数控铣床进给系统结构设计_毕业设计论文

数控铣床进给系统结构设计 【 摘要 】 在国际贸易中，很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润主要电机出口产品。世界贸易强国在进行国内机电产品贸易的同时，把高技术的机电产品出口打入国际市场，作为发展出口经济的重要战略措施， 数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控铣床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置 。 【 关键词 】 数控机床；发展趋势；智能化；柔性化 n as to at is an of 录 1主运动系统设计 . 2 . 3 . 3 . 3 . 5 . 7 . 10 动轴的估算和验算 . 10 轮模数的估算与验算 . 12 . 17 构实际的内容及技术要求 . 17 轮块的设计 . 18 动轴设计 . 20 轴组件设计 . 23 动器设计 . 26 2 进给系统的设计与计算 . 27 . 27 械部分设计与计算 . 27 . 27 . 33 直方向进给系统的设计与计算 . 40 3控制系统设计 . 46 . 46 类型 . 47 . 47 . 48 据存储器的扩展 . 48 I/. 49 I/. 49 步进电机接口及驱动电路 . 49 其他辅助电路 . 50 参考文献 . 51 致 谢 . 51 附 录 . 52 引言 装备制造业是国民经济的基础支柱产业，而机械装备制造业又是其中的基础，其为制造工具提供 了来源，因此改善生产效率，提高产品的质量就要从基础根源抓起，其中铣刀在其中就扮演重要的角色，因此研究铣刀就是一个重要环节。在机械加工中，金属铣削刀具的几何参数的合理选择及搞质量的刃磨，直接影响到机械加工的质量，数控铣床通常对进给系统的要求有三点，即传动精度，系统的稳定性和动态响应特性 (灵敏度 )。传动精度包括动态误差，稳态误差和静态误差，即伺服系统的输入量与驱动装置实际位移量的精确程度。系统的稳定性是指系统在启动状态或外界干扰作用下，经过几次衰减震荡后，能迅速地在新的或原来的平衡状态的能力。动态响应特性是指系 统的响应及驱动装置的加速能力。为确保数控铣床进给系统的传动精度，系统的稳定性和动态响应性，对进给驱动装置机械结构的总要求是消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高部件精 度和刚度，为了达到上述要求，本次毕业设计就是为改善上述性能，对数控铣床的进给系统的传动结构设计，为了提高生产效率，掌握数控铣床进给系统和传动系统，同时掌握之后再对系统传动结构进行设计 ， 我国机床工业已经取得了很大的成就，但与世界先进水平相比，还有较大的差距。主要表现在：大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差，特别是高效自动 化和数控化机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。而我国目前只能做到 5辨率为 1 。国内产品的质量与可靠性也不够稳定，特别是先进数控系统的开发和研制还需要作进一步的努力。机床基础理论和应用技术的研究明显落后。人员技术素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要。因此，我国机床工业面临着光荣而艰巨的任务，必须奋发图强，努力工作，不断扩大技术队伍和提高人员的技术素质，学习和引进国外的先进技术，大力开展科学研究，以便早日赶上世界先进水平。 1 主运动系统设计 数的 拟定 ： 选定公比，确定各级传送机床常用的公比 为 虑适当减少相对速度损失，这里取公比为 =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， 60， 75， 95， 118， 150， 190， 235， 300， 375，475， 600， 750， 950， 1180， 1500R/. 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，个传动副，即 Z=1 2 3。传动副数由于结构的限制，通常采用 P=2或 3，即变速 或 3的因子： Z=2a 因此 ，这里 18=3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： 3 3 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=3案。 3，传动系统的扩大顺序安排 对于 18=3传动，有 3！ =6种可能安排，亦即有 6种机构副和对应的结构网，传动方案中，扩大顺序与传动顺序可以一致，结构式 18=13大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而， 18=3据“前密后疏”的原则，选择 18=13 4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变速范围按下表，确定传动方案： 根据传动比及指数 x, x 的值 公比 极限值传动比指数 =1/4 6 x 值 : x =2 3 （ x+x ） 值： =8 9 因此，可选择 18=13 5、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=1z 1*2z 1z 3z 12 r= 1 2 3( 1)z z z 11= ( /2) 按 8r 原则，导出系统的最大收效 3 =18 R=50 Z=12 R=此，传动方案 18=3*3*2 符合上述条件，其结构网如下图 图 结构网图 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3000， 1500， 1000， 750， r/取决于电动机的极对数 P 0f/p=60p ( r/机床中最常用的是 1500 r/ 3000r/种，选用是要使电机转速与主轴最高速度免采用过大或过小的降速传动。 根据以上要求，我们选择功率为 速为 1500r/电机，查表，其型号为 主要性能如下表 电机型号 额定功率 荷载转速r/步转速r/132440 1500 2、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/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 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 4M , m 3M 从而可使结构紧凑。但这样引起空载功率 1/ 610 (n)中： C 系数，两支承滚动轴承和滑动轴承 C=支承滚动轴承 C=10； 所有中间轴轴径的平均值； 主轴前后轴径的平均值 n 中间传动轴的转速之和 n 主轴转速（ r/ 011 0 l g ( ) 4 . 5 ( 1 t a n ) ( )m z q m z n 主 主中：（ () 所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值 () 主轴上齿轮分度圆直径的平均值 q 传到主轴上所经过的齿轮对 数 主轴齿轮螺旋角 1c,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=床 K=上述经验公式可知，主轴 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 1D =90轴颈52 平均轴颈 72 21 取 d=272), 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 材料力学知 ,轴刚度 K 与 抗弯截面惯性矩 与直径之间有下列关系 : 41 ( )KI D 空 空实 实由上式可知 ,当 / 0 时 ,空心主轴的刚度 实相差甚小 ,即内孔对主轴刚度降低的影响很小 , 当 / 时 ,刚度降低约 25%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主参数 , 取 d=22。满足要求 . 3), 主轴悬伸量 主轴悬伸量 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1/ 0.7,悬伸量 a=63 4), 主轴跨距 l 的确定 根据 ,计算前支承刚度 1 . 4 1 . 4 511 7 0 0 1 7 0 0 9 0 9 . 2 5 5 1 0 / N m m . 计算综合变量 =3此处取弹性横量 52 1 0E M P a . (钢的 52 1 0E M P a ) 主轴的截面惯性距 4 4 4 4 6 4( ) ( 9 0 2 7 ) 3 . 1 9 3 1 66 4 6 4I D d m m 则有： 56532 1 0 3 . 1 9 3 1 0 2 . 7 5 9 59 . 2 5 5 1 0 6 3 由主轴跨距计算线图 ,得 :0 / 所以0 . 合理跨距范围为 : ( 0 . 7 5 1 . 5 ) 2 2 6 . 8 4 5 3 . 6 0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 l ,一般推荐 取 l/a=3距 l 小时 ,轴承变形对轴端变形影响大 ,所以轴承刚度小时 , l/轴承刚性差时 ,则取小值。这里取 l=4a=4 63=252( 7. 主轴部件的 密封 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 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号，从而确定其尺寸。 2 进给系统的设计与计算 利用微机对纵横垂直进给系统进行半闭环控制，脉冲当量都为 冲，驱动元件采用步进电机，传动 系统采用滚珠丝杠副。 采用微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向、垂直进给运动。 械部分设计与计算 1纵向进给系统的设计 采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。 