简易数控铣齿机设计说明书.doc

2016届毕业设计（论文）简易数控铣齿机设计 教 学 部： 机电信息工程 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 罗源 班 级：机设1204 学号 1212110127 指导教师姓名： 明兴祖 职称 教授 最终评定成绩 2016年5月 湖南工业大学科技学院毕业设计（论文）简易数控铣齿机设计教 学 部：机电信息工程专 业：机械设计制造及其自动化学 号：1212110127学生姓名：罗源指导教师：明兴祖 教授 2016年5月湖南工业大学科技学院毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目简易数控铣齿机设计是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。除此之外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明应承担的责任。 作者签名： 日期：2016 年 5 月 20日摘要随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。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。本文介绍了数控铣齿机的基本结构，工作原理，铣齿机各运动的实现及其控制，铣齿机有关部件的计算及单片机控制程序框图，电气控制原理。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ABSTRACTWith the continuous development of numerical control technology and application field expands, he to the national economy and peoples livelihood some important industry (IT, automobile, light industry, medical, etc.) is playing a more and more important role in the development, because the digital equipment needed for the industry has been the trend of modern development.The milled tooth is one commonly used machine-finishing method, the ordinary milled tooth production efficiency is not only low, the processing quality is unstable, moreover the tooth size changes compatibility is bad, the processing cost is high. In order to solve these problems, causes the processing process automation, tries to design one special-purpose numerically-controlled machine tool - - numerical control gear cutter, uses in key piece tooth which the milling locks, locks the factory satisfiedly the production need.This article introduced the numerical control gear cutters basic structure, the principle of work, gear cutter various movements realization and controls, gear cutter related parts computation and monolithic integrated circuit control procedure diagram, electric control principle.This numerical control gear cutter has the production efficiency to be high, the processing quality is stable and structure simple and so on characteristics.Keywords: Gear mill, NC, Design目 录第1章 绪论11.1 数控机床简介11.1.1 数控机床的产生和发展11.1.2 数控机床的特点21.2 数控机床的工作原理和组成31.2.1数控机床的工作原理31.2.2数控机床的组成31.3 数控机床的分类4第2章 铣齿机的总体及各部件的工作原理62.1 产品概述62.2 数控铣齿机总体的工作原理72.3 铣齿机各运动的实现82.4 铣齿机各部件的工作原理9第3章 