《数控车床横向进给系统设计6300字（论文）》

数控车床横向进给系统设计摘要：随着制造技术的飞速发展，数控机床的精度要求越来越高，尤其是机床的进给系统的结构及控制精度是目前研究的重点课题。本次研究对象是教学型数控车床横向进给传动系统设计。根据毕业设计任务给出的技术指标要求，设计数控车床的横向进给传动系统的机械部分。通过查阅国外内数控车床的进给系统相关文献，掌握其数控车床的传动系统结构原理，以及经过综合对比，得出了一个好的设计方案。根据数控车床的技术指标参数，完成数控车床横向进给传动系统方案设计；对部件设计与选型，包含电机、联轴节、丝杠、轴承等部件设计及强度校核；数控车床横向进给传动系统的导轨的选型，材料、寿命计算等；横向进给传动系统的精度和刚度的验算；横向进给系统的装配图、关键部件的零件图绘制，撰写设计说明书。关键词：数控车床；进给系统；丝杠机构；导轨目录1绪论 .绪论1.1课题研究的背景及意义为实现机床自动化、加工高效化、产品精度化、产品加工多样化、智能化是现代机床业发展的主要趋势，机床在制造在追求经济节约实用多样化的过程中，机床的结构也变得简单方便，易拆装，多功能，相应的部件结构精密化。机床基本组成部分：数控部分，传动部分，加工部分。滚珠丝杠副，直线电机，直线导轨与电主轴是传动部分与加工部分的代表性部件[2]。数控车床设备的发展应用的现代工业发展的重要领域，它对高性能、高品质产品的研发、制造、生产发挥了中重要作用，也是衡量一个国家的工业制造水平的重要标志之一。高精密的设备是由高精密的零部件组成，高精密高质量的零件的加工制造就需要科学的加工工艺规程，采用合理的加工辅助及加工方法，研发出高精度的数控车床设备，配套合理的专用夹具，提高加工效率，同时保证优异的零件质量。图1.1数控车床实物在现代机床发展的过程中，对机床的要求越来越明确，传动过程中，机床需要较高的传动精度和定位精度，在进给速度的控制要求下，需有明确的调速范围，数控车床在接受信号后反应速度要快，为了保证加工精度，确保传动要求无间隙，并且传动结构具有稳定性较好的特点，能使用较长时间[5]。在这种要求下，滚珠丝杠副应运而生，并能很好的符合这种要求。本次研究名称为CK0620数控车床横向进给传动系统的设计。通过自己所学习的关于专业知识，进行一个基本设计训练，其目的是：1）熟悉机械设计基本理论和相关知识，对机械设计方案的全过程有了一定了解。提高我们的分析和解决问题的能力。2）在设计中，逐步掌握各零件的计算、零件的选择等。1.2国内外数控数控车床的研究现状与发展趋势1.2.1数控数控车床的研究现状数控机床目前是先进制造技术中的一门核心技术。数字控制系统技术的快速发展为数控机床的技术进步提供了条件。目前在高速、精密、复合、智能和绿色等方面是我国的数控机床的发展趋势。数控车床的进给系统具有从动力源将运动和动力传递给切削刀具、工作台等执行部件的功能，是整个机器的重要组成部分。因此，其运行过程中的误差以及振动等均会对整个机器的加工精度以及使用寿命等产生很大影响。所以分析研究其动态特性，掌握其运行过程中各种数据与参数的变化规律，从而改善其性能，对于提升整个机器的加工精度以及使用寿命等都是必不可少的。1.2.2数控车床的发展趋势数控车床的发展趋势：高速高精高效化:具有高速CPU、RISC芯片和多CPU控制系统以及检测元件的交流数字伺服系统。机床的高速高精高效化有了很大的提高。柔性化发展趋势：可裁剪性强，功能多，模块化设计，满足各种的需求。工艺复合性:正朝着多系列控制功能方向发展。4)实时智能化，采用人工智能则试图用计算模型实现实时智能控制。1.3本文主要研究内容本次研究对象是CK0620数控车床横向进给传动系统设计。根据毕业设计任务给出的技术指标要求，设计一款数控车床的横向进给传动系统的机械部分。