数控雕铣机进给系统机械设计

衢州学院毕业设计（论文）题目： 数控雕铣机进给系统机械设计作者： 杨志锋 系 （部）： 机械工程学院 专业班级： 机械设计与制造机制（2）班 指导教师： 田敬 职称： 讲师 二 O 一一年一月十八日 I毕业设计（论文）任务书课题名称 数控雕铣机进给系统机械设计系 别 机械工程学院 专业/班级 机械设计与制造 级（2）班学生姓名 杨志锋 学 号 22指导教师 田敬 单位/职称 机械工程学院 /讲师课题来源 科研课题 成果形式 论文所属岗位 机械加工与设计一 、 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 课 题 的 主 要 内 容 、 任 务 和 目 标 、 基 本 要 求 等 ：根 据 已 知 条 件 确 定 极 限 转 速 、 公 比 、 结 构 网 和 结 构 式 、 绘 制 转 速 图 ， 得 到 主 运 动 传动 系 统 图 ； 设 计 雕 铣 机 进 给 运 动 传 动 系 统 图 ， 得 到 各 轴 的 计 算 转 速 ； 设 计 三 个 方 向 进 给运 动 ； 进 给 运 动 的 转 速 和 功 率 扭 矩 特 性 ； 三 个 方 向 进 给 运 动 是 如 何 实 现 的 ； 进 给 运 动 的部 件 和 零 件 如 何 选 择 ； 进 给 运 动 零 件 的 计 算 校 核 。 齿 轮 间 隙 的 消 除 和 丝 杠 螺 母 机 构 的 预紧 等 。 完 成 一 张 进 给 运 动 装 配 图 和 进 给 运 动 零 件 图 。二 、 实 践 要 求 ：顶 岗 实 习 单 位 要 与 机 械 加 工 岗 位 相 关 ， 时 间 12 周 ， 要 求 熟 悉 所 使 用 的 机 械 加 工 工 具 的工 作 原 理 ， 并 能 熟 练 操 作 加 工 出 合 理 的 零 件 ， 对 零 件 的 加 工 工 艺 和 工 序 及 整 件 的 装 配 有所 了 解 。 加 强 动 手 能 力 的 培 养 。 加强对数控机床的认识和操作，能独立解决机床方面简单的问题，并对自己的毕业设计做修改和完善。三 、 进 度 安 排1.校内查阅文献资料，完成开题报告；（2 周）2.根据数控雕铣机的具体参数，确定总体设计方案；合理选取电动机；（1 周）3.根据总体设计方案，进行进给运动设计与校核（2 周）4.完成装配图和零件图的绘制，顶岗实习；（1 周）5.整 理 毕 业 设 计 论 文 资 料 ， 准 备 毕 业 答 辩 ； （1 周 ）6.毕 业 答 辩 ； （ 1 周 ） II四 、 推 荐 的 主 要 参 考 资 料1范云涨,陈兆年.金属切削机床设计简明手册.机械工业出版社,1994.72翁世修,王良申.金属切削机床设计指导.交通大学出版社, 1988.23毛谦德,李振清.机械设计师手册第二版.机械工业出版社,2004.14黄鹤汀.金属切削机床上、下册 .机械工业出版社,2005.75李澄,吴天生,闻百桥.工程制图第二版.高等教育出版社,2004.26郁汉琪.机床电气控制技术.高等教育出版社,2006.17郁汉琪.机床电气实验、课程设计指导书.北京：高等教育出版社， 2001.78中国纺织大学，天津大学机床设计图册.科技技术出版社, 1979.6 9陈立德.机械设计基础.高等教育出本社，2004.4指导教师签名 田 敬 2009 年 12 月 12 日专业负责人签名 徐惠敏 2009 年 12 月 13 日 I数控雕铣机进给系统机械设计摘 要雕铣机（CNC engraving and milling machine）它是数控机床的一种。.一般认为雕铣机是使用小刀具、大功率和高速主轴电机的数控铣床。雕刻机的优势在雕，如果加工材料硬度比较大也会显得力不从心。雕铣机的出现可以说填补李两者之间的空白。雕铣机既可以雕刻，也可铣削，是一种高效高精的数控机床。雕铣机这个概念最先是由佳铁提出并且实现的。本次的课题设计就是通过对 X轴系统的重力计算、横向进给运动的设计、滚珠丝杠的传动设计、垂向进给系统的设计等一系列的设计计算，重点研究机床主要功能特点、机床主要零部件设计计算和主轴的转速的实现等关键问题。以达到就在保持数控雕铣机进给系统的优点的情况下克服其缺点的目的。