机械毕业设计（论文）-VMC数控铣削加工中心机床总体本体、工作台进给驱动部件等设计【全套图纸】 .doc

毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要 本次设计 课题所设计的 vmc7135 数控铣削加工中心 是普及型数控机 床， 能完成铣钻、 镗等各种工序的自动加工。它是适应省时，省力和节能的时代 要求而迅速发展起来的数控 机床。本文主要讨论了 vmc7135 数控铣削加工中 心的设计与改造。在原有数控铣床的基础上，该加工中心具备十刀位刀库，实现 了自动换刀，z 轴导轨由原来的 滚动导轨改进为矩形滑动导轨，提高了刚性。 由于设计的产品要用于生产，要在保证精度的同时兼顾稳定性。 本文要点就是进给驱动部件的设计，这也是本次设计的主要任务。vmc7135 数控铣削加工中心 是工作台不升降式铣床的基础上设计的，工作台和滑座之 间是直线导轨，丝杠在导轨中间。 x、y 轴各有一套基本相同的进给系统。 由于时间较短，本文主要讨论的是关于数控机床机械本体的设计。对于数控 铣床电气设备只是在设计过程中有初步的了解，本文没有深入讨论此方面的问题。 全全套套图图纸纸，加加 1 15 53 38 89 93 37 70 06 6 关键词 数控铣削加工中心 工作台 丝杠 南京工程学院毕业设计说明书（论文） ii titletitle vmc7135 nc manufacture center abstractabstract the vmc7135 milling machining center of numerical control that design program designs is the popular type machine tool of numerical control, can be completed xi get into , tang etc. the automatic processing of various processes. it meets province , it is economical and the machine tool of numerical control of energy saving that times requirement develops promptly. this paper has discussed transform and the design of the vmc7135 milling machining center of numerical control mainly. this machining center has 10 knife position knife storehouses , has realized to change knife voluntarily, z axle rail from original roll rail improvement is rectangle sliding slideway, have raised rigidity. because of the product of design, will want to consider both stability while guaranteeing precision used in production. the main points of this paper is feed drive the design of parts, this is also the major task of this design. the vmc7135 milling machining center of numerical control is rotary table does not rise to reduce the foundation of type milling machine go up design, it is the rail of straight line between rotary table and slide carriage, thread shaft is among rail. x, y axle has a set of basically identical feed system each. since time is shorter, what this paper discusses mainly is the design about the mechanical body of numerical control of machine tool. for the electric of numerical control of milling machine, equipment has preliminary understanding merely in designing process, this paper does not discuss this problem of aspect further. 