示教型雕铣机设计【毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 毕业设计 (论文 ) 示教型雕铣机设计 of 月 日 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 摘要 本文调查研究了示教型雕铣机的发展和国内雕铣机的发展现状。介绍数控雕铣机床的设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计和 主传动系统设计中，主要分析了主轴安装座的机械机构。进给传动系统中主要分析了丝杠、导轨的安装，以及相关固定和支承。计算主要有两个方面：对滚珠丝杠和步进电机的选择 计算和校核。 关键词 雕铣机床；滚珠丝杠；直线滚动导轨 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 of of to of In of in of of of 业设计 (论文 ) I 目 录 摘要 . I . 绪论 . 2 教型雕铣机课题介绍 . 2 型示教型雕铣机的特点及现状 . 2 内数控雕铣机的发展和现状 . 2 型数控雕铣机的介绍 . 3 教型雕铣机的主要技术参数 . 5 2 示教型雕铣机总体布局设计方案 . 6 床总体布局设计 . 6 设计方案分析 . 6 3 各轴系统的设计方案 . 8 向主传动系统的方案设计 . 8 进给系统方案设计 . 8 珠丝杠副的选择 . 8 滚珠丝杠的支承结构 . 9 支承轴承的选择 . 10 滚珠丝杠的制动装置 . 10 进电机与进给丝杠的联结结构 . 10 导轨 . 11 4 主轴系统零部件的计算与校核 . 12 轴系统的重力 计算 . 12 主轴铣削力计算 . 12 珠丝杠副的选择计算 . 13 进给伺服电机功率的计算及选择 . 20 5 电气部分设计 . 25 件部分电路设计 . 25 0部电路扩展 . 26 制系统总体设计 . 27 结论 . 28 致谢 . 29 参考文献 . 30 毕业设计 (论文 ) - 2 - 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 1 绪论 教型雕铣机课题介绍 随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高科技群体飞速发展，从而使雕铣机的发展有了质的飞跃。使其完成了从二维到三维加工技术的变革。随着生活水平的不断提高， 人们对产品的性价比也越来越高，这就对雕铣机的研制提出了更苛刻的要求。因此，功能完善，性能稳定，造型美观并且价格合理的产品是我们不懈的追求。 雕铣机引入教学领域，使教与学更 生动、有趣，学生更容易接受那些抽象的东西， 便于提高数控技术课程的教学效果。因此，本课题拟设计一款价格低廉，功能完善的雕铣机用于教学演示。 型示教型雕铣机的特点及现状 示教技术是随着数控技术发展起来的，目前，对示教系统的性能及精度等方面都提出了较高要求。现在市面上的雕铣机主要有以下几特点： 刀补、译码、插补、加减速控制等放在 后 C 机的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲，以控制工作台的移动。 采用集成的驱动芯片。 示教型雕铣机是一款模拟经济实用的高精密数控雕铣设备，该款设备主要模拟雕铣机的运动，实现简单的示教雕铣功能。 内数控雕铣机的发展和现状 随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展，尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的 2007 年我国的雕铣机产业产能已经超过 11000 台 /年 ,产值超过 15 亿前雕铣机的生产主要以广东 、北京、浙江三大板块主导。 国内几家著名的数控机床厂在这个领域里面都有较好的成绩。比如北京精雕、广东佳铁、毕业设计 (论文 ) - 3 - 南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。在雕刻 术、密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重大的突破，并真正实现了先进技术向产业化的转化。 型数控雕铣机的介绍 北京精雕 京精雕生产的睿雕 械性能参数指标见表 1型见图1 表 1主要性能 指标项 标准值 工作台尺寸 700 650、 Y、 600 500 300速移动速度 10m/轴转速 2100高切削进给速度 6m/ 1890 2144 1特点及应用： 大可以使用 16的刀具进行加工。 