过大，否则加大驱动力矩，会降低效率，缩短使用寿命；（2）特别注意丝杠安装部分和驱动部分的间隙，尽可能使之减小。沈阳工学院毕业设计说明书4 环保性与经济性分析4.1 经济性分析CK6163系列数控车床为普及型数控车床，适宜加工形状复杂的轴、套、盘类零件。如车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、切槽、倒角、车螺纹等，尤其适合多品种、中小批量的轮番加工。工艺适应性强，加工效率高，废品率低，成品一致性好，可降低对工人技术熟练程度的要求。编程容易，操作简单，功能全面，是理想的中型机械加工设备。 主轴可实现分段变频无级变速。宽段速，大重叠，全自动，适应加工范围广。 主轴可实现低速大扭矩输出。活动安全防护设计，便于操作及上下工件。尾座有减荷装置，移动轻快灵活。锥体车削不受角度和长度限制 。可车各种圆柱、圆锥螺纹，并可连续过渡。本文主要设计CK6163数控车床的纵向进给系统，进给传动采用开环伺服系统，开环伺服系统没有检查机械运动的检测元件，没有来自位置传感器的反馈信号。由步进电动机驱动，运动速度和精度可以保证，运动中基本平稳、不会出现丢步现象，主要用于经济型或简易型数控机床，其精度和速度的提高受到限制。机械结构设计中滚珠丝杠螺母副和步进电机可直接与厂商协商购买，设计中一些非标准配件可与制造厂外协生产加工。控制系统采用抵挡配置，使用MCS-51系列单片机，简单实用，性价比高。相比较于高端数控车床产品，虽然其精度及加工速度受到了一定的限制，但相比于普通机床其加工效率可以提高3-5倍，足以满足上述加工要求。在很大程度上降低了生产加工成本。4.2 环保性分析环境污染是指人类直接或间接地向环境排放超过其自净能力的物质或能量，从而使环境的质量降低，对人类的生存与发展、生态系统和财产造成不利影响的现象。具体包括：水污染、大气污染、噪声污染、放射性污染等。水污染是指水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性污染等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。大气污染是指空气中污染物的浓度达到有害程度，以致破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人和生物造成危害的现象。噪声污染是指所产生的环境噪声超过国家规定的环境噪声排放标准，并干扰他人正常工作、学习、生活的现象。放射性污染是指由于人类活动造成物料、人体、场所、环境介质表面或者内部出现超
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