南京工程学院毕业设计说明书（论文） iii keywordskeywords nc manufacture center workbench screw 南京工程学院毕业设计说明书（论文） iv 目目 录录 前 言.1 第一章 绪 论 2 1.1 课题背景2 1.1.1 数控加工中心简介 .2 1.1.2 课题选材 .2 1.2 选题意义及本文主要工作2 1.2.1 选题意义 3 1.2.2 本文主要工作及结构 .3 第二章 数控机床概述 5 2.1 概 述 .5 2.1.1 数控机床的定义 .5 2.1.2 数控机床的组成及特点 .5 2.1.3 数控机床的主要技术参数 .7 2.2 数控机床的分类 8 2.2.1 按机械运动轨迹分类 .8 2.2.2 按伺服系统的类型分类 .9 2.2.3 按功能水平分类 11 2.2.4 按加工方式分类 12 2.3 数控机床的发展与作用 .12 2.3.1 数控机床的发展趋势 12 2.3.2 数控机床在先进制造技术中的作用.13 第三章 加工中心简介 14 3.1 加工中心的分类 14 3.1.1 按主轴的布置方式分类 14 3.1.2 按换刀方式分类 14 3.1.3 按刀具选择方式分类 14 3.1.4 按数控系统的功能水平分类 14 3.2 加工中心的 组成 14 3.2.1 基础部件 .15 3.2.2 主轴部件 .15 3.2.3 数控系统 .16 3.2.4 自动换刀装置（ atc） .16 3.2.5 辅助装置 .16 3.3 加工中心的特点 16 南京工程学院毕业设计说明书（论文） v 第四章 数控机床的总体设计 .18 4.1 机床的设计要求 18 4.2 加工中心布局的影响因素及设计步骤18 4.2.1 影响加工中心布局的主要因素19 4.2.2 vmc7135 的设计步骤 .19 4.3 vmc7135 数控加工中心的总体设计 .19 4.3.1 方案的选择 .20 4.3.2 vmc7135 的布局（如图所示） 20 4.3.3 合理布局的优点 .21 第五章 工作台进给驱动部件的设计.22 5.1 工作台的设计22 5.2 滚珠丝杠副的计算、选用23 5.2.1 工作原理和特点.24 5.2.2 滚珠丝杠副的计算选用（参见实用机床设计手册）.24 5.3.3 滚珠丝杠副的支撑方式 .34 5.3.4 润滑、防护和密封 .35 5.4 滚动轴承组合结构设计35 5.4.1 轴承的配置 .35 5.4.2 轴承的选择与校核 .36 5.4.3 轴承游隙的调整 .37 5.5 进给电机的选择 .37 5.5.1 最大切削负载转矩计算.37 5.5.2 负载惯量计算 .38 5.5.3 空载加速转矩计算 .39 5.6 导轨的设计 39 5.6.1 导轨的结构与特点 .40 5.6.2 导轨的额定寿命 .41 5.6.3 导轨的精度要求 .42 5.6.4 导轨的材料 .42 5.6.5 导轨的润滑 .43 第六章 加工中心的冷却系统 43 6.1 冷却系统的要求 .43 6.2 冷却系统组成 .43 第七章 结 论 45 致 谢 .47 标准件目录表 .48 外购件目录表 .49 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 1 前 言 本次毕业设计的课 题为 vmc7135 数控铣削加工中心机床本体总体、工作台 进给驱动部件等设计 ，我设计的主要内容为 vmc7135 数控铣削加工中心 总体 布局方案的选定，其主要动力参数的计算 ,进给驱动部件的设计，主要进给驱 动部件的计算和校核，相关部件型号的选用。这个选题贴近生产实际，产品能 够在基本满足客户需求的前提下，同时保证了较好的经济性。此选题具有较好 的实用性，产品主要用于工厂生产，并不局限用于教学与实验。所以，进行设 计时，在保证数控机床应有精度的同时，要兼顾经济性。 毕业设计是大学生在校学习期间专业考核的重要环节，通过系统的运用基础 知识、基本技能以及设计能力、逻辑分析能力、调查研究、查阅文献、收集资 料、撰写论文等各方面能力进行的综合设计的过程，将所学习的理论知识和现 实设计生产做了初步尝试性结合。 通过毕业设计能使我们受到一个工程技术人员所必需的综合训练，在不同程 度上提高了自身的各种能力，诸如调查研究查阅文献 收集材料 绘图 技术分析 组织工作和总结撰写论文和设计说明书的能力等。同时也是我们走 上工作岗位之前的一种有效的 “实践” 。毕业设计的工作方向是面对经济建设 面向生产实际 坚持教学要求 努力实现教学 科研生产三方面结合，进 一步加强基础理论和技能的培养。毕业设计的目的也是它的重要之处在于锻炼 我们的设计思维，开拓我们的知识视野，力求以最佳的思维方式去分析解决实 际设计中的问题，以加强我们处理实际问题的能力。 在本次毕业设计中，难免会遇到许多困难，但在指导老师于滨老师耐心 细致的指导及其他同学热心的帮助下，经过三个多月的不懈努力，使我的 设计思维能力 得到了很大的提高；拓宽了我的知识视野；形成了脚踏实地、敢 于攻坚的 精神；养成了虚心好学、团队协作的优良作风。 虽说在本次设计中我尽力认真对待设计中的每个环节，力求做到完美，但由于 是初次设计再加上本人的水平有限，设计中肯定会有许多不足之处，敬请各位老师 给予批评指正。 毕业设计人： 康淳 2007 年 6 月 5 日 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 2 第一章 绪 论 1 1.1.1 课题背景 1.1.11.1.1 数控加工中心简介数控加工中心简介 数控加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具，对工件能够在一定的范围内 进行多种加工操作的数控机床。在加工中心上加工零件的特点是：被加工零件经过 一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具；自动改变机 床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能，连续地对工件各 加工面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。