毕业设计 (论文 ) - 4 - 轴快速移动速度达 10m/给速度达 6m/备手轮，操作方便、控制平稳。 合中小型注塑模具、紫铜电极、铝合金产品以及非金属材料等产品的加工。 上海洛克 具雕刻机 上海洛克生产的 型见图 1 表 1主要性能指标项 标准值 工作台尺寸 510大雕刻尺寸 (X、 Y、 Z) 450雕刻速度 4.0 m/轴电机 2200 W 主轴电机最高转速 24000 r/柄直径 4、 6、 型尺寸 1310 1特点及应用： 2003 年最新推出的新型模具雕刻机 ,机身采用双立柱龙门式结构 ,装夹进料都十分方便 进口矩形直线导轨副 ,精密细分驱动系统 ,毕业设计 (论文 ) - 5 - 满足模具加工所需要的刚性和精度要求 ,大利变频电主轴使此款模具雕刻机拥有更 大的切削率。 特别适用于注塑模 ,冷冲模等各种钢模以及滴塑模、烫金模、紫铜电极等铜模的制作加工。 通过上述两台同类型数控雕铣机性能的综合比较。目前，国内雕铣机的最大主轴转速一般都在 24000r/轴电机功率在 高切削速度在 46m/ 教型雕铣机的主要技术参数 示教型雕铣机的主要技术参数见表 1 1教型雕铣机的主要技术参数 名称 参数 工作台尺寸（ X/Y） 278 270大行程 (X/Y/Z) 150 200 50大工件尺寸（ X/Y/Z） 160 200 120大刀具直径（ 6大进给速度 5m/轴电机功率 400轴转速范围 0 3000r/辨率 冲 定位精度 复定位精度 型尺寸（长 /宽 /高） 600 400 500 机器总功率 1 器轴联动数 3 毕业设计 (论文 ) - 6 - 2 示教型雕铣机总体布局设计方案 床总体布局设计 数控模具雕铣机是一种高效率、多功能的中小型经济型数控加工设备。它集雕刻与铣削 功能为一体，既保证了铣削小型工件所需要的低转速、大功率输出、又具备了雕刻所需要高转速的双重要求。 数控雕铣机主要用于较小铣削量或软金属材料的工件的加工。不但要求加工精度较高，而且要求实现高速切削，其主轴转速高达 3000r 右。其移动部件不但要刚性好，而且要尽可能轻巧，以保证其灵活性。对数控系统，要求其具有高的速度和极好的伺服电机特性。 对于数控雕铣机，从机械的角度分析，其结构应满足：非移动部件刚性要好，移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可能轻巧，灵活性要好。要从机械上满足既轻巧又刚性好的要求， 关键在于机械结构的合理设计上。 理论设计上，示教型雕铣机的总体结构布局见图 2 图 2设计方案分析 毕业设计 (论文 ) - 7 - 本设计中，数控雕铣机选用立式结构。立式结构工作台在水平面内，工件的安装调整比较方便。工作台由导轨支撑，刚性好，切削平稳。立式机床床的加工精度高。一直是高速切削设备的首选结构。本机床总体布局采用立式铣床结构，为克服不良力矩的问题，尽量加宽了 X、 Y、 整体布置上有效保证了机床的刚性。 因铸铁具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性， 可使床身的结构强度和刚性有显著提高，故本机床整体式床身底座采用铸铁铸造而成。它为箱形结构，内部筋板采用米字型筋配合的网状结构，确保了对 机床动态加工的稳定性可达最好。因机床的刚性主要用于克服移动部分在高速移动时对非移动部分的强大冲击，所以导轨和丝杆在设计时应尽量要求粗一些，以加强刚性。 由于采取了这些措施，所设计的数控雕铣机的最大优点是能进行比较细小的加工，加工精度比较高，对软金属可进行高速切削。 毕业设计 (论文 ) - 8 - 3 各轴系统的设计方案 向主传动系统 的方案设计 主运动方案通常有两种 :一是直接采用专用的雕铣刀头 ,二是采用直流电机带动的主轴机构。专用的雕铣头的优点虽很多，但是必须配 以与之配套的变频调速装置，价格相对昂贵。因此，从经济性的角度出发，采用直流电机带动主轴机构。直流电机具有以下特点 : 其转子转速可在宽广的范围内连续调节并稳定运行。 不论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度。即在整个调节范围内，转速随转矩的变化关系或是转速随控制电压的变化关系都是线性的。 在输入控制信号的作用下，转子能迅速 地反应动作，时间常数小。 故选用直流电机带动主轴机构的方案。直流电机通过弹性夹头直接与刀具连接。 进给系统方案设计 在数控机床中，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常需满足低摩擦、低惯量、高精度、无间隙，高谐振以及有适宜阻尼比的要求。