XK5040数控立式铣床主运动系统及进给系统及控制系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

摘 要 数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床 ，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。 随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高 。 本文主要对 控立式铣床及控制系统进行设计，首先分析立式铣床的加工特点和加工要求确定其主参数，包括运动和动力参数；根据主参数和设计要求进行主运动系统、进给系统和控制系统硬件电路设计。主要进行主运动系统和进给系统的机械结构设计及 滚珠丝杠和步进电机的选型和校核；对于控制系统由于这里主要针对经济型数控铣床的设计，这里采用步进电机开环控制，计算机系统采用高性能价格比的 列单片扩展系统，主要进行中央处理单元的选择、存储器扩展和接口电路设计。 由于本文采用 8031 单片机控制系统，因此，设计出的立式铣床性能价格比高，满足经济性要求。可实用于加工精度较高的场合 。 关键词 数控技术，立式铣床， 设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 he is is of is is of on to on to on at to on ,031 is to 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 目 录 摘 要 . 0 1 总体设计 . 4 床简介 . 4 数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系统图 . 4 数控铣床的总体布局 . 4 数控铣床的主要技术参数 . 5 总传动系统图 . 7 2 主运动系统设计 . 8 动系统设计 . 8 数的拟定 . 8 动结构或结构网的选择 . 8 速图拟定 . 10 轮齿数的确定及传动系统图的绘制 . 12 传动件的估算与验算 . 15 动轴的估算和验算 . 15 齿轮模数的估算 . 18 展开图设计 . 23 结构实际的内容及技术要求 . 23 齿轮块的设计 . 24 传动轴设计 . 26 主轴组件设计 . 29 制动器设计 . 34 按扭矩选择 . 34 截面图设计 . 35 轴的空间布置 . 36 操纵机构 . 36 润滑 . 36 箱体设计的确有关问题 . 37 进给系统设计 . 39 总体方案设计 . 39 对进给伺服系统的基本 要求 . 39 进给伺服系统的设计要求 . 39 总体方案 . 39 进给伺服系统机械部分设计 . 40 确定脉冲当量，计算切削力 . 40 滚珠丝杆螺母副的计算和造型 . 42 齿轮传动比计算 . 50 步进电机的计算和选型 . 51 进给伺服系统机械部分结构设计 . 61 控制系统设计 . 65 制控制系统结构框图 . 65 类型 . 65 储器扩展电路设计 . 66 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 程序存储器的扩展 . 66 数据存储器的扩展 . 67 I/O 接口电路及辅助电路设计 . 67 I/O 接口电路设计 . 67 步进电机接口及驱动电路 . 68 其他辅助电路 . 69 参考文献 . 72 致谢 . 74 附 录 （英文翻译及实习报告） .未定义书签。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 1 总体设计 床简介 铣床是一种用途广泛的机床。它可以加工平面 (水平面、垂直面等 )、沟槽（键槽、 T 型槽、燕尾槽等）、 多齿零件上齿槽（齿轮、链轮、棘轮、花键轴等）、螺旋形表面（螺纹和螺旋槽）及各种曲面。此外，它还可以用于加工回转体表面及内孔，以及进行切断工作等。 由于铣床使用旋转的多齿刀具加工工件，同时有数个刀齿参加切削，所以生产效率高，但是，由于铣刀每个刀齿的切削过程是断续的，且每一个的切削厚度又是变化的，这就使切削力相应地发生变化，容易引起机床振动，因此，铣床在结构上要求有较高的刚度和抗振性。 铣床的类型很多，主要类型有：卧式升降台铣床、立式升降台铣床、龙门铣床、工具铣床和各种专门化铣床等。 随着科学技术的进步，数控铣 床得到了越来越广泛的应用，它一般分为立式和卧式两种，一般数控铣床是指规格较小的升降台数控铣床，其工作台宽度多在400下，规格较大的数控铣床，例如工作台宽度在 500上的，其功能已向加工中心靠近，进而演变成柔性制造单元。数控铣床多为三坐标、两轴联动的机床，也称两轴半控制，即 X、 Y、 Z 三个坐标轴中，任意两个都可以联动。一般情况下，在数控铣床上只能用来加工平面曲线的轮廓。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加进一个回转的 A 坐标或 C 坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台，这是机床的数控系统为四坐 标的数 控系统，它可用来加工旋转槽、叶片等立体曲面零件。 我们本次设计过程中要接触到的为 控立式铣床。