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含CAD高清图纸和说明书 XK52 数控 铣床 总体 设计 垂直 进给 系统 CAD 图纸 说明书

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毕业设计(论文)XK52数控铣床总体设计及垂直进给系统设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师年 月 日摘 要在数控机床系统中，加工精度和加工可靠性是伺服系统决定的，本文对普通铣床的数控化设计进行了分析和设计，通过对普通铣床的数控化设计，提高了普通铣床的加工能力和加工范围，节省了直接购买机床的部分资金，具有很好的经济效益。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IIIAbstractIn the system of the CNC machine tool, machining precision and reliability are servo system is determined, based on the transformation of milling machine is analyzed and designed, through the transformation of milling machine, improves the ordinary milling machine processing capacity and processing, saves the direct purchase of machine part of funds, has the very good economic benefit.Comprehensively elaborated numerical control milling machine structure design principle, characteristics, discusses the use of servo motor and ball screw nut pair advantages. Introduces the NC milling machine structure design and verification, and analysis. In addition to collect the related technology parameters.This paper emphasizes on the ball screw principle and selection principle, system of ball screw production, application etc were introduced. Including the type selection, parameter selection, precision, circulation mode selection, matched with the host machine and the selection principle of manufacturers.Key Words: milling machine, numerical control, servo motor, the ball screw目 录摘 要VAbstractVI目 录VII第1章 数控机床发展概述11.1数控机床及其特点11.2数控铣床的主要功能及加工对象11.3 数控机床的经济分析21.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题21.3.2 数控机床选购的策略31.4 数控机床的发展趋向4第2章 数控机床总体方案的制订及比较62.1 总体设计方案62.1.1机床的方案比较62.1.2实现的目标82.2 主传动的系统82.2.1机械部分的数控82.2.2电气部分的数控82.3进给系统92.3.1进给机构92.3.2 XK52的要求92.3.3导轨副的92.4 微机系统的硬件与软件设计102.4.1系统软件的设计102.4.2硬件系统设计102.2设计方案论证11第3章 确定切削用量及选择刀具133.1科学选择数控刀具133.1.1选择数控刀具的原则133.1.2选择数控铣削用刀具133.2 设置刀点和换刀点143.3.1确定主轴转速143.3.2确定进给速度153.3.3 确定背吃刀量15第4章 传动系统图的设计计算164.1 对数控铣床主传动系统简介164.2 对数控铣床主传动系统的要求164.3 主传动的类型及方案选择174.4计算切削功率184.4.1切削力的计算184.4.2切削功率的计算184.4.3主轴转速范围的确定194.5 计算主传动功率194.6 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定194.6.1 变速级数Z的确定204.6.2 电动机的功率的确定204.6.3 电动机参数214.6.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定21第5章 垂直（Z向）进给伺服传动设计（主要部装设计）235.1 对进给伺服系统的基本要求235.2 进给伺服系统的设计要求235.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析245.4 垂直进给伺服机构主要部分计算25结 论31致 谢32参考文献3336第1章 数控机床发展概述1.1数控机床及其特点数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。1.2数控铣床的主要功能及加工对象数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控铣床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、 固定循环功能等。特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。在使用数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加工许多普通铣床难加工的工件。数控铣床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。1、直线插补:数控铣床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下分为直线插补和空间直线插补等一些插补方式2、圆弧插补:这也是数控铣床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下可分为平面圆弧插补以及逼近圆弧插补等。3、固定循环:固定循环是指通过各种参数使用不同的加工要求，主要用于实现一些鱼油经典型的需要多次重复的工作，这样使用固定循环是可以有效的简化程序的编制。加工对象：1、平面零件加工 它的特点主要是表现在加工可以平行水平面，又可以出垂直于水平面，加工些简单的零件，在加工过程中加工面与数控刀具为面接触，粗，精加工都可以采用立铣刀或圆鼻刀2、曲面类零件加工它的特点是加工表面为空间曲面，在加工过程中，加工面与铣刀始终为接触点，表面精加工多采用球头铣刀进行。1.3 数控机床的经济分析近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。 由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性,以及品种型号、档次的多样性,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备, 成为中小型企业十分关心的问题。