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机械毕业设计全套
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JXSW01-051@焊接板件铣边机的设计,机械毕业设计全套
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湘潭 大学 兴湘 学院 毕业论文（设计）工作中期检查表 系 工程 系 专业 机械设计制造及其自动化 班级 机一 姓 名 张永辉 学 号 2006182907 指导教师 朱石沙 指导教师职称 教授 题目名称 焊接板件铣边机的设计 题目来源 科研 企业 其它 课题名称 焊接板件铣边机的设计 题目性质 工程设计 理论研究 科学实验 软件开发 综合应用 其它 资 料情况 1、选题是否有变化 有 否 2、设计任务书 有 否 3、 文献综述是否完成 完成 未完成 4、外文翻译 完成 未完成 由 学 生 填 写 目前研究设计到何阶段、进度状况： 初步确定了 焊接板件铣边机的设计方案；以及对相关零部件的参数计算，运用 Solid Edge 画图 ；最后对图形及说明书的整理； 由 老 师 填 写 工作进度预测（按照任务书中时间计划） 提前完成 按计划完成 拖后完成 无法完成 工作态度（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）： 认真 较认真 一般 不认真 质量评价（学生前期已完成的工作的质量情况） 优 良 中 差 指导教师（签名）： 年 月 日 建议检查结果 ： 通过 限期整改 缓答辩 系意见： 签名： 年 月 日 注： 1、该表由指导教师 和学生 填写。 2、此表作为附件装入毕业设计（论文）资料袋存档。 nts 湘 潭 大 学 兴湘 学院 本科毕业设计 开题报告 题 目 焊接板件铣边机的设计 姓 名 张永辉 学号 2006182907 专 业 机械设计制造及其自动化 班级 机械一班 指导教师 朱石砂 职称 教授 填写时间 2010 年 3 月 23 日 2009 年 3 月 nts本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 张永辉 学 号 2006182907 专 业 机械设计制造及其自 动化 指导教师 朱石砂 职 称 教授 所在系 工程系 课题来源 D 课 题性质 A 课题名称 焊接板件铣边机的设计 一、选题的依据 、 课题的意义 及国内外基本研究情况 选题的依据及其意义 从改革开放以来，我国的工业逐渐与世界接轨，特别是我国的工程机械行业遍布全世界。工业产品的生产效率是一个企业非常关注的问题。加工工艺的需要，产品的美观及质量的保证，几乎所有的焊接板材都需要铣边。 近几年来，我国对数控机床需求急剧增加， 2000 年至 2005 年，我国数控金切机床产量从 14053 台跃至 59639台，年增长率为 33.5。我国金切机床产值数控化率从 1996 年的 11.6提高到2005 年的 47.3。这表明我国的数控机床行业有了极大的发展 。 因此 ： 绝大部分的机械零件必须经过切削加工实现，切削加工在机械制造中占用十分重要的地位。经济全球化使制造国际化，竞争也越来越激烈。如何提高效益、降低成本、加快产品开发周期成为每一个面对市场竞争的企业的迫切愿望。高速切削加工所具有的明显优势， 为此该课题应用而生。 国内外基本研究情况 在国际上，自 50 年代以来，美国对数控方面有了进一步的研究，开发了第一台数控铣床。随后日本等几个发达国家相继开发了高速度、高精度的数控铣床，对这方面的开发处于世界领先水平。而我国 对这方面的技术还处在落后的状态， 进年来， 我国数控机床进口额连年激增，从 2001 年的 24.1 亿美 元 增至 2005 年的 64.95亿美 元 ，国有数控机床的市场占有率却呈现出逐年下滑的趋势，尤其是高速、高精度多轴机床，几乎完全依赖进口 1。这些数据可以看出我国的机床制造业尤其是高端加工中心落后于发达国家。因此，国家在 “ 十五 ” 、 “ 十一五 ” 规划中都把以数控机床为核心的装备制造作为重大专 nts二、 研究内容 、 预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施 研究内容 通过对 铣边机工作原理 的分析，发 现了影响工 作效率的因素并提出了基于以PLC 控制铣边机工作 的措施。分析 不同数控铣床的工作原理上的差异， 提出了适合于本装置 的控制系统并针对一台焊接板件铣边机的设计 。 预计达到的目标 焊接板件铣边机是一种专用组合机床，可以说它是龙门铣床的一种变形，在现代工业领域中，焊接板件的大量使用，迫使人们需求一种高效率的加工方法，焊接板件铣边机正是在这种需求之下生长起来的，并且在不断的改进，不断的发展。原有的焊接板件铣边机存在以下几个方面的问题，首先，它只能加工出单一角度的坡口板件；其次，不能加工不同厚度的焊接板件，即使改进的可以， 但是也需要费很大的周折，才能够实现。现在就前面提到的问题，作出了一些修补，对焊接板件铣边机作了以下改进，在解决只能加工单一角度的问题上，提出了一个新的思想，采用调角机构来实现多角度的加工；至于对加工不同厚度的焊接板件的问题上，引入升降台铣床的优点，采用丝杆螺母机构带动铣刀头做上下运动，实现对不同焊接板件加工。 关键理论和技术 机械传动设计理论 ，涡轮部分设计 技术， solid edg 绘图，有关零部件的设计计算、传动机构的设计、调角机构的设计、 控制部分设计和 PLC 编程 等。 