XK5040數(shù)控立式銑床及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 摘 要 .鍵詞 1 1 總體設(shè)計(jì) .床簡(jiǎn)介 . 數(shù)控銑床的總體布局、主要技術(shù)參數(shù)及總傳動(dòng)系統(tǒng)圖 . 數(shù)控銑床的總體布局 . 數(shù)控銑床的主要技術(shù)參數(shù) . 總傳動(dòng)系統(tǒng)圖 . 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 參數(shù)的擬定 . 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇 . 轉(zhuǎn)速圖擬定 . 齒輪齒數(shù)的確定及傳動(dòng)系統(tǒng)圖的繪制 . 傳動(dòng)件的估算與驗(yàn)算 . 傳動(dòng)軸的估算和驗(yàn)算 . 齒輪模數(shù)的估算 . 展開圖設(shè)計(jì) . 結(jié)構(gòu)實(shí)際的內(nèi)容及技術(shù)要求 . 齒輪塊的設(shè)計(jì) . 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì) . 主軸組件設(shè)計(jì) . 制動(dòng)器設(shè)計(jì) . 按扭矩選擇 . 截面圖設(shè)計(jì) . 軸的空間布置 .北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 操縱機(jī)構(gòu) . 潤(rùn)滑 . 箱體設(shè)計(jì)的確有關(guān)問題 . 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 總體方案設(shè)計(jì) . 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 . 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 . 總體方案 . 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì) . 確定脈沖當(dāng)量，計(jì)算切削力 . 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和造型 . 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 . 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 . 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 .擇中央處理單元（ 類型 .儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) . 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 . 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 . I/O 接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) . I/O 接口電路設(shè)計(jì) . 步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路 .考文獻(xiàn) .謝 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 總結(jié) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 要 數(shù)控機(jī)床即數(shù)字程序控制機(jī)床，是一種自動(dòng)化機(jī)床 ，數(shù)控技術(shù)是數(shù)控機(jī)床研究的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。 隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床借助現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、工序集約化和新的功能部件使機(jī)床的加工范圍、動(dòng)態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高 。 本文主要對(duì) 控立式銑床及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先分析立式銑床的加工特點(diǎn)和加工要求確定其主參數(shù)，包括運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)；根據(jù)主參數(shù)和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。主要進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及滾 珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)的選型和校核；對(duì)于控制系統(tǒng)由于這里主要針對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)，這里采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用高性能價(jià)格比的 要進(jìn)行中央處理單元的選擇、存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口電路設(shè)計(jì)。 由于本文采用 8031 單片機(jī)控制系統(tǒng)，因此，設(shè)計(jì)出的立式銑床性能價(jià)格比高，滿足經(jīng)濟(jì)性要求。可實(shí)用于加工精度較高的場(chǎng)合 。