XK5040数控铣床主轴箱、进给机构及控制系统设计
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南 华 大 学毕 业 设 计 (论 文 )任 务 书学 院： 机械工程学院 题 目： XK5040 数控铣床主轴箱、进给机构及控制系统设计 起止时间： 2008 年 12 月 9 日至 2009 年 6 月 1 日学 生 姓 名： 何文兵 专 业 班 级： 机械设计制造及其自动化 052 班 指 导 老 师： 教研室主任： 院 长： 2008 年 12 月 29 日南华大学本科生毕业设计任务书（一） 题目：XK5040 数控铣床主轴箱、进给机构及控制系统设计给出条件：1、主运动部分：Z=18 级2、进给运动部分：横向、纵向脉冲当量 0.01mm（二） 设计内容、调查分析 XK5040 数控立式铣床的加工特点，确定新设计数控立式铣床的主要技术参数。、进行数控立式铣床的总体方案设计。、完成住运动和进给的机械结构设计。、完成控制系统硬件设计。（三） 任务和要求：、根据总体设计方案，绘制 XK5040 数控立式铣床总体外观图一张。、进行主运动的运动、强度和动力计算，绘制主轴箱部件展开图一张（A0 计算机图一张） 。、进行进给运动的运动和强度计算，绘制出纵向数控进给和垂直进给机构部装图 A0 一张（A0 计算机图） 。、绘制数控铣床主轴零件图一张（A1 手工图） 。、根据控制系统总体设计方案，绘制控制系统电路图一张（A0 或 A1 计算机图） （由指导老师确定） 。6、科技译文（不少于 3000 汉字，原文可自选或由指导教师提供） 。7、编写毕业设计说明书一套（不少于二万字，有英文摘要，全部用计算机打出） 。（四） 主要参考资料：1、 机械设计手册 ，机械工业出版社。2、 实用机床设计手册 ，辽宁科技出版社。3、 机床设计图册 ，上海科技出版社。4、 TLT 集成电路手册 。5、 存储器手册 。6、 机床主轴变速箱设计指导 ，机械工业出版社。7、 机床数控系统设计指导书 ，中国科技出版社。8、 数控机床系统设计 ，文怀兴编著，化学工业出版社。9、 数控铣床设计 ，文怀兴主编，化学工业出版社。10、 机电综合设计指导书 ，中国人民大学出版社。签名： 年 月 日南 华 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 开 题 报 告设 计 （ 论 文 ） 题 目XK5040 数控铣床主轴箱、进给机构及控制系统设计设 计 （ 论 文 ） 题 目 来 源 自选设 计 （ 论 文 ） 题 目 类 型 工程设计类 起 止 时 间 2008 年 12 月 29 日至2009 年 6 月 1 日一、设计（论文）依据及研究意义：数控机床即数字程序控制机床，是自动化机床的一种。最早出现的是数控铣床。60 年代以后，点位控制的机床迅速发展，出现了数控钻床、数控冲床和数控坐标镗床。这类机床不需要复杂的控制算法就可以实现加工。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。数控机床是一种加工效率高、集成度高、用途广泛的机床，现已广泛应用于各个领域。本次设计我选择 XK5040 数控立式铣床设计及控制系统设计。对 XK5040 数控立式铣床的主运动系统和进给系统的机械结构进行了设计和计算，并对其控制系统的硬件电路进行了设计。二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）主要研究的内容：1. 根据给出的技术要求和传动比，推导出转速图，并根据转速图设计各轴和齿轮；2. 进行脉冲当量和进给力的计算，设计进给系统；3. 控制系统的设计技术路线：1. 根据任务书上要求，搜集资料，对设计形成一个系统的、全局的认识，找到设计切入点，确定设计路线：首先以传统设计开始根据现状和已知条件进行改进设计设计计算各齿轮和轴验算和校核。2. 齿轮几何尺寸的设计；3. 绘制全部的零件图及其装配图；三 、 设 计 （ 论 文 ） 的 研 究 重 点 及 难 点 ：1. 各齿轮齿数模数的确定；2. 齿轮在各轴上的分布和主轴箱装配图的绘制；3. 滚珠丝杆的设计；4. 控制部分的设计。四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：2008.12.292009.1.15 日：参考有关书籍及外文资料，确定设计的总体方案。1.16 2.5 日：学习 CAD 、CAXA、solidworks 等软件的用法，达到能上手的目的；2.62.25 日：收集相关设计资料，根据前面所学完成主轴箱的初步设计，经检验后完成最终设计；2.263.19 日：绘制主轴箱装配图草图；3.205.4 日：用 CAD 绘制全部的零件图及其装配图；5.5 6.1 日：编写说明书、整理资料、备答辩。五 、 进 行 设 计 （ 论 文 ） 所 需 条 件 ：1. 本项目有目前相对成熟的数控技术和实例支持；2. 南华大学机械工程学院具有易普机械设计专家、机械设计手册、MATLAB、SolidWorks、CAXA等先进的应用软件；3. 本项目实现预期目标的软、硬件基础条件已经具备。六 、 指 导 教 师 意 见 ：签 名 ： 年 月 日i摘 要数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自 动化、网 络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展， 现代数控机床借助 现代设计技术、工序集 约 化和新的功能部件使机床的加工范围、 动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。本文主要对 XK5040 数控立式铣床及控制系统进行设计，首先分析立式铣床的加工特点和加工要求确定其主参数，包括运动和动力参数；根据主参数和设计要求进行主运动系统、进给 系统和控制系统硬件电路设计。