数控车床设计.doc

目录0摘要-3-1引言.-6-第一章 设计方案的确定- 9 -一 总体设计方案的确定- 9 -二 机械部分的设计与计算- 10 -（一）纵向进给系统的设计选型- 10 -(二) 横向进给系统的设计与计算- 15 -第二章 步进电动机的选择- 19 -一步进电动机选用原则- 19 -二步进电机的选型- 20 -（一）纵向进给系流步进电机的确定- 20 -（二）横向进给系流步进电机的确定- 20 -（三）110BF003型直流步进电机主要技术参数- 20 -（四）110BF004型直流步进电机主要技术参数- 21 -第三章经济型数控系统选型- 21 -第四章 电动刀架的选型- 22 -第五章 编制零件工序及数控程序实例- 23 -一机床设计参数的选择- 23 -（一）车床纵向运动由Z向步进电动机控制- 23 -（二）车床横向运动由X向步时电动机控制- 23 -二程序设计- 23 -（一）数控机床参数及约定- 23 -(二) 编程参数说明- 23 -参考文献- 27 -体会- 28 - 摘要1947年，Parsons公司的John Parsons着手进行一项实验，他想用空间数据控制机床加工飞机零件。1949年，Parsons公司与美国空军签定了制造第一台数控机床的合同。1951年， 美国麻省理工学院承担了这一项目。1952年，麻省理工学院（MIT）使用实验室制造的控制器和辛辛那提立式主轴展示三轴联动获得成功，这标志着数控时代的到来。到了1955年，几经改进之后，数空技术开始应用于生产。早期的NC机床能运行穿孔卡和穿孔带，两者中以穿孔带更为通用。但是，鉴于更换、编辑纸带费时费力，后来便采用计算机作为编程的辅助工具。计算机在数控中的应用有两种形式：一是计算机辅助编程语言，二是实施直接数字控制（DNC），有了计算机辅助编程语言，程序员可用一套通用“混杂英语”命令编写NC程序，然后由计算机将其释译为机器码并制成穿孔带。直接数字控制是指用一台计算机对一台或多台数控机床实施部分或整体控制。虽然有些公司运用DNC已获得成功，但是，扩大计算机容量、购买软件、协调DNC系统等花费使这种系统并不适合所有公司，而只适用于一些大公司。最近，一种叫做分布式数字控制的新型DNC系统已经开发出来，它用计算机网络来协调多台DNC机床的运行。这种方式最终有可能用来协调整个工厂的运转。这种分布式数字控制方法解决了协调直接数字控制系统时遇到的一些难题。在此基础上，人们还开发出另一种分布式数字控制系统，其整个NC程序可从主机直接传输到机床控制器。另外，该系统也可在必要时将程序从主机传输到车间的个人电脑（PC），然后再传输到机床控制器工业机器人是在生产环境中用以提高生产效率的工具,它能做常规乏味的装配线工作,或能做那些对于工人来说是危险的工作,例如,第一代工业机器人是用来在核电站中更换核燃料棒,如果人去做这项工作,将会遭受有害放射线的辐射。工业机器人亦能工作在装配线上将小元件装配到一起，如将电子元件安放在电路印制板，这样，工人就能从这项乏味的常规工作中解放出来。机器人也能按程序要求用来拆除炸弹，辅助残疾人，在社会的很多应用场合下履行职能。机器人可以认为是将手臂末端的工具、传感器和（或）手爪移到程序指定位置的一种机器。当机器人到达位置后，它将执行某种任务。除了编程以及系统的开停之外，一般来说这些工作可以在无人干预下完成。关键字：加工精度，设计方案，分配，参数0 引言回顾即将过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果，无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。超精密加工技术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作用。有人对海湾战争中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究，发现其中在间谍卫星、超视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面，与超精密加工技术有密切的关系。可以说，没有高水平的超精密加工技术，就不会有真正强大的国防。超精密车床要求其数控系统具有高编程分辨率（1nm）和快速插补功能（插补周期0.1ms）。基于PC机和数字信号处理芯片（DSP）的主从式硬件结构是超精密数控的潮流，如美国的NAN OPATH和PRECITECHS ULTRAPATH TM都采用了这一结构。数控系统的硬件运动控制模块（PM AC）开发应用越来越广泛，使此类数控系统的可靠性和可重构性得到提高。我国国防科技大学研制开发的YH1型数控系统采用ASW824工业一体化PC工作站为主机，用ADSP2181信号处理器模块构成高速下位伺服控制器。模块化、构件化是超精密车床进入市场的重要技术手段，如美国ANORAD公司生产各种主轴、导轨和转台，用户可根据各自的需要组成一维、两维和多维超精密运动控制平台和车床。