关键词： 雕铣机， ，X 轴系统，滚珠丝杠，步进电机，进给系统 I目 录第一章 前 言 .11.1 数控雕铣机发展现状综述 .11.2 设计要解决的问题和拟采用的研究方法 .11.3 解决思路及步骤 .21.4 机床参数 .2第二章 X 轴系统零部件的计算与校核 .42.1 X 轴系统的重力计算 .42.2 横向进给运动的设计 .52.2.1 切削力计算 .52.2.2 滚珠丝杠的设计 .52.2.3 横向步进电机的选用 .72.3 滚珠丝杠的传动设计 .82.3.1 选取滚珠丝杠的型号 .82.3.2 丝杠传动扭矩校核 .82.3.3 校核丝杠的当量动载 .102.3.4 滚珠丝杠的校核 .102.4 垂向进给系统的设计 .122.4.1 滚珠丝杠设计 .122.4.2 垂向步进电机的选用 .13第三章 结束语 .15参考文献 .16谢 辞 .17 1第一章 前 言1.1数控雕铣机发展现状综述雕铣机是使用小刀具、大功率和高速主轴电机的数控铣床。我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机床有 1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。领域之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在 800010000rmin 以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用 CAD等技术，很多企业已开始和计划实施应用 ERP、MRP和电子商务。1.2设计要解决的问题和拟采用的研究方法此次的设计任务为小型数控雕铣床的设计，撰写一份详细的设计说明书、绘制一张小型数控雕铣床的装配图、若干零件图及 PLC 电气控制原理图。该设计主要解决如下问题：1.设计进给运动中各个零部件及分析其工作特点；2.选择合理的步进电机实现三个方向的进给运动；3.滚珠丝杠轴承的选择及定位,轴向力如何传递，间隙如何调整；4、撰写设计说明书、绘制数控雕铣机的装配图、零件图。拟采用的研究方法： 21）到学校数控基地增强对数控雕铣机系统和结构的认识；拆装并测绘数控雕铣机，使自己对数控机床有了感性的认识；2）去学校图书馆翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍再对其系统内部零件进行设计：机床主运动传动系统的设计；各个主运动零件工作优点；机床主要零件部件设计计算。3）翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍，采用小组讨论的方法共同确定数控雕铣机的结构，并进行相关工艺参数的校核。4）独立完成工程图的绘制。1.3 解决思路及步骤 解决思路如图 1-1 所示。1.机床进给运动设计丝杠传动的结构和特点，滚珠丝杠及轴承的选择，定位；由三个不同的步进电机来控制三个方向进给运动过程。2.机床主要零部件的设计（1）步进电机的选择计算；（2）滚珠丝杠的设计计算； （3）滚珠丝杠的轴承的选取与校核；图 1-1 铣床设计框图 31.4机床参数工 作 台 尺 寸（ X/Y） 500/480毫 米最 大 行 程（ X/Y/Z） 400/400/150毫 米最 大 工 件 尺 寸（ X/Y/Z） 400毫 米最 大 刀 具 直 径（ Er20） 13毫 米主 轴 电 机 功率 3千 瓦最 大 进 给 速 度 5米 /分 钟主 轴 转 速 范 围 1500-24000转 /分 钟分 辨 率 士 0.001毫 米/脉 冲定 位 精 度 士0.01毫 米重 复 定 位 精 度 士 0.005 毫 米外 型 尺 寸 （ 长 /宽 /高 ） 1500/1500/1800毫 米机 器 总 功率 5 千 瓦机器轴联动数 3 4第二章 X 轴系统零部件的计算与校核2.1 X轴系统的重力计算主轴系统主要由三部分组成：3KW 主轴安装座、滑块及拖板。根据中的图纸分别计算 3KW 主轴安装座、滑块的体积 V 及其重量 G。 工业用铝合金的密度；灰铸铁的密度 。3250/k1.7mgHT 主轴安装座的体积 V1及重力 G1计算：3921 m1072.204120540505268 V NVgm98.17.3.G311 铝 合 金 滑块体积 V2及重力 G2计算： 392 1025.7531972508195704681073960 m NgVmGHT .3.12.33250 拖板体积 V3及重力 G3计算 393 m1024.42570486120180729450274 NVgmGHT .94.3.3g3250 52.2 横向进给运动的设计2.2.1切削力计算工作台约重 30Kg 切削功率为： （2.1）NKC式中： 主电机功率，3Kw 主传动系统总功率系数，取 0.6进给系统功率系数，取 0.96根据公式(2-1)可得： 1.728 KwCN又因为 ，/6120cZFV则 =1.058 KN 6120ZC式中： 切削线速度，取 min/故主切削力： 通常 KNFZ.580.69ZFF纵 （ ） 0.457ZF垂 （ ）0.5zF横 （ ）取： KNFzZ0.529.476.3.