1、3.2.1 Z轴丝杠的设计223.2.2 电动机的选择243.2.3Z丝杠轴的结构设计和部件的选择264. 各轴向导轨的计算选择274.1 导轨的选择274.1.1 导轨间隙调整机构的类型选择274.1.2 导轨的的选择284.1.3 导轨的润滑及防护284.2 X、Z轴向导轨的计算选取285. 回转刀台的设计295.1 回转换刀装置的作用295.2 自动换刀装置的的形式及其工作原理295.3 刀架结构设计计算306 总结31致 谢33前言数字控制 （ 数字控制） 简称 （收据控制） 是近代发展起来的一种自动控制技术, 上数字化信号对机床及其加工过程进行控制的一种方法.数字控制机床（Numer
2、al control tool machine）简称数控机床,就是采用了数控技术的机床，或者是装备了数控系统的机床。数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型机电一体化产品。它集高效率、高精度和高柔性于一身，代表了机床发展的主要发展方向。它是机械加工自动化的核心设备。随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量要求也越来越高，单件、小批生产的机械产品比重越来越大，已占到机械加工总量的80%以上，特别是在航天、航空、造船以及国防工业的一些部门，加工批量大、精度要求高、形状复杂的零件很
3、多，不适于采用如汽车、拖拉机等行业所用的大批大量生产的自动机床、组合机床和自动线来加工，而一般机床又难于达到加工要求。在此情况下，产生并发展了数控机床，它有效地适应了产品不断变化、多品种、小批量地自动化生产地需要。1952年，美国的帕森斯公司和麻省理工学院率先研制成功世界第一台坐标数控铣床。数控车床是切削加工的主要技术装备。它能完成的切削加工最多。因此，在机械制造工业中，数控车床是一种应用得较广泛的金属切削机床。数控车床与其他类型的车床相比有下列特点：国际信息处理联盟（IFIP）第五次技术委员会对数控机床定义如下：数控机床是一个装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑的处理具有使用号码，或其他符
4、号编码指令规定的程序。数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上预先给定的数字值，并对其译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件。1、通用性强，生产率高，加工精度高且稳定，操作者劳动强度低。2、适合于复杂零件的加工。3、换批调整方便，适合于多种中小批柔性自动化生产。4、便于实现信息流自动化，在数控车床基础上，可实现CIMS（计算机集成制造系统）。数控机床设计是计算机自动控制机械制造网络通信技术于一体，典型的机电一体化产品。数控技术的高低已衡量一个国家制造水平的核心标志，实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当前制造的发展方向。40年来，它经历了研究试制，工业应用和高速
5、发展的三个阶段，在品种、数量、加工范围与加工精度等方面有惊人的发展。1948年美国帕森斯（Parsons）公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想，并与麻省理工学院合作，于1952年制作了世界上第一台数控机床样板。这是一台三坐标数控立式铣床，采用的是脉冲乘法器原理，其数控系统全部采用电子管元件，我们称之为第一代数控系统。其后，随着电子与计算机技术的发展，数控机床经历了几代变化：第一代 1952-1959年 采用电子管元件第二代 从1959年开始 采用晶体管元件第三代 从1965年开始 采用集成电路第四代 从1970年开始 采用大规模集成电路及小型通用计算机第五
6、代 从1974年开始 采用微处理器或微型计算机80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC FMC和FMS被认为是实现计算机集成制造系统（CIMS）的必经阶段和基础。我国从1958年开始研究数控机床，一直到60年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出实验性样机，开始也是从电子管着手的。70年代针对航空工业等复杂形状零件的急需。从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过3年努力，到1975年已试制生产了40多个品种300多台数控机床。据国家统计局的资料，从1973年-1979年，7年内全国累计生产数控机床4108台。1980年前后我国采取了暂时从国外引进数控装置和伺服驱动
