〔大学论文〕以步进电机为进给驱动动力的经济型数控加工中心设计(含word文档) .pdf
《〔大学论文〕以步进电机为进给驱动动力的经济型数控加工中心设计(含word文档) .pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《〔大学论文〕以步进电机为进给驱动动力的经济型数控加工中心设计(含word文档) .pdf(46页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、1 目录 前言1 第一章机床总体方案2 1.1 加工中心的组成2 1.2 加工中心的分类和布局3 1.3 机床主要性能指标.4 第二章数控加工中心主传动系统6 2.1 对加工中心主传动系统的要求6 2.2 传动方式选择设计7 2.3皮带选型计算8 2.4 主轴组件的设计10 2.4.1 主轴组件的基本要求10 2.4.2 主轴的结构.10 2.4.3 主轴的材料和热处理.10 2.5 主轴内部刀具自动夹紧机构.11 2.6 主轴轴承选择12 2.6.1 主轴轴承类型的选择12 2.6.2 主轴轴承的配置方式.13 2.7 主轴准停装置14 第三章进给方案设计15 3.1 伺服进给系统的组成和类
2、型15 3.1.1 伺服进给系统的组成.15 3.1.2 伺服进给系统的类型选择.16 3.2 进给传动方案.17 3.2.1 丝杠选择.17 2 3.2.2 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整19 3.2.3 丝杆支承方案.21 3.2.4制动方式.23 3.3 进给电机选择与计算.23 3.3.1 进给电机的选择23 3.3.2 进给电机的计算23 3.4 机床限位与零点设定.25 第四章机床支承及导轨27 4.1 机床支承件.27 4.1.1 对支承件的基本要求27 4.1.2 支承件的自身刚度27 4.2 机床导轨.28 4.2.1 导轨类型的选择.28 4.2.2 导轨间隙调整29 4.2
3、.3 提高导轨耐磨性的措施30 第五章 结论32 致谢33 参 考 文 献34 3 前前前前言言言言 1952 年世界上出现了第一台数控机床,使多品种、中小批量的机械 加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大的变革。1958 年第一台加 工中心问世,它将多工序(铣、钻、镗、铰、攻丝等)加工集于一身; 适应加工多品种和大批量的工件;增加机床功能(自动换刀、自动检测 等) ,使自动化程度和加工效率上了一个新台阶;使无人化(或长时间无 人操作)加工成为现实。加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制 造系统和自动化工厂的基本单元。 我国是世界上机床产量最多的国家,但数控机床的产品竞争力在国 际市场中仍
4、处于较低水平,即使在国内市场也面临着严峻的形势:一方 面国内市场对各类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 和促销手段上等原因外,一个最主要的原因就是新产品(包括基型、变 型和专用机床)的开发周期长,不能及时针对用户的需求提供满意产品。 加工中心是数控机床的代表,是高新技术集成度高的典型机电一体 化机械加工设备,受到世界各工业发达国家的高度重视,技术迅速发展, 品种和数量大幅度增加,成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一 类产品1。 本课题设计的是以步进电
5、机为进给驱动动力的经济型数控加工中 心。该机床的结构简单,精度中等,价格低廉,在仪表、有色金属等加 工企业中可以大量推广,还可在高校内广泛应用,为学生的培训实习提 供重要设备。 在设计过程中得到 xx 老师的大力支持,在此对我们张老师和周明虎 老师表示衷心的感谢。由于本人水平有限,设计中的错误和不足之处在 所难免,敬请各位指导老师和验收老师批评指正。 4 第一章第一章第一章第一章机床总体方案机床总体方案机床总体方案机床总体方案 1.1 加工中心的组成 加工中心自问世至今世界各国出现了各种类型的加工中心,虽然外 形结构各异,但从总体来看主要由以下几大部分组成。 加工中心的组成如图 1-1 所示。
