普通铣床的数控化改造毕业设计说明书

内蒙古科技大学毕业设计说明书 普通铣床的数控化改造 摘 要 我所设计的毕业课题为“普通铣床的数控化改造”。对于机床的设计来说 ，我首先对所要设计的机床进行技术调查，查阅了国内外有关文献资料，在此基础上，对其用途范围、性能指标、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 对比等进行论证分析。对于通用机床我更是查阅了大量的国内外有关铣床的资料后，拟定了此机床的总体方案为立式铣床。然后根据总体方案的布局形式，规格参数，精度性能等要求，对此机床的进给传动系统进行了专题设计。首先是对进给传动的运动设计。此设计主要功能和主要参数以及各系统的基本工作原理及其数控化。数控化的铣床的定位精度和重复定位精度明显提高，获得了明显的经济效益。 该数控铣床具有以下特点： 1、 采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，机械传动结构大为简化，传动链缩短。 2、 采用刚度和抗振性较好的机床新结构，如钢板焊接结构的支承件等。 3、 采用在效率、刚度、精度等各方面较优良的传动元件，如滚珠丝杠螺母副、塑料滑动导轨等。 4、 采取减小机床热变形的措施，保证机床的精度稳定，获得可靠的加工质量。 5、 能完成曲面等复杂面的加工。 …………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………。 关键词：数控化改造；定位精度；重复定位精度；无级变速；伺服传动系统。 I 摘 要…………………………………………………………………………………………. II Abstract...................................................................................................................................... 前言…………………………………………………………………………………………….1 第一章 概述 3 1.1 数控机床的发展史 3 1.1.1 国外数控机床的发展 3 1.1.2 国内数控机床的发展 4 1.1.3 未来数控机床的发展趋势 4 1.2 数控铣床的功能和特点及组成原理 6 1.2.1 数控铣床的主要功能 6 1.2.2 数控铣床的主要特点 8 1.2.3 数控铣床的组成…………………………………………………………… ..9 1.2.4 数控铣床的工作原理……………………………………………………….11 1.3 本设计的内容及特点 12 1.4 本设计的控制方式…………………………………………………………………12 1.5 本设计的总体方案…………………………………………………………………13 第二章 结构设计 14 2.1 传动系统设计 14 2.2 滚珠丝杠螺母副设计与原理………………………………………………………15 2.3 直流电机的结构……………………………………………………………………16 第三章 设计计算…………………………………………………………………………….17 3.1 力能参数的计算……………………………………………………………………17 3.1.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计 17 3.1.2 轴成的选择 21 3.2 伺服电机的选择及计算……………………………………………………………23 3.2.1 选择伺服电机……………………………………………………………….23 3.2.2 最大切削负载转矩计算…………………………………………………….23 3.2.3负载惯量计算………………………………………………………………..24 3.2.4 空载加速转矩计算………………………………………………………….25 3.2.5 伺服系统增益……………………………………………………………….25 3.2.6 精度验算…………………………………………………………………….28 3.3.1 键的选择 29 3.3.2 键的强度校核 29 第四章 辅助元件的选择.........................................................................................................31 4.1 导轨的选择................................................................................................................31 4.1.1 滑动导轨的特点.............................................................................................31 4.2 脉冲编码器的选用....................................................................................................32 4.2.1 脉冲编码器的工作原理.................................................................................32 4.3 数控系统的冷却系统................................................................................................33 4.4 数控系统的润滑系统................................................................................................35 4.5 数控铣床排屑装置....................................................................................................35 4.6 数控系统的选择........................................................................................................36 第五章 价值分析.....................................................................................................................38 5.1 价值的概念................................................................................................................38 5.2 LOM价值分析...........................................................................................................38 第六章 结束语........................................................................................................................ 39 6.1 设计中的结论性的问题............................................................................................39 6.2 设计体会....................................................................................................................39 · 前 言 对于培养 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术人才的工科性大学来说 ，学生的实践就显得尤为重要，但在大学的四年里，我们都是以书本上的理论知识为重，实践也大多数是参观，自己真正动手的机会很少，所以我们的实践经验可以说几乎为零。所以提高学生的动手能力，理论与实际相结合来解决实际工程问题的能力是很有必要的，而大学最后的毕业设设计，就是真正的理论与实践相结合，要求学生综合运用四年所学的知识来解决实际工程问题，这对我们来说绝对是一次很好的锻炼机会，不仅可以温故以前的所学的专业知识而且可以锻炼自己解决实际工程问题的 能力，为将来的工作打下良好的基础。所以我们应该好好珍惜这次难得的机会，尽自己最大的努力将毕业设计做好，为自己四年的大学画上完美的句号。 这次毕业设计我做的题目是“普通铣床的数控化改造”。我们知道制造业是工业的基础，也是直接创造社会财富的基础，是人类生存所不可缺少的行业。世界上各个国、造技术可以很快将发明制造成产品，首先占领市场。先进制造技术可提高原有产品的质量，降低成本等，可获明显的经济效益。