2纵向进给系统的设计计算 工作台重量： W=992N(根据图纸粗略计算 ) 时间常数： T=25 珠丝杠基本导程： 程： S=900距角： /速进给速度： 1 1）切削力计 算 由机床设计手册可知，切削功率 中： 机床说明书， N=W； 般为 = 为 K= 则有： 向铣削力： 103 N 中： m/s） 则有： V= D 95/60000=s=102m/ Z =102 =2964（ N） 进给工作台工作载荷计算 从数控铣床中表 2一般立式铣削时， 工作台纵向进给方向载荷： 294 N 作台横向进给方向载荷： 2964=1185 N 作台横向进给方向载荷： 2964=592 N 2)滚珠丝杠设计计算： 由数控技术可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力： 采用燕尾导轨 )2( 中 K= f =有： NF m 5739)449211852592( 1）强度计算： 寿命值： 61060L 1000L 2.9 r/ m/,取最高进给速度的 1/3 表得 T=15000h 00L=6有： v= m 031 m836 0 0 n r/L 50008360 6 最大动负载 C 查表得：运转状态系数 5.1C 据最大动负荷 选则滚珠丝杠的型号。查表 2取滚珠丝杠直径为 50号为 额定载荷为 29350N，所以强度足够。 2） 效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 为： )( tg 中： 得： 253 珠丝杆副的滚动摩擦系数 f=摩擦角约等于 10 则有： 9 1253( 253 tg 3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 丝杆的拉压变形量 1 1 中： 60 钢 80 2( 22 有： 珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 有预紧： )(2 式中：表得 圈数 列数 5 1 3=75 91357393131 有 : 32 751 9 1 7 3 90 0 1 610 丝杆的总变形量 21 11 610 表知 1 15um/m 故刚度足够。 4)稳定性验算 失稳时的临界载荷 中 :对钢对丝杆圆截面 )(641 d 1d =48有： 6448 4I 260444 取 L=900mm 参考图 2 有 : 1 3 0 6 1 2 8900 2 6 0 4 4 42 稳定安全系数 57391306128 选丝杆稳定安全系数 表得： 4则有 故稳定性不存在问题。 （ 3）齿轮及转矩的有关计算 1）有关齿轮计算 传动比 0 0 0 取 0 0 m=2 =20 020 则有 040211 0050222 42 *11 042 *22 02 1 0 0802 21 )转动惯量计算： 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 2220 499)2( 杠的转动惯量 224444 丝 齿轮的转动惯量 244 244 电动机转动惯量很少，可以忽略 因此，总的转动惯量 12 )(12 丝 2 =2 8. 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 0 中 度力矩； 0算到电机轴上的附加摩擦力矩； ).(10602 2m a x 中： ). 2 2 s） ,取t=有： m 0 0360m a xm a x 空载摩擦力矩： ).(2 0 中： N） f 0.2 i= =0L=有： ).(4992 附加摩擦力矩： )1(2 200 G 中： 0=有： J 1913573931 0M= 0=(4) 步进电机的选择 步进电机的名义启动转矩 满足最小步距要求，电机选用五相十拍工作方式，查表知 a x M 以，步进电机最大静转矩： a x 步进电机最高 工作频率： 0 5 0 060 m a xm a x 合考虑，查表选用 130直流步进电机，能满足使用要求。 1横向进给系统的设计 采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。 2横向进给系统的设计计算 工作台重量： W=892N(根据图纸粗略计算 ) 时间常数： T=25 珠丝杠基本导程： 程： S=375距角： /速进给速度： 1 1）切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 式中： 机床说明书， N=W； 般为 = 为 K= 则有： 向铣削力： 103 N 式中： m/s） 则有： V= D 95/60000=s=102m/Z =102 =2964（ N） 进给工作台工作载荷计算 从数控铣床中表 2一般立式铣削时， 工作台纵向进给方向载荷： 294 N 工作台横向进给方向载荷： 2964=1185 N 工作台横向进给方向载荷： 2964=592 N （ 2)滚珠丝杠设计 计算： 由数控技术可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力： 采用矩型导轨 )( 式中 K= f =有： NF m 4860)88921185592( 1）强度计算： 寿命值： 61060L 01000L r/ m/,取最高进给速度的 1/3 表得 T=15000h 00L=6有： v= m 031 m836 0 0 n r/ 50008360 6 最大动负载 C 查表得：运转状态系数 5.1C 根据最大动负荷 选则滚珠丝杠的型号。查表 2取滚珠丝杠直径为 50号为 额定载荷为 29350N，所以强度足够。 