微型數(shù)控車床設(shè)計【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 畢業(yè)設(shè)計說明書 微型數(shù)控車床設(shè)計 學(xué) 院： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號 ： 指導(dǎo)教師 ： 2014 年 06 月買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 微型 數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（ 稱 床。它是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技術(shù)，是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床。它是由主機， 動裝置，數(shù)控機床的輔助裝置，編程機及其他一些附屬設(shè)備所組成。 該數(shù)控車床主要由教學(xué)型車床機械裝置、計算機數(shù)控系統(tǒng)、電源驅(qū)動裝置三部分組成 ， 此次設(shè)計包括機床的 機械傳動主運 動系統(tǒng) 設(shè)計，其中還包括齒輪模數(shù)計算及校核，主軸 的設(shè)計及其 剛度的校核 ，主軸組件的設(shè)計與選型，傳動軸的設(shè)計及其剛度校核和傳動軸組件的設(shè)計與選型等， 縱向 進給 傳動系統(tǒng) 運動設(shè)計， 橫向進給傳動系統(tǒng)運動設(shè)計，床身與導(dǎo)軌設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計 ，變頻調(diào)速電動機和步進電動機型號的選擇以及刀架型號的選擇等 。該車床結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小，適于教學(xué)，該系統(tǒng)人機界面友好、操作方便。 本文是對整個設(shè)計工作較全面的介紹和總結(jié) 。 關(guān)鍵詞 ： 微型 ， 數(shù)控 車 床 ， 主傳動系統(tǒng) ， 進給 系統(tǒng) ，設(shè)計 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 he C) a it is a by It is is a of of of of is 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 錄 第一章 引 言 . - 1 - 題的背景 . - 1 - 題的目的和意義 . - 1 - 第二章 微型數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計 . - 3 - 要設(shè)計技術(shù)指標與參數(shù) . - 3 - . - 3 - 定合適的切削參數(shù) . - 4 - 傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 . - 5 - . - 6 - . - 12 - 第三章 縱向進給傳動系統(tǒng)設(shè)計 . - 23 - . - 23 - . - 23 - . - 24 - . - 28 - 進電動機的計算和選型 . - 31 - 第四章 橫向進給傳動系統(tǒng)設(shè)計 . - 33 - . - 33 - . - 35 - . - 36 - . - 37 - 第五章 床身與導(dǎo)軌 . - 38 - 身設(shè)計 . - 38 - . - 39 - 第六章 控制系統(tǒng)設(shè)計 . - 41 - 定硬件電路的總體方案 . - 41 - 控制器 選擇 . - 41 - 儲器擴展電路設(shè)計 . - 41 - 軸電機驅(qū)動電路 . - 42 - 界報警 . - 42 - 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 論 . - 43 - 參考文獻 . - 44 - 致 謝 . - 45 - 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 1 - 第一章 引 言 題的背景 當今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在 各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度越來越高，體積越來越小。數(shù)控設(shè)備廠采用超大規(guī)模集成電路并采用表面安裝工藝（ 實現(xiàn)了三維立體裝配，將整個 小，以適應(yīng)機械制造業(yè)機電一體化的要求。日本三菱電機株式會社，最近推出的普及型 0 系列及實用型 20A 系列，這兩 個系列都采用了 32 位 處理器，實現(xiàn)超小型化的 原來的 3、 積大為減?。?安裝面積減小了一半，功能還有所進步。采用了超薄型顯示器（ 彩色 這個系統(tǒng)的微小線段加工能力提升至64m/大快速進給速度為 240m/同步 攻螺紋精度較 步了 3倍，主軸定位時間縮短了 30%。德國 司最 新推出的 4086 486有 1 4 個通 道，可實現(xiàn)直線及圓弧插補、螺旋線插補、 5 軸螺旋線插補及樣條插補、圓柱插補等，共可控制 32 個軸，并有多種校正及補償功能，體積僅為 50316207 東西方制造業(yè)的差距更多的在于職教 基礎(chǔ)的差距 ，實踐動手能力的差距，我國數(shù)控學(xué)員儲備 60萬人，而全國數(shù)控人才每年缺口 15萬人，高級數(shù)控技工年薪高達 10萬，那種 20 人 /臺的教學(xué)實效性與成材率不匹配的矛盾日益突出 。 