主要进行主运动系统和进给系统的机械结构设计及滚珠丝杠和步进电机的选型和校核；对于控制系统由于这里主要针对经济型数控铣床的设计，这里采用步进电机开环控制，计算机系统采用高性能价格比的 MCS-51 系列单片扩展系统，主要进行中央处理单元的选择、存储器扩展和接口 电路设计。关键词 数控技术；立式铣床；设计iiABSTRACTThe numerical control engine bed is the digital process control engine bed, is one kind of automated engine bed, the numerical control technology is the core which the numerical control engine bed studies, is the manufacturing industry realization automation, the network, the flexibility, the integrated foundation. Along with the manufacture technology development, the modern numerical control engine bed with the aid of the modern design technology, the working procedure intensification and the new function part caused the engine bed the processing scope, the dynamic performance, the processing precision and the reliability had the enormous enhancement .This article mainly carries on the design to the XK5040 numerical control vertical milling machine and the control system, first analyzes the vertical milling machine the processing characteristic and the processing request determines its host parameter, including movement and dynamic parameter; Carry on the host kinematic scheme according to the host parameter and the design request, enters for the system and the control system hardware circuit design. Mainly carries on the host kinematic scheme and enters for the system mechanism design and the ball bearing guide screw and electric stepping motor shaping and the examination; Regarding control system because here mainly aims at the economy numerical control milling machine the design, here uses electric stepping motor open-loop control, the computer system uses the high performance price compared to the MCS-51 series monolithic expansion system, mainly carries on the central processing element the choice, the memory expansion and the connection circuit design .Key words Numerical control technology; Vertical milling machine; Designiii目 录引言 .1第一章 总体设计 .21.1、铣床简介 .21.2、XK5040 型数控铣床的主要技术参数及总传动图 .31.2.1 XK5040 型数控铣床的主要技术参数 .31.2.2 总传动系统图 .4第二章 主运动系统设计 .62.1 传动系统设计 .62.1.1 参数的拟定 .62.1.2 传动结构或结构网的选择 .62.1.3 转速图拟定 .82.1.4 齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制 .11. 传动件的估算与验算 .152.2.1 传动轴的估算和验算 .15.齿轮模数的估算 .18. 展开图设计 .23.结构实际的内容及技术要求 .23. 齿轮块的设计 .25. 传动轴设计 .27. 主轴组件设计 .30iv. 制动器设计 .36. 按扭矩选择 .37. 截面图设计 .38. 轴的空间布置 .38. 操纵机构 .39. 润滑 .39.箱体设计的确有关问题 .40第三章 进给系统设计 .42. 总体方案设计 .42.对进给伺服系统的基本要求 .42.进给伺服系统的设计要求 .42.总体方案 .43. 进给伺服系统机械部分设计 .44.确定脉冲当量，计算切削力 .44.滚珠丝杆螺母副的计算和造型 .46.齿轮传动比计算 .55. 步进电机的计算和选型 .57. 