自動線工件震動去屑臺設(shè)計.doc

自動線工件震動去屑臺設(shè)計The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Design of Numerical Controlled Lathe Candidate：Chen ChuanSpecialty：Mechanical Design and Manufacture and AutomationClass：08-3Supervisor：Lectorate. Wang WeiHeilongjiang Institute of Technology2012-6Harbin摘 要本次畢業(yè)設(shè)計課題是自動線工件震動去屑臺設(shè)計該去屑臺結(jié)夠簡單，緊湊、體積小，功能齊全，是一個很適用的經(jīng)濟性數(shù)控車床，能夠達到非常滿意的工作效率。主要是由傳動系統(tǒng)，進給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。對其傳動系統(tǒng)設(shè)計時，先進行總體方案的確定，畫出簡易的傳動系統(tǒng)圖。再根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)來確定傳動和進給系統(tǒng)。滾珠絲杠由步進電機來驅(qū)動，步進電機由驅(qū)動控制系統(tǒng)來驅(qū)動。從而實現(xiàn)進給系統(tǒng)的進給。通過用途，功能和技術(shù)要求等合理定出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并通過認真的計算得到的參數(shù)，然后選擇符合規(guī)定的元件和進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。是無級調(diào)速的，由電動機加變頻器來實現(xiàn)。最后通過技術(shù)經(jīng)濟分析，驗證了設(shè)計生產(chǎn)該產(chǎn)品是經(jīng)濟合理的。！所有下載了本文的注意：本論文附有CAD圖紙和完整版word版說明書，凡下載了本文的讀者請加QQ 83753222，或留下你的聯(lián)系方式（QQ郵箱）最后，希望此文能夠幫到你！關(guān)鍵詞：車床；滾珠絲杠；步進電機；無級調(diào)速；傳動系統(tǒng)ABSTRACTThe subject of design is the simple NC CJK6032-lathe. The numerical control lathe simple,compact,small size, fully functional,is a suitable economy of CNC lathes. we can achieve a satisfactory work efficient.The simple NC CJK6032-lathe is composed of drive system, feed system and controlsystem. When designing drive system, the diagram of simple drive system are specified.Then the drive and feed system are designed according to the given design parameter. Thefeed system is working with the assistance of ball screw. The steped motor drove by deivecontrol system is drove by ball screw. through the use of functional and technical requeirements set reasonable structure,and through careful calculation by the parameters,and then select the required components and systems for the structural design.The simple NC CJK6032-lathe has variable speed which is accomplished by motor and frequency converter. In the end, the analysis on economic prove its reasonable to produce to CJK6032-lathe.Key words：Lathe；Ball Screw；Stepping motor；Variable Speed；Transmission system 9目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1課題研究的背景目的和意義31.2數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢31.2.1數(shù)控車床發(fā)展總趨勢31.2.2我國數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢41.3設(shè)計的主要內(nèi)容5第2章 總體方案設(shè)計62.1 設(shè)計參數(shù)62.2總體方案的確定62.3 傳動原理72.4 基本參數(shù)的確定72.5 本章小結(jié)9第3章 傳動設(shè)計103.1 設(shè)計參數(shù)103.2 減速齒輪設(shè)計及校核103.3 帶輪及帶的計算143.4 軸的初步確定163.5 軸的校核163.6 本章小結(jié)19第4章 進給系統(tǒng)設(shè)計204.1 縱向進給絲杠設(shè)計204.1.1 滾動螺旋傳動工作原理204.1.2 絲杠設(shè)計計算204.2 橫向進給絲杠設(shè)計224.3 步進電機的選擇234.3.1步進電機的工作原理234.3.2 步進電機的選取254.4 本章小結(jié)27第5章 經(jīng)濟技術(shù)分析28結(jié)論31參考文獻32致謝33第1章 緒 論1.1課題研究的背景目的和意義 自動線工件震動去屑臺利用數(shù)字化的信息對車床運動及加工過程進行控制，是一種可編程的通用加工設(shè)備，能自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以特別適合加工形狀復雜的軸類和盤套類零件。