数控龙门刨床的设计毕业设计

摘要
数控机床可大大提高设备的自动化水平和生产率水平，提高了劳动生产率，加工效率和产品的质量，满足了企业对生产设备更高性能的要求。

博山颜山泵业有限公司的工业泵生产车间生产罗茨泵叶片，生产力低下，本论文以此为课题的来源，从罗茨泵转子的生产工艺出发，完成了本论文。

本论文阐述了数控龙门刨床的总体布局和设计方案，分析系统控制软件的组成和工作原理。

通过对数控刨床方案的分析和进给传动系统的设计计算，设计了双坐标龙门刨床X， Z轴的机械结构。

数控部分，采用交流伺服电机。

工作台采用齿轮齿条副传动。

最后还解决了弱电电路对强电电路的控制问题。

本论文相对于以前的设计有两大创新：第一，横梁的自锁通过电机锁紧结构来实现，同时配合立柱的涡轮蜗杆副使自锁更加可靠。

第二，对传统的刨刀刀架结构进行了改进，采用交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠螺母副来实现Z轴方向的进给运动，减轻了横梁的负载，提高了传动精度。

关键词：龙门刨床数控系统交流伺服
Abstract
Numerical Control Machine Tools can greatly enhance the automatic capability and productivity level of equipment, processing efficiency and product quality. The Yan Shan Co. LTD produces the leaf of Roots pump at its industrial workshop. However, the productivity is quite low .This problem become the origin of this paper. After learning the process of producing Roots pump rotor, I complete this paper.
This paper describes the general distribution and design of the NC closed planner ,system control software composition and work principle are elaborated as well .Through the analysis of B2010A closed planner and design calculation of feeding transmission system，accomplishing the X, Z mechanical structure of closed planner. Concerning the Digital Control parts, AC servo motors are used. And Super-modulus gear pair is also employed in driving the workbench. In the end solving the problem in how circuit achieves the control over the High voltage circuit.
The paper contains two innovative parts, which significantly discriminate this paper from the before .Firstly, its beam achieves self-locking by motor lock structure, accompanying the self-lock of the turbine worm, which enhances the stability of self-lock of the beam. Another, improving the structure of the traditional support of the Cutter ,achieving the feeding motion in Z direction by employing the institutions in which the Ac servo motor drive the ball screw nut pair.
Key words: Closed Planer NC system Ac servo
目录
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第一章引言....................................... 错误！未定义书签。

1.1 课题的来源和提出背景...................... 错误！未定义书签。

1.2课题的提出 (4)
1.3 国内研究现状及发展趋势 (5)
1.3.1 企业调研现状分析 (5)
1.3.2 国内数控机床的发展及其对数控刨床的影响 (6)
1.4 市场可行性分析 (7)
1.4.1 数控市场的分析 (7)
1.4.2数控刨床市场分析 (7)
第二章总体方案的制订 (9)
2.1 机电一体化系统方案确定 (9)
2.2 数控龙门刨床设计的总体方案的制订 (10)
2.3 主要技术规格和参数 (11)
第三章机械部分的设计校核计算 (14)
3.1横梁上横向移动机构的设计计算 (14)
3.1.1X方向上滚珠丝杠螺母副的设计计算 (14)
3.1.2 滚珠丝杠螺母副支撑轴承的选择与校核计算 (15)
3.2工作台进给传动机构的设计 (18)
3.2.1工作台进给电机的选择 (19)
3.2.2主传动齿轮齿条副的设计计算 (19)
3.2.3 主传动传动轴的设计计算 (23)
3.3 横梁升降机构的设计计算 (25)
3.3.1 横梁升降电动机的选择 (25)
3.3.2 横梁升降机构丝杠选择计算 (27)
3.4横梁锁紧结构中的涡轮蜗杆的设计计算........ 错误！未定义书签。

