优秀毕设某型数控实验平台Z轴及主轴箱的结构分析和三维实体设计.docx

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优秀毕设某型数控实验平台Z轴及主轴箱的结构分析和三维实体设计

三江学院

本科生毕业设计（论文）

题目某型数控实验平台Z轴及主轴箱的结构分析和三维实体设计

高职院（系）机械专业

学生姓名金浩杰学号G095152012

指导教师季鹏职称实验师

指导教师工作单位三江学院

起讫日期2012.12～2013.4

摘要

随着数控技术的快速发展和数控机床的广泛应用，加快数控人才的培养具有非常重要的意义。

由于生产用的数控机床一般价格都比较昂贵，软硬件也不是开放式的结构，无法用于学生的实验、短期培训、教学。

因此许多企业和机构都积极地在寻求探索，致力于创造设计出符合教学要求的数控实验平台。

利用数控综合实验台进行，学生可以根据需要任意编写、运行较复杂零件的加工程序，通过模拟整个加工过程，验证零件设计的正确性和程序编制的准确性。

在仿真系统上进行训练，提高了安全性，避免了由于学生自主设计、制造而可能造成的设备及人身伤害。

本课题主要针对某型数控实验平台样机结构分析。

关键词：

主传动，进给系统，支承件，主轴箱

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofnumericalcontroltechnologyandthewideapplicationofncmachinetools,tospeedupthenumericalcontroltalentshasveryimportantsignificance.Duetoproductionuseofncmachinetoolsingeneraltheyarerelativelyexpensive,thestructureofthehardwareandsoftwareisalsonotopen,can'tusedinstudent'sexperiment,short-termtrainingandteaching.Somanycompaniesandorganizationsareactivelyseekingtoexplore,tocreatedesignconformtotherequirementsoftheteachingofnumericalcontrolexperimentalplatform.

Usingncintegratedexperimentalplatform,studentscanaccordingtoneedanywrite,runmorecomplexpartsprocessingprogram,bysimulatingthewholeprocess,toprovethevalidityofthepartsdesignandtheaccuracyoftheprogramming.Onthesimulationsystemfortraining,improvessecurity,toavoidthebecausethestudentindependentdesign,manufacturingequipmentandpersonalinjurycausedbythe.Thistopicmainlyaimsattheanalysisofanumericalexperimentplatformprototypestructure.

Keywords:

Maindrive,Feedsystem,brace,Thespindlebox

目录

第1章绪论……………………………………………………………1

1.1机床行业的发展………………………………………………………………1

1.2设计制造数控实验平台的意义………………………………………………2

1.3计算机辅助设计特点及应用…………………………………………………2

1.4三维实体设计在产品设计中的应用…………………………………………3

第2章数控实验平台简介及概述……………………………………4

2.1数控实验平台…………………………………………………………………4

2.1.1数控实验平台的产生发展………………………………………………4

2.1.2数控实验平台的特点……………………………………………………4

2.2数控实验平台设计方法………………………………………………………4

2.2.1数控实验平台设计流程框架图…………………………………………4

2.2.2本次设计主要达到要求…………………………………………………5

第3章数控实验平台主传动机构及主轴箱设计……………………6

3.1数控实验平台主传动系统……………………………………………………6

3.1.1概述………………………………………………………………………6

3.1.2主传动系统的设计要求…………………………………………………6

3.1.3主传动系统的选择………………………………………………………6

3.2数控实验平台主轴箱构成……………………………………………………7

3.2.1主轴组件…………………………………………………………………7

3.2.2主轴………………………………………………………………………8

第4章数控实验平台进给传动机构和立柱设计……………………9

4.1数控实验平台进给传动………………………………………………………9

4.1.1进给机构的基本条件……………………………………………………9

4.1.2进给机构常用传动形式…………………………………………………9

4.1.3数控实验平台进给传动选择及联接……………………………………9

4.2立柱…………………………………………………………………………10

4.2.1支承件的概念…………………………………………………………10

4.2.2立柱的要求……………………………………………………………10

　　4.2.3导轨……………………………………………………………………11

结束语………………………………………………………………………………13

致谢…………………………………………………………………………………14

参考文献……………………………………………………………………………15

第1章绪论

1.1机床行业的发展

随着科学技术和社会生产的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也在不断地提高。

由于产品改型频繁，目前在一般机械加工中，单件、小批量生产的产品约占70%~80%，为了保证产品的质量，提高生产率、降低成本，要求机床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且加工过程中应该实现自动化。

