机床设计论文范文

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篇1

本论文的调查对象分为预备调查对象和正式调查对象。预备调查对象是对机床有所了解的研究生，共10人。正式调查对象是从事机床工作多年的设计师和工程师，分别有5人。其中，设计师来自设计公司，有丰富的机床造型设计经验；工程师来自企业，参加过机床造型设计的合作项目。

(2)调研过程

本调研的路线如图1所示，在文献研究基础上设计调查框架。具体的调查分为三个阶段：第一阶段为预备访谈。它为正式访谈做准备，对正式访谈中可能出现的情况进行模拟，发现问题，从而完善访谈提纲，使正式访谈能够顺利地进行。第二阶段为正式访谈。电话预约访谈人员，确定访谈时间（90-120分钟）和地点，并将访谈提纲提前发给受访者，使之提前做好准备，提高访谈效率；访谈时全程录音并做笔记。第三阶段为参与机床造型设计方案讨论会。其目的是通过参与设计师、工程师、管理者之间的直接交流，深入分析影响机床造型设计方案可行性的主要原因。

（3）访谈提纲

本调研的访谈提纲有两种，分别是针对设计师和工程师拟定的，如表一、二为访谈提纲的主要问题。

（4）调研结果

在对设计师的访谈中，他们提到在设计机床造型方案时，一般不考虑机床的结构，他们认为成本足够，结构都能实现。但企业从经济性上考虑，会限制生产成本，从而改变机床的结构或造型去实现设计方案。最终样机与设计方案不同点主要是结构上不能完成的部分。在对工程师的访谈和参与设计方案讨论会中，了解到他们与设计师在完成初步设计方案后进行交流，对方案的可行性进行探讨。当遇到难以完成的结构时，设计师在讨论会后对方案进行修改。工程师认为设计师的方案都很美观、新颖，但结构上难以实现，为了考虑成本，只能放弃。他们认为最终样机与最初方案差别不大，因为他们会去用其他工艺替代不能完成的工艺，尽可能实现最初设计方案。

2调查结果分析

通过深度访谈和参与机床造型设计方案讨论会，获得机床造型设计方案可行性的原始资料。在此基础上进行分析，了解到影响可行性的主要因素是造型、结构和成本。

(1)造型的美感因素

当今时代，人们非常重视产品带来的感觉体验。具有良好美学品质的产品，在使用中可以让用户心情愉悦，在展览会上可以给观众带来美好的视觉感受，对提升产品的市场竞争力和品牌知名度很有帮助。企业引进工业设计的重要目的就是提高产品的美学品质。因此，机床造型设计方案在美学品质上不能满足企业的要求，是一定不会被采纳的。图2是设计师为某机床企业设计的磨床造型方案。该方案给人的视觉感受是笨拙、缺少美感，且体现不出磨床的特点，在方案初步评审中遭到淘汰。因此，造型的美感是决定设计方案是否可行的首要因素。

(2)造型的结构因素

机床的造型不能脱离结构而存在。结构是造型的基础，造型是结构的不同表现形式，不同的结构布局会影响产品外观的形式表现。造型的实现必须要以结构作为支撑，合理的结构能提高机床造型设计方案的可行性，所以设计师在设计机床造型时必须考虑它在结构、工艺、装配上是如何实现的，不能效果图美观，而缺少可加工性，这样的方案是不可行的。如图3所示，该机床的造型设计方案底边切角成菱形，这种造型的内部结构很难实现，钣金折弯或焊接工艺都达不到预期的效果。因此尽管该方案的美学品质受到肯定，但最终还是被放弃。

(3)造型的成本因素

产品成本是衡量生产消耗的补偿尺度，企业必须以产品销售收入抵补生产中的各项支出，才能确定盈利，因此生产成本的控制是十分重要的。设计师在设计机床造型方案时不能盲目地追求时尚、高端，而要在生产成本限制内，展开设计创意，提出可行的设计方案。图4门把手的中间设计了一条蓝色彩带，给人以精致的感觉，加工工艺也是可行的，但提高了造价。在设计方案评审后，将把手更换成市场上价格较低的标准把手。

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关键词：数控机床开放式数控系统电动机

Abstract：Thenumericalcontrollathecalledthenumericalcontrol(Numericalcontrol,iscalledNC)theenginebed.Itisbasedonthenumericalcontrol,hasusedthenumericalcontroltechnology,isloadedwiththeprocedurecontrolsystemtheenginebed.Itisbythemainengine,CNC,thedrive,thenumericalcontrolenginebedauxiliaryunit,theprogrammingmachineandothersomeappurtenancesiscomposed.

