XK5040数控立式铣床主运动系统、进给系统及控制系统设计【全套包含CAD图纸三维建模】
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2005) an in F. M. 7, 2000 of to of in is a It is to to on is is to a at a of of NC is as of in to To to a NC if 5 be of to it in of is 3is in to in of in a in +386 2 220 7623; +386 2 220 U. 2005 4. et 4 I of in to in 2. 1. to I As of is 3, a is 4. of of on 2. of of we et , is (1) is by of is to of a in of as a of to to on be to of is as as as to a of be or by is to in in it to It of of 1. of 2005) NC to to it to of by to NC on a is of If be to In 00%. In to at A is of a is in of of is on it as in 2) as as of k, k)=(k) k)=k)k1), is et 1. to in by in to be a a Hz a .4 s. of a 2 mm/s is NC is is , Y is in is by of A of 2005) a mm/is of 3. of et , of a is on to be of It N f), of of N of N 2005) of 5. N , 3 in of of is by by in To of on of 0 5: of of by be et , if of is to be of . 2 , in of by of in of as 1. a is to in be be is is In be so be at to in of a 2005) a 16 ( In , be a so is to be , Y be be on of 2166 mm 021630C 4040C 1025. FM by to C is is at a of is by is by on a k 45 k(of 6)6 mm 0. et (2005) 1 to = 280 N,mm/0150%7 is of is It 6. 3 D= 2 mm 80 m/as is to at to a in 8. a 16 mm,000 a .2 to .5 s. In is by in a of .2 mm at a an mm 000 in (a) b) et (7a) RR in 7b), RR to 7a b, is at 40 N, is to of to . to of NC so of is RR be by up 7%. As to of 3: 1. to in 3. to 4. a 23452005) , is a to of in a is is a of in a an is a in a of is to a at of to an of is to in it is be to A C J. 8 (2000) 399J. of A 19 (2003) 113A J. 19 (2002) 736Cho端铣削自适应切削力的模糊控制策略 U. , F. M. 7, 2000 要 这篇文章讨论了在高速端铣削时的切削力的模糊适应的控制策略。这项研究是关于运用标准计算机数字控制装置来忧化金属切削过程的整合自适应性控制。它被设计成服务于允许在刀具上对长时间复杂成形加工很有益的切削力时适应性地使切削 速度最大化的控制 有力的人工神经控制器协助自适应协调切削速度来防止过分的刀具磨损，即刀具的磨损量和保持高的排屑率。许多的仿真和实验用来肯定这个体系的功效。 关键词：端铣；自适应力控制；模糊 一个 统遗留下来的缺点是加工参数，如进给速度，切削速度和深度，被离线编程。加工参数通常在加工前根据编程者的经验和加工手册被选择。为了防止损害和避免加工失败。运行的条件通常被设置的很保守。结果是，有很多的统运行于远远低于忧化标准运行条件下效率差。即使加工参数在离线时通过忧化计 算法忧化了，在加工过程中它们也不能被协调起来。为了确保加工产品的质量，为了降低加工成本和提高加工的效率，协调实时加工的参数来符合忧化的加工标准是有必要的。由此，提供在线运行下协调的自适应控制，被有兴趣地研究起来。在我们的自适应控制系统中，不管是在切削条件下变化时，进给速度总是在线协调下来保持一个常数切削力。在这篇文章中，一个简单的模糊控制策略被在智能系统和一些运用模糊控制策略的实验性的仿真中发展起来。结果证明这个目标系统有效地控制在一般端铣削条件下的峰值切削力。力的控制运算法则已经被众多的研究者开发和评估了 。被固定的增加比例积分控制器，先前是为铣削现为了一个可协调的增加比例积分控制器，在那里控制器根据变化的切削条件被协调。完整的自适应参考模拟，自适应控制装置方法最初是被 些控制器被模拟和求解及实际上地被实现。两项研究发现全布三参数自适应控制器执行得比已固定的递增积分器要好。关于模糊控制系统， 供了一个先驱活动的介绍性调查，另一个系统性观念被提出。模糊系统对照比例积分微分控制和模糊系统的稳定性分析及管理模糊控制在 3中反映 于为铣削的自适应切 削力控制很多的工作已经被做。