7、系统为国家主机配套的方针，几年内大见成效。目前，我国除具有设计与生产出了柔性制造系统。1984年北京研究所研制成功了FMC-1和FMC-2柔性加工单元，之后又开始了柔性制造系统的开发工作，并与日本FANUC公司合作，在北京机床研究所内建立了第一条柔性制造系统，用于加工直流伺服电机的轴类，法兰盘类，刷架体类和壳体类的14种零件。近年来，依靠我国科技人员的努力，已先后研制成功并在北京，长春等地安装使用了3FMS。现在我国已建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。一些较高档次的数控系统，如5轴联动的数控系统、分辨率为0.02mm的高精度车床用数控系统、数字仿型的数控系统、为柔性制造单元配套的数控系统
8、，也陆续开发出来，并制造出样机。这一切说明，我国的机床数控技术已经进入了一个新的发展时期。预计在不远的将来，我国将会赶上和超过世界先进国家的水平。当前，数控机床技术呈现如下发展趋势1.高精度化2.运动高速化3.高柔性化4.高自动化5.复合化6.高可靠性7.宜人化8.设计CAD化我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床产品的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种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值得自主发展的势头。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
9、的原因外，一个最主要的原因是新产品的开发周期长，不能即使针对用户的需求提供满意的产品。为了促使我国数控机床设计技术的发展，提升国内机床设计人员的整体水平，学校也开展了该方面的设计课程，更多的培养该方面的人才。本设计是CK280数控车床机械机构设计，较详细的设计计算了数控机床各组成部分的结构和工作原理。特别是对主传动系统和进给系统的设计。设计的目的：了解数控车床的机械结构和工作原理； 熟悉数控车床的进给原理和换刀原理；熟悉应用二维软件CAD画图软件绘制装配图；把大学四年所学的知识串联起来，学会很好的学以致用。设计的意义：我国是一个工业大国，近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于
10、工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。在设计中很好的理解数控车床的机械机构，加工原理，利用理论分析与设计运算能力,进一步提高应用计算机绘图的能力，培养学生独立思考问题和解决问题的能力, 能对我今后的学习工作取得更多的帮助和经验。对自我提高是很宝贵的一次机会。本次设计中拟解决的工程实际问题是采用开放式结构，通过该实验台，可以使我能全面掌握数控车床的机械结构、全数字伺服数控系统的电器设计方法、硬件连接、功能参数设置利用该装置不仅可以进行数控系统电气维修实习培训，也可以进行车床编程操作实习，还可以进行电气、机械综合培训实习。可根据各自情况对
11、课程设置的要求，自行设计、组合安装、调试。更好地培养学生的动手能力和分析能力，该装置也可以帮助科研技术人员进一步了解数控车床结构，同时也为技术人员进行数控车床系统的二次开发提供了必要条件。1 数控机床机械部分的组成1.1 主传动系统现代切削正朝着高度，高效和高精度的方向发展，要求机床主传动系统具有更高的转速和更大的无级调速范围；在切削加工中自动化变换速度，机电结构简单。噪声要小，动态性能要好，可靠性要高。数控机床作为高度自动化的机电遗体化设备，其主传动系统的设计一般应满足如下要求。使用性能要求 首先应满足机床运动特性，如机床的主传动有足够的转速范围和转速级数。传动系统设计合理，操作方便灵活迅速
12、安全可靠。传递动力要求 主电机和传动机构能够提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动性稳定。工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度精度和抗震性，热变形特性稳定。此外，还要求主传动系统结构简单，便于调整和维修。工艺性好，便于加工和装配防护性好；使用寿命长。1.2 进给系统进给系统是数控机床的一个更重要的组成部分，其性能的优劣，直接影响零件的加工质量和生产效率。高精度 数控机床是按预定的程序自动化进行的加工的，不可能像普通机床那样用于手动操作老调整和补偿各种因素对加工精度的影响。现代数控车床的位移精度一般为0.010.001mm，甚至可高达0.1um。而在速度控制中，则要求有高的调速精度