铣齿机机械部分的结构设计113.1 机座113.2 走刀组件及动力113.3 圆盘凸轮的设计123.4 回位弹簧的设计163.5 走刀电动机的功率计算193.6 切削组件及动力233.7 分距夹持组件273.8 进刀组件27第4章 电气控制部分294.1 铣削动力电机294.2 走刀动力电机294.3 步进电机294.4 数控板294.5 8098单片机的工作方式314.6 8255可编程并行I/O芯片的工作方式314.7 键盘314.8 显示器324.9 控制程序图33结论42参考文献43致谢44附录 设计图纸 第1章 绪论1.1数控机床简介1.1.1 数控机床的产生和发展科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位多面同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现正是很地满足了这一要求。1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的试验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是第一代世界上第一台数控床。我国是从1958年开始研究数控技术，一直到60年代中期处于研制、开发时期。当时一些高等院校、科研单位研制出试验样机，开发也是从电子管开始的。1965年国内开始研制晶体管数控系统。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代，我国从日本发那科公司引进了5、7、3等系列的数控系统和交流伺服电机、交流主轴电机技术，以及从美国、德国引进一些新技术。这使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。1985年，我国数控机床品种有了新的发展。90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。所谓经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便、适合我国国情发展的装有数控系统的高效自动化机床。1.1.2 数控机床的特点数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因它具有如下的特点：（1）能适应不同零件的加工。数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时，只要改变加工程序，不必用凸轮、靠模、样板等专用工艺装备。因此，生产准备周期短，不利于机械产品的更新换代。1（2）生产效率和加工精度高、加工质量稳定。数控机床可以采用较大的切削用量，有效的节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其它辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产率高3-4倍甚至更高。同时由于数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，又因为它是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，因此，不但加工精度高，而且质量稳定。2（3）能完成复杂型面的加工。（4）工序集中，一机多用。数控机床，特别是自动换刀的数控机床，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工，一台数控机床可以代替数台普通机床。这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，和可以节省机床的占地面积，带来较高的经济效益。（5）数控机床是一种高技术的设备。因此，机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修。尽管如此，使用数控机床的经济效益还是很高的。以驱动和定位方式划分，经济型数控机床系统可以分为以下三类：（1）步进电机式 采用步进电机驱动与定位，是开环系统，同时限于造价，不再采用其他措施补偿位置误差，由于目前功率步进电机的力矩不太大，所以机床的空行程速度极低，一般用于半精加工。这种系统具有2-3种插补功能，通过软件控制接口，可加工锥面、螺纹、简单外形的曲面，十分灵活。由于性能价格比较恰当，一般中小型企业在技术力量和财力上都比较容易实现。因此，在全国较容易推广、普及。（2）交流定位式采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制，与步进电机相比，提高了定位精度。该类系统在盘类、轴类零件加工中，效果尤为显著。目前，交流点位式系统只能加工柱面，不能加工曲面和螺纹，功能上有局限，而且成本较高，使性价比相对下降。一般在大企业和专业化工厂使用。（3）半闭环连续控制式采用直流伺服电机驱动，以脉冲编码器检测位置，实现半闭环连续控制。由于采用了高性能直流电动机驱动，扭矩大，速度高，过载能力强，可进行强力切割。该系统功能齐全，还带有可编程序控制器，使强电设计大大简化。但由于造价较高，性能价格比较低。