1、毕业设计（论文）说明书题目：数控车床 X 向进给机构设计及编程 系 名 机械工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 6007201079 姓 名 渠 诚 指导教师 邓广敏 2011 年 6 月 3 日摘 要本文对数控车床 X 向进给系统的设计进行了重点论述.对该机构的主要组成部件:滚珠丝杠副、步进电机、传动齿轮等进行了设计计算与选型。其中对滚珠丝杠副、步进电机的设计计算及选型作了详细论述。进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床 X 向进给机构的定位精度，重复定位精，以使其能够可靠地运行，且能满足各项性能指标的要求,达到预期的结果,即满足设计任务书的要求。最后, 本文还对典型零件进行
2、了数控编程,并绘制了数控车床典型零件编程图、数控车床传动示意图、数控车床液压原理图以及该数控车床 X 向进给机构的装配图。此结构简单可靠,可应用于相似的各类数控车床上。关键词: 数控车床；进给系统；滚珠丝杠副AbstractThe article made a brilliant exposition on the designing and transformation scheme of the X motion system of NC machine. The article also exposed brilliantly the mechanisms mail parts: the
3、 ball-screw pairs, Stepper motor, Transmission gear and so on. Doing the design is for the sake of improving the site precision and duplicate site precision of the X motion system .So it can work credibility, meet the request of every property norm, come to the expected consequence, and fulfill the
4、require of design assignment list. Besides, the author has writed typical parts of the NC programming ，designed and drawed CNC lathe programming diagram of typical components，CNC lathe drive diagram，CNC hydraulic schematic diagram and X to the CNC lathe feed mechanism assembly drawing. This mechanis
5、m is simple and reliable, it can apply to every similar NC machine.Key words: NC machine Longitudinal motion system Ball-screw pairs1目 录第一章 绪论 .11.1 数控机床在我国的发展趋势及现状 .11.2 数控机床在国外的发展趋势及现状 .21.3 数控车床的结构 .21.3.1 信息载体 .21.3.2 计算机数控系统 .31.3.1 伺服系统 .31.3.1 机床 .31.3.1 伺服机构 .31.3.1 数控车床关键零部件 .4第二章 总体方案的确定 .
6、52.1 进给传动系统的组成及原理 .52.2 数控车床控制方式的选择 .52.3 进给驱动电动机类型的确定 .52.4 传动方案的选择 .62.5 传动类型的选择 .72.6 导轨的选择 .722.7 滚珠丝杠的支撑方式选择 .82.8 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 .82.8.1 齿轮传动间隙的调整 .92.8.2 滚珠丝杠螺母间隙的调整 .102.9 进给系统的一些其他要求 .11第三章 数控车床 X 向进给系统机械部分设计计算 .123.1 计算切削力 .123.1.1 纵车外圆 .123.1.2 横切断面 .123.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .123.2.1 计算进给 率引力
7、Fm .123.2.2 计算最大动负载 C .123.2.3 滚珠丝杠螺母副的选择 .133.2.4 传动效率计算 .143.2.5 刚度验算 .143.2.6 稳定性校核 .153.2.7 滚珠丝杠副几何参数 .163.3 齿轮传动比计算 .173.4 步进电机的计算和选型 .1733.4.1 等效传动惯量计算 .173.4.2 电机力矩计算 .193.4.3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 .21第四章 数控车床液压系统 .234.1 液压工作站 .234.2 卡盘夹紧支路 .244.3 尾架套筒支路 .244.4 主轴变速支路 .254.5 预留支路 .25第五章 数控车床典
8、型零件编程 .265.1 零件工艺分析 .265.2 数据点计算 .275.3 刀具选择 .275.4 切削用量选择 .285.5 数控编程 .285.5.1 左半段粗精车编程及走刀轨迹图 .285.5.2 左半段粗精车编程及走刀轨迹图 .295.5.3 切槽编程及走刀轨迹图 .305.5.4 螺纹加工编程及走刀轨迹图 .3145.6 指令解释 .315.6.1 闭合车削循环指令 .315.6.2 外径、内经粗加工循环指令 .315.6.3 精加工循环指令 .325.6.4 切槽循环指令 .325.6.5 螺纹切削循环指令 .32参考文献 .33结论 .34致谢 .35外文资料中文译文天津大学
9、仁爱学院 2011届本科生毕业设计1第一章 绪论1.1 数控机床在我国的发展趋势及现状数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是提高产品质量和生产效率的重要手段。数控技术及装备是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，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。我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。 这种现象的出现，除了有经营
10、上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。造造成这种情况的原因有：1.我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 1518 个月，其中设计时间约为 58 个月，占总周期的 40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为 69 个月，其中设计约 1.52 个月，只占 25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。2.我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具，自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复
11、试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。3.用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外，这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国机床厂用手工操作就至少需 12 个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。4.现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足，又担负着开发的重任。5.由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成
12、产品的反复修改，延长了开发的周期。天津大学仁爱学院 2011届本科生毕业设计2为解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。1.2 数控机床在国外的发展趋势及现状随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控车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；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。未来数控车床的类型将更加多样化；激光加工等技术
13、将应用在车床的切削加工上；数控车床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 无人化，规模化生产对加工设备提出了高速度，高精度，高效率的要求，交流伺服系统具有高响应，免维护，高可靠性等特点，正好适应了这一需求。例如，日本法努克公司，三菱电机公司，安川电机公司，德国西门子公司，aeg公司，力士乐公司，美国抗体公司，通用电气公司等均先后在 1984 年前后将交流伺服系统付诸实用。进入 20 世纪 90 年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得 DSP 运算速度呈几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电机
14、控制所必需的外围电路与 DSP 内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到 100ms 以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的 CNC 系统相配套，如日本 FANUC 公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国 Siemens 公司、力士乐 Indramat 公司、Lenze 公司、美国 A.B 公司、Kollmorgen 公司、Relliance 公司、Bal
15、dor 公司、Pacific Scientific 公司等。 1.3 数控车床的结构数控车床是采用了数控技术的车床，或者说是装备了数控系统的车床。数控车床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成。1.3.1 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控车床上加工一个零件所必需的各种天津大学仁爱学院 2011届本科生毕业设计3信息，以控制车床运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带等，通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。数控车床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统还包
16、含一套自动编程机或 CAD/CAM 系统。1.3.2 计算机数控系统计算机数控系统是数控车床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制车床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备主要包括电阅读机、CRT、键盘、面板。机床接口等。软件由管理软件和控制软件组成。数控装置控制车床的动作可概括为：车床主运动、车床的进给运动、刀具的选择和刀具的补偿、其它辅助运动等。1.3.3 伺服系统它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和车床移动部件，它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。1.3.4 机床它是用
17、于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展起来的，但也做了很多改善和提高，它的主要特点是：由于大多数数控车床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此数控车床的机械传动机构得到了简化，传动链较短；为了适应数控车床连续的自动化加工，数控车床机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小：更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滑动导轨等；不少数控车床还采用了刀库和自动换刀装置以提高车床工作效率。1.4 伺服机构伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种类型。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
18、伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但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组成。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。 天津大学仁爱学院 2011届本科生毕业设计4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
19、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与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。 1.5 数控车床关键零部件为了保证车床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控车床结构设计的特点是具有足够的刚度、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，以尽量减小反向间隙。车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，这就简化了车床的传动机构。车床布局便于排屑和工件装卸，部分数控车床带有自动排屑器和自动工件交换装置。大部分数控车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，提高了车床强电控制的可靠性和灵活性。