机床的精度很大程度取决于进给丝杠的精度和机床导轨的精度，因此，雕铣机进给系统采用内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，采用高精度直线导轨。 珠丝杠副的选择 本设计中工作台的丝杆选用的是滚珠丝杆副。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件 组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。 滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高。选定进给传动用滚珠丝杠副时，主要考虑的内容是：与机床定位精度要求相适应的丝杠精度、丝杠的刚性与转动惯量。在开环和半闭环数控机床中，滚珠丝杠的精度将直接影响机床的定位精度和随动精度。为了获得高精度、高刚度的进给系毕业设计 (论文 ) - 9 - 统，应选用精度高的滚珠丝杠传动副。但是，随着丝杠精度的提高，其价格也将大大上升。本机床进给方 向的滚珠丝杠副的精度等级为 4级。 4级精度的丝杠经采用一些如消隙、螺距误差补偿等措施，完全能满足机床的定位精度要求。 丝杠的刚度与直径的大小直接相关，直径大、刚度就好。要想使进给驱动系统有足够的刚性，就要选用直径粗大的丝杠。但是，随着直径的增大，其转动惯量也大大增大。本机床经设计计算后选定 5程为 4 滚珠丝杠的支承结构 滚珠丝杠的支承方式有三种，一种为一端固定，另一端自由放置，常用于短丝杠和竖直丝杠；一种为一端固定，一端简支承方式，常用于较长的卧式安装丝杠 ；第三种为两端固定，用于长丝杠或高转速，要求高拉压刚度的场合。因为机床在加工工件时会产生热量，引起丝杠发热产生热变形。如果丝杠两端都进行固定预紧，虽然提高了丝杠的轴向刚度，但丝杠就没有了热变形的伸缩余量，会导致丝杠的扭曲变形，失去原本的直线度，影响机床的精度。雕铣机的滚珠丝杠副的支承结构见图 3 1. 步进电机 2. 联轴器 3. 角接触球轴承 4. 滚珠丝杠 图 3结构 毕业设计 (论文 ) - 10 - 支承轴承的选择 为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用高精度高刚度的滚珠丝杠副，而且必须十分重视滚珠丝杠支承的设计。因滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于卧式丝杠的自重，因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求很高。因数控雕铣机的进给系统要求运动灵活，对微小位移 (丝杠微小转角 )响应要灵敏，因此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。目前，各类轴承中用得最多的是推力角接触球轴承。数控机床选用这种角接触球轴承，通常需要把 2个以上的轴承组合起来，且施加预紧力来使用。其组 合形式有背靠背组配 (、面对面组配 (、串联组配 (。在数控机床上选用此种轴承时，为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，一般采用 滚珠丝杠的制动装置 由于滚珠丝杠副的逆传动效率很高，逆向传动不能自锁，因此当它处于垂直安置时必须另外设有制动装置，以防止伺服电机在停止转动时，运动部件由于自重而产生的逆传动，也可以防止因偶然因素造成的事故。雕铣机 采用拉伸弹簧和步进电机的制动来作为滚珠丝杠副的制动装置。 步进电机经连轴器带动丝杠，实现工作台的移动。防止工作台及 其主轴组件由于自重而产生逆传动的关键部件是 由弹簧拉板、拉伸弹簧、和步进电机的制动器。当工作台上升时，拉伸弹簧无逆止作用，步进电机带动滚珠丝杠转动从而带动工作台向上运动。当步进电机停止转动时 (电机带制动 )，工作台及其主轴组件由于自重而要下滑，这时， 碍其下滑的运动，从而防止了逆传动。这种结构的特点结构简单。 进电机与进给丝杠的联结结构 在数控机床进给系统中，步进电机与滚珠丝杠联结 要保证传动无间隙，这样才能准确执行脉冲指令，而不会丢掉脉冲造成“失步”，影响机床的加工精度和传动精度。在雕铣机床中， 通过 非金属弹性元件联轴器 （ 属于带弹性元件扰性联轴器） 把步进电机和滚珠丝杠联结起来。 带弹性元件扰性联轴器除有补偿性能外，还具有缓冲和减震作用，此外非金属弹性元件联轴器能保证步进电机与丝杠的同轴度，即使步进电机与丝杠安装时的同轴度不是很精确，毕业设计 (论文 ) - 11 - 也可通过非金属弹性元件连轴器来调节。