机械毕业设计（论文）-半闭环数控车床总体设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 半闭环数控车床总体设计半闭环数控车床总体设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 半闭环数控车床总体 设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内 容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外， 本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作 品。 班 级： 机械 91 学 号： 0923007 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 半闭环数控车床总体设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 本次课题来源于： 校企合作开发课题。随着科学技术的发展，机械产品结 构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高更新换代频繁，生产类型由大批 大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应的提出了 高精度、高柔度与高度自动化的要求。数字控制机床就是为了解决单件、小批 量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 完成该数控车床总体方案设计，完成总体布局，绘制尺寸联系总图一份； 完成床身设计，绘制床身零件图； 完成底座设计，绘制底座零件图； 完成设计说明书一份，有必要的阐述、分析、计算、说明。 II 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 91 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 本次设计任务来源于校企合作开发课题。 先调研数控车床的发展状况，随着科学技术的发展，机械产品结构越来越合理，其 性能、精度和效率日趋提高更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生 产转化。因此，对机械产品的加工相应得提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。 数字控制机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质 量要求而产生的。 该设计主要考虑两大方面：数控部分和机械部件。首先进行数控车床总体方案的比 较，然后确定最佳方案，完成半闭环数控车床的总体布局，绘制出半闭环数控车床的传 动系统图，数控车床总体的尺寸联系图。通过对切削力的计算来设计进给系统、刀架、 主轴卡盘的夹紧、液压尾座的行程等。完成该数控车床总体设计，总体布局，绘制尺寸 联系总图一份，以及床身设计，绘制床身零件图，底座设计，绘制底座零件图。对车床 振动的分析来提出加强机床刚度的方法，还有设计该数控机床的排屑装置及尾架装置。 最后叙述该机床平时的维护及保养，有利于机床的正常运转。 预期成果设计出符合机械厂要求的通用型的，半闭环，斜床身，双轴联动，卧式数 控车床，尽量满足生产需要，使我们设计的数控机床可靠性，加工精度，变速范围，操 作宜人性，工作效率及防护结构，造型等诸多方面更加适合实际的使用要求。 关键词：关键词：半闭环；数控车床；总体设计； IV Abstract This design task comes from the school-enterprise cooperation and development issues. Development of the first investigation of CNC lathe, with the development of science and technology, mechanical product structure more reasonable, and its performance, efficiency and precision of increasingly improved frequent replacement, production types from mass production to the many varieties of small batch production. Therefore, the processing machinery products corresponding to the high precision, high flexibility and high automation. Digital control of machine tool is to solve the one-piece, small batch, especially in the automatic processing of complex surface parts and ensure the quality requirement and produce. This design mainly consider two aspects: numerical control part and mechanical part. First compared the overall scheme of CNC lathe, and then determine the optimal scheme, to complete the overall layout of CNC lathe, draw the diagram of transmission system semi-closed-loop