进给伺服系统机械部分结构设计 .65参考文献 .70致谢 .71附录 .72第 1 页 共 79 页引 言数控机床是一种高技术设备,它可以通过改变数控程序,适应不同零件的自动加工,而且可以采用较大的切削用量,利用软件进行精度校正和补偿,从而提高生产效率、加工精度和加工质量,可以实现工序集中、一机多用,能完成复杂型面的加工。数控机床是现代制造业的关键设备,一个国家的数控机床的产量和技术水平在某种程度上反映了这个国家的制造业水平和竞争力。因此数控机床是将来机床研制的重点。本文针对经济型数控立式铣床及其控制系统的设计作简要的讨论。数控铣床是机械和电子技术相结合的产物， ，它的机械结构随着电子控制技术的在铣床上的饿应用，以及铣床性能提出的新要求，而逐步变化。与不同铣床相比数控铣床用三个数控伺服系统替代了传统的机械进给系统，其外形和结构与普通铣床类似。数控铣床的设计主要是进行主运动系统与进给系统的机械结构设计和控制系统设计南华大学机械工程学院毕业设计第 2 页 共 79 页 第一章 总体设计1.1、铣床简介铣床是一种用途广泛的机床。它可以加工平面(水平面、垂直面等)、沟槽（键槽、T 型槽、燕尾槽等） 、多齿零件上齿槽（齿轮、链轮、棘轮、花键轴等）、螺旋形表面（螺纹和螺旋槽）及各种曲面。此外，它还可以用于加工回转体表面及内孔，以及进行切断工作等。由于铣床使用旋转的多齿刀具加工工件，同时有数个刀齿参加切削，所以生产效率高，但是，由于铣刀每个刀齿的切削过程是断续的，且每一个的切削厚度又是变化的，这就使切削力相应地发生变化，容易引起机床振动，因此，铣床在结构上要求有较高的刚度和抗振性。铣床的类型很多，主要类型有：卧式升降台铣床、立式升降台铣床、龙门铣床、工具铣床和各种专门化铣床等。随着科学技术的进步，数控铣床得到了越来越广泛的应用，它一般分为立式和卧式两种，一般数控铣床是指规格较小的升降台数控铣床，其工作台宽度多在 400mm 以下，规格较大的数控铣床，例如工作台宽度在 500mm 以上的，其功能已向加工中心靠近，进而演变成柔性制造单元。数控铣床多为三坐标、两轴联动的机床，也称两轴半控制，即 X、Y、Z 三个坐标轴中，任意两个都可以联动。一般情况下，在数控铣床上只能用来加工平面曲线的轮廓。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加进一个回转的 A 坐标或 C 坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台，这是机床的数控系统为四坐标的数控系统，它可用来加工旋转槽、叶片等立体曲面零件。我们本次设计过程中要接触到的为 XK5040 数控立式铣床。它的工作台宽度为 400mm。南华大学机械工程学院毕业设计第 3 页 共 79 页 1.2、 XK5040 型数控铣床的主要技术参数及总传动图1.2.1 XK5040 型数控铣床的主要技术参数机床设计的初使，首先需确定有关参数，它们是传动设计和就亿个度微设计的依据，影响到产品是否能满足所需要的功能要求，因此，参数拟定是机床设计中的重要问题。机床参数有主参数和基本参数。主参数是最重要的，它直接反映机床的加工能力、特性、决定和影响其他基本参数的数值。如铣床的工作台宽度等。基本参数是一些与加工工件尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的参数。可归纳为：尺寸参数、运动参数和动力参数。XK5040 型数控铣床的主要技术参数如下：工作台：工作台尺寸（长宽） 1600400mm工作台最大纵向行程 900mm工作台最大横向行程 375mm工作台最大垂直行程 400mm工作台 T 型槽数 3工作台 T 型槽宽 18mm工作台 T 型间距 100mm主轴：主轴锥度 50#（7：24）主轴孔径 27mm刀杆直径 32mm 或 50mm主轴前轴承直径 90mm主轴轴向移动距离 70mm部件间主要尺寸：南华大学机械工程学院毕业设计第 4 页 共 79 页 立铣头最大回转角度 45主轴端面到工作台面的距离 50400mm主轴中心线至床身垂直导轨距离 430mm工作台侧面至床身垂直导轨距离 30405mm机动性能：主轴转速级数 18主轴转速范围 301500r/min动力外形：主电机功率 7.5KW主电机转速 1450r/min工作台进给量：纵向 101500mm/min横向 101500mm/min垂直 10600mm/min定位精度 ISO 标准X 0.07mmY 0.05mmZ 0.06mm重复定位精度 ISO 标准 0.03mm工作台最大承载 200kg机床外形尺寸（长宽高） 2495mm2100mm2170mm机床重量 约2700kg1.2.2 总传动系统图XK5040 立式铣床的总的传动系统图如图 1.2 所示。南华大学机械工程学院毕业设计第 5 页 共 79 页 图 1.2 XK5040 总传动系统图南华大学机械工程学院毕业设计第 6 页 共 79 页 第二章主运动系统设计2.1 传动系统设计2.1.1 参数的拟定选定公比，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）.2.1.2 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1z23 123z常采用 P=2 或 3，即变速 Z 应为 2 或 3 的因子：Z= xa2b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 种机构副和对应的南华大学机械工程学院毕业设计第 7 页 共 79 页 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= x x 的1392传动中，扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而，18= x x 的传动顺序不一致，根据“前密后疏”的原则，选择 18= x x 的结构式。