车铣复合加工机床总体结构及X轴进给部件设计 兰州博文科技学院毕业设计（论文） 摘要 如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控设计。 本文主要是采用微机数控技术对最大加工直径为400mm的车铣复合加工机床进行设计。首先对车铣复合加工机床总体结构及X轴的设计任务和功能需求进行了认真分析，其次确定了车铣复合加工机床的总体方案，包括主传动系统的改造方案、换装自动回转刀架、螺纹编码器的安装方案、进给系统的改造与设计方案。最后经过计算切削力、滚珠丝杠设计计算、齿轮及转矩有关计算对丝杠、齿轮等进行了选型，详细设计出了X向进给系统。 关键词：数控技术；改造设计；X向进给；车床 Abstract Nowadays, science and technology are developing rapidly, especially microelectronics and computer technology. When applied to CNC systems, it can not only improve the automation level of machine tools, but also improve machining accuracy. Therefore, the most economical way is to carry out CNC design for ordinary machine tools. This article mainly uses microcomputer numerical control technology to design a turning milling composite machining machine tool with a maximum machining diameter of 400mm. Firstly, a careful analysis was conducted on the overall structure of the turn-milling composite processing machine tool and the design tasks and functional requirements of the X-axis. Secondly, the overall plan for the turn-milling composite processing machine tool was determined, including the renovation plan for the main transmission system, the installation plan for replacing the automatic rotary tool holder, the installation plan for the thread encoder, and the renovation and design plan for the feed system. Finally, after calculating the cutting force, ball screw design calculation, gear and torque related calculations, the selection of screw and gear was carried out, and the transverse feed system was designed in detail. Key words: CNC technology; Renovation design; Cross feed; Lathe 目 录 TOC \o 1-2 \h \u 20087 1 绪论 1 29278 1.1 研究背景 1 9908 1.2国内外车铣复合机床的发展现状 1 29573 1.3 研究意义 2 12745 1.4 机床数控化设计的设计任务 3 8774 2 总体方案的确定 4 17059 2.1 主传动系统的设计方案 6 28926 2.2 换装自动回转刀架 7 18630 2.3 螺纹编码器的安装方案 7 9557 2.4 进给系统的设计与设计方案 8 32420 2.5 数控系统部分设计 8 5557 3 X轴进给系统的设计 10 22456 3.1 X轴进给系统的设计与计算 10 27519 3.2 数控车床的传动装置设计 17 5222 3.3 自动转位刀架的设计 24 22503 4 微机数控部分设计 26 20979 4.1 概述 26 22678 4.2 数控系统的硬件电路设计 27 24329 4.3 软件设计 28 21129 结束语 30 8621 参考文献 31 15560 致谢 32 车铣复合加工机床总体结构及X轴进给部件设计 兰州博文科技学院毕业设计（论文） PAGE PAGE 2 PAGE PAGE 1 1 绪论 1.1 研究背景 2021年全球车铣复合数控机床市场销售额达到了76亿美元，预计2028年将达到154亿美元，年复合增长率（CAGR）为10.6 %（2022-2028）。 sourceType:answer,sourceId:2105428134} \t /question/457219817/answer/_blank 车铣复合车床是数控车床复合加工类车床中发展最快、运用最广泛的数控设备。 \t /question/457219817/answer/_blank 车床加工复合化是数控机床发展的重要方向之一。