與通用機床和專用機床相比，數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種、小批量、生 產(chǎn)自動化的要求，是一種柔性的、高性能的自動化車床，代表了現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于機械制造業(yè)。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)包括主軸電機、傳動系統(tǒng)與主軸組件，與普通機床相比，變速功能絕大部分由主軸電機的無級調(diào)速來承擔，省去了繁雜的齒輪變速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，有些只有兩極或三級齒輪變速機構(gòu)系統(tǒng)用以擴大電機無級調(diào)速的范圍。自從20世紀中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控車床得到了長足的發(fā)展。隨著制造業(yè)對數(shù)控車床的大量需求，汽車、國防、航空、航天等行業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，數(shù)控車床的發(fā)展總體呈現(xiàn)出高速化、高精度化、多軸化、復合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等趨勢。數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用是機械制造業(yè)的一次技術(shù)革命，使機械制造的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。由于數(shù)控車床綜合應(yīng)用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密檢測與新型機械結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)成果，具有高柔性、高精度與高度自動化的特點，因此它提高了機械制造的制造水平，解決了機械制造中的常規(guī)加工技術(shù)難以解決甚至無法解決的復雜型面零件加工，為社會提供了高質(zhì)量、多品種及高可靠的機械產(chǎn)品已取得了巨大的經(jīng)濟效益。 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：（1）機械制造技術(shù)；（2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；（3）自動控制技術(shù)；（4）伺服驅(qū)動技術(shù)；（5）傳感器技術(shù)；（6）軟件技術(shù)等。數(shù)控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術(shù)為一體的機電一體化產(chǎn)品。是機械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點的工作母機。數(shù)控機床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。數(shù)控車床的發(fā)展不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控車床及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：1. 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10m提高到5m，精密級加工中心則從35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01m)。在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。2. 5軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。3. 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來越重要的作用。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是否牢固直接關(guān)系到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展，提高綜合國力和國際地位的重要途徑。數(shù)控機床是典型的機電一體化課題，通過畢業(yè)設(shè)計可使所學機械學、力學、電工學知識得到綜合應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計能力都能受到訓練，可有力的提高學生的分析問題、解決問題能力及機電一體化水平。1.2數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 數(shù)控車床發(fā)展總趨勢近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控車床也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢，如主軸轉(zhuǎn)速的高速化、功能結(jié)構(gòu)的復合化、柔性化。（1）高速主軸單元 為了適應(yīng)數(shù)控加工高速化的發(fā)展，目前越來越多的高速數(shù)控車床采用了電主 軸。電主軸又稱內(nèi)置式電動機主軸單元，就是將高速的主軸電動機置于主軸內(nèi)部， 通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電動機、主軸 的一體化功能；取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉(zhuǎn)動慣量， 提高了主軸動態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運轉(zhuǎn)時皮帶和帶輪等 傳動的振動和噪聲問題；可精確實現(xiàn)主軸的定位和軸傳動功能。