13924 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minUmaxU变速范围 = /maxYi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/ =1/4minUx6值: = =2ax 3（ x+ ） 值： = =8 minrx9因此，可选择 18= x x 的传动方案。13925 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= *1z21z32最后扩大传动组的变速范围为：r= =123()z(/2)z按 原则，导出系统的最大收效 Z 和变速范围为：8r3z2 31.26 Z=18 R=50 Z=12 R=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 2.1：南华大学机械工程学院毕业设计第 8 页 共 79 页 图 2.1 结构网图2.1.3 转速图拟定运动参数确定后，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 dn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)dn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。maxn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，其主要性能如下表南华大学机械工程学院毕业设计第 9 页 共 79 页 电机型号 额定功率KW 荷载转速 r/min 同步转速 r/minY132M-4 7.5KW 1440 15002 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：4M3 pL=1/ (3.5 +c n)KWN空 610nda主式中：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；da主轴前后轴径的平均值主南华大学机械工程学院毕业设计第 10 页 共 79 页 中间传动轴的转速之和nn主轴转速（r/min）=20lg -KpL610lg()4.5(1tan)(ancmzqmz 主 主式中：（ 所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值 mm;()amz主轴上齿轮分度圆直径的平均值 mm;主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1c=3.5，车床 K=54，铣床 K=50.51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 v取 =90mm,后轴颈1Dm852平均轴颈 取 d=27mm.71（2） 主轴内孔直径 d 的确定主轴内孔主要用于通过棒料夹紧刀具或工件的控杆,冷却管等,大型,重型机床的空心主轴还可以减轻重量. 确定孔径 d 的原则是在满足对空心主轴孔径的要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下尽量去大些。由材料力学知,南华大学机械工程学院毕业设计第 35 页 共 79 页 轴刚度 K 与抗弯截面惯性矩 I 成正比,与直径之间有下列关系:41()KIdD空 空实 实由上式可知,当 时,空心主轴的刚度 与实心主轴的刚度 相差/0.56dDK空 K实甚小,即内孔对主轴刚度降低的影响很小, 当 时,刚度降低约 25%.因此,/0.7d为了不至于过分地削弱主轴刚度,一般应使 另外,还应考虑主轴的颈外壁厚是否足够. 推荐: 铣床 ,d=拉杆直径+(5-10)mm.根据铣床 XK5040 的主参数, 取 d=29mm.则 22。满足要求./27/903dD（3） 主轴悬伸量 a 的确定主轴悬伸量 a 是指主轴前端大炮前支承径向反力作用中点(一般为前径向支承中点) 的距离 ,它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸(大多都有轴端标准),前支承的轴承配置和密封装置等. 有的还与机床其它结构参数有关,如工作台的行程等. 因此主要由结构设计确定。参考同类机床和,取则悬伸量 a=63mm。 1/0.7,aD4, 主轴跨距 的确定l根据,计算前支承刚度.1.41.457070920/AKNm计算综合变量 =3AEIKa此处取弹性横量 . (钢的 )5210MP5210EMPa主轴的截面惯性距 4464()973.966IDdm则 ： 53.92.75.210由主轴跨距计算线图,得: ， 所以 ./4.8la0324l合理跨距范围为: ，(.751)6.5ll0合 理 之 间为提高刚度,应尽量缩短主轴外延伸长度 a,选择适当的跨距 ,一般推荐l取 /a=3-5。跨距 小时,轴承变形对轴端变形影响大,所以轴承刚度小时, /a 取ll l南华大学机械工程学院毕业设计第 36 页 共 79 页 大值,轴承刚性差时,则取小值。这里取 =4a=4 63=252(mm).l 主轴的材料,热处理及技术要求.（1） 主轴的材料及热处理. 主要为提高强度和韧性,可选用 45 和 40 ,进行调质处理.或调质后局rC部淬硬处理.主要为得到很高的表面硬度,增加耐磨性,可选用 20 渗碳后淬硬;若他r要求也较高时.可选用 G 15 调质后表淬硬处理.rC 精密机床主轴,要求精度保持性好,应选用热处理后残余应力小的材料,如40 ,65 ,进行调质后局部淬硬处理.rCMn由于数控立式铣床主轴支承为滚动轴承,轻,中载荷,低转速,精度要求较高,可选用 40 调质(T235),轴颈部分表面淬硬 (G48).r（2） 主轴的技术要求: 主轴部件的密封主轴部件密封装置的作用是防止润滑剂从部件流出,和防止冷却液,湿气,灰尘,切削液及杂质侵入部件内,导致主轴,轴承和传动件等腐蚀及磨损过快,影响主轴部件的工作性能.