数控车床结构设计

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毕业设计说明书

GRADUATE设计题目：数控车床结构设计

学生姓名 专业班级： 学 院： 指导教师：

ESIGN

I

D目 录

2007年 6 月 20 日

目 录

摘 要 ..................................................................................................................... １ Abstract ........................................................................................... 错误!未定义书签。 1 绪论 ........................................................................................................................... 3

1.1 前言 ................................................................................................................ 3 1.2 问题的提出 .................................................................................................... 4 1.3 文献综述 ........................................................................................................ 4

1.3.1 国内外数控技术的发展概况 ............................................................. 4 1.3.2 我国数控技术的发展趋势 ................................................................. 6 1.4 本课题研究的目的及意义 ............................................................................ 8 2 数控车床的总体设计方案 ...................................................... 错误!未定义书签。

2.1 数控车床的组成、布局和特点 ..................................... 错误!未定义书签。

2.1.1 数控车床的结构组成 .......................................... 错误!未定义书签。 2.1.2 数控车床的布局 .................................................. 错误!未定义书签。 2.1.3 数控车床的特点 .................................................. 错误!未定义书签。 2.2 数控车床的设计方法和特点 ......................................... 错误!未定义书签。

2.2.1 数控车床的设计方法 .......................................... 错误!未定义书签。 2.2.2 设计方法的特点 .................................................. 错误!未定义书签。 2.2 数控车床的设计步骤 ..................................................... 错误!未定义书签。

2.3.1 主要技术指标设计 .............................................. 错误!未定义书签。 2.3.2 总体方案设计 ...................................................... 错误!未定义书签。

3 数控车床的具体设计 .............................................................. 错误!未定义书签。

3.1 床身的设计 ..................................................................... 错误!未定义书签。

3.1.1床身的肋板布置和结构形状 .................................. 错误!未定义书签。 3.1.2床身的支撑 .............................................................. 错误!未定义书签。 3.1.3床身的材料 .............................................................. 错误!未定义书签。 3.2 工作台的设计 ................................................................. 错误!未定义书签。

II

目 录

3.2.1工作台的台座设计 .................................................. 错误!未定义书签。 3.2.2工作台的防护措施 .................................................. 错误!未定义书签。 3.2.3丝杠螺母座示意图 .................................................. 错误!未定义书签。 3.3 主轴的设计 ..................................................................... 错误!未定义书签。

3.3.1对主轴组件的性能要求： ...................................... 错误!未定义书签。 3.3.2主轴的主要尺寸参数： .......................................... 错误!未定义书签。 3.3.3主轴轴端结构 ........................................................ 错误!未定义书签。 3.3.4主轴电机的选择 ...................................................... 错误!未定义书签。 3.3.5主轴主要参数的初步确定 ...................................... 错误!未定义书签。 3.4轴承的选择及校核 ............................................................ 错误!未定义书签。

3.4.1主轴主要参数的初步确定 ...................................... 错误!未定义书签。 3.4.2轴承寿命的验算 ...................................................... 错误!未定义书签。 3.5滚珠丝杠的计算选型 ........................................................ 错误!未定义书签。

3.5.1 Z方向滚珠丝杠的选型 ........................................... 错误!未定义书签。 3.5.1 X方向滚珠丝杠的选型 .......................................... 错误!未定义书签。 3.6 导轨的设计 ...................................................................... 错误!未定义书签。

3.6.1直线滚动导轨的结构及工作机理 .......................... 错误!未定义书签。 3.6.2滚动导轨的结构及特点 .......................................... 错误!未定义书签。 3.6.3导轨的计算及选型 .................................................. 错误!未定义书签。

致 谢 ............................................................................................ 错误!未定义书签。 参考文献 ........................................................................................ 错误!未定义书签。

III

摘 要

摘 要

数控车床是典型的机电液气一体化产品，它综合计算机技术、自动控制技术、自动检测并反馈技术、液压与气动技术以及精密制造技术于一体，发挥着无以比拟的作用。

本文是完成一个数控车床的设计。主要是完成床身、工作台、主轴、丝杠、导轨的设计。本文先从数控车床的概念入手，讲述数控车床的一些基本常识，然后讲述数控车床的设计方法和设计步骤。最后进行具体的设计。在具体设计时，首先是床身的设计，主要完成床身的结构和支撑设计以及材料的选择。接着是工作台的设计，主要完成台座的设计以及工作台的防护措施。然后是主轴的设计，主轴是数控车床的重要组成部分，在这部分设计中主要完成主轴电机的选择、主轴结构以及轴承的校验等。然后是两个方向上滚珠丝杠的选型设计，这也是十分重要的，本文从滚珠丝杠的概念、计算、校验等各个角度进行了滚珠丝杠的选型。最后简单介绍了机床导轨的设计，包括导轨的工作原理、结构设计等。

关键词：数控车床、床身、主轴、滚珠丝杠、导轨

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Abstract

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绪论

1 绪论

1.1 前言

数控车床又成为CNC（Computer Numericial Control）车床，即用计算机数字控制的车床，也是目前使用较为广泛的数控机床之一。数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过X、Z坐标轴方向上的伺服电动机去控制车床的进给部件的动作顺序、移动量和进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种形状不同的轴类或盘类回转体零件。普通卧式车床是靠手工操纵机床来完成各种切削加工，数控车床从原理上讲与普通机床基本相同，但由于它增加了数字控制功能，加工过程中自动化程度较高，与普通车床相比具有更强的通用性和灵活性以及更高的加工效率和加工精度。