1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题 目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才,在数控机床选购中存在着盲目性、片面性,主要表现在以下几方面: 1.决策者对数控机床的认识有误区,部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益,忽略性价比,盲目追求进口、高档,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。2.机床选型混乱, 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品, 数控系统不统一, 购置后给操作、编程、维修带来困难。3.购置数控机床时只重视主机性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。4.对企业发展和产品变化预测不足, 所购设备的功能的发挥受到制约。 1.3.2 数控机床选购的策略 1.实用性。选购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。 (1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。 (2)数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能, 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外, 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基本功能比较便宜, 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中, 性能差别很大,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。 从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量, 合理地选择适合机床的可选功能,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC装置的投资往往占整机的30%50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC, 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 2.经济性。经济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下, 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的, 机床选得实用、经济, 可避免不必要的浪费, 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。 数控机床的设计使用寿命一般为7年, 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率, 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品, 已受到多数用户的青睐和肯定, 一般不会有太多的质量问题。 选购数控机床应考虑投资回报, 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价40万，三年后可能降至35万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。 3.稳定可靠性。数控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题, 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率, 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准(规定为500h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本FANUC、德国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全,服务队伍的素质是否能胜任工作,服务能否及时,是否能履行承诺等。1.4 数控机床的发展趋向数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。技术发展趋势：高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 五轴联动加工中心2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前 的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达 0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。第2章 数控机床总体方案的制订及比较2.1 总体设计方案2.1.1机床设计的方案比较方案1将XK52数控化设计后，使系统能够控制主轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动以及垂直方向的运动，控制冷却和润滑。通过键盘输入加工程序。XK52铣床数控化设计后是升降台式的。床身的上部内装主轴传动系统为主轴变速系统，这部分采用原机床的主轴传动系统即保留原机床的电动机等等，还有添加的变速箱。床身的底部是可作冷却液箱的底座，数控系统显示器及按键位于操作者的右边，便于调试、和操作观察。床身右侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统，床身左侧的电器箱内装有主控器和强电系统。显示器采用LED，用以显示输入的程序，机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。控制部分数控系统采用为两坐标CNC开环控制，由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用MCS51系列单片机组成微机控制系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作，适应能力较好，且功能强，速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能，自诊断功能，可进行自动加、减速，并具有备用电池，停电时可做存储已编程序的电极。采用CNC51微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出脉冲信号，经光电隔离电路，功率放大再传给步进电机，步进电动机驱动滚珠丝杠转动，从而实现X、Y 两个方向的进给运动，加工零件。总体设计如图2-1所示：信号分配及放大电路步进电动机工作台（X轴）信号分配及放大电路步进电动机工作台（Y轴）图2-1 无反馈控制电路放案2将XK52数控化设计后，使系统能够控制主轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动以及垂直方向的运动，控制冷却和润滑。通过键盘输入加工程序。XK52铣床数控化设计后是升降台式的。如果床身的下部内装主轴传动系统为主轴变速系统，这部分采用原机床的主轴传动系统即保留原机床的电动机等等，还有添加的齿轮变速箱。如果床身的上部是可作冷却液箱的底座，数控系统显示器及按键位于操作者的左边。