31.2 数控机床的工作原理和组成1.2.1 数控机床的工作原理数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装备，再用数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其它诸如刀具选择交换、工作夹松紧和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。1.2.2 数控机床的组成如图1.1所示，数控机床由以下几个部分组成。（1）程序编制和程序载体数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系的相对位置，即零件在机床的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工时序；主运动的启、停、换向、变速；进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作。这样得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，然后用标准的由文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序。编制程序的工作可由人工进行，或者在数控机床以外用自动编程计算机系统来完成，比较先进的数控机床，可以在它的装置上直接编程。5图1.1 数控机床控制流程图编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、录音磁卡、软磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。（2）伺服驱动系统和位置检测装置伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个作进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统有开环、半闭环和闭环之分。在闭环和半闭环伺服系统中，还得使用位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。(3)机床的机械部分数控的机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台，拖板及其传动部件和床身立柱等支承不见，此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心内的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传统结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统更便于实现自动化控制。51.3 数控机床的分类数控设备的种类很多，各行业都有自己的数控设备和分类方法。在机床行业，数控机床通常从以下不同角度进行分类。（1）按工艺用途分类目前，数控机床的品种规格已达500多种，按其工艺用途可以划分为以下四大类。1）金属切削类 它又可分为两类：普通数控机床和数控加工中心。2）金属成形类3）特种加工类4）测量、绘图类（2）按控制运动的方式分类1）点位控制数控机床2）点位直线控制数控机床3）轮廓控制数控机床（3）按伺服系统的控制方式分类1）开环数控机床2）半闭环控制数控机床3）闭环控制数控机床（4）按所用数控系统的档次分类按所用数控系统的档次通常把数控机床分为低、中、高档三类。第2章 铣齿机总体及各部件的工作原理 2.1 产品概述本铣齿机用于铣削钥匙片上的齿槽。钥匙的形状及要求见图2.1。钥匙片上共有五个齿槽，齿槽深度有四个尺寸，即0.80.03、1.30.03、1.80.03、2.30.03，分别编号为1，2，3，4，五个齿槽的深度是按这四个深度尺寸排列，四片钥匙为一组。铣齿机每铣削完一组钥匙后自动换号，如第一组的齿槽深度排列号为1，2，3，4，4，第一组铣削完成后，第二组的齿槽深度就是为1，2，3，4，3，其余如此类推，齿槽深度的排列称为齿谱。锁厂对铣齿机的要求如下：a.铣齿机铣削的钥匙片齿槽的尺寸应满足图2.1的需要；b.四片钥匙为一组，每加工一组钥匙的时间小于30S；c.铣齿机采用手工装卸工件；d.工作过程能自动或者手动；e.显示器上能显示正在铣削钥匙的齿谱，如“1，2，3，4，4”该齿谱在整个齿谱中的排序号，如“1000”以及该班工人加工的数量，“自动”或者“手动”。f.铣齿机工作可靠，性能稳定，使用维护方便。图2.1如下所示： 图2.1 钥匙片2.2数控铣齿机总体的工作原理铣齿要实现铣削齿槽加工就必须要有下面四个运动：a.铣刀的切削运动；b.铣刀的走刀运动；c.铣刀的进给运动；d.钥匙夹持组件的分距运动。为了保证铣齿机各运动之间的协调，我们设定了铣齿机各运动部件按图2.2所示的时序图进行控制。 图2.2铣齿机各运动控制时序图2.3 铣齿机各运动的实现a.切削运动铣齿机铣刀的切削旋转运动是由电机通过皮带传动铣刀轴旋转而使铣刀产生切削旋转运动。b.走刀运动铣齿机铣刀的走刀运动是由电机通过蜗轮减速器带动圆盘凸轮旋转，通过推杆推动铣刀组件安装座向左运动，产生走刀运动。c.