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数控机床学士学位论文
摘要
为了适应机械行业的发展趋势，简化一般工厂中工人的劳动量，在本设计中应用简单的数控系统设计。
就实际情况分析，一般的机械加工精度和效率足以完成工作需求，不需要高精密的数控系统，但考虑一般机械系统实现自动化生产相对比较困难，而且实现起来相当复杂，设备比较庞大。
然而这些问题可以在一个非常简单的数控系统中很容易的得到很好的解决。
随着微型计算机系统的发展，性能的不断提高，大范围应用的普及，应用一个简单的数控系统来完成一般的工作，在一般的小型工厂中足可以实现。
本次设计的铣床，除了能进行铣削加工，主轴上安装不同的刀具时，还可以进行钻孔或攻丝加工。
所以我们采用了如下的设计方案：
进给系统采用大惯量宽调速直流伺服电动机，滚珠丝杠，双螺母垫片调整预紧间隙，导轨副采用直线滚动导轨副，主传动系统采用无级调速电机。
在设计过程中，我得到了老师的精心指导，帮我收集了很多我无法找到的资料。
袁老师在完成繁重的教学任务之余，经常拖着疲惫的身体，对我们的工作进行仔细地审查，针对我们的情况，进行了耐心的讲解，从设计的原理到结构功能，做出了大量的指导性工作，使我们对所要设计的课题有了更深的了解，在这里也要感谢同组同学的热心帮助，同学们总是微笑着面对我的提问，耐心讲解，使我对有些问题有更加清楚的认识。
关键词：
总体结构布局铣床传动方式主传动系统进给系统
Abstract
Inordertoadapttothemachineryindustrydevelopmenttrends,simplifiedgeneralfactoryworkersinthelabor,inthedesignofasimplenumericalcontrolsystemdesign.Ontheactualsituationanalysis,thegeneralmachiningaccuracyandefficiencyneedstocompleteitswork,donotneedhigh-precisionnumericalcontrolsystem,butconsideringthegeneralmechanicalsystemtoautomateproductionisrelativelydifficultandverycomplextoachieve,equipmentrelativelylarge.However,theseproblemscanbeinaverysimplenumericalcontrolsysteminveryeasytogetagoodsolution.Withthedevelopmentofmicro-computersystem,thecontinuousimprovementofperformance,large-scaleapplicationoftheuniversalapplicationofasimplenumericalcontrolsystemtocompletetheworkingeneral,thesmallfactoriesingeneralcanbeachievedinfull.
Theprocessingcenter,inadditiontoamilling,spindleinstalledonadifferenttool,canalsocarryoutdrillingortappingprocessing.Therefore,wehaveadoptedthedesignoftheprogrammesareasfollows:
feedingsystemusingtheinertiaofwidespeedrangeDCservomotor,ballscrew,double-nutpadsadjustpreloadgap,therailsofaraillinerollingdeputy,themaindrivesystemadoptsthe-SpeedMotor.
Inthedesignprocess,IwasgiventhecarefulguidanceofteachersHsu,
TohelpmecollectalotIcannotfindtheinformation.Yuanteacherscompletedthearduoustaskofteaching,whiletowingtiredofthedailyphysical,toourworkcarefullyreviewthesituationagainstus,onapatient,fromdesigntotheprinciplesofstructureandfunction,toAlotofguidance,sothatwehavetodesignthemachinegainedadeeperunderstandingofthesamegroupherealsoliketothanktheenthusiastichelpstudents,thestudentshavealwayssmilingfaceofmyquestion,patientlyexplainedtomeforsomeTheproblemismoreclearunderstanding.
