毕业设计（论文）-小型5轴联动数控铣床设计（全套图纸）.doc

I 摘要摘要 小型五轴联动数控铣床是目前铣床精密化的趋势，在国外各种病理切片机的设计以 及应用就说明了这一点，在医学上的应用尤为显著。小型五轴联动数控铣床朝着高精 度、高效率逐渐发展，这就是我们现代生产的需要，所以我将结合实际情况完成本次 的毕业设计。 本次设计主要是小型五轴联动数控铣床设计，设计的主要方面就是小型五轴联动 数控铣床的总体设计、主传动部分设计、进给部分设计以及一些辅助装置、夹紧装置、 检测装置等的设计。设计主要围绕精密和微小铣床设计，所有零件都必须满足精度要 求，要达到所要求的精度就必须对各个方面、零件还有加工方法进行计算、研究，最 后挑选出最合理的方案。 设计中计算、选型的零件主要有主轴的设计、轴承的选型、刀具设计选型、电动 机的选型、丝杠、导轨、联轴器、工作台等一些部件。在设计中由于我们的主轴转速 达到 5000r/min 的高速，而切削材料是硬度极低的胶，不仅如此，材料厚度仅有 5mm 切削余量只有 2，因此有些方面要考虑的较多，尤其是材料也是很特殊的。 设计的主要内容大致如上面所述，具体设计方面下面将进行详细介绍。 关键词： 精密 铣床 数控 精度 高速 全套图纸加全套图纸加 153893706153893706 II Abstract Micro and small precision milling machine is closely the trend of precision milling machines, in various foreign countries pathological section of the design and application illustrates this point in the medical application is particularly significant. Micro-precision milling machines in the high precision and high efficiency of progressive development, and this is our modern production needs, so I will be completed in light of the realities of this situation to be also the design of graduate. The design is mainly micro-precision milling machine design, design the main aspects of micro-precision milling machine is the overall design, the main transmission part design, part design, and feed some of assistive devices, clamping devices, detection devices, such as the design. Design focus on sophisticated design and small milling machine, all parts must meet the requirements of precision, to reach the required accuracy must be on all aspects, there are parts processing methods, research, the final selection of the most reasonable option. Design, selection of the main components of the spindle design, bearing the selection, design tool selection, motor selection, screw, rails, coupling, workstations and other components. As we in the design of the spindle speed to 5000 r / min high-speed, and cutting material is very low hardness of plastic, not only this, the thickness of only 5 mm cutting cushion only 2, so in some aspects to consider more, especially The material is also very special. Design of the main elements of the lines described above, the specific design will be detailed below. III Key words: micro and small precision high-speed precision CNC milling machine 目录目录 摘要摘要 .I ABSTRACTABSTRACT .II 前 言 .1 1小型 5 轴联动数控铣床概论 .2 1.1 数控铣床的产生与发展.2 1.2 数控铣床的组成.2 1.3 数控铣床的工作原理.3 1.4 数控铣床的发展趋势.4 1.5 数控铣床的应用.7 1.5.1 平面类零件的加工.7 1.5.2 曲面类零件的加工.7 2 小型 5 轴联动数控铣床总体方案设计 .8 2.1 数控铣床工作方式的选择.8 2.2 主要直线传动元件的选择.8 2.3 总体说明.8 2.4 设计参数确定.9 3 小型 5 轴联动数控铣床主传动系统设计 .10 3.1 刀具的选择.10 3.2 电动机的选择.11 3.3 轴的选择.11 3.3.1 强度.11 3.3.2 扭转刚度.12 3.4 轴承的选择计算.12 3.4.1 轴承的选择.12 3.4.2 轴承的校核.14 3.5 联轴器的选择.16 3.6 刀具的夹紧装置.17 4 小型 5 轴联动数控铣床进给传动系统设计 .18 4.1 滚珠丝杠螺母副.18 4.1.1 滚珠丝杠螺母副及工作原理.18 4.1.2 滚珠的循环方式.19 4.1.3 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整.19 4.1.4 滚珠丝杠螺母副的防护.19 4.1.5 滚珠丝杠的选择及校核.21 4.1.6 滚珠丝杠支承选择.26 4.2 微小型精密铣床的导轨设计.26 4.2.1 对精密数控铣床导轨的要求.26 4.2.2 导轨的分类及简介.27 4.2.3 