6、 (1)基础部件它是加工中心的基础部件,由床身、立柱、工作台 等组成。 (2)主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴、主轴轴承等零件组 成。 (3)数控系统单台加工中心的数控部分由 CNC 装置、可编程序控 制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。 (4)自动换刀系统该系统是加工中心区别于其他数控机床的典型 装置,它解决工件一次装夹后多工序连续加工中,工序与工序间的刀具 自动储存、选择、搬运和交换任务。它由刀库、机械手、驱动机构等部 件组成。 5 图 1-1立式加工中心 1-X 轴伺服电机;2-换刀机械手;3-数控柜;4-刀库;5-主轴箱; 6-操纵台;7-驱动电源柜;8-纵向工作台;9-滑座;10
7、-床身 (5)自动托盘交换系统有的加工中心为了实现进一步的无人化运 行或进一步缩短非切削时间,采用多个自动交换工作台方式储备工件。 (6)辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动、检测 系统等部分。 1.2 加工中心的分类和布局 加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工 中心。加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心,如图 1-1 所示。主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心,如图 1-2 所示。 6 图 1-2卧式加工中心 1-工作台;2-轴;3-刀库;4-数控柜 (1)立式加工中心 图 1-3 所示为立式加工中心的几种布局结构。 (a)为十字工作台型,它
8、的布局与单柱立式坐标镗床或十字工作台 型数控立式钻床类似,适应于高度尺寸较小的盖板类零件多工序加工。 (b)为工作台移动型,立柱作 Y 向运动,主轴箱在立柱上作 Z 向运 动,工作台作 X 向运动。各方向的运动行程可以较大。适用于加工精度 要求较高,行程范围要求较大的零件的多工序加工。 (c)为工作台固定型,主轴箱正挂于立柱上作 Z 向运动,立柱作 X、 Y 向运动。由于工作台固定,可承载能力较大,机床整体刚性高,适用与 X 向尺寸不过长的中小型零件的多工序加工。 立式加工中心装卡方便,便于操作,易于观察加工情况,调试程序 容易,应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制,不能加工太高的零 件,在
9、加工型腔下凹的型面时,切削不易排出,严重时会损坏刀具,破 坏已加工表面,影响加工的顺利进行2。 (a)(b)(c) 图 1-3 立式加工中心的布局结构 (2)卧式加工中心 卧式加工中心通常是采用移动式立柱,工作台不升降,T 形床身。卧式加 7 工中心一般具有三轴联动,三四个运动坐标。常见的是三个直线坐标 X、 Y、Z 联动和一个回转坐标 B 分度,它能够在一次装夹下完成四个面的加 工,最适合箱体类零件2。 卧式加工中心调试程序及试切时不便观察,加工时不便监视,零件 装夹和测量不方便,但加工时排屑容易,对加工有利。 与立式加工中心相比较,卧式加工中心的结构复杂,占地面积大, 重量大,价格也较高。
10、 综合上述考虑XHK0820数控加工中心采用立式加工中心布局。 另外, 考虑到本次设计的机床是经济型的,结构较简单,故采用如图 1-2(a) 所示的布局,即由溜板和工作台来实现平面上 X、Y 两个坐标轴的移动, 主轴箱沿立柱上的垂直导轨作上下移动来实现 Z 轴坐标移动。 1.3 机床主要性能指标 工作台尺寸(mm):200500mm 工作台行程(mm):X300mm,Y200mm,Z300mm 工作台 T 型槽(mm):103(槽宽槽数) 工作台最大承载(kg):50 主轴端面至台面距离(mm): 388 主轴锥孔(7:24) :ISO30 主电机功率(kw): 0.75 最大铣刀直径(mm)
11、:16 最小设定单位(mm): 0.01 定位精度(mm): 0.04 重复定位精度(mm): 0.02 机床外形尺寸(mm): 16007151540 机床重量(kg): 850 输入电源: 380/50HZ 8 数控系统配置:巨森数控系统/西门子 802 系统/FANUC 0i 系统 9 第二章第二章第二章第二章数控加工中心主传动系统数控加工中心主传动系统数控加工中心主传动系统数控加工中心主传动系统 加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件 组成。它是加工中心的主要组成部分。和常规机床主轴系统相比,加工 中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性 和抗