CNC lathe, CNC lathe overall contact map size. To the design of feed system, turret, spindle chuck through calculation of cutting force, the clamping hydraulic tailstock travel. To complete the overall design of the CNC lathe, general layout, drawing a connection dimension in general, and the body design, drawing machine parts drawing, base design, drawing the base part drawing. Analysis on the lathe vibration proposed method to strengthen the stiffness of machine tools, as well as the design of the CNC machine tool cutting device and a tail frame device. Finally, describes the machine daily maintenance and maintenance, is conducive to the normal operation of the machine. The expected results of design to meet the requirements of general machinery factory, half closed, slant bed lathe, CNC horizontal lathe, biaxial linkage, as far as possible to meet the need of production, reliability, CNC machine tools enable us to design the machining accuracy, speed range, operation comfort, efficiency and protection structure, other aspects are more suitable for practical use requirements. Key words: Half closed loop； CNC lathe； The overall design; V 目录目录 摘 要 .III ABSTRACT IV 目录.V 1 绪论 .1 1.1 本课题的研究内容和意义 1 1.1.1 本次课题的意义 .1 1.1.2 本次课题的目的 .1 1.1.3 本次课题的所要达到的技术要求 .1 1.2 国内外的发展概况 2 1.2.1 国内外数控机床的形势 .2 1.2.2 数控机床未来发展趋势 .3 1.3 本课题应达到的要求 4 2 数控机床总体方案的比较及其确定 .5 2.1 调研情况 5 2.2 总体方案比较及确定 5 2.2.1 机床的总体布局 .5 2.2.2 机床总体布局的基本要求 .5 2.2.3 影响总体布局的因素 .6 2.2.4 简述数控车床的特点 .6 2.2.5 数控车床总体设计方案 1 6 2.2.6 数控车床总体设计方案 2 8 2.2.7 数控车床总体设计方案的确定 .10 3 数控车床总体设计 .11 3.1 数控机床的工作原理 11 3.2 数控机床的组成 11 3.2.1 程序编制及程序载体 .11 3.2.2 输入装置 11 3.2.3 数控装置及强电控制装置 11 3.2.4 伺服驱动系统及位置检测装置 12 3.2.5 机床的机械部件 .12 3.3 参数确定 13 3.3.1 主参数和基本参数 .13 3.3.2 切削用量的选择 .13 3.3.3 运动参数和动力参数的计算 .14 3.4 数控车床传动系统图 14 3.5 数控车床总体联系图 15 3.6 机床的润滑与维护 17 VI 4 数控车床部件设计 .18 4.1 机床底座，床身大件类的设计要求，方法 18 4.2 机床的振动和提高刚度措施 18 4.2.1 机床振动的类型 .18 4.2.2 提高机床结构动刚度的措施 .19 4.3 机床热变形的形成及其特点 20 4.4 床身与底座的结构设计 21 4.5 机床的隔振 22 4.6 排屑装置的设计 23 4.7 尾架装置的设计 26 5 数控机床的维护与保养 .27 6 结论 .29 致谢 .30 参考文献 .31 附录 .32 半闭环数控车床总体设计 1 1 绪论绪论 1.1 本本课课题题的的研研究究内内容容和和意意义义 1.1.1 本本次次课课题题的的意意义义 随着科学技术发展，机械产品结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高更新 换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量的生产转化。因此，对机械产品的 加工相应得提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。 大批大量的产品，如汽车，拖拉机和家用电器的零件，为解决高产优质的问题，多 采用专用的自动生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设备，生产准备 周期增长。在机械产品中，单件与小批量产品占到 7080，这类产品一般都采用通用 机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的 自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量。