采用電主軸結(jié)構(gòu) 可使主軸轉(zhuǎn)速達到 10000r/min 以上，它融合了尖端的高速精密軸承、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、高速變頻驅(qū)動技術(shù)，是技術(shù)含量很高的機電一體化產(chǎn)品。（2）功能復合化、柔性化 隨著數(shù)控車床對加工對象的適應(yīng)性的不斷提高，數(shù)控車床的設(shè)計發(fā)生了很大變化，并向著功能復合化和系統(tǒng)柔性化的方向發(fā)展。功能復合化的目的是進一步提高機床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時間減至最少。通過功能的復合化，可以擴大車床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機多用、一機多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過數(shù)控系統(tǒng)可直接實現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。數(shù)控車床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標，注重加強單元技術(shù)的開拓和完善。CNC 單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與 CAD、CAM、CAPP 及 MTS等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展 由此可見，現(xiàn)代數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計不僅限于只滿足原有的基本要求，還要綜合考慮現(xiàn)代制造對機床的整體要求，如制造控制、 過程控制以及物料傳送，以縮短產(chǎn)品的加工時間、周轉(zhuǎn)時間、制造時間，以最大限度的提高生產(chǎn)率。1.2.2我國數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，于1958年研制出第一臺數(shù)控機床，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10。在20余年間，數(shù)控機床的設(shè)計和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓一批設(shè)計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產(chǎn)先進數(shù)控機床，使設(shè)計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術(shù)的差距；通過利用國外先進元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處於從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控車床的水平差距很大。從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調(diào)產(chǎn)、學、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標，按國家意志實施攻關(guān)，以解決國家之急需。在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強調(diào)創(chuàng)新，強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。1.3設(shè)計的主要內(nèi)容CJK6032主要是由傳動系統(tǒng)，進給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。本次設(shè)計也重點設(shè)計這三個部分。首先，對其傳動系統(tǒng)設(shè)計時，先進行總體方案的確定，畫出簡易的傳動系統(tǒng)圖。然后，根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)來確定傳動和進給系統(tǒng)。滾珠絲杠由步進電機來驅(qū)動，從而實現(xiàn)進給系統(tǒng)的進給。步進電機由控制系統(tǒng)來驅(qū)動。控制系統(tǒng)是由鍵盤，顯示，變頻器，脈沖發(fā)生器和電機驅(qū)動部分組成。CJK6032是無級調(diào)速的，本次設(shè)計通過三相異步電動機加變頻器來實現(xiàn)無級調(diào)速。最后通過技術(shù)經(jīng)濟分析，可以看出設(shè)計生產(chǎn)該產(chǎn)品是經(jīng)濟合理的。 第2章 總體方案設(shè)計2.1 設(shè)計參數(shù)震動去屑臺最大加工直徑160mm，變頻調(diào)速（手動三檔），開環(huán)系統(tǒng)，脈沖當量0.005mm。2.2總體方案的確定初步對自動線工件震動去屑臺的主軸箱設(shè)計有兩種設(shè)計方案。1、用皮帶輪降速到軸上，再用一個二聯(lián)滑塊實現(xiàn)兩檔變速，最后用一個一比一的定比傳到主軸上，電機用變頻電機。轉(zhuǎn)速圖如圖2.1圖2.1轉(zhuǎn)速圖12、用普通電機帶皮帶輪降速到軸上，再用一個二聯(lián)滑塊實現(xiàn)兩檔變速，最后用一個傳動比為1:2的定比傳動齒輪來傳到主軸上，加變頻器經(jīng)過傳動比為1：1齒輪傳到主軸上。轉(zhuǎn)速圖如圖2.2： 圖2.2 轉(zhuǎn)速圖2對于第一種方案雖然要簡單，它不需要變頻器要比第二種方案少一根軸，但是由于它的變頻范圍使它皮帶輪上的傳動比很大，對于帶傳動來說要不合適，且所選電機為變頻電機，耗資較大，我們不采用這種結(jié)構(gòu)。第二種方案雖然要多一根軸來連接變頻器，但是它由于有定比為1：2的傳動使的皮帶輪的傳動比降低，這個方案比較合理，在帶傳動結(jié)構(gòu)中這樣的傳動比很常見，而且不是很大可以采用。而且?guī)л啿皇呛艽蟛粫椭鬏S存在干涉現(xiàn)象?？v向和橫向進給是靠絲杠來實現(xiàn)的，絲杠用步進電機來帶動。因為脈沖當量小于0.005。所以在步進電機和絲杠之間，我采用傳動比為1：2的齒輪來降低脈沖當量。大帶輪與帶輪軸連接采用卸荷方式，可以使大帶輪的重量不壓在軸上，減輕了軸的負荷，使傳動更平穩(wěn)。主軸箱內(nèi)有一對滑移齒輪，把它們放在第一根軸