1、 燕山大学 毕业设计（论文） 坐标镗床的总体结构设计及电气原理设计 学 院： 里仁学院 年级专业： 04级机电二班 学生姓名： 赵明宇 指导教师： 史艳国 专业负责人： 答辩日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书 学院： 里仁学院 系级教学单位： 机械系 学 号 041101011276 学生 姓名 赵 明宇 专 业 班 级 04 机电 -2 课 题 坐标镗床的总体结构设计传动部分设计及电气原理设计 主 要 内 容 1. 根据总体方案的要求，提出传动系统的结构方案，进行方案论证和技术经济分析 2. 根据方案进行关键部件结构设计及强度计算 3. 完成控制系统原理图设计 4. 绘制零件图 基 本
2、要 求 1. 绘制机械图纸 2.5 张 A0 2. 完成 0.5 张液压系统原理图设计 3. 完成设计说明书 2 万字 4. 翻译外文资料 5000 字 参 考 资 料 1. 常用机构设计 2. 机械设计手册 3. 液压与气动手册 4. 液压机设计 周 次 1 4 周 5 8 周 9 12 周 13 16 周 17 18 周 应 完 成 的 内 容 调查研究，收集资料 ，撰写开题报告 方案分析总装图草图设计 总装图草图设计，正是总装图设计 绘制部件图 改图， 撰写论文 指导教师： 系级教单位审批： 摘要 I 摘 要 本文提出了数控坐标镗床的传动部分及其电气部分的设计 通过对数控机床构造和工作原
3、理进行分析对主要机械部件的选择和设计都进行了参数计算和校核。 电气伺服部分采用交流伺服电机，机械传动部分采用高精密滚珠丝杠。机床各个驱动支路的控制是互相独立的，并且各支路的结构和控制系统 的组成相同 。 关键词 数控；镗床；电气 燕山大学本科生毕业设计（论文） II Abstract In this paper, CNC coordinates the transmission of boring machine parts and electrical parts of the design Through the NC machine tool structure and working
4、principle of the analysis of the major mechanical components of the selection and design parameters have carried out the calculation and verification. Electric servo part by AC servo motors, mechanical transmission of the use of high-precision ball screws. All the slip road leading machine-driven co
5、ntrol are mutually independent, and the slip road on the structure and composition of the same control system. Keywords: NC; boring machine; Electric 目录 III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 第 2 章 坐标镗床概述 . 3 2.1 坐标镗床数控系统发展简史及趋势 . 3 2.1.1 数控（ NC）阶段（ 1952 1970 年） . 3 2.1.2 计算机数控（ CNC
6、）阶段（ 1970 年现在） . 3 2.1.3 数控未来发展的趋势 . 4 2.1.3.1 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 . 4 2.1.3.2 向高速化和高精度化发 展 . 4 2.1.3.3 向智能化方向发展 . 4 2.2 坐标镗床主要结构特征 . 4 2.3 本章小结 . 5 第 3 章 数控坐标镗床的工作原理 . 7 3.1 数控机床的组成 . 7 3.1.1 输入 /输出设备 . 7 3.1.2 数控装置 . 7 3.1.3 伺服单元 . 8 3.1.4 可编程逻辑控制器（ PLC） . 8 3.1.5 机床本体 . 8 3.1.6 位置检测装置 . 8 3.2 数
7、控装置的工作过程 . 9 3.3 本章小结 . 9 第 4 章 数控坐标镗床的参数以及电气部分原理 . 10 数控坐标镗床基本功能 . 10 4.2 数控坐标镗床的基本参数 . 11 4.3 数控坐标镗床电气部分概述 . 15 4.3.1.1 电路说明 . 15 燕山大学本科生毕业设计（论文） IV 4.4 本章小结 . 21 第 5 章 机床主要参数计算及电主轴的选择方案 . 22 5.1 机床主要参数计算及主轴的选择方案 . 22 5.2 电机的选用 . 23 5.2.1 电机的选用 . 23 5.2.2 联轴器的选择 . 24 5.2.3 进给机构的设计 . 24 5.2.3.1 滚珠丝
8、杠螺母副的选用 . 24 5.2.3.2 伺服电机的校核计算 . 27 5.3 Y 方向进给机构滚珠丝杠的选用纵向进给机构设计 . 30 5.3.1 丝杠的选择 . 30 5.4 Z 方向进给系统滚珠丝杠选择 . 32 5.5 本章小结 . 35 结 论 . 36 参考文献 . 37 附录 1 文献综述 . 38 附录 2 开题报告 . 41 附录 3 外文翻译 . 45 附录 4 外文原稿 . 49 致谢 . 56 I 燕山大学本科生毕业设计（论文） 1 第 1章 绪论 1.1 课题背景 我国八十年代在普通机床的改造方面，出现了以经济型数控系统改造普通机床，尤其是普车、 普铣数控化改造的热潮
9、，并逐渐形成经济型数控产业。 “八五”后期和“九五”阶段，国家把旧设备改造列入企业技术进步，工艺更新的一个重要途径，很多工厂把普机数控化列入企业发展计划，作为企业适应市场经济、提高产品市场占有率的一项措施。但企业在做这项工作时，面临如何选择改造方案，在改造中注意什麽等问题。我基于此种背景下对老式 X62 铣床进行了数控化改造，希望能为企业决策提供参考。 改造后的铣床比原来机床有着突出优越性。除可加工原机床可加工的所有零件外，还可加工出原来老机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零 件。可以实现加工的自动化，且是柔性自动化，效率比原机床可提高 3 7 倍。加工的零件精度高，使装配容易。可实现多工序集
10、中，减少零件频繁搬运。 综合来说，本铣床有广泛的适用性和较高的自动化程度。能够从多方面满足现代社会机械生产加工的需要。 80 年代是数控机床，数控系统能够发发展的时代。到 80 年代末，全世界数控机床的年产量超过 10 万台。这个发展大潮，方兴未艾。世界著名企业中，数控机床在加工设备中所占的比例明显提高。例如，美国通用电器公司，数控机床已经占 70%。从 1982 年起，日本的机床工业产值连年独占鳌头，数控机床 产量连续多年处于世界的首位。日本机床的发展反映着世界机床技术发展的趋势。日本数控机床以年均 2.88%的增长率增长，到 1990 年，数控机床的年产量达 6.1 万台，机床产值数控化率
11、超过80%，而且主要生产高档数控机床。 我国机床工业已经取得了很大的成就，但与世界先进水平相比，还有很大的差距。主要表现在：大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差，特别是高效自动化和数控化机床的产量，技术水平和质量等方面都明显落后。到 1990年底，我过数控机床的产量仅是全部机床产量的 1.5%，产值数控 化率仅为 8.7%。而同时期日本机床产值数控化率为 80%，德国为 54.2%，我国数控机床基本上是中等规格的车床，铣床和加工中心等。精密，大型，重型或小型数控机床，还远远不能满足需要。至于航空，航天，冶金，汽车，造船，纺织和重型机器制造等工业部门所需要的多种类型的特
