高精密加工一體機畢業(yè)設(shè)計

甘肅機電職業(yè)技術(shù)學院數(shù)控技術(shù)專業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書班 級： G102202 班 學 號： 1022202-37 學 生： 陶鴻武 指導(dǎo)老師： 全曉春 現(xiàn)代制造工程系二一二年十二月第 1 頁目 錄目 錄 .11 緒論 .21.1 數(shù)控設(shè)備與技術(shù)現(xiàn)狀 1.21.1. 數(shù)控設(shè)備 .21.1.2 數(shù)控技術(shù) .31.1.3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略考 .31.2 數(shù)控機床發(fā)展概況 2.41.2.1 數(shù)控機床的一般原理 .41.2.2 機床數(shù)控系統(tǒng)的分類 .71.2.3 國內(nèi)數(shù)控機床的特點 1 .91.2.4 數(shù)控機床的發(fā)展預(yù)測 1 .101.3 本文的選題及主要研究內(nèi)容 .101.3.1 本文的選題 .101.3.2 主要研究內(nèi)容 .102 機械部分設(shè)計 .112.1 橫向進給系統(tǒng)的計算與設(shè)計 .112.2 計算切削力 .112.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 .122.4.橫向齒輪傳動比計算 .143 齒輪的設(shè)計 .183.1 齒輪傳動的設(shè)計計算.183.2 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計.183.3 校核齒面接觸疲勞強度.203.4 驗算齒輪圓周速度 U.213.5 確定齒輪幾何尺寸.214 研磨刀具設(shè)計.224.1 研磨概念.224.2 研磨刀具設(shè)計步驟.234.3 確定刀具的類型.234.4 研磨切削力的分析 .244.5 研磨加工力與扭矩的驗算 .244.6 強度校核 .26第 2 頁5 微機控制部分.285.1 總體設(shè)計.285.2 主控制器 .285.2.1 主控器的選擇 .295.2.2 8031 對片外存儲器的選擇 .295.2.3 8031 并行 I/O 口擴展 .296.電路原理圖設(shè)計 .296.1 關(guān)于各線路元件之間線路連接 .296.2. 關(guān)于電路原理圖的一些說明 .317.畢業(yè)設(shè)計心得.35參考文獻.37第 3 頁1 緒論1.1 數(shù)控設(shè)備與技術(shù)現(xiàn)狀 11.1.1 數(shù)控設(shè)備隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的不斷發(fā)展，加工技術(shù)不斷提高，特別是現(xiàn)在進入到納米的精密加工時代，傳統(tǒng)的加工手段和設(shè)備已經(jīng)很難達到這些加工要求。因此，需要有不斷先機的加工手段和設(shè)備來填補加工空白；但是作為一種高精密加工手段，不同的工件加工要求必須對應(yīng)相應(yīng)的加工設(shè)備，這使得加工過程中要不斷變換加工手段和設(shè)備，會產(chǎn)生加工時效過長，加工誤差太大，加工進度很難保證的很多加工難題。而高精加工一體機可以綜合諸多高精加工設(shè)備的特點，加工中只要適當改變部分結(jié)構(gòu)，適當調(diào)整就可適應(yīng)更多的加工要求，具有極其優(yōu)異的應(yīng)用和功能。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。2001 年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第 5 名，機床消費額在世界排名上升到第 3 位，達 47.39 億美元，僅次于美國的 53.67 億美元，消費額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001 年進口機床躍升至世界第 2 位，達 24.06 億美元，比上年增長 27.3%。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等，出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。第 4 頁1.1.2 數(shù)控技術(shù)。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，有什么勞動資料生產(chǎn)” 。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)。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。1.1.3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略考一 、戰(zhàn)略考慮我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯” 。我們以資源。環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心” ，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，多我國實現(xiàn)禁運和限制， “東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。