然而，很多以前的工作把问题简单化在一个自由度运动上。这次投稿中，我们将考虑到三个自由度上铣削的切削力。文章的组成如下。第二部分主要描述全面的力控制策略。第三部分包括了 工模拟 实验和目标控制计划执行的方法。最后，第六和七部分展现实验结果，结论和以后研究的建议。 一个新的在线控制计划，这个计划被称作自适应模糊控制，是通过使用模糊集合论开发的。这个方法的基本思想是合并人操作者在控制设计中的经验。这个控制策略是用公式表达成许多的规则 ，这些规则手工执行很简单但是对于用一般的数学运算法则来实现很困难。基于这个新的控制策略，很多复杂的过程能够标准方法似的更容易地和更精确地被控制。模糊控制的目标是保持金属切除率，能可能的高和保持切削力尽可能地接近一个给定的参照值。此外，计算任务和时间可能就像金典或者现代控制理论那样被减少。示意性的控制规则通过使用真实的实验数据被构造出。模糊自适应控制确保了连续地忧化进给速度的控制。这个控制是自动被协调到每一个特殊的切削情况。当轴的负载低的时候，系统增加切削进给到或者超过预先编程的进给速度，直接导致循环周期和产 品成本相当大的减少。当轴的负载高时，进给速度就被降低，以保护工作母机不损害和损坏。当系统侦测到极端的切削力时，它会自动停机来保护切削工具。它减少了一定的操作者的监督管理。在线铣削忧化的步骤次序如下： 制器。 调）忧化的进给速度，将它送回到机器。 自适应切削力控制器协调进给速度是基于一个测量出的峰值切削力通过布置一个进给速度超过 制器在四轴上的百分比， 真实的切削速度是超过部分和已编程的进给速度。如果进给速度忧化模拟是完美的，忧化的进给速度也将总是等于参照的峰值力。在这种情况下，超出部分的正确率将是 100%。为了控制器调整峰值力，力的信息必须在每个采样时间对控制运算法则是有用的。一个探测软件被用来提供这些信息。 个模糊控制器的结构 在模糊过程控制中，专门技术被压缩成一个根据关于人操作标准和输入输出关系的系统。运算法则是基于操作者的知识但考虑到过程编辑通过改写误差，它也包括了控制理论。 从而，控制器有输入切削力误差 F 和第一次不同误差 2F，输出变化的进 给速度 f。模糊控制变化和规则创基础创建从专家操作者那带走。切削力误差和第一次误差的差异被计算，在每一个采样时间 k，如 _F(k) = F(k)和 _2F(k) =_F(k)_F(k1),这里 F 是测量的切削力， 力的设定点。 工模拟 在进行实验测试之前，一个 工模拟模拟器被用来估算控制者的设计。 过程模拟由人工神经力模拟和进给驱动模拟。人工神经力模拟基于切削条件和已描述的形状切削估算切削力。进给驱动模拟模拟机器对已指定进给速度变化的反应。进给驱动模拟通过检查步的已指定速度 的改变被决定。最好的模拟被发现是一个频率为 3节拍时间为 二级命令系统。对比实验和仿真从 7 到22mm/s 图 3 显示的速度步调改变结果。进给驱动和人工神经力模拟被结合形成工模拟。模拟输入是已指定的进给速度，输出是 X、 Y 合成的切削力。切削形状在人工神经力模拟中被定义。模拟器通过比较实验和模拟仿真结果被修改。伴随进给速度改变的各种切削被确定。从 2mm/一步改变，实验和仿真合力展现如图 4。实验结果与在平均和峰值力方面模拟结果联系的很好。明显的差异可能是因为人工神经模拟和没有模 拟的系统编辑器的错误。 削力模拟 为明白在线切削力模拟，基于流行的反馈原理，一个标准 工神经网络（ 提出在预备实验期间，它被证明是很有可能直接从实验加工数据提取力模拟。它被用来模拟切削过程。用来模拟的 要为进给速度 f，切削速度削轴向深度 切削径向深度 个输入人工神经元。 输出是切削力的要素，因此需要两个输出神经元。带优化参数使用的 细的布局和神经元的数学原理如图 5 所示。最好的 置包含 5， 3 和 7 在隐藏层隐藏的神经元。 经网络的布局和其模拟问题的自适应性 布局的效果也通过考虑不同的情况而被研究。通过改变在隐藏层的人工神经元的个数来改变布局。为估计个别与神经网络性能有关程序参数的效果， 40 个不同网络被训练，测试和分析。网络性能使用 输入输出层的神经元数通过输入输出参数的数量来决定。由结果得到的如下所述结论： 率给出可接受的预期误差而掌握比率必须在 间来最小化程序周期数。 为了最小化判断误差，比 率在 间是好的。然而，如果程序周期数也是最小化，掌握比率应该不超过 最佳的隐蔽层节点数是 3 或 到 12 或不是 3 或 6 的网络也表现的好但是导致更高的程序周 期。 用正弦函数的网络需要最低的程序周期数，紧跟的是正切函数而用双曲线切线那些需要更高的程序周期。 用在这个获取系统的数据获取设备由测力计，固定模块，硬件和软件如图 1所示。切削力使用安在工件和工作台压电测力计测量。当刀具正在切削工件时，力将通过刀具施加到测力计。在测力计上的压电石英产 生形变，电荷将会产生。电荷然后通过连接电缆传递到多通道电荷放大器。电荷然后使用多通路放大器放大。在多通路电放大器中，不同参数能被调整以完成必需解决的。在放大器的输出端，电压将对应于取决于设置在放大器中参数的力。接口硬件模块由连接设计块，模拟信号协调模块和一个 16 通道 A/D 接口板 (在 A/D 板里，模拟信号将转变成数了信号，以使 件能读和接收数据。用 ， Y 和 Z 方向的力。用这个程序，三个轴向力要素能同时获得，并能为分析力的变化而显示在屏幕上。选 直径 16螺旋角带双刃可互换球状端立铣刀来加工。前角 12 度 立铣刀被选。立铣刀的材料是 上 却液 来冷却。模糊控制被智能操纵器模块（ 修正进给速度被递到力控制软件和 床之间 信设备。控制器能通过存储器共享。