3） 效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 为： )( tg 得： 112 珠丝杆副的滚动摩擦系数 f=摩擦角约等于 10 则有： 9 1112( 112 tg 3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 丝杆的拉压变形量 1 1 式中： 60 钢 80 2( 22 有： 珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 有预紧： )(2式中：表得 圈数 列数 5 1 3=75 91348603131 则有 : 32 751 9 1 8 6 00 0 0 1 10 丝杆的总变形量 21 9表知 1 15um/m 故刚度足够。 4)稳定性验算 失稳时的临界载荷2L 式中 :对钢对丝杆圆截面 )(641 1d 1d =48有： 6448 4I 260444 取 L=375mm 参考图 2 有 : 7 5 2 3 2 9 43 7 5 2 6 0 4 4 42 稳定安全系数 48607523294选丝杆稳定安全系数 表得： 4则有 故稳定性不存在问题。 （ 3）齿轮及转矩的有关计算 1）有关齿轮计算 传动比 0 0 0 故取 0 0 m=2 =20 020 则有 040211 0050222 42 *11 042 *22 02 1 0 0802 21 2)转动惯量计算： 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 2220 889)2( 丝杠的转动惯量 224444 丝 齿轮的转动惯量 244 244 电动机转动惯量很少，可以忽略 因此，总的转动惯量 12 )(12 2 =2 6. 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 0式中 0算到电机轴上的附加摩擦力矩； ).(10602 2m a x 式中： 动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（ ). 2 2 所需时间（ s） ,取t=有： m 0 0360m a xm a x 空载摩擦力矩： ).(2 0 式中： N） f 0.2 i= =0L=有： ).(8892 附加摩擦力矩： )1(2 200 G 式中： 0=有： J 16 2048 6031 0M= 0=(4) 步进电机的选择 步进电机的名义启动转矩 为满足最小步距要求，电机选用五相十拍工作方式，查表知 a x M 所以，步进电机最大静转矩： a x 步进电机最高工作频率： 0 5 0 060 m a xm a x 综合考虑，查表选用 130直流步进电机，能满足使用要求。 直方 向进给系统的设计与计算 1垂直进给系统的设计 采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。 2垂直进给系统的设计计算 工作台重量： W=892N(根据图纸粗略计算 ) 时间常数： T=25 珠丝杠基本导程： 2程： S=400距角： /速进给速度： 600 1）切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 式中： 机床说明书， N=W； 般为 = 为 K= 则有： 向铣削力： 103 N 式中： m/s） 则有： V= D 95/60000=s=102m/102 =2964（ N） 进给工作台工作载荷计算 从数控铣床中表 2一般立式铣削时， 工作台纵向进给方向载荷： 294 N 工作台横向进给方向载荷： 2964=1185 N 工作台横向进给方向载荷： 2964=592 N （ 2)滚珠丝杠设计计算： 由数控技术可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力： 采用矩型导轨 )()( 式中 K= f =有： NF m 1 1 0 5 4)1 1 8 52 9 6 4( 8 1）强度计算： 寿命值： 61060L 01000L r/ m/,取最高进给速度的 1/3 表得 T=15000h 00L=10有： v= m 31 m2010 0 0 n r/ 1810 150002060 6 最大动负载 C 查表得：运转状态系数 5.1C 1833 根据最大动负荷 选则滚珠丝杠的型号。查表 2取滚珠丝杠直径为 50号为 额定载荷为 50700N，所以强度足够。 4） 效率 计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 为： )( tg 得： 253 珠丝杆副的滚动摩擦系数 f=摩擦角约等于 10 则有： 9 1253( 253 tg 3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 丝杆的拉压变形量 1 1 式中： 100 钢 80 2( 22 有： 珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 有预紧： )(2式中：表得 圈数 列数 5 1 3=75 684110543131 则有 : 32 753 6 8 49 6 1 0 5 40 0 1 10 丝杆的总变形量 21 12表知 1 15um/m 故刚度足够。 4)稳定性验算 失稳时的临界载荷式中 :对钢对丝杆圆截面 )(641 1d 1d =48有：