由于加 工中心能集中地、自动地完成多种工序，避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、 测量和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间，大大提高了加工效率和加工 精度，所以具有良好的经济效益。加工中心按主轴在空间的位置可分为立式加工中 心与卧式加工中心。 1.1.21.1.2 课题选材课题选材 随着工业生产社会化、专业化、集中化、高度机械化乃至自动化的步伐的加快， 机械制造业对数控机床的要求也越来越向高精度、高稳定性、高生产率、高适应性 方向发展。对于中小型数控机床在保持原有的小型化基础上，提高效率也显得越来 越重要了。 本次的毕业设计课题vmc7135 来源于南京迈顺数控新技术有限公司即原来 的江苏东方数控有限公司的。原东方公司主要从事于教学实验台和教学用小型数控 机床的生产，产品结构和功能单一在市场竞争中不能获得较好的优势。新公司为了 扩大产品结构，增强市场的竞争力除保留原有的教学用相关设备的生产，同时面向 生产型的企业的需要，新公司现在又开发了新的产品系列，生产中型数控机床（主 要是车、铣及加工中心）。这次我们主要从事的数控加工中心的设计，则为最新扩 展改进型产品之一。 1.21.2 选题意义及本文主要工作 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 3 1.2.11.2.1 选题意义选题意义 目前，世界各国对数控机床各种新技术的研究与发展进程，是与各国经济形势 紧密相连的。机床工业与国家的经济相互促进和发展，进入 21 世纪知识机警时代， 人们的知识所起的作用更加突出，而机床工业作为机器制造业的基础，其重点地位 与战略意义也更加明显。在世界范围内，对新工艺、新材料、新结构、新单元、新 元件的研究开发工作正在大力开展，对加工超硬、难切削材料及特殊复合材料及复 杂零件、不规则曲面等也有了更多的需求。 数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的核心标志，实现加工机 床及生产过程的数控化，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，但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，即使在国内市 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，严重影响 我国数控机床独立发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上，产品质量上和促 销手段上等的原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型，变型和专用机床） 的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。 虽然高、尖、新的数控机床固然重要，但在此背后，假如教学类数控机床也用 类似的机床则有些不合适，市场也需要中小型的数控机床来作为教学时使用。 1.2.21.2.2 本文主要工作及结构本文主要工作及结构 本文主要进行的工作：加工中心各部件主要参数的确定，如工作台进给驱动部 件参数的确定等，本次设计的加工中心的工作台尺寸为 800x350，较以往的数控铣 床相比宽一些，工作台进给驱动的结构也有了一部分改动，本机床的工作台进给所 用的导轨是四向等载荷滚动导轨，此导轨与滑动导轨相比具有摩擦系数小，摩擦力 小，运动精度高等特点，从而提高了加工中心的加工精度。 本文的结构：第 1 章主要讲述了本课题的研究背景以及选题的意义；第 2 章主 要讲述了数控机床的定义，数控机床的基本组成特点及其应用和发展；第 3 章主要 讲述了加工中心的基本组成，分类和特点；第 4 章主要讲述了数控机床的总体设计， 提出了机床总体设计要求和加工中心布局的影响因素及设计步骤，同时提出本课题 的布局；第 5 章主要讲述了工作台进给驱动的设计，详细的叙述了驱动部件的确定， 切削力的计算，滚珠丝杆的较核和验算，工作台材料的选择以及润滑措施；第 6 章 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 4 主要介绍了加工中心的冷却系统。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 5 第二章第二章 数控机床概述 2 2. .1 1 概 述 2 2. .1 1. .1 1 数数控控机机床床的的定定义义 传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具 切削金属，靠眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的。现代工业早已使用电脑数 字化控制的机床进行作业了，数控机床可以按照技术人员事先编好的程序自动 对任何产品和零部件直接进行加工了。这就是我们说的“数控加工 ” 。数控加 工广泛应用在所有机械加工的任何领域，更是模具加工的发展趋势和重要和必 要的技术手段。 数控机床，简单的说，就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、 工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码 通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应 的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出所需要的 工件。 