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天津工大车铣加工中心教学模型设计:五轴联动与精度提升
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更新于2024-06-24
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该文档是天津工业大学机械工程及自动化专业的一份毕业设计,名为"车铣加工中心机床教学模型设计"。设计者旨在研发一款能够在同一台机床中实现数控车床和铣床功能的集成设备,这种设计对于提高加工效率,降低生产成本,特别适合加工形状复杂且精度要求高的异形回转体零件有显著优势。课题的核心任务包括设计五轴联动系统,确保机床各坐标轴的精确定位,以及完成整机的装配图和零部件图纸。 设计过程分为四个阶段:首先进行文献检索,理解课题背景和技术基础(2014年3月1日至3月17日);接着是确定总体设计方案,进行理论计算(3月18日至4月27日);然后是设计总装配图和部件零件图(4月28日至5月31日),这期间还会进行前期研究和论文撰写,准备最终答辩(6月1日至6月15日)。参考文献涵盖了机床变速箱设计、机械设计、数控机床系统设计以及现代数控机床结构设计等相关书籍,提供了理论和技术支持。 课题的意义在于适应现代制造业对高效、精确加工的需求,特别是对于教育领域,这种教学模型有助于学生更好地理解和掌握多工种机床的操作和应用,提升实践技能。 在整个项目中,学生将学习并运用机械工程原理,如机床传动设计、控制系统设计和精密定位技术,同时也体现了设计思维和创新精神。通过这个设计,不仅可以提升学生的专业素养,还能推动机械工程及自动化领域的教学改革和技术进步。
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天津工业大学 2014 届本科生毕业设计
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2005 五月左右,沈阳机床部分引进了德国大型有关车铣机床的图纸和工艺方案,并在
有关专家的协助下大大的扩大了可切削的直径大小,也从重量上从几吨扩展到百吨级别。
并且在机床的主轴方面也取得了重大突破,加快了主轴的转速,和主轴本身的强度、,还
有关于刀架的形状,刀具到头的角度问题,机床若在长久加工零件后出现的热平衡问题,
刀具在工作数个小时后对工件产生的磨损造成的精度补偿问题,等等诸多技术性问题得到
了改善,主传动轴的大扭矩输出和高速输出,直接关系到机床的运行动力,效率问题,,
尾台的设计也要充分考虑到操作员的安全性,和机床的自动化。
1.3 课题研究的主要内容
本文主要研究了三大模块,第一模块,车削系统的方案分析及确定,车削电机的选择,
车削系统的传动方案确定。带轮的传动比等等,第二模块,铣削系统方案的分析及确定,
铣削电机的选型,铣削传动方案的选择,滚珠丝杠的选择及校核。第三模块,X,Y 方向上
回转工作台的运动,各方向上全行程的确定,电机的型号,功率的选择,滚珠丝杠的型号
选择及校核等等。
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天津工业大学 2014 届本科生毕业设计
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第二章 机床设计方案分析及确定
2.1 伺服进给系统的基本要求
伺服系统的概念很大,总的来说带有 PID 数字调节的进给驱动系统都可以称之为伺服
系统。而且伺服系统是数控机床的核心组成部分之一,也是机床之间互相区别的一个特殊
部分,不同的伺服系统决定着数控机床的定位精度是否高,跟踪指令信号的响应快慢问题,
机床的稳定性好与坏。
(1) 精度
精度指的是系统输入输出之间的偏差,或者是精准程度,即准确性。当然有些误差是
在所难免的,譬如机床就存在动态误差和稳态误差,动态误差指的是瞬态过程中出现的偏
差,是变动的,而稳态误差值得则是瞬态过程结束后系统出现的偏差,是静态的。影响到
精度的因素很多,关系也很复杂,采用数字调节技术可以在很大程度少减少误差,提高机
