数控车床结构的模块化设计毕业设计论文.doc
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1、数控车床结构的模块化设计摘要:随着数控车床在生产实际中的广泛采用,企业要求车床生产厂家能够快速、高速、大量提供功能各异的数控车床。而目前国内企业要做到这一点尚有许多困难,形成批量生产的厂家年生产能力也不过二百台左右。分析其原因,主要是现行设计方法不够完美,继而为生产、管理、营销带来诸多不便,也因此各车床生产厂家效益低下,难以抗拒国外产品的大量涌入。据统计,产品成本的70%是由设计阶段决定的,并影响到其它方面。本文从数控车床结构设计着手,引入了模块化设计的思想,在对数控车床进行结构认识和整体布局分析的基础上,提出了一种能够进行模块化设计的较为理想的布局形式,应用模块化设计理论及模块的划分、设计原
2、则,对数控车床进行模块划分并设计。关键词: 模块化;数控车床;设计;结构The Modular Design Of CNC Lathe StructureAbstract:Computer numerically controlled (CNC) lathes are used widely in industry because of their high productivity. Lathe users require that different kinds of machine tools be provided quickly, with high quality, and in
3、great quantities. But there are still some difficulties that lathe producers still cannot overcome. A manufacturer can produce about 200 lathes every year.Current design methods are not perfect and hinder productivity, management,and sales of lathes. As a result machine tool manufactures have low pr
4、ofits and cannot compete with foreign manufacturers. Approximately 70 percent of the cost of a CNC lathe is dependent on its design. This thesis examines a modular design approach to CNC lathe. By the analysis of the structure of different kinds of CNC lathes, an ideal structure that can be used for
5、 modular design is proposed.The CNC lathe is divided and designed based on modular design theory and principles. Keywords: modular;CNC lathe;design;structure前言随着科学技术的发展、社会的进步和经济的繁荣,市场对数控车床在品种和数量方面的需求急剧增加;同时也要求数控车床产品具有性能齐全、优质可靠和高效率等特点。这些市场对数控车床的客观要求,使得基于传统设计方法来设计与制造数控车床的生产厂家已无法满足市场在这方面越来越高的要求。国外的机床大量
6、地涌入国内市场,更是使中国车床业雪上加霜,问题非常严重。这也是我国机械工业普遍面临的问题。要想克服目前所面临的实际问题,必须在借鉴传统设计理论的基础上,重新建立和完善一套新的设计理论方法,使之能够在短期内有效地设计出用户所需车床或用户指定功能的车床来。同时新的设计方法应能够从设计、管理、生产、报废产品的回收再利用等各个方面产生一定的影响。为此,论文在总结过去几年中在设计及生产服务过程中的体会、经验,并参考欧、美、日在机床设计上的先进经验及方法,解决其中一些问题。“模块化设计”是一种设计思想,目的是为了提高设计效率,为了使设计经验能够被继承和传递,以有利于进一步发展提高设计和生产水平。模块化设计
7、在各国发展的背景不同,理解也不完全相同,由此产生了若干种关于模块化设计的定义,其中一种定义如下:“在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块通过模块的选择和组合可以构成不同的产品,以满足市场的不同需求,这种设计方法就称之为模块化设计。”由这种设计思想产生了确定的设计过程和设计方法。论文给出以下定义:在对一定范围内的各种不同规格、不同性能或功能的产品进行功能分析的基础上,精心划分并设计出一系列功能模块,通过功能模块的选择和组合构成不同产品,以解决产品品种、规格与设计制造周期、成本之间的矛盾。进一步的发展方向是:灵活反应,快速设计,尽
8、快满足市场的不同需求。本论文是基于学习了“数控技术”课程后,对数控车床结构设计的新思路、新方法的深入分析与研究。数控机床是综合了微电子、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技术的新成果而发展起来的新型机床,数控车床在各类数控机床中所占的比重很大。本论文以数控车床为对象,从其模块化结构设计为突破,阐述数控车床结构设计的基本方法与发展趋势;分析数控车床模块的划分依据与设计理念;以数控车床主轴部件为重点进行模块化设计。1 模块化设计概述1.1 模块化设计的起源及在机床设计中的应用 产品模块化设计始于二十世纪初。1900年德国一家家具公司用模块化设计原理设计书架,利用几种基本模块,可以方便地组装成