实际上，数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。所以说数控机床是 最典型的机电一体化产品。 2 2. .1 1. .2 2 数数控控机机床床的的组组成成及及特特点点 1. 数控机床的组成 数控机床主要由程序介质、数控装置、伺服系统、机床主体四部分组成，如 图 1.1 所示。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 6 图 2.1 数控机床的组成 程序介质用于记载机床加工零件的全部信息。如零件加工的工艺过程、工艺 参数、位移数据、切削速度等。常用的程序介质有磁带、磁盘等。也有一些数 控机床采用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接输入或通过串行接口将计 算机上编写的加工程序输入到数控系统。在计算机辅助设计与计算机辅助制造 (cad/cam)集成系统中，加工程序可不需要任何载体而直接输入到数控系统。 数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分.数 控机床是机、电、液、气、光高度一体化的产品。要实现对机床的控制，需要 用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须 具备的一些工艺参数。例如：进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却 液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工文件(即正常说的数控加工程序 )存 放在信息载体上 (如磁盘、穿孔纸带、磁带等 )，然后由机床上的数控系统读入 (或直接通过数控系统的键盘输入，或通过通信方式输入)，通过对其译码， 从而使机床动作和加工零件 .现代数控机床是机电一体化的典型产品 ,是新一 代生产技术、计算机集成制造系统等的技术基础。现代数控机床的发展趋向是 高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。主要 发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。 数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系 到国家战略地位和体现国家综合实力的水平. 它随着信息技术、微电子技术、 自动化技术和检测技术的发展而发展。 伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，是数控系统的执行部件。 它的基本作用是接收数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行部件的进给 速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。 通常数控系统由数控装置和伺服系统两部分组成，各公司的数控产品也是将 两者作为一体的。 机床主体也称主机，包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基 础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台 (刀架)、导轨等。数控机床与普通机床 不同，它的主运动和各个坐标轴的进给运动都是由单独的伺服电动机驱动，所 以它的传动链短、结构比较简单。为了保证数控机床的快速响应特性，在数控 机床上还普遍采用精密滚珠丝杠副和直线滚动导轨副。在加工中心上还配备有 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 7 刀库和自动换刀装置。同时还有一些良好的配套设施，如冷却、自动排屑、自 动润滑、防护和对刀仪等，以利于充分发挥数控机床的功能。 此外为了保证 数控机床的 高精度、高效率和高自动化加工，数控机床的其他机械结构也产 生了很大的变化。 2. 数控机床的特点 数控机床与普通机床加工零件的 区别，在于数控机床是按照程序自动加工 零件，而普通机床由工 人手工操作来加工零件。在数控机床上 只要改变控制 机床动作的程序，就可以 达到加工不同零件的 目的。由于是一种程序控制过程， 数控机床相应形成了以 下几个特点。 1. 采用数控机床可以 提高零件的加工精度、 稳定产品的质量。 因为数 控机床按照 预定的加工程序进行加工，加工过程中 消除了操作者 人为的操作 误差，所以零件加工的一 致性好，而 且加工精度还可以 利用软件来进行 校正 补偿，因此可以获得比机床本 身所能达到的精度还要 高的加工精度及 重复定 位精度。 2. 数控机床可以完成普通机床 难以完成或 根本不能加工的具有 复杂曲 面的零件的加工。 因此它在航空航天 、造船、模具等加工 业中得到广泛应用。 3. 采用数控机床比普通机床可以 提高生产效率 23 倍，尤其是对某些 复杂零件的加工， 生产效率可以提高十几倍甚至几十倍 。 4. 可以实现一机多用。一些数控机床将 几种普通机床功能 合一，加上刀 库与自动换刀装置构成加工中心，如果能配置数控转台或分度转台，则可以 实现一次安装、多面加工。 5. 采用数控机床有 利于向计算机控制与 管理生产方面发 展，为实现生产 过程自动化 创造了条件。 2 2. .1 1. .3 3 数数控控机机床床的的主主要要技技术术参参数数 1. 主要规格尺寸 数控车床的主要规 格尺寸有床 身上最大工件回转直径、刀架上最 大工件 回转直径、加工最 大工件长度、最大车削直径等。数控 铣床、加工中心的主 要规格尺寸有工作台面尺寸、工作台t 形槽、工作行程等。