12、种数控机床基本上还是一片空白。柔性制造系统（ FMS）和计算机集成制造系统（ CIMS），国外在 1990 年总计达 1500 个，而我过只有 5 个，且多为引进的系统。 随着现代工业的迅猛发展，普通机床已经越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求，数控 机床已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。目前中国燕山大学本科生毕业设计（论文） 2 大多数制造行业和企业的生产，加工装备绝大多书是普通机床，机床数控化率远低于美国，日本等国家。如果大量添置全新的数控机床，不仅资金投入量大，成本高，而且又会造成原有设备的闲置浪费。把普通机床改造为数控机床则不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床
13、的数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高，尤其适 合中国机床拥有量大，生产规模小的具体国情。 80 年代是数控机床，数控系统能够发发展的时代。到 80 年代末，全世界数控机床的年产量超过 10 万台。这个发展大潮，方兴未艾。世界著名企业中，数控机床在加工设备中所占的比例明显提高。例如，美国通用电器公司，数控机床已经占 70%。从 1982 年起，日本的机床工业产值连年独占鳌头，数控机床产量连续多年处于世界的首位。日本机床的发展反映着
14、世界机床技术发展的趋势。日本数控机床以年均 2.88%的增长率增长，到 1990 年，数控机床的年产量达 6.1 万台，机床产值数控化率超过 80%，而且主 要生产高档数控机床。 我国机床工业已经取得了很大的成就，但与世界先进水平相比，还有很大的差距。主要表现在：大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差，特别是高效自动化和数控化机床的产量，技术水平和质量等方面都明显落后。到 1990年底，我过数控机床的产量仅是全部机床产量的 1.5%，产值数控化率仅为 8.7%。而同时期日本机床产值数控化率为 80%，德国为 54.2%，我国数控机床基本上是中等规格的车床，铣床和加工中心
15、等。精密，大型，重型或小型数控机床，还远远不能满足需要。至于航空，航 天，冶金，汽车，造船，纺织和重型机器制造等工业部门所需要的多种类型的特种数控机床基本上还是一片空白。柔性制造系统（ FMS）和计算机集成制造系统（ CIMS），国外在 1990 年总计达 1500 个，而我过只有 5 个，且多为引进的系统。 随着现代工业的迅猛发展，普通机床已经越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求，数控机床已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。目前中国大多数制造行业和企业的生产，加工装备绝大多书是普通机床，机床数控化率远低于美国，日本等国家。如果大量添置全新的数控机床，不仅资金投入量大， 成本
16、高，而且又会造成原有设备的闲置浪费。把普通机床改造为数控机床则不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床的数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高，尤其适合中国机床拥有量大，生产规模小的具体国情。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 3 第 2章 坐标镗床概述 2.1 坐标镗床数控系统发展简史及趋势 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。 它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力
17、劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 2.1.1 数控（ NC）阶段（ 1952 1970 年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（ HARD-WIRED NC），简称为数控（ NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年的第一代 电子管； 19
18、59 年的第二代 晶体管； 1965 年的第三代 小规模集成电路 2.1.2 计算机数控（ CNC）阶段（ 1970 年现在） 到 1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ CNC）阶段（把计算机前面应有的“通用”两个字省略了）。到 1971年，美国 INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件 运算器和控制器，采用大规模集成 电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称 CPU）。 到 1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台
19、机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了 1990年， PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段 ，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970年的第四代 小型计算机； 1974年的第五代 微处理器和 1990年的第六代 基于 PC（国外称为 PC BASED）。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 4
20、还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国仍习惯称数控（ NC）。所以我们日常讲的“数控”，实质上已是指“计算机数控”了。 2.1.3 数控未来发展的趋势 2.1.3.1 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低 成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。日本、欧盟和美国等针对开放式的 CNC，正在进行前后台标准
21、的研究。 2.1.3.2 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要 2.1.3.3 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不 断提高。 （ 1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （ 2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （ 3）引入故障诊断专家系统 （ 4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 2.2 坐标镗床主要结构特征 1.主轴：主轴轴承采用转速高、刚性好的三联 成组角接触轴承，轴承内径为240mm（加大型 TK6920 轴承内径为 280mm）。为保证主轴的精度，在轴承外围采用恒温油循环冷却，以防热传导。 2. 导轨：除 Z 轴采用贴塑滑动导轨外， X、 Y 轴导轨均采用复合式导轨（即：贴塑滑
