微型数控车床设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计说明书 微型数控车床设计 学 院： 专 业： 学生姓名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 2014 年 06 月买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 微型 数控车床又称数字控制（ 称 床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机， 动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。 该数控车床主要由教学型车床机械装置、计算机数控系统、电源驱动装置三部分组成 ， 此次设计包括机床的 机械传动主运 动系统 设计，其中还包括齿轮模数计算及校核，主轴 的设计及其 刚度的校核 ，主轴组件的设计与选型，传动轴的设计及其刚度校核和传动轴组件的设计与选型等， 纵向 进给 传动系统 运动设计， 横向进给传动系统运动设计，床身与导轨设计和控制系统的设计 ，变频调速电动机和步进电动机型号的选择以及刀架型号的选择等 。该车床结构简单、成本低、体积小，适于教学，该系统人机界面友好、操作方便。 本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结 。 关键词 ： 微型 ， 数控 车 床 ， 主传动系统 ， 进给 系统 ，设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 he C) a it is a by It is is a of of of of is 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 第一章 引 言 . - 1 - 题的背景 . - 1 - 题的目的和意义 . - 1 - 第二章 微型数控车床主传动系统设计 . - 3 - 要设计技术指标与参数 . - 3 - . - 3 - 定合适的切削参数 . - 4 - 传动系统的设计计算 . - 5 - . - 6 - . - 12 - 第三章 纵向进给传动系统设计 . - 23 - . - 23 - . - 23 - . - 24 - . - 28 - 进电动机的计算和选型 . - 31 - 第四章 横向进给传动系统设计 . - 33 - . - 33 - . - 35 - . - 36 - . - 37 - 第五章 床身与导轨 . - 38 - 身设计 . - 38 - . - 39 - 第六章 控制系统设计 . - 41 - 定硬件电路的总体方案 . - 41 - 控制器 选择 . - 41 - 储器扩展电路设计 . - 41 - 轴电机驱动电路 . - 42 - 界报警 . - 42 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 论 . - 43 - 参考文献 . - 44 - 致 谢 . - 45 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 1 - 第一章 引 言 题的背景 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在 各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。 随着微电子技术的发展，大规模集成电路的集成度越来越高，体积越来越小。数控设备厂采用超大规模集成电路并采用表面安装工艺（ 实现了三维立体装配，将整个 小，以适应机械制造业机电一体化的要求。日本三菱电机株式会社，最近推出的普及型 0 系列及实用型 20A 系列，这两 个系列都采用了 32 位 处理器，实现超小型化的 原来的 3、 积大为减小（ 安装面积减小了一半，功能还有所进步。采用了超薄型显示器（ 彩色 这个系统的微小线段加工能力提升至64m/大快速进给速度为 240m/同步 攻螺纹精度较 步了 3倍，主轴定位时间缩短了 30%。德国 司最 新推出的 4086 486有 1 4 个通 道，可实现直线及圆弧插补、螺旋线插补、 5 轴螺旋线插补及样条插补、圆柱插补等，共可控制 32 个轴，并有多种校正及补偿功能，体积仅为 50316207 东西方制造业的差距更多的在于职教 基础的差距 ，实践动手能力的差距，我国数控学员储备 60万人，而全国数控人才每年缺口 15万人，高级数控技工年薪高达 10万，那种 20 人 /台的教学实效性与成材率不匹配的矛盾日益突出 。 题的目的 和意义 生产型数控机床作为数控教学实习设备是十分必要的，但在前期教学中使用则耗电大、材料消耗大、安全系数相对较低成为困扰许多 院校的大问题。西方发达国家数控教学前期阶段都是采用小型台式高仿真数控教学机床作为数控编程和操作的实习设备 。 目前数控技术课程实训过程中普遍存在以下现实问题：系统开放性差、操作界面不太理想、教学设备成本高、实验耗材费用高、操作危险性大、学生独立动手机会少、教学效率低、教学质量差等。因此需要设计一个软硬件结构开放、功买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 2 - 能完善、人机界面友好、操作方便的系统，来解决了授课过程中存在的课堂教学难、实验教学难、实训教学难的问题。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 3 - 第二 章 微型数控车床主传动系统 设计 要设计技术指 标与参数： 两个坐标方向的工作行程： X:30 Z:100 加工精度： 加工材料：石蜡、肥皂类或铝质类等。 传动系统的大分类： 目前，主传动系统大致可分为以下大类。 有变速齿轮的主传动 如图 2示，通过少数几对齿轮降速，以满足主轴低速时对扭矩特性的要求。数控机床 在交流或直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸和拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。 过带传动的主传动 如图 2示，这种传动主要 应用在小型数控机床上，由交流电机通过 种传动方式可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，但只能适用于低扭矩特性要求的主轴。 速电机直接驱动的主传动 如图 2 示，这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大。 ( a )( b )( c ) 图 2主传动型式 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 4 - 本数控车床选用无级变速。 定合适的切削 参数 ： 本机床加工的工件为代木、石腊，铝等材料，查金属切削原理 （陈日曜主编）表 11择机床背吃刀量 1给量 f=r；切削速度v=250m/ 算切削力 ： 由公式；属切削原理（陈日曜主编）表 4 得 11N， 进给抗力 切深力 :F z F ，计算的 定机床的切削功率： 切削功率是力 消耗的功率之和，因 向没有位移，所以不消耗动力。于是： 切削功率 0 0 ）（式中 纵向切削 力（ N）； V 切削速度（ m/ 进给力（ N）； 工件转速（ r/s）； f 进给量（ mm/r）。 粗略计算切削功率 =床效率取 ，计算机床电机功率 。 由此选用额定功率 100流变频调速电动机，参数 如表 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 5 - 电机型号 出力 电压 频率 极数 额定转速 最高转速 额定电流 额定力矩 启动转矩 带齿轴电机 W V r/r/ N m N m 00 10 4 1000 3000 200流变频调速电动机参数 传动系统的设计计算： 主轴的计算转速： m in/a ）（。 主轴要求的恒功率变速范围： 72 251 500m a x 电动机的恒功率变速范围： 3。 该系统至少需要的变速级数、变速组数： k。 取 2,1 变速箱实际公比： 2 R 。 传动的最小传动比： 4091000225m i。 其他传动副的传动比： 4021m 。 电动机的最高和最低工作转速分别为： m 41 0 0m 。 转速图如图 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 6 - 图 2传动系统 转速图 电动机最高、最低工作转速时所传递的功率分别为： i nm a x轮的设计计算 ： 轮的设计 该传动系统有一个变速组，两 个传动副。同一变速组，模数相同，不采用变位齿轮，31 第一传动副的主、被动齿轮的齿数， 42 为第二传动副的主、被动齿轮的齿数。 ： 402140942423131取 S=110， 得8,90,204231 确定各个齿轮的尺寸： 选用直齿圆柱轮，取 m=分度圆直径： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 7 - 2 各个齿轮的齿顶高 ： ， 各个齿轮的齿根高： 4321 取齿宽系数 8.0d ，则各个齿轮的齿宽为： ,轮的校核 ： 齿轮 齿面接触疲劳强度的校核计算： （参考机械设计高等教育出版社） 一级减速齿轮 1Z 的校核 ： 圆周速度 v 1 0 0 060 1 0 0 0501 0 0 060 11 精度等级 由表 选 8级精度 使用系数 由表 K 动载系数 K 齿间载荷分配系数求 t 000/11 K 100/ c o Z Z 由此得 2110 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 8 - K 弹性系数 由表 节点区域系数 由图 Z 接触最小安全系 数 由表 总工作时间800应力循环次 数 由 表 计 710 910 ,则指数取 1 m a 0 01 0 0 0160 71 原估计应力循环次数正确。 3/712 L 72 接触寿命系数 H 0m Z 981 2H = 2H = 验算 H 2H 计算结果表明，齿面接触疲劳强度合 适， 齿轮尺寸无需调整。 齿根弯曲疲劳强度验算： 重合度系数 Y YY =间载荷分配系 数 (45/ 由图 齿形系数 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 9 - 弯曲疲劳极限 由图 001 502 弯曲最小安全系数 由表 应力循环次数 由表 计 6103 010 ,则指数 取 1 m a 0 01 0 0 0160 71 原估计应力循环次数正确。 3/712 L 72 弯曲寿命系数 Y 由图 Y 许用弯曲应力 F i i 561 2F = 2F = 验算 1F11 12 M P 1F Y 2F 传动无过载，不须作静强度校核。 一级减速齿轮 2Z 的校核： 圆周速度 v 100060 100095100060 11 精度等级 由表 选 8 级精度 使用系数 由表 K 动载系数 求 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 10 - t 000/11 K 100/ c o Z Z 由此得 2110 K 弹性系数 由表 节点区域系数 由图 Z 接触最小安全系数 由表 总工作时间800应力循环次数 由表 计 710 910 ,则指数取 1 m a 0 01 0 0 0160 71 原估计应力循环次数正确 。 3/712 L 72 接触寿命系数 H 0m Z 981 2H = 2H = 验算 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 11 - H 2H 计算结果表明，齿面接触疲劳强度合适， 齿轮尺寸无需调整。 齿根弯曲疲劳强度验算： 重合度系数 Y YY =间载荷分配系数 (81/ 由图 齿形系数 由图 001 502 弯曲最小安全系数 由表 应力循环 次数 由表 计 6103 010 ,则指数取 1 m a 0 01 0 0 0160 71 原估计应力循环次数正确。 3/712 L 72 弯曲寿命系数 由图 Y 许用弯曲应 力 F i i 561 2F = 2F = 1F11 12 M P 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 12 - 1F Y 2F 传动无过载，不须作静强度校核。 轴组件设计 轴组件基本要求 主轴组件是机床主要部件之一。它的性能对整机的性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求： 旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷低 速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部件的定心表面（如该次设计的数控车床主轴轴端的定心短锥采用 7： 24锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体、孔等的制造，装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。 