进给运动铣齿机铣刀进给方向的运动是由步进电机通过滚珠丝杠带动铣刀安装座运动，提升进给深度及退刀距离均由单片机控制步进电机正反转实现。d.分距运动铣齿机钥匙片夹持组件的运动，即分距运动是由步进电机通过滚珠丝杠带动钥匙片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正反转实现。2.4 铣齿机的工作原理为了使单片机控制各运动组件的正常，协调运动，在铣齿机上设置了四个接近开关。a.在控制铣刀走刀运动的凸轮附近装有两个接近开关，接近开关1是在凸轮回程结束时刻产生信号，接近开关2是在凸轮回程开始时刻产生信号。b.在分距运动方向上设置了一个接近开关3，接近开关3是在分距夹持组件运动到铣刀对准第一齿槽的位置时产生的信号。c.在铣刀组件进给运动方向上设置了一个接近开关4，接近开关4是在铣刀组件加工完钥匙后，退回到起始位置时产生的信号。铣齿机的工作原理如下（参见图2.2）接通电源，按下启动按钮，铣刀的铣削动力电机及走刀动力电机运转，但此时铣刀只有旋转运动，没有走刀运动，因为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，滑座组件没有运动，因此，铣刀组件没有走刀运动产生。当装夹好待加工的钥匙片后，工人输入齿谱，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。第一，控制铣刀的提升，使铣刀进给到规定的高度。当凸轮回程结束时刻，接近开关1产生的信号输入给单片机，单片机控制进刀步进电机反转，步进电机带动铣刀组件上升，铣刀提升到一定的高度后在凸轮升程开始时刻，控制步进电机停止运转。当凸轮转至接近开关1又产生信号时，单片机又控制进刀步进电机反转，并根据第一齿槽所需的深度，带动铣刀组件上升，进刀至所需的深度，为了防止进刀运动和走刀运动的干涉，铣刀提升时，凸轮的基圆对准推杆，推杆不产生运动，因此铣刀没有走刀运动。第二，铣刀进刀至所需的深度，当凸轮转至升程开始并继续运转时推杆推动铣刀组件安装滑座运动，便有走刀运动产生，开始铣削第一齿槽，当第一齿槽铣削完成，凸轮转至升程结束时，接近开关2产生的信号输入给单片机，控制进刀步进电机正转5步，使齿槽底部与铣刀之间存在0.02的间隙，防止铣刀退回时损伤齿槽。然后在弹簧的作用下，铣刀组件退回。当在凸轮回程结束时间，接近开关1又给单片机输入一个信号，单片机便根据齿谱第二齿槽的深度，控制进刀步进电机运转，使铣刀组件进刀至所需的深度。与此同时，单片机还控制分距步进电机仅转一圈，产生分距，使钥匙夹持组件向后移动4mm。此时第二齿槽位置对准铣刀，凸轮转至升程开始后，接着进行第二个齿槽的铣削，同理加工齿槽3，齿槽4，齿槽5。第三，当5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，带动铣刀组件下降到一定距离，在凸轮升程开始时刻，控制步进电机停止运转。当凸轮转至接近开关1又产生信号时，单片机又控制步进电机停止正转，带动铣刀组件继续下降，当下降到接近开关4产生信号时，单片机控制进刀步进电机停止运转，此时铣刀组件下降到起始位置。与此同时，单片机控制分距步进电机正转，分距步进电机带动钥匙夹持组件向前运动，当运动到接近开关3产生信号时，单片机控制分距步进电动机停止运转，此时第一齿槽的位置对准铣刀。如此完成一组钥匙片的加工。第三章 铣齿机机械部分的结构设计铣齿机的机械部分由机座，分距夹持组件，铣削动力及进刀组件，走刀组件四大部分组成，详细见铣齿机总体设计图。3.1 机座机座用于安装，连接各组件。机座采用铸造成型。采用HT250灰口铸铁为材料，其强度，耐磨性，铸造工艺性都比较好。3.2 走刀组件及动力走刀组件及动力传动的结构原理图见图3.1。电机1通过联轴器2与蜗轮减速器3相联接，电机的额定转速为1400r/min，蜗轮减速器的传动比i=30，蜗轮减速器的输出轴通过键与圆盘凸轮连接。圆盘凸轮推动推杆组件8左右移动，从而推杆再推动滑座组件6移动。滑座组件的回位是依靠回位弹簧7的弹力回位，在推杆的两端装有推杆支座9，对推杆进行导向，推杆支座是固定在机座上，滚珠滑座安装在滑座组件上。滑座回位弹簧7,一端支靠在推杆支座端面。该端面不动，另一端支靠在滑座组件端。此端随滑座组件而运动。图3.1如下所示 1. 走刀动力电机 2.联轴器 3.蜗轮减速器 4. 圆盘凸轮 5.滚珠直线导轨 6.滑座组件 7滑座回位弹簧 8.推杆组件 9.推杆支座 10.推杆复位弹簧图3.1 走刀组件及动力结构原理图3.3 圆盘凸轮的设计凸轮机构是能使从动件作预期规律的往复运动。该机构结构紧凑，对于走刀运动这种往复运动是比较适用的，特别是目前数控机床及计算机的广泛应用。凸轮的加工也变的很方便，而且精度高，因此该铣齿机的走刀运动，我们就采用了凸轮机构。由于考虑到凸轮加工编程方便，我们选用了多圆弧凸轮型面，凸轮的基本尺寸及形状见下图（图3.2）。图3.2 凸轮型面 该凸轮是非对称凸轮，它是由五条圆弧组成的，凸轮的升程为42.41，升程角为90度，回程角为90度。a.压力角验算在一定载荷和机构的运动规律决定以后，压力角越大一方面使凸轮的基圆减小，从而使凸轮的尺寸变小，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，摩擦力增大，磨损夹具。当大到某一临界值时时，凸轮机构会产生自锁。