非金属弹性元件联轴器制造方便，易获得各种结构形状，更重要的是，它具有较高的阻尼性能，而高的阻尼性能，又可以提高机床的抗震性。 弹性联轴器的装卸也非常方便。 导轨 导轨应满足如下要求：精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、成本低等。因数控雕铣机床要求有良好的灵活性以满足机床的高速雕刻要求，本机床 线滚动导轨通常两条成对使用，可以水平安装，也可以垂直或倾斜安装。为保证两条导轨平行，通常把一条导轨作为基准导轨。其安装形式有单导轨定位和双导轨定位，数控雕铣机床 X、 向上采用导杆定位。 毕业设计 (论文 ) - 12 - 4 主轴系统零部件的计算与校核 轴系统的重力计算 主轴系统主要由两部分组成：主轴安装座、活动支架。根据图纸分别计算主轴安装座、活动支架体积 。 取 灰铸铁的密度 103(kg/ 主轴安装座的体积 1计算 ： 402 110302 110+70 60 80） 10101= 103 1040N 活动支架的 体积 2计算： 60 180 70222 60172 60202 60） 1002= 103 1042N 主轴系统的重力计算值见表 4 表 4 主轴安装座 40N 活动支架 42N 主轴铣削力计算 雕铣机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。 主铣削力 式（ 雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为 硬 质合金钢 ，加工材料为钢材。 式（ 式（ ， 表示切削系数。取 69； 表示修正系数。取 表示铣削宽度。取 表示每齿进给量。取 表示铣刀直径。取 6 Z 表示铣刀齿数。取 Z =6； 毕业设计 (论文 ) - 13 - 表示铣削深度。取 代入式（ ： 69 6 125N 垂直分力 横向分力 纵向分力 算： 各铣削分力的比值可得： 计算可得： 轴铣削力相关计算值见表 4 表 4轴铣削力相关计算值 主铣削力 25N 垂直分力 向分力 向分力 珠丝杠副的选择计算 1)确定滚珠丝杠副的导程 珠丝杠副导程 （ 式中 表示滚珠丝杠副的导程 表示工作台最高移动速度 m/ 表示电机最高转速 r/ i 表示传动比。 因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩 ，因此传动比i=1。 根据表 1技术参数可知， 5m/ 根据电动机功率为 200W, 查得 3000r/ 代入式（ 30001 5=择导程为 4滚珠丝杠副。 2）确定当量转速与当量载荷 当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式毕业设计 (论文 ) - 14 - 计算。 当量转速的计算见式（ 式（ 式中 表示 当量转速 r/ 表示 滚珠丝杠副的最高转速； 表示 滚珠丝杠副的最低转速。 0。 因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副采用直联方式连接，传动比 i=1。电动机所能达到的最高转速即为滚珠丝杠副的最高转速，所以 3000r/入式（ 3000 02=1500r/量载荷的计算见式（ 式（ 式中 表示 当量载荷 N； 表示 机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力； 表示 机器空载时滚珠丝杠副的传动力。 2+G 电主轴 + 122+ 因所计算的丝杠带动 以 1+ 电主轴 =（ 42 +40+40）N=122N 代 入式（ 3 ）确定预期额定动载荷 按滚珠丝杠副的预期工作时间 时）计算，确定预期额定动载荷见式（ 3 60N） 式（ 式中 表 示 确定预期额定动载荷 N； 表示 预期工作时间（小时）。取 0000h； 表示 精度系数。根据初定的精度等级 毕业设计 (论文 ) - 15 - 表示 可靠性系数。一般情况下为 ； 表示 负荷系数。根据负荷性质选择，取 。 代入式（ 3 20000150060 1736N 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大载荷 式（ 式（ 式中 表示 预加负荷系数。取 代入式（ 92N 取以上 2种结果的最大值， 1736N。 4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 m m （3141）重复定位精度； m （4151）定位精度； m：最大轴向变形量 m。 