技术指标 今我以走上了工作的生涯，近段时间对外协这一方面有了一定的了解，其焊接板件在冷作过程中都要经过铣边这一阶段，通过参考厂家铣边的特点以及结合我公司所以工作零件的特点，决定铣边机的工作行程为 3600mm，当今的厂家在生产过程中最看重的是效率问题。所以通过生产效率及工作经验初步选择其运动速度为200mm/min。在铣边 行 程中为了方便对工件的铣边，对动力头在横向方向的运动行程为 200mm/min，由于板件的厚度不同，在垂直方向上确定其行程为 560mm；铣床的功率为单一工作，其功率的要求不是很大，初步确定其功率为 5.5KW。 完成课题的方案和主要措施 通过 选择进给运动机构，以 滑动丝杆螺母机构 控制 升降运动和进给运动 ，具有降速比大、运动平稳和运动精度高、轴向牵引力大、自锁性能好等优点 。合理的调角机构，通过六爪棘轮机构实现转角以及用 PLC进行程序控制，实现不同工作角度的切削。 nts主要特色及工作进度 主要特色： 利用 PLC 对铣边机的控制以及铣边机各个部件的选举和装配是本次设计的重点方向。此方案对铣边机的工作效率有很大的提高，通过 PLC 程序进行控制，具有很强的灵活性，高精度 等特点。 工作进度： 第 1-4 周 ： 收集、查阅有关焊接 板件铣边机的资料 ， 完成设计开题报告。 第 4-6 周：整理资料，完成能够实现目标的最佳方案。 第 6-10 周：完成相关设计的零部件图及总体装配图。 第 10-12 周；整理相关图纸，完成设计说明书的初稿。 第 12-14 周：完成设计说明书及翻译文献，准备毕业设计答辩。 四、主要参考文献 （按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出） 1 邓星钟主编 . 机电传动控制 .第三版 M 武昌 ： 华中科技大学 出版社 .2001.3； 2戴曙主编 .金属切削机床设计 M .北京 ：机械工业出版社 .1985.6； 3 成大先 .机械设计手册 M第 三 版 .北京：化学工业出版社 .2002.8； 4 濮良贵、纪名刚主编 .机械设计（第 7 版） .M.北京：高等教育出版社 .2001.6； 5 罗迎社主编 .材料力学 M.武汉：武汉理工大学出版社 .2001.7； 6孙桓、陈作模 .机械原理 M . 北京：高等教育出版社 .2001.5； 7李世芸主编 .Solid Edge v12 三维设计教程 . M.北京：机械工业出版社 .2003.7； 8机械设计手册编委会 .机械设计手册第二卷 .（新版） .M.北京： 机械工业出版社 .2003.7； 9吴宗泽主编 .机械零件设计手册 .M.北京： 机械工业出版社 .2004.10； 10哈尔滨工业大学理论力学教研室编 . 理论力学（第 6 版） .M.北京：高等教育出版社 .2002.8； 11 金属切削机床设计编写组 . 金属切削机床设计 .M .上海 ： 上海科学技术 出版社 .2002.12； 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 系 意见 系 主任签名： 年 月 日 院 意见 教学 院长 签名： 年 月 日 nts 1 第一章 概述 1.1 铣削加工 的基本知识 一、常用铣床概论 （一）万能卧式铣床 铣床的主轴中心线与工作台面平行。其工作台有三个方向即垂直横向及纵向都可以移动。纵向工作台在水平面内还能向左右旋转 0 45度的角度。如选择合理的附件和工具，几乎可以对任何形状的机械零件进行铣削。 （二）立式铣床 铣床的主轴中心线与工作台面垂直 ， 有的立铣因为加工需要，主轴还能向左右倾斜一定角度，以便铣削倾斜面。立式铣床一般用于铣削平面斜面或沟槽，齿轮等零件。 （三）龙门铣床 此铣床具有足够的刚度，适用与强力铣削，加工大型零件的平面，沟槽等。 铣 床 通常 有二轴 、 三轴甚至更多主轴以进行多刀 、 多工位的铣削加工，生产 效 率很高。铣镗加工中心在生产中也获得了广泛应用 ， 他可承担中小型零件的铣削或复杂面的加工。铣镗加工中心尚可进行 铣、钻、绞、镗、纹丝 等综合加工，在一次工件装夹中可以自动更换刀具，进行铣 、 钻 、 绞 、 镗 、 纹丝等多工序操作。 二、铣床加工范围及加工特点 （一）铣床加工范围 可加工水平面，台阶面，垂直面，齿轮，齿条，各种沟槽（直槽， T 型槽，燕尾槽，V型槽）或成形面等。 （二 ）铣床加工特点 加工范围广，适合批量加工，效率高。铣刀属多齿工具，根据刀具的不同，出现断续切削，刀齿不断切入或切出工件，切削力不断发生变化，产生冲击或振动，影响加工精度和工件表面粗糙度。铣床加工精度为 179 177。表面粗糙度为 Ra6.3-1.6um。 三、铣削加工与铣削工艺 （一）铣削加工 铣削加工是在铣床上利用铣刀旋转对工件进行 切削 加工方法。铣刀是旋转 的多刃具。 铣削是多刃加工，且铣刀可使用较大的切削速度，无空回程，故生产效率高。 （二）铣削用量 它包括铣削速度，进给量和铣削宽度和深度。 1、切削速度 V c nts 2 切削速度即为铣刀最大直径的线速度： V c= dn/1000 m/min 2、 进给量： 指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。 有三种方式： （ 1） 每齿进给量 f z mm/z （ 2） 每圈进给量 f mm/r （ 3） 每分钟进给量 mm/min 铣床多用于每分钟进给量 f=f n=f z z n mm/min 3、背吃刀量 也就是切削深度 a p,它是沿铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。 4、 侧吃刀量 就是切削宽度 a e,它是沿垂直与铣刀轴线上的测量的切削 层尺寸。 （三） 选择铣削用量的次序 首先选择较大的铣削宽度、深度，其次是加大进个量。最后才是根据刀具耐用度的要求，选择适宜的铣削速度。 （四） 铣削方式 1、 逆铣 铣刀的旋转方向与工件进给方向相反的铣削形式称为逆铣。 2、 顺铣 铣刀旋转方向与工件进给方向相同的铣削方式称顺铣。 3、 端铣 端铣的铣削方式有对称和不对称铣削两种。铣削时铣刀的轴线位于工件中心，这种铣削称为对称铣削。铣刀的轴线偏于工件的一侧时的铣削，称为不对称铣削。 nts 3 1.2 铣削加工的历史 切削加工是用切削工具，把坯料或工件上多余 的材料层切去，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。 任何切削加工都必须具备三个基本条件：切削工具、工件和切削运动。切削工具应有刃口，其材质必须比工件坚硬；不同的刀具结构和切削运动形式，构成不同的切削方法。用刃形和刃数都固定的刀具进行切削的方法有车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削和锯切等；用刃形和刃数都不固定的磨具或磨料进行切削的方法有磨削、研磨、珩磨和抛光等。 切削加工是机械制造中最主要的加工方法。虽然毛坯制造精度不断提高，精铸、精锻、挤压、粉末冶金等加工工艺应用日广，但由于 切削加工的适应范围广，且能达到很高的精度和很低的表面粗糙度，在机械制造工艺中仍占有重要地位。 切削加工的历史可追溯到原始人创造石劈、骨钻等劳动工具的旧石器时期。在中国，早在商代中期 (公元前 13世纪 )，就已能用研磨的方法加工铜镜；商代晚期 (公元前 12世纪 )，曾用青铜钻头在卜骨上钻孔；西汉时期 (公元前 206公元 23)，就已使用杆钻和管钻，用加砂研磨的方法在“金缕玉衣”的 4000多块坚硬的玉片上，钻了 18000多个直径 1 2毫米的孔。 17世纪中叶，中国开始利用畜力代替人力驱动刀具进行切削加工。 如公元 1668年，曾在畜力驱动的装置上，用多齿刀具铣削天文仪上直径达 2丈 (古丈 )的大铜环，然后再用磨石进行精加工。 18世纪后半期，英国工业革命开始后，由于蒸汽机和近代机床的发明，切削加工开始用蒸汽机作为动力；到 19世纪 70年代，切削加工中又开始使用电力。 对金属切削原理的研究始于 19世纪 50 年代，对磨削原理的研究始于 19世纪 80年代，此后各种新的刀具材料相继出现。 19世纪末出现的高速钢刀具，使刀具许用的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢刀具提高两倍以上，达到 25米 /分左右； 1923年出现的硬 质合金刀具，使切削速度比高速钢刀具又提高两倍左右； 30年代以后出现的金属陶瓷和超硬材料 (人造金刚石和立方氮化硼 )，进一步提高了切削速度和加工精度。 随着机床和刀具的不断发展，切削加工的精度、效率和自动化程度不断提高，应用范围也日益扩大，从而大大促进了现代机械制造业的发展。 金属材料的切削加工有许多分类方法，常见的有按工艺特征、按材料切除率和加工精度、按表面成型方法三种分类方法。 切削加工的工艺特征决定于切削工具的结构，以及切削工具与工件的相对运动形式。因此按工艺特征，切削加工一般可分为 ：车削、铣削、钻削、镗削、铰削、刨削、插削、拉削、锯切、磨削、研磨、珩磨、超精加工、抛光、齿轮加工、蜗轮加工、螺纹加工、超精密加工、钳工和刮削等。 nts 4 1.3 铣削加工现状 高速铣削加工（ High Speed Milling, HSM）以其巨大的优势，迅速成为现代加工制造领域最重要的加工手段之一，也是衡量一个国家装备制造水平的重要标志。因为高速切削加工技术已广泛应用于航空航天、汽车、船舶等关系到国计民生的重要领域，也代表着现代切削制造技术的发展趋势。 近几年来，我国对数控机床需求急剧增加， 2000 年至 2005 年 ，我国数控金切机床产量从 14053台跃至 59639台，年增长率为 33.5。我国金切机床产值数控化率从 1996年的 11.6提高到 2005年的 47.3。这表明我国的数控机床行业有了极大的发展。另一方面，我国数控机床进口额连年激增，从 2001 年的 24.1亿美圆增至 2005年的 64.95亿美圆，国有数控机床的市场占有率却呈现出逐年下滑的趋势，尤其是高速、高精度多轴机床，几乎完全依赖进口 1。这些数据可以看出我国的机床制造业尤其是高端加工中心落后于发达国家。因此，国家在 “ 十五 ” 、 “ 十一五 ” 规划中都把以数控机床 为核心的装备制造作为重大专项，以期在这方面有所突破。 数控技术是一门集计算机技术、自动控制技术、机械电子技术以及计算机图形处理技术于一体的综合性技术。其中 NC编程是这一技术的灵魂。 NC编程成为各种 CAM软件的核心。因为 NC编程直接影响着数控机床的使用效率和加工质量。所以国内外投入了大量的人力和物力来提高 CAD/CAM软件的编程效率，加工效果以及智能化水平。 现代高速切削加工发展概况 由于目前绝大部分的机械零件必须经过切削加工实现，切削加工在机械制造中占用十分重要的地位。经济全球化使制造国际化，因此竞争也越来 越激烈。如何提高效益、降低成本、加快产品开发周期成为每一个面对市场竞争的企业的迫切愿望。高速切削加工所具有的明显优势，近年来得到广泛应用并迅速发展。 高速铣削加工（ High Speed Milling，简称 HSM）的概念源于德国切削物理学家C.J .Salomon博士于 1931年所提出的著名切削实验及物理引申 2,他认为对应一定的工具材料有一个临界切削速度，达到此温度切削温度最高。当超过这一临界切削速度，切削温度反而会降低，而大幅度提高机床的生成效率。 