通过对图3.3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。压力角验算用图见图3.3。圆弧DE受压力角与凸轮转角的关系。 已知： AB=119.59 AO=70 BC=14 AOC=180-根据正弦定理得： = （3.1）则 （1） 从式（1）我们可以看出压力角在圆弧DE可随角的增大而增大，则E点处的压力角为圆弧DE所处最大压力角处，E点为两圆弧相切点。PL=40 RP=200RL=RP-PL=200-40=160AF=AE-EF=119.59-17=102.59OF=75同理我们可以证明在凸轮的回程为最大压力角也是在两圆弧的相切点上，即P点。升程时压力角验算；根据图3.3 （图3.3见下） 图 3.3 压力角根据余弦定理： （3.2） 根据正弦定理： （3.3） 满足要求 回程时压力角验算： 根据余弦定理： （3.4） 根据正弦定理： （3.5） 满足要求 b.凸轮材料凸轮采用40Cr合金调质钢做材料，高频淬火。HRC4550。3.4 回位弹簧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，震动现象，因此设计回位弹簧，应根据滑座组件回位时的加速度大小来确定弹簧的刚度，即弹簧的弹力力F ma。 a.推杆回程时位移，加速度计算。 按图4进行计算 推杆在圆弧HP段具有向下的加速度。因此我们只需通过该段的加速度即可以确定弹簧的负荷。 首先计算凸轮回程时，推杆的位移，加速度 OM值的计算式如下： （2） 加速度计算公式如下： （3） 根据（2）（3）式，我们可以计算出从的位移和加速度。计算结果见表格3.1。表3.1位移和加速度值序号角 度（）OM值（mm）位移S（mm）加速度（mm/）序 号角 度（）OM值（mm）位移S（mm）加速度（mm/）1010601110104.4501.55242321105.9840.01601211104.1251.875235132105.9380.06223511312103.7702.23235143105.8600.14024301413103.3852.615235154105.7510.24923511514102.9703.03242365105.6120.38825081615102.5243.476227376105.4410.55924231716102.0493.951247387105.2390.76123511817101.5344.457235198105.0070.99324231918101.0094.9912351109104.7441.25624232019100.4455.5552351212099.8516.1492159292894.0811.922116222199.2296.7712273302993.23412.7662038232298.5787.4222273313092.36213.6382116242397.8988.1022195323191.46314.5371959252497.198.812195333290.53915.4612116262596.4549.5462195343389.58816.4121959272695.69010.312116353488.61217.3881959282794.89911.1012195363587.61118.389注：圆弧HP与圆弧PK的切点处，从圆弧PK段开始向下的加速度转变为负，因此上用计算圆弧HP的加速度。 b.弹簧的计算1. 弹簧的材料选用65Mn2. 中径。 钢丝d=4.5, 工作圈数 n=23 自由高度 3. 弹簧刚度 （3.6） 弹簧安装在滑座内的长度为222mm，工作时凸轮的推回高度为42.41mm。当推杆在凸轮顶上时弹簧的长度为222-42.41=179.59mm。从表3.1我们可以看出，最大的加速度为2.51,此时弹簧的压缩长度L=380-179.59+0.388=200.798mm。弹簧所能提供的弹力F=PL=0.204 200.798=40.96Kg=401N滑座组合的总重量m=15Kg，F=401367.5N，因此弹簧的弹力能满足滑座回位时的要求。3.5 走刀动力电机的功率计算铣刀的走刀运动是电机通过蜗轮减速器，凸轮，推杆，推动滑座组合运动而产生的。在铣削的走刀过程中，凸轮对推杆产生加速移动，因而必须有产生加速度的力。回位弹簧在压缩过程中，产生回位方向的力，铣刀切削工件的切削力。要保证走刀运动能正常运动，凸轮通过推杆施加给滑座组合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，因此电机功率可根据下式确定： （3.7） 式中： F 走刀方向的力 （N） V 走刀速度 （m/s） 传动效率 k 系数 因此要确定功率，必须知道边推杆的位移和加速度，滑座回位弹簧的弹力及切削力。 a.