x6132型普通铣床经济型数控改造

辽宁科技学院本科生毕业设计（ 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ）第Ⅱ页辽宁科技学院（2013届）本科毕业设计 题目： X6132型普通铣床经济型数控化改造 专题： 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 机电BGO92 学号： 指导教师： 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 书54页，图纸3张，专题页，译文9页X6132型普通铣床经济型数控化改造摘要随着计算机技术的飞速发展，发展现代计算机化数字控制（CNC）机床，是当前机械制造业进行技术改造，技术革新的必由之路，是未来工厂自动化的基础。因此，这次对普通机床进给系统的数控改造设计更显得重要。本文是对X6132铣床进行数控改造，主要分五个部分进行了介绍。第一部分是数控机床的概述，第二部分是进给系统的总体设计 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 ，第三部分是伺服进给机械部分设计计算，第四部分是经济与环保性能的简要分析，第五部分是机械结构三维造型。基于步进电机的机械改装减少了人的工作量，把手动转变为电动。本次改造用了三个步进电机，分别控制机床的三个方向（纵向、横向和垂向）的进给，通过齿轮或带轮带动滚珠丝杠轴向运动。用滚珠丝杠螺母副传动结构代替原有传动结构，在综合性能上得到了较好的改善。关键词：铣床,丝杠,步进电机,数控TheEconomicDigitalControlRetransformationoftheMillingMachineX6132AbstractAsthedevelopmentofcomputertechnology,producingthemoderncomputernumericalcontrol(CNC)machinebecomesthetrendoftechniquetransformationandreformationinthemanufacturingindustryandthefoundationofautomationfactoriesinthefuture.Therefore,theprojectofautomatingthemachineisimportanttotheprospectivestudyandwork.ThepaperdescribesthedigitalcontrolretransformationofX6132millerandtheintroductionhasbeenmainlyunderwaybyfivebranches.Theintroductiononcomputernumericalcontrol(CNC)machinewillbepresentedinSection1.TheoveralldesigningschemewillbeproposedinSection2.ThecalculationanddataofmechanicalpartsisinSection3andinSection4theeconomyisanalyzedagainsttheenvironmentalprotectionperformanceprofile.Insection5ismechanicalthree-dimensionalmodeling.Thereformationofthemachinebasedonthesteppingmotordecreasestheworkloadbyturningthehandoperationtoelectriccontrol.Threemotorcontrollingthreedirectionsrespectivelymovetheballscrewsbygearsandstrapwheels.Replacingoriginaldrivecompositionwiththeballleadingscrewnutpairdrivecompositioncanmaketheoverallperformancebetterimproved.Keywords:millingmachine,ballscrew,steppingmotor,computernumericalcontrol目录11绪论11.1数控机床的发展11.1.1数控机床的历史和现状21.1.2数控机床的发展趋势41.2机床数控技术的概述41.2.1数控技术在机械制造业的应用61.2.2数控技术优越性71.2.3数控机床分类82总体方案设计82.1铣床改造方案的确定82.1.1计算机系统的选择82.1.2系统运动方式的确定82.1.3伺服系统的选择92.1.4执行机构传动方式的确定92.2进给机构传动方案拟订103进给系统机械部分设计计算103.1设计要求103.2确定系统脉冲当量103.3纵向进给系统的确定103.3.1切削力的计算113.3.2纵向丝杠的选择143.3.3齿轮传动比计算143.3.4纵向步进电机的计算和选择173.4横向进给系统确定173.4.1