毕业设计（论文）-ck20数控车床横向进给系统及液压卡盘设计

前言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。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。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。本文主要阐述CK20数控机床在制造过程中进给系统、主传动系统、伺服系统、滚珠丝杠副等数控机床中主要的参数选取做简单的介绍。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域1机械制造技术；2信息处理、加工、传输技术；3自动控制技术；4伺服驱动技术；5传感器技术；6软件技术等。第一章数控机床特点及其分类11数控机床定义数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件的自动化机床。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的、发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备；其技术范围所覆盖的领域有机械制造技术；微电子技术信息处理、加工点输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检测监控技术、传感器技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业的使能技术和最基本的装备。在提高牛产率、降低成本、保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；待别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技木的关键。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟INTERNATIONFDERATIONOFINFORMATIONPROCESSING,IFIP第五技术委员会，对数控机床作如下定义数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序1。12数控机床的优点1提高生产率数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。采用最佳切削参数和最佳定刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。2提高零件的加工精度，稳定产品质量由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工梢度还可以利用软件进行校正及补偿。故可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。3有广泛的适应性和较大的灵活性通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。4可以实现一机多用一些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备相厂房面积。5可以进行精确的成本计算和生产进度安排可以减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。6不需要专用夹具采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具设计制造和存放的费用。7大大减轻了工人的劳动强度数控机床是具有广泛的通用性又具有很高自动化程度的机床。它的控制系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度，以及刀具相对工件的运动轨迹。数控机床是计算机辅助设计与制造CADCAM、柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS等柔性加工和柔性制造系统的基础。但是，数控机床的韧投资及维修技术等费用较高，要求管理及操作人员的累质也较高。合理地选择及使用数控机床，可以降低企业的生产成本，提高经济效益和竞争能力。13数控机床的分类131按加工工艺方法分类1金属切削类数控机床与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量22特种加工类数控机床除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。3板材加工类数控机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。132按控制运动轨迹分类1点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。2直线控制数控机床直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。3轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。14数控机床发展趋势随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求愈来愈强烈。中、小批量生产的比重明显增加，要求现代数控机床成为一种只有柔性、精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元FMC、柔性制造系统FMS，以及计算机集成制造系统CIM5提供基础设备也要求数控机床向更高水平发展。当前；数控机床技术呈现如卞发展趋势1高精度化现代科学技术与生产的发展，对机械加工与测量提出了越来越高的精度要求。加工精密化不只是由于发展高、新技术的需要，也是为了提高普通机电产品的性能质量、寿命和可靠性的需要，向时还是为了减少机械产品装配时的修配工作员，提高装配效率的需要。故机床的加工精度有提高的趋势。如近10年来，普通级数控机床的加工精度已由原来的土10UM提高到土5UM和土2UM，精密级从土5UM提高到土15UM，最高可达土1UM以内。主轴回转精度为002005UM、加工圆度为01UM，表面粗糙度RA为0003UM的超精密车床，已有多种产品在市场上出现。预计到2000年，普通加工和精密加工的精度与1980年比，还将分别提高45倍，定位精度达到微米级、纳米级。2运动高速化高速是高效的基础，要提高生产率，首先就得提高切削速度。这正是机床技术发展追求的基本目标之一。而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切削速度相减少辅助时间。数控机床的“高速化”主要体现在主轴转速相进给速度。随着刀具、电机、轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大幅度提高。提高主轴转速是提高切削速度的最直接最有效的方法。提高生产率的另一措施就是把非切削时间缩减到最短。主要体现在提高快速移动速度和缩短换刀时间与工作台交换时间。备坐标轴快速移动速度已由812MMIN提高到1824MMIN，30一40MMIN的机床也稳定用于生产。3高柔性化柔性是指机床适应加工对象变化的能力。传统的自动化设备，由于是机械或刚性连接和控制的，当被加工对象交换时，调整很困难，甚至是不可能的，有时只得全部更新、更换。数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元，对满足加工对象变换有很强的适应能力。而且在提高单机秉性化的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化发展。如在数控机床的软硬件的基础上，增加不同容量的刀库和自动换刀机械手，增加第二主轴，增加交换工作台装置，或配以工业机器人和自动运输小车，以组成新的加工中心、柔性加工单元FMC或柔性制造系统FM5。实践证明，采用柔性自动化设备或系统是提高加工精度和效率、缩短生产和供货周期、并能对市场变化需求做出快速响应和提高竞争能力的有效手段。4高自动化这里指的柔性自动化是包活物料流和信息流的自动化。80年代个期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”单台数控机床发展到“线”的自动化FMS、FTL和“而”的自动化柔性制造车间。结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化。在国外已出现FA自动化工厂和CIM计算机集成制造工厂的实体。尽管由于这种高自动的技术还不够完备，投资过大，回收期较长，但数控机床的高自动化以及向FMC、萨MS的系统集成方向发展的总趋势仍是机械制造业发展的主流。数控机床包括FMC相FMS的自动化除进一步提高其自动编程、自动换刀、自动上下料、自动加工等自动化程序外，在自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、自动管理等方面也进“步得到发展，同时也提高丁其标准比和在线的适应能力。5复合化复合化包括工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗精加工工序的概念。加工中心包括车削中心、磨削中心、电加工中心等的出现，又把车、铣、镗、钻等类的工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的膛铣加工中心，不仅一次装卡可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体五个面腿、精加工的全部工序。6高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能开发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性至要的量化指标是平均无故障工作时间MCANTIMEBCTWEENFAILURCSMTBF。