高速铣削加工技术作为一门新兴的技术，以其与传统加工相 比无可比拟的优点，在加工制造业中得到了越来越广泛的应用，也带来了巨大的经济效益。我国要实现由制造业大国向制造业强国的跨越，必须有强大的制造装备业及相关产业体系作支撑。我国目前的高速数控技术也得到了迅速的发展。但是，我国还缺少高速铣削加工的核心技术，还有许多基础性的研究工作有待开展，这也是我国走向制造业强国的必由之路！ nts 5 第二章 方案设计 一、 方案 1： 该 设计机床 的升降运动由顶部的电动机通过联轴器 1传到 1号减速箱，带动滑动丝杆螺母机构，由滑动丝杆螺母机构带动动力头作升降运动 ，铣 床的进给运动则由底部的电动机 经联轴器 2传递到 2号减速箱，由 2号减速箱输出给与之相配合的滑动丝杆螺母机构，从而带动机架部分沿工作台上的导轨面运动，作横向进给。刀具的旋转运动由动力头提供。 二、 方案 2： 该方案与方案 1的不同之处在于升降运动和进给运动都是在钢丝绳的牵引作用下实现的。 三、 方案 3： 该方案与方案 1的不同之处在于控制升降运动和进给运动的滑动丝杆螺母机构由滚动丝杆螺母机构代替。 四、 方案比较 ： 方案 1：该方案的升降运动和进给运动是由滑动丝杆螺母机构实现，而滑动丝杆螺母机构具有降速比大、运动平稳和运动精度高、轴向牵引力 大、自锁性能好等优点，但是它的不足之处是它的传动效率不高、刚度较低。 方案 2：在该方案中，钢丝绳起了重要的作用，电动机的转动给钢丝绳一个牵引力，通过此力实现机床的升降运动和进给运动。这个方案的优点在于钢丝绳制造简单、维修方便、成本低、传动效率较高，但是它运动不够平稳且运动精度低，在传动过程中易产生颤动、不能够自锁、降速比不大。 方案 3：该方案中采用了滚动丝杆螺母机构，通过该机构来传递运动，以满足机床的要求。该方案中的滚动丝杆螺母机构具有摩擦损失小，传动效率高、动作灵敏，低速运动时无爬行现象、磨损小，精度保持 性好、可消除轴向间隙，轴向刚度高、摩擦系数小等优点，但是它的工艺复杂，生产成本高，不能实现自锁。 综 合考虑 ，最终选取方案 1 为 最终设计 方案 ，通过其 Solid Edge 绘图如下图 2 所示。 nts 6 图 1 方案 1初步设计工程图 五、 其工作原理如下 ： 该铣床由三个动力部分组成 ； 分别由三个电动机提供动力来源，即电动机 1、电动机 2 及动力头。其中： 1 号电动机通过联轴器带动 1 号减速箱旋转，从而带动 1 号丝杆旋转，控制小托板在垂直方向做上下移动，同时使动力头在垂直方向上做上下移动，适合于不同 厚度的焊接板件的加工。 其加工行程为 560mm； 2 号电动机通过 2 号减速箱带动 2号丝杆转到，通过螺母机构带动铣边机的大托板（即机架）左右移动，完成行程为3600mm；可以适用于中小焊接板件的铣边。动力头的功率为 5.5kv,转动 角度 由手轮转动来调节，其转动是通过棘轮调节，达到转动角度为 0-90 度，能够满足板所 有 板件的铣边工作。 nts 7 第三章 机床具体参数设计 机床的主要技术参数包括主参数和基本参数，其中基本参数又包括尺寸参数、运动参数、动力参数。该机床的主参数已经确定，它是加工焊接板件的专用铣床。 其 参数 如下 ： 一、技术参数 如今我以走上了工作的生涯，近段时间对外协这一方面有了一定的了解， 其焊接板件在冷作过程中都要经过铣边这一阶段，通过参考厂家铣边的特点以及结合我公司所以工作零件的特点，决定铣边机的工作行程为 3600mm，当今的厂家在生产过程中最看重的是效率问题。所以通过生产效率及工作经验初步选择其运动速度为 200mm/min。在铣边行 程中为了方便对工件的铣边，对动力头在横向方向的运动行程为 200mm/min，由于板件的厚度不同，在垂直方向上确定其行程为 560mm；铣床的功率为单一工作，其功率的要求不是很大， 初步确定其功率为 5.5KW。 二、动力参数的确定 动力参数一般是指机床的电动机的功率，由于该机床属于专用机床，铣刀头的功率为 5.5KW，因此，主运动驱动电动机的功率为 5.5KW。 确定进给驱动电机的功率，由于进给运动的速度较低，空载时的功率很小，在计算时可以忽略，所以进给驱动电机的功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率， 根据参考资料【 3】 得 。 即 SsS QvN60000式中： SN -进给驱动电动机功率（ KW）； Q-进给抗力（ N）； sv -进给速度（ m/min）； s -进给传动系统的总机械效率（一般情况下取 0.15 0.2）。 初步选去进给驱动电动机的功率为 5.5KW。 nts 8 3.1 电动机的选择 由于本设计需要两个功率在 4.0KW以上，重量不能太大并且采用连续周期工作制的（ S6）异步电动机，其安装形式均为 B201101，通过查 参考资 料【 3】 选得： 一、 1 号电动机 Y112M-4，技术数据如下： 额定功率 4.0KW，转速 1440r/min，额定电流 8.77A，效率 84.5%，功率因数 0.82，最大转距 /额定转距为 2.2，堵转转距 /额定转距为 2.2，堵转电流 /额定电流为 7.0，转子转动惯量 GD为 0.095N*，重量为 43。 二、 2 号电动机 Y132S-4，技术数据如下 ： 额定功率 5.5KW，转速 1440r/min，额定电流 11.6A，效率 85.5%，功率因数 0.84，最大转距 /额定转距为 2.2，堵转转距 /额定转距为 2.2，堵转电流 /额定 电流为 7.0，转子转动惯量 GD为 0. 214N*，重量为 68。 3.2 动力头的选择 根据加工要求和机床的结构设计，并考虑到经济因素，选择型号为 ITX32的动力头，该 铣削 动力 头功率大、刚性好、切削平稳、精度高、操作调整方便。 