題的目的 和意義 生產(chǎn)型數(shù)控機床作為數(shù)控教學(xué)實習(xí)設(shè)備是十分必要的，但在前期教學(xué)中使用則耗電大、材料消耗大、安全系數(shù)相對較低成為困擾許多 院校的大問題。西方發(fā)達國家數(shù)控教學(xué)前期階段都是采用小型臺式高仿真數(shù)控教學(xué)機床作為數(shù)控編程和操作的實習(xí)設(shè)備 。 目前數(shù)控技術(shù)課程實訓(xùn)過程中普遍存在以下現(xiàn)實問題：系統(tǒng)開放性差、操作界面不太理想、教學(xué)設(shè)備成本高、實驗耗材費用高、操作危險性大、學(xué)生獨立動手機會少、教學(xué)效率低、教學(xué)質(zhì)量差等。因此需要設(shè)計一個軟硬件結(jié)構(gòu)開放、功買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 2 - 能完善、人機界面友好、操作方便的系統(tǒng)，來解決了授課過程中存在的課堂教學(xué)難、實驗教學(xué)難、實訓(xùn)教學(xué)難的問題。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 3 - 第二 章 微型數(shù)控車床主傳動系統(tǒng) 設(shè)計 要設(shè)計技術(shù)指 標與參數(shù)： 兩個坐標方向的工作行程： X:30 Z:100 加工精度： 加工材料：石蠟、肥皂類或鋁質(zhì)類等。 傳動系統(tǒng)的大分類： 目前，主傳動系統(tǒng)大致可分為以下大類。 有變速齒輪的主傳動 如圖 2示，通過少數(shù)幾對齒輪降速，以滿足主軸低速時對扭矩特性的要求。數(shù)控機床 在交流或直流電機無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸和撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。 過帶傳動的主傳動 如圖 2示，這種傳動主要 應(yīng)用在小型數(shù)控機床上，由交流電機通過 種傳動方式可以避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲，但只能適用于低扭矩特性要求的主軸。 速電機直接驅(qū)動的主傳動 如圖 2 示，這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸影響較大。 ( a )( b )( c ) 圖 2主傳動型式 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 4 - 本數(shù)控車床選用無級變速。 定合適的切削 參數(shù) ： 本機床加工的工件為代木、石臘，鋁等材料，查金屬切削原理 （陳日曜主編）表 11擇機床背吃刀量 1給量 f=r；切削速度v=250m/ 算切削力 ： 由公式；屬切削原理（陳日曜主編）表 4 得 11N， 進給抗力 切深力 :F z F ，計算的 定機床的切削功率： 切削功率是力 消耗的功率之和，因 向沒有位移，所以不消耗動力。于是： 切削功率 0 0 ）（式中 縱向切削 力（ N）； V 切削速度（ m/ 進給力（ N）； 工件轉(zhuǎn)速（ r/s）； f 進給量（ mm/r）。 粗略計算切削功率 =床效率取 ，計算機床電機功率 。 由此選用額定功率 100流變頻調(diào)速電動機，參數(shù) 如表 2 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 5 - 電機型號 出力 電壓 頻率 極數(shù) 額定轉(zhuǎn)速 最高轉(zhuǎn)速 額定電流 額定力矩 啟動轉(zhuǎn)矩 帶齒軸電機 W V r/r/ N m N m 00 10 4 1000 3000 200流變頻調(diào)速電動機參數(shù) 傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算： 主軸的計算轉(zhuǎn)速： m in/a ）（。 主軸要求的恒功率變速范圍： 72 251 500m a x 電動機的恒功率變速范圍： 3。 該系統(tǒng)至少需要的變速級數(shù)、變速組數(shù)： k。 取 2,1 變速箱實際公比： 2 R 。 傳動的最小傳動比： 4091000225m i。 其他傳動副的傳動比： 4021m 。 電動機的最高和最低工作轉(zhuǎn)速分別為： m 41 0 0m 。 轉(zhuǎn)速圖如圖 2 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 6 - 圖 2傳動系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速圖 電動機最高、最低工作轉(zhuǎn)速時所傳遞的功率分別為： i nm a x輪的設(shè)計計算 ： 輪的設(shè)計 該傳動系統(tǒng)有一個變速組，兩 個傳動副。同一變速組，模數(shù)相同，不采用變位齒輪，31 第一傳動副的主、被動齒輪的齒數(shù)， 42 為第二傳動副的主、被動齒輪的齒數(shù)。 ： 402140942423131取 S=110， 得8,90,204231 確定各個齒輪的尺寸： 選用直齒圓柱輪，取 m=分度圓直徑： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 7 - 2 各個齒輪的齒頂高 ： ， 各個齒輪的齒根高： 4321 取齒寬系數(shù) 8.0d ，則各個齒輪的齒寬為： ,輪的校核 ： 齒輪 齒面接觸疲勞強度的校核計算： （參考機械設(shè)計高等教育出版社） 一級減速齒輪 1Z 的校核 ： 圓周速度 v 1 0 0 060 1 0 0 0501 0 0 060 11 精度等級 由表 選 8級精度 使用系數(shù) 由表 K 動載系數(shù) K 齒間載荷分配系數(shù)求 t 000/11 K 100/ c o Z Z 由此得 2110 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 8 - K 彈性系數(shù) 由表 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由圖 Z 接觸最小安全系 數(shù) 由表 總工作時間800應(yīng)力循環(huán)次 數(shù) 由 表 計 710 910 ,則指數(shù)取 1 m a 0 01 0 0 0160 71 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 3/712 L 72 接觸壽命系數(shù) H 0m Z 981 2H = 2H = 驗算 H 2H 計算結(jié)果表明，齒面接觸疲勞強度合 適， 齒輪尺寸無需調(diào)整。 