该机主要适用于航空、航天、军工、能源装备和重型机械工程等重点发展领域，主要针对结构复杂、品种繁多，高精度回转轴类零件的加工。 车铣复合机床是当前世界机床技术发展的潮流。复合加工在保持工序集中和消除(或减少)工件重新安装定位的总的发展趋势中，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和节约作业面积的目的。车铣复合机床主要部件采用铸铁材料，具有良好刚性和吸振性；床身为整体四导轨布局，后两条矩形导轨供尾座移动，前两条为超宽型直线滚动导轨副供刀架移动。 车铣复合机床在技术性能、生产效率、产品的多用途适应性及自动化程度等方面，可满足国内轨道交通高速发展的需求，缩小了与先进产品水平的差距。该机采用对称布局，整体床身，床身的左右分别布置左右尾座；尾座上方布置有摩擦轮架，其上安装摩擦传动装置，床身上面设有轨道，与车间轨道相连接，便于轮对装卸。它不仅能满足用户在提高生产效率、保证加工精度、减少零件交货和库存、减少需求面积等方面的需求，还能满足现代社会节能减排的要求，且可以实现多面或复杂形状零件的加工，大大简化了工件装夹和刀具系统的复杂性，减少了夹具和非生产时间，车铣复合机床现已成为世界上先进的机械加工设备之一。 1.2国内外车铣复合机床的发展现状 车铣复合加工机床相较于普通机床，在加工精度、加工效率、加工能力和维护等方面都具有突出优势，随着我国制造业转型升级，对加工精细度需求不断提升的驱动下，我国数控机床的渗透率在逐年提升。2020年我国金属切削机床数控化率已达到43%，但与发达国家80%左右的数控化率水平仍存在较大差距。 从应用领域看，车铣复合加工机床应用范围涵盖能源、航天航空、军工、船舶等关系的重点支柱产业，此外，汽车、航天航空、医疗设备等下游重点行业的产业升级加速也进一步加大对高档机床的需求。从我国制造业整体发展来看，目前正在从“制造大国”向“制造强国”转变，未来“高端化、高利润”替代“薄利多销”是我国制造业的发展趋势，未来对高速度、高精度、高价值的车铣复合加工机床需求的占比也将越来越高。目前，西方国家高档数控机床和技术出口对我国进行了严格管制，使得我国在车铣复合加工技术“卡脖子”，而中美贸易摩擦加剧了这一情况，进一步加速了我国推进高档机床国产化、实现高端产品的自主可控的进程。 美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。经过持久研发和创新，德、美、日等国已基本掌握了数控系统的领先技术。目前，在数控技术研究应用领域主要有两大阵营:一个是以发那科(FANUC)、西门子(SIEMENS)为代表的专业数控系统厂商；另一个是以山崎马扎克(MAZAK)、德玛吉(DMG)为代表，自主开发数控系统的大型机床制造商。 国内产品与国外产品在结构上的差别并不大，但在先进技术应用和制造工艺水平上与世界先进国家还有一定差距。《中国制造2025》战略纲领中明确提出：“2025年中国的关键工序数控化率将从现在的33%提升到64%”。在政策鼓励、经济发展和产业升级等因素影响下，未来我国车铣复合加工机床行业将迎来广阔的发展空间。 1.3 研究意义 采用车铣加工技术不但可大幅度提高生产效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大优于传统的车削加工，是一种高金属去除率的关键先进制造技术，尤其适合加工凸轮轴、曲轴、细长轴及薄壁套等零部件的加工，具有广阔的发展和应用前景，是机械制造领域的重要发展方向。 我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。 1.4 机床数控化设计的设计任务 本课题来源于生产实践。将车铣复合加工机床总体结构及X轴进给部件进行设计。在整个设计过程中满足以下几点要求： （1）X轴（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲； （2）X轴最快的工进速度：400mm/min（无级调速）； （3）床身上最大加工直径：400mm；最大加工长度：1000mm； （4）CNC系统主CPU采用单片机。 该设计的总体思路是采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、X轴的进给运动。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离[4]。 2 总体方案的确定 车铣复合加工机床是金属切削加工最常用的一类机床。它主要用车刀对旋转的工件进行车削加工。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。车铣复合加工机床的机构布局如图2.1所示。 图2.1 车铣复合加工机床的结构布局 对其进行设计应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给系统传动方式和执行机构的选择等。 （1）车铣复合加工机床数控化设计后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。 （2）车铣复合加工机床经数控化设计后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电机的开环控制系统。 （3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济型要求，决定选用MCS—51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS—51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。 （4）根据系统的功能要。