3.5联轴器的选择 (30)
3.6其他方面的选择与校核...................................... .30
3.6.1键连接 (30)
3.6.2销连接 (31)
3.6.3螺纹连接 (31)
第四章控制部分概述 (33)
4.1数控机床系统的发展 (33)
4.2数控系统的工作过程的简单概述 (37)
4.3数控机床工作系统工作过程中的干扰及预防措施 (38)
4.4计算机接口电路 (39)
总结 (40)
参考文献 (41)
致谢 (42)
第一章引言
1.1课题的来源和提出背景
我做的此次课题是博山颜山泵业有限公司委托赵院长（赵玉刚教授）研制的横向研究课题。

此次设计就是依照赵老师的设计思路在加上自己的创新而进行的。

我们都知道，现在在机械加工工艺方面，长度尺寸不大(小于400mm)的非圆柱面的机械加工，完全可以由数控铣床铣削加工完成（生产类型为大批大量生产时），也可以由电火花线切割（WEDM）加工完成（生产类型为单件小批生产时）。

但是当非圆柱面的尺寸达到一定的长度之后，以上提到的两种常用加工方法的加工成本就太高了，甚至有些有特殊工艺要求的工件根本就无法加工出来。

生产实际中，有很多实例可以充分证明这一点，例如如罗茨鼓风机的叶轮的叶片、罗茨真空泵的转子的叶片、大型水环泵叶轮模型的叶片等等，这些工件的截面轮廓线大都是由多段的样条曲线、直线、摆线、渐开线、圆弧线组成的，而且非圆柱面的长度尺寸大于400毫米，这些因素使得用普通的机械加工方案要么生产成本高，要么使得加工精度低达不到工艺要求的各项精度指标，更甚者普通加工方法是加工不出来的。

因此，有必要对产品的工艺规程作调整或者改进现有的生产加工设备，提高生产率、降低制造成本。

改变已长久固定不变的的工艺规程是繁琐和浪费时间的，改进生产设备是一种方便可行的办法。

因此，我的这次毕业设计论文的成形就是本着改进设备的思想这一主线来完成的。

由于这次设计跟罗茨真空泵的叶片有关，所以下面我就对罗茨真空泵做一下简要介绍，使我们对它有个全面的了解。

罗茨真空泵（图1-1）的类型属于干试真空泵的范畴，罗茨真空泵的很多优点使得它应用范围十分广泛，这些诸多优点包括：1）转子之间的密封方式为空气密封2）适用的范围十分广泛3）排气、抽气量大4）构成机组的时候方便容易5）工作时噪声低、污染程度小6）整体结构灵巧紧凑等等，这些优点使得它成为目前使用性能好、用途广泛的真空泵。

在应用方面，其它的各种类型的密封方式的真空泵的各种应用的方面和场合，罗茨真空泵完全可以代替使用，在生产实际的很多方面比如：1）钢铁冶炼方面真空环境的获得2）钢液环境中的气体脱离3）空间模拟大型动态试验所需的真空的环境的获得4）变压器浸渍处理的真空环境的获得5）灯管、灯泡生产
线上的排气处理6）机械镀设备中的真空预抽处理7）单晶硅过提炼程中的气体去除等很多方面。

另外，其它方面的油封式真空泵不能使用的地方，罗茨真空泵也可以使用，例如食品加工、饮料加工、谷物干燥等方面。

还有，真空机组最常用的主泵也是罗茨真空泵，原因是它和其它种类的泵组成的机组具有结构紧凑、抽速大、真空度高等的优点。

图1-1罗茨真空泵
罗茨泵的这些优点博得了众多生产厂家的青睐，但是它的致命的弱点是转子的叶片（图1-2）形状十分复杂。

它的转子叶片的截面轮廓形状是由多段的渐开线、摆线、圆弧线、直线组成的，加工的工艺要求特别高，这是因为采用空气密封的两个转子叶片面与面之间是不接触的，是依靠准确的缝隙保持密封，间隙必须把握的十分适当才行，间隙过大会造成真空度降低，间隙过小在受热的时候会造成转子卡死的严重后果。