总之，先进制造技术是提高本国产品市场经济竞争力的基本保证。制造业领域很宽广，但机械制造业是制造业的根本，而机械加工又是机械制造业的根本。数控技术是机械制造业的先进制造技术之一，是提高多品种，中小批量生产企业经济效益的有效途径，也是先进制造技术发展的重要基础。作为一名学机械专业的学生，在将来的工作中肯定也要接触到数控类产品，所以我要更加珍惜这次难得的机会，做好毕业设计为将来的工作打下基础。 本次设计历时一个学期，在尹明老师的指导和其他老师与同学的帮助下，终于较为完满地完成了对普通铣床的数控化改造这项设计，下面是我这次设计的主要内容： · 1 进给伺服系统传动方案的确定 进给系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度，跟踪精度，定位精度等重要指标，均却决进给伺服系统的动态和静态特性。根据设计要求和设计参数确定合理的进给系统。 · 2 伺服系统的选择 （1）伺服电机的选择， （2）计算转动惯量 （3）计算转矩 · 3 滚珠丝杠的选择 （1）丝杠型号的选择 （2）丝杠强度的校核 （3）系统的刚度计算 · 4 传动系统的设计 进给系统应能在X，Y两个坐标方向实现行程为500mm的自动进给，定位精度±0.02mm, 重复定位精±0.01mm。主传动系统能在Z坐标方向实现行程400mm自动进给，定位精度±0.02mm, 重复定位精±0.01mm。 · 5主轴传动系统的设计 通过设计的主轴传动系统，可以使主轴箱能在Z轴方向上下移动，从而扩大了机床的加工范围。 在我这次的设计过程中得到了尹明老师的精心指导，在此表示衷心的感谢，同时也对其他组的老师和同学对我们提供帮助表示诚挈的感谢。由于我个人水平有限，再加时间紧迫，在我的设计中还存在许多错误和不妥之处，敬请各位老师，同学批评指正。 · 第一章 概 述 · 1.1数控机床的发展史 · 1.1.1国外数控机床的发展 机床的信息化 随着网络技术日益普遍运用，互联网进入车间只是时间问题，这将是数字化制造的主要标志。 从另一角度来看，企业资源 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 如果仅仅局限于业务管理部门(人、财、物、产、供、销)或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的，车间最底层的加工设备——数控机床不能够连成网络或信息化，就必然成为制造业信息化的制约瓶颈。所以，对于现代制造工厂来说，除了要提高机床的数控化率外，更要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间的底层之间及底层与上层之间通信畅通无阻。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心不仅实现了加工过程和刀具交换的自动化，还配备一个称为信息塔(e-Tower)外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信功能。该机床与生产计划调度联网，实时反映机床工作状态和加工进度。操作者需指纹确认权限，在屏幕上观察加工过程、故障报警显示、在线帮助排除。它是独立的、自主管理的制造单元。企业的生产计划调度系统安排一周的加工任务，发送到信息塔。信息塔向操作者发出指令，并在屏幕上显示机床的实时工作状态。操作者按照屏幕指示进行操作。遇到问题时，可随时查阅计算机中的操作手册。正常情况下，机床自动工作，操作者与机床在时间和空间上都是分离的。管理者和操作者皆配备有手机，通过手机可以查询生产工况，预计加工完成时间以及延期 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 和故障报警。机床发生故障时，屏幕会显示排除故障的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，Mazak公司维修中心能同时看到问题所在，远距离及时提供帮助，尽可能减少机床的停机时间。 　　新一代数控系统 　　德国Andron公司的最新产品是新一代基于微机的、在Windows平台上的开放式数控系统。它采用由两个Intel处理器，通过PCI-PCI桥进行相互通信。一个处理器承担数控运算(NC计算机)，另一个作为人机界面计算机。NC计算机中插有NC CPU卡、NC机床卡。NC机床卡与数控驱动装置连接，并通过2块带PCI桥的总线卡与人机界面计算机通信。人机界面计算机的内部总线卡与数控系统操作面板和外部接口连接。人机界面计算机的CPU卡控制触摸式LCD显示屏以及计算机外设和网络通信。 传统的数控系统是将编程系统的数字信号转换成为电压模拟信号，再以电压的大小控制驱动电动机的转速，事实上仍是模拟量控制。新一代数控系统的最大特点还在于采用串行实时通信接口SERCOS和皮米级插补技术。它可将位置控制、速度控制、精密插补以及伺服电动机的控制集成在一个集成电路中。数字伺服驱动技术借助SERCOS接口将数控系统与伺服控制器用光纤连接起来，大幅度提高系统的传输率和响应速度，可达到纳秒级。数控系统性能以及数控机床的加工精度和效率的提高与插补精度是分不开的。Andron公司采用SERCOS接口技术后，开发了皮米级插补技术，将插补精度从1×10-7m提高到0.6×10-12 m。插补精度越高，机床加工零件的尺寸精度也越高，表面粗糙度越小，机床运动越平稳，刀具磨损也越小，可进一步降低加工成本。 · 1.1.2．国内数控机床的发展 我国从1958开始研究数控技术，到20世纪60年代中期处于研制、开发阶段。1965年进入晶体管数控装置的研制。60年代末至70年代初研制成功了数控铣床。 从20世纪70年代开始，数控技术在车、铣、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开。但由于电子元件的质量和制造工艺水平低，致使数空系统的可靠性、稳定性没有得到解决，因此未能广泛推广。 20世纪80年代，中国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服单元技术，并于1981年开始批量生产数控系统，包括数控装置和伺服单元。 在此期间，中国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业不同层次的需要，还开发出多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，中国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。 · 1.1.3．未来数控机床的发展趋势 随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比例明显增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发展。当前，数控机床技术呈现如下发展趋势。 （1） 高精度化 现代科学技术与生产的发展，对机械加工与测量提出了越来越高的精度要求。加工精密化不只是由于发展高、新技术的需要，也是为了提高普通机电产品的性能质量、寿命和可靠性的需要，同时还是为了减少机械产品装配时的修配工作，提高装配效率的需要。故提高机床的加工精度是现代数控机床发展方向之一。其精度已从微米级到亚微米级，乃至纳米级（〈10nm 〉。提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术实现。近几十年来，普通级数控机床的加工精度已由 提高到 ，精密级加工中心精度则从 提高到 。 （2） 运动高速化 高速是高效的基础，要提高生产率，首先就得提高切削速度。这正是机床技术发展追求的基本目标之一。而实现这个目标的主要、最直接的方法就是提高切削速度、进给速度、减少辅助时间。目前铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上，主轴转速达到30000～100000r/min;工作台的移动速度，当分辨率为 时，在100～200m/min以上。自动换刀速度在1s以内，小线段插补进给速度达到12m/min。 （3） 高柔性化 实践证明，采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率、缩短生产和供货周期、并能对市场变化作出快速响应和提高竞争能力的有效手段。柔性是指机床适应加工对象变化的能力。传统的自动化设备，由于采用机械或刚性连接和控制，当被加工对象变换时，调整很困难，甚至是不可能的，有时只得全部更新或更换。数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元，对满足加工对象变换有很强的适应能力。而且，在提高单机柔性化的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化方向发展。 （4） 高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，包括物流和信息流的自动化。20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”（单台数控机床）、“线”的自动化（FMC、FMS、FTL、FML）发展到“面”的自动化。