同时 此动力头具有普通级、精密级和高精密级三种， 能够 与四种传动装置即 ING皮带传动、 1NGB顶置式齿轮传动、 INGC尾置式齿轮传动 INGD手柄变速齿 轮 传动装置配套使用。 该动力头的参数如下： 电机功率为 5.5KW，电机转速为 960r/min，刀盘直径为 125-315mm，配套传动装 置及主轴转速为 ING32 500-1600 r/min，主轴滑套直径为 190mm，主轴滑套移动量为 80mm，主轴中心高为 160mm，主轴前轴承轴径为 90mm，选用顶置式，整体重量为 305kg。 nts 9 3.3 调角机构的设计 根据已有的技术参数：铣刀头手动调节，调节角度为 90度，确定调角机构方案： 一、 方案 1： 采用六爪棘轮机构实现转角，六爪棘轮机构结构图如下图 2所示 图 2六爪棘轮机构结构图 1 6、棘爪 01 06 7、棘轮 8、棘杆 nts 10 由于六个棘爪作为一个整体，每次控制棘轮转动的角度为六度，以每转六度作为一次循环，所以棘轮齿数 Z 606360 Z 而 01 06 号棘爪控制棘轮转动的角度分别为 6度、 1度、 2 度、 3度、 4度、 5度。 工作过程：从图示位置开始， 01 号棘爪限制棘轮的反转时，其它棘爪处于非工作状态；棘轮顺时针转动 1 度后， 02 号棘爪进入工作状态，限制棘轮的反转， 01 号棘爪和其余棘爪处于非工作状态；棘轮顺时针转动 2度后， 03号棘 爪进入工作状态，限制棘轮的反转，其余棘爪处于非工作状态；棘轮顺时针转动 3度后， 04号棘爪进入工作状态，限制棘轮的反转，其余棘爪处于非工作状态；棘轮顺时针转动 4度后， 05号棘爪进入工作状态，限制棘轮的反转，其余棘爪处于非工作状态；棘轮顺时针转动 5度后， 06号棘爪进入工作状态，限制棘轮的反转，其余棘爪处于非工作状态；棘轮顺时针转动 6度后，01号棘爪再次进入工作状态，限制棘轮的反转，其余棘爪处于非工作状态，完成一循环。 在上面的机构中，还配有一个止动磨盘，用来辅助六爪棘轮机构。 二、 方案 2： 采用双槽盘式分度机构实 现，如下图 3 所示 动力从齿轮 1传入，当加工需要进行角度调整的时候，动力从齿轮 1传入，通过机械挡块和杠杆的作用，使离合器左移接合，同时把分度定位爪从槽盘 1和 2的槽口中拔出。运动经离合器传给传动轴 I，再经齿轮 2、 3 分别传给齿轮 4、 5。由于两对齿轮的传动比不同，所以当齿轮 4和 5开始转动后，两个槽盘上的槽口就错开，因 994259445703530753 nnZZZZnn 所以只有当齿轮 5转过 4转，齿轮 4转过 5转后，此时两个槽盘的槽口才能重新对准，分度定位爪在弹簧的作用下又进入两个槽口中将其定位，同时操纵机构将离合器脱开， 再经过挂轮等其它传动环节，使铣刀头转动一定的角度。 nts 11 图 3 双槽盘式分度机构工作原理图 1、齿轮 1 2、离合器 3、齿轮 2 4、槽盘 1 5、槽盘 2 6、齿轮 3 7、齿轮 4 8、分度定位爪 9、齿轮 5 I、传动轴 II、转轴 三、方案比较： 方案 1结构简单、操作简便、易于维护，且生产成本低，方案 2 传动精度高，但是维修困难，制造不便，成本高，操作较繁琐。 综合分析两个方案，并考虑到实际的情况，最 终选择方案 1。 nts 12 3.4 传动件设计及计算 3.4.1 齿轮传动设计及计算 在本设计中电动机有 3个作用：一是 ： 用来带动铣刀头运转，进行加工；二是 ： 通过减速箱 1及丝杆结构 了来 控制滑套及动力头的上下移动；三是 ： 通过减速箱 2及丝杆结构带动机架沿工作台的导轨面进行铣削加工。因此本设计的传动方案不是很复杂，可以理解为 2个运动 ， 齿轮传动和丝杆传动。 为实现减速要求还需采用蜗轮蜗杆对它进一步减速，为实现减速要求还需对它进行进一步减速，此处是空间交错的 两轴间运动和力的传动，可采用蜗轮蜗杆传动、圆锥齿轮传动等减速方案进 行减速。这里选用蜗轮蜗杆传动，因为它具有以下特点： 查 机械 设计 手册 【 3】得 ： 蜗轮蜗杆能实现比较大的传动比一般为 I=5 80 与其它减速方案比较它具有传动比大，零件数目少，结构紧凑等特点。 为保证焊接质量要求磨辊的运动平稳而蜗轮蜗杆在传动中由于蜗杆齿是连续不断的，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的 齿 对较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低满足要求。 为了方便磨辊的装夹要求传动能够自锁，而当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动就能实现自锁而齿轮传动就不能实现。因此在此处选用蜗轮蜗杆减速是比较理想的减速方案。 由于传动要求较低这里选用普通圆柱蜗杆传动，通过计算减速比为 62.9， 查机械设计手册采用公称减速比 63。 本设计传动比 I=63，采用立式结构，向下输出的传动方案。要求能使用 5年，每天24小时工作（一年按 300天计算） 一、 选定蜗杆传动类型 根据 GB/T10085 1988的推荐 ,采用渐开线蜗杆 (ZI). 二、 选择材料 根据各材料的性能 ,并考虑到蜗杆传递的功率不大 ,速度不高 ,因此蜗杆采用40Cr；要求蜗杆螺旋齿面表面淬火处理，硬度为 45 55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZcuSn10P1，金属模铸造。 三、 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强由齿面接触强度。