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 8 2. 主轴系统 数控机床主轴采用直 流或交流电动机驱动，具有较 宽的调速范围和较高 的回转精度，主轴本 身的刚度与抗振性比较好。 现在数控机床的主轴转速普遍 能达到 5000r/min10000r/min 甚至更高 。 2 2. .2 2 数控机床的分类 数控机床种 类很多，规格不一，人们从不同的 角度对其进行了分 类。 2 2. .2 2. .1 1 按按机机械械运运动动轨轨迹迹分分类类 数控机床按其刀具与工件相对运动的方 式，可以分为 点位控制、直线控制 和轮廓控制。 1. 点位控制数控机床 这类数控机床的特 点是要求保证点与点之间的准确定位。它 只能控制行 程的终点坐标值，对于两 点之间的运动轨 迹不作严格要求。对于点位控制的 孔加工机床 只要求获得精确的孔系坐标，在刀具运动过程中，不进行切削加工。 如图 1.2 所示为点位控制钻孔加工示意图。 图 2.2 点位控制钻孔加工示意图 此类数控机床有数控 钻床、数控 镗床、数控冲床、 三坐标测量机、印制 电路板钻床等。 2. 直线控制数控机床 这类数控机床的特 点是不仅要控制行程的 终点坐标值，还要保证在两 点 之间机床的刀具 走的是一条直线，而 且在走直线的过程中 往往要进行切削。 如图 1.3 所示为直线控制切削加工示 意图。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 9 此类数控机床有数控 车床、数控 铣床、数控 磨床、数控 镗床等。 现代组合机床采用数控技术，驱动各种动 力头、多轴箱轴向进给 钻、镗、 铣等加工，也算是一种直线控制数控机床。直线控制也称为单轴数控。 3. 轮廓控制数控机床 这类数控机床的特 点是不仅要控制行程的 终点坐标值，还要保证两 点之 间的轨迹要按一定的 曲线进行。即这种系统 必须能够对两个或两个以上坐标方 向的同时运动进行 严格的连续控制。如图 1.4 所示为轮廓控制铣削加工示 意 图。 现代数控机床 绝大部分都具有两坐标或两坐标以上 联动的功能， 除此之 外还具有刀具 半径补偿、刀具长度补偿、机床轴向运动 误差补偿、丝杠螺距 误差补偿、齿侧间隙误差 补偿等一系列功能。 图 2.3 直线控制切削加工示意图 图 2.4 轮廓控制铣削加工示意图 2 2. .2 2. .2 2 按按伺伺服服系系统统的的类类型型分分类类 1. 开环伺服系统数控机床 这类机床没有来自位置传 感器的反馈信号，数控系统将零件程序处理后， 输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动。例如采用步进电动机的伺服 系统就是一个 开环伺服系统，如图 1.5 所示。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 10 图 2.5 开环伺服系统 这类机床的优点是结构简单、较为经 济、维护维修 方便，但是速度及精 度低，适于精度要 求不高的中小型机床，多用于对 旧机床的数控化 改造。 2. 闭环伺服系统数控机床 这类机床上装有位置 检测装置，直接对工作台的位移量进行 测量。数控 装置发出进给信号后，经伺服驱动 使工作台移动 ；位置检测装置检测出工作 台的实际位移， 并反馈到输入端，与指令信号进行比较，驱 使工作台向其 差 值减小的方向运动，直到 差值等于零为 止。图 1.6 所示为闭环伺服系统。 图 2.6 闭环伺服系统 这类数控机床可以 消除由于传动部件制造中 存在的精度 误差给工件加工 带来的影响，从而 得到很高的精度。 但是由于很多机械传动 环节包括在闭环 控制的环路内，各部件的 摩擦特性、刚性以及间隙等都是非线性量，直接 影 响到伺服系统的 调节参数。因此，闭环伺服系统的设计和 调整都非常困难。 闭环伺服系统的 优点是精度高。但其系统设计和 调整困难 、结构复杂、 成本高，主要用于一些精度要 求很高的镗铣床、超精密车床、超精密铣床、 加工中心等。 3. 半闭环伺服系统数控机床 这类数控机床采用 安装在进给丝杠或电动机 端头上的转角测量元件测量 丝杠旋转角度，来间接获得位置反馈信息。图 1.7 所示为半闭环伺服系统。 图 2.7 半闭环伺服系统 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 11 这种系统的 闭环环路内 不包括丝杠、 螺母副及工作台， 因此可以获得稳 定的控制特性。而 且由于采用了 高分辨率的测量元件，可以 获得比较满意的 精度及速度。 大多数数控机床采用 半闭环伺服系统，如数控 车床、数控 铣床、 加工中心等。 2 2. .2 2. .3 3 按按功功能能水水平平分分类类 数控机床按功能 水平分为高、中、低档三类 。数控机床功能 水平的高低 主要由它们的主要技术参数、功能指标和 关键部件的功能 水平等决定，主要 包括以下内容。 1. 中央处理单元 (cpu) 低档数控机床一 般采用 8 位 cpu；而中、高档数控机床 已经由 16 位 cpu，发展到 32 位或 64 位 cpu，并用具有精简指令集 (risc)的 cpu。 2. 分辨率和进给速度 低档数控机床的分 辨率为 10 m，进给速度为 6m/min15m/min；中档数 控机床的分 辨率为 1 m，进给速度为 12m/min24m/min；高档数控机床的分 辨率为 0.1 m 或更小，进给速度为 24m/min100m/min，或更高。 3. 多轴联动功能 低档数控机床多为 23 轴联动；中、高档数控机床 则都是 35 轴联动， 或更多。 4. 