在国外已出现FA（自动化工厂）和CIMS（计算机集成制造）工厂的实体。尽管由于这种高自动化的技术还不完备，投资过大，回收期较长，但数控机床的高自动化以及向FMC、FMS的系统集成方向发展的总趋势仍是机械制造业发展的主流。 （5） 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，还要取决于可靠性。 数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化、通用化和系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障。利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复。利用各种测试、监控技术，自动进行相应的保护。 （6） 智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产的柔性化、自动化发展的需要，智能化正在成为数控设备包括数控机床研究及发展的热点，目前采取的主要技术手段有以下几个方面。 A、 自适应控制技术 自适应控制可根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率，达到改进系统运行状态的目的。可通过监控切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，向制造系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节。 B、 专家系统技术 将专家的经验和切削加工一般规律与特殊规律存入计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数，使加工系统始终处于罪优和最经济的工作状态，从而提高编程效率和降低对操作人员的技术要求，缩短生产准备时间。 C、 故障诊断技术 系统随时对CNC系统本身以及与其相连的个种设备进行自诊断和检查。出现故障立即采取停机等措施，进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等，并利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工厂工作环境的要求。 D、 模式识别技术 应用图象识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行加工。 · 1.2数控铣床的功能和特点及组成原理 · 1.2.1数控铣床的主要功能 数控铣床可以分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的数控系统不同，其功能也不尽相同。除各有其特点之外，常具有下列主要功能。 （1） 点位控制功能 利用这一功能，数控铣床可以进行只需要作点位控制的钻孔、扩孔、锪孔、铰孔和镗孔等加工。 （2） 连续轮廓控制功能 数控铣床通过直线与圆弧插补，可以实现对刀具运动轨迹的连续轮廓控制，加工出由直线和圆弧两种几何要素构成的平面轮廓工件。对非圆曲线（椭圆、抛物线、双曲线等二次曲线及对数螺旋线、阿基米德螺旋线和列表曲线等）构成的平面轮廓，在经过直线或圆弧逼近后也可以加工。除此之外，还可以加工一些空间曲面。 （3） 刀具半径自动补偿功能 使用这一功能，在编程时可以很方便得按工件实际轮廓形状和尺寸进行编程计算，而加工中心可以使刀具中心自动偏离工件一个刀具半径，加工出符合要求的轮廓表面。也可以利用该功能，通过改变刀具半径补偿量的方法来弥补铣刀制造的尺寸精度误差，扩大刀具直径选用范围及刀具返修刃磨的允许误差。还可以利用改变刀具半径补偿值的方法，以同一加工程序实现分层铣削和粗、精加工或用于提高加工精度。此外，通过改变刀具半径补偿值的正负号，还可以用同一加工程序加工某些需要相互配合的工件。 （4） 刀具长度补偿功能 利用该功能可以自动改变切削平面高度，同时可以降低在制造与返修时对刀具长度尺寸的精度要求，还可以弥补轴向对刀误差。 （5） 镜像加工功能 镜像加工也称为轴对称加工。对于一个轴对称形状的工件来说，利用这一功能，只要编出一半形状的加工程序就可以完成全部加工了。 （6） 固定循环功能 利用数控铣床对孔进行钻、扩、铰、锪和镗加工时，加工的基本动作是：刀具无切削快速到达孔位—慢速切削进给—快速退回。对于这种典型化动作，可以专门设计一段程序（子程序），在需要的时候进行调用来实现上述加工循环。特别是在加工许多相同的孔时，应用固定循环功能可以大大简化程序。利用数控铣床的连续轮廓控制功能时，也常常遇到一些典型化的动作，如铣整圆、方槽等，也可以实现循环加工。对于大小不等的同类几何形状（圆、矩形、三角形、平行四边形等），也可以用参数方式编制出加工各种几何形状的子程序，在加工中按需要调用，并对子程序中设定的参数随时赋值，就可以加工出大小不同或形状不同的工件轮廓及孔径、孔深不同的孔。目前，已有不少数控铣床的数控系统附带有各种已编好的子程序库，并可以进行多重嵌套，用户可以直接加以调用，使编程更加方便。 （7） 特殊功能 有些数控铣床在增加了计算机仿加工装置后，可以在数控和靠模两种控制方式任选一种进行加工，从而扩大了机床使用范围。 具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的且削状况（如切削力、温度等）的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削量，使铣床及刀具始终保持最佳状态，从而可获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命。 数控铣床在配置了数据采集系统后，就具备了数据采集功能。目前已出现既能对实物扫描采集数据，又能对采集到的数据进行自动处理并生成数控加工程序的系统。这些未进行设计制造一体化工作提供了有效手段。 · 1.2.2数控铣床的主要特点 (1) 高柔性及工序复合化 数控铣床具有柔性（可变性）高和工序复合化的特点。所谓“柔性”即灵活、通用和万能性，可以适应加工不同形状工件的自动化机床。数控铣床的发展已经模糊了粗、精加工工序的概念，打破了传动的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备利用率。 数控铣床一般都能完成钻孔、镗孔、铰孔、铣平面、铣谢冕、铣槽、铣曲绵（凸轮）、攻螺纹等加工。而且，一般情况下，可以再一次装夹中，完成所需的加工工序。 （2） 加工精度高 目前数控装置的脉冲当量（即每发出一个脉冲后滑板的移动量）一般为0.001mm。高精度的数控系统可达0.0001mm。一般情况下，可以保证工件的加工精度。另外，数控加工可避免公认的操作误差，一批加工件的尺寸同一性特别好（包括工件的主要尺寸和倒角等尺寸的同一性），而且还可利用软件进行精度校正和补偿，大大提高了产品质量。 由于数控铣床的高精度和灵活性，能加工很多普通机床难以完成或根本不能加工的复杂型面（如高精度螺旋推进器）。因此，数控铣床首先在航空、航天工业中应用。而加工各种复杂模具更显示优越性。 （3） 生产效率高 零件加工所需要的时间包括机动实践与辅助时间两部分。数控能够有效地减少这两部分时间。因而加工生产率比一般铣床高得多。良好的结构性允许数控进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控铣床一动部件的快速移动和定位采用了加速与减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间要比一般铣床少得多。 数控铣床一般很少使用专用夹具和工艺装备，在更换工件时，只需调用储存于计算机中的加工程序，装夹工件和调整刀具数据，可大大缩短生产周期。更主要的是数控铣床的万用性带来的高效率，如一般的数控铣床都具有铣床、镗床和钻床的功能。使工序高度集中，大大提高了生产效率并减少了工件的装夹误差。 另外，数控铣床得主轴转速和进给量都是无级变速的。因此，有利于选择最佳切削用量。数控铣床都有快进、快退、快速定位功能，可大大减少机动时间。 据统计，采用数控铣床比普通铣床可提高生产率3～5倍。对于复杂的成型棉加工可提高十几倍，甚至几十倍。 （4） 减轻操作者的劳动强度 数控铣床对零件加工是按事先编好的程序自动完成的。操作者除了操作键盘、装卸工件和中间测量及观察机床运行外，不需要进行繁重的重复性操作，可大大减轻劳动强度。 由于数控铣床具有以上独特的优点，因此数控铣床已成为机械制造业的主要装备。 但是，数控铣床的编程操作比较复杂，对编程人员的素质要求较高。否则，很难发挥数控铣床的作用。另外，数控铣床的价格昂贵，如编程操作不慎，万一发生碰撞，其后果不勘设想。为此，必须重视编程操作人员的培训。 · 1.2.3数控铣床的组成 数控铣床于一般的数控机床一样，是由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。下图实线所示为开环控制的数控铣床框图。 图1.2.3 数控铣床的组成 为了提高机床的加工精度，在上述系统中再加入一个测量装置（即上途中的虚线部分），这样就构成了闭环控制的数控机床框图。开环控制系统的工作过程是这样的：将控制机床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算得出进给脉冲序列（包含有上述4个参量），然后经伺服系统转换放大，最后控制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。