【正文】 logy 臥式數(shù)控車床縱向工作臺設(shè)計 1 臥式數(shù)控車床縱向工作臺 設(shè)計 機械設(shè)計 制造及其自動化專業(yè) [摘 要 ] CK20 數(shù)控車床是一種采用機電一體化設(shè)計，外形美觀，結(jié)構(gòu)合理，用途廣泛，操作方便的機床。能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制，能夠完成車削多種零件的內(nèi)外圓，端面、切槽、任意錐面、球面及公、英制螺紋、圓錐螺紋等工序。對于大、中、小批量、多品種、多規(guī)格零件的輪番加工有較強的適應(yīng)能力，尤其是加工圓錐面、圓球面等特形零件更能顯示出它效率高、質(zhì)量穩(wěn) 定可靠的優(yōu)越性。 workbench。特別是在通用微機數(shù)控領(lǐng)域，以 PC 平臺為基礎(chǔ)的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)走在了世界前列。 我們的大多 數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越 性： (1)提高生產(chǎn)率。采用最佳參數(shù)和最佳走刀路線，縮短加工時間，從而提高生產(chǎn)率。由于它是按照程序自動加工不需要人工干預(yù)，其加工精度還可以利用軟件進行校正及補償，故可以獲得比機床本身精度還要高的精度和重復(fù)精度。通過改變程序，就可以加工新產(chǎn)品的零件，能夠完成很多普通機床難以完成或者根本不能加工的復(fù)雜型面零件的加工。一些數(shù)控機床，可以自動換刀， 一次裝卡后，幾乎能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設(shè)備和廠房面積。 (6)不需要專用夾具。節(jié)省了專用夾具設(shè)計制造和存放的費用。 因此，采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。從 2021 年的市場消費內(nèi)容也可可看出 ,普通機床的市場份額在下降 ,數(shù)控機床則強烈增長，尤其是中高檔數(shù)控機床供不臥式數(shù)控車床縱向工作臺設(shè)計 2 應(yīng)求。 在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計一臺數(shù)控車床 —— CK20，用于對轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進行批量、高效、高精度的自動加 工，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量和降低工人勞動強度。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀 我國從 1958 年開始研究數(shù)控機床，一直到 20 世紀(jì) 60 年代中期還處于研制、開發(fā)時期。 目前我國數(shù)控機床生產(chǎn)廠家有 100多家，生產(chǎn)數(shù)控機床配套產(chǎn)品的企業(yè)有 300余家，產(chǎn)品品種包括八大類 2021 種以上。分為 3 種型級，即經(jīng)濟型、普及型和高級型。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際上 20 世紀(jì) 80 年代中期水平，部分達到 90 年代水平，為國家重點建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機床。近期，國家為擴大內(nèi)需，通過加大技改投資和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的措施來拉動國內(nèi)市場消費。 2021 年，金切機床制造廠約 358 家 ( 萬人 )，成形機床制造廠 191家 (約 萬人 )，共計 549 家 ( 萬人 )。 2021年金切機床產(chǎn)量 萬臺，內(nèi)數(shù)控金切機床 17,521 臺，約占 9%。產(chǎn)量滿足不了社會發(fā)展的需求。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，基本上處于從仿制走臥式數(shù)控車床縱向工作臺設(shè)計 3 向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機床的水平差距很大。 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 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)（ 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)代化發(fā)展的大趨勢。其精度已從微米級到亞微米級，乃至納米級。 （ 2）高速化 提高生產(chǎn)率是數(shù)控機床追求的基本目標(biāo)之一。 （ 3）高柔性化 采用柔性自動化設(shè)備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率，縮短生產(chǎn)周期，適應(yīng)市場變化需求和提高競爭力的有效手段。 （ 4）高自動化 高自動化是指在全部加工過程中盡量減少人的介入而自動完成規(guī)定的任務(wù)，它包括物料流和信息流的自動化。 （ 6）復(fù)合化 復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。 （ 7）高可靠性 數(shù)控機床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的。 （ 8）網(wǎng)絡(luò)化 為了適應(yīng) FMC、 FMS 以及進一步聯(lián)網(wǎng)組成 CIMS 的要求，先進的 CNC系統(tǒng)為用戶提供了強大的聯(lián)網(wǎng)能力，除有 RS232 串行接口、 RS422 等接口外，還帶有遠臥式數(shù)控車床縱向工作臺設(shè)計 4 程緩沖功 能的 DNC 接口，可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信和直接對幾臺數(shù)控機床進行控制。 