垂横纵2.2.2滚珠丝杠的设计工作台横向进给丝杠的轴向力：（2.2）/FKfw横 垂轴 （ ） 式中： 考虑颠覆力矩影响的实验系数， 1.K工作台， 30WkgN导轨上的摩擦系数，/f /.5f 6横向切削力，F横 KNF0.476横根据公式（2.2）得：0.65KN轴 3.529.1.0476.1强度计算滚珠丝杠的转速： /fnVp 式中： 取 60mm/minf滚珠丝杠螺距，6mmp则得： /10/minfnVr寿命值： =60nT/L69式中：T寿命时间，15000h最大负载： （2.3）13wHfF轴Q （ ）式中： 运转系数，取 1.2f硬度系数，取 1.1H轴向切削力，0.65 KNF轴根据公式(2.3)可得： =1.7847KNQ65.012.)9(31根据经验，选取滚珠丝杠的型号 FDM236LH1T7，即内循环浮动式，双螺母垫片预紧，公称直径为 23，螺距为 6mm，左旋，一圈二列，T 型 7 级精度，滚珠直径为 3.82（取 4）,其额定动负荷为 12.8KN，其强度够用。 （2.4）/10tsin2fgd摩 擦 角根据滚珠丝杠的型号可查得其螺旋升角； /42式中： 滚动摩擦系数，取 0.001/f滚珠直径,4mm0d滚珠与滚道的接触角，取45 7根据公式(2.4)可得： 1 /0.t.4052.3sin2g则滚珠丝杠的传动效率：0/0/44.30.915tgtgt（ ） （ ）2.2.3横向步进电机的选用 1、确定步距角：取系统的脉冲当量 ，选用步距角0.1/Pm脉 冲 0.72b2、启动力矩的计算：丝杠牵引力： .4sFfW当横 KN50式中： 当量摩擦系数，0.01f当设步进电动机等效负载力矩为 ，负载力为 ，根据能量守恒原理，F负电动机所做的功与负载所做的功相等，即 ML负则： FLM负又因 ，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移WFs1负 （ ）量 L 为一个脉冲当量 0.001cm，这时电动机转过的负载的角度2/360b故 FM负 1()2psbFcm/04.96N式中： 机床导轨摩擦系数，取 0.18与重力方向一致，作用在移部件上的负载力，1.165KN1F如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为 0.25，则 对于工作方式/(0.35)qM503.4/qMNCm 8为五相十拍的步进电动机： max/0.712.8/qMNCm3、步进电动机的最高频率：取横向进给速度最大为 ，则步进电动机的最高频率为ax1/inV。根据以上数据和经验，查机械设计手册maxax10/(6)7pf Hz第 5 卷表 35.2-10 选用 90BYG5502 型步进电动机较合适，该电动机步距角为，最大静转距为 300 ，最高空载启动频率为 2200Hz。 .36072 /NCm2.3 滚珠丝杠的传动设计2.3.1选取滚珠丝杠的型号本机床主电机采用 90BYG5502 型混合式步进电机，电机的静扭矩为300 ，步距角为 ，根据类比法选用内循环滚珠丝杠：/NCm0.3672FDM236LH1T72.3.2丝杠传动扭矩校核1.丝杠传动效率 ：/tanp （ ）式中： 中径处的螺纹升角 12tanSdS螺纹导程， 6mm丝杠中径，21mm2有 16tan4.37当量摩擦角/p/10tansi2fpd 9滚动摩擦系数， 0.001/f滚珠直径，取 4mm0d滚珠与滚道的接触角，45有 /10tansi2fpd1.t4sin50.所以 tan371%9.4.5（ ）2.丝杠驱动扭距：根据 （2.5）2PSM式中：P所受轴向力，426NS螺纹导程，6mm传动效率，91.5%根据公式(2-5)可得： 4260.4591MNm3.丝杠传递的扭矩 /1.20 i Nm/M ， 故 可 以 使 用2.3.3校核丝杠的当量动载型号为 FDM236LH1T7 丝杠的当量动载为 12.8KN丝杠的寿命系数 hf 10根据13hLf（ ）50式中： 预期寿命，15000hh故有 =hf3150.42转速系数 nf根据13.nf（ ）式中： 当量转速 max1502/in2nr故有 3.5nf（ ）当量轴向载荷 dPmax1738.2d N丝杠当量动载 C1.ndhfP36.0378.572.N安全2.3.4滚珠丝杠的校核1.