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)控技術(shù)；立式銑床；設(shè)計(jì) 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 總體設(shè)計(jì) 床簡(jiǎn)介 銑床是一種用途廣泛的機(jī)床。它可以加工平面 (水平面、垂直面等 )、溝槽（鍵槽、 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(zhuǎn)體表面及內(nèi)孔，以及進(jìn)行切斷工作等。 由于銑床使用旋轉(zhuǎn)的多齒刀具加工工件，同時(shí)有數(shù)個(gè)刀齒參加切削，所以生產(chǎn)效率高，但是，由于銑刀每個(gè)刀齒的切削過程是斷續(xù)的，且每一個(gè)的切削厚度又是變化的，這就使切削力相應(yīng)地發(fā)生變化，容易引起機(jī)床振動(dòng)，因此，銑床在結(jié)構(gòu)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(tái)銑床、立式升降臺(tái)銑床、龍門銑床、工具銑床和各種專門化銑床等。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控銑床得 到了越來越廣泛的應(yīng)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(tái)數(shù)控銑床，其工作臺(tái)寬度多在 400下，規(guī)格較大的數(shù)控銑床，例如工作臺(tái)寬度在 500上的，其功能已向加工中心靠近，進(jìn)而演變成柔性制造單元。數(shù)控銑床多為三坐標(biāo)、兩軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床，也稱兩軸半控制，即 X、 Y、 Z 三個(gè)坐標(biāo)軸中，任意兩個(gè)都可以聯(lián)動(dòng)。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(duì)于有特殊要求的數(shù)控銑床，還可以加進(jìn)一個(gè)回轉(zhuǎn)的 A 坐標(biāo)或C 坐標(biāo)，即增加一個(gè)數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，這是機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)為四坐 標(biāo)的數(shù)控系 統(tǒng)，它可用來加工旋轉(zhuǎn)槽、葉片等立體曲面零件。 我們本次設(shè)計(jì)過程中要接觸到的為 控立式銑床。它的工作臺(tái)寬度為400 數(shù)控銑床的總體布局、主要技術(shù)參數(shù)及總傳動(dòng)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(jī)床各部件。操縱臺(tái) 10 上有 床操作按鈕和各種開關(guān)及指示燈?？v向工作臺(tái) 16、橫向溜板 12 安裝在升降臺(tái) 15 上，通過縱向進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī) 13、橫向進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī) 14 和垂直升降 進(jìn)給服電動(dòng)機(jī) 4 的驅(qū)動(dòng)，完成 X、 Y、 Z 坐標(biāo)進(jìn)給。強(qiáng)電柜 2中裝有機(jī)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)控河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） V 柜 7 內(nèi)裝有機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。保護(hù)開關(guān) 8、 11 可控制縱向行程硬限位；擋鐵 9 為縱向參考點(diǎn)設(shè)定擋鐵。主軸變速手柄和按鈕板 5 用于手動(dòng)控制主軸的正、反轉(zhuǎn)、停止及切削液開停等。 圖 床外觀圖 數(shù)控銑床的主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)床設(shè)計(jì)的初使，首先需確定有關(guān)參數(shù)，它們是傳動(dòng)設(shè)計(jì)和就億個(gè)度微 設(shè)計(jì)的依據(jù)，影響到產(chǎn)品是否能滿足所需要的功能要求，因此，參數(shù)擬定 是機(jī)床設(shè)計(jì)中的重要問題。 機(jī)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(jī)床的加工能力、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(tái)寬度等。基本參數(shù)是一些與加工工件尺寸、機(jī)床結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性有關(guān)的參數(shù)?？蓺w納為：尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 動(dòng)力參數(shù)。 