(04.5.16)简易数控铣齿机设计.doc

简易数控铣齿机设计明兴祖，姚齐水（湖南冶金职业技术学院，湖南 株洲 412000）摘 要:主要介绍了简易数控铣齿机的组成及工作原理、机械部分设计计算、微机数控系统设计等内容。该数控铣齿机具有生产效率高、加工质量稳定和结构简单等特点。关键词: 铣齿机；数控；设计Design of Simple NC Gear MillMing Xingzu，Yao Qishui（Hunan Metallurgical Professional Technology College Institute，Zhuzhou Hunan 412000，China）Abstract：This paper mainly introduced the compositions and working principle of the simple NC gear mill，plans and computers of mechanical parts，MNC system designs，and so onIt has the characteristics of high production efficiency ，well quality stabilization and simple construction.Key words: gear mill；NC；design图1 钥匙片的形状及尺寸要求1 引言铣齿是一种常用的机械加工方法，普通铣齿不仅生产效率低、加工质量不稳定，而且齿尺寸变化的适应性差，加工成本较高。为了解决这些问题，使加工过程自动化，试设计一种专用的数控机床数控铣齿机，用于铣削锁的钥匙片齿，以满足锁厂的生产需要。本文采用MCS-8098单片机作为控制微机，驱动装置采用步进电机形成开环伺服系统，设计一简易数控铣齿机，主要介绍其组成及工作原理、机械部分设计计算、微机数控系统设计等内容。2 数控铣齿机的组成及工作原理21 加工要求锁钥匙的形状及尺寸要求如图1所示。钥匙片上齿槽深度有四个尺寸，即0.80.03、1.30.03、1.80.03、2.30.03，其编号分别为1、2、3、4。每个钥匙片有五个齿槽，按这四个深度尺寸编号排列（称为齿谱），每四个钥匙片为一个加工组。铣齿机每铣削完一组钥匙片后自动或手动换谱。对数控铣齿机的要求如下：铣削的钥匙片上的齿槽深度应为四个尺寸中之一，齿槽的其它尺寸要求应满足图1的要求，每加工一组钥匙片的时间应小于30s；铣齿机采用手动装卸工件； 铣削过程能自动或手动完成；能在显示器上显示铣削钥匙片的齿谱（如“1、2、3、4、4”），该齿谱在整个齿谱中的排序号（如“1000”），该班工人加工的数量以及该机床的工作方式（“自动”或“手动”）；铣齿机工作可靠、性能稳定、使用维护方便。22 数控铣齿机的组成及工作原理该机床主要由机械部分和微机数控系统两部分组成。而机械部分主要由机座、铣削动力组件、走刀组件、分距夹持组件和进刀组件等五个部分组成。要完成铣削齿槽加工，必须实现以下四个运动：铣刀的切削主运动：由铣削动力组件完成，铣削动力电机通过皮带传动使铣刀轴旋转，带动铣刀产生切削旋转主运动。铣刀的走刀运动：由走刀组件完成，走刀动力电机通过蜗轮减速器带动圆盘凸轮旋转，借推杆推动铣刀组件安装座向左运动，产生走刀运动；在圆盘凸轮附近装有两个接近开关1和2。分距运动：由分距夹持组件完成，分距步进电机通过滚珠丝杆带动夹持组件安装座运动，分距的长度及铣削完齿槽后，夹持组件回位由单片机控制步进电机的正、反转来实现；在分距运动方向设置一个接近开关3，它在分距夹持组件运动到铣刀对准第一个齿槽的位置时产生信号。图2 数控铣齿机各运动控制时序图铣刀的进给运动：由进刀组件完成，进刀步进电机通过滚珠丝杆带动铣刀安装座运动，提升进给深度及退刀距离均通过单片机控制步进电机来实现；在进刀组件进给运动方向设置一个接近开关4，它在铣削动力组件加工完一个钥匙片后，在退回到起始位置时产生信号。为保证铣齿机各运动之间的协调，通过上述四个接近开关产生的信号，由单片机按照如图2所示的各运动控制时序图进行控制，图中S为位移（mm），t为时间（s）。