研制超精密车床时，布局就显得非常关键。超精密车床往往与传统车床在结构布局上有很大差别，流行的布局方式是“T”型布局，这种布局使车床整体刚度较高，控制也相对容易，如Pneumo公司生产的大部分超精密车床都采用这一布局。模块化使车床布局更加灵活多变，如日本超硅晶体研究株式会社研制的超精密车床，用于车削超大硅晶片,采用三角菱形五面体结构，用于提高刚度；德国蔡司公司研制了4轴精密车床AS100，用于加工自由形式表面，该车床除了X、Z和C轴外，附加了A轴，用于加工自由表面时控制砂轮的车削点。此外，一些超精密加工车床是针对特殊零件而设计的，如大型高精度天文望远镜采用应力变形盘加工，一些非球面镜的研抛加工采用计算机控制光学表面成形技术（CCOS）加工，这些车床都具有和通用车床完全不同的结构。由此可见，超精密车床的结构有其鲜明的个性，需要特殊的设计考虑和设计手段。为保证超精密车床有足够的定位精度和跟踪精度，数控系统必须采用全闭环结构，高精度运动检测是进行全闭环控制的必要条件。双频激光干涉仪具有高分辨率（如ZYGO AX10MTM 2/20分辨率为1.25nm）与高稳定性，测量范围大，适合作车床运动线位移传感器使用。但是双频激光干涉仪对环境要求过于苛刻，使用和调整非常困难，使用不当会大大降低精度。根据我们的使用经验，德国Heidenhain公司生产的光栅尺更适合超精密车床运动检测，如该公司LI P401,材料长度220mm，分辨率为2nm，采用Zerodur材料制成几乎达到零膨胀系数（0.1ppm/k），动静尺间隙为0.60.1mm，对环境要求低，安装和使用方便，如Nanoform2500和Opt imum2400超精密车床都使用了Heidenhain光栅尺。在数控软件方面，开放性是一个发展方向。国外有关开放性数控系统的研究有欧共体的OS ACA、美国的OMAC和日本的OSEC。我国国防科技大学在此基础上提出了构件化多自由度运动控制软件，可根据车床成形系统的布局任意组装软件，符合车床模块化发展的方向。1.序言课题简介：本课题是围绕将普通机床设计成经济型数控机床展开设计的，经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行设计，实现数控化、自动化。经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床设计，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行设计后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。利用微机设计现有的普遍车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给设计成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床，即经济型数控车床。 进行数控机床的设计是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控设计，大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术设计主要方向之一。 第一章 设计方案的确定一 总体设计方案的确定由于是对车床进行数控设计，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用前提下，对同床的改动尽可能少，以降低成本。根据这一原则，决定数控系统采用开环控制；传动系统采用滚珠丝杠螺母传动；驱动元件采用步进电动机；数控系统采用JWK型系统；刀架采用自动转位刀架。这样车床既保留原有功能，又减少了设计数量。二 机械部分的设计设计与计算将普通车床设计成数控机床，除了增加控制系统外，机械部分也应进行相应的设计，其中包括：纵向和横向进给系统的设计选型，以及自动转位刀架的选型。（一）纵向进给系统的设计选型1、经济数控车床的设计，采用步进电动驱动纵向进给，有两种方案：一种是步进电机驱动丝杠螺母固定在溜板箱上；第二种是纵丝杠固定、电机安装在溜板箱上，驱动螺母传动。对于车床的设计而言，采用第一种方案显然简单易行。所以步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。从改装方便，实用等方面考虑，所以将步进电机放在丝杠的左端。