（1） 对主轴部件密封装置的要求适应转速要求,在一定的压力和温度范围内具有良好的密封性能. 在密封部位引起的摩擦力尽量小,摩擦系数尽量稳定.适应工作环境的要求,密封性好,耐腐蚀性,磨损小,工作寿命长.磨损后,在一定程度上能自动补偿.结构尽可能紧凑,特别是主轴前支承处的密封装置,轴向尺寸应尽量小,以减小主轴前端部分悬伸量,提高主轴部件刚度.同时力求结构简单,装卸方便.（2） 主轴部件密封装置类型的确定根据主轴转速,主轴轴承的润滑方式,工作温度,工作状况和轴端结构特点来选择密封装置的型式立式铣床的主轴是垂直安装的. 属立式主轴,可选用曲路密封(迷宫式密封), 这装置密封 ,垫圈和曲路相结合的密封. 垫圈甩开油液使其集中南华大学机械工程学院毕业设计第 37 页 共 79 页 于端盖中引回,曲路密封还可以防止外界杂质侵入. 制动器设计对制动器的要求是:制动迅速,平稳,结构简单,紧凑,维修调整方便等 .制动方式有两类:电机制动和机械制动。 在数控铣床上，通常根据刀具与工艺要求需进行主轴转速的变换及制动，这制动装置常用离合器来实现，而电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件。由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选择，因而它已成为自动装置中常用的元件。这里我们采用机械制动,采用电磁离合器制动。按照要求，根据电磁离合器所能传递的静扭矩 和动扭矩 选择各类电jMd磁离合器的规格，型号，从而确定其尺寸。.按扭矩选择一般应使选用和设计的离合器的额定静扭矩 和额定动扭矩 满足工j d作要求。额定静扭矩：jMynNKjn950m式中： 离合器的额定静力矩（Kgm）jK安全系数运转时的最大负载力矩max对于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭矩设计，查机械设计手册表 4-430，取 K=2 取 y=0.99则 K = Kx9550 =2x9550x7.5/1450x0.99=97.8 NmjMmaxjny额定动扭矩：南华大学机械工程学院毕业设计第 38 页 共 79 页 dMmNMtanGDKfa )5.37()( 020式中，加速扭矩；a所有被离合器带动的零件折算到离合器轴上的当量飞轮fGD2矩 ；mkg222122 )()()( nGDnGDzf;.360)(22AVi 安装轴(转速为 n)及轴上零件的非轮矩之和 ;fGD2分别为离合器带动的其他各轴(转速为21),)(n ，n n )上零件的飞轮矩之和;1,2i加速时间,中型车床取 1-3s,位行用 0.010.02s；at空转扭矩。湿式多片式离合器一般为 的 12%，油量小，0MjM精度高，水平安装是取小值；、r、n min/被 动 侧 的 相 对 转 速离 合 器 的 主通过计算，这里选用铣床专用离合器，型号为：DLMOZ-5B。. 截面图设计截面图设计主要考虑以下四个方面的问题:1, 个轴的位置安排:包括主轴,I 轴和中间各传动轴的合理安排和确定 ;2, 箱体结构和外形:变整箱体结构,与床身的连接方式 ,外观造型等;3, 操纵机构的设计和选择;南华大学机械工程学院毕业设计第 39 页 共 79 页 4, 润滑系统的设计和润滑元件的选择. 轴的空间布置轴系布置一般程序是:先确定主轴在变速箱体中的位置 ,再确定传动主轴的轴及与主轴轴齿轮有啮合关系的轴.第三部确定电动机轴或运动输入轴(I 轴)的位置.最后确定其他各传动轴的位置.1主轴和传动主轴的轴立式铣床的主轴是垂直布置的,XKSV40 的主轴可上下移动，装在套筒内，传动主轴的轴与主轴之间用一对 1：1 的齿轮出动，该轴也是垂直分布的。2轴入轴的装置（1）I 轴上装有电磁离合器制动，该部件的位置安排应便于调整；（2）电磁离合器，需要考虑便于冷却和润滑，离主轴部件部件要远一些，以减少摩擦发热对主轴热变形的影响。（3）综上所述，铣床 I 轴一般安排在变速箱后避处；3中间各传动轴主轴和各传动轴位置确定后，中间各传动轴位置即可按转动顺序进行安排，应考虑满足以下要求：（1）装有离合器的轴：要便于装调、维修和润滑（2）装有制动器装置的轴：要便于装调、维修，该轴应布置在靠近箱盖或箱壁处，同时考虑与起、停装置的互锁。（3）装有润滑油泵的轴：要有足够的空间安装润滑油泵，其高度要便于油泵吸油和排油，并便于装卸和调整油泵，装有溅油轮或溅油齿轮的轴应注意圆周速度和侵入油面的深度。（4）其他：使箱体截面尺寸紧凑，比例协调，各操纵机构安排得当等等.操纵机构操纵机构是用来移动滑齿轮以达到变换运动速度的要求，它可以控制运动的启停、换向和其他辅助运动，它的选择和设计对机床的结构和性能的发挥有着直接影响。南华大学机械工程学院毕业设计第 40 页 共 79 页 .润滑主轴变速箱常用的润滑方式有飞润滑和压力循环润滑，飞润滑适用于润滑点比较集中，要求不很高的变速箱，这里我们采用压力循环润滑，压力循环润滑分箱内循环润滑和箱外循环润滑，前者结构简单，布置紧凑，后者冷却润滑效果好。1压力循环润滑系统的计算（1）润滑油量油量 12125.74.5(1)QN油量粗算： .6()/minl式中： 额定功率N机床效率也可用如下公式计算各润滑部位的需油量；35(1)/Qt式中： 允许循环油温升，通常为 45-50t0C.6().657(10.85).6/minNl（2）油池容量： （升）3VQ（升）(7)1.8.3.2油池容积应超过 V 的 30%，即为：7.254-16.93 （升）（3）油管的选择与计算油管的内径计算： 4.63Qdm式中： -流量 （l/min）-管内油的流速 V取主轴管内油的流速为 支油管： =1 l/min,外径 x 壁厚为：4/in,l主 V支4x0.5；回油管： ，外径 x 壁厚为：12x1。