导轨的参数及型号选则.28 4.2.4 导轨校核.30 4.3 联轴器的选择.31 4.3.1 联轴器简介及选择原则.31 4.3.2 联轴器的选择步骤.31 4.4 双坐标工作台.33 4.4.1 数控精密控工作台的选型与使用说明.33 4.4.2 数控双坐标工作台产品特点.33 4.4.3 精密工作台的选择.34 4.4.4 数控精密工作台调试及维护.35 5 伺服进给系统 .36 5.1 伺服进给系统概述.36 5.1.1 伺服进给系统组成.36 5.1.2 伺服进给系统的基本要求.36 5.2 步进电机.37 5.3 步进电机工作原理.37 5.4 步进电机的结构.38 5.5 步进电机的选用及校核.38 5.5.1 最大切削负载转矩及负载惯量的计算：.38 5.5.2 步进电机型号的选择.39 6 工件的夹紧装置 .41 6.1 吸附装置简介.41 6.2 真空泵吸附物体问题.41 6.3 真空泵选型.42 6.4 硅胶管的选择.44 6.4.1 硅胶管简介.44 6.4.2 硅胶管类型.45 7 小型 5 轴联动数控铣床的辅助装置 .45 7.1 冷却装置.46 7.2 润滑系统.47 7.3 数控铣床排屑装置.48 8 小型 5 轴联动数控铣床位置检测装置 .48 8.1 位置检测装置的要求与类型.48 8.1.1 位置检测装置的要求.48 8.1.2 位置检测装置的分类.49 8.2 光电脉冲编码器.50 9 小型 5 轴联动数控铣床铣床控制部分简介 .53 9.1 设计思想.53 9.2 设计原则.53 结束语 .54 致谢 .55 参考文献.56 1 前前 言言 在大学生涯即将结束的日子，我们进行了为期约两个月的毕业设计，毕业设计是对大学四年所 学到的基础知识和专业课所学的知识的一个系统的总结与综合运用，同时也是培养分析问题和解决 问题能力的很好的一次机会，而且毕业设计也是大学教学的最后一个环节，因此认真切实的搞好毕 业设计不仅意味着我们能否顺利毕业而且对今后走上工作岗位后的工作能否很出色的完成同样是有 重要意义的。另外，毕业设计还可以培养独立思考，开发思维和协调工作的能力，对今后大学毕业 以后能否尽快地适应社会有很大的帮助。 通过这一环节的训练：提高了以下能力： 1、综合运用所学知识和技能，独立分析和解决实际问题的能力； 2、熟练运用基本技能，包括绘图、计算机运用、翻译、查阅文献等等的能力；实验研究的能 力；技术经济分析和组织的能力；撰写科技论文和技术报告，正确运用国家标准和技术语言阐述理 论和技术的能力； 3、搜集加工各种信息的能力；获取新知识的能力； 4、创新意识和严肃认真的科学作风 。 本次毕业设计的课题是小型 5 轴联动数控铣床机械部分的设计。此机床具有很好的加工精度， 能过达到很好的加工质量，为了更好地完成本次毕业设计，从 4 月到现在，就不间断地结合自己的 毕业设计寻找资料和合理的方法。根据所选课题，我上网查询了类似于此次设计的病理切片机，重 点了解了数控铣床的基本结构和基本工作原理。从而对数控铣床有了一个更直接、感性的认识，对 本次毕业设计有很大帮助。 此次设计主要内容有：问题的提出、方案的构思，可行性设计，结构设计的探索和解决方案的 初步设计，装配图、零件图等一系列图纸的设计与绘制，最后包括毕业设计说明书的完成。这次设 计是在杨卫平老师的带领和指导下完成的。在搞设计的期间，自己遇到了很多的困难，这就要求自 己多向老师请教，这样必定会给老师带来很多麻烦，影响老师的工作，但是明老师每天都坚持辅导 好几次，一步步指导并将毕业设计进行下去。毕业设计的阶段和过程老师都给做了明确的计划，这 就有计划有安排的完成，而不至于在整个设计过程中没有明确的目标，可能使设计过程会很盲目。 设计每进行一步老师都要认真地检查，耐心细致的指出设计中出现的错误和不当的地方。 因我实际工作经验的缺乏，以及各方面知识能力的不足，在此次设计中难免有不足和错误之处， 希望各位老师可以给予批评指正，我将虚心接受并牢牢铭记，我真诚祝愿各位老师工作顺利！身体 健康！生活幸福！ 2 1小型 5 轴联动数控铣床概论 科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，产品更新速度越来越 快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明 显增加，对数控加工技术提出了更高的要求。超高速切削、超精密加工等技术的应用， 对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标。 FMS 的迅速发展和 CIMS 的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能 和自适用控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的 性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大。 小型 5 轴联动数控铣床概论就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加 工的高精度零件。五轴联动数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展 起来的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者 都离不开铣削方式。由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的问题也最多，因此，目前 人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件时，也一直把铣削加工作为重点。 1.1 数控铣床的产生与发展 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需求频繁改型， 特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。 加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专业化程度高的自动化机床已不 能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床数控铣床应运而生。这种 新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应 用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成 果，是今后数控铣床的发展方向。 1.2 数控铣床的组成 数控铣床与一般的数控机床一样，是由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本 体组成。