作为数控机床的大脑数控系统的MTBF已由70年代的3000H，80年代的10000H，提高到90年代初的30000H。据日本近期介绍，FANVC的CNC系统已达到MTBF增125个月。数控机床整机的可累性水平也有显著的提高。整机的MTBF已从80年代初期的100一200H提高到现在的500一800H目前，很多企业正在对可靠性设计技术、可靠性试验技术、可靠性评价技术、可靠性增长技术以及可靠性管理与可靠性保证体系等进行深入研究和广泛应用，以期使数控机床的整机可靠性水平提高到一个新水平。7宜入化宜入化是一种新的设计思想和观点，是将功能设计与美学设计有机结合，是技术与经济、文化、艺术的协调统一，其核心是使产品变为更具有魅力、更适销的对路商品，引导人们进入一种新的生活方式和工作方式。工业先进国家早已将其广泛用于各种产品的设计中。因此它是经济腾飞、提高市场竞争能力的重要手段。目前，国外机床生产广家为了能在方案设计阶段就知道其产品的外观造型、色彩配置的效果，普遍采用计算机辅助工艺造型设计CAID技术，相继开发了商品化的CAID软件系统致使国际市场上数控机床的品类、结构、造型、色彩发生了日新月异的变化，使用户在操作安全、使用方便、性能可靠的同时，还能体会到种美的享受感、舒服感、欣赏感，令人在心情愉快中完成工作。第二章床身设计21数控机床的床身设计211床身结构基本要求机床的床身是整个机床的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴相等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性扣高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。数控机床床身主要在以下4个方面提出了更高的要求3。1很高的精度和精度保持性在床身上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要能长时间保持。另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足静、动刚度、抗振性、热稳定性印工艺等方面的技术要求。2应具有足够的静、动刚度静刚度包括床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度质量比。动刚度直接反映机床的动态持性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动面产生的噪声。3较好的热稳定性对数控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已成了一个突出问题，必须在设计上要作到使整机的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。212床身结构根据数控机床的类型不同，床身的结构形式有各种各样的形式。例如数控车床床身的结构形式有平床身A、斜床身B、立体床身C等三种类型。ABC图21床身的布局这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身有的机床是用平床身斜滑板布局；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。斜床身布局的数控车床导轨倾斜角度通常选择45度60度和75度，不仅可以在同等条件下，改善受力情况；而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身的刚度。特别是自动换刀装置的布置较方便，而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限布置比较困难，限制冷了机床性能。因此，斜床身布局的数控车床应用比较广泛。在其他方面则三种布局方式的特点如下1热稳定性当床头箱因发热使主袖中心线产生热变位时，斜床身的影响最小；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也较小。2运动精度平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，容易提高定位精度；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间。3加上制造平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证。另外平床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，对精度影响最大；斜床身介于两者之间。4操作、防护、排屑性能斜床身的观察角度最好，工件的调整比较方便。平床身有刀架的影响，加上拖板突出前方，观察、调整较因难。但是，在大型工件和刀具的装卸方面，平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便。立式床身因切屑可以自由落下排屑性能最好导轨防护也较容易。