1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 车床功能部件开发 动力刀头设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 本次设计对复合机床功能部件中的立柱部分进行了方案设计， 立柱部分主要由丝杆、丝杆螺母、主动齿轮、从动齿轮、伺服电机、电机 法兰盘、油槽、油槽盖板等部分组成，将伺服电机固定在立柱上，通过伺服电机作为动力源直接驱动主动齿轮带动从动齿轮从而驱动丝杆进而实现动力刀头在 Z轴方向上的运动。在设定方案后我们对立柱部分电动机的选择，轴承，齿轮，键与螺栓进行了计算与校核。然后再通过 Auto CAD 对立柱部分进行零件图与装配图的绘制
2、，最后撰写计算说明书，完成整体方案的设计。 关键字 ：复合机床，立柱，伺服电机，驱动 II Development of Lathe Functional Units Abstract This design is about the pole parts design of features of complex machine, the pole part is made up of the screw, screw nut, gear, driven gear, servo motor, the electrode flange, tank, tank cover and other p
3、arts, the servo motor will be fixed on the pole, servo motor as a power source to direct drive the gear then drive the driven gear to drive the screw head so as to realize dynamic motion on the Z axis. After setting the program on the column part, the selection of motor, bearings, gears, keys and bo
4、lts were calculated and checked， then use the Auto CAD to draw the part drawing and the installation diameter of the pole part, finally, write the calculation of instruction to complete the overall program design. Keywords: complex machine, pole, Servo motor, driver III 目录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 Abstract
5、. 1 绪论 . 错误 !未定义书签。 1.1课题研究的背景 . 错误 !未定义书签。 1.2课题研究的意义 . 1 1.3现代数控机床的特征 . 2 1.4国内外研究的产业现状 . 3 1.5技术发展趋势 . 4 1.6课题研究内容 . 5 2 车床功能部件开发的方案设计 . 7 2.1立柱部分结构分析与功能设计 . 7 2.2动力刀头与立柱的连接部分设计 . 7 2.3立柱部分零件分析 . 10 3 立柱部分主要零件的设计计算 . 11 3.1选择电动机 . 12 3.2计算传动装置的运动和动力学参数 . 14 3.3齿轮的设计计算 . 15 3.4轴承的设计计算 . 16 3.5键的设计
6、计算 . 17 3.6螺栓的设计计算 . 19 结论 . 19 参考文献 . 20 致谢 . 21 2 1 绪论 1.1 课题研究的背景 二十一世纪的制造业，特别是在机械加工领域有以下几个特点：多品种、小批量生产；交货期缩短；要求降低成本；伴随轻型化、性能复合化增加了产品复杂形状；缺少熟练操作人员和优秀技术人员。一个企业要适应这种现 状，并在激烈的市场竞争中取胜，就需要新的技术和机床。这时，复合加工机床便显示出很大的优势 1。 数控技术是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能
7、力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力 和国家地位的重要途径。而数控机床是采用数控技术对工作台运动和切削加工过程进行控制的机床，机床是机械制造业中的工作母机 ,因此 ,机床技术的水平 ,直接影响所有机构制造部门的技术水平、产品质量和经济效益。 数控机床是当代机械制造业的主流装备。用数控机床提高传统制造业装备水平的重大意义 ,已经成为有关各界人士的共识。数控机床的发展不仅关系到我国经济实力的
8、增强 , 还关系到国家的安全。担负着我国机床数控化重任的我国数控机床和数控系统行业的状况怎样，己成为普遍关心的重点。近年来，随着市场经济的不断发展，促进了各行业的快速成长 ，其中汽车、纺织、家电、电子等产业的日益发展，都直接或者间接的需要车床加工，传统车床加工效益低、精度差，而数控车床自动化程度高，具有高精度、高速度、高柔性、高效率的突出优点，近年来，国产中高档数控机床技术取得了显著的进展，数控机床产量每年递增 40%左右， 2006 年数控金切机床产量达到 8.5 万多台，国产立式加工中心、数控车床、数控齿轮机床、数控磨床、数控大重型机床获得了使用单位的广泛认可，认知度迅速提高。 1.2 课
