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学院学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目：目： 数控雕铣机进给系统机械设计数控雕铣机进给系统机械设计 作作 者：者： 系系 （部）：（部）： 机械工程学院机械工程学院 专业班级：专业班级： 机械设计与制造级（机械设计与制造级（1）班）班 指导教师：指导教师： 职职 称：称： 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 课题名称数控雕铣机进给系统机械设计 系 别机械工程学院专业/班级 机械设计与制造 级（1）班 学生姓名 学 号 指导教师 单位/职称机械工程学院/讲师 课题来源科研课题成果形式论文 所属岗位机械加工与设计 一、毕业设计（论文）课题的主要内容、任务和目标、基本要求等： 根据已知条件确定极限转速、公比、结构网和结构式、绘制转速图，得到主运动传 动系统图；设计雕铣机进给运动传动系统图，得到各轴的计算转速；设计三个方向进给 运动；进给运动的转速和功率扭矩特性；三个方向进给运动是如何实现的；进给运动的 部件和零件如何选择；进给运动零件的计算校核。齿轮间隙的消除和丝杠螺母机构的预 紧等。完成一张进给运动装配图和进给运动零件图。 二、实践要求： 顶岗实习单位要与机械加工岗位相关，时间 12周，要求熟悉所使用的机械加工工具的 工作原理，并能熟练操作加工出合理的零件，对零件的加工工艺和工序及整件的装配有 所了解。加强动手能力的培养。 加强对数控机床的认识和操作，能独立解决机床方面简 单的问题，并对自己的毕业设计做修改和完善。 三、进度安排 1.校内查阅文献资料，完成开题报告；（1 周） 2.根据数控雕铣机的具体参数，确定总体设计方案；合理选取电动机；（1 周） 3.根据总体设计方案，进行进给运动设计与校核（1 周） 4.完成装配图和零件图的绘制，顶岗实习；（1 周） 5.整理毕业设计论文资料，准备毕业答辩；（1周） 6.毕业答辩； 四、推荐的主要参考资料 1范云涨,陈兆年.金属切削机床设计简明手册.机械工业出版社,1994.7 2翁世修,王良申.金属切削机床设计指导.交通大学出版社, 1988.2 3毛谦德,李振清.机械设计师手册第二版.机械工业出版社,2004.1 4黄鹤汀.金属切削机床上、下册 .机械工业出版社,2005.7 5李澄,吴天生,闻百桥.工程制图第二版.高等教育出版社,2004.2 6郁汉琪.机床电气控制技术.高等教育出版社,2006.1 7郁汉琪.机床电气实验、课程设计指导书.北京：高等教育出版社， 2001.7 8中国纺织大学，天津大学机床设计图册.科技技术出版社, 1979.6 9陈立德.机械设计基础.高等教育出本社，2004.4 指导教师签名 田 敬 年 月 日 专业负责人签名 徐惠敏 年 月 日 数控雕铣机进给系统机械设计 摘 要 此次的设计任务为 CGM4300 小型数控雕铣机的设计，根据已知条 件确定设计进给运动中各个零部件及分析其工作特点；选择合理的步 进电机实现三个方向的进给运动以及进给运动的转速和功率扭矩特性； 进给运动的部件和零件的如何选择；进给运动零件的计算校核；滚珠丝杠 轴承的选择及定位轴向力如何传递；再利用 CAD 完成雕铣机装配图。 通过小组一起查阅资料，网上了解数控雕铣机的特点和研究方法，到 学校数控基地增强对数控雕铣机系统和结构的认识，拆装并测绘数控 雕铣机。随后去学校图书馆翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍再 对其系统内部零件、机床主运动传动系统的设计，了解了各个主运动 零件工作优点，机床主要零件部件设计计算。翻阅一些有关数控雕铣 机的改造的书籍，采用小组讨论的方法共同确定数控雕铣机的结构； 并在指导老师的热心帮助完成了图纸的绘制和说明书的撰写。 这次的毕业设计让我们回顾了一下以前学过的基础知识并深化， 使自己的专业知识有了很大提高。在本文中详细描述了数控雕铣机伺 服进给传统系统的设计方法,包括传动系统拟定 ,滚珠丝杠及其支承 组合方式 ,伺服电动机及其反馈装置选择,精度验算等。 