12、振性。 2.1 对加工中心主传动系统的要求 由于加工中心具有更高的加工效率,更宽的使用范围,更高的加工精 度,因此,它的主轴系统必须满足如下要求。 (1) 调速功能为了适应不同工序、各种工件材料及刀具等各切削 工艺要求,主轴必须具有一定的调速范围并实现无级变速,以保证加工 时选用合理的切削用量,从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。 (2) 精度和刚度要求具有较高的精度与刚度,传动平稳,噪声低。 加工中心加工精度与主轴系统密切相关。主轴部件的精度包括旋转精度 和运动精度。而静态刚度反映了主轴部件或零件抵抗静态外载的能力。 为此,要提高精度和刚度,应保证主轴部件的平衡,并合理选择轴承的 类型
13、,数量,配置形式等。 (3) 抗振性和热稳定性要求加工中心在加工时,由于断续切削、 加工余量大且不均匀、运动部件速度高且不平衡,以及切削过程中的自 振等原因引起的冲击力和交变力的干扰,会使主轴产生振动,影响加工 精度和表面粗糙度,严重时甚至破坏刀具和主轴系统中的零件。主轴系 统的发热使其中所有零部件产生热变形,破坏相对位置精度和运动精度, 造成加工误差。为此,主轴组件要有较高的固有频率,保持合适的配合 间隙并进行循环润滑等。 10 (4) 具有刀具的自动装夹功能加工中心突出的特点是自动换刀功 能。为保证加工过程的连续实施,加工中心主轴系统与其它主轴相比, 必须具有刀具自动装夹功能。 (5) 主
14、轴定位功能要求主轴准停功能又称主轴定位功能。即当主 轴停止时,控制主轴停在固定的位置,这是自动换刀所必需的功能3。 2.2 传动方式选择设计 与普通机床相比,数控机床的工艺范围更宽,工艺能力更强,因此 要求其主传动具有较宽的调速范围,以保证在加工时能选用合理的切削 用量,从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。现代数控机床的 主运动广泛采用无级变速传动。数控机床主传动系统主要有三种配置方 式。 1带有变速齿轮的主传动 如图 2-1 所示,使用滑移齿轮实现二级变速的主传动系统。滑移齿轮 的移位大都采用液压驱动。因加工中心使用可调无级变速交流、直流电 动机,所以经齿轮变速后,实现分段无级变速,调
15、速范围增加。其优点 是能够满足各种切削运动的转矩输出,且具有大范围调节速度的能力。 但由于结构复杂,需要增加润滑及温度控制装置,成本较高。此外,制 造和维修也比较困难。这种方式在大中型数控机床采用较多,但也有部 分小型数控机床为获得强力切削所需扭矩而采用这种传动方式。 11 图 2-1 带有变速齿轮的主传动 2通过带传动的主传动 如图 2-2 所示, 电机轴的转动经带传动传递给主轴, 因不用齿轮变速, 故可避免因齿轮传动而引起的振动和噪声。其优点是结构简单,安装调 试方便,且在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。但系统的调速 范围受电动机调速范围的约束。故这种方式主要用在转速较高、变速范 围
16、不大的机床上,常用的带有三角带和同步齿形带。 3由主轴电机直接驱动的主传动 如图 2-3 所示,主轴与电机转子合二为一,从而使主轴部件结构更加 紧凑,重量轻,惯量小,提高了主轴启动、停止的响应特性,但是主轴 转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性完全一致,电动机的发热 对主轴的精度影响大,因而使用受到限制。目前高速加工机床主轴多采 用这种方式,这种类型的主轴也称为电主轴4。 12 图 2-2 通过带传动的主传动 图 2-3 由主轴电机直接驱动的主传动 根据以上几种主传动方式的优缺点的对比,考虑到设计的经济性和 合理性,本次设计的 XHK0820 数控铣床的主传动采用三角带传动,并且 采用普通
17、三相异步电动机作为动力源,以三角带传动方式,通过变频器 实现无级变速。 2.3皮带选型计算 已知电动机额定功率KWP75 . 0 = 计算如下: 1.确定计算功率 C P 13 根据机床工作情况, 载荷变动的很小, 每天工作 10 -16 个小时, 选择工作情况系 A K,故求得计算功率 C P: KWPKP AC 9 . 075 . 0 2 . 1= 2.选择三角带的型号 根据计算功率 C P和主动轮转速 1 n的参数得,应选型三角带。 3.确定带轮计算直径 选择主动轮的计算直径mmD901= 求得从动轮的计算直径 根据机械手册查得选取标准值mmD112 2 = 4.验算带速 带速合适 5.
