XK5040數(shù)控立式銑床主運動系統(tǒng)及進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

摘 要 數(shù)控機床即數(shù)字程序控制機床，是一種自動化機床 ，數(shù)控技術是數(shù)控機床研究的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網絡化、柔性化、集成化的基礎。 隨著制造技術的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床借助現(xiàn)代設計技術、工序集約化和新的功能部件使機床的加工范圍、動態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高 。 本文主要對 控立式銑床及控制系統(tǒng)進行設計，首先分析立式銑床的加工特點和加工要求確定其主參數(shù)，包括運動和動力參數(shù)；根據(jù)主參數(shù)和設計要求進行主運動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)硬件電路設計。主要進行主運動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的機械結構設計及 滾珠絲杠和步進電機的選型和校核；對于控制系統(tǒng)由于這里主要針對經濟型數(shù)控銑床的設計，這里采用步進電機開環(huán)控制，計算機系統(tǒng)采用高性能價格比的 列單片擴展系統(tǒng)，主要進行中央處理單元的選擇、存儲器擴展和接口電路設計。 由于本文采用 8031 單片機控制系統(tǒng)，因此，設計出的立式銑床性能價格比高，滿足經濟性要求。可實用于加工精度較高的場合 。 關鍵詞 數(shù)控技術，立式銑床， 設計 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 he is is of is is of on to on to on at to on ,031 is to 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 目 錄 摘 要 . 0 1 總體設計 . 4 床簡介 . 4 數(shù)控銑床的總體布局、主要技術參數(shù)及總傳動系統(tǒng)圖 . 4 數(shù)控銑床的總體布局 . 4 數(shù)控銑床的主要技術參數(shù) . 5 總傳動系統(tǒng)圖 . 7 2 主運動系統(tǒng)設計 . 8 動系統(tǒng)設計 . 8 數(shù)的擬定 . 8 動結構或結構網的選擇 . 8 速圖擬定 . 10 輪齒數(shù)的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制 . 12 傳動件的估算與驗算 . 15 動軸的估算和驗算 . 15 齒輪模數(shù)的估算 . 18 展開圖設計 . 23 結構實際的內容及技術要求 . 23 齒輪塊的設計 . 24 傳動軸設計 . 26 主軸組件設計 . 29 制動器設計 . 34 按扭矩選擇 . 34 截面圖設計 . 35 軸的空間布置 . 36 操縱機構 . 36 潤滑 . 36 箱體設計的確有關問題 . 37 進給系統(tǒng)設計 . 39 總體方案設計 . 39 對進給伺服系統(tǒng)的基本 要求 . 39 進給伺服系統(tǒng)的設計要求 . 39 總體方案 . 39 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計 . 40 確定脈沖當量，計算切削力 . 40 滾珠絲桿螺母副的計算和造型 . 42 齒輪傳動比計算 . 50 步進電機的計算和選型 . 51 進給伺服系統(tǒng)機械部分結構設計 . 61 控制系統(tǒng)設計 . 65 制控制系統(tǒng)結構框圖 . 65 類型 . 65 儲器擴展電路設計 . 66 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 程序存儲器的擴展 . 66 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 . 67 I/O 接口電路及輔助電路設計 . 67 I/O 接口電路設計 . 67 步進電機接口及驅動電路 . 68 其他輔助電路 . 69 參考文獻 . 72 致謝 . 