其工作控制过程为：（1）接通电源，按下启动按钮，铣削动力电机及走刀动力电机运转，由于控制走刀运动的凸轮虽能推动推杆左、右移动，但此时推杆顶不到装有铣刀组件的滑座，因此铣刀组件没有走刀运动产生，只有铣刀的旋转运动。（2）当装夹好待加工的钥匙片后，由操作者输入齿谱，按下键盘上的工作按键，此时单片机开始对各运动进行控制。（3）当凸轮回程结束时，接近开关1产生信号输入给单片机，控制进刀步进电机反转，带动铣刀组件上升，铣刀提升到一定的高度后，在凸轮升程开始时，控制进刀步进电机停止运转。随着凸轮转至回程结束时，接近开关1又产生信号，控制铣刀组件上升进刀至第一齿槽所需的深度。在两次铣刀提升过程中，凸轮的基圆对准推杆，推杆不产生运动，则铣刀没有走刀运动，只有进给运动，如图2中的两次铣刀提升部分。（4）铣刀上升进刀至第一齿槽所需的深度时，凸轮升程开始，推杆推动铣刀组件安装座运动，产生走刀运动，开始铣削第一齿槽。当铣削第一齿槽完成后，凸轮升程结束（回程开始），接近开关2产生信号输入给单片机，控制进刀步进电机正转五步，使铣刀退离齿槽底部0.02mm，防止铣刀退回时损伤槽底。然后在弹簧的作用下，铣刀组件退回。当凸轮回程结束时，接近开关1产生信号，使铣刀组件进刀至第二齿槽所需的深度。同时，单片机控制分距步进电机反转一圈，产生分距，使分距夹持组件向后移动4mm。当凸轮升程开始时，铣削第二齿槽。同理，加工第三、第四、第五齿槽。（5）当一个钥匙片上的五个齿槽加工完毕后，在接近开关1产生信号时，单片机控制进刀步进电机正转，带动铣刀组件下降至一定的距离。在凸轮升程开始时，控制进刀步进电机停止运转。随着凸轮转至回程结束时，接近开关1又产生信号，控制铣刀组件继续下降，当碰到接近开关4时，进刀步进电机停止运转，此时铣刀组件下降至起始位置，如图2中的两次铣刀下降部分。同时，单片机控制分距步进电机正转，带动分距夹持组件向前运动，当运动到接近开关3产生信号时，分距步进电机停止运转，此时第二个钥匙片上的第一个齿槽对准铣刀。如此完成一组钥匙片的加工。图3 走刀组件结构原理图3 机械部分设计计算31 机座用于安装、连接各组件的作用，其材料选用HT250灰口铸铁，毛坯采用铸造成型，其强度、耐磨性、铸造工艺性都较好。32 走刀组件3.2.1 走刀组件的结构走刀组件的结构原理图如图3所示。走刀动力电机1（其额定转速为1400r/min）通过联轴器2（其传动比i=30）与蜗轮减速器3相联接，蜗轮减速器的轴与圆盘凸轮4联接，圆盘凸轮推动推杆组件8产生左、右移动，从而推动滑座组件6移动。在推杆的两端装有推杆支座10（固定在机座上），对推杆进行导向；滑座组件的导向是采用滚珠直线导轨5，其导轨安装在机座上。滑座组件的回位依靠回位弹簧7的弹力进行，回位弹簧的左端支靠在推杆支座端面上，该端面不动；回位弹簧的右端支靠在滑座组件端，此端随滑座组件而运动。推杆靠推杆复位弹簧9回位。3.2.2 圆盘凸轮的设计由于凸轮机构能使从动件产生预期规律的往复运动，且结构紧凑、加工方便、精度高，因此该机床的走刀运动采用了凸轮机构。凸轮是凸轮机构的核心零件，这里采用平面凸轮，其材料选用40Cr，高频淬火，HRC 4550，如图4所示。该凸轮采用非对称结构，由五段圆弧组成。升程部分为段，升程42.41mm，升程角90；回程部分为段，回程角为90；基圆部分为段。当一定载荷和运动规律确定后，压力角愈大会造成两方面的不利影响：一方面使凸轮的基圆半径变小，从而使凸轮尺寸变小，对其强度不利；另一方面会使凸轮与从动件之间的作用力增大，摩擦力增图4 圆盘凸轮大，磨损夹具。当大到某一临界值时时，凸轮机构会发生自锁。通过对图4所示的凸轮进行校验，升程的max升=30.845，回程的max回=33.98545，满足要求。3.2.3 回位弹簧的设计回位弹簧的作用是在凸轮回程时，使滑座组件正常回位，回位时不应产生冲击、振动现象，因此设计回位弹簧应根据滑座组件回位时得加速度大小来确定弹簧的刚度，即弹簧的弹力Fma。选用回位弹簧材料为65，其中径D2=45mm，钢丝d=4.5mm，工作圈数n=22，自由高度H0=380mm，查文献1得,G=8000，则弹簧刚度P=0.204（/mm）；回位弹簧安装在滑座内的长度为L2=222 mm，工作时凸轮的回程高度为42.41mm，当推杆在凸轮顶上时弹簧的长度为L1=222-42.41=179.59mm；由图4可求得，推杆在回程时的最大加速度max=2.51（m/s2），此时推杆的位移S=0.388mm，弹簧的压缩长度L=H0L1+S=380-179.59+0.388=200.798mm，弹簧所提供的弹力F= PL=40.96（）=401（N）。