課題研究內(nèi)容和方法 課題研 究內(nèi)容 （ 1） 機床總體設(shè)計方案及總體布局圖繪制 （ 2） 縱向 工作臺 機構(gòu)理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制裝配圖 （ 3） 縱向 工作臺 機構(gòu)中典型零件的繪圖 （ 4） 縱向工作臺三維實體圖 繪制 并裝配 （ 5） 撰寫畢業(yè)設(shè)計論 文（說明書） 課題研究方法 此次設(shè)計任務(wù)主要是數(shù)控機床 CK20 縱向工作臺 的設(shè)計， 三維圖繪制及裝配 。斜床身，矩形滑動導(dǎo)軌。滾珠絲杠的安裝方式，擬采用固定 — 固定方式，滾珠絲杠是通過墊片預(yù)緊的。 2 總體設(shè)計 床身和導(dǎo)軌設(shè)計 (1) 床身 機床的床身是整個機床的基礎(chǔ)支承件，是機床的主體，一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身有圖 1 所示的 5 種布局形式。平床身工藝性好，易于加工制造。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌 防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，床身寬度也不會太大。 這次設(shè)計中，我們采用的是 45 度斜床身。 滑動導(dǎo)軌 具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。 主軸系統(tǒng)設(shè)計 經(jīng)濟型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪 (以獲得更大的轉(zhuǎn)矩 )帶動主軸旋轉(zhuǎn)。主軸電機在額定轉(zhuǎn)速時可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩。 3 縱向 工作臺 機構(gòu)設(shè)計 縱向 工作臺 機構(gòu) 設(shè)計的基本要求 數(shù)控機床的進給系統(tǒng)必須保證由數(shù)控裝置發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換成速度符合要求的相應(yīng)角位移或直線位移，帶動運動部件運動。總之，數(shù)控機床對進給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定、和快速響應(yīng)三個方面。為提高進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)性能主要臥式數(shù)控車床縱向工作臺設(shè)計 6 采取以下措施： (1)提高系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的傳動剛度 (2)采用低而穩(wěn)定的摩擦傳動副 數(shù)控機床進給系統(tǒng)多采用剛度高摩擦因數(shù)小而穩(wěn)定的滾動摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導(dǎo)軌等。 (4)提高傳動件精度 高質(zhì)量的機械傳動配合與高性能的伺服電動機使現(xiàn)代數(shù)控機床進給系統(tǒng)性能有了大幅度提高。 這里擬采用的是滾珠絲杠副傳動，以減少摩擦系數(shù)，提高進給機構(gòu)的整體剛度。 滾珠絲杠的支撐形式有四種：（ 1）一端固定，一端自由，此種形式適用于中小載荷，低速 ，短絲杠垂直安裝；（ 2）一端固定，一端游動，此種形式適用于中等載荷，中等轉(zhuǎn)速；（ 3）兩端支撐，此種形式適用于中等轉(zhuǎn)速，高速度，高精度；（ 4）兩端固定適用于承載能力大，高速，高剛度，高精度的車床。從剛度計算可以看出，絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大。因此我擬采用兩端固定的支撐方式。絲杠的軸向剛度為一端固定的四倍。因此這種形式適用于對剛度和位移精度要求高的場合。如下圖所示： 圖 可以看出滿足步驟 的要求 (4)滾珠絲杠校核 : 步驟 1:滾珠絲杠副 nD 值的校核 臥式數(shù)控車床縱向工作臺設(shè)計 11 0 m a x 32 650 0 480 00 700 00nD d n? ? ? ? ? (滿足要求 ) 0d — 滾珠絲桿的節(jié)圓直徑 ()mm maxn — 滾珠絲桿副的最高轉(zhuǎn)速 ( /min)r 步驟 2:預(yù)緊力 pF 的校核 m a x / 3 1 3 3 5 . 6 / 3 4 4 5 . 2 0 . 10 . 1 2 2 3 2 9 2 2 3 3paF F CN? ? ? ?? ? ? (滿足要求 ) 步驟 3:取 2tC?? ? 有效行程： 2 650 2 14 650 16 10 810u x a n h hL L L L P P m m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 預(yù)拉伸力： 6 5 2/1 2 1 0 2 2 . 1 1 0 3 . 1 4 2 4 . 9 / 4 2 4 5 3tuF tA E L T E N???? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 上兩公式中： ? — 絲桿的熱膨脹系數(shù)為 612 10?? t? — 絲桿的溫升，一般取 ? ?2~4C ，取為 2C E — 彈性模量 10 Mpa? 2d — 絲桿底徑 ()mm 步驟 4：選軸承型號 (1)因滾珠絲杠安裝方式為：固定 —— 固定 故選背對背 ?60 接觸軸承。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠必須有一端軸承內(nèi)徑小于螺紋底徑 2d 。型號規(guī)格為20TAC47A。絲桿垂直安裝 1 1/2K? ，絲桿水平安裝 1 1/3K? cK — 與絲桿支承型式有關(guān)的系數(shù)，查表為 40cK? yL — 計算臨界壓縮載荷用的安裝距離 ? ?mm ，當(dāng)采用固定 — 固定安裝方式 時，有 ? ?5 319yL L mm?? 步驟 8： （ 1） 取 558?K 由上可知： NFF p 1 2 83/3 3