9、顾客需求的书架。大约在1920年,模块化设计开始应用于机床设计中。到二十世纪五十年代初,欧美一些国家正式提出“模块化设计”的概念,才真正把模块化设计提到理论的高度来研究。模块化系列机械产品设计,是工业发达国家近二十年来一直采用的一种先进的机械产品设计方法。其宗旨是通过少量的功能模块组合以获得多种产品来最大限度地满足不同用户的需求。目前,模块化设计思想已广为人们接受,在机床行业中应用很广泛,例如模块化机床和组合夹具。模块化设计也广泛应用于减速机、家电、家具、计算机等行业。从当前资料来看,在数控机床的设计中,德国做得比较好,产品的模块化设计水平很高。在国内,1982年国家机械工业部在北京曾就模块化
10、设计专门组织了一批长期从事机床设计的专家、教授进行讨论,并努力推广。但只是在普通车、铣、刨、磨等机床上应用过,而在数控机床上的应用尚未完全展开。原因有二:1)目前国内车床厂家生产的数控车床基本上都是两轴数控车床,斜床身布局,尚未对模块化设计进行系统研究并形成产品。同时,斜床身布局也不利于进行模块化设计多轴数控车床。 2)迫于国外大量高质量数控车床的涌入,各车床厂家忙于开发新产品,对原两轴数控车床进行改进设计,提高质量,以应付这种不利局面,也无暇顾及对数控车床进行系统分析,进行模块化设计,尤其是对多轴数控车床进行模块化设计的研究。1.2 模块的划分原则对功能模块的划分引用参考资料11中所提出的以
11、下原则,论文给出该原则在数控车床模块化设计过程中应用时应注意的问题。(1)尽量减少产品包含的功能模块总数。因为功能模块总数越多,在管理上越容易造成混乱,不实用或不可行的组合方案也越多。在各功能模块的功能独立性及结构完整性方面也越不易保证。在各功能模块的组合时,相应接口较多,这会给数控车床的精度、刚度、振动及热稳定性等方面带来一定的负面影响。(2)简化每个功能模块自身的复杂程度。功能、效率和质量是产品的根本,应该以最简单可行的方法去实现特定的功能,以降低生产成本。 (3)各功能模块应具有功能独立性和结构完整性。如果功能独立性和结构完整性好,一方面有利于同一结合面上的不同功能模块互换,降低接口设计
12、的复杂性;另一方面可以有效提高整体的设计速度,尤其是在利用计算机参数化设计中效果更明显。(4)要考虑各功能模块的划分对数控车床的精度、振动、热稳定性及刚度所带来的负面影响.(5)功能模块单元的划分不应在人机关系方面带来负面影响。因为是功能模块单元的自由组合,个别功能模块变化大时,有可能为操作者带来不便,或对生产安全带来隐患,而且也为其它相关设备的配备带来麻烦。这要求这些功能模块在设计时,尽量做到外形尺寸一致。(6)功能模块单元的划分必须考虑经济因素。如果划分功能模块后设计的数控车床生产成本高或没有改善,那么不如不做这样的设计,这与模块化设计要能为企业带来较好的经济效益这一最根本的目标相违背。为
13、了达到我们最终的目的一一低成本、高质量、高效益,我们必须在实际设计当中注意功能模块的一些设计原则,论文引用参考资料11中所提出的一些原则并给出该原则在数控车床模块化设计过程中应注意的一些问题,在这些原则基础上考虑问题,将使我们的设计工作开展的更容易、更实用、更高效,也将为设计工作结束后的其它工作的开展带来许多方便之处,在数控车床的组合过程中也将更灵活、多变、经济。1.3 模块的划分种类模块的划分是模块化设计的重要问题之一,如何合理地划分模块,是产品设计的关键问题,模块种类少,通用化程度就高加工批量就大,对降低成本有利。 在此次数控车床模块化设计中,将重要分析工作台模块、刀架模块、支承模块,以及
14、主轴模块。又由于主轴部件是整个机床的重要部件之一,通常由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件等组成。机床工作时,由主轴带动工件直接参与表面的成形运动。主轴部件的性能对加工质量和生产效率有着重要的影响。因此我将主要进行主轴模块设计。2 数控车床概要21 数控车床的发展 数控车床的发展在我国正处于初级阶段。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。2.1.1高速
15、、高精密化高速、精密是车床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展,机电产品更新换代速度加快,对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求,当前车床正向高速切削、准确切削方向发展,加工精度也在不断地提高。另一方面,电主轴和直线电机的成功应用,陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等车床功能部件的上市,也为车床向高速、精密发展创造了条件。2.1.2高可靠性数控车床的可靠性是数控车床产品质量的一项关键性指标。数控车床能否发挥其高性能、高精度和高效率,并获得良好的效益,关键取决于其可靠性的高低。2.1.3数控车床设
16、计CAD化、结构设计模块化随着计算机应用的普及及软件技术的发展,CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作,更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计,可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上,在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD,还可以大大提高工作效率,提高设计的一次成功率,从而缩短试制周期,降低设计成本,提高市场竞争能力。通过对车床部件进行模块化设计,不仅能减少重复性劳动,而且可以快速响应市场,缩短产品开发设计周期。2.1.4智能化、网络化、柔性化和集成化智能化的内容包括在数控系统中的各个
17、方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方面的智能化,如电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;还有智能诊断、智能监控等方面的内容,以方便系统的诊断及维修等。 网络化数控装备是近年来车床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式,如敏捷制造、虚拟制造,全球制造的基础单元。数控车床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点、线向面、体的方向发展,另一方面向注重应用性和经济性方向发展