这使得叶片的加工成为了一个工程上的技术难题，为此必须找到一个保证机械加工精度和降低机械加工成本的加工方法或改进现有的加工设备，来克服这一难题。

图1-2罗茨真空泵转子叶片
为了充分地解决这个工程技术难题，我在赵玉刚院长的指导下查阅大量的参考资料、设计资料，加上赵老师每周五晚上7:30给我们进行理论指导，并带我们去工厂参观实习，使我有了理论上和实践上的知识和技能准备，同时我还带着理论来到张店兴裕机械有限公司进行实地的参观考察，拍下了关于龙门刨床的很多图片，并与厂里的技术人员交流了龙门刨床的知识，讨论了数控改造问题，讨论了龙门刨床的横梁锁紧问题等，使我受益匪浅，并进行了全程的跟踪考察，并上网搜索了大量的图片和资料，获得了丰富的实践资料。

获得的资料图如下：
图1-3 小型数控龙门刨床（山东淄博兴裕机械有限公司）同时我也了解到了博山颜山泵业有限公司的实际情况，根据该企业实际的生产和销售情况，由于改变工艺规程的方案不好实施，我决定从改进工艺设备的方面着手来解决这一难题。

于是我决定放弃济南第二机床厂龙门刨床带有磨削、铣削附件和侧刀架的方案，这样做既可以节约成本，简化机床结构也可以使得生产的专有化程度提高，最重要的是这十分适合该厂的实际生产和销售运营情况。

我要指出我的这个改进方案有三个突出优点：第一，数控刨削的方式完全保证了上述提到的加工精度问题特别适合罗茨泵转子叶片的加工；第二，生产自动化加工大大减轻了工人的劳动强度，提高了经济效益；第三，数控加工提高了效率，缩短了生产周期，同时也保证了安全问题。

同时我的这个方案采用数控龙门刨削的加工方法，相对于该厂原有的牛头刨削加工机床的刨削加工方案，使得加工工件的范围大大扩大，加工工艺范围更加
广泛，同时也大大提高了机械加工效率和保证产品的加工质量，完全可以为本厂创造良好的社会效益和经济效益，经过后面的设计校核计算完全可以证明我的这个方案的可行性和可靠性。

1.2课题的提出
自赵老师给我发下课题以来，毕业设计一开始，我就按照赵老师强调的理论指导实践、同时实践又促进理论的完善和创新的思路，理论和实际相结合，对相关一部分企业和实训实验中心（如山东理工大学工程实训中心、兴裕机械有限公司、博山颜山泵业有限公司、山东理工大学实验大棚）进行了实地跟踪考察，并对其中的一些设备（主要是刨床、铣床和线切割机床）以及特殊产品的加工工艺规程提出了一系列问题，进行了讨论与研究。

特别是对博山颜山泵业有限公司的罗茨泵转子叶片部分生产进行了考察研究，接着是对加工设备提出了相应的方案，依据此提出了我的此次毕业设计的课题。

前面我已经说过了罗茨真空泵叶片的形状复杂，即是每一个叶片截面轮廓形状是由样条曲线、渐开线、摆线、圆弧线多段曲线组成的，叶片要求的加工精度非常非常的高，这是因为它是空气密封的方式，这种密封类型要求转子叶面之间是不能互相接触的，必须依靠准确的缝隙保持密封，缝隙过大可会造成真空度降低还可能使得真空的环境无法形成从而失去应有的效能，缝隙过小在受热膨胀的时候下会造成转子卡死的严重后果，此外罗茨真空泵的转子是非圆柱面而且长度尺寸较大，一般情况下是大于400mm的，这个特点使得用线切割加工或者铣削加工是加工不出来的，即使能加工出来那么他的加工费用是十分昂贵的，就是这些因素使得该种叶片的加工成为了一个工程上的技术难题。