0.8m回2柱塞泵的油量计算、结构和规格尺寸供油量 l/min26()/41Qdsnu南华大学机械工程学院毕业设计第 41 页 共 79 页 式中： d-柱塞直径n-柱塞每分钟往复次数， 次/分以 300-700 次/分为宜，400-520 次/分为佳。maxns-柱塞行程。-效率， =0.750.9。.箱体设计的确有关问题箱体材料以中等强度的灰铸铁 HT15-33 和 HT20-40 用得最广泛。需时效处理。砂型铸造时，箱体铸件的最小壁厚：尺寸（长 x 宽 x 高）mm壁厚 mm大于 800x800x500 约 253箱体壁孔对刚度的影响和补偿箱体轴承孔面积点总侧壁面积 30%左右时候，与未开孔的箱体比较，扭转刚度下降 20-30%，弯曲刚度下降更大，为弥补因开孔而削弱的刚度，常用凸缘和加工筋。厚度为：0.7b，筋高：（45）b南华大学机械工程学院毕业设计第 42 页 共 79 页 第三章 进给系统设计. 总体方案设计.对进给伺服系统的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统，进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号响应要快；系统的稳定性要好。.进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出了很高的要求，其中在静态设计方面：南华大学机械工程学院毕业设计第 43 页 共 79 页 （1）能够克服摩擦力和负载，当加工中最大切削力为 20000N30000N 时，电机轴上的转矩需要 10N.m40N.m；（2）很小的进给移动量。目前最小分辨率为 ；0.1m（3）高的静态扭转刚度；（4）足够的调速范围；（5）进给速度均匀，在速度很低是无爬行现象。在动态设计方面有：（1）具有足够的加速和制动装矩，以便快速的完成启动和制动；（2）具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量；（3）负载引起的轨迹误差尽可能小。对数控机床机械传动部件则有以下要求：（1）被加速的运动部件具有较高的惯量；（2）高的刚度和良好的阻尼；（3）传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可能小的非线性。.总体方案进给伺服系统总体方框图如下图.所示。南华大学机械工程学院毕业设计第 44 页 共 79 页 微机 光电隔离光电隔离光电隔离 功率放大功率放大功率放大 步 进电 机步 进电 机步 进电 机向向向图 3.1 进给伺服系统总体方框图. 进给伺服系统机械部分设计进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量，计算切削力，滚珠丝杆螺母副的设计、计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的计算和选型等。南华大学机械工程学院毕业设计第 45 页 共 79 页 .确定脉冲当量，计算切削力确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个重要参数，因此。脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用脉冲当量为 0.01mm/脉冲0.005mm/ 脉冲。在 XK5040 的主要技术参数中要求横向、纵向脉冲当量为 0.01mm。切削力计算在进行进给系统的传动计算,选用步进电机时,都要用到切削力(机床的主要负载).（1）铣削抗刀分析铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给） 。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端面铣刀为基本形线。圆柱铣和端面铣刀的切削部分都可看做车刀刀头的演变，铣刀的每一个齿相当于一把车刀，它的切削基本规律与车削相似。通常假定铣削时，铣刀的铣削抗力作用在刀齿上，如下图 2-6 所示：设刀齿上受到的铣削抗力的合力为 F，将 F 沿铣刀轴线径向和切向进给分解，则分别为轴向铣削力 和径向铣削力 。切向铣削力 是沿铣刀主运动方向的分Xyz力，它消耗的铣床主电机功率最多。因此，切向铣削力可以按切削功率（kw）或主电机功率 （ kw）计算，也可以按切削用量进行计算。mPEP331010()mEZZFNVV或式中：V主轴传递全部功率时的最低切削速度， m/s；机床主传动系统的效率。这里按切削用量进行计算。0.86.720.869.12ZefzFadaZ式中： 铣削接触深度， （mm）;ea每齿进给量， （mm/齿） ；f南华大学机械工程学院毕业设计第 46 页 共 79 页 铣刀直径， （mm） ；0d铣削深度， （mm） ； paZ铣刀齿数。 图 3.2 铣削力及工作台上的载荷取 =2mm， =8mm， =0.1mm/齿， =8mm，Z=4。eapfa0d则， 0.86.72.869.12zef pFaZ.0.8141.352N（2）进给工作台工作载荷的计算作用在进给工作台上的合力 与铣刀刀齿的铣削抗力的余力 F 大小相同F方向相反，如图 2-6 所示，合力 就是设计和校核工作台进给系统的时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台的纵向进给方向载荷 ，工作台横向进给方向载荷 和工作台垂直进给方向载荷 。工LFCFVF作台工作载荷 、 和 与铣刀的切向铣削力 之间有一定的经验笔直比值CVFZ（可查机电综合指导表 2-1） ，因此，求出 后，即可计算出工作台工作载荷 、 和 。