若为闭环系统，则在输入指令值得同时，反馈检测机床工作台的事迹位移值，反馈量与输入量在数控装置中进行比较，若有差值，说明二者兼有误差，则属控装置机床向着消除误差的方向运动。现将各组成部分简述如下。 （1） 控制介质 数控铣床工作时，不需要工人去摇动手柄操作机床，但又要自动地执行人们的意图，这就必须在人和数控铣床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称为控制介质（或称程序介质、输入介质、信息载体）。 在普通机床上零件加工时，由工人按图纸和工艺要求进行加工。在数控铣床商加工时，则要把加工零件所需的全部动作及刀具相对于工件的位置等内容，用数控装置所能接受的数字文字代码来表示，并把这些代码储存在控制介质上。控制介质可以是川孔带，也可以是穿孔卡、磁带、磁盘或其他可以储存代码的载体。至于采用哪一种，则取决于数控装置的类型。而在CAD/CAM集成系统中，将其程序直接送入数控装置，不需上述控制介质。 （2） 数控装置 数控装置是数控铣床的中枢，在普通数控铣床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接受输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控铣床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。 （3） 伺服系统 伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床一动部件的运动，使工作太（或溜板）精确定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。因此伺服系统的性能是决定数控铣床的加工精度、表面质量和生产率的主要因素之一。相对于每个脉冲，机床一动部件的位移量叫做脉冲当量（用 来表示）。常用的脉冲当量为0.01mm/脉冲、0.005mm/买冲及0.001mm/脉冲。 在数控铣床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。 （4） 机床本体 机床主机是数控铣床的主体，它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架等机械部件。它是在数控铣床上自动完成各种切削加工的机械部件。 数控铣床中的机床本体，在开始阶段使用通用机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面做些改变。实践证明，数控铣床除了由于切削用量大、连续加工发热多等影响工件精度外，还由于是自动控制，在加工中不能像在普通机床上那样可以虽由人工进行干涉。所以其设计要求比通用机床更为严格，制造要求更精密。因而在后来的数控设计时，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施，使得数控铣床的外部造型、整体布局、传动系统及刀具系统等方面都发生了很大的变化。 · 1.2.4数控铣床的工作原理 数控铣床工作前，要预先根据被加工零件的要求，确定零件加工工艺过程、工艺参数，并按一定的规则形成数控系统能理解的数控加工程序。即将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编制成数控加工程序。然后用适当的方式将此加工程序输入到数控装置中。此时，即可启动机床运行数控加工程序。在运行数控加工程序的过程中，数控装置会根据数控加工程序的内容，发出各种控制命令，如启动主轴电机、打开冷却液，并进行刀具轨迹计算，同时向特殊的执行单元发出数字位移脉冲并进行进给速度控制，正常情况下可直到程序运行结束，零件加工完毕为止。具体而言，数控铣床的工作过程，即加工零件的过程，如下图所示。其主要步骤如下。 图1.2.4 数控铣床加工过程 （1） 根据被加工零件途中所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，制定工件加工的工艺过程，刀具相对工件的运动轨迹、切削参数及辅助动作顺序等，进行零件加工的程序设计。 （2） 用规定的代码和程序格式编写零件加工程序单。 （3） 按照程序单上的代码编作控制介质。 （4） 通过输入装置把加工程序输入给数控装置。 （5） 启动机床后，数控装置根据输入的信息进行一系列的运算和控制处理，将结果以脉冲形式送往机床的伺服系统（如步进电机、直流伺服电机、电液脉冲马达等）。 （6） 伺服系统驱动机床的运动部件，使机床按程序预定的轨迹运动，从而加工出合格的零件。 · 1.3本设计的内容、特点 本文设计的题目为：普通铣床的数控化改造，故名四亿就是在机床上增加微型控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产率提高。本设计的内容主要就是对普通铣床的工作台改造，在原有的传动的基础上采用伺服电机控制的传动系统。提高机床的定位的精度和重复定位精度，使之达到定位精度 0.01mm,重复定位精度达到 0.001mm进给速度达到1～4000mm/min,快移速度达到 =10m/min.机床由底座、中间滑台、传动机构、工作台四部分组成，本设计主要是对传动系统的设计，采用了直流伺服电机，直接带动丝杠，丝杠带动工作台移动。 其主要特点是：采用伺服系统，使直流电机转动，通过滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。采用半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分远见的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电动机做成一个整体是则无需考虑位置检测的安装问题。所以不仅使传动机构简单化，从而提高了机床的精度问题，扩大了加工范围，并且可以进行曲面加工。 · 1.4 本设计的控制方式 采用半闭环系统——半闭环系统是在开环控制系统的伺服机构中装有位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较厚的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。由于半闭环控制系统将移动部件的传动丝杠螺母机构不包括在闭环之内，所以传动丝杠螺母机构的误差仍然会影响移动部件的位移精度。 图1.4为半闭环控制系统框图 · 1.5本设计的整体方案 根据改造目的，需将纵向和横向还有主轴Z想进给运动改造为微机控制。总想进给系统需作以下改动：奖励和崎脱开，去掉手轮，将首轮直接与直流电机相连，由直流电机驱动纵向工作台；工作台由原来的手轮进给，现改为由直流电机驱动，Z向也如此，并自行设计滚珠丝杠副等元件。这里只叙述他它的传动方案： 电动机—→减速机构—→滚珠丝杠副—→工作台移动。其明显的特点是：电动机与减速机构作为一体。 数控部分采用8255的单片机，CPU上带的两片ROM，外接2764（RPROM）等扩展成的微机控制系统。 图1.5 系统设计框图 · 第二章 结构设计 · 2.1 传动系统设计 根据本题目给定的定位精度要求，初步选用半闭环伺服系统，从手册中查得伺服电机的最高转速 为1000r/min获1500r/min。如果伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接。即 ,工作台快速进给的最高转速达到 =10m/min，取电机的最高转速 : 所以取 =10mm 根据精度要求数控机床的脉冲当量为 mm/脉冲，伺服电机每转应发出的脉冲数达到 伺服系统中常用的位置反馈器有旋转变压器和脉冲编码器。旋转变压器的分解精度为每转2000个脉冲，如果采用旋转变压器方案，则在伺服电机和旋转变压器轴之间安装5：1的升速齿轮。采用脉冲编码器方案时，因脉冲编码器有每转2000个、2500个、5000个脉冲等数种产品，故编码器后应加倍频器。如选用每转2500个脉冲编码器，则倍频器的倍数为4。 速度反馈装置中，与旋转变压器相配套的可采用测速发电机。其性能为电机按1000r/min输出一定的电压量 （如输出6v）如采用脉冲编码器方案，则可在倍频器后架频率/电压转换器（F/V）。其转换比例为每分钟 个脉冲，输出电压 （如6v）。本设计伺服电机每转发出的脉冲为 个，故转换比例仍为6（v）/1000（r/min）. 下图为上述两种方案的传动系统图。这两种方案目前都有使用，各配不同的数控系统。本设计采用图（B）方案。 图2.1 传动系统图 1—旋转变压器；2—测速发电机；3—伺服电机；4—挠性连周期；5—滚珠丝杠；6—工作台；7—频率/电压转换器；8—倍频器；9—脉冲编码器； · 2.2 滚珠丝杠螺母副设计与原理 由于本系统要求达到 的定位精度，根据此要求，查阅滚珠丝杠手册。P型是用于精确定位且能够根据旋转角度和导程间接测量轴向行程的滚珠丝杠副，T型是用于传递力的滚珠丝杠，其轴向行程的测量由与滚珠丝杠副的旋转角度和导程无关的测量装置来完成。所以选用P型。根据精度推荐表，铣床X、Y轴的丝杠精度为4、5级，Z轴的丝杠精度为4、5级，所以本设计选用4级。控铣床上得到了广泛的应用。它的结构特以减少摩擦。 