特别是一些 由曲线，曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠仿形机床，或借助划线和样板用手工操 作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。 数字控制机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保 证质量要求而产生的。 柔性制造技术的发展，已经形成了在自动化程度和规模上不同的多钟层次和级别的 柔性制造系统。带有自动换刀装置的数控加工中心，是柔性制造的硬件基础，是制造系 统的基本级别。在多台加工中心机床或柔性制造单元的基础上，增加刀具和工件在加工 设备与包装之间的流通传输和存贮，和必要的工件清洗和尺寸检查设备，并由高一级的 计算机整个系统进行控制和管理，这样就构成柔性制造体统。它可以实现多品种的全部 机械加工或部件装配，DNC 的控制原理是它的控制基础。 随着科学技术和制造工业的飞速发展，迫切需要实现机器的智能化和脑力劳动自动 化，以便于适应市场产品需求多变的要求。自动化制造技术不仅需要发展车间制造过程 的自动化，而且要全面实现从生产决策，产品设计，市场预测直到销售的整个生产活动 的自动化，特别是技术和管理科室的自动化，将这些要求综合成一个完整的生产制造系 统，即所谓的计算机集成制造系统。它将一个制造工厂的生态活动进行有机的集成，以 实现更高效益，更高柔性的智能化生产。该系统是当今自动化制造技术发展的最高阶段。 1.1.2 本次课题的目的本次课题的目的 根据校企合作开发要求设计一通用型的，半闭环，斜床身，双轴联动，卧式数控车 床。在进行机床的总体布局的设计过程中逐渐了解机床的加工原理即机床各部件的相对 运动关系，结合考虑工件的形状，尺寸和位置等因素，来确定各部件之间的相对位置， 和床身、底座等部分部件的选择和设计。 1.1.3 本次课题的所要达到的技术要求本次课题的所要达到的技术要求 主轴转速范围： 404000rmp； 最大车削直径： 200mm； 最大切削长度 l： l=750mm. 无锡太湖学院学士学位论文 2 1.2 国国内内外外的的发发展展概概况况 1.2.1 国内外数控机床的形势国内外数控机床的形势 在国外市场，德国、美国、日本等几个国家基本都掌控了中高档数控系统。国外的 主要数控系统制造商有西门子、法拉克（FANUC） 、三菱电机、海德汉等。随着国际学术 及产业界对开放式数控系统研究的日益推进，我国的相关研究也越来越受到重视。经过 几十年的不断发展，我国机床行业也形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系， 国产数控系统产业发展迅速，在质与量上都取得了飞跃。国内数控系统基本占领低端数 控系统市场，在中高档数控系统的研发和应用上也取得了一定的成绩。目前，数控技术 正在发生根本性的变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环 控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上， 综合计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、 高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化 故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央 集中控制的群控加工。 总结如下： 国内数控机床现状： 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销；高技术水平、全功能产品主要靠进 口；配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；应用技术水平较低，联网技术 没有完全推广使用；自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、 合资生产或进口件组装。 随着我国工业化进程的不断推进与发展，数控机床发展也是突飞猛进，高速高效方 向、自诊断方向、网络化方向、模块化方向已成为数控机床未来发展的趋势与方向。近 年来，在国家 863 计划和科技攻关计划多年连续的支持下，企业生产数控机床的积极性 和成果也不断地丰富起来。陆续开发研制了如华中系列、航天系列、中华系列等数控系 统。 国外数控机床现状： （1） 高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工 的潮流。 （2） 多任务和多轴加工的数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业。 （3） 机床与机器人的集成应用日趋普及，并且结构形式多样化，应用范围扩大化， 运动速度高速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化。 （4） 智能化加工与监测功能不断扩充，车间的加工监测与管理可实时获取机床本 身的状态信息，分析相关数据，预测机床的状态，提前进行相关的维护，避免事故的发 生，减少机床的故障率，提高机床的利用率。 （5） 最新的机床误差检测和补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量， 与传统的激光干涉仪相比，对机床误差的补偿精度能够提高了 34 倍，同时效率得到大 幅度地提升。 （6） 最新的 CAD/CAM 技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持， 半闭环数控车床总体设计 3 可以大幅度地提高加工效率。 （7） 刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖整个加工过程，并且新型刀具能够 满足平稳加工以及抗振性能的要求。 