XK6125数控铣床总体及纵向进给传动机构设计（全套含CAD图纸）

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 宁 毕业设计 (论文 ) 纵向进给伺服系统设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 摘 要 从研究 铣床 着手，借鉴国内外先进经验 ， 设计了一台用于 多种工件 加工的 铣床 数控化改造 ，满足了生产和设计的要求。整个 铣 床主要包括横纵向进给机构、 垂直进给机构、立柱、横梁、底座、工作台等主要组部件。其中所有进给机构均采用滚珠丝杠进行传动，并由 伺服 电机进行驱动。主轴 箱 安装在门架上 ， 运用类 比法自行设计了滚珠丝杠螺母副的制动装置。 全面阐述了数控 铣床 的结构原理，设计特点，论述了采用 伺服 电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控铣床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。 关键词 ： 铣 床 ， 数控 ，伺服 电机 ， 滚珠丝杠 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 NC to to in NC NC s in NC s on In To so on on as as so 文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 1 目 录 摘 要 . . 录 . 1 第 1章 数控机床发展概述 . 4 控机床及其特点 . 4 控机床与普通机床的区别 . 4 控机床的适用范围 . 5 控 机床的工艺范围及加工精度 . 5 控机床的经济分析 . 6 . 7 择设计对象要适宜 . 8 床的机械设计范围要适当 . 8 助设计要合适 . 9 控机床发展趋势 . 9 第 2章 数控机床总体方案的制订及比较 . 11 体方案设计的内容 . 11 . 11 . 12 . 12 . 12 体设计方案的确定 . 13 . 13 . 13 . 13 第 3章 确定切削用量及选择刀具 . 14 具选择 . 14 削用量确定 . 14 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 2 削三要素 . 14 工精度和表面粗糙度 . 15 . 18 第 4章 传动系统图的设计计算 . 19 动系统设计 . 19 数的拟定 . 19 动结构或结构网的 选择 . 19 速图拟定 . 21 轮齿数的确定及传动系统图的绘制 . 24 开图设计 . 27 构实际的内容及技术要求 . 27 轮块的设计 . 28 动轴设计 . 31 面图设计 . 34 的空间布置 . 34 滑 . 34 体设计的有关问题 . 35 第 5章 纵向进给机构的 装配图和零件图 设计与计算 . 36 知参数条件 . 36 珠丝杆副主要参数的确定 . 36 计步骤 . 37 计计算 . 37 珠丝杠选择 . 39 . 39 . 39 珠丝杠支承选择 . 40 珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 . 43 择伺服电机 . 44 . 44 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 3 . 45 . 46 服系统增益 . 47 度验算 . 48 . 48 . 49 . 49 . 49 . 50 . 50 . 50 . 50 总结 . 52 参考文献 . 53 致谢 . 54 全套图纸加 Q 401339828 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 4 第 1章 数控机床发展概述 近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到 85%以上，而我国的机械设备的数控化率不 足 20%，随着我国机制行业新技术的应用， 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（汽铣、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。 精加工技术及装备的新趋势 放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 范 的建立 其中包括： b. 关于数控系统设计开发规范 ， 加强数控铣床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。 研究此课题的意义在于：针对大学毕业生技能的需求，在培养过程中，加强实践环节，把自己置身于工程背景之中，以提高我们的专业水平。