74 附 錄 （英文翻譯及實習報告） .未定義書簽。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 4 1 總體設計 床簡介 銑床是一種用途廣泛的機床。它可以加工平面 (水平面、垂直面等 )、溝槽（鍵槽、 T 型槽、燕尾槽等）、 多齒零件上齒槽（齒輪、鏈輪、棘輪、花鍵軸等）、螺旋形表面（螺紋和螺旋槽）及各種曲面。此外，它還可以用于加工回轉體表面及內孔，以及進行切斷工作等。 由于銑床使用旋轉的多齒刀具加工工件，同時有數(shù)個刀齒參加切削，所以生產效率高，但是，由于銑刀每個刀齒的切削過程是斷續(xù)的，且每一個的切削厚度又是變化的，這就使切削力相應地發(fā)生變化，容易引起機床振動，因此，銑床在結構上要求有較高的剛度和抗振性。 銑床的類型很多，主要類型有：臥式升降臺銑床、立式升降臺銑床、龍門銑床、工具銑床和各種專門化銑床等。 隨著科學技術的進步，數(shù)控銑 床得到了越來越廣泛的應用，它一般分為立式和臥式兩種，一般數(shù)控銑床是指規(guī)格較小的升降臺數(shù)控銑床，其工作臺寬度多在400下，規(guī)格較大的數(shù)控銑床，例如工作臺寬度在 500上的，其功能已向加工中心靠近，進而演變成柔性制造單元。數(shù)控銑床多為三坐標、兩軸聯(lián)動的機床，也稱兩軸半控制，即 X、 Y、 Z 三個坐標軸中，任意兩個都可以聯(lián)動。一般情況下，在數(shù)控銑床上只能用來加工平面曲線的輪廓。對于有特殊要求的數(shù)控銑床，還可以加進一個回轉的 A 坐標或 C 坐標，即增加一個數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉工作臺，這是機床的數(shù)控系統(tǒng)為四坐 標的數(shù) 控系統(tǒng)，它可用來加工旋轉槽、葉片等立體曲面零件。 我們本次設計過程中要接觸到的為 控立式銑床。它的工作臺寬度為 400 數(shù)控銑床的總體布局、主要技術參數(shù)及總傳動系統(tǒng)圖 數(shù)控銑床的總體布局 圖 示為 數(shù)控銑床的布局圖，床身 6 固定在底座 1 上，用于安裝與支承機床各部件。操縱臺 10 上有 示器、機床操作按鈕和各種開關買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 及指示燈?？v向工作臺 16、橫向溜板 12 安裝在升降臺 15 上，通過縱向進給伺服電動機 13、橫向進給伺服電動機 14 和垂直 升降進給服電動機 4 的驅動，完成X、 Y、 Z 坐標進給。強電柜 2 中裝有機床電器部分的接觸器、繼電器等。變壓器器箱 3 安裝在床身立柱的后面。數(shù)控柜 7 內裝有機床數(shù)控系統(tǒng)。保護開關 8、11 可控制縱向行程硬限位；擋鐵 9 為縱向參考點設定擋鐵。主軸變速手柄和按鈕板 5 用于手動控制主軸的正、反轉、停止及切削液開停等。 圖 床外觀圖 數(shù)控銑床的主要技術參數(shù) 機床 設計的初使，首先需確定 有關參數(shù)，它們是傳動設計和就億個度微 設計的依據(jù)，影響到產品是否能滿足所需要的功能要求，因此，參數(shù) 擬定是機床設計中的重要問題。 機床參數(shù)有主參數(shù)和基本參數(shù)。主參數(shù)是最重要的，它直接反映機床的加工買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 能力、特性、決定和影響其他基本參數(shù)的數(shù)值。如銑床的工作臺寬度等?；緟?shù)是一些與加工工件尺寸、機床結構、運動和動力特性有關的參數(shù)?？蓺w納為：尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)。 數(shù)控銑床的主要技術參數(shù) 如下： 工作臺： 工作臺尺寸（長寬） 1600 400作臺最大縱向行程 900作臺最大橫向行程 375作臺最大垂直行程 400作臺 T 型槽數(shù) 3 工作臺 T 型槽寬 18作臺 T 型間距 100軸： 主軸錐度 50#（ 7： 24） 主軸孔徑 27桿直徑 32 50軸前軸承直徑 90軸軸向移動 距離 70件間主要尺寸： 立銑頭最大回轉角度 45 主軸端面到工作臺面的距離 50 400軸中心線至床身垂直導軌距離 430作臺側面至床身垂直導軌距離 30 405動性能： 主軸轉速級數(shù) 18 主軸轉速范圍 30 1500r/力外形： 主電機功率 電機轉速 1450r/作臺進給量： 縱向 10 1500mm/向 10 1500mm/直 10 600mm/位精度 準 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 X 復定位精度 準 作臺最大承載 200床外形尺寸（長寬高） 249521002170床重量 約 2700 總傳動系統(tǒng)圖 式銑床的總的傳動系統(tǒng)圖如圖 示。 