13、强的抗负载扰动的能力。快速响应稳定性好 数控机床的进给系统，实际上是一个位置随动系统。同任何一个位置随动系统一样，当指令位移以某一速度变化时实际位移必须比指令位移滞后，这就是所谓跟随误差。调速范围宽 调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。在零速上，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩，以维持定位精度使定位误差不超过系统定位误差允许的范围。此外，根据机床的特点，大都是在低速时进行重切削，因此要求在低速时进给系统有大的转矩输出。1.3 数控车床的辅助装置数控机床的辅助装置作为数控机床的配套部件，是保证数控车床充分发挥高效，高精度切削加工功能必需的配套装置。数控车床的辅助装置如下： 润滑装
14、置 润滑装置是车床必不可少的辅助装置，它对数控车床的正常运行起着重要作用，通过对相对运动表面的润滑，可有效地降低部件的摩擦，同时润滑油带走运动产生的大量热量，起到一个散热的作用，从而降低部件温升，减少热变形。 自动换刀装置 自动换刀装置可使数控车床在车削加工时，工件一次安装夹紧后能进行多工序加工，由此避免多次定位带来的误差和减少因多次安装造成的非故障停机时间，从而提高了劳动的生产率和设备的利用率。 其他辅助装置 其他辅助装置主要有切削过程的检测和控制装置，高速动力卡盘等，它们对数控车床提高加工零件的精度，稳定产品的质量提升劳动生产率等有着非常重要的作用。2 主传动系的选择设计本设计的转速要求为
15、802500r/min，考虑到机床设计为试验台的性质，属于演示性机器而非生产用机器，其所受切削力转矩非常小，考虑用一级变速器的主传动系统。即采用V带传动装置。其优点是结构简单，安装调试方便，且在一定条件下满足转速与转矩的输出要求。但其调速范围与电动机的一样，受电动机调速范围的约束。这种传动方式可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，适用于低转矩特性要求的主轴。2.1 电动机的选择数控车床的主传动系统一般采用支流调速电动机,通过带传动和主轴箱内的变速齿轮,带动主轴旋转,由于这种电动机调速范围广,可无级调速,使得主轴箱结构大为简化.直流电动机在额定转速时,可输出全部功率和最大转距。随着转速的变化，功率
16、和转矩将发生变化。在调压范围内为恒转矩，功率随转速成正比例减少。这种变化规律是符合正常加工要求的，即低速切削所需转矩大，高速切削消耗功率大。同时可看出电动机的有效转速范围并不一定满足主轴的工作需要。本设计的电动机初选三相异步电动机，配以变频器实现电动机的无级调速，从而通过V带的传动实现主轴的无级调速。变频器的工作原理是将固有频率的交流电换成频率和电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。首先根据车削刀及车削功率的分析与计算确定所需要的电动机的功率，再选择合适的变频器。车削力的分析与计算为了方便在实际中，一般常用以下公式来估算切削力：CFC取决于被加工材料和切削条件相关的切削力系数，取C
17、FC=1770；（车床刀具选用高速钢，加工材料选用结构钢及铸件等）ap被吃刀量，取ap=2mm;f 进给量，取f=0.1mm/r;XFCyFCnFC为被吃刀量ap进给量f切削速度Vc的指数，取XFC=1.0；yFC=0.75；nFC=0；Vc切削速度，取Vc=100m/mm;KFC当实际加工条件与建立经验公式的试验条件不符合时，各种影响因素对各切削分力的修正系数的乘机。因为是在实验所用取与试验是相同的条件，故取KFC=1.0；代入数据得 FC=629.5背向力 FP=（0.10.7）FC=0.4 629.5=251.8N进给力 Ff=（0.10.6）FC=0.5 629.5=314.75N；车