1.2.2 数控机床未来发展趋势数控机床未来发展趋势 （1） 高速化、高精度化：采用高速的 32 位以上的微处理器，可以提高数控系统的 分辨率及实现连续小程序段的高速、高精加工，通过减少数控系统误差和采用补偿技术 可提高数控机床的加工精度。它直接关系到加工效率和产品的质量。高速度、超精度加 工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。 （2） 多功能化：在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件的搬运、上下料、 安装调整、 换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同 的加工功能整合在同一台机床上， 因此数控机床实现了一机多功能，以最大限度地提高 设备利用率。另外前台加工、后台编辑的前后台功能，充分提高其工作效率和机床利用 率。数控机床还具有更高的通讯功能，现代数控机床除具有通信口，DNC 功能外，还具 有网络功能。 （3） 智能化：引进了自适应控制技术.自适应控制（Adaptive Control，简称 AC） 技术是能调节在加工过程中所测得的工作状态特性，且能使切削过程达到并维持最佳状 态的技术。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、MTS 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。智能化是二十一世纪制造技术发展 的一个大方向。 （4） 模块化：模块化的设计思想已经广泛应用于各设计行业。数控机床设计也不 例外的广泛使用模块制造功能各异的设备。所设计的模块往往是通用的企业用户可以根 据生产需要随时更换所需模块。采用模块化思想的数控机床增加了数控机床的灵活性降 低了企业生产成本，提高了企业生产效率，增强企业竞争的能力。严格按照模块化的设 计思想设计数控机床，不仅能够有效的保障操作员和设备运行的安全，同时也是保证数 控车床能够达到产品技术性能、充分发挥数控机床的加工特点。此外，模块化的设计还 有助于增强数控车床的使用效率，减少故障率，提高数控车床的生产水平。 （5） 自诊断化：随着人工智能技术的不断成熟与发展，数控机床性能也得到了明 显的改善。在新一代的数控机床控制系统中大量地采用了模糊控制系统、神经网络控制 系统和专家控制系统使数控机床的性能大大改善。采用高通过数控机床自身的故障诊断 程序，自动实现对数控机床硬件设备、软件程序和其他附属设备进行故障诊断和自动预 警。数控机床可依据现有的故障信息，实现快速定位故障源，并给出故障排除建议，使 用者可以通过自动预警提示及时解决故障问题，实现故障自恢复防止和解决各种突发性 事件时从而进行相应的保护。 应用前景：由于产品的多样化和产品更新快是当前机械制造业的明显特点。因而多 品种，中小批量生产越来越占优势。由于加工不大的零件占有很大的比例，这就要求加 无锡太湖学院学士学位论文 4 工设备有很大的灵活性，而新型产品中所需要零件的精度越来越高，形状也变得相当复 杂，这就要求具有高的效率和加工精度。由于以上几点具体要求结合成一体的分析，用 一般的普通机床是无法满足现代社会化发展的需要。 1.3 本本课课题题应应达达到到的的要要求求 为了提高设计质量和速度，要重视设计方法和设计工具的现代化，要积极推广应用 价值工程，优化设计工具的现代化，要积极推广应用价值工程，优化设计，可靠性设计， 艺术造型设计，计算机绘图等。 通过查阅专业文献资料初步掌握数控车床总体设计的相关知识,参加工厂的生产实践,在 生产中学习、思考、分析，从而设计出符合机械厂要求的通用型的，半闭环，斜床身， 双轴联动，卧式数控车床，满足生产需要，尽量使我们设计的数控机床可靠性，加工精 度，变速范围，操作宜人性，工作效率及防护结构，造型等诸多方面更加适合实际的使 用要求。其中本次课题主要考虑完成该半闭环数控机床的总体方案设计，完成总体布局， 绘制出该机床的尺寸联系总图，完成对床身和底座的设计，并绘制零件图。 半闭环数控车床总体设计 5 2 数控机床总体方案的比较及其确定数控机床总体方案的比较及其确定 2.1 调调研研情情况况 数字控制机床简称数控机床，它是近期发展起来的具有广阔应用前景的新型自动化 机床。数控机床就是将加工过程中所需的更重操作（如主轴变速、夹松工件、进刀和退 刀、开刀和停车、选择刀具、供给冷却液等等）和步骤以及刀具与工件的相对位置都用 数字化的代码表示出来，通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机 对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统和其他执行元件， 使机床自动加工所需要的工件。机床数控技术是由机床、数控系统和外围技术三部分组 成的。 数控机床是新型的自动化机床，它对解决复杂型面和高精度零件的加工，对单件小 批量的自动化等都具有重要意义。由于产品多样化和产品更新快是当前机械制造业的明 显特点，因而多品种、中小批量生产越来越占优势。由于加工不大的占有很大比例，这 就要求加工设备具有很大的灵活性，而新型产业所需零件的精度越来越高，形状也相当 的复杂，这就要求具有高的效率和加工精度。由于以上几点具体要求结合成一体的分析， 用一般性的普通机床是无法满足现代社会化生产发展的需要。由此可见，提出满足生产 要求的数控机床的大量普及是社会化大生产所面临的迫切需要解决的问题。 机床新产品开发设计工作应以“上质量、上品种、上水平、提高经济效益”为指导思想；以提供性能 好、成本低、可靠性高、高效节能，便于维护操作的机床产品，满足国民经济各部门和国际市场的需求为 宗旨；建立市场观念，竞争观念，主动研究市场和技术发展趋势，及时开发适销对路的新产品。 为了提高设计质量和速度，要重视设计方法和设计工具的现代化，需要要积极推广应用价值工程，优 化设计，可靠性设计，艺术造型设计，计算机绘图等。 机床产品的分段设计，可以提高设计工作的调理性和平密性，保证设计质量。 