二次世界大战以后，这种要求越来越迫切，尤其是在飞机制造业中。

1948年，美国帕森斯（Parsons）公司在研制直升机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的最初设想。

受美国空军部门的委托，帕森斯（Parsons）公司和麻省理工学院的伺服机构研究所（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）开始研制数控机床，1952年终于合作研制出世界上第一台具有信息存储和信息处理功能的新型机床，即数控机床，开创了数控技术在机床加工行业应用的先河。

我国从1958年开始研制数控机床，但后来由于历史原因数控技术在初期并没有得到很大的发展。

20世纪70年代针对航空工业等加工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年的努力，到1975年已经试制生产了40多个品种，300多台数控机床。

20世纪80年代初期，为了扬长避短，并争取打入国际市场，我国从日本和美国引进数控装置和伺服驱动系统，为国产的主机配套使用，同时努力研制更高性能的数控和伺服系统，1982年，青海第一机床厂生产的XHK754卧式加工中心，长城机床厂生产的CK7815数控车床，北京机床研究所生产的JC018立式加工中心，上海机床厂生产的H160数控端面外圆磨床等，都能够可靠的工作，并陆续形成了批量生产。

我国NC机床的消费量在全世界仅次于美国和日本，居第三位。

我国数控技术起步于1958年，发展历程大致可分为三个阶段：

第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。

在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。

第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。

在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。

第三阶段是在国家“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。

在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。

在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达60％，配国产数控系统（普及型）也达到了10％。

中国数控技术已由研究开发阶段向推广应用阶段过渡，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。

现已出现了一批能百台成批量生产数控机床、数控系统的企业。

在数控技术软件上，一些单项技术已接近国外水平。

中国通过引进技术、消化吸收和科技攻关、开发自主版权数控系统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的技术基础。

数控机床新开发1300个品种已有一定的覆盖面。

新开发的国产数控机床产品大部分达到了80年代的中期水平，部分达到国际90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平的数控机床。

1.2设计制造数控实验平台的意义

数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。

数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。

制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。

当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。

目前数控实习教学普遍存在数控设备不足，学生没有足够操作时间的问题。

同时数控实习教学的重点是数控编程，但是实际数控加工所花的时间是编程的几倍，这对初学者来说花费大量的时间并不能真正的掌握对数控的使用。

使用数控实验平台既可以有效地解决设备缺乏问题，也增加了教学过程的生动性，可使学生在实训前建立正确的加工工艺概念，避免由于误操作等引起的操作安全问题。

在使用数控实验平台时，我们也能直观的看到它的加工过程和所加工成品。

而且它有着低成本和占地面积小的优点。

正因为这样，我需要根据产品样机要做成一种符合教学要求的三维数控实验平台。

而本设计就在分析了我们现有产品样机的特点和发展状况的基础上,按照设计要求进行结构改进,完成全套的设计图纸，并使用三维软件作出整机的装配效果图。

本课题力求做到小占地面积，操作维修简单。

1.3计算机辅助设计特点及应用

而在现今的产品设计中也已经发生了很大的变化，计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）技术的广泛运用。

它是一门多学科综合应用的新技术，是一种现代设计方法。

在计算机环境下完成产品的创建、分析、修改，以达到预期设计的目标，也就是说，在产品概念设计的基础上，定义产品的几何模型（包括装配模型）；然后根据后续工作抽取模型中有关数据进行处理，例如变成有限元网格数据，进而进行工程分析及计算；根据计算结果决定是否要对设计进行修改；修改满意后，编制全部设计文档，输出工程图；将这些数据向CAPP、CAM系统传递，以实现数字化制造的全过程。

目前，CAXA是中国领先的工业软件和服务公司，主要提供二维、三维CAD软件以及产品全生命周期管理PLM解决方案和服务，覆盖了制造业信息化设计、工艺、制造和管理四大领域，产品广泛应用于装备制造、电子电器、汽车、国防军工、航空航天、工程建设、教育等各个行业。