在防护罩的设计上，斜床身和立式床身结构较简单，安装也比较方便；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制造成本较高。22数控机床导轨设计221数控机床对导轨的要求导轨主要用来文承和引导运动部件沿一定的轨道运动在导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不动的一方叫做支承导轨。运动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。日前，数控机床上的导轨型式主要有滑动导轨、滚动号轨和液体静压导轨等4。1导向精度高导向精度是指机床的远动部件沿导轨移动时的直线性和与有关基间之间的相互位置的淮确性。无论在空载或切削状态下导轨都应有足够的导向精度。影响导轨精度的主要原因除制造精度外，还有导轨的结构形式、装配质量、导轨及共支承件的刚度和热变形等。2耐磨性好导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨在工作过程中有磨损，故应力求减少磨损量，并在磨损历能自动补偿或便于调整3足够的刚度导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，故要求导轨应有足够的刚度。为了减轻或平衡外力的影响，数控机床常采用加大导轨面的尺寸提高刚度。4低速运动平稳性应使导轨的摩擦力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。5结构简单、工艺性好所设计的导轨应使制造和维修力便，在使用时便于调整和维护222贴塑滑动导轨1聚四展乙烯导轨软带的特点摩擦性能好铸铁淬火导轨副的静摩擦系数、动摩擦系数相差较大，几乎相差一倍，金属聚四氟乙烯导轨软带的静、动摩擦系数基本不变。图22为三种不同摩擦副试验测得的摩擦速度曲线。内图看出铸铁一铸铁的摩擦速度曲线斜率为负值；而TSF一铸铁摩擦副和TWITEB一铸铁摩擦副的曲线为正斜率，对于摩擦或机油润滑情况是相同的，而且摩擦系数U很低，比铸铁导轨副约低一个数量级。这种良好的摩擦性能可防止低速爬行，使运动平稳并获得较高的定位精度。图22摩擦速度曲线1铸铁铸铁（30机油）；2TURCITEB铸铁（干摩擦）3TURCITEB铸铁（30机油）；4TSF铸铁（干摩擦）5TSF铸铁（30机油）；耐磨性好除摩擦系数低外，聚四氟乙烯导轨软带材质中含有青铜、二硫化铝和石墨，因此，本身即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。此外塑料质地较软，即便嵌入金属碎屑、灰少等，也不至损伤金属导轨面和软带木身，可延长导轨副的使用寿命。减振性好塑料有很好的阻尼性能，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大意义。工艺性好可降低对粘贴塑料的余属导轨基体的硬度和表面质量要求，而且塑料易于加工铣、刨、磨、刮，可使导轨副接触面获得优良的表而质量。此外还有化学稳定性好、维修入便、经济性好等优点；23伺服系统231对进给伺服系统的要求1稳定性所谓稳定的系统，即系统在输入量改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出显经过几次衰减振荡后能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。它是进给伺服系统能够正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性稳定裕度。2精度所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出且复现输入量的精确程度偏差，即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差，稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。3快速响应特性所谓快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度也越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。232进给伺服系统的分类1开环控制数控机床这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床5。2闭环控制数控机床闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。3半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件和光电编码盘可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。目前，在中小型性能要求较高的数控机床中，较多地采用半闭环控制的伺服系统。显然半闭环控制不能自动补偿从旋转轴到工作台之间的误差，但因测量转角比较容易，测量装置价格也较低，同时，结构较简单，调整方便。