关键词： 数控雕铣机，步进电机，滚珠丝杠，伺服传动系统 目目 录录 第一章第一章 前前 言言 1 1.1 数控雕铣机发展现状综述 1 1.2 设计要解决的问题和拟采用的研究方法 1 1.3 解决思路及步骤2 1.4 机床参数 3 第二章第二章 X X 轴系统零部件的计算与校核轴系统零部件的计算与校核4 2.1 X 轴系统的重力计算 4 2.2 横向进给运动的设计5 2.2.1 切削力计算 5 2.2.2 滚珠丝杠的设计 5 2.2.3 横向步进电机的选用 7 2.3 滚珠丝杠的传动设计 .8 2.3.1 选取滚珠丝杠的型号 8 2.3.2 丝杠传动扭矩校核 8 2.3.3 校核丝杠的当量动载 9 2.3.4 滚珠丝杠的校核 .10 2.4 垂向进给系统的设计.12 2.4.1 滚珠丝杠设计.12 2.4.2 垂向步进电机的选用.13 第三章第三章 结束语结束语 15 参考文献参考文献 15 谢谢 辞辞 16 第一章第一章 前前 言言 1.1 数控雕铣机发展现状综述 我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上取得了很大的发 展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控 机床有 1500 种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。 领域之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。这标志着国内数控机床已进入快速 发展的时期。 目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也 已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研 制成功一批主轴转速在 800010000rmin 以上的数控机床。我国数控机床行业 近年来大力推广应用 CAD 等技术，很多企业已开始和计划实施应用 ERP、MRP和 电子商务。 但从国情来看，我国正处于工业化中期，即从解决短缺为主的开放逐步向建 设经济强国转变，从脱贫向致富转变，煤炭、汽车、钢铁、房地产、建材、机械、 电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，构成了对机床市 场尤其是数控机床的巨大需要。据毕马威会计事务所分析，中国已经超过德国， 成为世界第一大机床市场，数控机床已成为机床消费的主流。我国未来数控机床 市场巨大，预计 2010 年数控机床消费仍将超过 60 亿美元，台数将超过 10 万台。 专家指出，中高档数控机床的比例会大幅增加，经济型数控机床的比例不会有太 大变化，而非数控的普通机床的需求将会大幅度减少。 近年，全国模具产值也有大幅增长。我国目前大型、精密、复杂、长寿命模 具依然大量进口，模具市场主要集中在华东，大约占全国销售额的 75%。最近， 江苏苏州地区已在规划筹建亚洲最大的模具制造基地。模具制造业需要高速数控 铣床、三坐标测量机、精密电加工机床、高精度加工中心、精密磨床等。 电子信息设备制造行业的装备 99.5%依赖进口。该行业需求大批小型精密数 控机床：如高速铣削中心、高速加工中心、小型精密车床、小型精密冲床、精密 和超精密加工专用数控机床及精密电加工机床等。 近年党中央、国务院高度重视包括数控机床在内的装备制造业发展，相继出 台的一系列政策措施，进一步确立了数控机床产业的战略地位，为行业发展创造 了有利条件。我国机床行业经过几十年的发展，形成了具有一定生产规模和技术 水平的产业体系，具备了快速提升的基础，尤其是“十五“以来，面对持续高涨的 国内市场需求和良好的政策环境，我国机床行业发展迅速，在质和量上都取得了 飞跃。 1.2 设计要解决的问题和拟采用的研究方法 此次的设计任务为小型数控雕铣床的设计，撰写一份详细的设计说明书、绘 制一张小型数控雕铣床的装配图、若干零件图及 PLC 电气控制原理图。 该设计主要解决如下问题： 1.设计进给运动中各个零部件及分析其工作特点； 2.选择合理的步进电机实现三个方向的进给运动； 3.滚珠丝杠轴承的选择及定位,轴向力如何传递，间隙如何调整； 4.撰写设计说明书、绘制数控雕铣机的装配图、零件图。 拟采用的研究方法： 1）到学校数控基地增强对数控雕铣机系统和结构的认识；拆装并测绘数控 雕铣机，使自己对数控机床有了感性的认识； 2）去学校图书馆翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍再对其系统内部零件 进行设计：机床主运动传动系统的设计；各个主运动零件工作优点；机床主要零 件部件设计计算。 3）翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍，采用小组讨论的方法共同确定 数控雕铣机的结构，并进行相关工艺参数的校核。 4）独立完成工程图的绘制。 1.3 解决思路及步骤 解决思路如图 1-1 所示。 1.机床进给运动设计 丝杠传动的结构和特点，滚珠丝杠及轴承的选择，定位；由三个不同的步进 电机来控制三个方向进给运动过程。 