图 1-1 实线所示为开环控制的数控铣床框图。 3 图 1-1 数控铣床的组成 为了提高机床的加工精度，在上述系统中再加入一个测量装置，这样就构成了闭 环控制的数控机床框图。开环控制系统的工作是这样的：将控制机床工作台运动的位 移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数 控装置根据这些参量指令计算得出进给脉冲序列，然后经伺服系统转换放大，最后控 制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。若为闭环系统，则在输入指令的 同时，反馈检测工作台的实际位移值，反馈量与输入量在数控装置中进行比较，若有 差值，说明二者间有误差，则数控装置控制机床向着消除误差的方向移动。 1.3 数控铣床的工作原理 数控铣床工作前，要预先根据被加工零件的要求，确定零件加工工艺过程、工艺 参数，并按一定的规则形成数控系统能理解的数控加工程序。即将被加工零件的几何 信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编制成数控加工程序。然后用适当的方 式将此加工程序输入到数控铣床的数控装置中。此时，即可启动机床运行数控加工程 序。在运行数控加工程序的过程中，数控装置会根据数控加工程序的内容，发出各种 控制指令，如启动主轴电机、打开冷却液，并进行刀具轨迹计算，同时向特殊的执行 单元发出数字位移脉冲并进行进给速度控制，正常情况下可知道程序运行结束，零件 加工完毕为止。具体而言，数控铣床的工作过程，即加工零件的过程。 (1)根据被加工零件图中所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，制定工件 加工的工艺过程，刀具相对工件的运动轨迹、切削参数及辅助动作顺序等，进行零件 加工的程序设计。 (2)用规定的代码和程序格式编写零件加工程序单。 4 (3)按照程序单上的代码制作控制介质。 (4)通过输入装置把加工程序输入给数控装置。 (5)启动机床后，数控装置根据输入的信息进行一系列的运算和看控制处理，将结 果以脉冲形式送往机床的伺服系统。 (6)伺服系统驱动机床的运动部件，使机床按程序预定的轨迹运动，从而加工出合 格的零件。 1.4 数控铣床的发展趋势 随着科学的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越 来越强烈。中、小批量生产的比例明显增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、 复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为满足制造业向更高层次发展， 为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数 控机床向更水平发展。当前，数控机床技术呈现如下发展趋势。 （1）高精度化 现代科学技术与生产的发展，对机械加工与测量提出了越来越高的要求。加工精 密化不只是由于发展高、新技术的需要，也是为提高普通机电产品的性能质量、寿命 和可靠性的需要，同时还是为了减少机械产品装配时的修配工作，提高装配效率的需 要。故提高机床的加工精度是现代数控技术的发展方向之一。其精度已从微米级到亚 微米级，乃至纳米级（10mm） 。提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统 的误差和采用机床误差补偿技术来实现。近十几年来，普通级数控机床的加工精度已 由10m 提高到5m，精密级加工中心的加工精度则从（11.5）m。 （2）运动高速化 高速是高效的基础，是提高生产率，首先就得提高切削速度。这正是机床技术发 展追求的基本目标之一。而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切削速度、 进给速度、减少辅助时间。目前铣削的切削速度已达到 50008000m/min 以上，主轴 转速达到 30000100000r/min；工作台移动速度，当分辨率为 1m 时，在 100 200m/min 以上。自动换刀速度在 1s 以内，小线段插补进给速度达到 12m/min。 （3）高柔性化 实践证明，采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率、缩短生产和供 货周期、并能对市场变化需求作出快速响应和提高竞争能力的有效手段。 柔性是指机床适应加工对象变化的能力。传统的自动化设备，由于采用机械或刚 5 性连接和控制，当被加工对象变换时，调整很困难，甚至是不可能的，有时只得全部 更新或更换。数控机床地出现，开创了柔性自动化加工的新纪元，对满足加工对象变 换有很强的适应能力。而且，在提高单击柔性化的同时，正努力向单元柔性化和系统 柔性化方向发展。 （4）高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，包括 物料流和信息流的自动化。 （5）高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其 高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，还要取决于可靠性。 数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式 集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控 制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化、通用化和系列化，使 得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在 线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故 障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障。利用容错技术，对重要部件采用“冗 余”设计，以实现故障自恢复。利用各种测试、监控技术，自动进行相应的保护。 （6）智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产的柔性化、自 动化发展的需要，智能化正成为数控设备包括数控机床研究及发展的热点，目前采用 的主要技术手段有以下几个方面。 自适应控制技术 自适应控制可根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使 加工过程中保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时 也能提高刀具的使用寿命和设备的生产率，达到改进系统运行状态的目的。