本课题主要应用了CAXA软件进行三维实体设计。

1.4三维实体设计在产品设计中的应用

通过构建产品结构的三维模型，可以进行结构的有限元分析、运动学和动力学仿真等多方位的综合分析设计。

根据新的设计流程，可以把机械产品的设计过程综合化、简单化。

三维实体设计的过程就如同在计算机上制造产品一样，产品设计上有无缺陷、各零件间的装配关系、空间干涉情况等都可以通过直接观察或者剖切看到。

如果有问题马上就改正过来，避免了做成实体后发现问题而造成的材料、工时等的浪费。

因此，利用这样的技术可以提高产品的设计效率和质量。

三维实体设计与传统的产品造型设计相比,传统产品造型设计一般是在市场调研,制定需求表之后,先展开平面简图的构思,形成稍微完整的方案之后,开始绘制三维简图,完全定型后再根据需要绘制效果图、三视图或制作简易的模型。

在造型设计的过程中,需要工程技术人员、产品造型人员与工人的通力合作,用样品实物模型来表达设计者的构思,但对每一种方案都制作实物样品,要付出大量的劳动,还存在着精度低、修改调整困难、设计周期长及成本费用高等问题。

图

（1）：

三维实体产品设计流程图

第2章数控实验平台简介及概述

2.1数控实验平台

2.1.1数控实验平台的产生发展

随着现代制造业的高速发展，企业需要大批能编程操作、会调试维修的综合性数控技术人才。

由于数控设备价格昂贵，大多数学校经费不足，只配备了数量较少的数控实训设备，且随着数控技术的发展，部分数控系统已经陈旧，但升级却十分因难，加之部分学校采用计算机仿真代替数控实训设备完成操作训练，使得学校培养的数控人才大多理论基础扎实，但动手操作能力不强。

因此开发一种成本低、升级扩展容易、能够用于批量培训、可以引入最新数控技术的开放式数控实验平台就显得非常必要。

2.1.2数控实验平台的特点

具有模块化设计特点：

提高设计效率，满足用户要求。

产品模块具有规范化、系列化、通用化、标准化特点，一次设计可满足市场上的多种需求，可显著提高设计效率，最大限度地缩短供货周期和满足用户需求。

安全性：

需要保证学生和机器的安全性。

低成本：

它的成本远低于数控机床。

操作方便：

操作比数控简单，制造工艺简单。

可扩展性：

系统可以灵活地增加硬件设备控制接口来实现功能的拓展和性能的提高。

可互操作性：

控制器应能与一个或多个计算机进行信息交流。

可移植性：

在不增加硬件结构的前提下，利用现有的底层结构模块，通过配置和编译控制软件来实现系统的自定义。

可增减性，系统的性能和功能根据实际需求方便地增减。

2.2数控实验平台设计方法

2.2.1数控实验平台设计流程框架图

图

（2）：

数控实验平台设计流程框架图

对于本次课题所要设计的数控实验平台进行模块化的设计，它既保证了数控实验平台的简化结构也减少了对性能的影响，使学生在拆装时更加灵活方便。

2.2.2本次设计主要达到要求

（1）通过本次设计要求学会查阅、综合和消化技术文献资料的能力及阅读外文资料的能力。

（2）掌握常用工程绘图软件CAXA的使用方法。

（3）熟悉实验平台的结构特点及原理。

（4）了解Z轴的机械传动和主轴箱的连接。

（5）培养综合运用机械制图、机械设计、工程力学、计算机绘图、机械制造工艺等专业知识的能力。

（6）通过本次设计，熟练撰写专业性的论文的能力。

第3章数控实验平台主传动机构及主轴箱设计

3.1数控实验平台主传动系统

3.1.1概述

主传动系统是用来实现数控实验平台主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围。

以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

3.1.2主传动系统的设计要求

主传动系统的实际要求：

（1）主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。

（2）主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。

（3）主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率高，以满足机床的工作性能要求。

操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，满足机床的使用要求。

结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。

3.1.3主传动系统的选择

数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。

为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。

主传动三种形式比较：

（1）齿轮传动

在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。

齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。

例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。

但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。

图（3）：

齿轮传动

（2）带传动

带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。

摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低，但传动比不准确（滑动率在2%以下）；同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力稍差，高速运转有噪声。

带传动除用以传递动力外，有时也用来输送物料、进行零件的整列等。

优点：

传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便、有良好的挠性和弹性、过载打滑。

缺点：

传动比不准确、带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大、效率低。

因此，带传动常适用于大中心距、中小功率、带速v=5～25m/s，i≤7的情况。

（3）链传动

链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。

链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同情况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。