床身左侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统，床身左侧的电器箱内装有主控器和强电系统。显示器采用LED，用以显示输入的程序，机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。假如数控系统采用为两坐标闭环或者半闭环控制，那么必须要有电路反馈信息，反馈位移或角位移的电路，这样可以有更加精确的加工路线，更加便于操作者了解机床的行经过程。仍由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用MCS-51系列单片机组成微机控制系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作，适应能力较好，且功能强，速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能，自诊断功能，可进行自动加、减速，并具有备用电池，停电时可做存储已编程序的电极。采用mcs-51微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出脉冲信号，经光电隔离电路，功率放大再传给步进电机，步进电动机驱动滚珠丝杠转动，从而实现X、Y 两个方向的进给运动，加工零件。如图2-2所示图2-2 有反馈控制电路方案的取舍：比较两者的设计方案，方案1的布置比较合理，完全按照机床的正常布置而设计，没有其他什么多余的功能，是经过了市场调查后而进行的，依照原XK52机床的特点，适当的进行了数控设计，比较符合大多数工厂的生产需要，可以说适应性还是比较强的，也很符合当前社会市场上竞争的需求。虽然没有位移的反馈信息电路，加工精度也不如方案2高，但是却可以节约资金，在很多加工要求不必太高，不需要反馈信息进行控制的电路时，也是能够达到精度要求的，所以在本设计中无须反馈电路，即采用开环系统。在很多的小工厂里也是可以进行这种数控设计，其范围广。并且对CNC和NC控制作比较，CNC的功能比NC强大许多，在现在软件发展如此之快的情况下，CNC已经完全取代了NC，采取CNC不但经济，而且功能又符合XK52机床的数控设计。综合上诉，在本设计中，方案1-1是可行的方案。2.1.2实现的目标在论文中主要讨论在对XK52立式铣床进行数控化设计。XK52铣床是铣削键槽、平面及铣孔的通用机床，它没有准确可靠的定位装置，铣孔与铣键槽的位置精度一般靠模板的精度和人工划线的精度来保证，故其加工精度低于数控机床。由于普通铣床的柔性差，不能满足市场对形状复杂、精度高、小批量、多品种零件需求。而数控化设计后系统采用步进电机为驱动执行元件的开环系统，并且采用CNC数控系统控制X、Y工作台，即采用以mcs-51单片机为控制系统，实现两坐标联动设计,使得设计后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，且加工精度高、效率高，满足市场的需求，且价格较廉，增加了市场的竞争力。2.2 主传动的系统设计2.2.1机械部分的数控化设计数控机床机械结构的主要特点： 结构简单，操作方便，自动化程度高； 广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品； 具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件； 对机械结构、零部件的要求高。主传动系统不变，还是采用原有的电动机（7.5KW）。进给系统采用滚动丝杠副螺母副代替原有丝杠副，以提高机床运行精度和传动效率。考虑到设计的目标及成本的原因，决定XK52铣床的主轴支承仍采用滚动轴承支承，导轨仍使用动压导轨。2.2.2电气部分的数控化设计由于是将XK52铣床设计成为经济型的开环控制的数控铣床，机床加工的零件多属中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流电机就能够满足加工要求。因此其主传动系统的电气部分仍采用其原来配置的7.5KW的交流电动机驱动。2.3进给系统的设计2.3.1进给机构的设计 考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈电路，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本铣床的X，Y，Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机一级减速齿轮滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。本设计选用步进电机的型号为110BF004，步进电机步距角选用，扭距是4.61Nm，电机脉冲当量：。2.3.2 XK52的设计要求进给伺服系统设计后性能的好坏将直接影响到整个系统的性能的好坏。也因此对进给伺服系统提出了设计设计要求：提高传动部件的刚度，减小传动部件的惯量；减小传动部件的间隙，并减小系统的摩擦阻力；高精度 就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。稳定性好 指系统在给定输入或受外界干扰作用下，能在短暂的调节后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。快速响应，无超调 它是衡量伺服系统动态品质的重要指标，反映了系统的跟踪精度。低速大转矩 机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。调速范围宽 指机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于加工用刀具、被加工材质及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。2.3.3导轨副的设计XK52 铣床采用的是铸铁-淬火钢滑动导轨，动、静摩擦系数相差较大，低速易出现爬行，平稳性和定位精度较低，能量损失大。在数控设计中可采用在原导轨上粘贴聚四乙炔软带涂层的方法，以减小摩擦系数，增加耐磨性，且具有良好的自润滑性和抗震性，该方法实现易、费用低。2.4 微机系统的硬件与软件设计控制系统设计的总体考虑：确定功能指标；明确硬、软件分工；重视接口设计；认真选择微机。2.4.1系统软件的设计本系统采用8031单片机对步进电机进行控制，使机床移动部件沿X、Y坐标方向移动，实现刀具与工件的相对运动，完成零件加工。软件系统由初始化模块、键盘处理模块、LED显示模块、输入输出处理模块等组成。其中步进电机控制程序由软件实现脉冲分配（由单片机实现环形分配），通过改变相应端口的状态完成控制过程。2.4.2硬件系统设计本系统采用MCS-51系列单片机芯片8031为控制器，1片8kb的eprom2764作为程序存储器扩展芯片；数据存储器扩展芯片用1片8kb的ram6264；而选用1片可编程并行接口芯片8255作为系统扩展的口，对、轴步进电机及主轴进行控制,通过键盘的命令可使X、Y 工作台联动，并可以灵活地输入切削程序和数据。用片做为机床开关、刀架控制信号及主轴编码器反馈信号口用；1片8279作为键盘显示器接口，识别键盘按键信号，对显示器自动扫描，完成键盘输入和led显示控制功能；采用74ls138做为统一地址译码器寻址，并用74ls343为地址锁存器，并由8031对各步进电机脉冲信号进行环形分配，如图1-3所示。 图2-3 数控系统硬件结构框图为避免强电干扰可采用光电耦合电路(GO102)进行光电隔离。因为8255输出的信号功率很小，故用功率放大器对输出的脉冲信号放大，以驱动步进电机工作。2.2设计方案论证机床的数控设计，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控铣床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有相似之处。