横向丝杠的选择193.4.2齿轮传动比计算193.4.3横向步进电机的计算和选择223.5垂向进给系统的确定223.5.1垂向丝杠的选择233.5.2同步带及带轮的选择274机械结构三维造型274.1SolidWorks软件介绍284.2绘制草图304.3装配体设计324.4三维造型325经济环保性分析335.1经济性分析335.2环保性分析34结论35致谢36参考文献37附录1绪论1.1数控机床的发展1.1.1数控机床的历史和现状采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机承包商派尔逊斯公司在制造飞机框架和直升飞机的机翼叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到10.0381mm，这在当时水平是相当高的。1952年美国麻省理工学院成功地研制出一台三坐标联动的试验型数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床，当时的电子元件是电子管。1959年，开始采用晶体管元件和印制线路板，出现了带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心。从1960年开始，其他一些工业国家，比如德国、日本等也陆续开发生产出了数控机床。1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功耗降低，可靠性提高，但仍然是硬件逻辑数控系统。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造单元。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了用小型计算机控制的数控机床，这是第一台计算机控制的数控机床。1974年，微处理器直接用于数控系统，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。80年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检测装置的柔性制造单元。柔性制造系统和柔性制造单元被认为是实现计算机集成制造系统的必经阶段和基础。我国从1958年开始研究数控技术，直到60年代中期处于研制、开发阶段。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。60年代初到70年代初研制成功X53K-1G数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、锉、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。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年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，并于1981年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、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、分辨率为0.02um的高精度数控系统、数字仿形系统、柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我国开发出了多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系，90年代主要发展高档数控机床。1.1.2数控机床的发展趋势数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，“八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。1、持续稳定发展近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定的规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较为成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。2、主要存在二点不足和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。（1）信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。（2）创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。3、当今发展方向随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。（1）高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。