在频率 1出部分的进给速度，可变 分配力控制软件有用。 为检查自适应模糊控制策略的稳定性和耐用度，通过用 拟来检查系统。然后，通过在一个 床的对 工件改变切削深度的不同实验来改变系统（如图 6） 6螺旋角带双刃可互换球状端立铣刀被选来进行实验。切削条件为：铣削宽度 3 削深度 2切削速度 80m/模糊控制结构如图 1，忧化进给速度，想要的切削力是 = 280 N,预编程的进给是 许调整率为 0150%。当切削深度改变时，图 7 是切削力和进给速度的反映。它显示出实验结果，结果中进给速度在线调整来保持切削力在最大想要值。模拟控制器响应在轴向深度一步改变，显示如图 6面铣刀，在 2000正遇到一步从轴向深度从 3 到 改变。这步改变发生在 2s，在 控制器返回峰值成参考峰值力在这项研究中模糊控制器的稳定性通过模拟被估算。用在过程增益中小和大步改变测试模拟是为确保系统稳定在一定范围条件内。小的过程增益改变用一个在 2000速下从 3 到 向深度改度来模拟。大的增益改变用一个轴向深度在 2000从 3 到 6变来模拟。伴随很少的性能降低系统在全布模拟仿真中保持稳定。 在用不变进给速度（常用切削，如图 7a）的第一次实验中 ,仅在最后一步时达到它的固有值。然而，在第二次测试中，使用模糊控制加工相同的工件，平均完成的 接近固有的 。对比图 7a 和 b，人工神经控制铣削系的在切削力是保持在 240N 左右，自适应铣削系统的进给速度接近于传统 点到 D 点。从 A 点到 C 点，自适应 铣削系统的进给速度高于正统统，因此 ，自适应铣削系统铣削效率提高了。实验结果显示出 能提高高到 27%。相比于大多数的现有端铣削控制系统，目标模糊控制系统有下列优势： 具形状和工件材料的改变敏感； 定性，比标准的控制器有更高加工效率。实验显示模糊控制器比传统控制器有重大的优势。主要的优势是一个控制器快速响应复杂传感输入而在传统控制器上老的控制运算法则下运行速度受限制。 当前研究显示模糊控制比传统控制器有很大的优势。 第一 个 优势是一个模糊控制器能有效率地利用在计划和执行一个控制动作方面比一个工人更巨大的感官信息。 第二个优势是模糊控制器快速响应复杂的传感输入而在传统控制器的传统控制法则下的执行速度受到严格的限制。 这次投稿的目的是为介绍一辅助自适应调整进给速度来防止过度刀具磨损，刀具破损和保持高的金属去除率的可靠而耐用的模糊力控制器。带自适应控制策略的智能铣削实验结果表明模糊控制器有高的耐用度和完全稳定性。方法成功应用于实验 削加工中。目标在线最佳切削 条件决定系统在这篇文章中应用于球端铣削，但显然此系统也可延伸到其它的机床上来提高切削效率。 （ 2007 届） 本科 生 毕业设计（论文）资料 学 院、系 ： 机械工程学院 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 ： 班 级 ： 学号 指导教师姓名 ： 职称 最终评定成绩 ： 二六年九月制 - 1 - 目 录 第一部分 过程管理资料 一 、 毕业设计（论文） 课题 任务书 ( 3 ) 二 、 本科毕业设计（论文）开题报告 ( 6 ) 三 、 本科毕业设计（论文）进展情况记录 (11) 四 、 本科毕业设计 （论文）中期报告 (13) 五 、 毕业 设计（论文） 指导 教师评阅表 (14) 六 、 毕业设计（论文）评阅 教师评阅 表 (15) 七 、 毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表 (16) 第二部分 设计说明书 八 、 设计说明书 - 2 - 2007 届 本科 生 毕业设计（论文）资料 第一部分 过程管理资料 - 3 - 2007 届毕业设计（论文）课题任务书 院 (系 )： 机械工程系 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师 学生姓名 课题名称 控立式铣床 主运动系统、 进给系统及控制系统设计 内 容 及 任 务 （ 1）设计内容： 1、 调查分析 控立式铣床的加工特点，确定设计数控立式铣床 的主要技术参数 。 2、进行 数控立式铣床 总体方案 和控制系统总体方案 设计。 3、完成 进给运动的机械 结构设计。 4、完成控制系统 硬件 设计 。 （ 2）任务和要求： 1、根据总体设计方案，绘制 控立式铣床 总体外观图一张（三维计算机图）。 2、 进行 主运动 系统 的 设计 ,绘制主轴箱装配图和 进给机构的 强度计算 , 绘制出工作台纵向或垂直方向数控进给机构装配图一张 (算机图二张 )。 3、 绘制出数控铣床主轴零件图 。 (算机图 1 张 )。 4、 根据控制系统总体设计方 案，绘制控制系统电路图一张 （ 算机图 ）。 5、科技译文（不少于 2000 汉字 ，原文可自选或由指导老师提供 ）。 6、编写毕业设计说明书一套（不少于二万字，有英文摘要，全部用计算机打出）。 拟 达 到 的 要 求 或 技 术 指 标 1、 工作台尺寸（长宽）： 1600 400 2、工作台最大承载 ： 200 3、 定位精度 准 X Y Z 4、 工作台进给量：纵向 10 1500mm/向 10 1500mm/ 垂直 10 600mm/ 5、 主轴转速范围 ： 30 1500r/ - 4 - 进 度 安 排 起止日期 工作内容 20 成毕业设计的选题和开题报告 题调研，收集资料，拟定总体方案，画总体图 行有关运动计算 ,确定主运动主要参数 ,绘出转速图和传动系统图，绘制主轴箱装配图 行进给机构的设计和计算，绘制 进给机构装配图一张 制系统设计，画控制系统图一张 整个设计进行检查 理设计说明书及修改图子，翻译科技外文， 以及毕业答辩的准备。 