因此，为了我们的设计更加合理，我们作了一定的调研，并阅读了大量的资料，参考了一系列数控车 床，尽量使我们设计的数控车床可靠性，加工精度，变速范围，操作宜人，工作效率，及防护结构，造型 等诸多方面更加适合实际使用要求。 2.2 总总体体方方案案比比较较及及确确定定 2.2.1 机床的总体布局机床的总体布局 机床总体布局的目的是按照简单，合理，经济的原则，制定一种实现加工要求的方案，它基本上由工 艺方法，运动分配，工件尺寸，重量精度，表面光洁度及生产效率等因素所决定。 2.2.2 机床总体布局的基本要求机床总体布局的基本要求 （1） 保证给定的工艺过程要求，最大限度地考虑机床部件的通用性； （2） 保证机床的刚度，精度，抗振性和稳定性，力求减轻机床的重量； （3） 保证机床结构简单，且尽量采用较短的传动链，以提高传动精度和传动效率。 （4） 保证良好的加工工艺性，以便于机床的加工和装配； （5） 保证安全生产，便于操作，调整和维修； （6） 对于生产效率和自动化程度较高的机床或专用机床，应力求便于自动上，下料或纳入自动线，并 便于排除铁屑； （7） 尽可能减小机床占地面积； 无锡太湖学院学士学位论文 6 （8） 机床外形美观，大方。 2.2.3 影响总体布局的因素影响总体布局的因素 （1） 机床的运动及其分配对布局的影响； （2） 机床所加工工件（极限范围）对布局的影响； （3） 机床性能对布局的影响； （4） 操作，观察与调整对布局的影响。 2.2.4 简述数控车床的特点简述数控车床的特点 此数控车床用于加工回转体零件，它集中了卧式车床，转塔车床，多刀车床，仿形车床，自动和半自 动车床的功能，是数控机床中产量最大的品种之一，数控车床不需要人工操作，也没用机械操作元件，机 床在防护罩的保护下工作，只能通过防护罩上的玻璃观察车床工作情况，因此数控车床的布局存其自身无 法与其他车床比拟的优点，好处。 2.2.5 数控车床总体设计方案数控车床总体设计方案 1 （1） 床身及底座 此数控机床加工范围中最大的加工直径为 200mm，最大加工长度为 750mm，范围较 大，因此一般只能选用卧式，且由于数控车床不需手操作和为了便于排屑，往往将卧式 床身作成倾斜式（45和 60两种常用） ，45床身主要是重心稳定，这样加工精度也会 随之变得便于保证，而缺点是径向宽度会加大，车床底座也相应的加大，而 60床身落 屑更方便，缺点是重心不如 45稳定，比较之下，本套数控机床选用 45床身，而且床 身及底座采用铸造方式，铸适床身，吸振性好，多用于精度要求高的机床及大型机床， 且床身采用中空箱式结构，强度比卧式普通车床的床身高。 （2） 刀架 刀架装在主轴的右侧面，这显然是为方便操作者操作而采用的布局，刀架的位置决 定了主轴的转向应与普通车床相反，而且数控车床不用担心切削飞溅伤人，所以切削速 度可以提高，以便于充分发挥刀具的切削性能且刀架为液压回转刀架，回转刀架换刀时， 首先是刀盘松开，之后刀盘就运转位到达指定刀位，最后刀盘复位夹紧，刀盘的旋转有 正转和反转两个方向，靠液压马达来控制刀架有 6 个工位，可能 12 把刀，且刀架中安有 切削液出口。 （3） 进给系统 a.导轨： 本数控车床是双轴数控车床，其 X 方向 Z 方向的导轨采用滚动导轨，滚动导轨运动 方便，轻捷，摩擦力小，摩擦发热少，磨损小可避免爬行，可得较高的定位精度，尾架 导轨模仿 C6140 导轨，采用了直接铸造加工，经淬硬加工，磨削，可得较高精度及较高 耐磨性，另外，此导轨与 Z 方向导轨都是斜置在 45床身上，滚动导轨靠压板固定，而 尾架导轨则采用闭式导轨（因其承受一定的颠覆力矩）故采用三角形与矩形相结合的导 轨，其具有导向性好，制造方便及刚度高的优点。 b.丝杠与伺服电机： 数控机床都取消了进给箱，采用了伺服电机带传动滚珠丝杠进行进给，并将丝杠布 置车身两 Z 向导轨之间及 X 方向两导轨之间消除了倾覆力矩影响，并利用伺服电机带传 动，精度随之大幅度提高，且滚珠丝杠灵敏度，定位精度较高，并可防止爬行，且传动 效率高，可达 85%-98%，是普通滚动丝杠副的 2-4 倍，滚之丝杠副的摩擦角小于 1，因 半闭环数控车床总体设计 7 此不自锁。 c.溜板： 床身中部为刀架溜板，底层为纵向（C 向）溜板，可以延床身导轨作移动，上层为橫 向（X 向）即床身倾斜方向，溜板都靠滚珠丝杠带动。 （4） 尾座 尾座是液压尾套座，套筒的伸进伸出靠液压控制，但大的行程则靠手动来移动尾架。 并利用偏心轮机构对尾座进行夹紧，尾架安装在铸造的滑动导轨上。 （5） 排屑机构 选用型号为 QPJL225 型平板链式排屑装置，排屑机构把它安放在底座中，并在底座 上端开有排屑槽，使铁屑延防护板和切削液一起流入排屑装置中通过平板链输送到积屑 箱里，此排屑装置还具有分流切削液功能，切削液从排屑装置头部直接流回冷却系统中 的冷却箱。 （6） 冷却机构 冷却箱体与底座铸造在一起，主要是为满足厂方需要，冷却箱体有两个腔，中间有 一带孔隔壁，起到初步过液作用，再利用冷却泵的过滤网进行三次过液，把切削液用冷 却泵打出，通过管道，从刀架的出水口喷出，进行循环。 （7） 主轴箱 主轴箱采用铁架三角式，它跨度较大，斜卧式车床身上，利用导轨安装面定位，所 以精度较高，且主轴箱与床身给合面较大，重心低，稳重足以承受任何切削力。主轴箱 上安装有主轴，编码器。张紧安装床身上，并可以调节安装位置。 （8） 液压系统 本机采用独立液压站，但是按厂方要求，为便于搬运，安装，把独立液压给安放在 底座之上。 （9） 电气箱 电气箱与液压系统并排放在一起，但当中隔开了一段距离，以防液压站受热影响电 气控制。 （10） 外壳 外壳采用闭式结构，使机床工作时绝无半点铁屑，切削液飞出，便于操作及使工作 环境舒适，加上便捷的移门及各处的小门使机床工作及维护更加方便。 （11） 防护板 为了便于落屑及保护导轨，应装上导轨防护板，使机床寿命大大加强。 （12） 传动方式 常见的传动方式有带传动，链传动，圆柱齿轮传动，锥齿轮传动，蜗杆传动等。 （1) 带传动的类型很多，机床上常用的有 V 带传动，平带传动和同步带传动。 