刚度 主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支撑的跨距和主轴的前悬伸，传动件的布置方式等。数控机床即要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的 刚度应提出更高的要求。 温升 将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。 可靠性 数 控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的地方是这方面的研究正在发展 。 精度保持性 对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度 。 轴的 设计计算： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 13 - 1 初选主轴直径： 主轴直径直接影响主轴部件的刚度，直径越粗，刚度越高，但同时与之相配的轴承等零件的 尺寸也越大。故设计之初，只能根据统计资料选择主轴直径。 查阅资料初选主轴前轴颈直径 1D =45后轴直径 2D =30 主轴内孔用来通过棒料，用于通过刀具夹紧装置固定刀具以及传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径就越大，机床的使用范围就越宽，同时主轴部件也越轻。主轴孔径大小主要受主轴刚度的制约。当主轴的孔径与主轴直径之比小于 ，空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；为 心主轴的刚度为实心主 轴刚度的 90%；大于 心主轴的刚度急剧下降 。 主轴内孔直径选 20算 4400 11 计算的 =对刚度影响不大。 2 主轴悬伸量的确定： 主轴悬伸量是指主轴前支撑径向支反力的作用点到主轴前端面之间的距离，它对主轴组件刚度影响较大，根据分析和试验，缩短悬伸量可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性。因此在满足结构要求的条件下，尽量缩短悬伸量 a。 初选悬伸量 a=41 3 主轴跨距 及总长 的确定 ： 合理布置各个零件的配 合，确定主轴的跨距为 轴总长 4 主轴材料选用 主轴选用 45钢 ，调质 2228部高频淬硬 5055 5 主轴强度的校核： 计算齿轮3齿轮转速 25 所受转矩 225 63 所受圆周力 22542002233 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 14 - 所受径向力 20t r 所受法向力 20co s/s/ 图 2 图 2轴受力图 计算支撑反力： 水平面反力 垂直面反力 3011 F11 水平面受力图如图 2 图 2轴 水平面受力图 垂直面受力图如图 2 图 2轴 垂直面受力图 画轴的弯矩图： 水平面弯矩图 如图 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 15 - 图 2轴 水平面弯矩图 垂直面弯矩图 如图 2 图 2轴 垂直面弯矩图 合成弯矩图 如图 2 图 2轴 合成弯矩图 画轴的 转矩图 受转矩 3 200 转矩图 如图 2 图 2轴 转 矩图 如图 许用应力 许用应力值 用插入法由表 01 校核轴径 轴径 3 250 93.5d 35文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 16 - 主轴的强度符合要求。 轴组件的组成和轴承选型 1 主轴组件 包括主轴、 轴承、传动件和相应的紧固件。主轴组件的构造，主要是支撑部分的构造。主轴端部是标准的；传动件如齿轮、带轮等与一般机械零件相同。因此，研究主轴组件，主要是研究主轴的支撑部分。 2 主轴的传动件 可以位于前后支撑之间，也可位于后支撑之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和模块化设计。主轴组件（称为主轴单元）和 变速箱还可以作成独立的功能部件，又有专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴可用齿轮副或带传动联结。 主轴支撑分径向和轴向 。角接触球轴承兼起径向和推力支撑的作用 。推力支撑应位于前支撑内 ，原因是数控机床的坐标原点， 设定在主轴前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点的位移，应尽量缩短坐标原点支推力支撑之间的距离。 3 主轴组件的动态特性 平移，主轴作为一个刚体（实际上略有弯曲），在弹性 支撑上作平移振动，主轴各点的振动方向一致。 2摇摆 ， 主轴在弹性支座上摇摆， 左右振动方向相反。3弯曲 ， 主轴本身作弯曲振动，主轴中间与两端的振动方向相反，有两个节点。这两个节点位于支撑点附近。每个振型都有其固有频率。每个振型固有频率排列的次序，称为阶。上述三个振型的固有频率，以平移振型为最低，弯曲 振型为最高，三个振型分别为第一、二、三振型，振型和固有频率合成为模态。可以看出，第一、二阶模态的弹性环节主要是轴承；第三阶则主要是轴承。当轴的刚度提高时，第一、二阶模态的固有频率也随之提高，但第三阶模态提高不多。主轴是一个连续体，又无穷个模态。例如还有主轴的扭矩振动、纵向振动等。但是，这些模态的固有频率较高，工作是不可能发生共振，所以，只需研究最低几阶模态，可用有限元法或传递矩阵法，借助计算机计算。 通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固 有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施。（ 1）使主轴组件的固有频率避开激振力频率。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 17 - 通常使固有频率高于激振频率的 30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。（ 2）增大比尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗震性影响很大。如果要求得到很大。如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大 的预紧反而使阻尼减小，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。（ 3）采用消振装置 4 主轴轴承 选用角接触球轴承。这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