數(shù)控銑床的主要技術(shù)參數(shù)如下： 工作臺(tái)： 工作臺(tái)尺寸（長(zhǎng)×寬） 1600× 400作臺(tái)最大縱向行程 900作臺(tái)最大橫向行程 375作臺(tái)最大垂直行程 400作臺(tái) T 型槽數(shù) 3 工作臺(tái) T 型槽寬 18作臺(tái) 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(dòng)距離 70件間主要尺寸： 立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度 45° 主軸端面到工作臺(tái)面的距離 50 400軸中心線至床身垂直導(dǎo)軌距離 430作臺(tái)側(cè)面至床身垂直導(dǎo)軌距離 30 405動(dòng)性能： 主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 18 主軸轉(zhuǎn)速范圍 30 1500r/力外形： 主電機(jī)功率 電機(jī)轉(zhuǎn)速 1450r/作臺(tái)進(jìn)給量： 縱向 10 1500mm/向 10 1500mm/北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 直 10 600mm/位精度 準(zhǔn) X 復(fù)定位精度 準(zhǔn) 作臺(tái)最大承載 200 床外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高） 249521002170床重量 約 2700 總傳動(dòng)系統(tǒng)圖 式銑床的總的傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖 示。 圖 傳動(dòng)系統(tǒng)圖 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè) 動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)的擬定 選定公比，確定各級(jí)傳送機(jī)床常用的公比 為 慮適當(dāng)減少相對(duì)速度損失，這里 取公比為 =據(jù)給出的條件：主運(yùn)動(dòng)部分 Z=18 級(jí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表，確定各級(jí)轉(zhuǎn)速為：（ 30， 60， 75， 95， 118， 150， 190， 235， 300， 375， 475，600， 750， 950， 1180， 1500R/. 動(dòng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇 1 確定變數(shù)組數(shù)目和各變數(shù)組中傳動(dòng)副的數(shù)目 該機(jī)床的變數(shù)范圍較大，必須經(jīng)過較長(zhǎng)的傳動(dòng)鏈減速才能把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降到主軸所需的轉(zhuǎn)速。級(jí)數(shù)為 Z 的傳動(dòng)系統(tǒng)由若干個(gè)傳動(dòng)副組成，個(gè)傳動(dòng)副，即 Z=1 2 3z z 。傳動(dòng)副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制，通常采用 P=2 或 3，即變速 或 3 的因子： Z= 2a 因此，這里 18=3需三個(gè)變速組。 2 傳動(dòng)組傳動(dòng)順序的安排 18 級(jí)轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng) 組，可以排成： 3 3 選擇傳動(dòng)組安排方式時(shí)，要考慮到機(jī)床主軸變速率的具體結(jié)構(gòu)，裝置和性能。 I 軸如果安置制動(dòng)的電磁離和器時(shí)，為減少軸向尺寸。第一傳動(dòng)組的傳動(dòng)副數(shù)不能多，以 2為宜，有時(shí)甚至用一個(gè)定比傳動(dòng)副；主軸對(duì)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(gè)傳動(dòng)組的傳動(dòng)副選用 2 ，或一個(gè)定比傳動(dòng)副。 這里，根據(jù)前多后少的原則，選擇 18=3案。 3 傳動(dòng)系統(tǒng)的擴(kuò)大順序安排 對(duì)于 18=3傳動(dòng)，有 3！ =6 種可能安排，亦即有 6 種機(jī)構(gòu)副和對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)，傳 動(dòng)方案中，擴(kuò)大順序與傳動(dòng)順序可以一致，結(jié)構(gòu)式 18=13大順序與傳動(dòng)順序一致，稱為順序擴(kuò)大傳動(dòng)，而， 18=3據(jù)“前密后疏”的原則，選擇 18=13 4 驗(yàn)算變速組的變速范圍 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 輪的最小傳動(dòng)1/4，最大傳動(dòng)比2，決定了一個(gè)傳動(dòng)組的最大變速范圍按下表，確定傳動(dòng)方案： 根據(jù)傳動(dòng)比及指數(shù) x, x 的值 公比 極限值傳動(dòng)比指數(shù) =1/4 6 x 值 : x =2 3 （ x+ x ）值： =8 9 因此，可選擇 18=13 5 最后擴(kuò)大傳動(dòng)組的 選擇 正常連續(xù)順序擴(kuò)大傳動(dòng)（串聯(lián)式）的傳動(dòng)式為： Z=11*2z 1z 3z 12 r= 1 2 3( 1)z z z 11= ( /2) 因此，傳動(dòng)方案 18=3*3*2 符合上述條件，其結(jié)構(gòu)網(wǎng)如下圖 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） X 圖 結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖 速圖擬定 運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定后，主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定電機(jī)功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機(jī)的型號(hào)，分配個(gè)變速組的最小傳動(dòng)比；擬定轉(zhuǎn)速圖，確定各中間軸的轉(zhuǎn)速。 