按计算公式进行试算传动中心距 a，即： nts 13 （ 一 ）确定作用在蜗轮上的转矩 T2 按 Z1=1，估取效率 =0.8，则 mmNn PT /1 3 3 7 0 0 01 4 4 0 8.00.41055.91055.962161 （ 二 ）确定载荷系数 K 查参考资料【 3】得， 因工作载荷较稳定，故去载荷分布不均匀系数 K =1，查表选取使用系数 KA=1.15；由于 转速不高，冲击不大，可取动载荷系数 K v=1.05；则 21.105.10.115.1 VA KKKK （ 三 ）确定弹性影响系数 因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和 40Cr蜗杆相配，故 Z e=189.8MPa。 （ 四 ）确定接触系数 Z 先假设蜗杆分度圆直径 d1 和传动中心距 a 的比值为 d1/a=0.35，从图 11-18 中查得 Z =2.9 （ 五 ）确定许用接触应力 H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜蜗轮 ZcuSn10P1，金属模铸造，蜗杆蜗杆螺旋齿面硬度 45HRC， 查参考资料【 4】 表 11-7 中查得 蜗轮的基本许用应力 M PaH 268 。 应力循环次数 911 101 1 1.353 0 02411 4 4 06060 hjLnN 8912122 103 9 7.4163101 1 1.360 ZZNjLnNhnts 14 寿命系数 4 8 8 0.0101 1 1.310971 HNK则 M P aK HHNH 8.1 3 02 6 84 8 8 0.01 （ 六 ）计算中心距 mma 23.988.1 3 09.28.1 8 91 3 3 7 0 0 021.13 2 取中心距 a=100mm，因 I=63，故从表 11-2 中取模数 m=2.5mm，蜗杆分度圆直径d1=45mm，这时 d1/a=0.45， 查参考资料【 4】 图 11-18中查得接触系数为 2.65 2.9，所以计算结果可用。 四 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 （ 一 ）蜗杆 轴向齿距 Pa=7.85mm；直径系数 q=18；齿顶圆直径 da1=50mm；齿根圆直径 df1=39mm，分度圆导程角 =14 度 12分 36秒；轴向齿厚 Sa=3.925mm。 （ 二 ）蜗轮 蜗轮齿数 Z2=63；变位系数 02 x ； 验算传动比 I=63/1=63 蜗轮分度圆直径 d2=155mm 蜗轮喉圆直径 da2=d2+2ha2=160+5=165mm 蜗轮齿根圆直径 df2=149mm 五 校核齿根弯曲疲劳强度 FFaF YmddKT Y 221 253.1 nts 15 当量齿数 58.64632114c o s63c o s 322 rZZV根据 58.64,0 22 vzx 查参考资料【 4】 图 11-19中查得齿形系数 28.22 FaY 螺旋角系数 8986.0140 63211411401 Y 许用弯曲应力 FNFF K 查参考资料【 4】 表 11-8 中查得由 ZcuSn10P1 制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 M PaF 56 寿命系数 6 4 8.0109 3 7.410986FNK 于是有 M P aF 310.36648.056 M P aF 56.318 9 8 6.028.25.21 5 5451 3 3 7 0 0 021.153.1 由于 FF ，故弯曲强度满足要求。 六 、 精度等级公差和表面粗糙度的确定 考虑到所设计 的蜗杆是动力传动，属于通用机械减速器， GB/T10089-1988 圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择 8级精度，侧隙种类为 f，标注为 8f GB/T10089-1988。然后由相关的手册查得要求的公差项目及表面粗糙度。 nts 16 3.4.2 丝杆传动设计及计算 丝杆的工作载荷主要是扭矩、拉力或压力。在本设计中，采用滑动丝杆螺母机构，梯形螺纹。下面对其进行设计验算： 一、 耐磨性计算 影响磨损的主要因素是螺纹工作面上的平均压强 P， M P aPd h L KQTTLKdhQP 式中 Q-丝杆最大牵引力（ N）； d-螺纹的中径（ mm）； h-螺纹工作面高度，等于螺纹高度减去螺纹顶隙（ mm）； T-丝杆螺纹的导程（ mm）； K-螺纹头数； L-螺母的长度（ mm）； p -螺纹工作表面上的许用压强（ MPa）。 查设计资料【 3】 表 1选取许用压强 p =11 MPa 表 1 许用压强 p （ MPa） 应 用 范 围 丝 杆 - 螺 母 材 料 钢（不淬硬） -铸铁 钢（不淬硬） -青铜 钢（淬硬抛光） -青铜 精密丝杆传动 2 3 6 一般丝杆传动 5 11 15 nts 17 根据以上的选取和公式计算螺纹中径 d，对于梯形螺纹 KTh 5.0 代入上式 )(41.35110.33 5 0 0 08.08.0 mmPQd 其中 =3.0，考虑到其它因素的影响选取 d=38mm。则 M P aPM P ad h L KQTTLKdhQP3 8 1.81705.13833 5 0 0 0上述说明满足耐磨性要求。 二、 刚度计算 由于该丝杆属于低速传动类，所以应从不发生爬行现象的要求进行验算其拉压刚度。 根据实验，丝杆的拉压变形约占整个传动系统变形的 30% 50%， 丝杆的拉压刚度为 mNLdEmmNLdEKS /41000/422 式中 E-弹性模量。对于钢 mmNE /102 5 ； d和 L-丝杆的根径和工作长度（ mm）。 