Keywords：
TheoverallstructurelayoutTransmissionFeedsystemMaindrivesystem
目录
1绪论2
1.1数控机床的产生及发展.......................................2
1.2数控机床的组成及分类.....................................3
1.3数控机床的特点...........................................3
2设计的主要参数及基本思想4
2.1课题要求4
2.2总结构设计4
2.3铣床总布局的确定5
3数铣床的设计和计算6
3.1主传动系统的设计6
3.2进给系统的设计9
3.3进给系统的计算10
4数控系统的介绍及选择10
4.1数控及计算机数控10
4.2计算机数控系统的内部工作过程10
4.3数控系统的特点11
5夹具的选择及介绍11
5.1数控铣床夹具介绍11
5.2技术要求12
5.3对夹具零部件的要求13
结论15
致谢16
参考文献17
1绪论
机械制造业是国民经济的支柱产业。
据统计，我国的机械制造业在工业总产值中占40%。
可以说，没有发达的机械制造业，就不可能有国家的真正繁荣的富强。
而机械制造业的发展规模和水平，则是反映国民经济实力和科学技术水平的重要标志之一。
提高加工效率、降低生产成本、提高加工质量、快速更新产品，是机械制造业竞争和发展的基础，也是机械制造业技术水平的标志。
1.1数控机床的产生及发展
数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。
数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。
随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。
此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。
80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。
随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。
未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。
1.2数控机床的组成及分类
1.2.1数控机床的组成
数控机床由：
程序、输人/输出装置、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统、机床本体组成:
（1）程序的存储介质，又称程序载体
（2）输人/输出装置（3）CNC单元（4）伺服系统（5）位置反馈系统（检测反馈系统）（6）机床的机械部件。
对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统更便于实现自动化扩展。
1.2.2数控机床分类
数控机床按所能实现的控制功能分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制三类。
根据机床伺服驱动控制方式的不同，可将机床分为开环控制、半闭环控制和闭环控制三种类型。
1.3数控机床的特点
1、数控系统取代了通用机床的手工操作，具有充分的柔性，只要重新编制零件程序，更换相应工装，就能加工出新的零件。
2、零件加工精度一致性好，避免了通用机床加工时人为因素的影响。
3、生产周期短，特别适合小批量、单件零件的加工。
4、可加工复杂形状的零件，如二维轮廓或三维轮廓加工。
5、易于调整机床，与其他加工方法相比，所需调整时间较少。
6、易于建立计算机通信网络。
设备初期投资大。
7、由于系统本身的复杂性，增加了维修的技术难度和维修费用。
设计的主要参数及基本思想
2.1课题要求
三坐标立式数控铣床可实现X向（纵向）、Y（横向）、Z（升降）三个方向的自动移动，控制灵活，定位准确，精度高，刚性好，可用端铣刀或立铣刀完成平面铣削，台阶面铣削，开槽、凸轮曲面加工，型腔曲面加工以及外形曲面的加工。
机床的数控系统可选用进口或国产三轴数控系统，配置灵活，机床的三个方向定位精度达0.012，重复定位精度0.006。
机床动力头可选用标准铣削头，也可选用专用单轴铣削头或多轴铣削头，效率高，刚性好，精度高，用于平面加工可达平面度0.03／300。
2.2总结构设计
1、设计要求：
⑴、具有大的切削功率，高的静、动态刚度和良好的抗震性能；
⑵、具有较高的几何精度、传动精度和热稳定性；
⑶、具有实现辅助操作自动化的结构部件。
2、提高机床的结构刚度
机床的刚度是指在切削力和其他力作用下，抵抗变形能力。
机床的床身和立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成具有减小质量提高刚度的显著优点。
用钢板焊接有可能将构件做成全封闭的箱形结构，从而有利于提高构件的刚度。
在立柱的中间布置上隔板，可以提高构件的刚度。
合理的结构布局也可以提高刚度。
本次设计的铣床工作台只做横向和纵向进给运动，刀具可以上下移动，这样可以避免加工较重零件时，升降式工作台刚度不足的问题。
3、提高机床的抗震性
装配在一起的旋转部件，应保证同轴，并且要消除传动间隙。
装在机床是的电机等旋转部件需隔振安装。
减少机床内部震源或降低激振力，就减少了产生强迫振动的可能性，相当于提高了机床的抗震性。
4、提高低速进给的平稳性和运动刚度
⑴、减少动、静摩擦系数之差
执行部件所受的摩擦阻力主要来自导轨副，因此，选用滚动导轨，此外采用具有防爬作用的导轨润滑油，这种导轨润滑油中加有极性添加剂，能在导轨表面形成一层不易破裂的油膜，从而改变了导轨的摩擦特性。
另外在进给传动系统中，采用滚珠丝杠螺母副，也可以减少摩擦系数之差。
⑵、提高传动系统的传动刚度
适当加大传动轴的直径，加强支承座的刚度，对轴承、丝杠螺母副和丝杠本身进行预紧可以提高传动刚度。
5、较小机床的热变形
机床的热变形，特别是数控机床的热变形，是影响加工精度的重要因素，引起热变形的热源主要是机床的内部热源，如主电机、进给电机发热，摩擦以及切削热等。