图2.2滚珠丝杠结构图 图中丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠与螺母之间，构成一个闭环的回路。 · 2.3直流电机的结构 直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多用在对伺服电机的调速性能要求较高的生产设备中。直流伺服电机的结构主要包括以下三大部分。 （1） 定子 定子磁极磁场由钉子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电机可分为永磁式和他励事。本设计采用用此事。 （2） 转子 又成为电枢，有硅钢片叠压而成，表面嵌优线圈，通以直流电时，在钉子磁场作用下产生带动夫在旋转的电磁转矩。 （3） 电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷域外价直流电源相接，换向片与电枢导体相连。 · 第三章 设计计算 已知参数： 工作台重量 40kg 工件最大重量 100kg 机床定位精度 机床重复定位精度 工作台进给速度 1～400mm/min 工作太快移速度 10m/min X轴行程 500mm Y轴行程 500mm Z轴行程 400mm 工作台为 500×500 · 3.1力能参数的计算 · 3.1.1．滚珠丝杠螺母副的选用设计 1、主切削力计算： 在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工过程平均铣削条件为准，因此取 =2.5mm, =0.2mm/齿， =70mm,z=4, =50mm,对圆柱高速铣刀， =68.2，则 = 5855（N） 对圆柱铣刀逆铣加工，各切削分力有 =1～1.2 , ＝ 0.2～0.3 ， =0.35～0.4 ，取中间值即 =1.1 ， =0.25 ， =0.38 ，则： =0.38 =0.38×5855=2225Nn=2.225(kN) 而插补平面内合力 F= EMBED Equation.3 =6616(N) 在一周的切削过程中取平均切削力为 = F= ×6.616=4.14（KN） 工作时的周向压力为 对于三角形形导轨，k=1.15, =0.2,而 =0， = =2.225(KN),G=1.4(KN),则 =1.15×3.1+0.2（2.225+1.4）=3887（N） 2、进给传动系统滚珠丝杠的计算 滚珠丝杠的名义直径，滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷 选择。 丝杠的最大载荷，当切削时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。已知最大进给力 =2.225KN，工作台加工件的质量M=140Kg，导轨的摩擦因数为0.1，故丝杠的最小载荷（即摩擦力） = =0.1×140×10=140 N 丝杠最大载荷 =2225+140=2365 N 轴向工作载荷（平均载荷） =3887 N 其中， ， 分别为丝杠最大、最小轴向载荷；丝杠的最高转速为1500r/min,工作台最小进给速度为1mm/min,故丝杠的最低转速为0.1r/min,可取为0，则平均转速n=(1500+0)/2=750r/min.故丝杠工作寿命为 式中 L—工作寿命 ，以 r为1个单位 N—丝杠转速 r/min T—丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h 计算当量动载荷 为 = = =49（Kn） 式中 —载荷性质系数，无冲击1～1.2，一般情况取1.2～1.5，有较大冲击振动时取1.5～2.5。本设计 =1.5 —精度影响系数，对于4、5级滚珠丝杠取 =0.9。查表12—1—13， ＜ ，由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸为内循环浮动式反向器FFZ5020—３，丝杠底径 ＝42.8mm　 名义直径d=50,额定动载荷 =49Kn， ＜ ，符合设计要求。轴向刚度 =1138 N/ m.预紧力 = /4=49/4=12.3KN，只要轴向载荷值不达到或不超过预紧力 的3倍，就 不必对预紧力提出额外的要求。本设计中丝杠最大载荷为 =2.36kN远小于3 。 3、主传动系统的滚珠丝杠的计算 滚珠丝杠的名义直径，滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷 选择。丝杠的最大载荷，当切削时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。已知最大进给力 =2.225KN，工作台加工件的质量M=140Kg，导轨的摩擦因数为0.1，故丝杠的最小载荷（即摩擦力） = =0.1×200×10=200 N 丝杠最大载荷 =2225+200=2425 N 轴向工作载荷（平均载荷） =3947 N 其中， ， 分别为丝杠最大、最小轴向载荷；丝杠的最高转速为1500r/min,工作台最小进给速度为1mm/min,故丝杠的最低转速为0.1r/min,可取为0，则平均转速n=(1500+0)/2=750r/min.故丝杠工作寿命为 式中 L—工作寿命 ，以 r为1个单位 N—丝杠转速 r/min T—丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h 计算当量动载荷 为 = = =58（Kn） 式中 —载荷性质系数，无冲击1～1.2，一般情况取1.2～1.5，有较大冲击振动时取1.5～2.5。本设计 =1.5 —精度影响系数，对于4、5级滚珠丝杠取 =0.9。查表12—1—13， ＜ ，由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸为内循环浮动式反向器FFZ5020—4，丝杠底径 ＝42.8mm　名义直径d=50,额定动载荷 =58KN , ＜ ，符合设计要求。轴向刚度 =1476 N/ m.预紧力 = /4=60/4=15KN，只要轴向载荷值不达到或不超过预紧力 的3倍，就 不必对预紧力提出额外的要求。本设计中丝杠最大载荷为 =2.42kN远小于3 。 4、滚珠丝杠支承的选择 本设计传动系统的丝杠采用一端固定，一端铰接，因为轴向刚度 =1138 N/ m大，而且适用于对刚度和位移精度要求高的场合，丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度。 图3.1.1.4 选定后的丝杠的支承简图 固定端采用一对 的角接触球轴承面对面相配合。 5、主轴传动系统的制动方式 由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用（特别是滚珠丝杠处于垂直传动时），为防止因自重下降，故必须装有制动装置。如下图所示为数控铣床主轴箱进给丝杠制动装置示意图。机床工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开。运动有电机经减速装置传给丝杠，使主轴箱上、下移动。当加工完毕或中间停车时，电机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝杠不能传动，主轴箱便不会下落。图如下所示： 图3.1.1.5 主周箱进给丝杠制动装置 · 3.1.2轴承的选择 1、选择轴承的型号 由于丝杠工作时，既承受轴向载荷又承受径向载荷,故支承丝杠的轴承选用能同时 承受径向载荷与单向轴向载荷的角接触球轴承.丝杠在传动是要正反转,则轴承承受的 轴向力的方向可能反复变化,故采用两个轴成面对面安装.如图所示: 图3.1.2.1 角接触球轴承面对面安装 轴承型号: 2、计算轴承的寿命 所谓轴承的寿命,是指轴承中任一滚动体或内,外圈辊道上出现疲劳点蚀前所经历的总转数或一定转速下工作的小时数.滚动轴承寿命计算的目的是防止轴承在预期工作时间内产生点蚀破坏,其寿命与所受载荷的大小有关,作用载荷越大,引起的接触应力也就越大,因而在发生点蚀破坏前所经历的总转数也就越少,即轴承的寿命越短. 3.1.2.2 滚动轴承的疲劳曲线 轴承的寿命: ----基本额定动载荷 ----当量动载荷 ----轴承转速 ----温度系数 ----寿命指数,球轴承 ； 滚子轴承 对角接触球轴承,其径向当量动载荷为: ---轴向动载荷系数 ----径向动载荷系数 ----轴承所承受的径向载荷 ----轴承所承受的轴向载荷 由于轴承工作时的温度低于120 ,查表的温度系数 =3 轴承成对安装故 故轴承的寿命 轴承的预期寿命一般约为5000～20000h.本设计满足要求。 · 3.2 伺服电机的选择及计算 · 3.2.1选择伺服电机 伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量 应与负载惯量 相匹配；快移时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。 · 3.2.2 最大切削负载转矩计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最达切削负载转矩T可根据下式计算，即 T= 5.88N.m 其中，从前面的计算已知最大进给力 =2225 N，丝杠导程 =10mm，预紧力 =3887 N，查手册，滚珠丝杠副的机械效率 =0.9，因滚珠丝杠预加载荷引起附加摩擦力矩 = = 查哈尔滨轴承总厂＜＜角接触推力球轴承组配技术手册＞＞得单个轴承的摩擦力矩为0.32N.m，故一对轴承的摩擦力矩 =0.64N.m。