9、题研究的意义 为了实现复杂形状零件的加工，在一台机床上能完成复数工序和复数工种加工的称为复合加工 机。用复合加工机生产零件 ,是把以前几种类型机械加工功能复合化 ,最大的特征是工序集中容易。它具有以下的优点。 1) 生产率提高：复合加工机把以前数台机床加工的工序在一次卡装下在同一台机床上完成加3 工。随着加工工序次数减少 ,总的加工周期将大大缩短。 2) 减少装卸：因为能在一台机床上进行加工，没有工序到工序间的移动，也不需要原先进行工序移动时工件的安装、卸下作业。 3) 保持高精度：因为不需要工件在机床上的多次安装，不需要多次定位，精度容易保证。 4) 减少在制品、半成品和成品库和专用夹具数量
10、。 5) 节能、降低成本：使用 费与原使用多台机床相比，可以达到较低的机床。另外，与数台数控机床开动相比，可以做到节能、节省人工费用 ,因而运行成本可以降低 2。 近几年来 , 随着市场环境的变化 , 新技术、新工艺的不断涌现 , 高质量、低成本、个性化产品越来越走俏。为了迎接多品种小批量生产、变量、变品种时代的到来，在今后激烈的国际市场竞争取得胜利 ， 金切机床加工的复合化技术成为关注的焦点。近年来复合加工机床发展迅速，把不同加工技术集中在同一台机床上，实现完全加工是机床技术发展的重点之一，也是近年来发展最活跃的技术。复合加工机床的最突出的优点是 可以大大缩短零件的生产周期、提高零件的加工精
11、度。 复合加工机床定制生产模式在正是这样一种新的形式下的新的要求。正是由于企业的个性化要求，使我们感觉到复合车床的生产设计必须能够实现满足企业的个案要求，以不同的复合程度来适应功能要求和降低车床的成本，实现性价比的最大化。根据市场调查和预测 , 根据数控车床的应用范围和客户的可定制性 , 可先按功能划分方法对该型数控车床进行模块划分。 将其分成主轴箱、进给传动、夹紧机构、刀架、尾架、 CNC 数控系统等 11个功能模块。为开发组合更多车床 , 满足客户多样化、个性化需求 , 对 相同功能的模块 , 再按结构进行划分成更为细小的具有不同用途或性能的模块单元，即模块化 2。 1.3 现代数控机床的
12、特征 随着新材料和新工艺的出现，对数控机床的要求越来越高，对数控机床的要求越来越高，例如，铝合金的广泛应用，高速加工数控机床就成为热点。 数控机床的发展趋势是什么？它有哪些主要特征？我认为，应首先满足用户以下要求： 1、精度和可靠性高。机床的性能是稳定的，能够在不同的运行条件下完成多种加工任务，并能够保证零件的加工质量，而不是依靠加工后的检验工序。 2、工序集约化。在一台机床上尽可能加工完毕一个 零件的所有工序，同时又保持机床的通用性，能够迅速适应加工对象的改变。 3、机床的信息化和智能化。加工设备不经提供“体力”，也有“头脑”，能够独立自主地管理自己，并与企业的管理系统和人通信，从而使企业管
13、理人员和操作者，供应商和用户能够随时知道机床的状态和加工能力。 4 4、机床的效率高，运行成本低，环境污染少，人机界面友好。 为了达到上述要求，新一代的数控机床必须有以下特征： 1、机床不仅具有很高的几何精度，符合出厂经验标准（相当 ISO 230-1），还必需具有很高的运动轨迹精度（ ISO 230-3 以及新的 ISO-7），采用网格解码器（ grid encoder）检查和提高加工中心运动轨迹精度。 2、机床的加工精度，以及其可重复性和可信赖度高，性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。 3、机床具有自优化、自监控、自诊断和预维护功能。机床的加工过程是在
14、一系列尺寸、温度和振动传感器的监视下进行的。在偏离设定值时，会自动调整工作参数，超出极限值时，能够报警或停止工作，采用加速度和声音传感器监控的机床工作状态的曲线 3。 1.4 国内外研究的产业现状 复合加工技术是国外最热门的技术。 根据日 本机床工业协会 ,2000 年数控系统出厂台数为 35 843 台。其中，装备在复合加工机上 (同时 4 轴以上控制 ) 为8117 台，占全部的 22. 6 %。而 2009 年数控系统出厂台数为 42899 台。其中，装备在复合加工机上 (同时 4 轴控制和同时 5 轴以上控制 ) 为 13143 台，比重为 30.1 % ， 比 2000 年增加了 7
15、.5 个百分点。虽然不能说 13143 台都是具有复合加工功能的加工机 ,但是 ,与 10 年前相比 ,可见数控系统多轴化的趋势在增强。按参考数据 ,日本 2010 年数控车床和加工中心合计生产台数 为 31538 台(数控车床 18548 台、加工中心 12990 台 )、 2011 年是 22454 台。由于数控系统控制不同型式的出厂台数与数控机床生产统计调查企业对象和企业数不匹配 ,因而不能作单纯的比较。目前 ,可以估算 ,复合加工机约占数控车床和加工中心合计生产台数 20 %。复合加工机占数控车床和加工中心合计生产台数 50 60 %是可以想象的 ,其生产销售规模可以与加工中心相匹配，
16、这就表明复合加工机的未来。 我国复合加工机床从技术引进消化吸收 ， 发展到自主开发，已有多家企业能提供五轴车铣中心。沈阳机床集团有限公司已能 成系列生产各种规格的五轴车铣中心，已有多台车铣中心产品出口到德国、美国等。沈阳机床最大规格五轴车铣中心特别适合于大型柴油机曲轴等复杂零件的加工。 1.5 技术发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业 (IT、汽车、轻工、医疗等 )的发展起着越来越重要的作用，因5 为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。