本文的主要内容如下：1）查阅国外内数控车床的进给系统相关文献，掌握其数控车床的传动系统结构原理，调研市场上现有的加工机床设备，分析他们的各个方面，得出一个性价比最高的方案。2）根据数控车床的技术指标参数，完成CK0620数控车床横向进给系统方案设计；对横向进给传动系统部件设计与选型，包含电机、联轴节、丝杠、轴承等部件设计及强度校核；3）CK0620数控车床横向进给传动系统的导轨的选型，材料、寿命计算等；横向进给传动系统的精度和刚度的验算；4）CK0620数控车床的机座设计，机座材料选择，刚度计算；5）横向进给系统的装配图、关键部件的零件图绘制；2数控车床的总体方案设计2.1数控车床的技术指标本次设计的CK0620数控车床横向进给传动系统设计。根据联轴器的结构，工作台的主体部分直线导轨和滚珠丝杠，联合电气部分的关联性及传动装置的保护性。具体指标参数如下：1）横轴传动系统行程:400mm；2）横轴快速移动速度：15mm/min，横轴进给速度1-5000mm/min；3）横轴定位精度：0.022mm,横轴重复精度0.012mm;2.2总体方案设计如图2.1所示，数控车床的结构组成简图。图2.1数控车床的结构简图数控车床的工作台进给系统的要求：1）选择采用滚珠丝杠螺母传动副。丝杠具有中转速和高精度。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。选择滚珠丝杠副，滚珠丝杠与联轴器直接连接。2）选用滚动直线导轨，其摩擦阻力小。导轨的导向精度要求高。3）执行机构选择交流伺服电动机。数控车床的工作台方案：横向进给系统的传动路线：伺服电机由联轴节到滚珠丝杠，上部的运动部件和丝杠螺母机构连接，即丝杠螺母与X轴进给部件刚性连接，丝杠螺母运动时，X轴传动部件也精度运行。如图2.2横轴进给机构原理图：图2.2横轴进给机构原理图从横轴传动机构方案图2-2所示，其主要由导轨座、工作、移动滑块、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等部件构成。执行元件为伺服电动机，驱动滚珠丝杠。在导轨上滑块被滚珠丝杠螺母带动，实现工作台在横轴方向的直线移动。

3横向进给系统的伺服电机选择与滚珠丝杠机构设计3.1交流伺服电动机的选型3.1.1电机的选择依据选择电机时应满足的条件：1）机床无负载时，被加在电动机上的力矩要小于电动机力矩的50%。不然会过热。2）加/减速时间要短。3）电动机以最大切削力矩运行的时间要在规定范围内。4）电动机本身惯量的3倍大于负载的惯量。3.1.2电机的负载力矩和惯量的计算加到电机轴上的负载力矩：式（3-1）水平工作台时，F值可按下式计算:不切削时：式（3-2）W:工作台与工件重量:滑动表面摩擦系数Fg:镶条锁紧力kgf切削时：式（3-3）:反切削力:由切削力矩引起的滑动表面上工作台上收到的力（设=2kgfcm=0.2Nm）为满足条件,Tm在不切削时≥0.1Nm，最高转速≤2000r。3.1.3交流伺服电动机概述本次设计选择FANUC系列交流伺服电动机，电动机的型号为FANUC4-0，其数据见表3.1。其特点如下：3.2丝杠结构的组成与结构形式一种新型螺旋传动机构—滚珠丝杠副，它具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件—滚珠。丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成了滚珠丝杠螺母机构。如图3.1滚珠丝杠：图3.1滚珠丝杠见表3.2滚珠的循环方式：表3.2滚珠的循环方式滚珠丝杠副中的内循环和外循环两种区别见表3.1。