问题出现了，我们必须想办法解决。

针对上面出现的这个工程技术问题，我从加工工艺规程及加工工艺设备的改进着手，对该企业目前具有的生产和购买能力进行分析研究，做出了采用数控龙门刨床来加工罗茨泵转子叶片的方案。

这个设计从罗茨鼓风机风机转子的基本参数和工艺要求获得参考数据，这就充分解决了企业需要扩大再生产的问题。

综合各方面的调查研究，结合赵老师提出的建议以及赵老师的关键环节的提示，我提出了“数控龙门刨床机械部分的设计方案”；此外还对控制部分做了简要的论述。

到此为止，综合赵院长的指导和我自己对所作实地考察的分析与理解，我提出了这一课题。

接下来我以此为核心展开了我的毕业设计课题。

1.3国内研究现状及发展趋势
1.3.1 企业调研现状分析
自从毕业设计开始以来，我就进行了大量的数据搜集与实地考察调查，特别是对龙门刨床的型号和目前刨床在企业的使用现状有了一个感性的认识与理解。

现在在工厂中刨床的应用形势是刨床的使用数量少，与车床、铣床、线切割机床、钻床相比较而言，刨床的应用范围不是那么的很广泛。

就像我从兴裕机械公司了解到的那样，唯一改造的小型数控龙门刨床也搁置不用了。

但是，我们不能就以此来否定刨床的存在意义，用的少并不代表它不重要。

例如，一些大型工件的平面加工仍然需要刨床的刨削来完成，一些复杂叶片的加工用数控龙门刨床加工会更容易达到所需要的加工精度和合适的加工费用。

目前在博山颜山泵业有限公司刨床的数量较少，现有的使用刨床也是对传统的牛头刨进行了数控化改造。

但是可喜的是企业近期决定大量采购数控设备，以扩大产品种类和生产规模，这其中包括数控镗削加工中心和数控龙门刨床。

新设备的采购就得要求对传统的工艺流程和工艺规程进行新的改进和创新，所以该企业从今年三月份开始就派遣员工到沈阳等地学习，为新的数控设备的使用储备了人力资源，而数控龙门刨床在其中是至关重要的一环。

大多数企业的工人熟练程度严重制约着企业生产力的提升和生产技术的创新和改进，工人操作的不熟练绝对当然会造成原材料的浪费和生产效率的大幅度降低，必然会给企业造成不必要的经济损失和成本损失。

但是，如果有了新的工艺创新和改进还得需要对员工进行技术培训，这又必然又会增加了一部分生产成本。

有的工艺的专业化自动化程度又不高，某些工序完全采用人工操作，这会对产品的精度无法保证质量的不可靠性埋下了致命的隐患。

另外还有硬件因素的条件限制，使得多数工艺生产流程无法再作出更为科学合理的调整和改进。

由于生产自动化程度不高的原因，需要的劳动力多，利润产出比有限，员工平均收入不能提高，再加上劳动强度过大，使得劳动积极性不高，再加上企业在现有设备工艺条件下，不能很好如实的解决。

此外部分部门管理上松散，使得效益不好，工人生活条件不好。

这些都是我了解到得该企业存在的企业现状。

鉴于上面的这么多不利于生产发展的现状，目前该企业已决定采购新的数控化设备，使其生产自动化程度进一步有一个质的提高，我认为在硬件方面这些设备完全可以对该企业的工艺生产流程的改善给予硬件上的支持，同时也能进一步改善普通工人的工作条件，对企业和员工来说无疑都是一件好事，我相信不久的
将来该公司就会突破瓶颈问题，在生产加工方面会有一个质的飞跃，因为它拥有了硬件方面的支持。

1.3.2 国内数控机床的发展及其对数控龙门刨床的影响
伴随着经济发展速度的加快和日益变化的需求市场,在生产上只有产品生产周期变得越来越短才能跟上人们变化多端的物质要求,特别是在生产类型为单件小批量生产方面,当今的制造技术不仅要有较高的柔性特征,还要具有日益更新的满足消费市场要求迅速变化特征的生产方式才可以满足人们的日益增长的物质、精神需要。