显示功能 低档数控机床一 般只有简单的数码 显示或简单的 阴极射线管(crt)字符显 示功能；中档数控机床有较 齐全的 crt 显示功能，如字 符、图形、 人机对话、 自诊断等功能显示；高档数控机床还有 三维动态图形显示功能。 5. 通信功能 低档数控机床 无通信功能 ；中档数控机床有 rs232c 或直接数控 (dnc，也 称群控)等接口。 高档数控机床有制造自动化 协议(map)等高性能通信接口， 且具有联网功能。 数控机床按功能 水平的另一种分类是将数控机床分为经 济(简易)型、普 及(全功能)型和高档型。全功能型机床 并不追求过多功能，以实用为 准，也 称为标准型。经济型数控机床是 根据实际机床的 使用要求制造的， 并合理地 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 12 简化了系统， 降低了价格。在我国，经济型数控机床是指装备了功能简单、 价格低、使用方便的低档数控系统的机床，主要用于 车床、线切 割机床及其 他普通机床的数控化 改造等。 2 2. .2 2. .4 4 按按加加工工方方式式分分类类 1. 金属切削类数控机床 如数控车床、数控 钻床、数控 磨床、数控 铣床、数控 齿轮加工机床、加工 中心、虚拟轴加工机床等。 2. 金属成型类数控机床 如数控折弯机、数控 弯管机、数控冲床、数控 回转头压力机等。 3. 数控特种加工机床 如数控线切 割机床、数控电 火花成型机、数控 激光切割机、数控 火焰切 割机等。 2 2. .3 3 数控机床的发展与作用 2 2. .3 3. .1 1 数数控控机机床床的的发发展展趋趋势势 随着计算机、 微电子、信息、自动控制、精密 检测及机械制造技术的 高 速发展，机床数控技术有了 长足的进步。近几年一些相关技术的发 展，如刀 具及新材料的发展，主轴伺服和进给伺服、 超高速切削等技术的发 展，以及 对机械产品质量的要 求越来越高等，加速了数控机床的发 展。目前数控机床 正朝着高速度、高精度、高工序集中度、 高复合化和高可靠性等方向发 展。 世界数控技术及其装备发 展趋势主要体现在以下几个方面： 1. 高速高效高精度 2. 柔性化 3. 工艺复合化和多轴化 4. 实时智能化 5. 结构新型化 6. 编程技术自动化 7. 集成化 8. 开放式闭环控制模式 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 13 2 2. .3 3. .2 2 数数控控机机床床在在先先进进制制造造技技术术中中的的作作用用 自从 20 世纪中期，人们将计算机技术 引用到控制机床加工 飞机机翼样 板的复杂曲线中以来，数控技术在机床控制方面 取得了广泛、深入的发展， 开始是数控铣床，接着是数控车床、数控 钻床、数控 镗床、数控 磨床、数控 线切割机床，之后是加工中心、 车削中心、数控冲床、数控 弯管机、数控 折 弯机、板材加工中心、数控 齿轮机床、数控 激光加工机床、数控 火焰切割机 等。这些都成为 现代制造业的关键设备，是它们保证了 现代制造业向高精度、 高速度、高效率、高柔性化的方向发 展。 由于数控机床的出 现，带动了 cad/cam 技术向实用化、工程化发 展，特 别是计算机技术的 迅速发展，推动 cad/cam 技术向更高层次和更高水平 发展， 而且进一步发展了计算机辅助工艺设计 (capp)数据库、集成制造 生产系统相 关信息的自动 生成、自动处理、自动传输。可以说数控技术既是联系 cad/cam 的纽带，也是进一 步通向集成化 cad/cam 的桥梁。 20 世纪末，由于微电子技术的飞快发展，数控系统的性能有了 极大的提 高，功能不 断丰富，满足了数控机床自动 交换刀具、自动 交换工件(包括交换 工作台，工作台立、 卧式转换等)的需要；而且还进一步满足了在数控机床 之 间，增加自动输送工件的 托盘站(apc)或机器人传输工件，构成 柔性制造单 元 (flexible manufacturing cell，fmc)的需要；以及实现了由多台数控机床 (含加工中心、 车削中心)传送带、自动制导 车辆(automated guidevehicles，agv)、工业机器人(robot)以及专用的起吊运送机等组成的 柔性制造系统 (fms)的控制。 此外，还有由加工中心、 cnc 机床、专用机床或 数控专用机床组成的 柔性制造线 (flexible manufacturing line，fml)；或 多条 fms 配备自动化立体 仓库连接起来的柔性制造工 厂(flexible manufacturing factory，fmf)。 随着信息技术、 网络技术、自动化技术的发 展，在数控技术 (机械制造 业 中则体现在数控机床上 )的基础上， 人们将以往企业中相互独立的工程设计、 生产制造及经 营管理等过程，在计算机及其 软件的支撑下，构成了一个 覆盖 整个企业的完整而有机的、以实 现全局动态最优化、总体高效益、高柔性， 并进而赢得竞争全胜的计算机集成制造系统 (computerintegrated 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 14 manufacturing system，cims)。 第三章 加工中心简介 世界上第一台加工中心是 1958 年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它 在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可 进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。 3 3. .1 1 加工中心的分类 加工中心的品种繁多、功能各异，可从不同的角度对其进行分类。 