主 要 参 考 资 料 1、李福生主编，数控机床技术手册 M 版社， 2、曹金榜易锡麟，机床主轴变速箱设计指导 M 械工业出版社， 3、王爱玲、白恩远、赵学良、赵建国 主编，现代数控机床 M 防工业出版社， 4、机械设计手册编辑组编，机床设计手册 M 械工业出版社， 5、机械设计手册联合编写组编，机械设计手册 M 学工业出版社， 6、周明衡主编，离合器、制动器选用手册 M 学工业出版社， 7、华东纺织工学院 哈尔滨工业大学 天津大学 主编，机床设计图册 M 海科学技术出版社， 8李广弟 朱月绣 王绣山主编，单片机基础 M：北京航空航天大学出版社，9黄鹤汀主编，金属切削机床设计 M械工业出版社， 10赵大兴 李天宝主编，现代工程图学 M汉科学技术出版社， 11顾维邦主编，金属切削机床概论 M械的工业出版社， 12张维纪编著，金属切削原理及刀具 M江大学出版社， 13甘永立主编，几何量公差与检测 M海科学技术出版社， 14张建钢 胡大泽主编，数控技术 M华中科技大学出版社， 15朱张校主编，工程材料 M华大学出版社， 16濮良贵 陈庚梅主编，机械设计教程 M北工业大学出版社， 17文怀兴主编，数控铣床设计 M 北京：化学工业出版社 - 5 - 教研室 意见 签名： 年 月 日 院 (系 )主管领导意见 签名： 年 月 日 - 6 - 本科毕业设计（论文）开题报告 （ 2007 届） 学 院、系 ： 机械工程学院 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 ： 班 级 ： 学号 指导教师姓名 ： 职称 2007 年 1 月 10 日 题目： 课 题研究背景 数控 机床的发展趋势 - 7 - 1. 结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写 1500 2000 字左右的文献综述。 20 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制 技术在 技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从 1952年美国第台数控铣床问世至今已经历了 50 个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专 用 机 床 ，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有 10 20 万台，产值上百亿美元。 我国数控机床制造业在 80 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床 厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在 90 年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到 50，库存超过 4 个月。从 1995 年 “九五 ”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在 1999 年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经 济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近 30 万台），但我们的机床数控化率仅达到 右，这与西方工业国家一般能达到 20的差距太大。日本不到 80 万台的机床却有近 10 倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国 21 世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床3000 4000 台，日本 1 年产 5 万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口 70009000 台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。 国内的数控生产 厂家主要有华中 数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过 300 400 套。 从上面我们可以看出：我国的数控技术水平还有待提高，生产技术还相当落后。 因此，我们有必要大力发展我国的数控技术，提高 国产数控 技术的总体水平，将我国的工业水平提高到一个新的档次。 近 10 年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。 (1) 高速化 由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由 3000 4000r/000 1000r/床和加工中心主轴转速由 4000 8000r/高到12000r/24000r/40000r/上 ,快速移动速度由过去的 10 20m/高到 48m/60m/80m/120m/提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的 力加速度）提高到 2G，最高可达 - 8 - 15G，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。 (2) 高精度化 数控机床的定位精度已由一般的 微米级机床达到 右，纳米级机床达到 小分辨率为 1数控系统和机床已有产品。 