（2）智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决定，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。（3）基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。（4）发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的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，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、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。1.2机床数控技术的概述1.2.1数控技术在机械制造业的应用数控技术是数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的，是制造业实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网络化的基础，对制造业起着举足轻重的作用，有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。在机械制造中数控技术的应用，主要以不同分工的机械制造业为分界点来阐述：1、工业生产在工业生产中，数控技术主要运用于机器设备的生产线上(例如：轻工业中的食品加工制造、造纸印刷、纺织缝纫等)，或者运用于复杂恶劣的劳动环境下(例如：重工业中的金属冶炼、化肥农药的加工、资源开采等)，完成人类难以完成的工作。工业生产中，数控技术的应用有这样的好处：a.有助于改善劳动条件，保证生产人员的人身安全。b.机械化的生产线，大大节省了劳动力，并且有助于生产效率的提高，实现最低成本。c.保证了生产的质量，机械化生产下的产品，是由统一的系统发出相同的数据，继而生产出的产品，基本无差异。在实际操作中，主要是由计算机系统进行控制，让生产设备按照写入的程序或编入的程序码，发生生产制造动作，计算机系统有着同步检测执行的动作，一旦出现错误或者发生故障，传感系统和检测系统就会将错误和发生的故障信息传达给计算机控制系统。并发出报警信号和相应的停止保护动作。有的使用数控后，仍雇佣一小部分工人对铀造设备进行监督，帮助执行机构在驱动元件的作用下更好地完成规定操作，并及时地在故障出现的时候，帮助计算机系统执行保护动作。2、煤矿机械采煤业丰厚的利润，促进了采煤业的迅速发展，带动了相关产业采煤机的发展;由于开采环境的不同，现代采煤机开发速度快、品种多，而且都是小批量的生产。各种机壳的毛坯制造越来越多地采用焊件，传统机械加工难以实现单件的下料问题，而使用数控切割，代替了过去流行的仿型法，使用龙骨板程序对采煤机叶片、滚筒等下料，从而优化套料的选用方案。在煤矿板机中，使用数控技术的优势体现：a.使采煤机的切割速度快，提高它的采煤的速度，在相同时间内，锋利的切割叶片能完成更多的采集。b.质量可靠，比传统的机械加工具有更好的效果，能够更好的完成采矿任务。c.从另一方面来看，避免了人工采矿的危险性，避免了煤矿事故的多发。d.一些零件的焊接板口可直接割出，大大提高了生产效率。在这同时，效控气割机有自动可调的切缝补偿装置。它允许对构件的实际轮廓进行程序控制，好比数控机床上对铣刀的半径补偿一样。这样可以通过调节切缝的补偿值来精确的控制毛坯件的加工余量。更好地配置资源，实现最优生产利润。3、汽车工业随着我国现代化进程和跨国公司的兴起，汽车工业也迅速发展，在汽车工业的发展过程中，汽车零部件的加工技术也在不断快速发展。数控技术的出现，更加快了复杂零部件快速制造的实现过程，更加巩固了我国汽车工业在国际市场上为加工大国的地位。将高速加工中心和其它高速数控机床组成的高速柔性生产线集“高柔性”与“高效率”于一体，既可满足产品不断更新换代的要求，做到一次投资，长期受益，又有接近于组合机床刚性自动线的生产效率，从而打破汽车生产中有关“经济规模”的传统观念，实现了多品种、中小批量的高效生产。数控加工技术中的快速成形制造技术在复杂的零部件加工制造中可以很轻易方便的实现，不仅如此，数控技术中的虚拟制造技术、柔性制造技术、集成制造技术等等，在汽车制造工业中都得到了广泛深入的应用。4、机床设备机械设备是机械制造中的最重要最关键性的因素，面对现代机械制造业的需求，具备了控制能力的机床设备是现代机电—体化产品的重要组成部分。数控技术是现代机床设备的灵魂和核心，它为机械制造业提供了良好的机床控制能力，就是把计算机控制装置运用到机床上，也就是用数控技术对机床的加工实施控制，这样的机床就是数控机床。它是以代码实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置、主轴变速、刀具的选择、冷却泵的起停等各种操作和顺序动作数字码记录在控制介质上，从而发出控制指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需零件。5、航空和宇航工业在航空和宇航工业领域中，有一些特殊的零部件为薄壁和薄筋需要加工，材料可能为铝或者铝合金，刚度很差，只有在高切削速度和切削力很小的情况下。