Thisdesignincludingthemainmovementofenginebeddesign,longitudinalentersforthedesign,alsoincludesthegearmoduluscomputationandtheexamination,themainaxlerigidityexaminationandsoon.

Keyword：numericalcontroltoolOpen-architecturemotor

当前的世界已进入信息时代，科技进步日新月异。生产领域和高科技领域中的竞争日益加剧，产品技术进步、更新换代的步伐不断加快。现在单件小批量生产的零件已占到机械加工总量的80%以上，而且要求零件的质量更高、精度更高，形状也日趋复杂化，这是摆在机床工业面前的一个突出问题。为了解决复杂、精密、单件小批量以及形状多变的零件加工问题，一种新型的机床——数字控制(Numericalcontrol)机床的产生也就是必然的了。

此次设计是数控机床主传动系统的设计，其中包括机床的主运动设计，纵向进给运动设计，还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。

数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同，因此数控车床机械结构上应具有以下特点：

1．由于大多数数控车床采用了高性能的主轴，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。

2．为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。

3．更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副等。CNC装置是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。

2.2总体方案的拟定

1．根据设计所给出的条件，主运动部分z=18级，即传动方案的选择采用有级变速最高转速是2000r/min，最低转速是40r/min，。

2．纵向进给是一套独立的传动链，它们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。

3．为了保证进给传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。

4．采用滚珠丝杆螺母副可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且方法简单。

主运动设计

参数的确定

一.了解车床的基本情况和特点---车床的规格系列和类型

1.通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了。

2.车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79）：

最大的工件回转直径D（mm）是400；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于200；主轴通孔直径d要大于或等于36；主轴头号（JB2521-79）是6；最大工件长度L是750～2000；主轴转速范围是：32～1600；级数范围是：18；纵向进给量mm/r0.03～2.5；主电机功率（kw）是5.5～10。

传动件的设计

传动方案确定后，要进行方案的结构化，确定个零件的实际尺寸和有关布置。为此，常对传动件的尺寸先进行估算，如传动轴的直径、齿轮模数、离合器、制动器、带轮的根数和型号等。在这些尺寸的基础上，画出草图，得出初步结构化的有关布置与尺寸；然后按结构尺寸进行主要零件的验算，如轴的刚度、齿轮的疲劳强度等，必要时作结构和方案上的修改，重新验算，直到满足要求。

对于本次设计，由于是毕业设计，所以先用手工画出草图，经自己和指导老师的多次修改后，再用计算机绘出。

一.三角带传动的计算

三角带传动中，轴间距A可以较大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，亦可因而缓和冲击及隔离震动，使传动平稳。带传动结构简单，但尺寸，机床中多用于电机输出轴的定比传动。

目录

第一章引言1

第二章设计方案论证与拟定2

2.1总体方案的论证2

2.2总体方案的拟定2

2.3主传动系统总体方案图及传动原理2

第三章设计计算说明5

3.1主运动设计5

3.1.1参数的确定5

3.1.2传动设计6

3.1.3转速图的拟定8

3.1.4带轮直径和齿轮齿数的确定12

3.1.5传动件的设计19

3.2纵向进给运动设计38

3.2.1滚珠丝杆副的选择38

3.2.2驱动电机的选用42

结论47

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二、数控机床外观造型设计

在数控机床外观造型设计过程中，坚持下列基本原则：

（1）数控机床的色彩设计要满足以下特点：第一，色彩的表达要与机床的相应功能相统一，在不同功能部位设计不同的色彩进行区分。第二，根据人机协调的原则，采用偏中性的色彩设计，降低工人的疲劳感。第三，色彩的设计要与相应的工作环境协调，不同的环境采用不同的色彩，比如在寒冷的环境用暖色调，高温环境用冷色调。第四，美学原则，在外观色彩设计时要搭配适当色彩带给人美得心里感受。第五，符合企业的品牌形象，对同一品牌机床的色彩设计要大体上同一并具有一定的延续性，有利于建立长久的品牌形象认知。

（2）形态设计的原则，数控机床的设计要符合单纯化原则，坚持简洁、大方的形态设计。首先，在加工制造中均衡与稳定的形态更容易让人产生安全感。其次，机床形态设计要在单纯、稳定和均衡的基础上，做到变化与统一相互结合，减少单调、刻板的感觉。