齒根彎曲疲勞強度驗算： 重合度系數(shù) Y YY =間載荷分配系 數(shù) (45/ 由圖 齒形系數(shù) 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 9 - 彎曲疲勞極限 由圖 001 502 彎曲最小安全系數(shù) 由表 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表 計 6103 010 ,則指數(shù) 取 1 m a 0 01 0 0 0160 71 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 3/712 L 72 彎曲壽命系數(shù) Y 由圖 Y 許用彎曲應(yīng)力 F i i 561 2F = 2F = 驗算 1F11 12 M P 1F Y 2F 傳動無過載，不須作靜強度校核。 一級減速齒輪 2Z 的校核： 圓周速度 v 100060 100095100060 11 精度等級 由表 選 8 級精度 使用系數(shù) 由表 K 動載系數(shù) 求 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 10 - t 000/11 K 100/ c o Z Z 由此得 2110 K 彈性系數(shù) 由表 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由圖 Z 接觸最小安全系數(shù) 由表 總工作時間800應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表 計 710 910 ,則指數(shù)取 1 m a 0 01 0 0 0160 71 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確 。 3/712 L 72 接觸壽命系數(shù) H 0m Z 981 2H = 2H = 驗算 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 11 - H 2H 計算結(jié)果表明，齒面接觸疲勞強度合適， 齒輪尺寸無需調(diào)整。 齒根彎曲疲勞強度驗算： 重合度系數(shù) Y YY =間載荷分配系數(shù) (81/ 由圖 齒形系數(shù) 由圖 001 502 彎曲最小安全系數(shù) 由表 應(yīng)力循環(huán) 次數(shù) 由表 計 6103 010 ,則指數(shù)取 1 m a 0 01 0 0 0160 71 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 3/712 L 72 彎曲壽命系數(shù) 由圖 Y 許用彎曲應(yīng) 力 F i i 561 2F = 2F = 1F11 12 M P 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 12 - 1F Y 2F 傳動無過載，不須作靜強度校核。 軸組件設(shè)計 軸組件基本要求 主軸組件是機床主要部件之一。它的性能對整機的性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對主軸組件的主要性能特提出如下要求： 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷低 速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部件的定心表面（如該次設(shè)計的數(shù)控車床主軸軸端的定心短錐采用 7： 24錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體、孔等的制造，裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。 剛度 主要反映機床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支撐的跨距和主軸的前懸伸，傳動件的布置方式等。數(shù)控機床即要完成粗加工，又要完成精加工，因此對其主軸組件的 剛度應(yīng)提出更高的要求。 溫升 將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，對高精度機床應(yīng)研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等。 可靠性 數(shù) 控機床是高度自動化的機床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展 。 精度保持性 對數(shù)控機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度 。 軸的 設(shè)計計算： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 13 - 1 初選主軸直徑： 主軸直徑直接影響主軸部件的剛度，直徑越粗，剛度越高，但同時與之相配的軸承等零件的 尺寸也越大。