2.机床主要零部件的设计 （1）步进电机的选择计算； （2）滚珠丝杠的设计计算；滚珠丝杠的轴承的选取与校核； 图 1-1 铣床设计框图 1.4 机床参数 工作台尺寸（ X/Y）500/480 毫米 最大行程 （X/Y/Z）400/400/150毫米 最大工件尺寸 （X/Y/Z）400毫米 最大刀具直径 （Er20）13毫米 主轴电机功 率3千瓦 最大进给速度 5 米/分钟 主轴转速范围 1500-24000转/ 分钟 分辨率 士0.001毫米 /脉冲 定位精度 士 0.01毫米 重复定位精度 士0.005 毫米 外型尺寸（长 /宽/高） 1500/1500/1800 毫米 机器总功 率5 千瓦 机器轴联动数 3 第二章第二章 X X 轴系统零部件的计算与校核轴系统零部件的计算与校核 2.1 X 轴系统的重力计算 主轴系统主要由三部分组成：3KW 主轴安装座、滑块及拖板。根据中的图纸 分别计算 3KW 主轴安装座、滑块的体积 V 及其重量 G。 工业用铝合金的密度； 灰铸铁的密度。 33 250 /k100 . 7mg HT 主轴安装座的体积 V1及重力 G1计算： 3392 1 m1072 . 3 102004040 2 1 220054125220050200155268 V NVgm988 . 91072 . 3 107 . 2gG 33 111 铝合金 滑块体积 V2及重力 G2计算： 339 2 1025. 710573197257081129570484022468116073096270Vm NgVgmG HT 75.4938 . 91025 . 7 100 . 7 33 225022 拖板体积 V3及重力 G3计算 339 3 m1024 . 3 10425570248612062001807290450527242 V NVgmG HT 26.2228 . 91024 . 3 100 . 7 33 g325033 2.2 横向进给运动的设计 2.2.1 切削力计算 工作台约重 30Kg 切削功率为： （2.1）NKNC 式中：主电机功率，3Kw N 主传动系统总功率系数，取 0.6 进给系统功率系数，取 0.96K 根据公式(2-1)可得：1.728 Kw C N 又因为 ，/6120 cZ NF V 则=1.058 KN 6120/ ZC FNV 式中：切削线速度，取Vmin/100mm 故主切削力：通常 KNFZ1.0580.60.9 Z FF 纵 （）0.450.7 Z FF 垂 （） 0.50.55 z FF 横 （） 取： KNFF KNFF KNFF z z Z 0.5295 . 0 0.47645 . 0 0.6356 . 0 垂 横 纵 2.2.2 滚珠丝杠的设计 工作台横向进给丝杠的轴向力： （2.2） / FKFfFw 横垂轴 （） 式中：考虑颠覆力矩影响的实验系数， K 1 . 1K 工作台， w 30300WkgN 导轨上的摩擦系数， / f/ 0.15f 横向切削力， F横 KNF0.476 横 根据公式（2.2）得： 0.65KN轴F3 . 0529 . 0 15 . 0 476 . 0 1 . 1 强度计算 滚珠丝杠的转速： / f nVp 式中：取 60mm/minVf 滚珠丝杠螺距，6mmp 则得： /10 /min f nVpr 寿命值： =60nT/ L 6 109 式中：T寿命时间，15000h 最大负载： （2.3） 1 3 wH f f F 1轴 Q （L） 式中：运转系数，取 1.2 w f 硬度系数，取 1.1 H f 轴向切削力，0.65KNF轴 根据公式(2.3)可得： =1.7847KNQ65 . 0 1 . 12 . 1)9( 3 1 根据经验，选取滚珠丝杠的型号 FDM236LH1T7，即内循环浮动式，双螺 母垫片预紧，公称直径为 23，螺距为 6mm，左旋，一圈二列，T 型 7 级精度，滚 珠直径为 3.82（取 4）,其额定动负荷为 12.8KN，其强度够用。 （2.4） / 1 0 t sin 2 f g d 摩擦角 根据滚珠丝杠的型号可查得其螺旋升角； / 4 22 式中：滚动摩擦系数，取 0.001 / f 滚珠直径,4mm 0 d 滚珠与滚道的接触角，取 45 根据公式(2-4)可得： 1/ 0.001 t0.40524.3 0.4 sin45 2 g 则滚珠丝杠的传动效率： 0/0/ /4 22 /4 2224.30.915tgtgtgtg（）（） 2.2.3 横向步进电机的选用 1.确定步距角： 取系统的脉冲当量，选用步距角0.01/ P mm脉冲 0 0.72 b 2.启动力矩的计算： 丝杠牵引力：1.414 s FFf W 当横 KN55 . 