因此，得到广泛的应用。24进给系统的机械结构特点1、高传动刚度进给传动系统的高传动刚度主要取决于丝杆螺母副直线运动或蜗轮蜗杆副回转运动及其支承部件的刚度。刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。缩短传动链，合理选择丝杆尺寸以及对丝杆螺母副及支承部件等预紧是提高传动刚度的有效途径。2高谐振为提高进给系统的抗振性，应使机械构件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的23倍。3低摩擦进给传动系统要求运动平稳，定位准确，快速响应特性好，必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差，在进给传动系统中现普遍采用滚珠丝杆螺母副。4低惯量进给系统由于经常需进行起动、停止、变速或反向，若机械传动装置惯量大，会增大负载并使系统动态性能变差。因此在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的重量以及各传动元件的尺寸，以提高传动部件对指令的快速响应能力。5无间隙机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此对传动链的各个环节，包括齿轮副、丝杆螺母副、联轴器及其支承部件等等均应采用消除间隙的结构措施。25自动换刀装置1自动换刀装置自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。数控机床对自动换刀装置的要求是换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠。CK20采用六工位的回旋刀架，具有分度转位快、平稳可靠、无渗漏等优点。分度控制采用编码器和接近开关，电气设计上增加了双保险安全保护环节以确保电机安全、换刀准确。26数控机床对主传动系统的要求1转速高、功率大数控机床对工件能完成大切削用量的粗加工及高速旋转下的精加工。粗加工时，扭矩大；精加工时，转速高。而数控机床的功率PTN，无论是T大，还是N大，都会使得功率大。2变速范围宽，且能实现无级变速满足不同的加工要求，就要有不同的加工速度。由于数控机床的加工通常在自动的情况下进行，尽量减少的参与，因而要求能够实现无级变速。3实现恒切削速度加工在加工端面时，为了保证端面稳定的加工质量，要求工件端面的各部位能保持恒定的线切削速度。4主传动链尽可能短传动链越短，则累积误差越小。5实现刀具的快速或自动装卸主运动是刀具旋转运动的数控机床，由于机床可以进行多工序加工，工序变换是时刀具也要更换，因此要求能够自动换刀第三章横向进给系统31概述带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。本章将对数控机床的横向伺服进给系统中各部件的选取和校核做详细的介绍。32数控车床主要数据工件最大回转直径400MM；切削直径的最大值280MM；工件车削长度最大值500MM；机床主轴最高转速4000R/MIN；机床主轴最低转速45R/MIN；机床X轴向最大行程180MM；机床Z轴向最大行程650MM；机床X轴向快速进给速度8M/MIN；机床Z轴向快速进给速度15M/MIN；机床横向进给最小单位0001；机床纵向进给最小单位0001；33数控车床横向进给系统滚珠丝杠副参数的计算要计算及其选择滚珠丝杠副首先要对机床在工作时刀架的受力进行分析，受力分析如图31所示工件刀架图31刀架工作受力分析331滚珠丝杠主要技术参数丝杠X轴向最大工作行程；180M丝杠X轴向定位精度；2/3失动量；4S刀架工作时最高速度；MAX8/INV查表初步确定丝杠寿命；150HL丝杠伺服电机的最高转速；JN2R/I因为滑动导轨（塑料铸铁导轨）的摩擦系数仅为；所以初步确023定使用滑动导轨，并取摩擦系数为。03F丝杠的固定方式初步定为固定固定；332计算切削功率切削功率的计算公式为10260ZZFVN切削式中V切削速度FZ主切削力由切削功率的计算公式可知要计算切削功率首先要计算切削力以及切削速度；计算步骤如下5步骤一计算切削力主切削力的计算公式为；XPZYZPZVPZPZHFCTSKK料查车工工艺学中级本得钢淬硬淬火及低温回火后的硬度为44HRC，45所需的单位切削力为270公斤/。切削用量各值取值范围2M03/SR切削速度；901INV切削深度；切削深度T取5MM；5T进给量；进给量S取；/SR03/MR查车工工艺学6确定各参数数值如下167PZC10PZX75PZY09PZK料8ZK13ZK5HZ9VPZ综上查表所得各数值带入主切削力的计算公式中得数控机床的主切削力为公斤力1075631083105ZF公斤力4897N取整后得主切削力为0ZF根据以上求得的主切削力及其主切削力与进给抗力和切深抗力比例关XFY系可计算出进给抗力和切深抗力10254ZXYFXY进给抗力为48000251200NX切深抗力为4800041920NY步骤二计算切削功率查车工工艺学中级本可得其切削速度取值范围为并取9015/MINV其速度值为；将V及FZ4895公斤力带入公式得105/MIN105/IN4893762NKW切削由公式得N电机N切削/K过K切削过电机步骤三确定主轴电机功率查表取，由上式得N切削8379KW将、K过、N切削带入075125过公式N电机N切削/K过得849607512NKWK切削电机过由上式初步确定主轴电机的功率为。