V 带有普通 V 带和窄 V 带，窄 V 带传动比普通 V 带传动具有传动能力高，结构尺寸小，极限转速 高，寿命较长，节能等优点，应用日趋广泛。 高速平带传送一般用于带速超过 30m/s 的高速，精磨机床，它与 V 带传动比较，具有带的厚度薄体 轻，质量均匀，运转平稳，吸振性好的特点，其缺点是寿命短，效率低。 同步带是工作面为齿形的环形传送带，靠与带轮啮合传动。 无锡太湖学院学士学位论文 8 它具有传动比准确，轴压力小，结构紧凑，传动间距，以及可在低速下传递动力等优点，但是制造和 安装要求高，其一般参数：线速度 v50m/s，功率 P300kw，传动比 i10，效率 =0.92-0.98,工作温度- 20-80，主要用于要求同步的或低速的传动，适合于中心距较大的传动，带具有良好的弹性可缓和冲击， 吸附振动。 （2）链传动 与带传动相比，链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比，需要的张紧力小，作用在轴 上的压力也小，可减小轴承的摩擦损失，结构紧凑，能车温度较高，有油污等严劣环境条件下工作与齿轮 传动相比，链传动的制造和安装精度低，中心距大时，其传动结构简单，链传动的主要缺点是：瞬时链速 和瞬时传动比不足常数，因此传动平稳性较差，工作中有一定的冲击和噪声，目前，链传动广泛应用于矿 山机械，农业机械，石油机械，机床及摩托车中，通常链传动的传动比 i8，中心距 a5-6m，传递功率 p100kw，圆周速度 v15m/s，传动效率约为 0.95-0.98。 本机床主轴上用楔形带与电机相连，与编码器用同步齿形带。如图 2.1 所示： 图 2.1 数控机床传动结构图 2.2.6 数控车床总体设计方案数控车床总体设计方案 2 由于方案 1 是最初拟定的，仔细设计下去难免会发现许多不足之处，有待改进，故在第 1 方案的基础 上考虑了第 2 方案，第 2 方案与第 1 方案相比较，具有的好处是结构紧 凑，外形尺寸有了较大的减小，这样就可以减少机床占地空间，但第 2 方案同第 1 方案相比也有其不足之 处，那就是经济性，成本变高了。 现将第 2 方案与第 1 方案的不同之处简述如下： （1) 排屑机构 第 1 方案排屑机构和冷却系统是分开的，不结合成一个整体。现将其改用一种排屑机构与冷却机构合 二为一的装置，简图可参见部件设计中的排屑装置部分（本说明书）。 （2) 床身，底座结构 随着排屑机构与冷却系统空间的压缩，底座也可随之减少许多，具体结构如图 2.2 所示： 半闭环数控车床总体设计 9 图 2.2 数控机床底座俯视图 床身是机床中最为重要的部分，因所有的部件都与它安装，有一定联系，它结构的好坏决定了机床的 性能及加工精度的高低，所以经过商量，查资料，问询厂部技术科，经许老师的指导，故我们仍选用 45 床身。 （3）主轴箱 铁三角式主轴箱，性能相当的稳定，且定位精度也较高，制造方案为铸造，可吸振。 （4) 液压系统 由于考虑第 1 方案时，厂方要求将独立液压站放在底座上，做成整体式，以便于搬运，外形完整，没 有露在外面的部件。但经几个厂的实物参观，并且资料的查询，可得出，其这一要求并没有必要，而且液 压站发热，与底座联结在一起后易发生热变形，从而影响机床的精度，所以决定采用将独立式液压站放在 地面上的方案，这样灵活性也较好，且便于维修。 2.2.7 数控车床总体设计方案的确定数控车床总体设计方案的确定 （1） 车床为机，电，液三位一体，按照人体工程学宜人化进行布局设计，全封闭 防护，操作简捷，使用方便。 （2） 机床采用卧式车身，45倾斜导轨布局的形式，以利于排屑。床身为整体高 刚性结构。 （3） 矩形轨道，采用宽支撑窄导向的设计以增强运动的平稳性。 （4） 床身左端为主轴箱，其结构简单，无齿轮传动，主轴由交流调速主轴电机驱 动，机床在低速下也具有高功率输出，恒功率区宽。机床可以无级调速和恒线速度切削， 有利于降低端面加工时的表面粗糙度，并且便于选取最能发挥刀具切削性能的切削速度。 （5） 主轴轴承为超精密角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承以保证主轴的刚度和精 无锡太湖学院学士学位论文 10 度。主轴轴承采用高润滑，低温度，热变形小。 （6） 机床纵向和横向运动均采用交流伺服电机，它们两者均直接采用消隙联轴器 把电机与滚珠丝杠连接起来。纵向驱动直接安装在纵向床身导轨之间。电机采用直接配 有脉冲解码器，可以直接反应滚珠丝杠的精度。机床采用节歇润滑系统对床身轨道，床 鞍和滚珠丝杠等部件集中润滑。 （7） 机床卡盘采用液压控制。液压夹紧油缸为高速卡盘液压缸，卡盘为高速液压 卡盘，卡盘的松紧由控制面板上的按钮来控制。 （8） 机床尾座亦采用液压控制。通过液压油来控制尾座套筒的进退，它是由控制 面板上的按钮来控制的。 （9） 车床的床鞍溜板导轨上装有 8 位的电动轨塔刀架，它具有分度转位快，平稳 可靠，无渗透等优点。分度控制采用编码器和接近开关，电气设计上增加了双保险安全 保护环节以确定电机的安全，换刀准确。 （10） 机床配有自动对刀仪，通过接触式传感器，可以快而准确的测出刀具安装时 的偏差值，传输给计算机系统，在加工时可进行刀具的自动补偿。 （11） 机床具有良好的扩展性，机床配有排屑器，实现自动排屑。机床配有防护外 壳。 （12） 机床数控系统配有日本 FANUC6T CNC 系统。 当然了，以上两个方案虽然经过我们的深思熟虑，且经过实地考察，厂家参观，机 床测绘及资料的查问，厂技术科的指导，但由于最终方案还是由自己考虑定下来的，其 错误欠妥之处肯定在所难免，这与我们自身实践经验的缺乏有一定的关系。在这里，恳 切各位老师评阅后批评指正。 半闭环数控车床总体设计 11 3 数控车床总体设计数控车床总体设计 3.1 数数控控机机床床的的工工作作原原理理 数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数 控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速，启停，进给运动方向的速度和位移大小，以及其它诸如刀 具选择交换，工件夹紧松开和冷却润滑的启，停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照数控程 序规定的顺序，路程和参数进行工作，从而加工出形状，尺寸与精度符合要求的零件。 