即 ：LFCV/1.2,/0.8,/.4LZVZCZFF南华大学机械工程学院毕业设计第 47 页 共 79 页 则： =492.42 N,LF=328.28 N,V=164.14 N.C.滚珠丝杆螺母副的计算和造型1纵向进给丝杆（1） 计算进给牵引力 （N） mF纵向进给为燕尾形导轨。(2)mLVCKfFG式中： 分别为工作台纵向进给方向载荷，,垂直载荷和横向载荷；考虑颠复力矩影响的实验系数；KG移动部件的重量；导轨道上摩擦系数。f这里取： =1.4, =0.2.f而 397.8106401.842.16Gmgv N1.492(.2.)F=1799.134 (N)(2) 计算最大动载荷 C3wmLfF601nT0SVL式中 L寿命，以 为一单位，610南华大学机械工程学院毕业设计第 48 页 共 79 页 n丝杆转速（r/min） ，为最大切削力条件下的进给速度（m/min） ，可取sV最高进给速度的 1/21/3，丝杆导程 （mm） ，0LT为使用寿命（h） ，对于数控机床取 15000h，运转系数，一般运转取 1.21.5，wf初选 06Lm011.52/min.SVnr660.TL3312.57923410.7wmCfFN（3）滚珠丝杆螺母副的选型查表，可采用 NL4006 内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副。1 圈 2 列，其额定负载为 16000N，精度等级为 3 级（大致相当于老标准 E 级） 。（4）传动效率计算tan()r式中： 螺旋升角， NL4006 ,r 024r摩擦角取 滚动摩擦系数 0.0020.004,100tanta24.9,()()r(5) 刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如下图所示：南华大学机械工程学院毕业设计第 49 页 共 79 页 图 3.3纵向进给丝杠计算草图最大牵引力为 1799.134N，支承间距 L=1325mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载荷的 1/3。a, 丝杠的拉伸或压缩变形 1()mFLEA式中： 为工作载荷 作用下丝杠总长度上拉伸或压1 m缩变形量（mm） ；为丝杠工作载荷（N） ；mF为滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm） ；L弹性模量，对刚， ；E420.61EMPa为滚珠丝杠按内径确定的横向截面积（ ） ；A 2m“+”号用于拉伸， “-”用于压缩。14279.1350.13206(/)mFLEA由于两端采用向心推力球轴承，且丝杠有进行了预紧，故其拉压刚度提高了 3 到 4 倍，故实际变形量 11.8.4m为 :b, 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 2该变形量与滚珠列，圈有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠的南华大学机械工程学院毕业设计第 50 页 共 79 页 长度无关。可用下式计算：有预紧时， 2230.8myFdZZ圈 数 列 数00(),3()DDdd外 循 环 内 循 环式中： 轴向工作负载（N） ；mF预紧力（N） ；y滚珠直径（mm） ，NL4006，0d03.96.dm滚珠数量；Z每一圈的滚珠数；滚珠丝杠的公柱直径。0D04328.96Zd571,myFN2 32 230 179.4.8.080.41.658my mdZc,支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 ，一般占的比重比较大，不同类型的3轴承的接触变形量 可用不同的公式计算。 c采用推力球轴承 8106 滚动体直径 滚珠数目 10,dm6.Qdm16Z南华大学机械工程学院毕业设计第 51 页 共 79 页 2 233179.40.50.50.676mcQFmdZ因施加预紧力，故31.2C13028410.3.102.m显然此变形量小于定位精度，故刚度足够。（6）稳定性校核计算临界负载 ()KFN2ZKfEIL式中： 材料弹性横量（ ） ，刚为E2/Ncm60.1;截面惯性距（ ） ，对于丝杠为I 2c41();6d为 丝 杠 内 径L丝杠两支承端距离（cm） ；丝杠支承变形系数，一端固定一端自由取zf.zf滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需作稳定性校核。2横向进给丝杠（）.计算进给牵引力 mF横向导轨为矩形导轨，计算公式如下：m()LVCkfG这里 164.FN 92CL南华大学机械工程学院毕业设计第 52 页 共 79 页 328.VFN而移动部件的重力 G 除工作台重量外还有横向溜板的重量，这里去横向溜板的重量为 800N，则 。对于矩形导轨， k=1.1, 49.160592.16f=0.15因此， ()mLVCFkfF 1.64.015(328.49.256.1)1157.483N（） 、计算最大动载荷 C(初选 )0L001.512minsvrnL662.T3wmCfF这里取 .，则f312.517.4831.52N（） 、滚珠丝杠螺母副的选型从附录表中查取，可选用 NL3006 内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠，圈列，其额定动载荷为 12100N，精度等级为级。（） 、传动效率计算tan()对于 NL3006 型， 39otan0.5(1)o（） 、刚度验算横向进给丝杠最大牵引力为 1231.346N,支承间距 L=600mm，因丝杠长度南华大学机械工程学院毕业设计第 53 页 共 79 页 较短。不许预紧，用螺母及轴承预紧。