另一端直接铰接，其摩擦力可忽略不计。伺服电机与丝杠直连，其传动比i=1. · 3.2.3 负载惯量计算 伺服电动机的转子惯量 应与负载惯量 相匹配，负载惯量可按以下次序计算。 （1） 工件、工作台折算到电机轴上的惯量 ，工件与工 作台的最大质量M=140kg，可按下式计算，即 =m( EMBED Equation.3 式中： V—工作台移动速度，m/s; W—伺服电机的角速度，rad/s; m—直线移动工件、工作台的质量，kg; （2）丝杠加在电机轴上的惯量 ，丝杠名义直径 =50mm,L=1m,丝杠材料钢的密度 =7.8× kg/ 。根据下式公式，丝杠加在电机轴上的惯量 为 = ×7.8× ×1× =0.0048 （3）联轴器加在锁紧螺母等得惯量 可直接查手册得到 =0.001 （4） 负载总惯量 = + + =0.00035+0.0048+0.001=0.00615 按照数控机床惯量匹配条件，1＜ / ＜4,所选伺服电机的转子惯量 应在0.00615～0.0246 范围内。可选北京数控设备厂FB—15型直流伺服电机，其额定转矩17.6N.m,大于最大切削负载转矩M=5.88N.m,转子惯量 =0.019 ，满足匹配要求。FB—15型直流伺服电机的主要参数如下； 最高转速 ： 1500r/min 额定转矩 ： 17.6 N.m 最大转矩 ： 154 N.m 转子惯量 ： 0.019 机械时间常数 ： 15.2ms 输出功率P： 1.4kw 重量m： 30kg · 3.2.4 空载加速转矩计算 当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快移速度）时，所需的空载加速转矩 为 = N.m （1） 空载加速时，主要克服的是惯量。如选用FB—15型直流伺服电机总惯量 J= + =0.00615+0.019=0.025 （2） 加速时间 通常取 得3～４倍，取： =3 =3×15.2=45.6ms=0.046 s 空载加速转矩 不允许超过伺服电机的最大输出转矩 ，由此可见，FB—15型直流伺服电机的 =154N.m．＞ =85.2 N.m，满足设计要求 。 · 3.2.5 伺服系统增益 通常取伺服增益 为8～25。对轮廓控制的数控铣床可取较大值，如取 = 。伺服系统的时间常数 为 的倒数， =1/ =1/ =0.05s。根据式 = 选FB—15型直流伺服电机，执行件（工作台）达到的最大加速度为 × 伺服系统要求达到的最大加速度发生在系统处于时间数 内，工作台的速度从- 增加到+ 时： 由于a大于 ，因而按照加速能力选择 = 是合适的。 · 3.2.6 精度验算 本数控铣床要求的定位精度为 ，滚珠丝杠副允许的最大轴向变形 重复定位精度， ×0.01=0.0033mm.。其余误差为伺服和系统误差、丝杠轴承的轴向跳动和在载荷作用下各机械环节弹性变形引起的位移等。 （1） 伺服刚度 伺服刚度可根据下式计算，即 = N.m/rad A、 是伺服电动机的增益，等于电机的角速度 （rad/s）,与输入电压 的比值。输入电压 ，除少量消耗于电枢回路的阻抗外，大部分被反电动势所平衡。估算时，可近似地认为输入电压 等于反电动势。因而可近似认为 = EMBED Equation.3 是伺服电机的反电动势系数（s.v/rad）,为伺服电机单位角速度（rad/s）所产生的反电动势（v）. B、 是FB—15型直流伺服电机的转矩系数 =0.57N.m/A，因伺服系统增益 = ，速度控制的开环增益 =0.58s.v/rad,则 =1/0.58rad /(s.v);电枢直流电阻 =0.26 C、折合到工作台部件的直线刚度为 = × N/m=411N/ （2） 滚珠丝杠的挤压刚度 本设计丝杠为一端轴向定位结构。其最小拉压刚度发生工作台螺母定位点最远的位置。已知工作台的纵向行程为500mm，螺母移动到离定位点最近位置时，还应保留一定的丝杠距离，假设为150mm。因而丝杠最大距离 =500+150=650mm则丝杠拉压刚度为 = × × =436N/ 式中： —丝杠底径42.5mm(即0.0425m) E—丝杠材料钢的弹性模量E=2× G （3） 丝杠轴承的轴向刚度 轴承的钢球直径 =7.3mm，钢球数Z=17,接触角 = ,预加载荷 =2900N，轴向外载荷为导轨摩擦力 =140N，故轴向载荷 为预加载荷与轴向外载荷之和，即 = + =2900+140=3040 N丝杠轴承轴向载荷刚度 可按下式求得，即 = =503 （4）滚珠丝杠螺母的接触刚度 查丝杠螺母手册得 =1138 N/mm （5）联轴器的扭转刚度 查文献 =6.2× 折回到工作台部件的直线刚度为 （6） 综合刚度k 计算出伺服刚度折算到工作台部件的直线刚度 ，滚珠丝杠最小挤压刚度 ，丝杠轴承轴向载荷刚度 ，滚珠丝杠螺母接触刚度，折算到工作台部件直线刚度 和联轴器扭转刚度 后，按弹簧串联原则合成求得综合刚度k.。 K= （7）弹性变形量 数控铣床的定位精度是在不切削空载条件下检验的。故轴向载荷仅为导轨的摩擦力 =140 N，故因 引起的弹性变形量为 = （8） 定位误差验算 本设计中滚珠的最大轴向变形 =0.0033mm=3.3 ，加弹性变形量 =1.076 ，即1.076+3.3=4.37 。再 加上某些次要因素，将不会超过要求的定位公差，所以满足要求。 · 3.3 联轴器的选择 在数控机床进给驱动系统中，伺服电机轴、传动轴和滚珠丝杠之间的传动联结只有确保无间隙，才能却保传动精度，准确执行脉冲指令，而不丢掉脉冲。在数控机床中伺服电机与滚珠丝杠之间主要采用3种联结方式：直联式、齿轮减速式、同步带式。本设计选用挠性联轴器，挠性联轴器的特点及用途：具有定量补偿两轴相对偏移和一般减缓、缓冲电绝缘性能。外形尺寸较小，重量较轻承载能力较大，要求安装精度较高。用于正反转变化较多、启动较频繁的高、等轴径、工作平稳、两轴对中性好、中速轴传动。不适用于动载变化很以及由强烈冲击和扭振场合。 选择套筒联轴器通常需要按适用范围自行设计。本设计采用平键联接，轴径及许用转矩：平键套筒联轴器， =20～100mm， =31～5600 N .m;套筒联轴器的材料选用45钢。联轴器的主要尺寸：套筒外径D=(1.4～1.8)d ,本设计D=55mm,套筒长度L=(2.8～3.5)d,本设计L=3.1d=110mm, 圆锥销直径 0.25d=9mm,圆锥销长度 =D=55mm。 图3.3 套筒联轴器示意图 · 3.3.1 键的选择 由于电机轴和丝杠都是在轴端连接，故两处都选用类型为普通平键C型，键C10×50 , GB/T1096～1979。尺寸如下： 宽度b=10 mm ; 高度h=8 mm ; L=50 mm · 3.3.2 键的强度校核 (1) 键槽工作面的挤压或磨损 P= ≤ = 由于小于许用值40 ，所以满足要求。 (2) 键的剪切力 = ≤ = 由于小于许用值3.5 所以满足要求。 T—转矩 N .m ; D—轴的直径 mm ; k—键与轮毂的接触刚度mm,对于平键而言k=h/2; l—键的工作长度，l=L-b/2; b—键宽 mm; — 键联接的许用挤压应力， =90 ； —许用挤压压强， =40 ，本设计采用动联接、轻微冲击，查表5—3—17。 · 第四章 辅助元件的选择 · 4.1 导轨的选择 导轨按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种，其中，数控铣床最常用的是镶粘塑料滑动导轨和滚动导轨。本设计根据结构简单、价格便宜、刚度好等特点，选用滑动导轨。 · 4.1.1 滑动导轨的特点 滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，是机床上使用最广泛的导轨形式之一。但普通的铸铁-淬火钢导轨，存在的缺点是静摩擦因数大，而且动摩擦因数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速（1～60mm/min）时出现爬行现象，降低了运动部件的定位精度。 通过选用合适的导轨材料和采用相应的热处理及加工方法，可以提高滑动导轨的耐磨性及改善其摩擦特性。例如，采用优质铸铁、合金耐磨铸铁或镶淬火钢导轨；进行导轨表面滚轧强化、表面淬硬、涂铬、涂钼工艺处理等。 镶粘塑料导轨不仅可以满足机床对导轨的低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求，同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。因此，在数控铣床上得到了广泛的应用。 镶粘塑料导轨是通过在滑动导轨面上镶粘一层由多种成分复合的塑料导轨软带，来达到改善导轨性能的目的。这种导轨的共同特点是：摩擦因数小，且动、静摩擦因数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗撕伤能力强；加工性和化工稳定性好，工艺简单，成本低，并有良好的自润滑和抗振性。塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬钢导轨相配使用。 本设计中采用以聚四氟乙烯（PTFY）为基体，通过添加不同的填充构成的高分子复合材料。聚四氟乙烯是现有材料中摩擦因数最小（0.04）的一种，单纯聚四氟乙烯不耐磨，因而需要添加663青铜粉、石墨、Mo 、铅粉等填充料增加耐磨性。