然而，现代的数控机床不是简单将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足，抗震性差，热变形大，滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度，表面质量，生产率以及使用寿命等要求。现代机床的部件结构，整体布局，外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此，我们在对数控机床进行数控设计的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能的 与数控机床相接近。机床的设计主要应具备两个条件1.机床基础件必须有足够的刚度2.改装的费用要合适，经济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定，改装后其各项指标能达到数控加工的要求。将一台XK52铣床改装成微机数控铣床，要求原机床的改动尽量少，以降低成本，提高性价比。根据这个要求保留原机床的主轴旋转运动以及纵横向进给的机动部分，设计后的数控铣床要求结构简单、经济实用、易于推广普及。因此采用步进电机为饲服元件，用来驱动纵横向工作台的进给运动。拆除机床上原有的纵横向丝杠螺母元件，改用步进电机和减速齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。并选择合适的数控系统，使其扩大加工范围，适用于现阶段我国的中小型机械加工企业。机械部分数控化设计需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。1伺服驱动元件进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横垂直进给电机均选用同一型号以便于设计和日后维修。脉冲当量t=0.01mm/脉冲，选用步距角=0.6 。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。2机床导轨的选择由于原机床采用滑动导轨，在低速时容易发生“爬行”现象，直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。3进给传动系统数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。滚珠丝杠螺母副安装时需要预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。即通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单，轴向刚度好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好如图2-1。为消除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，传动元件连接采用无键锥环连接。图2-1 滚珠丝杆的结构第3章 确定切削用量及选择刀具3.1科学选择数控刀具3.1.1选择数控刀具的原则刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定. 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时 间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时 间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度 来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整 方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。3.1.2选择数控铣削用刀具在数控加工中，铣削平面零件内外轮廓 及铣削平面常用平底立铣刀，该刀具有关参数的经验数据如下:一是铣刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度H(1/4-1/6)RD,以保证刀具有足够的刚度。三是用平底立铣刀铣削内槽底部时，由于槽底两次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作用的半径Re=R-r,，即直径为d=2Re=2(R-r)，编程时取刀具半径为Re=0.95(Rr)。对于一些立体型面和变斜 角轮廓外形的加工，常用球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。 目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，对可转 位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号对于加工中心及有自动换刀装置的机床，刀具的刀柄都已有系列化和标准化的规定，如锥柄刀 具系统的标准代号为TSG-JT，直柄刀具系统的标准代号为DSG-JZ,此外，对所选择的刀具，在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得精确数据， 并由操作者将这些数据输入数据系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。3.2 设置刀点和换刀点刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢?所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工 件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则 是:便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工过程中便于检查;引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提 高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀位点”与“对 刀点”的重合。所谓“刀位点”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。平底立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点;球头铣刀是球头的球心， 钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中 需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。3.3 确定切削用量数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要 选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是:保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限 度提高生产率，降低成本。3.3.1确定主轴转速主轴转速应根据允许的切 削速度和工件(或刀具)直径来选择。其计算公式为:n=1000v/71D式中:v切削速度，单位为m/m动，由刀具的耐用度决定;n一一主轴转速，单 位为r/min,D工件直径或刀具直径，单位为mm。计算的主轴转速n，最后要选取机床有的或较接近的转速。3.3.2确定进给速度进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的 性能限制。