2、纵向进给系统的设计计算，已知条件：工作台重量：W=80kgf=800N时间常量： T=25ms行 程： s=640mm步 驱 角： 2=0.75o/step快速进给速度：Vmax=2m/ms脉冲当量： 8p=0.01mm/8tep（1）切削力的计算由机床设计手册得公式 No=Nd （公式一）其中 NO 为传动件的额定功率Nd主电机的额定功率，见使用说明书得：Nd=4.5 kw 从电机到所计算的传动轴的传动效率（不含轴承的效率）从电机到传动轴经过皮带轮和齿轮两种传动件传动，所以=n1n2 由机床设计手册得n1 =0.96 n2=0.99所以：=0.960.99=0.9504 取 =0.95即N=40.95=3.8（kw）又因为主传动系统效率一般为0.60.7 之间，所以取0.65所以NC（进给效率）=3.80.65=2.47（kw）由机械加工工艺手册得Pm= 9.8 （公式二）式中Vs 切削速度，设当其为中等转速，工件直径为中等时，如D=40mm时，取Vs=100m/min主切削力FZ = =151.164（Rgf）=1511.64N由机床设计手册得主切削力FZ=CFzapxfxfyfzkfz(经验公式) CFzapxfx fyfz kfz (公式三)对于一般切削情况，切削力中的指数xfx1FZ=0.75 Kfz0CFZ=188kg/2=1880MpaF2的计算结果如下：ap()222333f()0.20.30.40.20.30.4Fz(N)10515241891168122872837为便于计算,所以取Fz=1511.7N,以切削深度ap=2走刀量f=0.3为以下计算以此为依据。由机械床设计手册得，在一般外圆车削时，Fx（0.10.6）FZFy(0.150.7)Fz取Fx=0.5 Fz Fy=0.6FzFx=0.51511.7=755.9(N)Fy=0.6 Fz=0.61511.7=907.0(N)（2）滚珠丝杠的设计计算由经济型数控机床总设计，综合车床导轨丝杠的轴向力得P=RGx+f（Fz+w） (公式四)其中R=1.15 , f=0.150.18 取f=0.16P=1.15755.9+0.16(1511.7+800) =1239.2(N)强度计算寿命值Li= （公式五）ni= （公式六）由机床设计手册得Ti=15000h,原机床丝杠螺距为60， D=80ni= =19.920(r/min)Li=18最大动负Q=PfwfH (公式七)其中 运载系数fw=1.2硬度系数Fh=1Q=1.21239.21 =3897.1(N)根据最大动力负载荷Q的值，查表选择滚珠丝杠的型号为W50103.51，查表得数控车床的纵向精度为B级，左旋即型号为W50103.51/B9001000其额定载荷是3970N效率计算根据机械基础得，丝杠螺母副传动效率为= (公式八)由机床设计手册得4一般为812取4=10即：摩擦角4=10，螺旋升角（中径处）r=3O25则= =0.953 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量L1= (公式九)其中 LO=10=1E=20.6106N/2滚珠丝杠横截面积 F=() d为滚珠丝杠外径 =（）23.14 =18.47(2) 则L1=3.25610-63.27um查机床设计手册，B级精度丝杠允许的螺距误差（900螺丝长度）为25nm/m ，因此，丝杠的刚度符合要求。即刚度足够。稳定性验算由于原机床杠径为30，现选用的滚珠丝杠为50，支承方式不变。所以，稳定性不成问题，无需验算。齿轮及转矩的相关计算此齿轮为普通减速器的齿轮且减速器为一般机器，没有特殊要求，从降低成本，减小结构尺寸和易于取材的原则出发，决定小齿轮选用45钢调质，齿面硬定为217255HBS。大齿轮选用45正火，齿面硬度169217 HBS。传动比i=其中2表示步驱角，89表示脉冲当量i=2.1取齿数z1=30, Z2=63 模数m=2mm, 啮合角为200，小齿轮齿宽为25，大齿轮齿宽20。d1=mz1=230=30d2=mz2=263=126da1=m(z1+2)=2(30+2)=64a=93齿轮传动精度计算齿轮圆周速度VV=4.2(m/s)根据齿轮圆周速度和对噪音的要求确定齿轮精度等级侧隙分别为：小齿轮：8GJ大齿轮：8FL传动惯量的选择工作台质量折算到电机轴上的转动惯量J1=()2W =()280 = 0.467kg. 2丝杠的转动惯量Js=7.810-4D4L1=7.8-4(50)414.9 =7.26(kg. 2)齿轮的转动惯量JZ1=7.810-4(60)42=2.02(kg. 2)JZ1=7.810-4(126)42=39.32(kg. 2)由于电机的传动惯量很小，一般可忽略不记所以总的传动惯量为 J总=(Js+Jz2)+Jz1+J1 =(7.26+39.32)+2.022+0.467 =14.50(kg. 2) =145.0(N. 2)所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩 M=Mmamx+Mf+MO （公式十二）最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三）快速进给时所需力矩 M=Mf+MO （公式十四）式中Mmamx 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。 Mf 折算到电机轴上的磨擦力矩。 MO 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 Mat 切削时折算到电机轴上的加速度力矩。