[机械自动化论文]车床进给机械系统及测量系统设计

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车床进给机械系统及测量系统设计

摘 要

车床机械结构系统可分为主轴传动机构、进给传动机构、机床刀架、

机床车身、机床辅助装置。

该数控车床的设计是改造了普通车床,以适应机床工业的发展。它是

对数控车床进给系统和测量系统的改造设计。由机床伺服驱动电路、机床

伺服驱动器、机床驱动机构和执行部件组成的机床进给系统用来接收来自

CNC 装置系统的信号以驱动执行部件的运动。

本次设计主要是依据原始数据的一部分来确定,然后根据生产条件来

确定车床参数,并且传动方案是基于上面车床设计参数的确定来完成的。

并且通过计算机床的传动副的传动比和齿轮齿数,再估计齿轮模数,并确

定齿轮的强度和刚度。此外,设计了机柜的结构和某些零件的选型,从而

对整个主轴和进给系统及测量系统的设计。然后再用 CAD 和 UG 等二维和三

维软件画出零件图纸并进行装配图的组装。

关键词 数控车床;进给系统;二维设计;

- I -

目 录

摘要 ...........................................................I

第 1 章 绪论....................................................1

1.1 背景.....................................................1

1.2 目的和意义...............................................1

第 2 章 总体方案设计............................................4

2.1 数控车床设计的基本要求...................................4

2.1.1 工艺范围.............................................4

2.1.2 加工精度.............................................4

2.1.3 开放性...............................................4

2.1.4 生产率和自动化.......................................5

2.1.5 可靠性...............................................5

2.2 数控车床设计方法和理论...................................5

2.2.1 车床设计方法.........................................5

2.2.2 数控车床设计的步骤...................................6

2.3 车床设计的基本理论.......................................6

2.4 数控车床总体方案设计.....................................6

2.4.1 几何运动设计.........................................6

2.4.2 车床总体结构方案设计.................................7

第 3 章 纵向进给系统设计计算...................................6

3.1 切削力的计算.............................................6

3.2 丝杠螺母的设计与计算.....................................6

3.2.1 强度验算.............................................6

3.2.2 效率计算.............................................7

3.2.3 刚度验算.............................................7

3.2.4 稳定性验算...........................................8

3.3 电机的选择...............................................9

3.3.1 计算传动比...........................................9

3.3.2 转动惯量计算........................................10

3.3.3 所需传动力矩计算....................................10

3.3.4 电机的选择..........................................11

3.4 轴承的选用与校核........................................12

3.4.1 角接触球轴承的选择..................................12

3.4.2 深沟球轴承的选择....................................13

第 4 章 横向进给系统设计计算..................................14

4.1 切削力的计算............................................14

4.2 丝杠螺母的设计与计算....................................14

4.2.1 强度验算............................................14

4.2.2 效率计算............................................15

4.2.3 刚度验算............................................15

- II -

4.2.4 稳定性验算..........................................16

4.3 电机的选择..............................................18

4.3.1 计算传动比..........................................18

4.3.2 转动惯量计算........................................18

4.3.3 所需传动力矩计算....................................19

4.3.4 电机的选择..........................................20

4.4 轴承的选用与校核........................................20

4.4.1 角接触球轴承的选择..................................20

4.4.2 深沟球轴承的选择....................................21

第 5 章 测量系统设计..........................................22

5.1 数控车床的步进伺服系统法的结构和工作原理……………………22

5.2 数控车床的步进伺服系统的基本要求………………………………22

5.3 数控车床的步进伺服系统的总体设计………………………………22

结论............................................................

参考文献........................................................