它的工作台宽度为 400 数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系统图 数控铣床的总体布局 图 示为 数控铣床的布局图，床身 6 固定在底座 1 上，用于安装与支承机床各部件。操纵台 10 上有 示器、机床操作按钮和各种开关买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 及指示灯。纵向工作台 16、横向溜板 12 安装在升降台 15 上，通过纵向进给伺服电动机 13、横向进给伺服电动机 14 和垂直 升降进给服电动机 4 的驱动，完成X、 Y、 Z 坐标进给。强电柜 2 中装有机床电器部分的接触器、继电器等。变压器器箱 3 安装在床身立柱的后面。数控柜 7 内装有机床数控系统。保护开关 8、11 可控制纵向行程硬限位；挡铁 9 为纵向参考点设定挡铁。主轴变速手柄和按钮板 5 用于手动控制主轴的正、反转、停止及切削液开停等。 图 床外观图 数控铣床的主要技术参数 机床 设计的初使，首先需确定 有关参数，它们是传动设计和就亿个度微 设计的依据，影响到产品是否能满足所需要的功能要求，因此，参数 拟定是机床设计中的重要问题。 机床参数有主参数和基本参数。主参数是最重要的，它直接反映机床的加工买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 能力、特性、决定和影响其他基本参数的数值。如铣床的工作台宽度等。基本参数是一些与加工工件尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的参数。可归纳为：尺寸参数、运动参数和动力参数。 数控铣床的主要技术参数 如下： 工作台： 工作台尺寸（长宽） 1600 400作台最大纵向行程 900作台最大横向行程 375作台最大垂直行程 400作台 T 型槽数 3 工作台 T 型槽宽 18作台 T 型间距 100轴： 主轴锥度 50#（ 7： 24） 主轴孔径 27杆直径 32 50轴前轴承直径 90轴轴向移动 距离 70件间主要尺寸： 立铣头最大回转角度 45 主轴端面到工作台面的距离 50 400轴中心线至床身垂直导轨距离 430作台侧面至床身垂直导轨距离 30 405动性能： 主轴转速级数 18 主轴转速范围 30 1500r/力外形： 主电机功率 电机转速 1450r/作台进给量： 纵向 10 1500mm/向 10 1500mm/直 10 600mm/位精度 准 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 X 复定位精度 准 作台最大承载 200床外形尺寸（长宽高） 249521002170床重量 约 2700 总传动系统图 式铣床的总的传动系统图如图 示。 图 传动系统图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 2 主运动系统设计 动系统设计 数的拟定 选定公 比 ，确定各级传送机床常用的公比 为 虑适当减少相对 速度损失，这里取公比为 =根据给出的条件：主运动部分 Z=18 级，根据标准数列表，确定各级转速为：（ 30， 60， 75， 95， 118， 150， 190，235， 300， 375， 475， 600， 750， 950， 1180， 1500R/. 动结构或结构网的选择 1 确定变数组数目和各变数组中传动副的数目 该机床的变数范围较大，必须经过较长的传动链减速才能把电机的转速降到主轴所需的转速。级数为 Z 的传动系统由若干个传动 副 组成，各 个传动副，即 Z=1 2 3zz 。 传动副数由于结构的限制，通常采用 P=2 或 3，即变速 Z 应为 2 或 3 的因子： Z=2a 因此， 这里 18=3需三个变速组。 2 传动组传动顺序的安排 18 级转速 传动系统的传动组，可以排成： 3 3 选择传动 组 安排方式时，要考虑到机床主轴变速率的 具体结构，装置和性能。I 轴如果安置制动的电磁离和器时，为减少轴 向尺寸。第一传动组的传动副 数 不能多，以 2 为宜，有时甚至用一个定比传动副；主轴对加工精度，表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用 2 ，或一个定比传动副。 这里，根据前多后少的原则，选择 18=3案 。 3 传动系统的扩大顺序安排 对于 18=3传动，有 3！ =6 种可能安排，亦即有 6 种机构副和对 应的结构网，传动 方案中，扩大顺序与传动顺序可以一致，结构 式 18=13动中，扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而， 18=3据“前密后疏 ”的原则，选择 18=13 4 验算变速组的变速范围 齿轮的最小传动1/4，最大传动比2， 决定了一个传动组的最大变速范围纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 因此，可按下表，确定传动方案： 根据传动比及指数 x, x 的值 公比 极限值传动比指数 x 值 : =1/4 6 x 值 : x =2 3 （ x+ x ） 值： =8 9 因此，可选择 18=13 5 最后 扩大传动组的选择 正常连续顺序扩大传动（串联式）的传动式为： Z=1z 1*2z 1z 3z 12 r= 1 2 3( 1)z z z 11= ( /2) 按 8r 原则，导出系统的最大收效 Z 和变速范围为： 3 =18 R=50 Z=12 R=此，传动方案 18=3*3*2 符合上述条件，其结构网如下 图 图 结构网图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 速图拟定 运动参数确定后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定电机功率。