通过此设计，我们可以初步掌握改造一般铣床的方法与步骤，可为我们今后工作打下良好的基础。将大学三年所学到的知识进行汇总，考核我们所学知识的牢固度，检验我们运用知识的能力。 控机床及其特点 控机床与普通机床的区别 数控机床对零件的加工过程， 是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、 模具 等加工业中得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 5 4. 高柔性 加工对象改变时 ，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 3 5 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6. 劳动条件好 机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。 7. 有利于管理现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投 资大，使用费用高 9. 生产准备工作复杂 由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。 控机床的适用范围 由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有： 批量小而又多次重复生产的零件； 几何形状复杂的零件； 贵重零件加工； 需要全部检验的零件； 试制件。 对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。 控机 床的工艺范围及加工精度 数控铣床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 6 盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。 由于数控铣床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控铣床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通铣床要宽得多。 由于数控铣床 刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。 数控铣床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控铣床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。 由于数控铣床具有直线和圆弧插补功能，部分铣床数控装 置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。 由于历史的原因，我国普通加工设备多，数控加工设备少；老设备多，新设备少。许多企业的机床精度差、故障率高。通过机床数控设计使普通机床不仅具有好的加工精度，而且还具有数控机床的功能。对于中小型企业，没有足够的资金来购买全功能的数控机床，但是使用单板机控制步进电机的经济型开环数控机床，具有花钱少、见效快的特点。采用经济型数控技术改装加工批量零件的机床非常合适。微机技术实现机床简易数控的工作原理采 用微机技术实现机床简易数控的装置，主要由单板机、控制程序、零件加工程序、驱动电源装置，收发信板、功率步进电机等部件组成。 图 济型数控铣床的系统装置框图。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 7 在图 板机在控制程序的控制下，可以使数控系统具有直线插补和圆弧插补加工工件轮廓的功能；具有进给速度控制和快速回零的功能；具有刀具补偿和反向间隙补偿的功能，以及其它多种功能。当零件加工程序给出具体的位移尺寸、位移方向和进给速度后，控制程序就会通过单板机按照所输入的零件加工程序发出一系列的脉冲信号。经隔离放大以后，分别驱动 向和 向功率步进电机，使刀架按照要求的方向、速度和位移量实现纵向和横向运动。从而构成了一个经济型开环数控系统。用微机技术实现机床简易数控优化方案的确定原则 目前数控系统的类型较多，选择前应对被设计机床的功能有个充分了解，再依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择数控系统。其中和单片机数控系统是用得较多的两种系统。系统的核心是系列的单片微机。它用三路驱动电路，分别控制、和向步进电动机，它进行机床的位移运动，并能实现任意二坐标联动或三坐标联动。单片机是系列微机的典型产品，其硬件功能 远远高于单板机，尤其适合实时控制、智能仪表、自动机床，是控制类型领域中最理想的八位微型计算机，在全世界都得到广泛应用。