计算如下：a、 丝杠的拉伸或压缩变形量 1()mmm14257.8360.620()mFLEAb、滚珠与螺纹滚道间接触变形量 （mm）2查 N 系列圈列丝杠螺母副滚珠和螺纹滚道的接触变形量 ，5.2Qm但由于进行了预紧， 21.60.6Qmc、 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 （mm）3采用圆锥滚子轴承 7206， 1,4,1oulz0.9.8.0.76sinsinmcuFlz0.90.8.1543.i6io m考虑到进行了预紧，故31.452cm综合以上几项变形量之和：1230.6.20.45.13m显然此变形量小于定位精度要求。（） 、稳定性较核计算临界负载 ()KFN2ZfEIL南华大学机械工程学院毕业设计第 54 页 共 79 页 式中： 材料弹性横量（ ） ，刚为E2/Ncm620.1/;Ncm截面惯性距（ ） ，对于丝杠为I 4()d为 丝 杠 内 径L丝杠两支承端距离（cm） ；丝杠支承变形系数，一端固定一端自由取 .。zf zf4441.6780.396Idcm226.5.1.8976.zkfEIFL9786.1234k kmnn一般 .5k:此丝杠不会产生失稳。3垂直进给丝杠（）计算进给牵引力 mF垂直导轨为矩形导轨，计算如下：()mLVCFkfG这里： 328.4916.LVCNF而移动部件的重量除工作台、横向溜板外，还有升降台重量，取 1000N，则4892.0692.1GN对于矩形导轨： 1.,.5kf因此， ()mLVCFFG .328.0(492.16.492.16)南华大学机械工程学院毕业设计第 55 页 共 79 页 1465.792N（）计算最大动载荷 C（初选 ）012L01.65min12svrnL660.T3wmCfF这里取 .，则f32.5146.7920.1N（）滚珠丝杠螺母副选型查表，可选用 型外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝1602wL杠副，.圈列，额定动载荷为 34000N，精度等级为级。（）传动效率计算tan()对 型，160wL3o因此，tan0.948(1)o（） 、刚度验算垂直进给丝杠最大牵引力为 1488.037N.滚珠丝杠受工作载荷引起的导程的变化量为：0L01PLlEF620465.792,1,20.1NNmEcm南华大学机械工程学院毕业设计第 56 页 共 79 页 22 25.43.1.89FRcm16790.315.l丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略，所以导程总误差为：10.0.1l mL显然此变形量小于定位精度，故刚度足够。4 纵、横向及垂直方向滚珠丝杠副的参数表见下表 3.1表 3.1 NL4006、W 1L6012 及 NL3006 滚珠丝杠几何参数参数名称 符号 关系式 NL4006 W1L6012 NL3006公称直径 do 40 60 30导程 L0 6 1 6接触角 244 3 39 3 39钢珠直径 dq 3.969 7.144 3.969滚道 面半径 R R=0.52dq 2.064 3.715 2.064偏心距 e e=(R-dq/2)sin 0.056 0.101 0.056螺纹滚道螺纹升角 r 0arctndL244 3 39 3 39外径 d d=do-(0.20.25) dq39 58.5 29内径 d1 d1=do+2e-2r 40 60 30螺杆 接触直径 dZ dZ=do-dq cos 36.036 52.869 26.036螺纹直径 D D=do-2e+2R 44.016 67.23 34.016螺母 内径 D1 D1=do+(0.20.25) dq40.913 61.643 30.913南华大学机械工程学院毕业设计第 57 页 共 79 页 .齿轮传动比计算为满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统负载惯量尽可能小，传动链中采用齿轮传动。已知脉冲当量 （mm/脉冲） ，滚珠丝杠导程 （mm） ，并初选步进电机p0L步距角 后，可以根据下式计算齿轮传动比：b036pbiL式中： 脉冲当量（mm/step）;p滚珠丝杠的基本导程（mm） ；0L步进电机的步距角b计算出传动比 后，再根据降速级数决定采用一对或两对齿轮传动，再决定i各对齿轮的齿数、模数、和各项技术参数，因为进给伺服系统传递功率不大，一般取模数 ,数控车床、铣床取 ，所以这里我们取 。12m:2m2m纵向及横向进给齿轮传动比计算已确定纵向及横向进给脉冲当量 0.01mm,滚珠丝杠导程 =6mm,初选p0L步金电机的步距角 0.75。可以计算出传动比 为：bi036.10.8756pbiL可以选定齿轮齿数为： 1243,zi这里纵向取齿数为： ，横向取齿数为： 。0520垂直进给齿轮传动比计算由于 XK5040 垂直方向的进给运动是有步进电机驱动，经圆锥齿轮带动滚珠丝杠传动。这里我们取脉冲当量 =0.01mm, =12mm,初选步进电机步距角p0L南华大学机械工程学院毕业设计第 58 页 共 79 页 0.75，则：b036.10.4752pbiL可以选定齿轮齿数为 12,zi这里我们确定齿数为： 。垂直方向齿轮模数我们取 m3。5.步进电机的计算和选型纵向进给步进电机（1）初选步进电机a、 计算步进电机的负载转矩 mT（ ）362pbFNc试中： 脉冲当量（mm/step） ；p进给牵引力（N） ；mF步距角，初选双拍制为 0.75；b电机丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为 0.98，0.99，0.99 和 0.94。36360.179.34152.3072.58.pmbFT Ncm b、 估算步进电机的起动转矩 qT12.3075.690.35mc
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