K333计算滚珠丝杠工作时的等效转速滚珠丝杠工作时的等效转速计算公式为NMNMAXT1NMINT2/T1T2式中NMAX丝杠工进时最大转速NMIN丝杠工进时的最小转速由公式可知要计算丝杠工作时的等效转速首先要计算丝杠导程及其工作时的最大转速NMAX及其最小转速NMIN；其步骤如下步骤一计算丝杠导程根据公式可知要计算滚珠丝杠的导程首先要确定刀架的最高工进MAX/HJPV速度VMAX及其丝杠工作时的最高转速NJ；由331滚珠丝杠的主要技术参数可知8000MM/MIN；因为本机床的滚珠丝杠采用的是丝杠与电机直接MAX8/IN相连的方式，所以传动比I1所以丝杠工作时的最高转速与伺服电机相同为；AX20/IJNR将VMAX8000MM/MIN及其NJ2000R/MIN带入公式得MAX/HJPVNMAX/HJPV80/24取6H步骤二计算丝杠工作时的最大转速NMAX及其最小转速NMIN将步骤一中的VMAX及其PH带入公式NMAXVMAX/PH及其NMINVMIN/PH得工进速度最大时丝杠转速MAX/806134MIHVR工进速度最大时丝杠转速INI/步骤三计算等效转速将NMAX及其NMIN带入公式NMNMAXT1NMINT2/T1T2得刀架在工作时丝杠的等效转速为NMNMAXT1NMINT2/T1T2估算12T（13442T2016T2）/2T2T2890R/MIN334计算丝杆工作时承受轴向载荷滚珠丝杠承受的工作载荷是指在加工工件时实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力。其数值可以用进给牵引力的实验公式进行计算。丝杆所受的最大牵引力为刀具斜向下进给时所受的力，因为此机床初步选定的导轨是滑动导轨，其摩擦系数为，所以最大工作负载公式可表示为03FMAXCOS45COS45ZYFKFGFG式中K颠覆力矩影响系数K范围为取1101滑动导轨摩擦系数03FFX进给抗力FY切深抗力FZ主切削力G刀架及刀架座总质量由最大工作负载计算公式可知应首先计算刀架及刀架座总质量步骤一计算刀架及刀架座总质量刀架质量参考系列数控转塔刀架主要规格及参数，初步确定刀架（带31AK刀盘）毛重M150KG；由M150KG；G98得刀架质量为。1985047GN刀架座质量刀架座体积V；因为4208MG98；785103KG/M3所以GVG785103981094202008051696取整后得250GN综上数值估得刀架及刀座架总质量为147052920N步骤二计算最大工作负载将步骤一的刀架及刀架座总质量及其332中FX、FY、FZ各值带入公式得最大工作负载为MAX120302/4801920/2F386419N步骤三计算丝杠等效载荷因为丝杆自身重力沿斜向的分力远远大于重力产生的摩擦力，即GCOS45。GCOS45。F，由此可知丝杆的最小工作负载荷为MIN0FN因此丝杠在工作时的等效载荷为（估算1/31/3333MAX1MIN2120TTNTF，）21T21N396N335计算轴向基本额定动载荷AC根据机床在设计时的定位要求，初步确定机床的精度等级为3级，查表得精度系数，载荷系数为，计算滚珠丝杠的额定动载荷应按照滚珠丝10AF13WF杆副的预期工作寿命来计算，由331可知由333可知HL150HLNM890R/MIN，由334可知FM，所以丝杠的基本额定动载荷为1396NAC360/083961/0AMHWACNFF5336估算丝杠的最小底径2MD丝杠的最小底径应按其安装方式两端固定进行估算，因为安装方式为固定固定所以查表可得丝杠的安装示意图如图32所示（图中设）12B图32丝杠安装示意图查表得余程6ELM安全行程取12AHP2AHLP机械最大行程80X根据估算公式12ZXAENLBL018HHPP得LZ18012PH4818PH228306408MM滚珠丝杆允许最大弹性变形量为，其值为M14236MS根据丝杠固定固定安装形式，可按以下公式计算MZMZLFELFD/90/0232式中允许的最大弹性变形量M弹性模量E5210/N两端固定支承的距离ZL为检测位置精度空运转时，作用在滚珠丝杆副上的轴向载荷0FN其中空运转时滚珠丝杠轴向载荷为0220031457GF综上计算，由公式32得2039/39145708/23ZMDFLM查丝杠样表，本机床选择型号为型号为的内循环反向器双GD645P螺母垫片预紧滚珠丝杆。被选丝杠各参数为丝杠各参数为丝杆导程6HP公称直径为032DM底径27轴向基本额定动载荷1892ACN已选出的滚珠丝杆满足，以及的要求。