在此基础上，选择 电机的型号，分配个变速组的最小传动比；拟定转速图，确定各中间轴的转速。 1 主电机的选择 中型机床上，一般都采用交流异步电动机 为动力源，可在下列中选用，在选择电机型号时，应注意： （ 1）电机的 N： 根据机床切削能力的要求确定电机功率，但电机产品的功率已标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。 （ 2）电机的转速3000， 1500， 1000， 750， r/取决于电动机的极对数 P 0f/p=60p ( r/机床中最常用的是 1500 r/ 3000r/种，选用是要使电机转速与主轴 最高速度宜，以免采用过大 的升速 或过小的降速传动 。 根据以上要求，我们选择功率为 速为 1500r/电机，查表，其型号为 主要性能如下表 电机型号 额定功率 荷载转速 r/步转速 r/132440 1500 2 分配最小传动比，拟定转速图 （ 1） 轴的转速： 轴从电机得到运动，经传动系统转化为主轴各级转速，电机转速和主轴最小转速应相近，显然，从动件在高速 运转下功率工作时所受扭矩最小来考虑， 轴转速不宜将电机转速降得太低。弱轴上装有离合器等零件时，高速下摩檫损耗，发热都将成为突出矛盾，因此， 轴转速也不宜也太高， 轴转速一般取 7001000r/右较合适。 因此，使中间变速组降速缓慢。以减少结构的径向尺寸，在电机轴 I 到主传动系统前端轴 增加一对 26/54 的降速齿轮副，这样，也有利于变型机床的设计，改变降速齿轮传动副的传动比，就可以将主轴 18 级转速一起提高或降低。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 （ 2）中间轴的转速 对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小和噪音，振动等性 能要求之间的矛盾。 中间传动轴转速较高时，中间传动轴和齿轮承受扭矩小，可以使轴径和齿轮模数小些： d 4M , m 3M 从而可使 结构紧凑。但这样引起空载功率 1/ 610 (3.5 n n)中： C 系数，两支承滚动轴承和滑动轴承 C=支承滚动轴承 C=10； 所有中间轴轴径的平均值 （ ； 主轴前后轴径 的平均值 （ n 中间传动轴的转速之和 ； n 主轴转速（ r/； 011 0 l g ( ) 4 . 5 ( 1 t a n ) ( )m z q m z n 主 主中： () 所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值 () 主轴上齿轮分度圆直径的平均值 q 传到主轴上所经过的齿轮 对数 主轴齿轮螺旋角 1c,K 系数，根据机床类型及制造水平选取，我国中型车床，铣床1c=床 K=54，铣床 K=上述经验公式可知，主轴 n 和中间传动轴的转速和 对机床噪音和发热的关系，确定中间轴转速时，应结合实际情况做相应的修正。 a，对高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低些 b,控制齿轮圆周速度 v取 1D =90轴颈 52 平均轴颈 72 21 取 d=27（ 2） 主轴内孔直径 d 的确定 主轴内孔主要用于通过棒料夹紧刀具或工件的控杆 ,冷却管等 ,大型 ,重型机床的空心主轴还可以减轻重量 . 确定孔径 d 的原则是在满足对空心主轴孔径的要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下尽量去大些 。 由材料力学知 ,轴刚度 K 与抗弯截面惯性矩 I 成正比 ,与直径之间有下列关系 : 41 ( )KI D 空 空实 实由上式可知 ,当 / 0 时 ,空心主轴的刚度 实相差甚小 ,即内孔对主轴刚度降低的影响很小 , 当 / 时 ,刚度降低约 25%为了不至于过分地削弱主轴刚度 ,一般应使 / 另外 ,还应考虑主轴的颈外壁厚是否足够 . 推荐 : 铣床 ,d=拉杆直径 +(5主参数 , 取 d=22。 满足要求 . （ 3） 主轴悬伸量 a 的确定 主轴悬伸量 a 是指主轴前端大炮前支承径向反力作用中点 (一般为前径向支承中点 )的距离 ,它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸 (大多都有轴端标准 ),前支承的轴承配置和密封装置等 . 有的还与机床其它结构参数有关 ,如工作台的行程等 . 因此主要由结构设计确定 。 参考同类机床和 ,取1/ 0.7,悬伸量 a=63 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 33 4, 主轴跨距 l 的确定 根据 , 计 算 前 支 承 刚 度1 . 