Mt 折算到电机轴上的切削负载力矩。Ma=10-4（N.m）其中T=0.025 (公式十五)当n=nmax时，Mamax=Ma nmax=400(r/min)Mamat=10-4=24.17(kgf.cm) =241.7(N.cm)nt= =25.08(r/min)Mat=10-4=1.51(kgf.cm) =15.1(N.cm)Mf=当=0.8，f=0.16时，Mf=1.213(kg.cm) =12.13(kg.cm)MO=(1-o2)当=0.9时，预加荷PO=FxMO= =0.40334.03(N.cm)Mt= =6.368(kg.cm)=63.68(N.m)所以，快速空载启动所需力矩M快空= Mamax+Mf+MO 241.7+1.213+4.03 =257.86(N.cm)切削时所需力矩M切= Mat+ Mf+ MO +Mt=15.1+12.13+4.03+63.69=94.95(N.cm)快速进给时所需力矩M快速= Mf+MO =12.13+4.03=16.16(N.cm)由以上计算可得所需最大力矩Mamax发生快速启动时Mamax= M快速=257.86(N.cm)(二) 横向进给系统的设计与计算（1） 横向进给系统的设计经济数控车床设计的横向进给系统一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动.步进电机安装在大拖板上,用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来,以保证其同轴度,提高传动精度。（2）此处省略NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN字。第二章 步进电动机的选择一步进电动机选用原则合理选用步进电机是比较复杂的问题，需根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确的选择。（一），步距角应满足：=式中i传动比amin系统对步进电机所驱动部件的最小转角（二） 精度步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差衡量精度比较实用，所选用的步进电机应满足。QmiQs式中Qm步进电机的积累误差。Qs系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。（三）转距为了使步进电机正常运行（不失步、不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑；启动力矩，一般启动力矩选取为Mq式中Mq电机启动力矩ML0电机静负载力矩在要求在运行频率范围内，电机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机的转动惯量（包含负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。(四) 启动频率由于步进电机的启动频率随负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：fifopm其中fi极限启动频率fopm要求步进电机最高启动频率二步进电机的选型（一）纵向进给系流步进电机的确定Mq= 取参数为0.4=644.6（N.m）为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式。查手册得知：Mq/Mjm=0.866，所以步进电机最大静转矩Mjm为fmax=3333.3（HZ）综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机能满足使用要求。（二）横向进给系流步进电机的确定Mq=电动机选用三相六拍工作方式查手册得Mq/mjm=0.866Mjm=1.215(N.m)步进电机的最高工作频率fmax=综合考虑，查表选用110BF004型直流步进电机，能够满足使用要求。（三）110BF003型直流步进电机主要技术参数电机型号相数步驱角电压相电流最大转矩最高空载启动率110BF00330.758067.84（80）1500运行频率转子转动惯量线圈电阻分配方式重量外径长度轴径700046.06(4.7)0.37三相六拍611016011参考价原型号350BFG090811（四）110BF004型直流步进电机主要技术参数电机型号相数步驱角电压相电流最大转矩最高空载启动率110BF00430.753044.9（50）500运行频率转子转动惯量线圈电阻分配方式重量外径长度轴径34.3(3.5)0.76三相六拍5.511011011参考价原型号350BFG09041111第三章经济型数控系统选型用数控机床工工件时，首先应编制零件加工程序。