（3）人机工程设计原则。数控机床的人机工程设计就要符合安全性，又要满足易用性。在外观设计时必须重点考虑操作人员的安全，在任何工作环境下都能保证操作人员的安全，要让数控机床在外观上能够直观区分功能区域，观察窗口、操作面板、拉门把手、按键大小等的位置设置要合理科学，符合一般人的操作习惯。

（4）绿色机床原则。在数控机床设计时，既要采用合理科学的结构，以降低加工过程中的能量消耗，又要尽量使用可再生材料，有效使机床轻量化。

三、数控机床外观造型设计的发展趋势

对数控机床行业来说，重视产品的外观造型，不仅仅出于对美的追求，更多的是为了适应市场的变化和需求，维护企业形象，提高品牌价值，更好地提高企业产品的竞争力。

1.符合“以人为本”的设计理念

“以人为本”的设计理念是当今数控机床设计理念的发展趋势，因为机器始终为人辅助，由人来操作，只有在设计中关注“人”的因素，才能符合人类的可持续发展这一需求。

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第二章总体方案的设计

2.1设计任务本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。2.2总体方案的论证对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。（1）数控系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。（2）伺服进给系统的改造设计数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。（3）数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：1.时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；2.可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；3.I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。2.3总体方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造示意图如图所示。CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。如图2－1所示：

第三章微机数控系统硬件电路设计

3.1微机数控系统硬件电路总体方案设计本系统选用8031CPU作为数控系统的中央处理机。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。其硬件框图如图3－1所示：图3－28031芯片内部结构图各引脚功能简要介绍如下：⒈源引脚VSS：电源接地端。VCC：＋5V电源端。⒉输入/输出（I/O）口线8031单片机有P0、P1、P2、P34个端口，每个端口8根I/O线。当系统扩展外部存储器时，P0口用来输出低8位并行数据，P2口用来输出高8位地址，P3口除可作为一个8位准双向并行口外，还具有第二功能，各引脚第二功能定义如下：P3.0RXD：串行数据输入端。P3.1TXD：串行数据输出端P3.2INT0：外部中断0请求信号输入端。P3.3INT1：外部中断1请求信号输入端。P3.4T0：定时器/计数器0外部输入端P3.5T1：定时器/计数器1外部输入端P3.6WR：外部数据存储器写选通。P3.7RD：外部数据存储器读选通。在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置1。⒊信号控制线RST/VPD：RST为复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。8031单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。ALE/PROG：ALE是地址锁存允许信号。它的作用是把CPU从P0口分时送出的低8位地址锁存在一个外加的锁存器中。外部程序存储器读选通信号。当其为低电平时有效。

VPP：当EA为高电平且PC值小于0FFFH时CPU执行内部程序存储器中的程序。当EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器中的程序。XTAL1：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地；XTAL2：震荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收震荡信号；（2）片外三总线结构单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、I/O口等。单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户I/O口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚构成了三总线形式：⒈地址总线AB地址总线宽度为16位。因此，外部存储器直接寻址范围为64KB。由P0口经地址锁存器提供16位地址总线的低8位地址（A7～A0），P2口直接提供高8位地址（A15～A8）。⒉数据总线DB数据总线宽度为8位，由P0口提供。⒊控制总线CB控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。其引脚图如图3－3所示：3.1.28255A可编程并行I/O口扩展芯片8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与设备之间的信息交换。8255A的结构及引脚功能：1、8255A的结构8255A的内部结构如图3－4所示。其中包括三个8位并行数据I/O端口，二个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下：（1）三个8位并行I/O端口A、B、CA口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入、或8位输出、或8位双向寄存器。B口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。C口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器，C口可分作两个4位口，用于输入或输出，也可作为A口和B口选通方式工作时的状态控制信号。（2）工作方式控制电路A、B两组控制电路把三个端口分成A、B两组，A组控制A口各位和C口高四位，B组控制B口各位和C口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由CPU写入的控制字，以决定两组端口的工作方式。也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或置“1”。（3）读/写控制逻辑电路它接收来自CPU的地址信号及一些控制信号，控制各个口的工作状态。（4）数据总线缓冲器它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现CPU和8255A之间信息的传送。

参考文献：

[1]王润孝，秦现生.机床数控原理与系统.西安:西北工业大学出版社,2000

[2]李华，MCS-51单片机实用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1993

[3]李圣怡等，Windows环境下软硬件接口设计.长沙:国防科技大学出版社,2001

[4]顾京，数控加工编程及操作.北京:高等教育出版社,2002

[5]周伟平，机械制造技术.武汉:华中科技大学出版社,2002