推杆的速度，加速度计算根据凸轮型面的尺寸，我们可以求得从0度到90度每隔2度时的推杆位移，计算数据见表3.2，计算用图见图3.2表3.2 推杆位移值序号角度OC 值推杆位移序号角度OC 值推杆位移1063.590244675.1111.522263.610.02254876.2112.623463.670.08265077.3613.774663.770.18275278.5714.985863.910.32285479.8516.2661064.100.51295681.1817.5971264.320.73305882.5818.9981464.591.00316084.0420.4591664.901.31326285.5721.98101865.251.66336487.1623.57112065.652.06346688.8225.23122260.092.5356890.5426.95132466.572.98367092.3328.74142667.103.51377294.1930.6152867.684.09387496.1132.52163068.304.71397698.134.51173268.975.384078100.1536.56183469.696.14180101.9938.40193670.466.874282103.4639.87203871.297.74384104.5840.99214072.168.574486105.3741.78224273.099.54588105.8442.25234474.0710.48469010642.41OC值的计算式如下：根据图3.3及式（1）得： 则 则 圆弧HE： 2 根据表3.2，我们可求出加速度和速度。见表3.3 速度及加速度计算公式如下： （3.8） （3.9）表3.3 加速度与速度值序号角度速度（mm/s）加速度()序号角度速度（mm/s）加速度()125.6783.8572142133.688979.822411.199783.8572244141.3881175.783616.799783.8572346149.7871175.784823.098979.822448157.486979.8251028.697587.8932550165.1861175.7861234.2971567.712652174.2851371.7571440.596783.8572754182.684979.8281646.196979.822856191.0841371.7591852.495979.822958200.1831175.78102058.795783.8573060209.2821371.75112264.394783.8573162218.3811175.78122467.494979.823264227.481371.75132677.693979.823366236.581175.78142883.993783.8573468245.6791371.75153090.292979.823570255.4781371.75163297.292979.823672264.5771175.781734104.291979.823774273.6761371.751836111.991175.783876282.7761371.751938118.99783.8573978272.277-4115.252040125.991175.784080231.68-7250.674182181.284-6858.75438688.192-6270.854284133.688-6466.82448828.214-6074.9b.力的计算（1） 加速度力从表3我们可以看出，推杆位移的最大速度为0.283m/s，加速度为1.37 ,此时推杆的位移为34.56mm，由于滑座组合的总重量为15Kg，则加速度力为： （3.10）（2） 弹簧力前面我们已经计算出弹簧刚度，则弹簧力等。 （3.11）（3） 切削力由于切削时的有效功率为280W，铣刀转速n=6000r/min,铣刀直径D=80mm,则切削力 （有效功率的计算见后） （3.12） 所示 c. 功率计算 （3.13） 选电机功率为370W，额定转速1400r/min3.6 切削组件及动力 切削组件及动力传动的结构原理图见图3.4。1.主动皮带轮 2.三角皮带 3.被动皮带轮 4.铣刀轴安装座 5.铣刀 6.铣刀轴 7.铣刀锁紧螺母 8.单列向心球轴承 9.铣削动力电机图3.4 切削组件及动力传动的结构原理图主动皮带轮1固定在电机9的的输出轴上，被动皮带轮3固定在铣刀轴6上，铣刀5通过锁紧螺母7固定在铣刀轴上，电机的动力通过皮带轮，皮带传至铣刀轴，使铣刀轴高速运转。铣刀轴的两端轴颈处装有两个单列向心球轴承。铣刀组件组合见图3.5。 1. 带轮 2. 挡片 3. 铣轴端盖 4. 波形弹簧 5. 支座 6. 铣刀轴 7. 轴套 8. 铣刀罩 9. 垫圈 10.压紧螺母 11.平键 12.螺钉 13.弹簧垫圈 14.平垫圈 15.单列向心球轴承 16.铣刀图3.5 铣刀组件图a.铣削动力电机功率计算铣槽的有效动力N （3.14）式中： ： 1.16 D： 铣刀直径 mm t: 切削深度 mm ： 每齿进给量 mm B： 铣削宽度 mm Z： 铣刀齿数 mm n： 铣刀转速 r/s我们已知：D=80mm， t=2.3mm， B=5mm， Z=16， n=100r/s但必须根据走刀速度及切槽深度，铣刀转速来进行计算 这样我们就可以计算出AB 前面已计算出最大走刀速度，则铣刀走过AB的距离所需的时间t为 在时间t内铣刀转过的圈数n为： 则每齿进给量为： 则铣槽动力N为： 由于铣削动力电机的动力是通过皮带传动至铣刀轴的，皮带的传动效率，再考虑到一定的安全系数，我们选电机的功率为550W。