滑座组件总重量为15（），则mmax=159.82.51=368.97（N），故Fma，即弹簧的弹力满足滑座组件回位的要求。3.2.4 走刀动力电机的功率计算如图3所示，在铣削的走刀过程中，凸轮对推杆产生加速移动，必然有产生加速度的力；回位弹簧在压缩过程中，产生回位方向的弹簧力；还有铣刀切削工件的力。要保证走刀运动的正常运动，凸轮通过推杆施加给滑座组件的力必须等于前述三个力的合力。也就是说，电机通过蜗轮减速器，提供给凸轮在推杆移动方向的力必须大于前述三个力的合力。由图4可计算在=090范围内，推杆位移S=042.41mm；最大速度Vmax=0.283（m/s），此时加速度a=1.37（m/s2）, 推杆位移S=34.56mm。由于滑座组件总重量为15（），则加速度力F加为F加=ma=159.81.37=201.39（N）弹簧力F弹为F弹=Ph= P（H0L2+S）=0.204(380-222+34.56)=39.28（）=384.96（N）由于切削时的有效功率为P=280W，铣刀转速n=6000r/min，铣刀直径D=80mm，则切削力F切为则三个力的合力F=F加+F弹+F切=597.49（N）；又查文献1，传动效率=0.7，系数k=1.5，故走刀动力电机的功率P为因此选用额定转速为1400（r/mm）、功率为370（w）的三相异步电机作为走刀动力电机。图5 铣削动力组件结构原理图33 铣削动力组件3.3.1 铣削动力组件的结构铣削动力组件的结构原理图如图5所示。主动皮带轮1固定在电机9的输出轴上，通过三角皮带2将动力传给从动皮带轮3，而从动皮带轮固定在铣刀轴6上，铣刀5通过锁紧螺母7固定在铣刀轴的下端，铣刀轴的两端轴颈处装有两个单列向心球轴承8。电机的动力通过皮带轮和皮带传至铣刀轴，使铣刀高速旋转，产生切削主运动。图中4为铣刀轴安装座。3.3.2 铣削动力电机的功率计算铣削的有效动力N为根据已知条件和查文献1，上式中，D（铣刀直径）=80mm，t（切削深度）=2.3mm，B（铣削宽度）=5mm，Z（铣刀齿数）=16，n（铣刀转速）=100（r/s）；又由前面知Vmax=0.283（m/s），可计算每齿进给量mm，则计算出的N=0.281（kw）。考虑皮带传动的效率=0.7和一定的安全系数，则选用额定转速为2800（r/mm）、功率为550（w）的三相异步电机作为铣削动力电机。34 分距夹持组件钥匙片固定夹具安装在分距滑座上，分距滑座由分距步进电机通过滚珠丝杆带动，可前、后运动。图6 铣齿机的微机数控系统控制结构框图35 进刀组件在进刀组件中，铣刀组件安装在滑座上，滑座采用燕尾槽式导轨，滑座由进刀步进电机通过滚珠丝杆带动，可上、下运动。4 微机数控系统设计为完成该机床图2所示的时序控制，本微机数控系统的硬件由8098单片机作为主控制器的数控板、键盘、显示器、4个接近开关、铣削动力电机、走刀动力电机、分距步进电机和进刀步进电机及相关线路等组成，其控制结构框图如图6所示。数控板见图6中的虚框部分，其中8255为可编程并行I/O芯片，用于扩展8098的I/O，通过8255联接键盘和显示器；2764为8K8位的EPROM，用于存放数控系统软件；MK48202为静态数据存储器RAM，用于存放控制过程中的有关数据；74LS138为三八译码器，用于产生片选信号；74LS373锁存器，用来锁存地址。光电隔离器起电平转换和防干扰作用，分别与4个接近开关和步进电机驱动系统联接；分距步进电机和进刀步进电机均选用90BF006五相步进电机，工作方式为五相十拍，步距角为0.36，采用RD053五相步进电机驱动器驱动。5 结束语该简易数控铣齿机采用单片机微机控制，使得钥匙片的加工质量稳定，生产效率高，成本低；由于为一简易数控机床，所以结构简单，操作维护方便，具有小型数控设备的特点，能用于实际生产。参考文献：1 化学工业出版社编机械设计手册M.北京：化学工业出版社，1998.102 王义方主编微型计算机原理及应用M.机械工业出版社，1995.103 明兴祖主编数控加工技术