丝杆的具体尺寸图如图33所示HP2DA图33滚珠丝杆副尺寸标注图GD320645P图中032DM1DM27DM8D50396WD1B8LH721337确定滚珠丝杆副预紧力FP、行程补偿量C、预拉伸力FT步骤一确定滚珠丝杆副预紧力FP因为随着预紧力的增大而增大，当滚珠丝杠副承受最大轴向工作负载AKPFFMAX小于等于三倍预紧力FP时是一个常数，但如果预紧力FP过大则会导致滚AK珠丝杠发热量增加，寿命减少所以丝杠副的预紧力应按公式选取，所MAX/3PF以根据公式可知滚珠丝杠的预紧力为MAX/3PF201/67018291ACN由上式可知所选滚珠丝杠满足要求、步骤二确定滚珠丝杆副行程补偿量根据公式CTLV可知要计算行程补偿量C首先要计算滚珠丝杠的丝杆的热膨胀系数、丝杆的温升T和有效行程LV，查表得丝杆的热膨胀系数为丝杆的温升T取为。有效行程的计算可按公式61202CULLVLX2LALN式中LX机械最大行程LA安全行程LN螺母长度由336可知机械最大行程LX180安全行程2612将数值带入公2AHLP式LVLX2LALN得有效行程为2180264180/30UXANLLM将所求有效行程及其热膨胀系数和丝杆的温升T值带入公式CUTLV中得行程补偿量为61203072TCTL步骤三确定滚珠丝杆副预拉伸力FT因为丝杠采用的是固定固定安装方式，所以丝杠产生的热变形可采用丝杆预拉伸的方法来进一步补偿预拉伸力的计算公式为（33）/TTUAEL2/4TD式中丝杆的热膨胀系数为6120丝杆的温升，一般取，取为T4C2弹性模量E52MPA丝杆底径2DM由337可知有效行程300MM，将各值带入预拉伸力的计算公式中得丝杠UL的预紧拉伸力为65212010347/97TFN338选择滚珠丝杠的支撑轴承1确定轴承的型号因为滚珠丝杆的安装方式为固定固定，因为机床在工作时要求滚珠丝杠能承受径向及轴向载荷，因此应选择面对面的接触轴承。602确定轴承内径及轴承的型号规格右端轴承与丝杠之间应选择过盈配合所以轴承内径应略小于丝杆外径，其规格型号为312M256TAC因为内循环滚珠丝杆必有一端轴承内径小于丝杆螺纹底径，所27DM以左端轴承的型号规格为047339工作图的绘制及确定具体尺寸1螺纹长度计算公式12108XAELL各值具体尺寸为最大行程XM安全行程6AHP余程24EL综上螺纹长度为1108XAE2641083M2两支撑轴承间距计算公式12ZLB各值具体尺寸为螺纹长度L1348MM有结构设计得15BM230BM综上两支撑轴承间距为12ZLB3480434校核滚珠丝杠副所选各值341校核滚珠丝杠副的值ND精度等级要求在时校核滚珠丝杠的值校核公式15NDNDONMAX70000式中滚珠丝杆的节圆直径0DM滚珠丝杆副的最高转速MAXN/IR由339滚珠丝杆副尺寸标注图可知32MM将及其带入校核公式0D0MAXNDNDONMAX70000得0MAX732647ND由上式可知滚珠丝杠的副的值满足要求ND342校核滚珠丝杆许用转速值C由校核公式可知要校核滚珠丝杆许2MAX60/LG/CCLERA用转速值首先要计算许用转速用的安装距离CNCN因为丝杠的安装方式为固定固定，查表得安全系数为由公式219F得5/2564180/CAEXNLBL39M值校核公式为CN2MAX60/LG/CCNLERA式中安装系数F丝杆螺纹底径2DM计算许用转速用的安装距离CLCNM将所求的LC值带入校核公式校核得2MAX60/LG/CCNLERA772219210/39FDMAX583N由上式可知所选滚珠丝杠符合要求343校核滚珠丝杆副的临界压缩载荷值CP临界压缩载荷值校核公式为CP242MAX112/0/YCYFKEILKDL式中作用在滚珠丝杆副上的最大轴向压缩载荷N安全系数。丝杆垂直安装，丝杆水平安装，本1K1/K1/3K次设计为倾斜安装，取为4515/2与丝杆支承型式有关的系数，查表为C40C计算临界压缩载荷用的安装距离，当采用固定固定安装方YLM式时，有5319YL为保证丝杆的压杆稳定性，需要丝杆所能承受的最大压缩负荷CP242MAX112/0/CYCYFPKEIKDL5407/39MAX896F由上式可知丝杠的值符合要求CP35横向进给系统伺服电机的选择与计算351计算电机的扭矩步骤一计算理论动态预紧转矩0PT因为丝杠精度为三级精度，所以其传动效率为理论动态预紧转矩计算90公式为/12/1023HPPPFT式中滚珠丝杠副预紧力NFP671PH安全行程MPH由公式得理论动态预紧转矩为/12/1023HPPPFT90/12/671023MN8步骤二计算最大动态预紧转矩AXPT最大动态预紧转矩的计算公式为MAXP01PT式中理论动态预紧转矩0PTP动态预紧转矩公差由于丝杆定位精度误差为级，而理论动态预紧转矩为，查表30PT138NM得到动态预紧转矩公差，将及其TP带入计算公式得40P0PTMAX1T382NM步骤三计算驱动最大负载所耗转矩AT综上MAX2013FN转矩计算公式为T3MAX110/2AHFP式中作用在滚珠丝杆副上的最大轴向压缩载荷MAXNPH安全行程正传动效率取为190由公式得3MAX10/2AHTFPMN4261步骤四计算支承轴承所需启动扭矩BT查丝杆专用轴承表得扭矩各值B轴承ATC625MNB201轴承470T5步骤五计算驱动滚珠丝杆副所需扭矩GTBAPGTMXMN6923501420步骤六估算电机额定扭矩JJGTT35则MNJ687352预选伺服电机预选用西门子的电机，具体型号为交流伺服电机，电机51FT7106AC的具体参数为额定转速IN/20R额定转矩MN76重量KG51转子转动惯量2408计算功率W7制动转矩3NM同时此电机购进时，已安装脉冲编码器和制动器36导轨的选取和设计机床导轨的功用是起导向及其支撑作用，它的精度、刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力由直接影响。