如图 3.1 所示，数控机床由以下几个部分组成： 图 3.1 数控机床工作原理简图 3.2 数数控控机机床床的的组组成成 3.2.1 程序编制及程序载体程序编制及程序载体 数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令，加工零件进行时，工艺分析的基础上，确定：零件坐 标系车床坐标系上的相对位置，即零件在机床上安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的 工艺路线或加工顺序；主运动的启停，换向，变速；进给运动的速度，位移大小等工艺参数，以及辅助装 置的动作。这样便得到零件的所有运动，尺寸，工艺参数等加工信息，然后用标准的由文字，数字和符号 组成的数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行，或 则在数控机床以外用自动编程计算机系统来完成，比较先进的数控机床，可以在它的数控装置上直接编程。 编好的数控程序，存放在便于输送到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带，录音磁卡，软 磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。 3.2.2 输入装置输入装置 它的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。根据程序存储 介质的不同，输入装置可以是光电阅读机，录音机或软盘驱动器。有些数控机床，不用任何程序存储载体， 而是将数控程序单的内容通过数控装置上的键盘，用手工方式（MDI 方式）输入，或将数控程序由编程计 算机用通信方式传送到数控装置。 3.2.3 数控装置及强电控制装置数控装置及强电控制装置 数控装置是数控机床的核心，它接受输入装置送来的脉冲信号，经数控装置的系统软件或逻辑电路进 行编译，运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的，有序的动作。这些 控制信号中最基本的信号是：经插补运算决定的各坐标轴（即作进给运动的各个执行部件）的进给速度， 进给方向和位移量指令，送伺服驱动系统驱动执行部件进行进给运动。其他还有主运动部件的变速，换向 和启停信号，选择和交换刀具指令信号，控制冷却，润滑的启停，工件和机床部件松开，夹紧等辅助指令 信号等。 强电控制装置是介于数控装置和机床机械，液压部件之间的控制系统。其主要作用是接收数控装置输 出的主运动变速，刀具选择交换，辅助装置动作等指令信号，经必要的编译，逻辑判断，功率放大后，直 接驱动相应的电器，液压，气动和机械部件，以完成指导所规定的动作。此外，还有开关信号经它送数控 装置进行处理。 无锡太湖学院学士学位论文 12 3.2.4 伺服驱动系统及位置检测装置伺服驱动系统及位置检测装置 伺服驱动系统是由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数 控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度，方向和位移。每个 作经给运动的执行部件都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统有开环，半闭环和闭环之分。在半闭环和 闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进 行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。 3.2.5 机床的机械部件机床的机械部件 数控机床的机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台，拖板及其传动部件和床身立柱 等支撑部件，此外，还有冷却，润滑，转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀 具的刀库，交换刀具的机械手等部件。数控机床机械部件组成与普通机床相似，但是传动结构要求更为简 单，车精度，刚度，抗振性等方面要求更高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。 综上所述，机床的五大部分，在我们实际设计中，我们主要考虑以下两个方面。 数控部分： 可以采用一个集成线路板及一些电器元件集成块。利用编程器直接对其控制，可以在机床的数控装置 上直接编程以实现机床上的各系统的运动，如：刀具与零件相对运动；零件的加工，工艺路线和加工顺序； 主运动的启，停，换向，变换；进给运动的速度，位移大小等。 机械部件： 则是这次设计的全部内容：我们将对以下几点进行部分设计，布局，计算： （1） 主轴，主轴由交流调速主轴电机驱动，机床在低速下也具有高功率输出，恒功率区宽。 （2） 进给系统，x 向与水平面呈 45方向进给，z 向导轨倾斜 45放置。机床纵向和横向运动均采 用交流伺服电机，它们两者均直接采用消隙联轴器把电机与滚珠丝杠连接起来。 （3） 床身部件，底座部件。这是大件须考虑布局及各部件在其上的安装及地基的安装； （4） 尾架，卡盘均采用液压控制，尾座是液压尾套座，套筒的伸进伸出靠液压控 制，但大的行程则靠手动来移动尾架。并利用偏心轮机构对尾座进行夹紧，尾架安装在 铸造的滑动导轨上。液压夹紧油缸为高速卡盘液压缸，卡盘为高速液压卡盘，卡盘的松 紧由控制面板上的按钮来控制。 （5） 外壳。按照人体工程学宜人化进行布局设计，全封闭防护，配有手拉门，操作简捷，使用方便。 