1 主電機(jī)的選擇 中型機(jī)床上，一般都采用交流異步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，可在下列中選用，在選擇電機(jī)型號(hào)時(shí)，應(yīng)注意： （ 1）電機(jī)的 N： 根據(jù)機(jī)床切削能力的要求確定電機(jī)功率，但電機(jī)產(chǎn)品的功率已標(biāo)準(zhǔn)化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標(biāo)準(zhǔn)值。 （ 2） 電機(jī)的轉(zhuǎn)速3000， 1500， 1000， 750， r/取決于電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù) P 0f/p=60p ( r/機(jī)床中最常用的是 1500 r/ 3000r/種，選用是要使電機(jī)轉(zhuǎn)速與主軸最高速度免采用過大或過小的降速傳動(dòng)。 根據(jù)以上要求，我們選擇功率為 速為 1500r/電機(jī)，查表，其型號(hào)為 主要性能如下表 電機(jī)型號(hào) 額定功率 荷載轉(zhuǎn)速 r/步轉(zhuǎn)速 r/132440 1500 2 分配最小傳動(dòng)比，擬定轉(zhuǎn)速圖 （ 1） 軸的轉(zhuǎn)速： 軸從電機(jī)得到運(yùn)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速和主軸最小轉(zhuǎn)速應(yīng)相近，顯然，從動(dòng)件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下功率工作時(shí)所受扭矩最小來考 慮， 軸轉(zhuǎn)速不宜將電機(jī)轉(zhuǎn)速降得太低。弱軸上裝有離合器等零件時(shí)，高速下摩檫損耗，發(fā)熱都將成河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 突出矛盾，因此， 軸轉(zhuǎn)速也不宜也太高， 軸轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的徑向尺寸，在電機(jī)軸 I 到主傳動(dòng)系統(tǒng)前端軸 增加一對(duì) 26/54 的降速齒輪副 ，這樣，也有利于變型機(jī)床的設(shè)計(jì)，改變降速齒輪傳動(dòng)副的傳動(dòng)比，就可以將主軸 18 級(jí)轉(zhuǎn)速一起提高或降低。 （ 2）中間軸的轉(zhuǎn)速 對(duì)于中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小和噪音，振動(dòng)等性能要求之間的矛盾。 中間傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，中間傳動(dòng)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(jié)構(gòu)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(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承 C=支承滾動(dòng)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(dòng)軸的轉(zhuǎn)速之和 n 主軸轉(zhuǎn)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(dòng)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(jīng)過的齒輪對(duì)數(shù) ， 主軸齒輪螺旋角 ，1c,K 系數(shù)，根據(jù)機(jī)床類型及制造水平選取，我國(guó)中型車床，銑床1c=床 K=54，銑床 K=上述經(jīng)驗(yàn)公式可知，主軸 對(duì)機(jī)床噪音和發(fā)熱的關(guān)系，確定中間軸轉(zhuǎn)速 時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況做相應(yīng)的修正。 a，對(duì)高速輕載或精密機(jī)床，中間軸轉(zhuǎn)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(nèi)孔直徑 d 的確定 主軸內(nèi)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(jī)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(duì)空心主軸孔徑的要求和最小壁厚要河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 以及不削弱主軸剛度的要求下盡量去大些。由材料力學(xué)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(guān)系 : 41 ( )KI D 空 空實(shí) 實(shí)由上式可知 ,當(dāng) / 0 時(shí) ,空心主軸的剛度 實(shí)相差甚小 ,即內(nèi)孔對(duì)主軸剛度降 低的影響很小 , 當(dāng) / 時(shí) ,剛度降低約 25%為了不至于過分地削弱主軸剛度 ,一般應(yīng)使 / 另外 ,還應(yīng)考慮主軸的頸外壁厚是否足夠 . 推薦 : 銑床 ,d= 拉桿直徑 +(5根據(jù)銑床 主參數(shù) , 取 d=29則 / 2 7 / 9 0 0 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(diǎn) (一般為前徑向支承中點(diǎn) )的距離 ,它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸 (大多都有軸端標(biāo)準(zhǔn) ),前支承的軸承配置和密封裝置等 . 有的還與機(jī)床其它結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān) ,如工作臺(tái)的行程等 . 因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。