才能对这些筋、壁进行加工。这对我们传统的切割工艺是一项挑战，因而，致控技术的高速、高精、高柔性的特点正符合要求，数控技术的应用，使得切割能够顺利并迅速地进行，有效地节省更多的能源。1.2.2数控技术优越性1、加工精度高数控机床是高度综合的机电一体化产品，它由精度很高的机械和自动化控制系统组成，机床的传动系统与机床结构都有很高的刚度和热稳定性，在设计传动结构是采取了减少误差的措施。由于在加工过程中操作者不参与操作，这就消除了操作者人为误差，提高了同批次零件加工尺寸的一致性，提高了工件的精度和合格率。2、可加工形状复杂的零件数控机床的刀具运动轨迹是由加工程序所决定的。通常只要能编制出程序即可加工出形状复杂的零件。3、加工生产率高，具有良好的经济效益数控机床具有良好的刚性，可进行强力切削及快速空行程进给，减少切削时间；数控机床有较高的重复定位精度，大大地缩短了生产准备周期，节省了测量和检测时间；又由于加工精度高、质量稳定的特点，减少废品率，使生产成本下降，能够为企业获得良好的经济效益。4、自动化程度高，改善劳动条件数控机床调整好后，除了手工装夹毛坯外，全部加工过程都是自动完成，简化了人工操作，减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。5、便于生产管理的现代化（现代数控机床有联网功能）利用数控机床进行加工，可以准确计算出零件的加工工时，并能有效简化检验、工件夹具和半成品的管理工作，易于实现生产的现代化管理。1.2.3数控机床分类1、按工艺用途分类切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类：数控线割机、电火花加攻机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。2、按运动方式分类定位控制数控机床、直线运动控制数控机床、轮廓控制的数控机床3、按控制方式分类开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统4、按功能水平分类一般把数控机床分为精密型、普通型、经济型。5、按控制功能分类点控制系统、轮廓控制系统。2总体方案设计2.1铣床改造方案的确定2.1.1计算机系统的选择微机系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。由于MCS-51系统单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰性强等特点，决定采用MCS-51系列的831单片机的扩展系统，程序存储器选用两个2716，数据存储器选用静态数据存储器6264。2.1.2系统运动方式的确定要求该机床具有定位、直线插补、顺逆圆插补、暂停循环加工、公英制螺纹加工等功能，因而选用连续控制系统。2.1.3伺服系统的选择数控机床伺服进给系统是以机械位移为直线控制目标的自动控制系统，简称伺服系统。伺服系统主要由伺服驱动单元、伺服电动机、机械传动装置、执行元件和位置检测反馈等单元组成，其中开环控制伺服系统无位置检测反馈单元。数控系统的输入和数控插补器相联，完成预定的直线或传角位移。1、伺服系统的主要特点如下：（1）多种反馈比较与方法，包括脉冲比较，相位比较和幅值比较三种位置闭环系统。（2）高性能伺服电动机作为驱动元件。用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。（3）宽速度范围的速度调节系统。在数控机床中，一般驱动系统的工作进给速度达3-5m/min，有的快速移动速度高达15-24m/min，甚至更高。（4）采用低摩擦高刚度的传动副和摩擦副。如常用滚动导轨、贴塑导轨、滚珠丝杠、齿轮消隙机构等以提高传动精度与刚度。（5）能长时间的连续可靠性工作。2、伺服系统可以分为以下三类:（1）按数控加工轨迹分为点位控制、点位置先控制和轮廓控制。（2）按有无检测元件及检测元件的安装位置可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制。（3）按反馈信息和比较方法的不同可分为脉冲比较、相位比较和幅值比较。本方案采用开环伺服系统，用步进电机驱动，没有反馈电路和检测装置，指令信号是单向传送的，并且结构简单，价格低廉。2.1.4执行机构传动方式的确定结合本机床的加工要求，为实现机床所需要的分辨率，采用步进电机经同步带传动减速，再经丝杠传动。为保证一定的传动精度、灵敏度和平稳性，为防止爬行，尽量降低摩擦并减少动静摩擦系数之差，进给传动机构选用滚珠丝杠副。根据机床特点和加工要求，本方案拟采用内循环浮动式的滚珠丝杠螺母副，其精度应根据主机点运动精度选取。由于执行件的进给速度比较低，所以在步进电机到滚珠丝杠的传送中要有较大的降速，本方案在垂直进给系统结构中选取了高效的同步带降速传动。2.2进给机构传动方案拟订各进给系统的运动是由以单片机为核心的微机电路系统控制步进电机的运转进而带动起执行部件运动来实现的。这就是要求电机转子转过的角度与输入的脉冲个数保持严格的比例关系，并且转动的脉冲在时间上同步，故而选择步进电机为伺服系统的驱动元件。