车削加工一般是通过工件的旋转和刀具的进给完成切削过程的。其中要加工对象是回转体零件，加工内容包括车外圆、车端面、切断和车槽、钻中心孔、钻孔、车孔、绞孔、锪孔、车螺纹、车圆锥面、车成行面、滚花和攻螺纹等。但是由于数控车床是自动完成内外、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，所以数控车床特别适合加工形状复杂的轴类和盘类零件。

数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，因此被广泛应用于机械制造业，例如汽车制造厂、发动机制造厂等。

目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控技术还处于初级阶段，因此，研究本课题是十分必要的。

毕业设计是大学学习期间最后一次具有实践性的设计，是对所学专业知识的一次全面应用和回顾，此次设计的目的是：

1. 综合运用以学过的理论知识，培养我们理论联系实际分析解决问题的能 力。

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绪论

2. 学习机电一体化设计的一般方法，了解机电设备和机械结构的设计思路。 3. 熟悉使用设计资料、手册、标准和规范。

1.2 问题的提出

数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。

国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔(双刀塔或四刀塔)数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。

我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心(主轴径跳轴跳≤0.001mm)、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。因此，在这种形势下该问题的提出十分必要，我们研究本课题也是时代的号召。

1.3 文献综述

1.3.1 国内外数控技术的发展概况

随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现

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绪论

柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。

以下介绍一些国家车床生产和消费的情况：

美国2003年生产数控卧式车床1816台，消费车床7304台，其中数控车床5428台，消费车床的台数的数控化率74.3%；

日本2004年生产车床26456台，其中数控车床21485台，生产车床台数的数控化率82.1%。消费车床9742台，其中数控车床8667台，消费车床台数的数控化率89.0%。日本国产车床市场占有率68.3%、数控车床市场占有率89.3%； 韩国2004年生产的车床产值占金切机床产值40.8%，数控车床产值占车床产值的95.2%；

印度2004年生产车床2101台，其中数控车床1807台，生产车床台数的数控化率86.0%。消费车床3555台，其中数控车床2531台，消费车床台数的数控化率71.2%。印度国产车床市场占有率58.5%、数控车床市场占有率70.7%。 可见，我国车床制造业总体水平与上述国家相比，还存在不少差距。

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绪论

1.3.2 我国数控技术的发展趋势

我国数控车床发展，始于上世纪70年代，通过30余年的经历，我国生产的数控车床，按中国需求的特色，形成经济型卧式数控车床(平床身卧式数控车床)、普及型数控车床(斜床身数控卧式车床和数控立式车床)和中高档数控车床(3轴控制以上)三种形式。经济型卧式数控车床，普遍采用平床身结构和立轴四工位方刀架，约占数控车床产量90%。普及型数控车床生产量不到数控车床产量的10%。中高档数控车床，即车削中心和车铣复合中心，约占数控车床生产0.02%。

“十五”期间国产数控机床发展很快。从技术上看，数控车床技术比较成熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床设计和制造技术。从产品水平上看，我国已能自行开发设计各种中高档数控车床，国际上最热门的、水平最高的双主轴、双刀架9轴控制车铣复合中心，我国已有多家企业开发试制成功，有的已被国内用户选购和出口国外。

经济型数控车床是特定时期需求的产物，对于发展中国家工业重工化阶段的初期，经济型数控车床具有较优越的性价比，设备投资较低，受到企业，特别是民营企业技术改造设备选型的欢迎，但是，经济型数控车床与国外广泛采用的普及型数控车床相比，技术含量较低，由于是大多数采用立式4工位刀架，定位精度低，刀具数少，加工范围较窄，加工精度较低，有一定的使用局限性。

目前，我国生产经济型数控车床的企业已超过50家，全国年产量已超过30000台以上，已达到相当的规模。所以，生产经济型数控车床的企业要密切注意市场需求变化的走势，及时调整产品结构。 国产数控车床的市场占有率逐年提高，按台数计，由2001年的72.5%上升到2005年的88.9%；按金额计，由2001年的43.5%上升到2005年的65.3%，接近2/3。随着国产普及型数控车床产业化水平的加速和中高档数控车床市场的开发，国产数控车床的市场占有率还会进一步提高。

我国开发设计的数控车床如图1所示，是我国广州顺德诺信数控机床厂设计并制造的数控车床。

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绪论

图1

该机床的结构特点是：机床采用整体式床脚，后斜排屑，刚性好并易于机床散热。大拖板、滑板导轨表面贴塑使其动静磨擦系数大幅降低，提高了移动速度，重复定位精度，耐磨性及防锈性，并方便日后导轨维修。

2001年～2005年我国数控车床生产情况见表1

表1 2001年～2005年我国数控车床生产情况

数控车床年产量(台) 占数控金切机床比重(%) 数控金切机床年产量(台 数控车床年产值(万元) 平均单台产值(万元)

2001 10022 57.2 17521 116255 11.6

2002 14237 57.4 24803 193623 13.7

2003 21940 59.6 36813 293996 13.4

2004 31687 61.1 51861 468968 14.8

2005 37811 63.4 59639 616321 16.3

“十五”期间我国数控车床进入发展快速期，生产产量由2001年的10022台增加至2005年的37811台，增长3.77倍；产值由2001年的11.53亿元增加至2005年的61.63亿元，增长5.35倍。平均单台产值由2001年的11.6万元增加至2005年的16.3万元。数控车床的消费量由2001年的13123台增加到2005年的42551台、消费额由2001年的3.06亿美元增加到2005年的11.8亿美元。

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绪论

1.4 本课题研究的目的及意义

进入21世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的良机，也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争压力。从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。

装备制造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。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发面对我国实行限制政策。我国技术型人才培养模式相对落后，迫切需要提高数控专业技术性人才培训的针对性和适应性。数控车床是数控技术的具体体现，也是培养数控人才的重要学习部分，因此，研究本课题是十分必要的。

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附 录

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