因此有 nts 18 mNmmNLdEKS/108.21/108.219 6 045.36102474252 假设 丝杆的拉压变形占整个传动系统变形的 50%，则整个传动系统的刚度 mNK /107.16 7 查表得 ,05.0f 05.0 代入下式 m i n/42m i n/0 0 0 4 2.0102107.1605.0405.08.9457mmmEKfgv c也就是说升降速度低于 42mm/min时，就有可能出现爬行现象。而升降速度 m i n/6.683631 4 4 011 mmpinv cv 因此满足刚度要求。 三、 受 压丝杆的稳定性计算 受压丝杆的稳定性计算与其构造及支承的特性有关， 查参考资料【 5】 大柔度压杆稳定性计算公式，受压丝杆失稳的最大轴向载荷为 NlkEIQ 42252222102 6 3.61 4 07.03645.3614.310214.3 查表得知丝杆的稳定性符合要求。 nts 19 3.5蜗杆轴 的 设计及计算 由于该主轴所传递的扭矩极小 在 计算时可按心轴公式计算且为实心故其轴径计算公式为 PMd 68.21 d - 轴的直径 , mm M - 轴在计算截面所受的弯矩， N mm pp轴的许用弯曲应力， MPa, 根据参考资料【 5】 表 5-1-1查取为 280MPa 弯矩可由弯矩图最大弯矩在轴承支点处 ，如下图 4所示。 RA RB P 图 4轴受力图 由材料力学计算有 RA=-1789.11N RB=5689.10N P=G=3900 N 最大为 6 6 3 0 .M N m m 故轴径为 d=20mm取安全系数 1.5故轴径为 30mm 轴的结构设计如下图 5所示 32 50 64 50 19 650603 2 5839O50O39O35+0.035+0.01O35+0.035+0.01O32+0.035+0.01O10AA剖 面 A - A270- 0 .1100-0.01d 0. 01 D3 .2 0. 0 1 2 A - C1 .63.2j 0. 08 0. 0 1 2 A - C0 .8 0. 0 1 2 A - C 0. 0 1 2 A - Cj 0. 08 0. 0 1 2 A - C1 .5 X 4 5 vR13.239OA CB图 5蜗杆轴结构图 nts 20 3.6 蜗杆与减速箱 之 间的连接 蜗杆与减速箱之间的连接从结构和要求综合考虑采用联轴器连接 ， 由于焊接转台振动很小 ， 转矩也很小 。 因此采用结构简单的刚性突缘联轴器即能胜任，传动的转矩 为m a x G f 0 . 2 140T = = 其中 G为转台综合重量 ； f为滚动轴承摩擦因数查表 8.9-1 f=0.01； 查 机械 设计 手册 【 3】 表 8.9-1得 =0.4 即 Tmax=351N.m 转矩很小远远小于标准减速箱输出轴径所需配合的联轴器因此选用YLD14联轴器 J1110 140GB/T5843-1986 3.7 导轨的设计及强度计算 一、导轨功用、分类和应满足的要求 （一）导轨的功用和分类 导轨的作用是导向和承载在导轨副中，运动的一方叫做动导轨，不动的一方叫做支承导轨动导轨相对于支承导轨只能有一个自由度的运动，以保证单一方向的导向性 。通常动导轨相对于支承导轨作直 线运动或者旋转运动 导轨按运动性质分有主运动导轨、进给运动导轨和移置导轨三类。若按摩擦性质分则又可以分成滑动导轨和滚动导轨两类。 另 一种分类 是 把导轨分为开式导轨和闭式导轨。 （二）导轨应满足的要求： 导轨应满足的要求包括对导轨的一般要求、对导轨的精度和光洁度的要求。 对导轨的一般要求有以下这些：导向精度；精度保持性；低速运动的平稳性；机构简单、工艺性好。 对导轨的精度和光洁度的要求：几何精度；接触精度；表面光洁度。 （三）导轨的精加工 导轨精加工的方法有精刨（精铣）、磨削和刮研等几种。 精刨可 以满足普通精度机床导轨的精度和光洁度要求，而且成本低、生产率高。 磨削精加工导轨面能够达到较高的精度和表面光洁度，生产率也高，而且是加工淬硬导轨的唯一方法。磨削最初只用来精加工支承导轨，与其配合的动导轨则采用配刮，现在动导轨可以配磨，甚至互换。导轨的磨削方式有周边磨削和端面磨削两种。周边磨削与端面磨削相比，质量好，生产率高，已经逐渐取代了端磨。 刮研可以达到最高的精度，同时还具有变形小、接触好、表面可以存油的优点。它的缺点是劳动强度大、生产率低。这种加工方式至今还被应用于高精度机床导轨的精加工上，例如座标镗 床和导轨磨床导轨的精加工。 nts 21 二、导轨的选择 由 设计资料【 3】 表 2可以知道，选择镶钢、镶金属导轨是最经济、最合理的。 表 2 导轨的类型、特点 导轨的类型 主要特点 普通滑动导轨 （滑动导轨） 1. 结构简单，使用维修方便 2. 在未形成完全液体摩擦时低速易爬行 3. 磨损大、寿命低、运动精度不稳定。 塑料导轨 1. 动导轨表面贴塑料软带等与铸铁或钢导轨搭配，摩擦系数小，且动、静摩擦系数相近，不易爬行。 2. 贴塑工艺简单 3. 刚度低、耐热性差，容易蠕变。 镶钢、镶金属导轨 1. 在支承导轨上镶装有一 定硬度的钢板或钢带，提高导轨的耐磨性，改善摩擦或满足焊接床身结构的需要 2. 在动导轨上镶有青铜之类的金属防止咬合磨损，提高耐磨性、运动平稳、精度高 滚动导轨 1. 运动灵敏度高、低速运动平稳性好，定位精度高 2. 精度保持性好，磨损少、寿命长 3. 刚度和抗振性差，结构复杂，成本高，要求有良好的防护 动压导轨 1. 速度高，形成液体摩擦 2. 阻尼大、抗振性好 3. 结构简单，不需复杂供油系统，使用维护方便 4. 油膜厚度随载荷与速度而变化，影响加工精度，低速重载易出现导轨面接触 静压导轨 1. 