为保证数控系统的传播精度及灵敏度和工作平稳性，采用滚珠丝杠螺母传动副，同步带等传动件。对与数控系统的选择，可根据目前数控技术的发展状况，从市场上从本机床可选择现有的各种经济数控系统如国内的华中数控Ⅰ型、中华数控、航天数控和蓝天数控，德国的恩华得、凯恩第数控系统。3进给系统机械部分设计计算3.1设计要求主要设计参数如下：工作台最大行程：纵向：680mm横向：240mm垂直：300mm刀架快速进给速度：纵向：2.3m/min横向：1.2m/min垂直：0.77m/min切削速度：0.06m/min定位精度：0.015mm/300mm移动部件重量：纵向：220kg横向：450kg垂直：1000kg加速时间：30ms电机功率：7.5kw3.2确定系统脉冲当量经济型数控铣床常用的脉冲当量是0.01-0.005mm/脉冲，本文取0.01mm/脉冲。3.3纵向进给系统的确定3.3.1切削力的计算切削力与刀具材料、工件、刀具进给量有关。铣刀为高速钢立铣刀，铣削材料为碳钢。（3.1）式中：—主切削力；—道具系数，—铣削接触弧深度，；Z—铣刀系数，Z=4；—每齿进给量，；—铣刀直径，=32mm。选用不对称切削的逆袭EMBEDEquation.DSMT4\*MERGEFORMAT（3.2）　（3.3）3.3.2纵向丝杠的选择1、计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因此，其数值的大小和导轨的类型有关。导轨类型为燕尾导轨（3-4）式中:K—考虑颠复力影响的实验系数—导轨上的摩擦系数0.2G—移动件重量，N2、计算最大负载选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称该滚珠丝杠所能承受的最大动负载C，计算如下：(3.5)（3.6)(3.7)式中：—滚珠丝杠导程，=6mm；—最大切削力下的进给速度，=0.06m/min；T—使用寿命，对于数控机床取，T=15000h；—运转系数，一般运转系数=1.2～1.5，此处取=1.2；L—寿命，以为单位。3、滚珠丝杠的初选初步选择滚珠丝杠直径40，螺旋升角，导程=6mm。4、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率（3.8）式中：ϕ—摩擦角，摩擦角ϕ约为；r—丝杠螺旋升角。η=。刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运转的平稳性。因此选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的轴向拉伸或压缩变形量是否满足要求：≈3δ（不预紧）计算如下：在工作负载的作用下引起导程的变化量∆L=(3.9)式中：∆L—在工作负载下引起的每一导程的变化量；—工作负载，即进给牵引力，N；—滚珠丝杠导程，mm；E—材料弹性模量，对于钢；F—滚珠丝杠横截面积，mm。(3.10)滚珠丝杠总长度上的变形量=(3.11)根据《实用机床设计手册》滚珠丝杠副的传动刚度主要由丝杠本身拉压刚度、丝杠副内接触刚度、轴承和轴承座刚度三大部分组成，通常三大部分各占1/3，因此近似估算时，丝杠刚度取拉压刚度的1/3。变形量(3.12)两端固定时的最小拉压刚度为一端固定时最小拉压刚度的4倍。(3.13)两端固定的总变形量为0.0256mm/1300mm，满足定位精度±0.015/±300mm。6、稳定性校核无需进行稳定性校核。7、滚珠丝杠副螺母的选型考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅《中国义工》的滚珠丝杠副样本可采用FF4006-5内循环浮动式滚珠丝杠副，额定动载荷为23.5KN。3.3.3齿轮传动比计算丝杠传动比(3.14)式中：—脉冲当量，mm，=0.01mm；—基本导程，mm，=6mm；—步进电动机的步距角（初选）=0.75。根据实际结构要求，齿轮齿数取：丝杠上的齿轮=30，电机上的齿轮=24，因为进给伺服系统传递的功率不大，一般取模数m=1～2，数控铣床可取m=2。由二维图测的惰轮与电机上的齿轮间的中心距d=89，由 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 得=65。表3-1纵向传动齿轮几何参数 齿数 分度圆直径d=mz 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿宽 中心距 24 48 52 43 20 89 65 130 134 125 30 30 60 64 55 20 3.3.4纵向步进电机的计算和选择1、转动惯量的计算齿轮的转动惯量(3.15)L=b=20mm，=48mm齿轮的转动惯量L=20，=60mm主轴的转动惯量折算到电机轴上的转动惯量(3.16)式中：—齿轮的转动惯量；—齿轮的转动惯量；—主轴的转动惯量。2、电动力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、工进负载时所需力矩等几部分分别计算。传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(3.17)式中：—电机转子转动惯量，初取为4.1。