两千年我国已经加入了世界贸易组织，咱们国家与全球经济融合的速度逐步加快，市场竞争、企业竞争变得越来越激烈和残酷，任何一个企业管理者和经营者越来越认识到低廉的制造生产成本、优质的产品质量、创新产品的研制开发能力队公司来说变得越来越有重要的意义。

在这一环节的众多因素中机械装备制造是整个创新过程中十分重要的一环，它决定着一个企业的生命力，在企业生产力构成中制造技术的作用约占60%左右，严重制约着公司的发展和社会的进步以及经济效益的提高，此外衡量一个国家制造业水平高低的重要标志也是机械装备制造的能力。

为了发展我们的机械装备制造业，增强我们国家在世界经济范围内的竞争力和生存力，自一九五七年我过开始研究数控方面的技术，在六十年代中后年期处于开发研制初期，晶体管的研制是在一九六二年开始的，经过多年的辛苦努力到七十年代初期的时候我国成功研制开发除了数控铣床。

在那之后，在车削、铣削、齿轮加工、电化学加工等很多领域数控技术的应用开始全面展开。

但在当时因为电子元器件的质量和制造工艺水平较低，使得数控系统的稳定性、可靠性问题没有得到根本解决，所以数控技术没有广泛推广开来。

从八十年代开始，我国就从发达国家（如日本、美国、德国）引来了一部分伺服单元制造技术和数控制造技术，经过对引进技术的研究，开发了我们自己的数控系统，随后数控系统的大批大量批量生产是从八十年代年开始的，像伺服驱动单元制造和数控装置的数控系统制造也包括在内。

此后，我国在引进技术消化吸收创新的基础上，学习国外先进技术的发展，研制开发了我们自己的一些高档的数控系统，比如多轴联动数控系统、数字仿真系统、柔性制造单元配套的数控系统等等各种中高档数控系统。

同时，为了满足机械制造生产各个层次方面的需要，我们还开发出多种经济型数控系统，例如我的导师赵玉刚教授曾经带领我校的科研团队开发研制出了经
济型数控车床、教学型数控铣床、数控雕刻机、数控火焰切割机等数控机床，并得到了广泛应用。

目前咱们的国家已经建成了以中低档数控机床为主的生产体系。

数控技术的发展促进了我们国家的机械装备制造业的快速发展，很多传统机床和通用机床在保留经典的机械进给传动机构基础之上，简化部分机械结构，在配上合适的数控系统可以大大提高加工效率，提高加工精度。

刨床是普通机床中十分重要的机床，在机械制造生产方面发挥着重要作用，因此数控技术的发展必然会对龙门刨床产生不可替代的作用。

数控技术会大大提高刨床在生产实际中的应用范围。

这对刨床的发展也是十分有利的。

1.4 市场可行性分析
1.4.1 数控市场的分析
我们大家都知道自从我们加入世界贸易组织之后，世界制造业的中心转向我国，中国制造以不可抵挡的趋势充斥着整个世界，当然制造离不开工作母机，因此制造业对机床的需要量大幅度地增加，数控切削机床的生产和消费也都大幅度的增长。

毫无疑问地说明了我国机械制造技术能力在迅速提高，同时也说明了我国机床制造业有了进一步的提升。

但是，我们并不能因为此就沾沾自喜。

因为你一分析就会发现，国产数控机床多是技术水平较低的价格相对较便宜的普通产品（如数控车床、数控铣床和线切割机床），高档产品非常非常的少，而且这些产品的主要核心部件，多是从国外进口的，所以在数控机床消费方面我们所占比例不足25%。

而国外的数控机床，在市场占有量上占的比例很少，但是由于它们多是我国汽车工业、航空航天工业、模具行业所必需的机械制造工作母机，所以在消费量上所占的数量比例高于80%以上。