3 3. .1 1. .1 1 按按主主轴轴的的布布置置方方式式分分类类 可分为立式加工中心（盘式刀库）和卧式加工中心（链式刀库）两类。卧式加 工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的 联合运动，以便加工复杂的空间曲面。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。 此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧 可调式加工中心，它们能对工件进行 5 个面的加工。 3 3. .1 1. .2 2 按按换换刀刀方方式式分分类类 可分为机械手换刀加工中心和无臂式换刀加工中心两类。机械手换刀是通过机 械手将刀具在刀库和主轴之间进行交换。整个换刀过程一般包括抓刀、拔刀、换刀、 插刀和复位。无臂式换刀主要是由刀库和主轴的相对运动来实现刀具的交换。 3 3. .1 1. .3 3 按按刀刀具具选选择择方方式式分分类类 可分为顺序选刀加工中和任意选刀加工中心两类。 3 3. .1 1. .4 4 按按数数控控系系统统的的功功能能水水平平分分类类 可分为高档（大型） 、中档（中型）和低档（小型）加工中心三类。 3 3. .2 2 加工中心的 组成 加工中心自问世至今已有三十年，世界各国出现了工作类型的加工中心，虽然 外形结构各异，但从整体来看主要由基础部件、主轴部件、数控系统、自动换刀装 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 15 置和辅助装置等几大部分组成。 3 3. .2 2. .1 1 基基础础部部件件 床身是机床的基础部件之一，它的受力情况比较特殊。床身不但要承受滑座、 工作台等运动部件的重量和运动冲击，而且还要承受立柱及挂在立柱上的强电柜、 数控柜、机械手及刀库等部件的重量。另外，床身的刚度和导轨的质量直接影响机 床的精度，因此，通过合理设计床身外形和合理安排加强肋位置，可以达到减小机 床质量和提高刚度的目的。其它的基础部件有立柱和工作台等。 3 3. .2 2. .2 2 主主轴轴部部件件 主轴部件包括主轴传动结构、主轴结构、刀具自动夹紧机构、主轴定向机构 （准停机构） 、主轴电动机等部分。 主轴传动结构一般采用交流电机和伺服电机，通过带传动把运动传给主轴，从 而使主轴达到一定的转速，来完成切削加工。 主轴结构设计时要注意合理地配置轴承。合理的轴承配置方式可以避免高速旋 转下主轴发热对加工精度的影响。另外，还需对轴承进行预加负荷调整，从而提高 轴承的接触刚度。主轴前端锥孔要采用专门淬火工艺，使其硬度达到 60hrc 以上。 采用拉刀结构形式的刀具自动夹紧机构一般由拉杆、蝶形弹簧、松刀液压缸和 拉杆钢球等部分组成。在松刀过程中，要求有压缩空气进入拉杆中部孔中，并从主 轴孔中吹气，吹净新装入的刀具柄上的灰尘和碎屑。 主轴定向机构（准停机构）是在主轴驱动使用交流变频电动机的情况下所必须 考虑的。一般是在带轮端部装有主轴定向用的发磁体和磁性传感器等电子定向元件， 组成准停定向机构，以实现主轴快速定向。当主轴定向指令发出后，主轴立即处于 定向状态，当发磁体的判别基准孔旋至对准磁性传感器上的基准槽时，主轴便立即 停止，定向十分迅速，结构简单，调整简单，定向力大。 主轴电动机一般采用交流变频电动机和伺服电动机。交流变频电动机是继直流 主轴电动机后发展起来的新型电动机。它采用全封闭结构，因此具有很好的防尘性 能和高速驱动性能。由于控制伺服单元采用大功率晶体管脉冲宽度调整方法，实现 了宽范围的无级调速，使电动机具有高速制动和正、反转快速响应以及大功率输出 时性能稳定等特点。伺服电动机常用的有步进电动机、电液马达、直流伺服电动机 和交流伺服电动机。如果主轴驱动使用交流伺服电动机，那么就不需要考虑主轴的 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 16 准停了。因为交流伺服电动机本身采用闭环控制，电机转子上带有编码器，所以能 够实现准停，而且定位精度相当高，但价格相对交流变频电动机来说价格较为昂贵。 另外，国内最新研制出的磁阻变速电机，在驱动方面拥有较强的优势，该电机低速 扭矩大，工作电流小，在未来的电机驱动方面将有很大的前景。 3 3. .2 2. .3 3 数数控控系系统统 加工中心的数控部分由 cnc 装置，可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面板 等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。 3 3. .2 2. .4 4 自自动动换换刀刀装装置置（ a at tc c） 自动换刀装置（atc）一般有两种形式，一种是带机械手的，另一种是不带机 械手的（即无臂换刀） 。其详细内容将在下一章介绍。 带有机械手的自动换刀装置（atc） ，其换刀动作包括“换刀”和“选刀”两项 内容。 “换刀”即把主轴上的刀具取下，换上选用的刀具；“选刀”是将从主轴上 取下的刀具送回刀库，同时在刀库中选取下次要更换的刀具，以备使用。因此，换 到程序中应包括上述两部分内容。多数加工中心机床自动换刀装置（atc）换刀时 都规定“换刀点”的位置，即“定距换刀” ，主轴只有运动到规定位置时，机械手 才能执行换刀动作。还有的加工中心采用“跟踪换刀” ，即主轴运动到任意位置时， 机械手都可以执行换刀动作。 3 3. .2 2. .5 5 辅辅助助装装置置 包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、启动和检测系统等部分。这些装置虽然 不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用， 因此也是加工中心中不可缺少的部分。 