圖 傳動系統(tǒng)圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 2 主運動系統(tǒng)設計 動系統(tǒng)設計 數(shù)的擬定 選定公 比 ，確定各級傳送機床常用的公比 為 慮適當減少相對 速度損失，這里取公比為 =根據(jù)給出的條件：主運動部分 Z=18 級，根據(jù)標準數(shù)列表，確定各級轉速為：（ 30， 60， 75， 95， 118， 150， 190，235， 300， 375， 475， 600， 750， 950， 1180， 1500R/. 動結構或結構網的選擇 1 確定變數(shù)組數(shù)目和各變數(shù)組中傳動副的數(shù)目 該機床的變數(shù)范圍較大，必須經過較長的傳動鏈減速才能把電機的轉速降到主軸所需的轉速。級數(shù)為 Z 的傳動系統(tǒng)由若干個傳動 副 組成，各 個傳動副，即 Z=1 2 3zz 。 傳動副數(shù)由于結構的限制，通常采用 P=2 或 3，即變速 Z 應為 2 或 3 的因子： Z=2a 因此， 這里 18=3需三個變速組。 2 傳動組傳動順序的安排 18 級轉速 傳動系統(tǒng)的傳動組，可以排成： 3 3 選擇傳動 組 安排方式時，要考慮到機床主軸變速率的 具體結構，裝置和性能。I 軸如果安置制動的電磁離和器時，為減少軸 向尺寸。第一傳動組的傳動副 數(shù) 不能多，以 2 為宜，有時甚至用一個定比傳動副；主軸對加工精度，表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用 2 ，或一個定比傳動副。 這里，根據(jù)前多后少的原則，選擇 18=3案 。 3 傳動系統(tǒng)的擴大順序安排 對于 18=3傳動，有 3！ =6 種可能安排，亦即有 6 種機構副和對 應的結構網，傳動 方案中，擴大順序與傳動順序可以一致，結構 式 18=13動中，擴大順序與傳動順序一致，稱為順序擴大傳動，而， 18=3據(jù)“前密后疏 ”的原則，選擇 18=13 4 驗算變速組的變速范圍 齒輪的最小傳動1/4，最大傳動比2， 決定了一個傳動組的最大變速范圍紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 因此，可按下表，確定傳動方案： 根據(jù)傳動比及指數(shù) x, x 的值 公比 極限值傳動比指數(shù) x 值 : =1/4 6 x 值 : x =2 3 （ x+ x ） 值： =8 9 因此，可選擇 18=13 5 最后 擴大傳動組的選擇 正常連續(xù)順序擴大傳動（串聯(lián)式）的傳動式為： Z=1z 1*2z 1z 3z 12 r= 1 2 3( 1)z z z 11= ( /2) 按 8r 原則，導出系統(tǒng)的最大收效 Z 和變速范圍為： 3 =18 R=50 Z=12 R=此，傳動方案 18=3*3*2 符合上述條件，其結構網如下 圖 圖 結構網圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 速圖擬定 運動參數(shù)確定后，主軸各級轉速就已知，切削耗能確定電機功率。在此基礎上，選擇 電機的型號，分配個變速組的最小傳動比；擬定轉速圖，確定各中間軸的轉速。 1 主電機的選擇 中型機床上，一般都采用交流異步電動機 為動力源，可在下列中選用，在選擇電機型號時，應注意： （ 1）電機的 N： 根據(jù)機床切削能力的要求確定電機功率，但電機產品的功率已標準化，因此，按要求應選取相近的標準值。 （ 2）電機的轉速3000， 1500， 1000， 750， r/取決于電動機的極對數(shù) P 0f/p=60p ( r/機床中最常用的是 1500 r/ 3000r/種，選用是要使電機轉速與主軸 最高速度宜，以免采用過大 的升速 或過小的降速傳動 。 