由表 1知，重复定位精度为 位精度为 m=m； m=20 m； 取两种结果的小值 m=m。 估算滚珠丝杠副的底径 丝杠无预拉伸要求，取一端固 定，一端游动的支承形式，计算滚珠丝杠的最小螺纹底径见式（ 2 10010 =0 式（ 式中 表示 最小螺纹底径 E 表示 杨氏弹性模量。 E=105N/ m 表示 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（ m）已求得为m=m； 表示 导轨静摩擦力（ N） 。 0 W（ 0为静摩擦系数）。取 0= =2+G 电主轴 =122N 0 W =122=业设计 (论文 ) - 16 - L 行程 + 安全行程 + 两个余程 + 螺母长度 + 一个支承长度 （ 程 + (10 14) 表 1 0 50 + 14 5 =130入式（ =）确定滚珠丝杠副的规格代号 根据传动方式以及使用情况，选择法兰式双螺母内循环形式； 由计算出的 选择相应规格的滚珠丝杠副： h =4 2000N 1736N 16）确定滚珠丝杠副预紧力 滚珠丝杠副的预紧力计算见式（ 13 式（ 其中 p 44N 7）行程补偿值与预拉伸力 行程补偿值的计算见式（ C =10 式（ 式中， C 表示 行程补偿值 m； t 表示 温度变化 值 2 ,取 t= 表示 滚珠丝杠副的有效行程 ( 作台行程 + 螺母长度 + 两个安全行程 行程 + (8 14) 50 + 14 5 = 120入式（ C =120 103 10 m 毕业设计 (论文 ) - 17 - 预拉伸力的计算见式（ 式 （ =162 1248N 8）确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号规格 轴承所承受的最大轴向载荷的计算见式（ 式 （ = 1248 + 承类型：一端固定，一端游动的支承形式，选面对面（ 接触球轴承。 轴承内径： 6 ， 31 d =10 31 承预紧力：预加负荷 选择轴承型号规格：当 d =10加负荷 所以选择 7000轴承。 9）滚珠丝杠副工作图 丝杠螺纹 长度的计算见式（ 2 式（ 取余程 0 代入式（ 120+2 10=1400）传动系统刚度 丝杠最小抗压刚度的计算见式（ 102 式（ 式中 表示 最小抗压刚度； 2d 表示 丝杠底径； 1L 表示 固定支承距离。1L=22 260140=200。 代入式（ 毕业设计 (论文 ) - 18 - 0162 102= m 丝 杠最大抗压刚度的计算见式（ 4 010 122 d 102 式（ 式中 表示 最大抗压刚度； 表示 行程起点离固定支承距离，取 75 得： 75200(75420016 2 102 = m 11）滚珠丝杠副临界压缩载荷 算压杆稳定性） 丝杠所受最大轴向载荷 t 滚 珠 丝 杠副 临 界 压缩载 荷 12）滚珠丝杠副的极限转速 滚珠丝杠副的极限转速 107 式（ 式中 表示 临界转速； f 表示 与支撑形式有关的系数，取 f=16。 表示 临界转速计算长度（ 0=55 代入式（ 1625516 107 =846280 3000 合格。 13） 70000 式（ 式中 表示 滚珠丝杠副的节圆直径（ ， 表示 刚球直径，取 16+业设计 (论文 ) - 19 - 代入式（ 1500=27450 70000 合格。 14）基本轴向额定静载荷 基本轴向额定静载荷 式（ 式中 表示 滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（ N）。取 2450N； 表示 静态安全系数。一般载荷 2，有冲击或振动 3； 表示 轴向最大载荷（ N）。 得 2450 校验合格。 15）强度验算 强度验算公式见式（ 22 m a 式（ 式中 表示 许用应力（ N/。根据 滚珠丝杠材料，取 =390 代入 式（ 得 2214 d = 21041390 =30615N； 然 2214 d 度满足。 滚珠丝杠副选择的主要计算值见表 4 表 4 滚珠丝杠副选择的主要计算值 滚珠丝杠副的导程 量转速 500r/量载 荷 期额定动载荷 736N 最小螺纹直径 珠丝杠副预紧力 4N 行程补偿值 C=m 预拉伸力 248N 丝杠长度 L=140杠最小抗压刚度 88N/ m 毕业设计 (论文 ) - 20 - 丝杠最大抗压刚度 m 极限转速 846280n/本轴向额定静载荷 2450N 进给伺服电机功率的计算及选择 1） 建立计算模型 丝杠计算模型见图 4 图 4丝杠计算模型