4 1 . 4 511 7 0 0 1 7 0 0 9 0 9 . 2 5 5 1 0 / N m m . 计算综合变量 =3此处取弹性横量 52 1 0E M P a . (钢的 52 1 0E M P a ) 主轴的截面惯性距 4 4 4 4 6 4( ) ( 9 0 2 7 ) 3 . 1 9 3 1 66 4 6 4I D d m m 则 ： 56532 1 0 3 . 1 9 3 1 0 2 . 7 5 9 59 . 2 5 5 1 0 6 3 由主轴跨距计算线图 ,得 :0 / 所以0 . 合理跨距范围为 : ( 0 . 7 5 1 . 5 ) 2 2 6 . 8 4 5 3 . 6 0合 理 之 间， 为提高刚度 ,应尽量缩短主轴外延伸长度 a,选择适当的跨距 l ,一般推荐 取 l/a=3跨距 l 小时 ,轴承变形对轴端变形影响大 ,所以轴承刚度小时 , l/a 取大值 ,轴承刚性差时 ,则取小值 。这里 取 l=4a=4 63=252( 主轴的材料 ,热处理及技术要求 . （ 1） 主轴的材料及热处理 . 主要为提高强度和韧性 ,可选用 45 和 40行调质处理 主要为得到很高的表面硬度 ,增加耐磨性 ,可选用 20若 他 要求也较高时 质后表淬硬处理 . 精密机床主轴 ,要求精度保持性好 ,应选用热处理后残余应力小的材料 ,如405进行调质后局部淬硬处理 . 由于数控立式铣床主轴支承为滚动轴承 ,轻 ,中载荷 ,低转速 ,精度要求较 高 , 可选用 40轴颈部分表面淬硬 ( （ 2） 主轴的技术要求 : 主轴部件的密封 主轴部件密封装置的作用是防止润滑剂从部件流出 ,和防止冷却液 ,湿气 ,灰尘 ,切削液及杂质侵入部件内 ,导致主轴 ,轴承和传动件等腐蚀及磨损过快 ,影响主轴部件的工作性能 . （ 1） 对主轴部件密封装置的要求 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 34 适应转速要求 ,在一定的压力和温度范围内具有良好的密 封性能 . 在密封部位引起的摩擦力尽量小 ,摩擦系数尽量稳定 . 适应工作环境的要求 ,密封性好 ,耐腐蚀性 ,磨损小 ,工作寿命长 在一定程度上能自动补偿 . 结构尽可能紧凑 ,特别是主轴前支承处的密封装置 ,轴向尺寸应尽量小 ,以减小主轴前端部分悬伸量 ,提高主轴部件刚度 装卸方便 . （ 2） 主轴部件密封装置类型的确定 根据主轴转速 ,主轴轴承的润滑方式 ,工作温度 ,工作状况和轴端结构特点来选择密封装置的型式立式铣床的主轴是垂直安装的 . 属立式主轴 ,可选用曲路密封 (迷宫式密封 ),这装置密封 ,垫圈和曲路 相结合的密封 . 垫圈甩开油液使其集中于端盖中引回 ,曲路密封还可以防止外界杂质侵入 . 制动器设计 对制动器的要求是 :制动迅速 ,平稳 ,结构简单 ,紧凑 ,维修调整方便等 电机制动和机械制动 。 在数控铣床上，通常根据刀具与工艺要求需进行主轴转速的变换及制动，这制动装置常用离合器来实现，而电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件。由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选择，因而它已成为自动装置中常用的元件。这里我们采用机械制动 ,采用电磁离合器制动。 按照要求，根据 电磁离合器所能传递的静扭矩号，从而确定其尺寸。 按扭矩选择 一般应使选用和设计的离合器的额定静扭矩 额定静扭矩： jM 9 5 5 0 式中：离合器的额定静力矩（ K 安全系数 运转时的最大负载力矩 对于 需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭矩设计，查机械设计手册表 4 K=2 取 y=文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 35 则 定动扭矩： dM )()( 020式中， 加速扭矩； 2 所有被离合器带动的零件折算到离合器轴上的当量飞轮矩 2； 2222211222 )()()()()( 0)()( 222 ; 2 安装轴 (转速为 n)及轴上零件的非轮矩之和 ; 2212 )(,)( 分别为离合器带动的其他各轴 (转速为 n ,1 上零件的飞轮矩之和 ; 中型车床取 1行用 0式多片式离合器一般为2%，油量小，精度高，水平安装是取小值； 。，r、n mi n/被动侧的相对转速离合器的主 通过计算，这里选用铣床专用离合器，型号为： 截面图 设计 截面图设计主要考虑以下四个方面的问题 : 1, 个轴的位置安排 :包括主轴 ,I 轴和中间各传动轴的合理安排和确定 ; 2, 箱体结构和外形 :变整箱体结构 ,与床身的连接方式 ,外观造型等 ; 3, 操纵机构的设计和选择 ; 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 36 4, 润滑系统的设计和润滑元件的选择 . 轴的空间布置 轴系布置一般程序是 :先确定主轴在变速箱体中的位置 ,再确定传动主轴的轴及与主轴轴齿轮有啮合关系的轴 的位置 1 主轴和传动主轴的轴 立式铣床的主轴是垂直布置的 ,主轴可上下移动，装在套筒内，传动主轴的轴与主轴之间用一对 1： 1 的齿轮出动，该轴