根據(jù)以上要求，我們選擇功率為 速為 1500r/電機，查表，其型號為 主要性能如下表 電機型號 額定功率 荷載轉速 r/步轉速 r/132440 1500 2 分配最小傳動比，擬定轉速圖 （ 1） 軸的轉速： 軸從電機得到運動，經傳動系統(tǒng)轉化為主軸各級轉速，電機轉速和主軸最小轉速應相近，顯然，從動件在高速 運轉下功率工作時所受扭矩最小來考慮， 軸轉速不宜將電機轉速降得太低。弱軸上裝有離合器等零件時，高速下摩檫損耗，發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此， 軸轉速也不宜也太高， 軸轉速一般取 7001000r/右較合適。 因此，使中間變速組降速緩慢。以減少結構的徑向尺寸，在電機軸 I 到主傳動系統(tǒng)前端軸 增加一對 26/54 的降速齒輪副，這樣，也有利于變型機床的設計，改變降速齒輪傳動副的傳動比，就可以將主軸 18 級轉速一起提高或降低。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 （ 2）中間軸的轉速 對于中間傳動軸的轉速的考慮原則是：妥善解決結構尺寸大小和噪音，振動等性 能要求之間的矛盾。 中間傳動軸轉速較高時，中間傳動軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸徑和齒輪模數(shù)小些： d 4M , m 3M 從而可使 結構緊湊。但這樣引起空載功率 1/ 610 (3.5 n n)中： C 系數(shù)，兩支承滾動軸承和滑動軸承 C=支承滾動軸承 C=10； 所有中間軸軸徑的平均值 （ ； 主軸前后軸徑 的平均值 （ n 中間傳動軸的轉速之和 ； n 主軸轉速（ r/； 011 0 l g ( ) 4 . 5 ( 1 t a n ) ( )m z q m z n 主 主中： () 所有中間傳動齒輪的分度圓直徑的平均值 () 主軸上齒輪分度圓直徑的平均值 q 傳到主軸上所經過的齒輪 對數(shù) 主軸齒輪螺旋角 1c,K 系數(shù)，根據(jù)機床類型及制造水平選取，我國中型車床，銑床1c=床 K=54，銑床 K=上述經驗公式可知，主軸 n 和中間傳動軸的轉速和 對機床噪音和發(fā)熱的關系，確定中間軸轉速時，應結合實際情況做相應的修正。 a，對高速輕載或精密機床，中間軸轉速宜取低些 b,控制齒輪圓周速度 v取 1D =90軸頸 52 平均軸頸 72 21 取 d=27（ 2） 主軸內孔直徑 d 的確定 主軸內孔主要用于通過棒料夾緊刀具或工件的控桿 ,冷卻管等 ,大型 ,重型機床的空心主軸還可以減輕重量 . 確定孔徑 d 的原則是在滿足對空心主軸孔徑的要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下盡量去大些 。 由材料力學知 ,軸剛度 K 與抗彎截面慣性矩 I 成正比 ,與直徑之間有下列關系 : 41 ( )KI D 空 空實 實由上式可知 ,當 / 0 時 ,空心主軸的剛度 實相差甚小 ,即內孔對主軸剛度降低的影響很小 , 當 / 時 ,剛度降低約 25%為了不至于過分地削弱主軸剛度 ,一般應使 / 另外 ,還應考慮主軸的頸外壁厚是否足夠 . 推薦 : 銑床 ,d=拉桿直徑 +(5主參數(shù) , 取 d=22。 滿足要求 . （ 3） 主軸懸伸量 a 的確定 主軸懸伸量 a 是指主軸前端大炮前支承徑向反力作用中點 (一般為前徑向支承中點 )的距離 ,它主要取決于主軸端部結構型式和尺寸 (大多都有軸端標準 ),前支承的軸承配置和密封裝置等 . 有的還與機床其它結構參數(shù)有關 ,如工作臺的行程等 . 因此主要由結構設計確定 。 參考同類機床和 ,取1/ 0.7,懸伸量 a=63 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 33 4, 主軸跨距 l 的確定 根據(jù) , 計 算 前 支 承 剛 度1 . 4 1 . 4 511 7 0 0 1 7 0 0 9 0 9 . 2 5 5 1 0 / N m m . 計算綜合變量 =3此處取彈性橫量 52 1 0E M P a . (鋼的 52 1 0E M P a ) 主軸的截面慣性距 4 4 4 4 6 4( ) ( 9 0 2 7 ) 3 . 1 9 3 1 66 4 6 4I D d m m 則 ： 56532 1 0 3 . 1 9 3 1 0 2 . 7 5 9 59 . 2 5 5 1 0 6 3 由主軸跨距計算線圖 ,得 :0 / 所以0 . 合理跨距范圍為 : ( 0 . 7 5 1 . 5 ) 2 2 6 . 8 4 5 3 . 