0 式中：当量摩擦系数，0.01f当 设步进电动机等效负载力矩为，负载力为 ，根据能量守恒原理，F负 电动机所做的功与负载所做的功相等，即MF L 负 则： F L M 负 又因，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移FFWF s1负 （） 量 L 为一个脉冲当量 0.001cm，这时电动机转过的负载的角度 2/360 b 故 F L M 负 1 360() 2 ps b FWF cm/04.96N 式中：机床导轨摩擦系数，取 0.18 与重力方向一致，作用在移部件上的负载力，1.165KN 1 F 如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩 取安全系数为 0.25，则 对于工作方式/(0.30.5) q MM503.44/ q MN Cm 为五相十拍的步进电动机： max /0.707712.08/ q MMN Cm 3.步进电动机的最高频率： 取横向进给速度最大为，则步进电动机的最高频率为 max 1/minVm 。根据以上数据和经验，查机械设计手册 maxmax 1000/(60)1667 p fVHz 第 5 卷表 35.2-10 选用 90BYG5502 型步进电动机较合适，该电动机步距角为 ，最大静转距为 300，最高空载启动频率为 2200Hz。 0.36 0.72 /N Cm 2.3 滚珠丝杠的传动设计 2.3.1 选取滚珠丝杠的型号 本机床主电机采用 90BYG5502 型混合式步进电机，电机的静扭矩为 300 ，步距角为，根据类比法选用内循环滚珠丝杠：FDM236LH/N Cm 0.36 0.72 1T7。 2.3.2 丝杠传动扭矩校核 1.丝杠传动效率： / tan tanp （） 式中：中径处的螺纹升角 1 2 tan S d S螺纹导程， 6mm 丝杠中径，21mm 2 d 有 1 6 tan4.37 21 当量摩擦角 / p / /1 0 tan sin 2 f p d 滚动摩擦系数，0.001 / f 滚珠直径，取 4mm 0 d 滚珠与滚道的接触角，45 有 / /1 0 tan sin 2 f p d 1 0.001 tan 0.4 sin45 2 0.405 所以 tan4.37 100%91.5% tan 4.370.405 （） 2.丝杠驱动扭距： 根据 （2.5） 2 PS M 式中：P所受轴向力，426N S螺纹导程，6mm 传动效率，91.5% 根据公式(2.5)可得： 426 0.006 0.445 20.915 M N m 3.丝杠传递的扭矩 / / 1.2 1012iN m / MM ，故可以使用 2.3.3 校核丝杠的当量动载 型号为 FDM236LH1T7 丝杠的当量动载为 12.8KN 丝杠的寿命系数 h f 根据 1 3 h h L f （） 5000 式中：预期寿命，15000h h L 故有 = h f 3 1 5000 15000 1.44224 转速系数 n f 根据 1 3 33.3 n f n （） 式中：当量转速 n n max 11 5025 /min 22 nr 故有 1 3 33.3 1.1 25 n f （） 当量轴向载荷 d P max 11 757378.5 22 d PPN 丝杠当量动载 C 1.1 ndh d f f f CP 3.11 1.6 1.0 378.5 1.1 1712.212800NN 安全 2.3.4 滚珠丝杠的校核 1.滚珠与螺纹滚道之间的接触变形 1 根据 2 3 1 0 1 0.0038 a P dZ （） 式中：轴向载荷，378.5N a p 滚珠直径，3.969mm 0 d 滚珠数量Z ZZ Z 圈数列数 一圈的滚珠数 0 0 25 3316.79 3.969 D Z d 有，取16.79 1 233.57Z 34Z 所以 22 3 1 1378.5 0.00381.2 10 3.96934 mm （） 由于滚珠丝杠已预紧， /2 1 1 1.2 106 2 m 故 2.丝杠轴向拉伸压缩变形 2 根据 5 2 3 10 L 又因为mm250L 所以 5 2 250 3 107.5 m 3.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 根据 2 3 3 2 0.0024 a a P d Z 式中：轴承的滚动体直径，3.6mm a d 轴承的轴向载荷，378.5N a P 轴承的滚动体数，18 Z 所以 2 3 3 2 378.5 0.002411.9 3.6 18 m （） 4.