摩擦系数小，驱动力小 2. 低速运动平稳性好 3. 承载能力大，刚性 、吸振性好 4. 需要一套液压装置，结构复杂、调整困难 nts 22 （一）导轨截面形状的选择，截面形状有以下几种， 1. V形导轨（山形导轨、三角形导轨）： 导向精度高，磨损后能够自动补偿； 凸形有利于排屑，不易保存润滑油、用于低速； 凹形的特点与凸形特点刚好相反，高、低速时都可以采用； 对称形截面制造方便、应用较广，两侧压力不均匀时采用非对称形； 顶角 a一般为 90度，重型一般采用 a为 110度 120 度，精密机床采用a小于 90度以提高导向精度。 2. 矩形导轨（平导轨）： 制造简单、承载能力大、不能自动补偿磨损，必须用镶条调整间隙 ，导向精度低，需要良好的防护； 主要用于载荷大的机床或者组合导轨。 3. 燕尾形导轨： 制造较复杂、磨损不能自动补偿，用一根镶条可以调整间隙，尺寸紧凑，调整方便； 主要用于要求高度小的部件中，如车床刀架 4. 圆柱形导轨： 制造简单，内孔可珩磨、外圆采用磨削可达配合精度，磨损不能自动调整间隙 主要用于受轴向载荷场合。 综合分析各个导轨截面的优缺点，结合实际的情况和要求，选取 V形导轨，材料为HT200，其机构设计如下图 6所示， 图 6 导轨设计图 nts 23 （二） 滑 动导轨压强的计算 导轨 的许用压强根据 参考资料【 2】 表 9.3-20 选取铸铁导轨的许用压强为 2.53.0MPa， 作如下假设；导轨本身刚度大于接触刚度 。 此时只考虑接触变形对压强的影响，沿导轨的接触变形和压强，按线性分布，在宽度上视为均布。每个导轨面上所受的载荷，都可以简化为一个集中力 F和一个颠覆力矩 M的作用，如图 7所示 图 7 导轨压强 导轨所受的最大、最小和平均压强分别为 FLMaLFPpp MF 61m a x FLMaLFPpp MF 61m in aLFPpp m inm ax21平均 式中 F -导轨所受集中力（ N）； M -导轨受的颠覆力矩（ N mm）； Fp -由集中力引起的压强（ MPa）； nts 24 Mp -由颠覆力矩的压强（ MPa）； a -导轨宽度（ mm）； L -动导轨长度（ mm）。 有前面的设计可知 mmlmma 1 0 0 0,1 8 0 NFMgF 7 3 6 01 NPM 3964 mNaLPLaLPM MM92.1 1 861 0 0 01 8 03 9 6 463222122由于 6 6 6.0101 8 092.1 1 83 aLM 61 所以导轨面将出现一段长度不接触，要采用压板，在此设计中，采用了下部加置一块导轨，与上面的导轨形成对称，从而达到减小单位面积的受力和力矩的影响。导轨间隙的调整 ； 导轨结合面配合的松动对机床的工作性能有相当大的影响，配合过紧的话，将使操作费力，同时加剧磨损；倘若过松则将影响运动精度，有可能还会产生振动，所以除了在装配的过程中要仔细的调整导轨的间隙外，在使用一段时间后，还要对其进行重调，此设计中选用镶条来调整。这是由于镶条制造简单，成本低，易于操作，修复容易。 nts 25 第四章 PLC控制部分 4.1 机床的电路分析及确立主电路图 该机床主要有主轴转动，升降台的上下运动和工作台的进给运动。这三个运动分别由三个电动机控制，主轴转动之后，升降台的上下运动和工作台的进给运动才能进行；工作台作进给运动时，升降台的上下运动不能进行；主轴最后停止。 主电路图如下图 8所示 图 8 主电路图 nts 26 4.2 PLC 选择及接线图 4.2.1 PLC选择 根据计算可以得知 ：有 14 个输入信号和 6 个输出信号，采用继电器输出，故 I/O点数为 14+6=20点。 故应该选用 FX2N-64MR-001系列，输入可用点数为 24点，输出可用点数为 24点，扩展模块可用点数为 4864点（不需要用到），即可达到本设计的要求。采用 AC 24V电源、 DC输入、横式端子排、标准输出。 FX2n 系列是 FX系列 PLC家族中最先进的系列。由于 FX2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应 用提供最大的灵活性和控制能力。 为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要 -模拟 I/O，高速计数器。定位控制达到 16轴，脉冲串输出或为 J和 K型热电偶或 Pt传感器开发了温度模块。对每一个 FX2n主单元可配置总计达 8个特殊功能模块。 网络和数据通信连接到世界上最流行的开放式网络 CC-Link， Profibus Dap 和 Device Net 或者采用传感器层次的网络解决您的通信需要。 时钟功能和小时表功能 在所有的 FX2NPLC中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。 小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。 产品说明 规格型号 FX2N-64MR-001 其它说明 最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能 供货地 上海 产地 上海 产品用途 适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 技术参数 输入点数 32 点 尺寸（ mm）宽 *厚 *高 220*87*90 输入输出形式 继电器 输出点数 32点 、 nts 27 4.2.2 PLC接线图 图 9 PLC 接线图 nts
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