滚珠与螺纹滚道之间的接触变形 1根据 2310.8aPdZ（ ）式中： 轴向载荷，378.5Nap滚珠直径，3.969mm0 11滚珠数量Z圈 数 列 数一 圈 的 滚 珠 数025316.79.9DZd有 ，取167. 34Z所以 22318.50. .10.94m（ ）由于滚珠丝杠已预紧， / 21.6故2.丝杠轴向拉伸压缩变形 2根据 52310L又因为 m所以 527.3.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3根据 2330.4aPdZ式中： 轴承的滚动体直径，3.6mma轴承的轴向载荷，378.5N轴承的滚动体数，18Z所以23378.50.41.96m（ ）4.滚珠丝杠副总变形 /12367.59427.50.mm符合要求 122.4 垂向进给系统的设计 2.4.1 滚珠丝杠设计根据： (Fkf垂 垂 垂 +W)式中： 考虑颠覆力矩影响的实际系数， k1.垂向切削分力垂导轨的摩擦系数，f f0.5刀头重量 .21G可得： F垂 0.43KN滚珠丝杠的转速 取 60/nVfpf/min滚珠丝杠螺距=6 m故 10/nfp/ir取寿命时间 ，则寿命值 则运转系数 ，150Th1L60/9nT1.2wf硬度系数 则最大负载.hf 3.8whQfFKN垂根据经验选取滚珠丝杠的型号： 即内循环浮动式，双2567DMH螺母垫片预紧，公称直径为 25 ，螺距 6 ，采用左旋、一圈二列、T 型m7 级精度，其额定动负荷 12.8 Q，其强度够用。KN由于所选滚珠丝杠的螺旋升角 ，摩擦角04210sin2ftgd式中： 导轨的摩擦系数，f f.滚珠直径 3.9690dm滚珠与滚道的接触角04510.2.34sin5tg则滚珠丝杠的传动效率： 1300/()42/(24.3)0.915tgtgt.%2.4.2 垂向步进电机的选用1.确定步距角取系统的脉冲当量 ，选用步距角0.1/Pm脉 冲 0.72b2.启动力矩丝杠牵引力 SF.4fW当横式中： 当量摩擦系数，f当 f当 0.1因 S 0.3=16 .1.+032=KN该步进电动机等效负载力矩为 ，负载力为 ，根据能量守恒原理，电动MF负机所作的与负载所做的功相等即 则 MFL负 /L负因 ，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量 L 为一1()SW负个脉冲当量 ，这时电动机转过的角度 ，代入得0.cm02/36b/FL负 0136()pSFW0.340.8./2.7.6c729N式中： 机床导轨摩擦系数取 .KNF165.1重如果不考虑启动时的运动部惯性的影响，则启动力矩 ，取安/0.3qM全系数为 ， ，对于工作方式为四相八拍的步进电机0.3cm9qNM3、步进电动机的最高频率取横向进给速度最大为 ，则步进电动机的最高频率为ax1/inV，根据以上数据和经验范围选用 90BYG5502 型步进电max10a/6pfV17HZ 14动机较合适，该电动机步距角为 ，最大静转距为 ，最高空载启动0.3672 30/NCm频率为 。20Hz 15第三章 结束语经过三个多星期的奋斗，在指导老师的带领和同学的帮助下，终于完成了本次设计。本次设计的主要内容是：根 据 已 知 条 件 确 定 极 限 转 速 、 公 比 、 结 构 网 和 结构 式 、 绘 制 转 速 图 ， 得 到 主 运 动 传 动 系 统 图 ； 设 计 雕 铣 机 进 给 运 动 传 动 系 统 图 ， 得 到各 轴 的 计 算 转 速 ； 设 计 三 个 方 向 进 给 运 动 ； 进 给 运 动 的 转 速 和 功 率 扭 矩 特 性 ； 三 个 方向 进 给 运 动 是 如 何 实 现 的 ； 进 给 运 动 的 部 件 和 零 件 如 何 选 择 ； 进 给 运 动 零 件 的 计 算 校核 。 齿 轮 间 隙 的 消 除 和 丝 杠 螺 母 机 构 的 预 紧 等 。 完 成 一 张 进 给 运 动 装 配 图 和 进 给 运 动零 件 图 。此次的设计任务为 CGM4300 小型数控雕铣机的设计，我们到学校数控基地增强对数控铣床系统和结构的认识；通过拆装机床，并进行测绘，对数控机床有了感性的认识，还去学校图书馆翻阅了一些有关数控铣床的改造的书籍，对其系统内部零件进行了设计。通过本次对数控雕铣机主传动的设计，有机会使自己所学的知识和实践相联系，更加深刻体会了设计的快乐，也了解了自己诸多的不足