为了保证数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力，要求导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的耐磨性、良好的低速运动平稳性，同时应尽量使导轨结构简单，便于制造和维护。数控机床常用的导轨按其接触面间摩擦性质不同可分为滑动导轨和滚动导轨。因滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。所以本机床首选滑动导轨结合沈阳数控产的SSCK20A数控车床，通过测绘，确定为双矩形导002003，是铸铁和铸铁副的1/3左右，且动静摩擦系数相近，所以具有良好的防爬性能，耐磨性可以提高12倍，与塑料软带配对的金属导轨，硬度在HB160以上，表面粗糙度RA06M,这种导轨除用在数控机床上以外，还用在精密机床、组合机床甚至重型机床上。导轨间隙的调整是通过压板来实现的，压板用螺钉固定在动导轨上，通过刮研和修磨压板与动导轨和静导轨的接触面来调整间隙的。而用导向调整板来调整侧向间隙，导向调整板是一种新型的镶条，它被置于导轨受力较小的一侧。采用导向调整板调整间隙，调整方便，接触良好，磨损小。轨，并在动导轨上粘贴聚四氟乙烯塑料软带。它是以聚四氟乙烯为基体，添加耐磨材料构成的高分子复合材料，它与铸铁导轨够成摩擦副时，摩擦系数仅为37滚珠丝杆的支承滚珠丝杆的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杆的自重。因此对丝杆的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杆和垂直进给丝杆；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杆；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杆或高转速、高刚度、高精度的丝杆，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度和对丝杆进行拉伸。丝杆中常用的滚动轴承有以下两种滚针推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60角接触轴承，在这两种轴承中，60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杆的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此课题中采用了以面对面配对组合的60角接触轴承，以容易实现自动调整。滚珠丝杆工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杆热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杆预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。在此课题中拟采用通过调整丝杆两端的圆螺母来对丝杆进行预拉伸。第四章液压卡盘的设计41机床夹具的概念及其功能411机床夹具的概念在金属切削机床上装夹工件所使用的工艺装备称为机床夹具，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。在现代生产中，机床夹具是种不可缺少的工艺装备，它直接影响着工件的加工精度、劳动生产率和产品的制造成本等，故机床夹具设计在企业的的产品设计和制造以及生产技术准备中占有及其重要的地位7。412机床夹具的功能1保证加工精度工件通过机床夹具进行安装,包含了二层含义一是定位,二是夹紧这样就可以保证工件加工表面的定位精度,且精度稳定2提高生产率使用夹具来安装工件,可以减少很多辅助时间,从而提高生产率3扩大机床的使用范围在机床上使用夹具可使加工变得方使，并可扩大机床的使用范围。例如在车床或钻床上使用组模，可代替镗床镗孔。42机床夹具的类型及其应满足的要求421机床夹具的类型1通用夹具通用夹且是指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。例如，车床上的三爪和四爪卡盘、项尖引鸡心夹头，铣床上的平口钳、分度头和回转工作台等，它们具有通用性，无用调整或稍加调整就可以用于装夹不同的工件。这类夹具一般已经标准化了，由专业工厂生产，作为机床附件供应给用户。2专用夹具专用夹具是指专为某一工件的某道工序的加工而专门设计的夹具，具有结构简单、操作方便等优点。专用夹具通常由使用厂根据要求自行设计和制造，适用于产品固定且批量较大的生产中。3组合夹具组合夹只是指按某一工件的某道工序的加