3.3 参参数数确确定定 3.3.1 主参数和基本参数主参数和基本参数 本数控车床主要技术参数： 允许最大工件回转直径：300mm 最大切削直径：200mm, 最大切削长度：750mm， 主轴转速范围：40-4000rpm， 主轴通孔直径：40mm， 拉管通孔直径：20mm， 刀架有效行程：X 轴 200mm Z 轴 750800mm 安装刀具数： 12 把， 尾座套筒直径：80mm， 尾座套筒行程：66mm， 主轴电机功率：6.5/8kw 电动机输出功率：7.5kw 半闭环数控车床总体设计 13 进给伺服电机功率： X 轴：0.9kw； Z 轴：0.9kw； 机床外形尺寸： 257520001900 为了方便各部门设计时，所考虑到的受力情况，现将切削力计算如下：有了切削力也就可以依据它， 设计进给系统，刀架，主轴卡盘的夹紧，液压尾座的行程等等。 3.3.2 切削用量的选择切削用量的选择 切削用量的计算 （本计算过程均参考金属切削手册） 切削深度 t： 半精切 取 t=5mm。 进给量 s： 半精切，用硬质合金车刀， s=0.5mm/r。 切削速度 v： 半精切，用硬质合金车刀 v=130160mm/r。 刀具的选择： 用主偏角 Kr=75的硬质合金车刀车直径为 200mm 的中碳钢。 切削厚度： a=0.46mm 切削切除率： mmmm tDtsnZw /103 . 2 )( 35 当 a=0.46mm 单位切削功率分）（毫米千瓦/10)35 . 2( 35 范围内取 分）（毫米千瓦/108 . 2 35 Ns 切削切除率 kw44.6 ws ZNN切 按工件直径及转速计算切削速度 min/ 3 . 94 1000 m nD v 主切削力: N v N P Z 4096 fkg4180 6120 切 3.3.3 运动参数和动力参数的计算运动参数和动力参数的计算 确定计算转速 n： 数控机床采用直流或交流无级调速电动实现无级调速时，应按电动机的恒功率输出转速范围的低转速。 （额定转速）来确定计算转速： 主切削力： 无锡太湖学院学士学位论文 14 N=4096.4N 主轴需转矩： mNM64.409 max 计算转速： min/175 6 .409 5 . 7 9550 r n 3.4 数数控控车车床床传传动动系系统统图图 数控机床的传动系统图如图 3.2 所示。 图 3.2 数控车床传动系统图 注： 1.伺服电机与滚珠丝杆之间用联轴器联接； 2.尾架手工移动、固定，顶针伸缩液压实现； 3.刀架转位、夹紧松开液压实现； 4.换刀装置可采用液压控制或电动控制。 半闭环数控车床总体设计 15 3.5 数数控控车车床床总总体体联联系系图图 数控车床总体布局图如图 3.3 所示。 图 3.3 数控车床总体联系图 部分主要部件名称： 1 窗玻璃 23 精密滚珠丝杠（Z 轴） 2 尾架顶尖 24 Z 向拖板 3 液压尾架 25 X 向拖板 4 通油管 26 电动刀架 5 排屑装置 28 机壳 7 移门 29 带轮 8 主轴 30 张紧轮 9 液压卡盘 33 冷却泵源 10 主轴箱 34 减压阀 13 主电机 38 电气柜 14 接头 40 底板 15 回转油缸 41 油箱 16 楔形带 42 油箱部件 17 同步带 43 电动机（液压站） 18 编码器（主轴） 44 集成块 19 滚动导轨（Z 轴） 45 顶板 无锡太湖学院学士学位论文 16 20 联轴器（Z 轴） 47 铰链 21 联轴器（Z 轴） 48 液压站 22 尾架底座（除尾座） 3.6 机机床床的的润润滑滑与与维维护护 该机床属于机电一体化高技术产品，各部件的精度要求都很高，经常维护和良好润 滑，可以保持机床的精度，延长机床的使用寿命。 机床主轴前后轴承的精度高、转速高，因此用高级进口高速润滑脂润滑，每注一次 润滑脂，可以正常使用一个大修期。滚动导轨为导轨座注油式，用专业油枪注入优质钾 基润滑脂，每次以注满为宜，每次注完可连续运行 30km，滚珠丝杠润滑方式与滚动导轨 相同，也可直接涂于丝杠表面，其余轴承等应每一年涂一次钾基润滑脂，涂脂前应将轴 承清洗干净，不得有污物或异物混入。 尾座套筒与尾座底座与床身导轨间为油润滑，尾座体上有一油杯（总共 3 个）每班 需注 1 至 2 次，50 号机油，以适量为宜。 本机床按每日三班制正常使用情况下，应每八年大修一次，在此期间，应三年内中 修一次，以检查机床各部是否正常，在适当的时间内，应小修一次，间隔时间视具体情 况确定，一般以一年左右为宜。每维修一次，应注意按之前的说明进行维护和润滑。 半闭环数控车床总体设计 17 4 数控车床部件设计数控车床部件设计 4.1 机机床床底底座座，床床身身大大件件类类的的设设计计要要求求，方方法法 机床大件通常是指床身，箱体，底座等尺寸和重量较大的零件。一台机床的大件数 量虽然不多，但是重量却占了机床总量的 8085，而且这类大件是整台机床的基础和 支架，机床的其他零部件，或者固定在大件上，或者在大件的导轨上运动。因此，为了 保证这些零部件工作时的相对位置和相对运动具有足够的精确度，以及使整台机床在工 作时不出现振动，对这类大件的设计，一般都要提出下列要求： （1） 工艺性良好，易于制造和装配。 （2） 静刚度良好，在最大允许载荷时，变形量不超过规定值。 （3） 动刚度好，在预订的切削条件下工作时不产生振动。 （4） 温度场分布合理，工 作时的热变形对加工精度的影响小。 （5） 结构设计合理，铸造应力小，能长期地保持规定精度。 （6） 大型机床大件的运输和吊装方便。 （7） 排屑容易，冷却液和润滑油的渠道通畅，电气，液压部件的安装位置合理。 机床大件的设计，目前主要是根据生产中使用性能良好的同类型产品的同类型大件 进行类比设计。但由于各种机床的受力情况和工作要求不尽相同，为了使类比设计能符 合实际需要，并进一步提高机床大件的设计水平，应对机床受力情况，静刚度，动刚度 和热变形特性进行分析，以确定各大件的合理组合和设计出性能良好，工艺简单的大件 结构。 对一些高精度机床，大型机床或者所设计的机床缺乏可供参考的同类机床时，就需 要对机床大件受载后的变形量和刚度进行分析，以便对比，选择各类结构。 4.2 机机床床的的振振动动和和提提高高刚刚度度措措施施 4.2.1 机床振动的类型机床振动的类型 机床振