中国数控机床目前的发展状况是高档产品生产很少，而且几乎都是用国外部件配套的产品，有的是外国品牌中国制造的状况；中档产品是中国品牌外国的功能部件以及核心技术，转的利润，我们是赚小头，他们是赚大头。

这些对我国的数控市场发展是十分不利的，因此，要想在世界范围内成为世界制造强国，我们必须加快发展数控技术，制造高端数控机床。

通过上面的分析我发现这种市场状态对我们的制造业严重是个制约问题，所以要想发展必须要投入大量的精力来发展数控技术，当然这对我的课程设计也是有利的。

1.4.2 数控刨床市场分析
数控刨削加工工艺过程是这样的。

首先依据工件工序要求编制加工程序，然后通过数字控制设备,按照预先编制好的程序控制刨床伺服系统对工件逐点加工的加工工艺。

由于工件的工艺要求是千变万化的，因此需要设计不同型号的机床，配以不同的数控系统才能满足市场的需要。

由于数控龙门刨床体积庞大、重量大的特点，其制造成本十分昂贵，因此目前数控龙门刨床生产较少，但是由于其加工精度易于保证，加工成本可以很好的控制目前它已经成为机械装备制造领域的新宠儿，所以购进数控龙门刨床对某些特殊新产品进行加工对现在的企业是比较
现实，也是比较
经济的。

以上就
是我所了解的目
前数控龙门刨床
的市场情况。

图1-4 市场上的数控龙门刨床
第二章总体方案的制订
2.1 机电一体化系统方案的确定
机电一体化是机械系统发展的主要总体趋势，这个系统类型很多，选择合适的系统是设计中至关重要的一个步骤，我的此次设计采用也就是机电一体化的设计。

任何一个完全的一体化机电系统，通常由1）机械本体2)传感器测量单元3）动力单元4）执行装置5）驱动装置6）信息处理设备7）控制单元等七个基本要素组成，这七个组成部分是由数据并行接口相联系而组成一个整体的。

此次毕业设计是对数控龙门刨床机械部分的设计，当然一个完整的数控设备是必须包含上面各个部分的，机械部分是我设计的重点，下面我对设计中的所涉及的其它部分分别进行简单的说明和论述，供大家有个简单的理解。

（一）机械本体部分
众所周知，机械本体是由机械传动机构以及机械结构装置组成的。

机械本体部分别的最主要功能是使得组成总系统的每一个小系统按照特定的空间位置和时间关系保持在特定的地点之上，并且一直维持这种特定的稳定联系。

对该部分通过采用交流伺服电机来达到准确的控制目的，此外还有间隙消除机构来完全保证传动的准确性。

传动机构是由世界上最先进的开关磁阻电机驱动得，这样可以达到无级调速的目的从而完全去掉了减速箱或变速箱的繁琐结构，从而使得到运动控制更加准确和快速稳定。

我的本次设计的主传动是由开关磁组电机啊驱动的，运动动力由齿轮齿运动副从刨床的左后方的位置输入的，这种方式大大节省了整个刨床本体所占得占地空间。

我的这次设计与改进方法依赖的机械参考结构为龙门刨床B2010A的结构参量，所以只需改进数控部分对其在新的工作条件下进行校核计算即可。

（二）传感检测部分
我们知道，机电一体化系统的“感觉器官”是传感器检测单元，它的功能是在待测对象那里获取能反映待测对象状态的信息。

这一部分组成是实现自动控制关键部分，它的功能越强大，系统的自动调节程度就越高。

传感器技术的研究内容涉及到两个方面：1）如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；2）如何将转换的电信号进行后续处理，像补偿放大处理。

机电一体化系统对传感器单元的要求是很高的，及是准确快速可靠的获得测量信息。

我的设计采用的传感器是光电传感器，这个检测装置能满足对工件的检测需。