这种导轨软带具有良好的抗磨、减摩、吸振、消声性能；适用的工作温度范围广（-200～280 C）；动、静摩擦因数小，且两者之差很小；还可以在干摩擦下应用；并且能吸收外界进入导轨面的硬粒，使导轨不致拉伤和磨损。这种材料、常被做成厚度为0.1～2.5mm的塑料软带形式，粘接在导轨基面上，下图为示意图： 图4.1.1 镶粘塑料导轨的结构示意图 · 4.2 脉冲编码器的选用 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。在数控铣床上只使用光电式脉冲编码器，因为光电式的精度和可靠性优于其它。根据表4—2选择导程 =10mm，选择2500/转，每转脉冲移动量0.5 in 图4.2 增量式光电编码器的结构图 增量式光电编码器如上图的所示，其实就是一种光电盘。在一个圆盘的圆周上分成相等的透明与不透明的部分，圆盘与工作轴一起旋转，此外，还有一个固定不动的扇形薄片与圆盘平行放置，并制作有辨向窄缝，当光线通过这两个作相对运动的薄透光与不透光部分时，使光电元件接受到的光通量也时大时小地连续变化，经放大、整形电路的变换后变成脉冲信号。 · 4.2.1 脉冲编码器的工作原理 光线透过圆光栅和指示光栅的线纹，在光电元件上形成明暗交替变化的条纹，产生两组近似于正弧波的电流信号A与B，两者的相位相差 ，经放大、整形电路，变成方波，如图： 图4.2.1 脉冲编码器的输出波形 若A相超前于B相对应电机作正向旋转；若B相超前于A相，则对应电机作反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。 Z相是一转脉冲，也称为零位脉冲，它是用来产生机床的基准点的。通常，数控铣床的机械参考点与各轴的脉冲编码器发生出Z相脉冲是一致的，即该信号与A、B信号严格同步。 在应用时，从脉冲编码器输出的A和 ，B和 四个方波被引入位置控制回路，经辨向和乘以倍率后，变成代表位移的测量脉冲。经频率/电压变换器变成正比于频率的电压作为速度反馈信号、供给速度控制单元进行速度调节。 · 4.3 数控系统的冷却系统 数控铣床的冷却系统按照其作用主要分为机床的冷却和切削时对刀具和工件的冷却两部分。 （1）机床冷却和温度控制 数控铣床属于高精度、高效率、高成本投入的机床，所以，在工厂中为了尽早地收回成本，充分发挥其作用，一般要求采取24h不停机工作制，为了保证长时间工作机床加工精度的一致性、电气及控制系统的工作稳定性和机床的使用寿命，数控铣床对环境温度和各部分的发热、冷却及温度控制均有相应的要求。 环境温度对数控铣床加工精度及工作稳定性有不可忽视的影响。对精度要求较高和整批零件尺寸一致性要求较高的加工，应保持数控铣床工作环境的恒温。一般数控铣床（半闭环控制,最小分辨率在0.001mm级）对工作环境温度的要求为0～45 ，环境温度变化不大于1.1 /min. 本设计采用专用的主轴的工作温度进行控制。原理图如下： 图4.3 主轴温控机 主轴温控机的工作原理图，循环液压泵2将主轴头内的润滑油（L—阿AN32机油）通过管道抽出，经过过滤器4过滤送入主轴头内，温度传感器5检测润滑油液的温度，并将温度信号传给温控机控制系统，控制系统根据操作人员在温控机上的预设值，来控制冷却器的开停。冷却润滑系统的工作状态由压力继电器3检测，并将此信号传送到数控系统的PLC。数控系统把主轴传动系统及主轴的正常润滑作为主轴系统工作的充要条件，如果压力继电器3无信号发出，则数控系统PLC发出报警信号，且禁止主轴启动。（b）图为温控机操作面板。操作人员可以设定油温和室温的差值，温控机根据此差值进行控制，面板上设置有循环液压泵，冷却机工作、故障等多个指示灯，供操作人员识别温控机的工作状态。主轴头内高负荷工作的主轴传动系统与主轴同时得到冷却。 （2）工件切削冷却 采用手动操作，送出切削液。 · 4.4 润滑系统 （1）润滑的作用 A、减小摩擦 B、减小磨损 C、降低温度 D、防止锈蚀 E、形成密封 （2）润滑系统的选择 数控铣床良好的润滑对提高各相对运动件的寿命、保持良好的动态性能和运动精度等具有较大的意义。在数控铣床的运动部件中，既有高速的相对运动，也有低速的相对运动，既有重载的部位，也有轻载的部位，所以在数控铣床中通常采用分散润滑与集中润滑、油润滑与脂润滑相结合的综合润滑方式对数控铣床的各个需要润滑部位进行润滑。数控铣床中润滑系统主要包括主轴传动部分、轴承、丝杠和导轨等部件润滑。 在数控铣床的主轴传动部分中，减速装置与主轴轴承等零件由于转速较高、负载较大，温升剧烈，所以一般采用润滑油强制循环的方式，对这些零件进行润滑的同时完成对主轴系统的冷却。这些润滑和冷却兼具的系统对油的过滤要求较为严格，否则容易影响减速装置、轴承等零件的使用寿命，一般在此系统中采用沉淀、过滤、磁性精过滤等手段保持油的洁净，并要求经过规定的时间后进行油的清理更换。 轴承、丝杠和导轨是决定数控铣床各个坐标轴运动精度的主要部件。为了维持它们的运动精度并减少摩擦及磨损，必须采用适当的润滑。具体采用何种润滑方式取决于数控铣床的工作状况及结构要求。对负载不大、极限转速或移动速度不高的数控铣床一般采用脂润滑，采用脂润滑可以设置专门的润滑系统，避免润滑油的泄漏污染和废油的处理，而且脂润滑具有一定的密封作用，降低外部灰尘、水汽等轴承、丝杠和导轨副的影响。对一些负载较大、极限转速或移动速度较高的数控铣床一般采用油润滑，采用油润滑既能起到相对运动件之间的润滑作用，又可以起到一定的冷却作用。在数控铣床的轴承、丝杠和导轨部位，无论是采用油润滑，都必须保持润滑介质的洁净无污染，按照相应润滑介质要求和工况定期地清理润滑元件，更换或补充润滑介质。 · 4.5 数控铣床排屑装置 为了数控铣床的自动加工顺利进行和减少数控的发热，数控铣床应具有合适的排屑装置。在数控铣床的切屑中往往混合着切削液，排屑装置应从其中分离出切屑，并将它们送入切屑集装箱内；而切削液则被回收到切削液箱。 本设计采用刮板式排屑装置，原理是该装置以滚动链轮牵引钢质平板链带在封闭箱中运转，切屑用链带带出机床，这种装置在数控机床使用时要与机床冷却箱合为一体，以简化机床结构。这种结构常用于输送各种材料的短小切屑，排屑能力强。 · 4.6 数控系统的选择 根据已选定的直流伺服驱动与加工要求。所配数控装置应实现半闭环控制信号，接收半闭环的反馈信号，要能控制三个坐标轴的运动。其中至少需同时控制两轴联动，完成圆弧插补，为了在加工中使用不同尺寸的刀具，数控装置应具有刀具的半径和长度补偿，以便数控加工中按轮廓编制程序而能适应刀具尺寸的变化。为了适应将来发展的需要，数控装置应具备通信接口。因此确定选用MTC—１M铣床数控装置。MTC—１M是三坐标2.5轴联动的铣床用多CPU数控装置。该装置除了具有一般数控功能之外，还具有子程序和参数编程，特别是镜像功能，很适合具有对称轮廓工件的数控加工编程。此外，它还具有示数，录返和用RS-232C通信的功能。 由于采用现成的MTC—１M数控装置，在选取时要考虑功能要求，与伺服单元的配接，其他的输入/输出控制信号与控制能力。在配接时要考虑接口的数量及参数，必要时要设计信号变换电路。在设计参考点信号的电路时，采用了光电隔离。另外，为了在接近开关及其电源、引线等发生故障时，能有一定的保护，设计采用了逻辑检测电路。此逻辑检测电路的作用是当发生元件损坏、断线或短路时发出信号，产生紧急停机的作用。为了能用一般的8位微处理器芯片完成插补运算，而且还要监控键盘，如显示屏幕的不断刷新等，系统采用了多CPU结构。 该数控装置采用三个CPU，分别是中央CPU，显示和键盘管理CPU及插补和输入/出CPU。中央CPU起主要控制作用，负责数控程序的编辑、数控程序段的译码预处理，刀具半径补偿的计算、机器和刀具参数编辑、诊断处理、按键信号监控处理等，并且要协调另两个CPU的同步工作。显示CPU主要功能是按照中央CPU送来的显示命令和显示内容，组成相应的显示页面，负责产生CRT显示器所需要的视频扫描信号，控制显示器按规定的显示方式显示有关信息。此外，扫描键盘，将接收的键盘和开关信号经译码送给中央CPU进行相应处理。插补CPU主要进行插补运算，发生伺服驱动所需的控制信号，接收测量反馈信号，实现速度和位置的控制。此外，对输入/输出信号进行控制，并完成RS-232C通信功能。插补CPU接收中央CPU送来的程序段信息和其他命令，并返回插补完成情况及出错信号。为了完成信息交换，中央CPU与显示CPU之间，中央CPU与插补CPU之间分别设置了公用存储区。以中央CPU与插补CPU之间数据交换为例，为了避免两个CPU同时存取公用存储区而发生冲突，需要采取措施，为了简化线路和控制，该设计方案采取借用Z80CPU所具备的总线请求和响应的功能，以中央CPU为主控，当中央CPU需要时，通过I/O口，由芯片8255的输出向插补CPU的总线请求发出信号。插补CPU返回响应信号后，也经由8255，从输入口传给中央CPU。中央CPU接到响应信号后打开74LS245总线驱动器的门，使中央CPU的地址信号送达插补CPU的存储区，数据得到传送。 在地址分配上，为了减少芯片数，插补CPU所用的ROM采用2片ZPROM2764，用74LSB8完成片选，由 ～ 三根地址线译码后，每个输出Y端控制８K存储区。２片2764占低地址区。但RAM只需2K（包括公用存储区），设计中把公用存储区放在最高地址区，为了精确地址，又加了74LSB9，进一步用 ， 选定RAM 的地址为0F800H～0FFFFH。 输入／输出采用8255，每片可以有24个端口作输入/输出。