与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低；中心距较大时其传动结构简单。

瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差，工作中有一定的冲击和噪声。

链传动的缺点主要有：

仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。

图（4）：

带传动图（5）：

链传动

综合上述几种传动方式对比考虑，本课题中所设计的数控实验平台采用带传动方式给主轴进行传动。

这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，也降低了成本。

3.2数控实验平台主轴箱构成

3.2.1主轴组件

（1）主轴箱

主轴箱是数控实验平台的重要的部件，是用于布置实验平台工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的。

主轴箱传动系统的设计，以及主轴箱各部件的加工工艺直接影响实验平台的性能。

（2）主轴轴承

主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。

在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承两大类。

滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定的工作。

滚动轴承由专业化的工厂生产，选购维修很方便，在数控机床上被广泛采用。

但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差，并且对转速有很大的限制。

数控实验平台主轴组件在可能条件下，尽量使用了滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主轴。

这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。

滚动轴承根据滚动体的结构的不同可分为球轴承、圆柱轴承、圆锥滚子轴承三大类。

本次设计中选用了的轴承是角接触轴承和双向推力向心球轴承。

角接触轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷的联合作用，其轴上载荷能力的大小，随接触角的增大而增大；轴承的精度，分为2、4、5、6、0五级。

其中2级最高，0级为普通精度级。

主轴轴承以4级为主。

高精度主轴可用P2级。

要求较低的主轴或三支撑主轴的辅助轴承可用P5级。

P6级和P0级一般不用。

3.2.2主轴

主轴指从发动机或电动机接受动力并将它传给其它机件的轴，主轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。

强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。

数控实验平台主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。

刚度要求轴在载荷下（弯曲，轴向，扭转）不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角）。

如果刚度不够，轴上的零件如齿轮，轴承等由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效。

因此，必须保证主传动轴有足够的刚度。

第4章数控实验平台进给传动机构和立柱设计

4.1数控实验平台进给传动

4.1.1进给机构的基本条件

高的传动精度与定位精度：

传动精度与定位精度直接影响机床工作精度。

措施：

提高传动件制造精度，采用减速传动减小脉冲当量，消除传动间隙。

宽进给调速范围：

适应各种工件材料、尺寸和刀具变化的需要。

调速范围1：

2000以上。

措施：

提高数控系统与伺服系统技术。

高响应速度：

对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。

措施：

控制工作台及传动机构的刚度、间隙、摩擦、转动惯量等的最佳匹配。

无隙传动：

进给系统传动间隙即反向间隙引起反向死区误差，影响加工精度。

措施：

采用消隙联接与消隙传动副。

稳定性好，寿命长：

低速不爬行，负载变化不共振，能长期保持机床原有传动精度和定位精度。

措施：

适当控制选择系统惯量、刚性、阻尼及增益等参数，选择合适的传动部件及其材料、加工工艺、热处理方法，注意润滑防护。

使用维护方便：

进给系统结构设计应便于维护保养，提高机床利用率。

措施：

提高自动化程度和可靠性，最大限度减少人工维护工作量。

4.1.2进给机构常用传动形式

（1）滚珠丝杠螺母副的传动

它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。

有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等）；也有以传递运动为主的如机床工作台的进给丝杠）；还有调整零件之问相对位置的螺旋传动机构等。

其特点是：

传动效率高，因为滚珠丝杠采用滚珠滚动代替普通丝杠螺母副的滑动，减小了摩擦力，能量损失小，机械效率可以达到92%以上。

消除了螺母副之间的轴向间隙，（通过预紧滚珠）。

由于摩擦力小，丝杠的磨损也小，丝杠的寿命高。

（2）齿轮齿条传动

齿轮齿条传动是将齿轮的回转运动转变为齿条的往复直线运动，或将齿条的往复直线运动转变为齿轮的回转运动。

其特点是：

传递动力大、效率高，寿命长，工作平稳，可靠性高，能保证恒定的传动比，但不宜作远距离传动。

（3）涡轮蜗杆副传动

涡轮蜗杆传动是由蜗杆和涡轮组成的，用于传递空间交错两轴之间的运动和动力，交错角一般为90°，传动中一般蜗杆是主动件，涡轮是从动件。

其特点是：

能实现大的传动比，结构紧凑，冲击载荷小，传动平稳，具有自锁性，但有相对滑动，效率低，成本高。

4.1.3数控实验平台进给传动选择及联接

我们设计的数控实验平台采用滚珠丝杠螺母副的传动方式，其传动效率高，滚珠丝杠采用滚珠滚