18、削功率的分析计算PC= FCVc10-3 KW 由于括号中的第二项是消耗的功率，与第一项相比很小。（一般小于1%），可忽略不计。故 PC= FCVc=629.50.110-3=1.051KW1.051/0.8=1.314KW机床传动效率，一般取0.70.85；取=0.8。机床电动机的功率。 根据以上数据可选电动机的功率为1.5KW。选择电动机的型号为Y90S-2，Y90S-2型号电动机基本参数：输出功率： 1.5KW 电压：220V满载转速：2840r/min 额定电流：1.40A级数：2级 质量：22Kg初选FR-S520SE-1.5K-CHT变频器基本参数：功率：1.5KW输入：17.4A
19、 1PH AC200240V 50Hz输出：7.4A 3PH AC200240V 0.5120Hz由公式n=60f/p推算出电动机的转速范围为153600r/mm,而主轴转速要求为802500r/mm设计。2.2 主轴结构设计图1主轴箱主轴选择主轴材料轴的材料一般选用45钢，调质处理。其力学性能由机械设计表8-1查得，=640K，=355M，=275M，=155M，=60M。根据 8-3，取=110主轴结构设计轴的各段直径和长度（轴如图1所示）主轴后端支承轴颈的直径可以使0.70.8倍的前支承轴颈值。主轴的孔径与主轴外径之比为0.5时，空心轴的刚度为实心轴刚度的90%，一般可取0.5左右，电动
20、机通过V带与主轴相联。V带的传动效率为（85%90%）。=P =1.5KW0.9=1.35 （为主轴功率）=9.55106P/n=9500001.35/80=16031N.mm初步估计轴的直径，d=110=28.21mm考虑到键槽对周强度的削弱的影响，直径增加5%7%，选7%，dmin=d+d7%=30.1847mm。最后选取轴A=40mm，B=50mm，C=60mm，D=120mm。根据V带轮和编码器的同步带轮的结构，该处的配合长度设为L1=100mm。L2段安装轴承，轴承端盖采用毡圈油封，根据轴的直径选取角接触轴承7210C，其基本尺寸为dDB=50 mm90 mm20mm；轴承端盖采用凸
21、缘式轴承端盖，通过综合考虑计算与之配合的该段L3设计为L2=45mm。L3段采用双列角接触轴承，选用的轴承型号为7212C，dB=60 mm110 mm22 mm，采用套杯与轴承端盖进行轴向定位，考虑其结构和配合段可选取L3=220mm。L4段是与车床夹具卡盘的连接部分，可定为L4=15mm，与卡盘连接处采用M12的六角头螺钉连接着。为了节约材料主轴可以设计成空心轴，可设空心空直径=20mm。轴上零件的周向定位V带轮和同步带轮采用A型普通平键连接，根据A=40mm，由机械设计课程设计手册查得平键截面bhL=12mm8mm50mm，为V带轮同步带轮和轴具有良好的对中性，故选择它们的配合H7/r6
22、。确定轴上圆角和倒角的尺寸参考机械设计表8-2，取轴端倒角均为245。轴的弯扭合成强度条件计算轴的结构受力图如图2所示：图2主轴箱主轴受力图可以确定L1=77.5mm L2=148mm L3=97mm计算轴上外力，支反力V带轮的圆周力 =216031/100=320NV带轮的径向力 =320tan20。/cos12.1。=119NV带轮的轴向力=68.6N水平面内的支反力 （L1+L2）=L2 =320（77.5+148）/148=487.6N =-=320-487.6=167.6N垂直面内支反力L2=（L1+L2）+ =204.5N =-=119-204.5=85.5N计算轴的弯距和当量弯矩
23、水平弯矩 =L1=487.677.5=37789N.mm垂直弯矩 =L1=204.577.5=15848.75N.mm =+=15848.75+68.6100/2=19278.75N.mm合成弯矩 = =40977.9N.mm =42422.6N.mm当量弯矩转矩按脉冲循环变化计算，取=0.6得： T=0.616031=9618.6N.mm =40977.9N.mm =43499.4N.mm 进行校核时，通常校核轴上承受最大弯矩及扭矩的截面的强度。所以： =6.7968MPa=60MPa所以轴的强度足够。轴强度的校核V带轮截面处疲劳强度安全系数校核抗弯截面系数 W =0.1=0.1=6400=0.2=0.2=12800合成弯矩 M=42422.6=35838.16N.mm T=16031N.mm弯曲应力幅 =6.0MPa弯曲平均应力 =0MPa扭转切应力幅 =0.63MPa扭转平均切应力 =0.63MPa轴肩圆角引起的有效应力集中系数及，由r/d=1.6/40=0.04,D/d=50/40=1.25, =640MPa 由机械设计（下面都是）附图1c和附图2c查得 =2.12 =1.57由=640MPa，d=40mm按附图5查得尺寸系数=0.79，=0.77；由轴精车加工，=640 MPa按附图8查表得表面质量系数=0.93综合影响系数值