床的精度。
(2) 快速响应特性
快速响应特性指的是当操作员对系统输入指令后即输入信号,表示输入信号的响应速
度和瞬态误差过程的快与慢。提高快速反应对加工效率,轨迹的跟踪精度都有好处,但是
并不是速度越快越好,响应速度过快会造成系统超调现象,引起系统的不稳定。因此快速
响应特性要视具体情况具体分析,选择一个最优的,在保证定位精度的情况下,并最好缩
短定位时间,避免超调现象的发生。
(3) 系统的稳定性
系统在外界干扰下,譬如启动状态,输入量状态改变等情况下作用下,输出量经过几
次衰减震荡后,能后很快的恢复到原有状态,或者很快适应新的状态,并正常运行。他是
数控机床运行的基本条件,也是加工零件保证精度的前提条件。
2.2 驱动方案的分析及确定
方案一:X,Y,Z 三个方向上均采用直线电机进给
优点:如果采用直线电机直驱技术,那么久不需要将旋转运动转化为直线运动,零件
损耗少,并且精度高。
缺点:新型的直输技术还不是很成熟,有些地方不完善,譬如失电自锁保护功能,并
且对于直线电机来说,数值安装技术不成熟,成功率低。
方案二:X,Y,Z 三方向均采用伺服电机带动滚珠丝杠实现进给
优点:实现三轴进给,技术很成熟,导致控制很方便,成本也相对来说很低
缺点:在丝杠和滚珠间存在间隙,导致加工精度一般
方案三:X,Y 水平方向采用直线电机,竖直 Z 方向采用滚珠丝杠
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天津工业大学 2014 届本科生毕业设计
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优点:既然直线电机直驱技术在竖直方向上不成熟,那么在水平方向上采用直线电
机,竖直方向上采用丝杠,这样使得直线电机与滚动丝杠配合使用,最大的发挥了
他们的精度,效率,并且 Z 轴也实现了自锁功能
缺点:这样混合使用,给编程控制带来了很大不便。
结合这三种方案,由于本沦为设计的机床主要是为打学生展示机床的各个机构及运动
过程,所以对于加工精度要求不高,并且此机床的控制,机械部分要适合大众学生,不能
仅仅让一些学习好的学生能看懂,操作编程要简单明了,所以最终选择方案二。
2.3 传动方案分析及确定
方案一:
先将伺服电机与联轴器相连,在通过齿轮减速降比传动移动部件驱动
图 2-1 进给系统简图
优点:可以通过齿轮放大电机的扭矩,使得可以采用小功率电机,降低成本
缺点:齿轮间存在间隙,使得传动精度差
方案二:
采用伺服电机通过联轴器直接与滚珠丝杠相连接,实现对工件的移动驱动
图 2-2 进给系统简图
优点:精度有保证
缺点:需要功率大的电机,提供大扭矩,成本高
结合这两种方案的优缺点,为了保证机床必要的精度要求,所以最后采用方案二作为
最终方案。
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2.4 铣削主轴系统方案分析及确定
方案一:
使用带有 C 轴功能的主轴电机带动,通过一级皮带轮降速后驱动主轴
方案特点:成本低,结构简单,精度能达到要求
方案二:
采用步进电机作为主动力源,通过二级齿轮变速箱控制速度,在主轴上在加一个能够
实现 C 轴的动力源——伺服电机
方案特点:加装的伺服分度系统能保证 C 轴功能,成本较低,但是采用了齿轮传动,
存在误差,并且这样做使得系统太复杂,体积大,成本升高
方案三:
直接使用带有 C 轴功能的电主轴做动力源
方案特点:精度非常高,结构很简单,但是成本相当高
方案确定:由于本论文机床对精度要求一般,所以如果采用方案三显得浪费,而方案
二太复杂,使得最后体积大,成本高,所以最终采用方案一
2.5 车削主轴系统方案分析及确定
方案一:
采用铣削用电主轴
方案特点:
结构简单,加工精度高,可控性强,成本高,不过能带有铣刀换刀功能
方案二:
采用普通铣床主轴铣头
方案特点:
设计成本低,有标准件可供购买,但是体积大,可控性差
方案确定:所选铣削主轴铣头不宜过大,重量不宜过重,所以最终选择方案一
2.6 车铣一体整体三维结构布局示意图
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