确定进给速度的原则:当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100一200mm/min范围内选取; 在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20一50mm/min范围内选取;当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选 小些，一般在20-50mm/min范围内选取;刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。3.3.3 确定背吃刀量背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保 证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和机床动力性能(功率、扭矩)，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。 第4章 传动系统图设计4.1 参数的拟定XK52数控立式铣床设计参数1、主轴转速：30-1500转/分 2、工作台尺寸(长宽)： 1250mm320mm 3、工作台最大行程： 纵向 700mm 横向 255mm 垂直 370mm 4、快速移动速度： 15m/min5、工作台定位精度 x、y、z 0.03mm；工作台重复定位精度 x、y、z 0.02mm；6、纵向、横向及垂直进给为微机控制，采用步进电机或伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，脉冲当量0.010mm/脉冲。7、实现功能：铣削平面、斜面、沟槽、齿轮等。8、操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止XK52数控立式铣床选定公比，确定各级传送机床常用的公比 为1.26或1.41，考虑适当减少相对速度损失，这里取公比为 =1.26，根据给出的条件：主运动部分Z=18级，根据标准数列表，确定各级转速为：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.4.2 传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，各传动组分别有. .个传动副，即Z=。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=x因此，这里18=3x3x2，共需三个变速组。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：3x3x2，或3x2x3。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。I轴如果安置制动的电磁离和器时，为减少轴向尺寸。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=3x3x2方案。3，传动系统的扩大顺序安排 对于18=3x3x2的传动，有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=xx的传动中，扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而，18=xx的传动顺序不一致，根据“前密后疏”的原则，选择18=xx的结构式。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=/因此，可按下表，确定传动方案：根据传动比及指数 x, 的值公比极限值传动比指数1.26x值: =1/=1/46值: =23（x+）值：=89因此，可选择18=xx的传动方案。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=*最后扩大传动组的变速范围为：r=按原则，导出系统的最大收效Z和变速范围为： 231.26Z=18R=50Z=12R=12.7因此，传动方案18=3*3*2符合上述条件，其结构网如下图4.1：图4.1 结构网图4.3 转速图拟定XK52数控立式铣床运动参数确定后，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。（2）电机的转速异步电动机的转速有：3000，1500，1000，750，r/min,这取决于电动机的极对数P=60f/p=60x50/p ( r/min)机床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 两种，选用是要使电机转速与主轴最高速度和工轴转速相近为宜，以免采用过大或过小的降速传动。根据以上要求，我们选择功率为7.5KW，转速为1500r/min的电机，查表，其型号为Y132M-4，其主要性能如下表电机型号额定功率KW 荷载转速r/min同步转速r/minY132M-47.5KW144015002、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/min左右较合适。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, m从而可使结构紧凑。但这样引起空载功率和噪音加大：=1/(3.5+cn)KW式中：C系数，两支承滚动轴承和滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；所有中间轴轴径的平均值；主轴前后轴径的平均值中间传动轴的转速之和n主轴转速（r/min）=20lg-K式中：（所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm;主轴上齿轮分度圆直径的平均值mm;q传到主轴上所经过的齿轮对数主轴齿轮螺旋角,K系数，根据机床类型及制造水平选取，我国中型车床，铣床=3.5，铣床K=50.5 从上述经验公式可知，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vS,丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临街转速。要求丝杠的最大转速。 临街转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求 5）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T()共同作用下引起每个导程的变形量(m)为： 式中:A丝杠截面积,；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢；T为转矩。 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；卫平均工作载荷 按最不利的情况取（其中） 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的满足上式，所以其刚度可以满足要求。 6）效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。 经上述计算验算，FC1-4010-2.5各项性能均符合题目要求，所以合格。7) 转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠的转动惯量齿轮的转动惯量电动机转动惯量很少，可以忽略因此，总的转动惯量 =14.6874所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩 式中 -空载启动时折算到电机轴