18、确定带长和中心距 )11290(2)11290(7 . 0 0 + = a DD mm a DDDD aLd608 4 ) 12( 2 )21( 2 0 2 00 = + + += 14 根据 1 n和1D查表得 3 0 100275 . 1 ,34 . 1 = B KKWP 根据传动比2 . 1=i,查表得1202. 1= i K 由表查得带的修正系数81. 0= L K,包角系数97 . 0 =K 圆整1=Z 估选取三角带的根数 Z1 考虑到机床的结构问题,所选的带轮的中心距不能得到满足, 然而,根据计算所选取的已经是最小的带长,为了解决这个问题, 故在传动比不变的前提下采取增大带轮来保证
19、中心距的方法。增大 带轮后 D2=114mm,1=95mm。 中心距 a=(Li-L)=(630-3.14114)/2=135mm 满足结构要求。 2.4 主轴组件的设计 加工中心主轴组件应有更高的动、静刚度和抵抗热变形的能力。它 的性能,对整机性能有很大的影响。主轴直接承受切削力,转速范围又 很大,所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求。主轴组件主要包括 主轴、主轴支承(轴承) 、安装在主轴上的传动件、密封件、刀具自动卡 紧机构等组成。 2.4.1 主轴组件的基本要求 数控铣床主传动系统的机械结构主要是主轴部件的结构,主轴部件 既要满足精加工时的精度要求,又要具备粗加工时高效切削的能力。因
20、此对主轴组件的要求就很高,一般在旋转精度、刚度、抗振性、温升和 KWKWP31 . 0 1202 . 1 1 1300100275 . 1 3 = = 85. 0 181. 0134. 1 9 . 0 = =Z 15 热变形、精度保持性等方面,都有很高的要求。在局部结构上,一般数 控铣床的主轴部件与其他高效、精密自动化机床没有多大区别。 2.4.2 主轴的结构 主轴部件作为数控机床的一个关键部件,它包括主轴、主轴的支承、 安装在主轴上传动件和密封件等。主轴部件质量的好坏直接影响加工质 量。 主轴是主轴组件的重要组成部分。主轴的结构形状决定与主轴上所 安装的刀具,夹具、传动件、轴承等零件的类型、
21、数量、位置和安装定 位方法等。主轴的前端形式取决于机床类型和安装夹具和刀具的形式。 加工中心主轴的轴端用于安装夹具和刀具。要求夹具和刀具在轴端定位 精度高、定位刚度好,装卸方便,同时使主轴的悬伸长度短。 本次设计的 XHK0820 数控加工中心采用的主轴为空心的,前端有 7:24 的锥孔,用于插入铣刀锥柄或刀杆尾椎时定位,再由拉杆从主轴后 端拉紧,防止切削时铣刀和主轴之间有相对松动,而且由前端的端面销 来传递转矩,以达到加工的目的5。 2.4.3 主轴的材料和热处理 主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性、热处理变形大 小等因素确定。主轴刚度与材料的弹性模量 E 有关。无论是普通钢还是
22、合金钢,其弹性模量 E 值基本相同。因此,对于一般要求的机床其主轴 可用价格便宜的中碳钢(45 钢) ,进行调质处理后硬度为 22-28HRC;当 载荷特别重和有较大的冲击时,或者精密机床的主轴需要减少热处理后 的变形时,或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时,则可以选用合金 钢。 常用的合金钢有 40Cr 进行淬火硬使硬度达到 40-50HRC; 或者用 20Cr 进行渗碳淬硬使硬度达到 56-62HRC。 综上所述,由于本次设计的 XHK0820 数控加工中心属于经济型,并 16 且所受载荷较小,故主轴的材料选用价格便宜的 45 钢。 2.5 主轴内部刀具自动夹紧机构 主轴内部刀具自动夹紧机
23、构是加工中心必不可少的机构。 图 2-4 数控铣镗床主轴部件及自动刀具夹紧结构 1刀柄 2拉钉 3主轴 4拉杆 5碟形弹簧 6活塞 7液压缸 8、 10 行程开关 9压缩空气管接头 11弹簧 12钢球 13端面键 加工中心可以自动换刀,所以主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具 功能。如图 2-4 所示,加工用的刀具通过刀柄 1 安装在主轴上,刀柄 1 以 7 24 的锥度在主轴 3 前端的孔中定位, 并通过拉钉 2 拉紧。 夹紧刀柄时, 17 液压缸上腔接通回油路,弹簧 11 推动活塞 6 上移,拉杆 4 在碟形弹簧 5 作用下向上移动;由于此时装在拉杆前端径向孔中的四个钢球 12 进入主 轴孔中
24、直径较小的 d2 处,被迫径向收拢而卡进拉钉 2 的环形凹槽内, 因 而刀柄被拉杆拉紧。切削扭矩由端面键 13 传递。换刀前需将刀柄松开, 压力油进入液压缸的上腔,活塞 6 推动拉杆 4 向下移动,碟形弹簧被压 缩;当钢球 12 随拉杆一起下移进入主轴孔径较大的 d1 处时,它就不能 再约束拉钉的头部, 紧接着拉杆前端内孔的台肩端面 a 碰到拉钉, 把刀柄 松开。此时,行程开关 10 发出信号,换刀机械手随即将刀柄取下。与此 同时,压缩空气由压缩空气管接头 9 经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴 装刀孔中,把切屑或脏物清除干净,以保证刀具的安装精度。机械手把 新刀装上主轴后,液压缸 7 接通回油,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 大学论文以步进电机为进给驱动动力的经济型数控加工中心设计含word文档 大学 论文 步进 电机 进给 驱动 动力 经济型 数控加工中心 设计 word 文档
![提示](https://www.31doc.com/images/bang_tan.gif)
链接地址:https://www.31doc.com/p-3701234.html