数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到 的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。 (3) 复合加工、新结构机床大量出现 如 5 轴 5 面体复合加工机床， 5 轴 5 联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括 5 轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特 殊编程要求。 (4) 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床 “如虎添翼 ”。 如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达 1000m/工铝件能达 5000m/ (5) 数控机床的开放性和联网管理 数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此， 计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为 21 世纪制造业发展的一个主要潮流。 参考文献：文怀兴主编，数控铣床设计 M 北京：化学工业出版社 据国内外的数控机床发展状况及自己兴趣，此次毕业设计我选择了 控立式铣床设计作为毕业设计课题，以便使自己对数控铣床有更多的了解，进而增强自己在这方面的能力。 要研究内容、研究思路及方案。 1、 依据：随着科学技术的发展，生产率水平的提高，人们对产品精度和质量的要 求 越来越来严格。因此，企业生产线的自动化程度要求越来越高， 数控铣床得到了越来越广泛的应用 。 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。 2、研究的内容： - 9 - 本次设计主要研究的是 控立式铣床进给系统及控制系统设计 ，机床主传动及进给部件的设计过程和方法，包括参数拟定、传动设计、零件计算、结构设计等，对主运动、进给 系统各部件进行选择 ,计算 ,校核；以及对 式铣床控制系统选用 列单片机组成，纵向、横向及垂直方向的控制电路设计。 3、研究思路及技术方案： 这次设计的任务是 对 控立式铣床进行总体设计和进给系统设计，先明确目的如下 : a掌握机床主传动及进给部件的设计过程和方法，包括参数拟定、传动设计、零件计算、结构设计等，培养机构分析和设计的能力。 b综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力。 c训练和提高设计的基本技能。如计算、制图、应用设计资料、标准和规范、编写技术 文件（说明书）等。 1、 主轴箱设计思路如下 : 先根据总体设计方案 ,进行有关运动计算 ,确定主运动主要参数 ,绘出转速图和传动系统图；再进行动力计算 ,确定主电动机功率。 接着进行强度计算 ,绘制主轴箱装配图 一张 2 进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量，计算切削力，滚珠丝杆螺母副的设计、计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的计算和选型等。 3 控制部分总体思路如下： 根据总体方案及机械结构的控制要求，控制系统的功能包括： a、 X 向、 Y 向、 Z 给伺服运动； b、键盘显示； c、面板管理 d、行程控制 e、其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示 硬件电路主要由以下几部分组成： a) 主控制器，即中央处理单元（ ; b) 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； c) 存储器，包括 d) 接口，即 I/O 输入输出接口电路； e) 外部设备，如键盘，显示器及光电输入等。 - 10 - 完成毕业设计的选题和开题报告 课题调研，收集资料，拟定总体方案，画总体图 进行有关运动计算 ,确定主运动主要参数 ,绘出转速图和传动系统图，绘制主轴箱装配图 进行进给机构的设计和计算，绘制进给机构装配图一张 控制系统设计，画控制系统图一张 对整个设计进行检查 整理设计说明书及修改图子，翻译科技外文， 以及毕业答辩的准备 指导教师： 年 月 日 说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师 审查后 签署意见生效。 - 11 - 本科毕业设计（论文）进展情况记录 毕业设计 题目： 控立式铣床主运动系统、进给系统及控制系统设计 班级 ： 学号：学生： _ _指导教师： 时 间 任务完成情况 指导教师 意见 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 注： 教师监督 学生如实记录毕业设计（论文）过程中根据 课题任务书 拟定的进度与进展情况 以及毕业设计（论文）撰写过程中遇到的问题和困难，并签署 意见。 - 12 - 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 注：教师监督学生如实记录毕业设计（论文）过程中根据 课题任务书 拟定的进度与进展情况以及毕业设计（论文）撰写过程中遇到的问题和困难，并签署意见。 - 13 - 本科毕业设计（论文） 中期报告 填表日期： 2007 年 4 月 10 日 院（系） 机械工程学院 班级 学生姓名 课题名称： 控立式铣床主运动系统、进给系统及控制系统设计 课题主要任务： 1、根据总体设计方案，绘制 控立式铣床总体外观图一张（三维计算机图）。 2、进行主进行主运动的运动 ,强度和动力计算 ,绘制主轴箱装配图 和 进给机构的 强度计算 ,绘制出工作台纵向或 垂直方向 进给机构 装配图一张 (算机图二张 )。 3、绘制出数控铣床主轴零件图 .(算机图 1 张 )。 4、根据控制系统总体设计方案，绘制控制系统电路图一张（ 算机图）。 5、科技译文（不少于 2000 汉字，原文可自选或由指导老师提供）。 6、编写毕业设计说明书一套（不少于二万字，有英文摘要，全部用计算机打出）。 1、简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果 调研、收集资料，熟悉课题内容。 拟定了总体方案，画总图。 主传动及进给系统设计、计算 主轴箱装配 图 2、下一步的主要研究任务，具体设想与安排 伺服 部分设计、计算，控制系统设计 整理设计 说明书及翻译科技外文 3、存在的具体问题 本次设计的研究重点是主轴 结构的设计、尺寸的确定、控制部分的设计，难点是尺寸的确定 ，滚珠丝杆螺母副的设计、计算与选型 和控制部分的设计 4、指导教师对该生前期研究工作的评价 指导教师签名： 日 期： - 14 - 毕业设计（论文）指导教师评阅表 院 （ 系 ） ： 机械工程系 学生姓名 学 号 班 级 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 姓 名 课题名称 控立式铣床主运动系统、进给系统及控制系统设计 评语： （包括以下方面，学习态度、工作量完成情况；检索和利用文献能力、计算机应用能力；学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；） 是否同意参加答辩： 是 否 指导教师评定成绩 分值： 指导教师签字： 年 月 日 - 15 - 毕业设计（论文）评 阅教师评阅表 院、系： 机械工程系 学生姓名 学 号 班 级 专 业 机械设计制造及其自动化 课题 名称 控立式铣床主运动系统、进给系统及控制系统设计 评语：（对论文学术评语 ， 包括选题意义；文献利用能力；所用资料可靠性；创新成果及写作规范化和逻辑性） 针对课题内容给设计者（作者）提出 3 个问题，作为答辩时 参考 。 1. 2. 3. 评 分 ： 是否同意参加答辩 是 否 评阅人签名 ： 年 月 日 - 16 - 毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表 院、系（公章）： 说明：最终评定成绩 a+b+c，三个成绩的百分比由各院、系自己确定。 学生姓名 学号 班级 答辩 日期 课题名称 控立式铣床主运动系统、 进给系统及控制系统设计 指导 教师 成 绩 评 定 分值 评 定 教师 1 教师 2 教师 3 教师 4 教师 5 小计 课题介绍 思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。 30 答辩 表现 思维敏捷 ,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入 ,知识面宽。 70 合 计 100 答 辩 评 分 分值： 答辩小组长签名： 答辩成绩 a： 指导教师评分 分值： 指导教师评定成绩 b： 评阅教师评分 分值： 评阅教师评定成绩 c： 最终评定成绩： 分数： 等级： 答辩委员会主任签名： 年 月 日 - 17 - 2007 届 本科生毕业设计（论文）资料 第 二 部分 设计说明书 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 1 - 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 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 2 - he is is of is is of on to on to on at to on ,031 is to 含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 3 - 目 录 摘 要 . - 1 - 1 总体设计 . - 5 - 床简介 . - 8 - 数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系统图 . - 9 - 数控铣床的总体布局 . - 9 - 数控铣床的主要技术参数 . - 10 - 总传动系统图 . - 12 - 2 主运动系统设计 . - 12 - 动系统设计 . - 13 - 数的拟定 . - 13 - 动结构或结构网的选择 . - 13 - 速图拟定 . - 14 - 轮齿数的确定及传动系统图的绘制 . - 17 - 传动件的估算与验算 . - 20 - 动轴的估算和验算 . - 20 - 齿轮模数的估算 . - 22 - 展开图设计 . - 26 - 结构实际的内容及技术要求 . - 26 - 齿轮块的设计 . - 27 - 传动轴设计 . - 29 - 主轴组件设计 . - 32 - 制动器设计 . - 37 - 按扭矩选择 . - 37 - 截面图设计 . - 38 - 轴的空间布置 . - 38 - 操纵机构 . - 39 - 润滑 . - 39 - 箱体设计的确有关问题 . - 40 - 进给系统设计 . - 41 - 