数控装置是三坐标（铣床）数控系统，它用国际标准代码进行编程，除了能执行本身的编程指令外，还能执行二坐标机床数控系统的编程指令，而且三坐标系统的各种操作方法（如输入、修改、删除及运行加工程序）相同于二坐标系统。 选择控制系统时应该注意以下几方面的问题： （ 1）在资金充足的情况下，尽量选用质量好的产品。因为此类数控系统零件筛选严格，制造工艺规范可靠，能很好地预防电器元件的故障或提前失效引起的设备 故障。 （ 2）应该注重数控功能的选择，不应单纯追求数控系统的高性能指标，这对实现较高的性能价格比非常重要。 （ 3）数控系统所具有的功能要与准备设计的数控机床所能达到的功能相匹配，尽买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 8 量减少过剩的数控功能。 择设计对象要适宜 采用微机数控机床加工零件，必须首先编制出加工程序。通常适宜于加工具有一定批量的相类似零件。因此，在选择适宜于进行设计的机床时，首先必须对各类机床的零件加工情况进行调查研究，分类统计，看零件有无批量，看各类批量主要在哪种机床上进行加工，以及在哪种型号的机床上进行加工，这样才能确 定出设计对象。一般中小铣床上的工件总是比较饱满，成批量的零件也比较多。因此，用微机技术把中小铣床设计成经济型数控铣床比较适宜。对于一些中小型企业，为了充分发挥铣床的作用，更需要经过设计的铣床。这样既能用数控系统加工批量零件，又具有卧式铣床的功能，以适于加工单件零件。对于一些形状复杂的零件，普通机床往往难于加工成形。如果采用机械仿形的方法进行加工，在不成批量的情况下很不合算。这时，用微机技术设计机床，就可以使问题得到解决，明显提高企业加工能力。编程要比制作靠模容易得多，灵活得多。用数控机床加工形状复杂的零件是 非常适宜的。 床的机械设计范围要适当 机床设计范围的大小，应根据机床自身精度及性能来决定。以卧式铣床为例加以说明。对于旧铣床的设计范围，一般都是把原来的机床进给传动系统，由主轴箱通过挂轮箱带动进给变速箱，将运动传给光杠或丝杠。然后再驱动溜板运动的传动过程，设计为由功率步进电机通过消隙减速齿轮，直接带动滚珠丝杠，使刀架分别实现纵向运动和 横向运动，进行两个坐标的控制。对于精度符合要求的铣床，为了实现简易数控设计，一般都是对铣床的部件基本不动，只是把床鞍的纵向滑动丝杠副设计为纵向滚珠丝杠副。在纵向 滚珠丝杠的右端安装一套消隙减速箱和功率步进电机。同时也把中滑板的横向滑动丝杠副设计为横向滚珠丝杠副，在横向滚珠丝杠的外端安装一套消隙减速箱和功率步进电机，从而使铣床的纵向和横向运动既能用微机系统进行控制，又能由操作者进行普通操作。在机床设计过程中，只要把溜板箱中的开合螺母及中滑板上的滑动螺母拆除，在合适的位置上安装好滚珠螺母座即可。在电气控制方面，为了避免数控操作与普通操作相干涉，发生操作失误现象，必须有电气连锁开关控制操作转换。对于全新或较新铣床，在进行简易数控设计时，一般都是全部保留机床的零部件。直接把 消隙减速箱和功率步进电机分别按装在纵向滑动丝杠的右端和横向滑动丝杠的外端。从而也可以买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 9 使铣床同时具有普通操作功能和简易数控功能。 助设计要合适 如果在设计后的简易数控铣床上，采用一把刀可以完成全部车工工序，就没有必要对刀架进行设计。但有时会出现一个工件需要两把刀或几把刀来分别完成两个或几个工序的情况，这时可根据每把刀的使用情况，分别进行编程，通过一个程序，使用一把刀，来完成一个工序。使原来普通操作使用的刀架在数控操作时也可以使用。这样，根据设计后铣床的主要加工对象，确定刀架是否需要进行设计，可以 使设计费用使用得更加合理，避免发生设计过剩现象。如果设计后的简易铣床，主要用来加工比较复杂的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部车工工序，就必须对刀架部件进行设计。一般可采用安装有四把刀、由鼠牙盘定位、进行绝对刀位控制的自动回转刀架比较合适。重复定位误差可小于 ，精度持久性比较好。这种刀架出厂时，就规定了刀号位置。当需要几号刀在加工位置时，只需对该刀控制信号口发出信号，刀架就会自动转到需要的位置。设计后的简易数控铣床需要加工螺纹时，可以在主轴后端同轴安装或异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元 件。目的是为了检测主轴转角的位置，并且将其变化情况输送给单板机，使单板机能按照所需加工的螺距进行处理。控制纵向步进电机运动，通过纵向滚珠丝杠带动刀架完成螺纹加工。 控机床发展趋势 1. 高速、高效、高精度、高可靠性 （ 1） 高速、高效加工 进入 21世纪，机床向高速化方向发展 :大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度 0年代以来欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。 （ 2）高精度、超精密化加工 当前，机械加工高精度的要求较普通的加 工精度提高了一倍 微米 ;精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级 (米 )，主轴回转精度要求达到 工圆度为 米等从精密加工发展到超精密加工特高精度加工 )，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级 ( ,满足设计要求； 20 型交流伺服电动机的 小于 也可使用，但加速时间较长。 经过比较从成本与造价方面考虑本题采用 20 型交流伺服电动机 。 通常取系统增益 25 1s 。对轮廓控制的加工中心机床可取较大值 ， 如 取 120 sK s 。 伺 服 系 统 的 时 间 常 数 倒 数 ， 。如果选用 15 型直流伺服电机，执行件（工作台）达到的最大加速度根据公式可知 8)-( 3 . 4 / 2m a x Ta h 伺服系统要求达到的最大加速度发生在系统处于时间常数 ，执行件的速度从 增加到 时， 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 48 a 略大于 因而按照加速能力选择 120 适合的。如 小于 a ，可以适当 增大 ，以提高 系统的性能。 本数控铣床要求的定位精度为 丝杠的导程误差 30V 余误差为伺服系统误差、丝杠轴承的轴向跳动和在载荷作用下各机械环节弹性变形起的位移等。 伺服刚度可根据下式子计算，即 K 1 伺服电动机的增益，它等于电动机的角 速度 )/( 与输入电压)(比值。输入电压 少量消耗于电枢回路的阻抗外，大部分被反电动势所平衡。 伺服电动机的反电动势系数 )/( ，为伺服电动机单位角速度 )/( 产生的反电动势（ V）。估算时，可以近似地认为输入电压 于反电动势。因而近似地可认为 K 1 15 直流伺服电动机的转矩系数 t / ，因伺服系统增益120 sK s ，速度控制的开环增益 04 取 10 402022 反电动势系数 e / ，则 )/( ；电枢直流电阻 故 r a 1 0 4 折合到工作台部件的直线刚度 2m a xm a x /1030 201530 s 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 49 /410/1041022 622 本题中的丝杠为一端轴向定位结构。其最小拉压刚度发生在工作台螺母离定位点交接班远的位置。已知工作台的丝向行 程为 660 螺母移动到离定位点最近位置时，还应保留一定的丝杠距离，假设为 140而丝杠最大距离 01 4 06 6 0m a x 。代入公式计得丝杠拉刚度 17)-( 3. 4 /10410 6m a a xm i 式中， 丝杠底径，为丝杠名义直径 0D 减滚珠丝杠 0d 。本题目中 0D 400d 0D 0d 40 。 E 为丝杠材料钢的弹性模量， 102 ，则 t /2 1 0240 3 2 112m i n 哈尔滨轴承总厂生产的 7602030号轴承的钢球直径 b ，钢珠数 Z 17，接触角 60 ，预加载荷 9000 ，轴向外载荷为导轨摩擦力14 ，故轴向载荷 预加载荷与轴向外载荷之和，即 9)-( 3 . 3 3 2 1 43142 9 0 0 0 丝杠轴承轴向载荷刚度 按下式求得，即 5)-( 3 . 3 s i 3 52 查样本手册得 c /2300 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 50 查文献得 1 折合到工作台部件的直线刚度为 /24500/24211 计算出伺服刚度折算到工作台部件的直线刚度 、滚珠丝杠最小拉压刚度 丝杠轴承轴向刚度 滚珠丝杠螺母接触刚度折算到工作台部件直线刚度 联轴节扭转刚度 1K 后，按弹簧串联原则合成求得综合刚度 K ，即 2 1 )-(4 111111 1m i n 故 31111 1111m i n数控铣床的定位精度是在不切削空载条件下检验的。故轴向载荷仅为导轨摩擦为 本题目的摩擦力 12 ，故因 起的弹性变形由以下公式可知： 1 4 )-(5 31 1 2 f 本题目中滚珠丝杠在任意 300的导程误差 30V 为 m6 ，加上弹性变形 m即 6+6.2 m 。再加上某些因素，将不会超过要求的定位公差，能满足定 位精度 设计要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 51 从以上计算可知，丝杠的拉压刚度是系统刚度的薄弱环节，其次是伺服刚度和轴承刚度。丝杠螺母间的接触和联轴节的扭亏为盈转刚度很高，其变形很小，可忽略不计。 如果经过计算发现刚度不够，定位精度达不到设计要求，可把丝杠一端轴向固定结构形式改为两端轴向定位结构，这是提高刚度的有效措施。其次，可适当提高系统增益和速度环开环增益，以提高伺服刚度；也可采用多联组合的推力角接触球轴承组配方式或改用滚针 双向推力圆柱滚子（或滚珠）组合轴承，以提