6 0合 理 之 間， 為提高剛度 ,應盡量縮短主軸外延伸長度 a,選擇適當?shù)目缇?l ,一般推薦 取 l/a=3跨距 l 小時 ,軸承變形對軸端變形影響大 ,所以軸承剛度小時 , l/a 取大值 ,軸承剛性差時 ,則取小值 。這里 取 l=4a=4 63=252( 主軸的材料 ,熱處理及技術要求 . （ 1） 主軸的材料及熱處理 . 主要為提高強度和韌性 ,可選用 45 和 40行調質處理 主要為得到很高的表面硬度 ,增加耐磨性 ,可選用 20若 他 要求也較高時 質后表淬硬處理 . 精密機床主軸 ,要求精度保持性好 ,應選用熱處理后殘余應力小的材料 ,如405進行調質后局部淬硬處理 . 由于數(shù)控立式銑床主軸支承為滾動軸承 ,輕 ,中載荷 ,低轉速 ,精度要求較 高 , 可選用 40軸頸部分表面淬硬 ( （ 2） 主軸的技術要求 : 主軸部件的密封 主軸部件密封裝置的作用是防止?jié)櫥瑒牟考鞒?,和防止冷卻液 ,濕氣 ,灰塵 ,切削液及雜質侵入部件內 ,導致主軸 ,軸承和傳動件等腐蝕及磨損過快 ,影響主軸部件的工作性能 . （ 1） 對主軸部件密封裝置的要求 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 34 適應轉速要求 ,在一定的壓力和溫度范圍內具有良好的密 封性能 . 在密封部位引起的摩擦力盡量小 ,摩擦系數(shù)盡量穩(wěn)定 . 適應工作環(huán)境的要求 ,密封性好 ,耐腐蝕性 ,磨損小 ,工作壽命長 在一定程度上能自動補償 . 結構盡可能緊湊 ,特別是主軸前支承處的密封裝置 ,軸向尺寸應盡量小 ,以減小主軸前端部分懸伸量 ,提高主軸部件剛度 裝卸方便 . （ 2） 主軸部件密封裝置類型的確定 根據(jù)主軸轉速 ,主軸軸承的潤滑方式 ,工作溫度 ,工作狀況和軸端結構特點來選擇密封裝置的型式立式銑床的主軸是垂直安裝的 . 屬立式主軸 ,可選用曲路密封 (迷宮式密封 ),這裝置密封 ,墊圈和曲路 相結合的密封 . 墊圈甩開油液使其集中于端蓋中引回 ,曲路密封還可以防止外界雜質侵入 . 制動器設計 對制動器的要求是 :制動迅速 ,平穩(wěn) ,結構簡單 ,緊湊 ,維修調整方便等 電機制動和機械制動 。 在數(shù)控銑床上，通常根據(jù)刀具與工藝要求需進行主軸轉速的變換及制動，這制動裝置常用離合器來實現(xiàn)，而電磁離合器是應用電磁效應接通或切斷運動的元件。由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產品可供選擇，因而它已成為自動裝置中常用的元件。這里我們采用機械制動 ,采用電磁離合器制動。 按照要求，根據(jù) 電磁離合器所能傳遞的靜扭矩號，從而確定其尺寸。 按扭矩選擇 一般應使選用和設計的離合器的額定靜扭矩 額定靜扭矩： jM 9 5 5 0 式中：離合器的額定靜力矩（ K 安全系數(shù) 運轉時的最大負載力矩 對于 需要在負載下啟動和變速，或啟動時間有特殊要求時，應按動扭矩設計，查機械設計手冊表 4 K=2 取 y=文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 35 則 定動扭矩： dM )()( 020式中， 加速扭矩； 2 所有被離合器帶動的零件折算到離合器軸上的當量飛輪矩 2； 2222211222 )()()()()( 0)()( 222 ; 2 安裝軸 (轉速為 n)及軸上零件的非輪矩之和 ; 2212 )(,)( 分別為離合器帶動的其他各軸 (轉速為 n ,1 上零件的飛輪矩之和 ; 中型車床取 1行用 0式多片式離合器一般為2%，油量小，精度高，水平安裝是取小值； 。，r、n mi n/被動側的相對轉速離合器的主 通過計算，這里選用銑床專用離合器，型號為： 截面圖 設計 截面圖設計主要考慮以下四個方面的問題 : 1, 個軸的位置安排 :包括主軸 ,I 軸和中間各傳動軸的合理安排和確定 ; 2, 箱體結構和外形 :變整箱體結構 ,與床身的連接方式 ,外觀造型等 ; 3, 操縱機構的設計和選擇 ; 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 36 4, 潤滑系統(tǒng)的設計和潤滑元件的選擇 . 軸的空間布置 軸系布置一般程序是 :先確定主軸在變速箱體中的位置 ,再確定傳動主軸的軸及與主軸軸齒輪有嚙合關系的軸 的位置 1 主軸和傳動主軸的軸 立式銑床的主軸是垂直布置的 ,主軸可上下移動，裝在套筒內，傳動主軸的軸與主軸之間用一對 1： 1 的齒輪出動，該軸