热变形影响加工精度的原因，主要由于热源分布不均匀，热源产生的热量不等，各处零部件的质量不均，形成各部位的温升不一致，从而产生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变形，以致影响刀具与工件的正确相对位置。
减少机床热变形及其影响措施是：
⑴、减少机床内部热源和发热量采用低摩擦系数的导轨和轴承。
⑵、改善散热和隔热条件主轴部件用强制润滑冷却，甚至采用制冷后的润滑油进行循环冷却；切削过程中发热最大，要进行强制冷却，并且要自动及时排屑。
本机床可以安装在恒温车间，并在使用前进行预热，使机床达到热稳定后再进行加工，这是在使用时防止热变形影响的一种措施。
6.提高机床的加工精度
由于滚珠丝杠不能自锁，所以在Z坐标轴的伺服电机上应加上制动器。
以防止主轴箱因自重滑落，影响加工精度。
2.3铣床总布局的确定
根据以上所写的内容确定铣床的总布局如下图所示
3数铣床的设计和计算
3.1主传动系统的设计
3.1.1序言
数控铣床是高度自动化机床，数控铣床主传动系统的特点是：
①机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效率加工的需要；②主轴转速的变换迅速可靠，一般能自动变速；③主轴应有足够高的刚度和回转精度；④主轴转速范围应很广，如对铝合金材料的高速切削，几乎没有上限的限制，主轴最高转速取决于主传动系统中传动元件的允许极限（如主轴轴承允许的极限转速），而最低转速则根据加工不锈钢等难加工材料的要求来确定。
主传动系统的的设计要求是：
①具有更大的调速范围，并实现无级调速。
数控铣床就要为了保证加工时能选择合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。
②、具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。
数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。
为此，应提高传动件的制造精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚度。
③、良好的抗震性和热稳定性。
数控机床上一般既要进行粗加工，又要进行精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，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或零件，使加工无法进行。
因此在主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力－抗震性。
3.1.2铣床主传动方式的选择
主轴动力由无级调速电机产生，其与主轴直接相连来实现主轴的运动。
主轴电机采用北京数控设备厂的BESK－3型调频主轴电机，其转速范围为22.5－4500r/min,额定功率为3kw。
交流调速电机能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障也少。
3.1.3主轴组件的设计
①、对主轴组件的性能要求：
主轴组件是机床主要部件之一。
它的性能，对整机性能有很大的影响。
主轴直接承受切削力，转速范围也很大，所以对主轴组件的主要性能提出如下要求：
旋转精度：
主轴的旋转精度是指在装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（铣床轴端的7：
24锥孔）的径向和轴向跳动。
旋转精度取决于各主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。
工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。
刚度：
刚度主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。
影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支承的跨距和主轴前悬伸，传动件的布置方式等。
数控机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的刚度应提出更高的要求。
温升：
温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工精度；温升也会降低润滑度的粘度，恶化润滑条件。
因此对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。
可靠性：
数控机床是高度自动化机床，所以必须保证工作可靠性。
精度保持性：
对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。
以上这些要求，有的是矛盾的。
例如高刚度与高速，高速与低温升，高速与高精度等。
这要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。
本次设计的铣床，主轴应满足高刚度、低温升的要求。
②、主轴组件的组成和轴承选型：
主轴组件，包括主轴、轴承、传动件和相应的紧固件。
主轴组件的构造，主要是支承部分的构造。
主轴的端部是标准的。
因此，研究主轴组件，主要是研究主轴的支承部分。
主轴较粗，主轴轴承的直径较大。
相对来说，轴承的负载较轻。
因此在一般情况下，承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要指标。
主轴轴承，应根据精度、刚度和转速选择。
为了提高刚度和精度，主轴轴承的间隙应该是可调的。
这是主轴轴承的主要特点。
为了提高刚度和承载能力，主轴为双支承，前支承采用双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，双列短圆柱滚子轴承只能承受径向载荷，双向推力角接触角接触轴承与双列圆柱滚子轴承相配套，用于承受轴向载荷。
后支承采用成对面对面安装的角接触轴承可承受双向载荷。