3.7 分距夹持组件钥匙片固定夹具安装在分距滑座上，分距滑座采用的是燕尾槽式导轨。滑座由步进电机通过滚珠丝杠带动。可前后运动。传动结构图见总图中的A-A视图（两个步进电机的传动方式相同）。3.8 进刀组件进刀组件的结构图见总图中的A-A视图，铣刀组件安装在滑座上，滑座采用燕尾槽式导轨，滑座由步进电机通过滚珠丝杠带动，可上下运动。夹具结构见图3.6。 1. 安装座 2. 手柄 3. 定位销4. 定位片 5. 弹性圈 6. 压板7. 垫套 8. 螺杆 9. 定位片图3.6 夹具结构图第四章 电气控制部分铣齿机的电气控制部分由分距步进电机，进刀步进电机，铣削动力电机，走刀动力电机，数控板，键盘，显示器，接近开关等部分组成。电气控制原理图见图4.1。4.1 铣削动力电机采用三相异步电机，额定转速2800r/min，功率550W。4.2 走刀动力电机采用三相异步电机，额定转速1400r/min，功率370W。4.3 步进电机选用90BF006五相步进电机，工作方式的五相十拍，步距角为0.36度，步进电机采用RD-053五相步进电机驱动器驱动。84.4 数控板数控板由以下部分组成a. 8098单片机，它是准16位镶入式微控制器。9b. 8255可编程并行I/O芯片。用于扩展8098 I/O ，通过8255联接键盘和显示器。c. 2764 EPROM程序贮存器，它是一个8K乘以8位的紫外线可擦除电子编程的只读存储器，用于存放程序。6d. MK48 Z02静态数据存贮器RAM。用于存放控制过程中的有关数据，可写入和读取。6 e. 74LS138三一八译码器，用来产生电选信号。6 f. 74LS373锁存器，用来锁存地址。6g. 74LS07，OC门输出。h. CD4050，电平转换。数控板的接线图见图4.1。图4.1 接线图 4.5 8098单片机的工作方式本数控铣齿机共有四个接近开关，也就是有四个信号要输入给8098，进行对步进电机的控制。而这四个信号是通过8098的四个高速输入部件的信号输入端HSI1HSI3输入给8098。8098控制两台步进电机的正反转，也就是有四个信号要输出给RD-053步进电机的驱动器，而这四个信号是通过8098的四个高速输出部件的信号输出端HSO0HSO3进行输出的。4.6 8255可编程并行I/O芯片的工作方式8255的工作方式是方式0（基本输入/基本输出）A口，B口，C口都可以设定为输入或者输出。8本控制板中8255的PA0PA7以及PC4PC7作为输出与显示器相连，PB0PB7以及PC0PC1作为输入口，与键盘相连。4.7 键盘键盘采用4X4键。键盘布置图见下图（图4.2）图4.2 键盘4.8 显示器显示器选用MGLS-12864液晶显示器，显示方式如下图（图4.3）。 铣齿机的微机数控系统控制结构框图如下图所示（图4.3）图4.3 微机数控系统控制结构框图4.9 控制程序框图结 论本次毕业设计主要是设计数控铣齿机的基本结构，工作原理，铣齿机各运动的实现及控制，铣齿机有关部件的计算及单片机控制程序框图，还有电气控制原理。我的主要任务是数控铣齿机的总体设计要求分析，机床各部件的设计和微机数控系统的设计。在数控铣齿机结构图中，可知这次我设计的数控铣齿机机械部分由机座，分距夹持组件，铣削动力及进刀组件，走刀组件四大部分组成。其中机座采用铸造成型，采用HT250灰口铸铁材料，其强度，耐磨性，铸造工艺性都比较好。我还采用凸轮结构，它是使从动件作预期规律的往复运动，且其结构紧凑，对于走刀运动这种往复运动是比较适用的，凸轮加工也方便，而且精度高，所以我采用了多圆弧凸轮型面。弹簧等都是经过计算选用了最合适的。本次设计的数控铣齿机电气控制部分由分距步进电机，进刀步进电机，铣削动力电机，走刀动力电机，数控板，键盘，显示器，接近开关等部分组成。采用MCS-8098单片机作控制微机，键盘实施输入程序指令、定原点、驱动器输入等功能；选用90BF006五相步进电机，工作方式为五相十拍，步距角为0.36度，步进电机采用RD-053五相步进电机驱动器驱动。本数控铣齿机共有4个接近开关，也就是四个信号要输入给8098，进行对步进电机的控制，而这四个信号是通过8098的四个高速输入部件的信号输入端输入给8098的，8098控制两台步进电机正反转，也就是有四个信号要输出给RD-053步进电机驱动器，而这四个信号是通过8098的四个高速输出部件的信号输出端进行输出的。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 实用数控加工技术编委会.实用数控加工技术M.北京：北京兵器工业出版社， 1995.052 徐灏.机械设计手册M.北京：机械工业出版社，1991.033 张幼桢.金属切削原理M.北京：航空工业出版社，1987.084 杨可桢.机械设计基础M.北京：机械工业出版社，1998.065 王方义.微型计算机原理及应用M.北京：机械工业出版社，1995.106 机械工业出版社编.机械工程手册M.北京：机械工业出版社，1999.057方建淳.MCS-96系列8098单片机原理与应用技术M.天津：天津科学技术出版社，1995.098 赵如福.金属机械加工工艺设计手册M.上海：上海科学技术出版，19929明兴祖, 姚齐水.简易数控铣齿机设计J 湖南冶金职业技术学院学报,2004.