故設(shè)計之初，只能根據(jù)統(tǒng)計資料選擇主軸直徑。 查閱資料初選主軸前軸頸直徑 1D =45后軸直徑 2D =30 主軸內(nèi)孔用來通過棒料，用于通過刀具夾緊裝置固定刀具以及傳動氣動或液壓卡盤等。主軸孔徑越大，可通過的棒料直徑就越大，機床的使用范圍就越寬，同時主軸部件也越輕。主軸孔徑大小主要受主軸剛度的制約。當主軸的孔徑與主軸直徑之比小于 ，空心主軸的剛度幾乎與實心主軸的剛度相當；為 心主軸的剛度為實心主 軸剛度的 90%；大于 心主軸的剛度急劇下降 。 主軸內(nèi)孔直徑選 20算 4400 11 計算的 =對剛度影響不大。 2 主軸懸伸量的確定： 主軸懸伸量是指主軸前支撐徑向支反力的作用點到主軸前端面之間的距離，它對主軸組件剛度影響較大，根據(jù)分析和試驗，縮短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的條件下，盡量縮短懸伸量 a。 初選懸伸量 a=41 3 主軸跨距 及總長 的確定 ： 合理布置各個零件的配 合，確定主軸的跨距為 軸總長 4 主軸材料選用 主軸選用 45鋼 ，調(diào)質(zhì) 2228部高頻淬硬 5055 5 主軸強度的校核： 計算齒輪3齒輪轉(zhuǎn)速 25 所受轉(zhuǎn)矩 225 63 所受圓周力 22542002233 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 14 - 所受徑向力 20t r 所受法向力 20co s/s/ 圖 2 圖 2軸受力圖 計算支撐反力： 水平面反力 垂直面反力 3011 F11 水平面受力圖如圖 2 圖 2軸 水平面受力圖 垂直面受力圖如圖 2 圖 2軸 垂直面受力圖 畫軸的彎矩圖： 水平面彎矩圖 如圖 2 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 15 - 圖 2軸 水平面彎矩圖 垂直面彎矩圖 如圖 2 圖 2軸 垂直面彎矩圖 合成彎矩圖 如圖 2 圖 2軸 合成彎矩圖 畫軸的 轉(zhuǎn)矩圖 受轉(zhuǎn)矩 3 200 轉(zhuǎn)矩圖 如圖 2 圖 2軸 轉(zhuǎn) 矩圖 如圖 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值 用插入法由表 01 校核軸徑 軸徑 3 250 93.5d 35文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 16 - 主軸的強度符合要求。 軸組件的組成和軸承選型 1 主軸組件 包括主軸、 軸承、傳動件和相應(yīng)的緊固件。主軸組件的構(gòu)造，主要是支撐部分的構(gòu)造。主軸端部是標準的；傳動件如齒輪、帶輪等與一般機械零件相同。因此，研究主軸組件，主要是研究主軸的支撐部分。 2 主軸的傳動件 可以位于前后支撐之間，也可位于后支撐之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設(shè)計。主軸組件（稱為主軸單元）和 變速箱還可以作成獨立的功能部件，又有專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸可用齒輪副或帶傳動聯(lián)結(jié)。 主軸支撐分徑向和軸向 。角接觸球軸承兼起徑向和推力支撐的作用 。推力支撐應(yīng)位于前支撐內(nèi) ，原因是數(shù)控機床的坐標原點， 設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標原點的位移，應(yīng)盡量縮短坐標原點支推力支撐之間的距離。 3 主軸組件的動態(tài)特性 平移，主軸作為一個剛體（實際上略有彎曲），在彈性 支撐上作平移振動，主軸各點的振動方向一致。 2搖擺 ， 主軸在彈性支座上搖擺， 左右振動方向相反。3彎曲 ， 主軸本身作彎曲振動，主軸中間與兩端的振動方向相反，有兩個節(jié)點。這兩個節(jié)點位于支撐點附近。每個振型都有其固有頻率。每個振型固有頻率排列的次序，稱為階。上述三個振型的固有頻率，以平移振型為最低，彎曲 振型為最高，三個振型分別為第一、二、三振型，振型和固有頻率合成為模態(tài)。可以看出，第一、二階模態(tài)的彈性環(huán)節(jié)主要是軸承；第三階則主要是軸承。當軸的剛度提高時，第一、二階模態(tài)的固有頻率也隨之提高，但第三階模態(tài)提高不多。主軸是一個連續(xù)體，又無窮個模態(tài)。例如還有主軸的扭矩振動、縱向振動等。但是，這些模態(tài)的固有頻率較高，工作是不可能發(fā)生共振，所以，只需研究最低幾階模態(tài)，可用有限元法或傳遞矩陣法，借助計算機計算。 通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動機高速主軸，電動機轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固 有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施。（ 1）使主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 17 - 通常使固有頻率高于激振頻率的 30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。（ 2）增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗震性影響很大。如果要求得到很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動軸承適當預(yù)緊可以增大阻尼，但過大 的預(yù)緊反而使阻尼減小，故選擇預(yù)緊時還因考慮阻尼因素。（ 3）采用消振裝置 4 主軸軸承 選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