3.2进给系统的设计
1、进给伺服系统的组成
数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节组成。
驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统；机械传动部件和执行元件组成机械传动系统；检测元件与反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。
2、数控铣床对进给伺服系统的设计要求
1、在静态设计方面的要求有：
1、能够克服摩擦力和负载。
2、很小的进给位移量。
3、高的静态扭转刚度。
4、足够的调速范围。
5、进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象。
2、在动态设计方面的要求有：
1、具有足够的加速和制动扭矩，以便快速的完成启动制动过程。
2、具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量。
3负载引起的轨迹误差尽可能小。
3、对于数控机床机械传动部件则有以下要求：
1、被加速的运动部件具有较小的惯量。
2、高的刚度。
3、良好的阻尼。
4、传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可能小的非现线性。
3.3进给系统的计算
由于是静连接，选普通平键，圆头，普通平键连接的主要失效形式是键，轴上键槽和轮毂上键槽三者中较弱者被击溃。
由于轮毂上的键槽深度较浅，轮毂的材料强度通常在三者中也最弱，所以平键联接的强度计算通常以轮毂为计算对象，计算键联接的强度时假设键与键槽侧面的压力均匀分布，并假设合力的作用点在轴半径处4数控系统的介绍及选择
数控系统是数控机床的核心。
数控机床根据功能和性能要求，配置不同的数控系统。
系统不同，其指令代码也有差别。
因此，编程时应按所使用数控系统代码的编程规则进行编程，功能越强大，操作越复杂。
4数控系统的介绍及选择
4.1数控及计算机数控
用数值数据的装置，在运行过程中，不断引入数值，从而对某一生产过程实现自动控制，叫做数值控制，简称数控。
用计算机控制加工功能，实现数值控制，称为计算机数控。
数控系统包括程序输入输出设备、数控装置、可编程序控制器（PLC）、主轴驱动单元等。
其中的数控装置通常称为数控或计算机数控。
下图为数控系统结
图4.1数控系统结构图
现代的数控装置都是采用计算机作为数控装置的核心，通过内部信息处理过程来控制数控机床数控装置通过主轴驱动单元控制主轴电动机的运行，通过各坐标轴的进给伺服驱动单元控制数控机床各坐标的运动，通过可编程控制器控制机床的开关电路。
数控操作人员可通过数控装置上的操作面板进行各操作，或通过通信接口，由远程进行操作，操作情况及一些内部信息处理结果可在数控装置是显示器中显示。
一般情况下，在数控加工之前，启动CNC，进行读入数控加工程序。
此时，在数控装置内部是控制程序作用下，通过程序输入装置或输入接口读入数控加工程序，并存放于CNC的零件程序存储器或存储区域内。
当开始加工时，在控制程序作用下将零件加工程序从存储器中读出，按程序段进行处理。
先进行译码处理，将零件加工程序中的信息转化成计算机便于进行处理的内部形式，并将程序段的内容分成位置数据和控制指令，一并存放相应的存储区域。
根据数据和指令的性质，以后大致进行3中流程处理：
位置数据处理、主轴驱动处理、及机床开关功能控制。
1、位置处理
位置数据处理过程按数序大致有以下三个阶段：
（1）、预处理。
（2）、插补运算。
（3）、位置控制的处理。
2、主轴驱动处理
3、机床开关功能控制
4.2数控系统的特点
本铣床的数控系统采用以工业PC机为硬件平台，DOS及其丰富的支持软件为软件平台的是技术路线，使得系统具有可靠性好、性能价格比高、更新换代和维护方便、便于二次开发等优点。
系统可与3到9轴联动的铣床和加工中心配套使用。
系统除具有标准数控功能外，还内设二级电子齿轮、内装式可编程序控制器、双向式螺距补偿、加工断点保护与恢复、故障诊断与显示功能。
独创的三维曲面直接插补功能，极大简化了零件程序信息和加工辅助工作。
此外，系统使用汉字菜单和在线帮助，操作方便，具有三维仿真校验及加工过程动态跟踪能力，图形显示形象直观。
5夹具的选择及介绍
5.1数控铣床夹具介绍
1．机床夹具的分类
机床夹具的种类很多，按驱动夹具工作的动力源分类，可分为手动夹具、气动夹具、液动夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具和自夹紧夹具。
2．机床夹具的组成
（1）、定位装置。
（2）、加紧元件。
（3）、夹具体。
（4）、其他元件及装置。
3．工件、夹具在数控机床上的安装工件、夹具在数控机床上的安装与在普通机床上的安装，其定位和夹紧的基本原则是一致的，所不同的是整个数控和工艺系统，包括数控程序的编制，工件、夹具在数控机床工作台上的定位，都要求在工作台上确定一个坐标系统。
在工作台上先确定零点，并建立x、y直角坐标系。
整个工作台按x、y坐标系，从零点起分成若干等分。
在工作台上安装的工件、夹具的定位的位置都从坐标原点，即机床工作台零点算起，标注为x和y的坐标值。
从数控机床工作台上的零点到夹具定位元件上的零点的x、y坐标值，以及从夹具定位元件上的零点到工件上的加工点的坐标值是分开标注的。
但应注意，工件上的加工点的x的坐标值是数控机床工作台上零点到夹具定位元件上的零点x的坐标值和夹具定位元件上的零点到工件上的加工点的x的坐标值之和。
工件的y坐标值的确定情况相同。
数控机床工作台零点位置的选取有两种方法：
即固定零点和浮动零点。
固定零点是把坐标原点永远确定在一个位置上。
浮动零点由编制数控机床程序人员根据实际方便的情况而确定的坐标零点。
夹具定位元件上的零点和工件上的加工点都可以被确定为坐标原点。
5.2技术要求
在夹具的设计中，不可避免的需要用到诸如螺钉、螺栓、螺母、定位销等机械零件，在夹具中它们各自起着相当重要的作用，有它们才能保证生
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