參考同類機(jī)床和 >,取1/ 0.7,懸伸量 a=63 4, 主軸跨距 l 的確定 根據(jù) >, 計(jì)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(jì)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(jì)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(yīng)盡量縮短主軸外延伸長(zhǎng)度 a,選擇適當(dāng)?shù)目缇?l ,一般推薦 取 l/a=3距 l 小時(shí) ,軸承變形對(duì)軸端變形影響大 ,所以軸承剛度小時(shí) , l/a 取大值 ,軸河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 剛性差時(shí) ,則取小值。這里取 l=4a=4 63=252( 主軸的材料 ,熱處理及技術(shù)要求 . （ 1） 主軸的材料及熱處理 . 主要為提高強(qiáng)度和韌性 ,可選用 45 和 40行調(diào)質(zhì)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(shí) 質(zhì)后表淬硬處 理 . 精密機(jī)床主軸 ,要求精度保持性好 ,應(yīng)選用熱處理后殘余應(yīng)力小的材料 ,如405進(jìn)行調(diào)質(zhì)后局部淬硬處理 . 由于數(shù)控立式銑床主軸支承為滾動(dòng)軸承 ,輕 ,中載荷 ,低轉(zhuǎn)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(shù)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(zhì)侵入部件內(nèi) ,導(dǎo)致主軸 ,軸承和傳動(dòng)件等腐蝕及磨損過快 ,影響主軸部件的工作性能 . （ 1） 對(duì)主軸部件密封裝置的要求 適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求 ,在一定的壓力和溫度范圍內(nèi)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(yīng)工作環(huán)境的要求 ,密封性好 ,耐腐蝕性 ,磨損小 ,工作壽命長(zhǎng) 在一定程度上能自動(dòng)補(bǔ)償 . 結(jié)構(gòu)盡可能緊湊 ,特別是主軸前支承處的密封裝置 ,軸向尺寸應(yīng)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(zhuǎn)速 ,主軸軸承的潤(rùn)滑方式 ,工作溫度 ,工作狀況和軸端結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)合的密封 . 墊圈甩開油液使其集中于端蓋中引回 ,曲路密封河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 可以防止外界雜質(zhì)侵入 . 制動(dòng)器設(shè)計(jì) 對(duì)制動(dòng)器的要求是 :制動(dòng)迅速 ,平穩(wěn) ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,緊湊 ,維修調(diào)整方便等 電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)。 在數(shù)控銑床上，通常根據(jù)刀具與工藝要求需進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速的變換及制動(dòng)，這制動(dòng)裝置常用離合器來實(shí)現(xiàn)， 而電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件。由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選擇，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的元件。這里我們采用機(jī)械制動(dòng) ,采用電磁離合器制動(dòng)。 按照要求，根據(jù)電磁離合器所能傳遞的靜扭矩號(hào)，從而確定其尺寸。 按扭矩選擇 一般應(yīng)使選用和設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大負(fù)載力矩 對(duì)于需要在負(fù)載下啟動(dòng)和變速，或啟動(dòng)時(shí)間有特殊要求時(shí)，應(yīng)按動(dòng)扭矩設(shè)計(jì)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 4 K=2 取 y= 定動(dòng)扭矩： dM )()( 020式中， 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 加速扭矩； 2 所有被離合器帶動(dòng)的零件折算到離合器軸上的當(dāng)量飛輪矩2； 2222211222 )()()()()( 0)()( 222 ; 2 安裝軸 (轉(zhuǎn)速為 n)及軸上零件的非輪矩之和 ; 2212 )(,)( 分別為 離合器帶動(dòng)的其他各軸 (轉(zhuǎn)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(dòng)側(cè)的相對(duì)轉(zhuǎn)速離合器的主 通過計(jì)算，這里選用銑床專用離合器，型號(hào)為： 截面圖設(shè)計(jì) 截面圖設(shè)計(jì)主要考慮以下四個(gè)方面的問題 : 1, 個(gè)軸的位置安排 :包括主軸 ,I 軸和中間各傳動(dòng)軸的合理安排和確定 ; 2, 箱體結(jié)構(gòu)和外形 :變整箱體結(jié)構(gòu) ,與床身的連接方式 ,外觀造型等 ; 3, 操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選擇 ; 4, 潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和潤(rùn)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(dòng)主軸的軸及與主河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 軸齒輪有嚙合關(guān)系的軸 I 軸 )的位置 1 主軸和傳動(dòng)主軸的軸 立式銑床的主軸是垂直布置的 ,主軸可上下移動(dòng)，裝在套筒內(nèi)，傳動(dòng)主軸的軸與主軸之間用一對(duì) 1： 1 的齒輪出動(dòng)，該軸也是垂直分布的。 