主电机最大转速(3.18)起动加速时间=30ms空载起动时折算到电机轴上的加速力矩(3.19)工进时折算到电机轴上摩擦力矩（3.20）式中：—导轨摩擦力矩N（空起时）；η—传动链总效率；i—降速比i=1.25。由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩（3.21）式中：—滚珠丝杠预加载荷，一般取；—滚珠丝杠传动效率；折算到电机轴上的负载力矩（3.22）（1）快速空载起动时所需力矩（3.23）（2）快速进给时所需力矩（3.24）（3）最大切削负载时所需力矩(3.25)从上面的计算可以看出，在三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，步进电机为三相六拍时，（3.26）最大静转矩（3.27）按此最大静转矩查步进电机型号表（三相）可查出，110BYG3508型最大静转矩为大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动力矩频率特性和运行频率特性。3、计算电机工作频率步进电机快速运行（3-28）最高工作频率（3-29）从电机表中查出110BYG3508型步进电机的空载起动频率为30000Hz，运行频率为1600Hz。3.4横向进给系统确定3.4.1横向丝杠的选择1、计算进给牵引力导轨类型为矩形导轨，由式（3.4）得式中:K—考虑颠复力影响的实验系数；—导轨上的摩擦系数0.15；G—移动件重量，N。2、计算最大负载C丝杠转速n，由式（3.5）得寿命，由式（3.6）得最大动载荷C，由式（3.7）得3、滚珠丝杠的初选初步选择滚珠丝杠直径，螺旋升角，导程=6mm。4、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η，由式（3.8）得η=5、刚度验算滚珠丝杠副横截面F，由式（3.10）得在工作负载的作用下引起导程的变化量∆L，由式(3.9)得∆L=滚珠丝杠副总长度上的变形量两端固定时的最小拉压刚度为一端固定时最小拉压刚度的4倍。两端固定的总变形量为0.00973mm/400mm，满足定位精度±0.015/±300mm。6、稳定性校核无需进行稳定性校核。7、滚珠丝杠副螺母的选型考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅《中国义工》的滚珠丝杠副样本可采用FF3206-5内循环浮动式滚珠丝杠副，额定动载荷为20.2KN。3.4.2齿轮传动比计算丝杠传动比i，由式（3.14）得丝杠传动比式中：—步进电机的布距角（初选）=0.75。根据实际结构要求，齿轮齿数取：=30，=24，因为进给伺服系统传递的功率不大，一般取模数m=1～2，数控铣床可取m=2。表3-2横向传动齿轮几何参数 齿数 分度圆直径d=mz 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿宽 中心距 24 48 52 43 20 54 30 60 64 55 20 3.4.3横向步进电机的计算和选择1、转动惯量的计算由式（3-15）得齿轮的转动惯量L=b=20mm，=48mm齿轮的转动惯量L=20，=60mm主轴的转动惯量折算到电机轴上的转动惯量式中：—齿轮的转动惯量；—齿轮的转动惯量；—主轴的转动惯量。传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量，由式（3.17）得式中：—电机转子转动惯量，初取为4.1。主电机最大转速起动加速时间=30ms空载起动时折算到电机轴上的加速力矩，由式（3.19）得工进时折算到电机轴上摩擦力矩，由式（3.20）得由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩，由式（3.21）得折算到电机轴上的负载力矩，由式（3.22）得（1）快速空载起动时所需力矩，由式（3.23）得（2）快速进给时所需力矩，由式（3.24）（3）最大切削负载时所需力矩，由式（3.25）从上面的计算可以看出，在三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，步进电机为三相六拍时，最大静载荷，由式（3.27）得按此最大静转矩查步进电机型号表（三相）可查出，110BYG3508型最大静转矩为大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动力矩频率特性和运行频率特性。3、计算电机工作频率步进电机快速运行，由式（3.28）得最高工作频率，由式（3.29）从电机表中查出110BYG3508型步进电机的空载起动频率为30000Hz，运行频率为1600Hz。3.5垂向进给系统的确定3.5.1垂向丝杠的选择1、计算进给牵引力导轨类型为矩形导轨，由式（3.4）得式中:K—考虑颠复力影响的实验系数；—导轨上的摩擦系数0.2；G—移动件重量，N。2、计算最大负载C丝杠转速n，由式（3.5）得寿命，由式（3-6）得最大动负载C，由式（3.7）得3、滚珠丝杠的初选初步选择滚珠丝杠直径60，螺旋升角，导程=12mm。