对伺服驱动单元的控制模拟量信号采用DAC0830数/模转换。为了实现正反转控制，采用2级放大，可输出 控制信号。由于数控装置在使用RS-232C通信功功能时不做其他工作，为了简化结构，利用8255的一个输入端口和一个输出端口，用软件实现串行数据通信。I/O的地址分配，由于I/O片不多，为简化线路，减少芯片数，地址译码输入只用了5根地址线，输出分别给CRT 、2片8255和4片DAC0830个芯片，其中CRT和8255每个口有2个地址，而DAC0830有8个地址。该系统的软件设计采用模块化设计。 · 第五章 价值分析 · 5.1 价值的概念 价值分析是一种使产品达到物美价廉的有效的现代化管理技术,应用于产品设计中尤见成效.已发展为现代设计方法的一项内容，价值分析1947年产生与美国，创始人是美国通用电器公司负责物质采购工程师麦尔斯。 价值分析中的价值就是产品功能与成本的综合反应，用数学式来表达，可以写成： V=F/C V—产品的价值 C—取得该功能所耗费的成本 F—产品所具有的功能 由上式可以看出，要提高产品的价值，可以通过以下三种途径： （1）增加产品的功能 （2）降低产品成本 （3）即增加产品功能又要同时降低产品成本等各种途径。 随着技术和经济的不断发展，人们对技术经济分析也越来越重视，其研究目的、内容也在不断丰富与发展。 · 5.2 LOM价值分析 LOM技术属于新产品开发项目，它一改过去的加工方法，采用切削加工生成零件，具有非常大的市场潜力。 LOM的技术价值： 令理想的方案的比例数值为1，作为基准，理想方案的价值为1，从而引出技术价值X的概念。 X=（P1+P2+……+Pn）/n=（0.85+0.83+0.92+0.95）/4=0.89 P1、P2……Pn—表示1—n个目标的得分数； n —表示目标数。 注： 当技术价值 X≥08 优 0.7≤X≤0.8 良 X＜0.6 不合格 所以进行数控化改造的技术价值是优 · 第六章 结束语 经过这一段时间设计，到今天为止，可以说已经结束了。在本设计中虽说有很多缺点和错误，但通过本次设计使知识的到了深化，现将本次设计中一些结论性东西和体会分述如下： · 6.1设计中结论性的问题. 1.滚珠丝杠螺母副（简称螺母丝杠副）是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副。滚珠丝杠副的特点：（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率 =0.92～0.96，是普通丝杠螺母副的3～4倍（ =0.20～0.40），功率消耗只相当于普通丝杠螺母副的 。（2）定位精度高，刚度好。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常需附加制动装置。 2.滚珠丝杠的循环方式为内循环浮动式返向器。浮动式返向器的特点是反向器与滚珠螺母侧孔有适当间隙，返向器可以在侧孔中浮动。原理是在螺母侧孔中还装有片簧，借助于片簧压力，始终给返向器一个径向推力，从而使回珠槽内的滚珠与滚珠丝杠表面保持一定压力，这样，回珠槽内的滚珠对返向器起定位作用。具有良好的摩擦特性。 3.本设计的电机为永磁式直流伺服电机，其特点有：（1）高性能的铁氧体具有大的矫顽力和足够的厚度，能承受高的峰值电流，以满足快的加减速的要求。（2）大惯量的结构，在长期过载工作时具有大的热容量。（3）低速高转矩特性和大惯量结构，使得与机床进给丝杠直接连接有了可能。（4）选择了较好的电刷材料和磁场的结构，使得在大的加速度状态下有好的换向，从而在长时间内都能保持极高的可靠性。（5）200 的绝缘系统，保证电动机在反复过载的工作条件下仍有长的寿命。（6）为了稳定的工作，具有足够大的转动惯量。 · 6.2 体 会 经过实习—整理材料—设计计算—制图几个阶段的工作，毕业设计到现在已经结束了。在尹明老师的悉心指导下，使我基本上做到了毕业设计要求我们的目的。在此，我忠心地向尹老师及帮助过我的老师和同学表示感谢。 在设计的起初，我对自己设计的题目感到特别的棘手，在老师的不厌其烦的讲解下，才使我迈出了关键性的一步。在设计的起初，感到费劲的是知识都处于混乱状态。通常为了查一个问题要翻阅好几本书才能弄清楚。这都是自己平时只为了学习而学习，不把知识与实践结合的结果。 本设计中几乎涉及到了四年的全部课程，这就使我静下心来好好地理解一下四年的基本知识，从而使知识得到了巩固和完善，这次设计还提高了我的专业素质，为今后走向社会、更好地工作，奠定了一个坚实的基础。 在设计过程中，我翻阅了大量的工具书和手册，使自己的知识得到了升华，相信对走上了工作岗位会有很好的推动作用。 然而由于本人能力有限和时间仓促，在设计中，肯定有好多缺陷和不足，但我深信，随着时间的推移和自身的努力。我的专业知识将会不断发展和提高。 · 第七章 数控铣床的编程实例 在下图所示的方料上，用球头铣刀铣一凹形曲面。刀具直径 ，每次Z 向背吃刀量 ≤5mm,试编制其数控铣削加工程序。 图6.1加工路线图 解：编程坐标系如图所示设定,O点为坐标原点和对到点。采用半径补偿功能，在XOZ平面内插补运动；采用循环程序或子程序，使Z向深度逐层增加；刀心轨迹见图。“1—2—3—4—5—6—2”为一个循环单元，反复循环5次。 各轨迹坐标点及圆心坐标为：A (-70,0),B (-26.25,-16.54),C (26.25,-16.54),D (70,0),E (0,-39.69),F (-45,0),G (45,0)。 切削用量参照《工艺手册》有关资料选择：主轴转速1000r/min,进给速度400mm/min. 零件铣削加工程序如下： Wr01 (主程序名) N10 G00 X0 Y0 Z45 T01 S1000 M03; (快进至点1) N20 G91 G01 Z-5 F400; (快进至点2) N30 G18 G42 X-70 Z-20; (产生刀补至点3) N40 G02 X43.75 Z-16.54 I25 K0 F100；（3—4） N50 G03 X52.5 Z0 I26.25 K-23.15; (4—5) N60 G02 X43.75 Z16.54 I18.75 K16.54;(5—6) N70 G40 G01 X-70 Z20 F400; (取消刀补至点2) N80 G26 N0020.0070.4; (重复循环4次) N90 G90 G17 G00 X0 Y0 Z100; (返回刀具起点) N100 M02; (程序结束) （2） 子程序编程法 Wr02 (主程序名) N10 G00 X0 Y0 Z45 T01 S1000 M03; (快进至点1) N20 G20 N93.5; (调用N93子程序5次) N30 G90 G17 G00 X0 Y0 Z100; (退刀) N40 M02; (程序结束) N93 (子程序名) N10 G22 N93; (子程序开始) N20 G91 G01 Z-5 F400; (1—2) N30 G18 G42 X-70 Z-20; (2—3) N40 G02 X43.75 Z-16.54 I25 K0 F100; (3—4) N50 G03 X52.5 Z0 I26.25 K-23.15; (4—5) N60 G03 X52.5 Z0 I26.25 K-23.15; (5—6) N70 G40 G01 X-70 Z20 F400; (6—2) N80 G24; (子程序结束，返回主程序) 参考文献 1． 戴曙.金属切削机床[M].北京:机械工业出版社：1993.5 2． 彭文生、李志明、黄华梁.主编.机械设计[M].北京：高等教育出版社.2002.8 3． 吴宗泽、罗圣国主编.机械设计课程设计手册[M]. 北京：高等教育出版社.1999.6 4． 成大先主编.机械设计手册[M].北京：:机械工业出版社 5． 成大先主编. 第1卷/机械设计图册[M].北京：化学工业出版社.2000.5 6． 文怀兴主编. 数控铣床设计[M].北京：化学工业出版社.2006.1 7． 机电一体化技术手册编委会编写. 第1卷/机电一体化技术手册[M].北京：机械工业出版社 8． 王洪主编. 数控加工程序编制[M].北京：机械工业出版社.2002.3 毕业论文（设计）原创性声明 本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明 本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。   作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它 47 _1234568017.unknown _1234568081.unknown _1234568145.unknown _1234568177.unknown _1234568193.unknown _1234568201.unknown _1234568209.unknown _1234568213.unknown _1234568217.unknown _1234568219.unknown _1234568221.unknown _1234568222.unknown _1234568220.unknown _1234568218.unknown _1234568215.unknown _1234568216.unknown 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