这是数控机床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主动的变速、启动、停止、进给运动的方向速度和位移量，以及刀具选择交换，工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、运行轨迹和运行参数进行工作，从而达到加工出符含合要求零件的目的。1数控车床设计后联动轴数为二轴联动且传动精度要求比较高，主要有A850CNC系统和JWK两种系统。经过实际比较分析，JWK系统的核心是MCS-51系列的8031单片微机，其采用ISO国际标准数控代码编程，能自动完成车削端面、内外圆、倒角等功能，并配有完备的S、T、M功能。该系统尔采用模块化设计，内部有计算机等四种模块。更换维修方便快速。A850CNC系统结构简单，集成度高，工艺先进，性能稳定，可维修性很大。根据实际生产需要，以及数控系统的要求，经过实际比较分析，选用JWK系列。其中又以JWK-15T型系统应用最广、功能较强、操作使用更方便。所以，决定使用JWK-15T型数控系统。JWK-15T主要性能参数如下：生产厂家南京微分电机厂江南机床数控工程公司型 号JWK-15T用户容量24K设定单位X=0.005，Z=0.01控制轴数X、Z联动轴数二轴编程尺寸9999.99快速（X/Z）向3/6m/minG功能M00M09，M20M29，M97M99S功能S01S04，S05S10T功能T、XT8X步进电机110BF003工作电源220V10% 50HZ控制精度1步功耗W360环境温度040相对湿度80%（25）外形尺寸（mm）340400200系流重量（kg）17第四章 电动刀架的选型自动转位刀架的设计是普通机床，数控设计的关键。它要求刀架要具有抬起、回转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求不，但它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，提供选用的多把刀的可能性。电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可但要注意两点：1) 电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。2) 电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架系统。综合各方面因素，选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4-I型系列四工位自动刀架。机床型号1刀位数4电机功率（W）120电机转速1400r/min夹紧力1切体尺寸152152下刀体尺161171LD4-I型刀架技术指标配车床型号 1重复定位精度0.005mm工作可靠性30000次换刀时间902.9（秒）1803.4（秒）2703.9（秒）第五章 编制零件工序及数控程序实例一机床设计参数的选择（一）车床纵向运动由Z向步进电动机控制110BF003型直流步进电动机配套丝杠螺距为10泳冲当量：0.01设计后的泳冲当量：0.01（二）车床横向运动由X向步时电动机控制110BF003型步进电动机配套丝杠螺距为8脉冲当量：0.05设计后的脉冲当量：0.05二程序设计（一）数控机床参数及约定脉冲当量：X向（横向）为0.05Z向（纵向）为： 0.01坐标原点为：0点加工起点为：A点安装方法：零件装夹于床头主轴与尾座顶尖之间。采用专用芯轴方式定位。使用方法：专用组合车刀、切刀加工工序说明：此工序为精车加工，零件外部形状尺寸全部成型。零件各部分尺寸预留精车余量0.81.2(二) 编程参数说明加工编程中以球头车刀圆心与加工起点相重合187外圆处侄角计算，见图一。因为AO1=R=2所以BC=22sin45=0.585784CD=O1O=BC/sin45=0.828O2E=10.828=0.17202F=03F=2+0.172=2.172见立体图3、编制程序JWK-15T型数控装置零件加工程序如下：此处省略NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN字。 参考文献1、实用数控加工技术 作者实用数控加工技术编委会出版社：北京、兵器工业出版社 1995年2、实用数控机床技术手册 作者实用数控加工技术编委会出版社：北京出版社 1993年3、机床数控设计设计与实例 作者：余英良出版社：机械工业出版社 1998年4、数控加工程序编制 作者：范炳炎出版社：航空工业出版社 1992年5、经济型数控系统设计 作者：张新义出版社：机械工业出版社 1994年6、机床设计手册 作者：机床设计手册编委会出版社：机械工业出版社 1979年7、毕业设计指导书 作者：李恒权出版社：青岛海洋大学出版社 1993年8、数控机床技术手册 作者：李福生出版社：北京出版社 1996年9、AutoCAD习题精解 作者：姜勇出版社：人民邮电出版社 2000年10、机床数控技术应用 作者：李宏胜出版社：高等教育出版社 2001年11、机械制造工艺设计简明手册作者：李益民出版社：哈尔滨工业大学 1994