3 3. .3 3 加工中心的特点 数控加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具，对工件能够在一定的范围内 进行多种加工操作的机床。在加工中心上加工零件的特点是：被加工零件经过一次 装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具；自动改变机床主 轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，连续地对工件个加工 面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。由于加工中 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 17 心能集中地、自动地完成多种工序，避免了人为的操作误差，减少工件装夹、测量 和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间，大大提高了加工效率和加工精度， 所以具有良好的经济效果。 无论是立式加工中心还是卧式加工中心，为了实现多工序加工，都具有一套自 动换刀装置。大多数加工中心都带有“机械手刀库”的自动换刀装置。这样在加 工中心的加工程序编制中都带有换刀程序，不同的加工中心其换刀程序的编制方法 不同。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 18 第四章 数控机床的总体设计 4 4. .1 1 机床的设计要求 数控机床与一般金属切削机床一样，可以经过切削将金属材料加工成各种机 器零件。由于在数控加工中心加工过程中，工作程序、运动部件的坐标位置， 以及其它辅助功能都是自动控制。所以数控机床应该在实现全面自动化的基础 上，保证机床的高精度和高效率。因而，对数控机床的总体布局、基础件、主 传动系统，尤其是伺服系统，从动态和静态性方面提出了更高的要求。 1.机床布局首先必须满足用户提出的各种要求。如机床的加工范围、工作 精度、生产率和经济性等等。 2.确保实现既定工作方法所要求的工件和刀具的相对位置和相对运动。在 经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动连，以简化机构，提高传动精度和 传动效率。 3.确保机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪 声水平。 4.通用机床必须满足参数标准和系列型谱中关于机床布局方面的规定。同 时，还应最大限度地考虑机床的系列化和通用化程度。 5.对于生产率和自动化程度较高的机床和专用机床，应力求便于自动上下 料及纳入自动线。 6.应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修机床；便于输送、装卸工 件和排除切屑；注意机床防护，确保安全生产。 7.机床结构简单，合理可靠，便于加工和装配，并注意采用新技术。 8.体积小，重量轻，节省原材料，降低制造成本，缩小机床占地面积，外 形美观大方。 本次设计 vmc7135 数控加工中心 ,我们采用了加工中心最常用的立式布局 形式。对于数控铣床所采用的结构、机构和传动，对加工中心有些可以借鉴的。 4 4. .2 2 加工中心布局的影响因素及 设计步骤 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 19 4 4. .2 2. .1 1 影影响响加加工工中中心心 布布局局的的主主要要因因素素 1工件的大小、重量和形状 2机床的万能性要求 3机床的刚度和抗震性要求 4机床的生产率要求 5机床的 “三化” 要求 4 4. .2 2. .2 2 v vm mc c7 71 13 35 5 的的设设计计步步骤骤 1调查研究 调查研究的内容一般包括有：（ 1）到使用单位调查，了解所设计的新机 床将要承担的生产任务和加工工艺，了解使用单位对新机床的要求；（2）到 制造单位调查，了解制造厂的设备条件、技术能力和生产经验；（3）收集国 内外同类型机床的技术文献和图纸资料，并注意调查它的结构性能、使用和制 造情况等，尤应注意了解新技术在同类型机床上应用情况；（4）对于新采用 的工艺和结构，必须先经科学实验，通过实验取得足够数据后，才能应用于设 计。 2方案拟订 在调查研究和科学实验的基础上，通常可拟订出几个方案进行比较。每个方 案所包括的内容有：工艺分析、主要技术参数、总布局、传动系统、液压系统、 电气系统、主要部件的结构草图、试验结果及技术经济效果分析等。 3工作图设计 首先，绘制机床总图和各部件装配图。其次，绘制机床的全部零件图。然后， 整理机床有关部件与主要零件的设计计算书，编制各类零件明细表，编写说明 书等技术文件。最后，对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。 4样机试制和鉴定 如果所设计的新机床是成批生产的产品，在工作图设计完成后，应进行样机 试制以考验设计。对样机要进行试验和鉴定，合格后再进行小批试制以考验工 艺。这时，设计工作就基本完成。 4.4.3 3 vmc7135 数控加工中心的总体设计 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 20 4 4. .3 3. .1 1 方方案案的的选选择择 机床的总体布局是设计机床的重要步骤。在布局前，做了周密的和必要的调查 研究，在满足用户需要的前提下，查阅了大量的设计手册和参照了同类型铣床中比 较成熟的设计实例，设计而成的。