3.3丝杠螺母副的尺寸参数计算初选滚珠丝杠副数据见下表3.3：3.3丝杠螺母副参数公称直径/mm导程/mm余量/mm节距/mm255208根据丝杠的工作行程初选丝杠的工作长度：初选横方向丝杠的工作长度为400mm滚珠丝杠的工作载荷计算公式为：式（3-4）=1.2，=1.2，取D精度，=1.0，横方向丝杠工作载荷：=1.2×1.2×1.0×600=864N额定动载荷值计算：导程初选为5mm，则根据值选择滚珠丝杠副，假设选用按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca的原则，查表选以下型号规格：FC1-2505-2.5Ca=5011N公称直径D=25mm导程P=5mm螺旋角滚珠直径计算可得：滚道半径R=0.523.4丝杠机构的校核计算1）一端轴向固定的长丝杠在工作时会失稳,故设计时要验算其安全系数S。丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷注：E=206GpaL=0.3m取查表[S]=253.3S>[S]丝杠不会失稳验算最高转速—临界转速，且丝杠的最大转速>nmax故丝杠不会发生共振此外滚珠丝杠副还受Dn值的限制，要求<4)滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为：式（3-5）A：丝杠截面积，A为丝杠的极惯性矩，G为丝杠切变模量，对钢G=83.3GPa;T(Nm)为转矩，式中为摩擦角；为平均工作载荷.摩擦系数为,按最不利的情况取(F=)通常要求：故其刚度满足要求。5)效率验算：在90%95%内，故该丝杠副合格.经验证，FC1-2505-2.5符合题目要求，可选。3.5滚珠丝杠支承的选择3.5.1支承方式的选择滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷。滚珠丝杠的支承方式有以下几种：图3.5丝杠支撑形式如表3.4支承方式选择：支承方式固定—游动固定—固定固定—自由转速中高低精度高高中本设计选择固定—游动。固定断采用轴承连接。3.5.2轴承的选择考虑到轻载，初选角接触轴承。代号7202AC型。既承受轴向载荷又径向载荷，接触角大、刚度高。轴承的校核：基本额定动载荷：取X=1，Y=0.92则轴承的预期寿命取=25000h故N<9980N合格。润滑：由于传动机构转速较低，选用双磷钙基润滑脂（GB491-1987）。3.6联轴器的选型3.6.1初选联轴器依据滚珠丝杠轴径和来选择。见下表3.6初选圆锥销套筒联轴器。表3.6联轴器性能初选d=12mm的圆锥销套筒联轴器，其具体数据如下表3.7：表3.7d=12mm的圆锥销套筒联轴器数据d公称转矩（Nm）DLlC圆锥销（2个）127.52240联轴器的校核联轴器转矩的计算公式如下：式中：则联轴器的转矩为(取K=1.5)：=可用。销的抗剪强度：可用，材料为45钢。4横向进给系统的导轨机构设计与计算4.1导轨的组成种类及其应满足的要求导轨的基本要求是导向精度和刚性高、运动稳、耐磨性好、温度对其影响小以及工艺性好。直线运动导轨还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，要设有卸荷装置，运动件的支承一定符合三点定位原理。4.2导轨材料的选择及热处理4.2.1导轨材料的选择选用灰铸铁HT200。4.2导轨的选型及长度估算在本次设计中，我们选择滚动直线导轨副。因为摩擦力小、驱动功率小、刚度大、起瞬速度快、成本低等。综上，选择燕尾形导轨。横方向初选导轨型号为GGB20AAL2P2×1090-4。导轨的长度：一般可根据滑块导向部分的长度来确定导轨长度。其公式为：式（4-1）推算出=420mm4.3导轨副的额定寿命计算横方向初选导轨型号为GGB20AAL2P2×1090-4，查《机械设计手册》得，额定动，静载荷分别为13.6kN,20.3kN。滑座数M=4,故每根导轨上使用2个滑座。其中工作台的最大重量为:额定寿命：L=（/）K式中：取=1查表4.1,得=1表4.1温度系数工作温度/100-150150-200200-25010．