可通过监 控切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，向制造系 统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节。 专家系统设计 将专家的经验和切削加工一般规律与特殊规律存入计算机中， 以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削 参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而提高编程效率和降低对操 作人员的技术要求，缩短生产准备时间。 6 故障诊断技术 系统随时对 CNC 系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断 和检查。出现故障立即采取停机等措施，进行故障报警，提示发生故障的部位、原因 等，并利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工 厂工作的环境的要求。 模式识别技术 应用图像识别声控技术，使自己辨认图样，按照自然语音命令 进行加工。 （7）复合化 复合化包括工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已经模糊了粗、精加工工 序的概念。加工中心的出现，又把车、铣、镗等工序集中到一台机床来完成，打破了 传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备的利用率。为了进一 步提高工效，数控机床又采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位 进行不同方式的切削加工。 （8）网络化 为了适应 FMC、FMS 以及进一步联网组成 CIMS 的要求，先进的 CNC 系统为用户提 供了强大的联网能力，除有 RS232 串行接口、RS422 等接口外，还带有远程缓冲功 能的 DNC 接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控 制。数控机床为了适应自动化技术进一步发展和工厂自动化规模越来越大的要求，满 足不同厂家、不同类型数控机床联网的需要，已配备有与工业局域网（LAN）通信功能 及 MAP（Manufacturing Automation Protocol，制造自动化协议）接口，为数控机床 进入 FMS 及 CIMS 创造了条件，促进了系统集成化和信息综合化，使远程操作和监控、 遥控及远程故障诊断成为可能，不仅利于数控系统生产厂对其产品的监控和维修，也 适用于大规模现代化生产的无人化车间，实行网络管理，还适用于在操作人员不易到 现场的环境中工作。 （9）开放式体系结构 20 世纪 90 年代以后，计算机技术的飞速发展推动数控机床技术更快的更新换代， 世界上许多数控系统生产厂家利用 PC 机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新 一代数控系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术， 实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。使新一代数控系统的硬件、软件和总线规 范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可以利用，不仅使数控使数控系统制 造商和用户进行系统集成得到有利的支持，而且也为用户的二次开发带来了极大的方 7 便，促进了数控系统多档次、多品种地开发和广泛应用。既可通过升挡或裁剪构成各 种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期 大大缩短。这种数控系统可随 CPU 升级而升级，结构上不必变动。使数控系统有更好 的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。许多国家纷纷研 究开发这种系统，如美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站/机 床控制器体系结构” NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的 OSEC 计划等。开发研 究成果已得到了应用，如 Cincinnati-Milacron 公司就从 1995 年开始在其生产的加工 中心、数控铣床、数控车床等产品中采取了开放式体系结构的 A2100 系统。 1.5 数控铣床的应用 数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件，还可以加工复杂型面的零件，如 凸轮、样板、模具、螺旋槽等。同时也可以对零件进行钻、扩、铰和镗孔的加工，但 因数控铣床不具备自动换刀功能，所以不能完成复杂孔的加工要求。 1.5.1 平面类零件的加工 目前，数控铣床上加工的绝大部分零件是平面零件，这类零件的特点是各个加工 表面是平面或者是可以展开为平面. 平面类零件的加工，可以在三坐标数控铣床上，用两轴坐标联动来完成。其中， 斜平面加工可分别采用以下方法。 (1) 加工面与水平面成定角的斜平面 a 将斜平面垫平后加工 b 将主轴转过适当定角后加工 c 采用专用角度成型铣刀加工 (2)加工面与水平面夹角连续变化的斜平面可利用数控铣床的摆角加工功能进行加 工 1.5.2 曲面类零件的加工 加工面为空间曲面的零件称为曲面零件。这类零件的特点是其加工面不仅不能展 开为平面，而且它的加工面与铣刀始终是点接触。加工中常用球铣刀。常用的加工方 法如下。 （1）在三坐标数控铣床上，用两轴半坐标联动加工曲面，这种加工方法用于较简 单的空间曲面加工。 8 （2）在三坐标或多坐标数控铣床上，用三轴坐标联动或多轴坐标联动加工曲面。 这种加工方法适用于发动机、模具、螺旋桨等复杂空间曲面的加工。 此次我们设计的铣床主要用于铣削工件表面很薄的一层胶，需要很高的加工精度， 因此我们设计数控铣床。 2 小型 5 轴联动数控铣床总体方案设计 2.1 数控铣床工作方式的选择 运动方式一般有两种： (1)刀具既转动又进行三个方向的运动; (2)刀具只进行转动和垂直方向的上下运动，而工作台进行 X、Y 方向上的运动和 转动。 此次设计中，我们选择第二种方案。因为若选择方案一，则会因为三个方向的运 动部件都集中在垂直升降机构上，容易造成整个机构重心过高，如果机构底座质量不 足以承受铣削过程中产生的振动，那就会影响铣削的效果。而这样会造成整个机构体 积过于庞大，不利于安装、搬运和维护。 2.2 主要直线传动元件的选择 有两种：（1