滚珠丝杠副总变形 / 123 67.5 11.9 327 25.427.25 0.04 300 mm 符合要求 2.42.4 垂向进给系统的设计垂向进给系统的设计 2.4.1 滚珠丝杠设计 根据：(FkFfF 垂垂垂 +W ) 式中：考虑颠覆力矩影响的实际系数，kk1.1 垂向切削分力F垂 导轨的摩擦系数，ff0.15 刀头重量WW0.210G 可得：F垂0.43KN 滚珠丝杠的转速 取 60/nVfpVf/minmm 滚珠丝杠螺距=6mm 故10/nVfp/minr 取寿命时间，则寿命值则运转系数，15000T h 1 L 6 60/109nT1.2 w f 硬度系数则最大负载1.1 h f 3 1 1.181 wh QL f f FKN 垂 根据经验选取滚珠丝杠的型号：即内循环浮动式，双25617FDMLHT 螺母垫片预紧，公称直径为 25，螺距 6，采用左旋、一圈二列、T 型mmmm 7 级精度，其额定动负荷 12.8Q，其强度够用。KN 由于所选滚珠丝杠的螺旋升角，摩擦角 0 4 22 1 0 sin 2 f tg d 式中：导轨的摩擦系数，ff0.001 滚珠直径 3.969 0 dmm 滚珠与滚道的接触角 0 45 1 0 0.001 24.3 0.4 sin45 2 tg 则滚珠丝杠的传动效率： 00 /()4 22/(4 22 24.3)0.915tgtgtgtg91.5% 2.4.2 垂向步进电机的选用 1.确定步距角 取系统的脉冲当量，选用步距角0.01/ P mm脉冲 0 0.72 b 2.启动力矩 丝杠牵引力 S F1.414Ff W 当横 式中：当量摩擦系数，f当f当0.01 因 S F0.343=1.6 0.011.414+0.32=KN 该步进电动机等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电动MF负 机所作的与负载所做的功相等 即 则 MF L 负 /MF L 负 因，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量 L 为一 1 () S FFWF 负 个脉冲当量，这时电动机转过的角度，代入得0.001cm 0 2/360 b /MF L 负 0 1 360() /2 pSb FWF 00 3600.01 0.3430.18 0.20.32/20.720.6 cm 7 . 29N 式中：机床导轨摩擦系数取 0.8KNFF165 . 1 1 重 如果不考虑启动时的运动部惯性的影响，则启动力矩，取安/0.3 0.5 q M 全系数为， ，对于工作方式为四相八拍的步进电机0.3cm99 q NM 3.步进电动机的最高频率 取横向进给速度最大为，则步进电动机的最高频率为 max 1/minVm ，根据以上数据和经验范围选用 90BYG5502 型步进电 max 1000max/60p fV 1667HZ 动机较合适，该电动机步距角为，最大静转距为，最高空载启动 0.36 0.72 300/N Cm 频率为。2200Hz 第三章 结束语 通过本次对数控雕铣机的设计，使我了解了很多关于这方面的知识，机床数 控是一项综合性较强的工作，它的设计涉及机械、电气、计算机、伺服系统等诸 多技术，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有很多特点： 加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有 利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。 在机械制造领域，机床的数控技术具有非常重要的意义。随着科学技术的不 断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，产品的更新换代也 不断加快。因此，对数控机床的设计也就显得比较重要，数控机床的设计与改造 也成为工业发展的一个重要方面。数控机床，由于可以较好的解决形状复杂、精 密小批量多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，因此，数控机 床在世界各国得到了大力的发展，设计改造速度不断加快。 此次的设计任务为 CGM4300 小型数控雕铣床的设计，根据机械设计专业知识， 通过小组一起查阅资料，网上了解数控雕铣机的特点和研究方法，并在指导老师 的热心帮助完成了图纸的绘制和说明书的撰写。这次的毕业设计让我们回顾了一 下以前学过的基础知识并深化，使自己在专业知识有了很大的提高。 通过本次对数控雕铣机主传动的设计，有机会使自己所学的知识和实践相联 系，更加深刻体会了设计的快乐，也了解了自己诸多的不足，在老师的帮助以及 在如今强大的网络支持下