二 、發(fā)展戰(zhàn)略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(dǎo)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)的方第 5 頁法，選擇能夠主導(dǎo) 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。強調(diào)市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控技術(shù)、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品；當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。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、買得掉”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)。1.2 數(shù)控機床發(fā)展概況 21.2.1 數(shù)控機床的一般原理一 、數(shù)字控制的基本概念數(shù)字控制（Numerical ControlNC） ，簡稱為數(shù)控，是一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制信息是數(shù)字量，模擬控制相比有許多優(yōu)點，可對數(shù)字化信息進行邏輯運算、數(shù)學運算等復(fù)雜的信息處理工作，特別是可用軟件來改變信息處理的方式或過程，而不用改動電路或機械機構(gòu)，從而使機械設(shè)備具有很大的“柔性” 。因此數(shù)字控制已被廣泛用于機械運動的軌跡控制和機械系統(tǒng)的開關(guān)量控制，如機床的控制、機器人的控制等。高精加工一體機的設(shè)計采用數(shù)控控制，它自動輸入載體上事先給定數(shù)字量，并將其譯碼，在進行必要的信息處理和運算后，控制機床動作和加工零件。CNC 系統(tǒng)是由計算機承擔數(shù)控中的命令發(fā)生器和控制器的數(shù)第 6 頁控系統(tǒng)。由于計算機可完全由軟件來確定數(shù)字信息的處理過程，從而具有真正的“柔性” ，并可以處理硬件邏輯電路難以處理的復(fù)雜信息，使數(shù)字控制系統(tǒng)的性能大大提高。二、高精加工一體機 數(shù)控機床的組成數(shù)控機床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計算機數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床四部分組成，如圖 1-1 所示 計算機數(shù)控系統(tǒng) 伺服系統(tǒng) 機床信息載體圖 1-1 數(shù)控機床的組成1. 信息載體信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機床加工一個零件所必需的各種信息，如零件加工位置數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)等，以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的機械加工。常用的信息載體有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等，并通過相應(yīng)的輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過竄行口將計算機上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級的數(shù)控系統(tǒng)可能還包括一套自動編程機或者 CAD/CAM 系統(tǒng)。由這些設(shè)備實現(xiàn)編制程序、輸入程序、輸入數(shù)據(jù)以及顯示、模擬顯示、存儲和打印等功能。2. 計算機數(shù)控系統(tǒng)計算機數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經(jīng)計算和處理后去控制機床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機外，其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機、CRT、鍵盤、棉板、機床接口等。光電閱讀機是輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序；CRT 供顯示和監(jiān)控用；鍵盤用于輸入操作命令及編輯、修改程序段，也可輸入零件加工程序；操作面板可供操作人員改變操作方式、輸入整定數(shù)據(jù)、啟停加工等；機床接口是計算機和機床之間聯(lián)系的橋梁，機床接口包括伺服驅(qū)動接口及機床輸入/輸出接口。伺服驅(qū)動接口主要是進行數(shù)/模轉(zhuǎn)化，以及對反饋元件的輸出進行數(shù)字化處理并記錄，以供計算機采樣；機床輸入/輸出接口是用于處理輔助功能。軟件由管理軟件和控制軟件組成。管理軟件主要包括輸入輸出、顯示、診斷等程序；控制軟件包括譯第 7 頁碼、刀具補償、速度控制、插補運算、位置控制等部分組成。數(shù)控裝置控制機床的動作可概括為：（1）機床主運動，包括主軸的啟動、停止、轉(zhuǎn)向和速度選擇等 ；（2）機床的進給運動，如點位、直線、圓弧、循環(huán)進給的選擇，坐標方向進給速度的選擇等；（3）刀具的選擇和刀具的補償（長度、半徑） ；（4）其它輔助運動，如各種輔助操作，工作臺的鎖緊和松開，工作臺的旋轉(zhuǎn)與分度和冷卻泵的開、停等。3. 伺服系統(tǒng) 它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動機構(gòu)和機床移動部件，它接受數(shù)控裝置發(fā)來的各種動作命令，驅(qū)動受控設(shè)備運動。