2 軸入軸的裝置 （ 1） I 軸上裝有電磁離合器制動(dòng)，該部件的位置安排應(yīng)便于調(diào)整； （ 2）電磁離合器，需要考慮便于冷卻和潤(rùn)滑，離主軸部件部件要遠(yuǎn)一些，以減少摩擦發(fā)熱對(duì)主軸熱變形的影響。 （ 3）綜上所述，銑床 I 軸一般安排 在變速箱后避處； 3 中間各傳動(dòng)軸 主軸和各傳動(dòng)軸位置確定后，中間各傳動(dòng)軸位置即可按轉(zhuǎn)動(dòng)順序進(jìn)行安排，應(yīng)考慮滿足以下要求： （ 1）裝有離合器的軸：要便于裝調(diào)、維修和潤(rùn)滑 （ 2）裝有制動(dòng)器裝置的軸：要便于裝調(diào)、維修，該軸應(yīng)布置在靠近箱蓋或箱壁處，同時(shí)考慮與起、停裝置的互鎖。 （ 3）裝有潤(rùn)滑油泵的軸：要有足夠的空間安裝潤(rùn)滑油泵，其高度要便于油泵吸油和排油，并便于裝卸和調(diào)整油泵，裝有濺油輪或?yàn)R油齒輪的軸應(yīng)注意圓周速度和侵入油面的深度。 （ 4）其他：使箱體截面尺寸緊湊，比例協(xié)調(diào)，各操縱機(jī)構(gòu)安排得當(dāng)?shù)鹊?操縱機(jī)構(gòu) 操縱機(jī)構(gòu)是用來移動(dòng)滑齒輪以達(dá)到變換運(yùn)動(dòng)速度的要求，它可以控制運(yùn)動(dòng)的啟停、換向和其他輔助運(yùn)動(dòng)，它的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和性能的發(fā)揮有著直接影響。 潤(rùn)滑 主軸變速箱常用的潤(rùn)滑方式有飛潤(rùn)滑和壓力循環(huán)潤(rùn)滑，飛潤(rùn)滑適用于潤(rùn)滑點(diǎn)比較集中，要求不很高的變速箱，這里我們采用壓力循環(huán)潤(rùn)滑，壓力循環(huán)潤(rùn)滑分箱內(nèi)循環(huán)潤(rùn)滑和箱外循環(huán)潤(rùn)滑，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布置緊湊，后者冷卻潤(rùn)滑效果好。 1 壓力循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)的計(jì)算 （ 1）潤(rùn)滑油量 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 量1 2 1 25 . 7 4 . 5 ( 1 )Q Q Q N N 油量粗算： 1 (1 ) /式中： N 額定功率 機(jī)床效率 也可用如下公式計(jì)算各潤(rùn)滑部位的需油量； 3 5 ( 1 ) /Q N t 式中： t 允許循環(huán)油溫升， 通常為 451 . 6 5 ( 1 ) 1 . 6 5 7 . 5 ( 1 0 . 8 5 ) 1 . 8 6 / m i l （ 2）油池容量： (3 7 ) （升） ( 3 7 ) 1 . 8 6 5 . 5 8 1 3 . 0 2V （升） 油池容積應(yīng)超過 V 的 30%，即為： 升） （ 3）油管的選擇與計(jì)算 油管的內(nèi)徑計(jì)算： 4 Qd m 中： Q （ l/ V 取主軸管內(nèi)油的流速為 4 / m 支油管： l/徑 x 壁厚為： 油管： 0 m ，外徑 x 壁厚為： 12 2 柱塞泵的油量計(jì)算、結(jié)構(gòu)和規(guī)格尺寸 供油量 26( ) / 4 1 0Q d s n u l/中： 次 /分 00 /分為宜， 400 /分為佳。 = 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 箱體設(shè)計(jì)的確有關(guān)問題 箱體材料 以中等強(qiáng)度的灰鑄鐵 得最廣泛。需時(shí)效處理。 砂型鑄造時(shí)，箱體鑄件的最小壁厚： 尺寸（長(zhǎng) x寬 厚 于 800 25 3 箱體壁孔對(duì)剛度的影響和補(bǔ)償 箱體軸承孔面積點(diǎn)總側(cè)壁面積 30%左右時(shí)候，與未開孔的箱體比較，扭轉(zhuǎn)剛度下降20彎曲剛度下降更大，為彌補(bǔ)因開孔而削弱的剛度，常用凸緣和加工筋。加強(qiáng)筋：厚度為： 高：（ 45） b。 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì) 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都屬于伺服系統(tǒng)，進(jìn)給伺服系統(tǒng)不僅是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度要高；跟蹤指令信號(hào)響應(yīng)要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 機(jī)床的位置調(diào)節(jié)對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求，其中在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面： （ 1）能夠克服摩擦力和負(fù)載，當(dāng)加工中最大切削力為 20000N 30000N 時(shí)，電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩需要 （ 2）很小的進(jìn)給移動(dòng)量。