17、 1 高速、高精密化 高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技 术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。 数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高 速运转时皮带和带轮等传
18、动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。 直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙 (包括反向间隙 )，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。 直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移 动速度由目前的 10 20m/mim提高到 60 80m/min，甚至高达 120m/min。 2 高可靠
19、性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。 3 数控车床设计 CAD化、结构设计模块化 随着计算机应用的普及及软件技术的发展， CAD技术得到了广泛发展。 CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟 仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用 CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。
20、通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。 6 4 功能复合化 功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣 为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有 X、 Z轴以及 C轴和 Y轴。通过 C轴和 Y 轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实
21、现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率 4。 5 智能化、网络化、柔性化和集成化 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自 适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。 网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生
22、产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点 (数控单机、加 工中心和数控复合加工机床 )、线 (FMC、 FMS、 FTL、 FML)向面 (工段车间独立制造岛、 FA)、体 (CIMS、分布式网络集成制造系统 )的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。 CNC 单机
23、向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、 CAM、 CAPP及 MTS等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 1.6 课题研究内容 复合数控车床关键技术及模块化产品课题设计是在重点攻关动力驱动单元、高速强力主轴、高性能车铣复合刀塔、机床热平衡、精度补偿等多项关键技术的的基础上，研制开发系列 CDK 复合型数控车床产品，形成企业复合型数控车床的模块化设计能力和制造能力。前期的工作是根据市场调查和预测，根据数控车床的应用范围和客户的可定制性，可先按功能划分方法对该型数控车7 床进行模块划分。将其分成主轴箱、进给传动、夹紧机构、刀
24、塔、尾架、 CNC数控系统等 11个功能模块。为开发复合车床，满足客户多样化、个性化需求，对相同功能的模块进行模块化设计。目前，公司在产品开发中已经下列关键技术中取得进展： 1、主轴轴承结构为了适应 6000转 /分的高速运转，设计成具有独特的自动消除热变形的结构，主轴轴承结构布置采用前三后二高精度轴承配置和无键联接的先进创新结构，确保主轴获得最大刚性转速及加工精度 5。 2、机床床身采用双层墙板结构，使抗振性性能优异，机床加工时稳定，两侧宽敞斜槽排屑顺畅，为大切屑和精度加工提供了坚实的基础 6。 3、 X轴和 Z轴采用了独特的直线导轨，采用此 结构之后，能有效地控制热变形，使机床获得高稳定性和重复定位精度 7。 4、主轴结构采用自动定位结构，定位结构重复定位精度达到 0.005mm，为各种零件的不同加工提供了可靠的定位位置，为不同零件的加工提供了有利条件，尤其对圆柱圆周奇异面的加工更加适合。 5、该机床为了满足集成加工，相应增加了各种特殊附件，有小型钻头装置、铣刀装置、磨具装置、攻丝装置、拔料装置、接料装置及输送带下料装置等 8。 本课题研究的技术路线如图 1-1所示。 图 1-1技术路线图 本课题设计就是进一步在上述关键技术领域做深入的工作， 以取得显著突破，结合模块化设计及制造技术开发复合车床，满足客户多样化、个性化需求。