- III -

第1章 绪论

1.1 背景

数控车床因为是机床里面常用而典型的一种设备,所以该设备用于各

种生产行业的加工中。这在数控技术中应用最广泛的例子。因此,此次设

计将选择 CNC 车床作为设计对象。本次将会设计数控车床的主要机械结构、

辅助零部件的选用,使其的加工能力可以达到国际上的先进水平。

在最近几年里,伴随着国内制造业的良 发展,中国 越多 的机械

加工生产 也得 到了 如日 的发展,这些加工生产 业对数控设备

很大 的需求。 那么 ,数控行业的 快速 发展 使先进数控设

备需求量 。然而,在其 火热 发展的背后, 了数控机床量的

不得不 靠进 国外设备来 满足 国内的 市场 ,而国产数控机床 却无

某些中 生产行业的需求, 导致 国产数控机床 损失 了自 市场

对这一 现状 ,本次将设计一种 对先进的 型数控车床,它 具有较高速

度和精度。根据 市场 调查研究 ,中 小企 业生产的零件 形状

较复杂 、零件可 、体 积小 、产 品更换周期快 。此次设

是基于对上 的加工需求,并模 仿 国外先进 型数控车床的

计。

1.2 目的和意义

数控车床 又称 为 CNC 装置车床,它 是通过计算机来进行数 化控制

的车床。与数控车床 ,普通 卧式 车床通过 纯手 工作动机床来完

成各种切削动作,而数控车床通过将 编好 的数控 语言手 输入 到计算机中,

由控制系统通过控制 坐标 轴和伺服电动机的转向及 置量 控制车床的进

给运动,从而使工件出 了动作 顺序 的先后、 置的 近和

快慢 ,再配以主轴转 及转向和自动 刀系统, 会加工出各种 形状

零件。因而,数控车床是 我们 使用最为广泛的机床。

制造业的强 是基于这个国 的工业发展 度和工业先进 度。

在工业 经济时代有 人把 制造业作为一个国 家经济增长 “引擎” 。作为

制造业中最常用 是最常 的制造工 ,机床 反映 出了制造业的水平。其

中,数控机床结 合现今 各种各 的先进数 化电子技术, 代表 机床和

尖端 制造行业中的最 水平。数控机床是 当代 制造行业的 要设备,一个

数控机床的年 产量和技术水平在某种 度上 就代表 着这个国 的制

造业水平和 竞争 力。此次 设计的数控车床, 备以 下特点:调速 范围

主轴传动平稳、加工精度 闭环 控制系统、 际应用 价值高

- 1 -

2 章 总体方案设计

2.1 数控车床设计的基本要求

2.1.1 工艺范围

数控车床的加工工艺范围 车床在 不同 生产要求条件 按时 完成

的能力,它主要 包括 的内 容: 完成的工 、所加工零件的 类别 ,

加工 材料类 型、要求的 尺寸 范围、 际生产效率、加工成本、 毛胚 件的种

、零件生产 模、零件的加工精度、零件的 粗糙 度等。

我们 通过加工的对象来选择数控车床的 能。 些通常 是为了

量生产的车床其 能常常设置的比 较少 , 其到达加工工艺范围

可,以此来达到 效率和 减少 制造 时间 降低 生产成本。对于在 一个机

床上 能完成 不同 工作的 小批 件生产用的通用车床,它的加工工艺范

就显现 的广泛了。数控车床是通过数 来控制的,其 优越 替代 ,

其加工工艺范围 也远远大 于普通车床,适 大批 量工件生产的制造行业

中。

2.1.2 加工精度

加工精度是机床 项必须保证 的可靠性能 指标 ,是用来 保障 加工零

件在 形状 尺寸 相互位 置的 确性。所以,机床的加工精度 受很多 的因

素影响 机床作几何运动的精度、机床传动系统的精度、工件的 形状尺

、机床 夹具 的定 、机床 系统、以及数控 编程错误 等。

我们 在车床 布局阶段必须 采取 一些方法来 保证 加工出的工件

可靠的精度, 如:提升 机床的传动精度和刚度, 减少 机床传动结构的

动和 热变形 我们 通常选择的传动件应 具有较高 加工精度并可 缩短 传动件

的传动 , 以 提升 机床的传动精度,完成主运动与进给运动 的零传动。

2.1.3 开放性

对于 简单 机工作的车床,一 般都 是由 力来完成 物料

要求车床要使用方 便 简单 简洁 和维 护容易

2.1.4 生产率和自动化

为了 提升 数控车床的生产率, 我们 缩短 车床工作 时间 ,用

先进的刀 提高 车床的切削 度、进给 度和加 切车床的削深度等方

法可 实现

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2.1.5 可靠性

能在 定的加工条件 和加工 时间 内,机床能 独立 完成加工 任务 的能

力。一 数控车床是由数控系统、伺服系统、机床本体等三 主体部

分构成。

2.2 数控车床设计方法和理论

2.2.1 车床设计方法

对数控车床的 研究 是一个从 到动、从定性到定量、从 线 性到 非线

安全 设计到 化设计、从 工计算到数 化控制的发展过 。随着数

化控制系统的 不断 与强 ,数控机床的传动系统与结构组成 也得 到了

越多 的改 。伺服系统的 建立 能使机床 加可靠完成 轴运动和

动,从而 省去 许多复杂 的机械传动设计。

2.2.2 数控车床设计的步骤

数控车床设计的步骤 先是通过 查找资料 进行 调查研究 ,再进行

技术和 经济 可行,然后确定机床总体的方案设计,再次对技

术的深 入研究 设计,确 可行后开始进行机床工作结构的设计,最后

机并进行 验,根据 验的结 选择是 否决 投入 生产。

2.3 车床设计的基本理论

刚度 车床在 到外来 载荷 的作用 ,能 保持 自身结构完整性的能力

载荷按照 其性 可以分为 静载荷 与动 载荷 静载荷 会对车床的 抗振 性、生

产率 有影响 ,所以 提升 车床的刚度是 之重

精度 机床上面零部件的 形状 置和几何运动的精确度,它分为了

几何精度、传动精度、定 精度等。为了 提高 车床的精度, 我们 需要考

何进行精度的分配、部件的选型和 材料 选择等。

抗震 性是在 交变载荷 作用 数控车床能 够抵抗变形 的能力。它分为了

受迫振 动和自 激振 动。机床的 动会 导致 工件精度 变低 变差

使机床刀 寿命减短 , 机床的生产效率 低下 ,加 了机床的 破损程 度,

严重 使机床发出 巨大 噪音 。所以 我们必须提高 车床 抗振 性。

2.4 数控车床总体方案设计

2.4.1 几何运动设计

数控车床通过刀 和工件 之间 的发生 对运动,从而加工出 一定几

形状 尺寸 精度的工件 面。为了 获得圆柱 面,车床应 备一定的主轴

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度和刀架的纵向 动,而在进行车 ,刀架应该作横向的进给

运动。

为完成工件 面的加工工艺,车床上 应设置各种运动,各运动 之间

能应该是 的。一 般我们把 它分成了成 运动和 运动。在

工件的 面上完成一个加工工艺所需要的最基本运动, 是成 运动。

在对数控机床几何运动方案设计 时我们 分了 个部分,第一部分为对

机床加工工艺的分 、第二部分为选择机床原 点坐标 、第三为 出机床几

何运动的 、第 部分是对车床运动机构和车床传动机构的原理图

制。

2.4.2 车床总体结构方案设计

在进行了 有关 数控车床运动结构的 研究 设计后,需要对数控车床运动

能的 研究 设计,以此来 支撑 件的 置。然后, 数控车床的运动

经反复 研究 后,选出并 的运动方案, 可以进行运

动方案的分配设计,再对一些车床运动的分配 进行计算和测 , 不合

理的设计, 理方案设计。

的数控机床结构 布局有立式 机床、 卧式 机床和 机床,在这

间按支撑 件的 形式又 可分为 底座 立柱式 龙门 。此次是对 卧式

数控车床的设计,主要是对数控车床主轴与进给系统及测量系统的结构设

计。