总体方案设计 . - 41 - 对进给伺服系统的基本要求 . - 41 - 进给伺服系统的设计要求 . - 41 - 总体方案 . - 42 - 进给伺服系统机械部分设计 . - 42 - 确定 脉冲当量，计算切削力 . - 42 - 滚珠丝杆螺母副的计算和造型 . - 44 - 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 . - 59 - 控制系统设计 . - 62 - 制控制系统结构框图 . - 63 - 类型 . - 63 - 储器扩展电路设计 . - 64 - 程序存储器的扩展 . - 64 - 数据存储器的扩展 . - 65 - I/O 接口电路及辅助电路设计 . - 65 - I/O 接口电路设计 . - 65 - 步进电机接口及驱动电路 . - 66 - 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 4 - 其他辅助电路 . - 67 - 参考文献 . - 69 - 致 谢 . 74 附 录（英文翻译及实习报告） . 错误 !未定义书签。 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 5 - 1 总体设计 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 6 - 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 7 - 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 8 - 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，也称两轴半包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 9 - 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。 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 10 - 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含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 11 - 工作台最大纵向行程 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 X 0. * 复定位精度 准 作台最大承载 200含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 12 - 机床外形尺寸（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 2 主运动系统设计 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 13 - 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 =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，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。 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 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 含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 14 - 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 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。 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 15 - （ 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/ 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。 （ 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； 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 16 - 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 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 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 包含 纸和三维建模及说 明书 ,咨询 Q 197216396 - 36 - 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 适应转速要求 ,在一定
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