目前 最小分辨率為 0.1 m ； （ 3）高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度； （ 4）足夠的調(diào)速范圍； （ 5）進(jìn)給速度均勻，在速度很低是無爬行現(xiàn)象。 在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面有： （ 1）具有足夠的加速和制動(dòng)裝矩，以便快速的完成啟動(dòng)和制動(dòng)； （ 2）具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量； （ 3）負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小。 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求： （ 1）被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較高的慣量； （ 2）高的剛度和良好的阻尼； （ 3）傳動(dòng)部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻 尼特性和間隙等方面具有盡可能小的非線性。 總體方案 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方框圖如下圖 微機(jī)光電隔離光電隔離光電隔離功率放大功率放大功率放大步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)向向向圖 給伺服系統(tǒng)總體方框圖 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量，計(jì)算切削力，滾珠絲桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型，齒輪傳動(dòng)計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型等。 確定脈沖當(dāng)量，計(jì)算切削力 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量，它是衡量數(shù)控機(jī) 床加工精度的一個(gè)重要參數(shù)，因此。脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來確定。對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來說，常采用脈沖當(dāng)量為 沖 沖。在 主要技術(shù)參數(shù)中要求橫向、縱向脈沖當(dāng)量為 切削力計(jì)算 在進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)計(jì)算 ,選用步進(jìn)電機(jī)時(shí) ,都要用到切削力 (機(jī)床的主要負(fù)載 ). （ 1）銑削抗刀分析 銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給（鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給）。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端面銑刀為基本形線。圓 柱銑和端面銑刀的切削部分都可看做車刀刀頭的演變，銑刀的每一個(gè)齒相當(dāng)于一把車刀，它的切削基本規(guī)律與車削相似。 通常假定銑削時(shí)，銑刀的銑削抗力作用在刀齒上，如下圖 2示：設(shè)刀齒上受到的銑削抗力的合力為 F，將 F 沿銑刀軸線徑向和切向進(jìn)給分解，則分別為軸向銑削力向銑削力消耗的銑床主電機(jī)功率最多。因此，切向銑削力 可以按切削功率主電機(jī)功率 算，也可以按切削用量進(jìn)行計(jì)算。 331 0 1 0 ( )m 或式中： V 主軸傳遞全部功率時(shí)的最低切削速度， m/s； m 機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。 這里按切削用 量進(jìn)行計(jì)算。 0 . 8 6 0 . 7 2 0 . 8 609 . 8 1 2 2 . 6Z e f zF a a d a Z 式中： 銑削接觸深度，（ ; 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 每齒進(jìn)給量，（ ）； 0d 銑刀直徑，（ 銑削深度，（ Z 銑刀齒數(shù) 。 圖 銑削力及工作臺(tái)上的載荷 取mm，mm，0d=8Z=4。 則， 0 . 8 6 0 . 7 2 0 . 8 609 . 8 1 2 2 . 6z e f pF a a d a Z 0 . 8 6 0 . 7 2 0 . 8 69 . 8 1 2 2 . 6 2 0 . 1 8 8 4 4 1 0 . 3 5 1 3 2 N （ 2）進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷的計(jì)算 作用在進(jìn)給工作臺(tái)上的合力 F ´與銑刀刀齒的銑削抗力的余力 F 大小相同方向相反，如圖 2示，合力 F ´就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的時(shí)要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力：工作臺(tái)的縱向進(jìn)給 方向載荷作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷作臺(tái)工作載荷查機(jī)電綜合指導(dǎo)表 2因此，求出可計(jì)算出工作臺(tái)工作載荷 ： / 1 . 2 , / 0 . 8 , / 0 . 4L Z V Z C F F F F 則： , 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） F=, . 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和造型 1 縱向進(jìn)給絲桿 （ 1） 計(jì)算進(jìn)給牽引力N） 縱向進(jìn)給為燕尾形導(dǎo)軌。 ( 2 )m L V F f F F G 式中：,L V F 分別為工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷，垂直載荷和橫向載荷； K 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)； G 移動(dòng)部件的重量； f 導(dǎo)軌道上摩擦系數(shù)。 這里?。?K = f =而 397 . 8 1 0 1 6 0 0 4 0 0 1 0 0 1 0 9 . 8 4 8 9 2 . 1 6G m g v g N 1 . 4 4 9 2 . 4 2 0 . 2 ( 3 2 8 . 2 8 2 1 6 4 . 1 4 4 8 9 2 . 1 6 ) =N) (2) 計(jì)算最大動(dòng)載荷 C 3 f F66010 01000 式中 L 壽命，以 610 為一單位， n 絲桿轉(zhuǎn)速（ r/ 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（ m/可取最高進(jìn)給河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 度的 1/2 1/3， 0L 絲桿導(dǎo)程 （ T 為使用壽命（ h），對(duì)于數(shù)控機(jī)床取 15000h， 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 初選0 6L 1000 1 0 0 0 1 . 5 1 2 5 / m i n 666 0 6 0 1 2 5 1 5 0 0 0 1 1 2 . 51 0 1 0 3 3 1 1 2 . 5 1 . 2 1 7 9 9 . 2 3 4 1 0 4 2 2 . 2 7 1 f F N （ 3）滾珠絲桿螺母副的選型 查表，可采用 循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副。 1圈 2 列，其額定負(fù)載為 16000N，精度等級(jí)為 3 級(jí)（大致相當(dāng)于老標(biāo)準(zhǔn) （ 4）傳動(dòng)效率計(jì)算 ta n ( ) 式中： r 螺旋升角， 02 44r , 摩擦角取 110 滾動(dòng)摩擦系數(shù) 00t a n t a n 2 4 4 0 . 9 4 ,t a n ( ) t a n ( 2 4 4 1 0 ) (5) 剛度驗(yàn)算 先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如下圖所示： 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 縱向進(jìn)給絲杠計(jì)算草圖 最大牽引力為 承間距 L=1325杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載荷的 1/3。 a, 絲杠的拉伸或壓縮變形11 ()式中： 1 為工作載荷 為絲杠工作載荷（ N）； L 為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度（ E 彈性模量，對(duì)剛， 42 0 . 6 1 0E M P a ； A 為滾珠絲杠 按內(nèi)徑確定的橫向截面積（ 2； “ +”號(hào)用于拉伸，“ -”用于壓縮。 1 421 7 9 9 . 1 3 4 1 3 2 5 0 . 0 1 1 3 . 6 1 0 ( 3 6 / 2 ) 由于兩端采用向心推力球軸承，且絲杠有進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛 度提高了 3 到 4 倍，故實(shí)際變形量 1 1 11 0 . 0 0 2 8 .4 為 :b, 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量2該變形量與滾 珠列，圈有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠的 長(zhǎng)度無關(guān)?？捎孟率接?jì)算： 有預(yù)緊時(shí)，2 2300 . 0 0 0 2 8 Z 圈 數(shù) 列 數(shù)00( ) , 3 ( ) 外 循 環(huán) 內(nèi) 循 環(huán)式中： 軸向工作負(fù)載（ N）； 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 預(yù)緊力（ N）； 0d 滾珠直徑（ 3 9 .d m mZ 滾珠數(shù)量； Z 每一圈的滾珠數(shù)； 0D 滾珠絲杠的公柱直徑。 00403 3 2 83 . 9 6 9DZ d 5 9 9 . 7 1 ,32 322301 7 9 9 . 1 3 40 . 0 0 0 2 8 0 . 0 0 0 2 8 0 . 0 0 4 1 9 6 9 5 9 9 . 7 1 2 8 Z c,支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形3，一般占的比重比較大，不同類型的軸承的接觸變形量c可用不同的公式計(jì)算。 采用推力球軸承 8106 1 30 ,d 動(dòng)體直徑 珠數(shù)目 16Z 2 233 22 1 7 9 9 . 1 3 40 . 0 0 0 5 2 0 . 0 0 0 5 2 0 . 0 0 6 76 1 6 因施加預(yù)緊力，故 3 1 0 . 0 0 3 3 1 2 3 0 . 0 0 2 8 0 . 0 0 4 1 0 . 0 0 3 3 0 . 0 1 0 2 顯然此變形量小于定位精度，故剛度足夠。 （ 6）穩(wěn)定性校核 計(jì)算臨界負(fù)載 () 式中： E 材料彈性橫量（ 2/N ，剛為 622 0 . 6 1 0 / ;N c m 河北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 截 面 慣 性 距 （ 2， 對(duì) 于 絲 杠 為411( ) ;64 為 絲 杠 內(nèi) 徑 L 絲杠兩支承端距離（ 絲杠支承變形系數(shù)，一端固定一端自由取 滾珠絲杠兩端采用