900．730．60——接触系数，查表4.2；得=0.81表4.2接触系数每根导轨上的滑块数123451．000．810．720．660．61查表4.3；取=1查表4.4；得=1表4.4载荷系数精度等级23451．01．00．90．9将数据带入公式中即可算出L=37179km2)的计算——行程长度（m）——每分钟往返次数由于一年是250个工作日，工作8h/天。则预计的为：年同理，可以求得横方向的：年4.4滚动导轨副的技术要求常用H6/h5，H7/h6，H6/g5，H7/g6等配合用于导向精度高的导轨面。本设计导向精度要求高，选用H7/h6。配合面的形位公差：一般占机械导向精度1/2~1/3。本设计中取3级。3）表面粗糙度：普通精度的，被包容件导向面的Ra在0.63~2.5内；高精度的，在0.16~0.63范围内，包容件导向面的相应降一级。5三维建模及虚拟装配设计5.1使用的软件UG软件在工业制造领域广泛应用，也是一款非常高效、快捷的CAD/CAM设计软件，可以很轻松的完成各种复杂的零件建模，在机械行业中应用广泛。5.2关键部件的建模（1）直线导轨建模1）新建文件：启动NX12.0，在菜单栏中选择新建“模型”，按照默认设置，将建模单位设置为“毫米”，名称输入“Model1”，再“确认”见图5.1。图5.1新建模型2）拉伸实体在UG软件进入建模界面后，在菜单栏中“特征”菜单栏中的“拉伸”按钮，在绘制区选择基准CSYS的XY的平面，在绘图区绘制草图轮廓为需要拉伸的轮廓，按照实际尺寸标注，在旋转窗口界面的“限制”中开始输入：0，结束输入“930”，其余采用默认，单击确定，见图5.2。图5.2导轨建模再次单击“特征”菜单栏中的“创建孔”按钮，在弹出“界面”栏中的选择上步创建的平面，创建“常规孔”-“沉头孔”，沉头直径为14mm，沉头深度为8mm,底部直径为9mm，深度为30mm，布尔运算“减去”，其余采用默认，单击确定。在单击“阵列特征”命令，采用线性阵列，阵列数量为12,距离为80mm，见图5.3。图5.3导轨孔特征建模（2）其他零件的三维建模1）滑块图5.4滑块三维模型2）导轨机构图5.5导轨机构3）机座的三维建模机座是支承其他零部件的基础部件，机座多采用铸件。图5.6机座4）丝杠支撑座图5.7丝杠支撑座5）螺母固定座图5.8螺母固定座6）圆螺母图5.9圆螺母7）联轴器图5.10联轴器8）电机安装板图5.11电机安装板9）电机图5.12电机10）丝杠机构图5.13丝杠机构11）机座与导轨机构装配图图5.14机座与导轨及丝杆机构装配图12）总装配图图5.3横向进给系统装配图总结随着制造技术的飞速发展，数控车床设备的精度要求越来越高，尤其是机床的进给系统的结构及控制精度是目前研究的重点课题。本次完成了CK0620数控车床横向进给传动系统设计。首先根据毕业设计任务给出的技术指标要求，设计数控车床的横向进给传动系统的机械部分。通过查阅国外内数控车床的进给系统相关文献，掌握其数控车床的传动系统结构原理，调研市场上现有的加工机床设备，分析其各自性能及特点，综合对比，提出一种性价比最高的设计方案。对横向进给传动系统部件设计与选型，包含电机、联轴节、丝杠、轴承等部件设计及强度校核；CK0620数控车床横向进给传动系统的导轨的选型，材料、寿命计算等；横向进给传动系统的精度和刚度的验算；横向进给系统的装配图、关键部件的零件图绘制，撰写设计说明书。通过此次毕业设计的目的是运用所学机械专业知识对CK0620数控车床横向进给传动系统设计过程进行详细分析，提升自己解决实际工程问题的能力，学会使用机械设计手册、相关标准、及机械制图规范等，强化自己的三维建模技能。

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