18、。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提,以易于联网和集成为目标,注重加强单元技术的开拓和完善。CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控车床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结,向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。2.2 数控车床的结构特点与传统车床相比,数控车床的结构有以下特点:(1)由于数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电动机驱动,所以它的传动链短。不必使用挂轮、光杠等传动部件,用伺服电动机直接与丝杠联结带动刀架运动。伺服电动机与丝杠间也可以用同步齿型带或齿轮副联结。(2)多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动
19、主轴,按控制指令作无级变速,主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。为扩大变速范围,现在一般还要通过一级齿轮副,以实现分段无级调速,即使这样,床头箱内的结构已比传统车床简单得多。数控车床的另一个结构特点是刚度大,这是为了与控制系统的高精度控制相匹配,以便适应高精度的加工。(3)数控车床的第三个结构特点是轻拖动。刀架移动一般采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副是数控车床的关键机械部件之一,滚珠丝杠两端安装的滚动轴承是专用铀承,它的压力角比常用的向心推力球辆承要大得多。这种专用轴承配对安装,是选配的,最好在轴承出厂时就是成对的。图1-1 一种全功能型数控车床(4)为了拖动轻便,数控车床的润滑都比较充分,大部分采
20、用油雾自动润 滑。(5)由于数控车床的价格较高、控制系统的寿命较长,所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。数控车床一般采用镶钢导轨,这样机床精度保持的时间就比较长,其使用寿命也可延长许多。(6)数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点,自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。(7)数控车床一般还配有自动排屑装置。3 数控车床工作台模块化设计按不同用途,工作台模块的横系列模块可分为一般工作台、回转工作台、分度工作台和交换工作台。而其纵系列模块则按加工直径的不同,从1250-3150 mm分为五个区段。因此每一种横系列工作台均有五个纵系列模块。为了能够方便地加工工件的端面、侧面以及与毛坯回转轴
21、线不同轴的孔,可在一般工作台的基础上增设工作台分度装置,从而得到分度工作台结构模块。分度装置包括花盘补充拖动装置、回转读数传感器以及花盘定位夹持器。为使刀具能作三维移动,就要设计可移动工作台。在制造柔性加工单元和柔性加工系统时,为了自动交换工件,应增加拖换台、存贮台和找正台,形成可交换工作台。工作台横系列的结构模块主要是增加机床功能,满足对不同形状大小,不同类型零件的加工,以提高工作台多用途的需要。在此,主要分析会回转工作台和分度工作台。3.1 回转工作台图3-1.1 数控回转工作台1-蜗杆;2-大蜗轮;3、4-夹紧瓦;5-小油缸;6-活塞;7-弹簧;8-钢球;9-底座;10-光栅;11-双列
22、向心援助滚子轴承;12-圆锥滚子轴承数控回转工作台其外形和通用车床的分度工作台十分相似,但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点。图3-1.1为自动换刀数控车床的回转工作台。这是一种补偿型的数控回转工作台,它的进给、分度转位和定位锁紧都由给定的指令进行控制。工作台的运动由伺服电动机通过减速齿轮(图中未标出)和蜗杆1传给蜗轮2。为了消除蜗轮副的传动间隙,采用了双螺距渐厚蜗杆,通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距,因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的,所以仍然保持着正常的啮合。 当工作台静止时,必须处于索紧状态。为此,在蜗轮底部的辐射方向装有
23、八对夹紧瓦4和3,并在底座9上均布着同样数量的小油缸5。当小油缸的上腔接通压力油时,活塞6便压向钢球8,撑开夹紧蜗轮2。当工作台需要回转时,先使小油缸的上腔接通回油路,在弹簧的作用下,钢球8抬起,加紧瓦将蜗轮放松。 回转工作台的导轨面由大圆柱滚子轴承13支承,并由圆锥滚柱轴承12及双列向心圆柱滚子轴承11保持准确的回转中心。 数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗轮副的传动精度,因而必须采用高精度的蜗轮副。除此之外,还可在实际测量工作台静态定位误差之后,确定需要补偿的角度和补偿脉冲的符号(正向或反向),并记忆在补偿回路中,由数控装置进行误差补偿。 数控回转工作台设有零点,当它作回零运动时,先用挡
24、块碰撞限位开关(图中未标出),使工作台降速,然后在无触点开关的作用下,使工作台准确的停在零位。数控回转工作台在作任意角度的转位和分度时,由光栅10进行读数,因此能够达到较高的分度精度。 数控回转工作台除了能够完成进给驱动外,还可以作任意角度的分度和定位,其分度与角度定位的原理与直角坐标点位控制颇为相似。3.2 分度工作台 数控车床的分度工作台与数控回转工作台不同,它只能够完成分度运动,而不能实现圆周进给。3.2.1定位销式分度工作台这种工作台的定位分度主要靠定位销和定位孔来实现。图3-2.1是自动换刀数控车床的分度工作台。分度工作台2置于长方形工作台11中间,在不单独使用分度工作台2时,两个工
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