伺服電動機可以是步進電機、電液馬達、直流伺服電機或交流伺服電機。4. 機床它是用于完成各種切削加工的機械部分，是在普通機床的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但也做了很多改進和提高，它的主要特點是：（1）由于大多數(shù)數(shù)控機床采用了高性能的主軸和伺服傳動系統(tǒng)，因此數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動鏈較短；（2）為了適應(yīng)數(shù)控機床連續(xù)地自動化加工，數(shù)控機床結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??；（3）更多的采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌等；（4）不少數(shù)控技術(shù)還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機床各種效率。三、 計算機控制系統(tǒng)的工作原理1.輸入 輸入給數(shù)控系統(tǒng)的有零件加工程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)等。 2.譯碼 輸入的程序段含有零件的輪廓信息（起點、終點、直線還是圓弧等） 、要求的加工速度以及其它的輔助信息（換刀、換檔、冷卻液開關(guān)等） 。計算機依靠譯碼程序來識別這些符號，將加工程序翻譯成計算機內(nèi)部能識別的語言。3.數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補償、速度計算是解決該加工數(shù)據(jù)段以什么樣的速度運動的問題。加工速度的確定也是一個工藝問題。數(shù)第 8 頁控系統(tǒng)僅僅是保證這個編程速度的可靠實現(xiàn)。另外，輔助功能如換刀、換檔等亦在這個程序中實現(xiàn)。4.插補 即根據(jù)給定的曲線類型（如直線、圓弧或高次曲線） 、起點、終點以及速度，在起點和終點之間進行數(shù)據(jù)點的密化。計算機數(shù)控系統(tǒng)的插補功能主要由軟件來實現(xiàn)，目前主要有兩類插補方法：一是脈沖增量插補，它的特點是每次插補運算結(jié)束產(chǎn)生一個進給脈沖；二是數(shù)字增量插補，它的特點是插補運算在每個插補周期進行一次，根據(jù)指令進行速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段。5.伺服控制 將計算機送出的位置進給脈沖或進給速度指令，經(jīng)變換和放大后轉(zhuǎn)化為伺服電機（步進電機或交、直流伺服電機）的轉(zhuǎn)動，從而帶動機床工作臺移動。6.管理程序 當一個數(shù)據(jù)段開始插補時，功能程序即著手準備下一個數(shù)據(jù)段的讀入、譯碼、數(shù)據(jù)處理。即由它調(diào)用各個功能子程序，且保證一個數(shù)據(jù)段加工過程中將下一個程序段準備就緒。一旦本數(shù)據(jù)段加工完成，即開始下一個數(shù)據(jù)段的插補加工。整個零件加工就是在這種周而復(fù)始的工程中完成。1.2.2 機床數(shù)控系統(tǒng)的分類機床數(shù)控系統(tǒng)的種類很多，為了便于了解和研究，可以從不同的角度對其分類。可以按伺服系統(tǒng)的控制方式，機床的運動軌跡，數(shù)控系統(tǒng)功能水平分類。一般地，按伺服系統(tǒng)的控制方式進行分類。伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動機構(gòu)和機床移動部件，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，按其控制原理可分為以下三類。1.開環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop Control System）典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)如圖 1-2 所示，是采用步進電機的伺服系統(tǒng)。對于數(shù)控裝置發(fā)來的每一個進給脈沖經(jīng)驅(qū)動線路放大并驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一個步距（即一個固定的角度，如 1.5） ，再經(jīng)減速齒輪帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，并通過絲杠螺母副傳東工作臺的移動?？梢钥闯龉ぷ髋_的移動量與進給脈沖的數(shù)量成正比。顯然這種開環(huán)系統(tǒng)的精度完全依賴于步進電機的步距精度及齒輪、絲杠的傳動精度。它沒有測量反饋矯正措施，所以對高精度的數(shù)控機床往往不能滿足要求，第 9 頁但開環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試容易、造價低，在數(shù)控機床的發(fā)展過程中占有一定的重要地位，現(xiàn)在仍普遍采用。數(shù)控裝置 放大 步進電機 減速齒輪 絲杠螺母 工作臺圖 1-2 開環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖2. 半閉環(huán)控制系統(tǒng)（Semi-closed Loop Control System）如圖 1-3 所示，采用裝在絲杠上的角位測量絲杠或電機軸的轉(zhuǎn)動量間接地測量工作臺的移動量。它的優(yōu)點就是不論工作臺位移的長短，角位移測量元件制成 可循環(huán)使用。360數(shù)控裝置伺服