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第3章 纵向进给系统设计计算

3.1 切削力的计算

根据 ,切削力

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其中

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—— 工件最 大回 直径

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= 320 mm 机床设计 册》

进行车削外 加工工艺

载荷:

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轴向 载荷:

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取:

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,

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3.2 丝杠螺母的设计与计算

3.2.1 强度验算

计算车床丝杠的轴向工作 载采 式:

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4-1

用机床设计 册》 知:

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——颠覆 力矩 影响 系数,在使用 三角 形导 ,一 般取

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= 1.2;

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—— 摩擦 因数,在使用 三角 形导 ,一 般取

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= 0.1;

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—— 力,估计 为 80 kg

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4 1 得:

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计算最 载荷 C a

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4-2

其中,

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—— 寿命值

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—— 量转 ,由 计算 得:

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4-

3

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4-4

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—— 数控机床丝杠 推荐 寿命 用机床设计 册》 3.7-

55, 数控车床 寿命

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——滚珠 丝杠 导程 mm

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= 10 mm

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—— 在切削力达到最 大时 的进给 度,一 等于最 进给 度的

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1 / 2 1 / 3,这里 1 / 2,

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= 7.6

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—— 示负 系数, 用机床设计 册》 3.7-

53 通常运转 情况 1.2 ~ 1.5 这里

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= 1.2;

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—— 丝杠 寿命 L= 10 6 转为 单位

所以通过 4 2 4 3 4 4 计算 得:

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= 23.2 K N (额 定最 载荷

根据计算结 ,选 滚珠 丝杠型号,再 看《 用机床设计 册》

3.7-61, 定选 螺母 滚珠 丝杠副的型号为 F D4010-4- P 2,其 直径

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滚珠 丝杠 导程长

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10 mm 定最 载荷 等于 40 K N,

23.2 K N。所以 满足 其设计强度。

3.2.2 效率计算

中机械原理的 ,计算丝杠螺母副传动效率

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4-5

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——摩擦 角,

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—— 角,由 计算

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其中,

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= 32 mm 滚珠 丝杠 直径

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= 10 mm 滚珠 丝杠 导程

4 5 得:

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3.2.3 刚度验算

在轴向力作用 滚珠 丝杠会发生 拉伸或压 缩变形 ,在 矩的作用

产生 变形 ,这 两者 起滚珠 丝杠 导程 发生 化,从而 影响 滚珠

杠的传动精度与定 精度,所以对 滚珠 丝杠验算 应该 取满载时 变形 量。

在轴向力作用 丝杠 变形 量的计算

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4-6

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—— 工作 单位 N;

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—— 丝杠的 导程

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= 10 mm

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