4、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η，由式（3.8）得η=5、刚度验算滚珠丝杠副横截面F，由式（3.10）得在工作负载的作用下引起导程的变化量∆L，由式(3.9)得∆L=滚珠丝杠副总长度上的变形量一端固定，一端自由的的总变形量为0.0117mm/350mm，满足定位精度±0.015/±300mm。6、稳定性校核无需进行稳定性校核。7、滚珠丝杠副螺母的选型考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅《中国义工》的滚珠丝杠副样本可采用FF6012-4内循环浮动式滚珠丝杠副，额定动载荷为50.3KN3.5.2同步带及带轮的选择传动比i=1.25，则齿数取=20，=25查慈溪恒力同步带轮有限公司带轮得小轮型号为20L，节径=60.63mm，外径=59.88mm大轮型号为25L，节径=75.80mm，外径=75.04mm同步带型号为382L，节线长971.55mm，齿数102。3.5.3垂向步进电机的计算和选择1、转动惯量的计算由式（3.15）得齿轮的转动惯量L=b=20mm，=48mm齿轮的转动惯量L=20，=60mm圆锥齿轮的转动惯量L=25，圆锥齿轮的转动惯量L=50，主轴的转动惯量折算到电机轴上的转动惯量2、电动力矩的计算传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量，由式（3.17）得式中：—电机转子转动惯量，初取为4.1。主电机最大转速起动加速时间=30ms空载起动时折算到电机轴上的加速力矩，由式（3.19）得工进时折算到电机轴上摩擦力矩，由式（3.20）得由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩，由式（3.21）得折算到电机轴上的负载力矩，由式（3.22）得（1）快速空载起动时所需力矩，由式（3.23）得（2）快速进给时所需力矩，由式（3.24）（3）最大切削负载时所需力矩，由式（3.25）从上面的计算可以看出，在三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，步进电机为三相六拍时，最大静载荷，由式（3.27）得按此最大静转矩查步进电机型号表（三相）可查出，110BYG3508型最大静转矩为8大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动力矩频率特性和运行频率特性。3、计算电机工作频率步进电机快速运行，由式（3.28）得最高工作频率，由式（3.29）从电机表中查出110BYG3508型步进电机的空载起动频率为30000Hz，运行频率为1600Hz。4机械结构三维造型4.1SolidWorks软件介绍SolidWorks是由著名的三维CAD软件开发商SolidWorks公司开发的，是世界上第一个基于Windows开发的三维机械设计软件，其技术创新符合三维CAD技术的发展潮流和趋势。随着新产品的不断升级和改进,SolidWorks正逐渐成为三维CAD软件中的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，SolidWorks的文件格式已成为三维软件当中使用率最高的格式。使用SolidWorks进行设计，设计人员不仅能体会到SolidWorks强大的建模能力、虚拟装配能力以及灵活的工程图操作，而且可以感受使用SolidWorks设计时所带来的轻松和效率。对于每一个工程师和设计者来说，使用SolidWorks软件就可以花费更少的时间设计出更好、更有吸引力、更有创造力、在市场上更受欢迎的产品。SolidWorks软件具有以下优点。1、SolidWorks是基于Windows平台的三维CAD软件，具有简易方便的工作界面，这使得SolidWorks软件易学易用。2、在设计过程中，使用动态控标、尺寸标注、鼠标、关联工具栏、右键快捷键菜单以及图形的动态预览可以使设计过程变得非常清楚直观，更加轻松灵活。3、可使用FeaaureManager设计树、PropertyManager完成特征、零件、装配体以及工程图的管理、查看和修改，大大提高了设计效率。4、在绘制草图过程中，动态反馈和推理可以自动添加几何约束、草图中采用不同的颜色显示草图的不同状态、拖动草图的图元可快速改变草图、可以绘制管道设计或扫描特征以及可以检查草图的合理性等，这些都使得草图绘制更加容易和灵活。5、具备强大的基于特征的实体建模功能，如可将拉伸、旋转、、薄壁以及孔特征等操作有序的进行组合来实现零件的设计，并可以对特征和生成特征所用的草图进行动态修改。6、在装配图建模块中，可使用装配体轻松快速、高效的处理大型装配，提高系统性能；可以用同心、重合、距离、角度、相切等配合关系；课实现只能装配；可以进行动态装配干涉检查和间隙检测，以及静态干涉检查等。7、在工程图模块中，可以三维模型自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注；可建立各种类型的工程视图；可生成与三维模型不相关的分离的工程图等。8、可通过标准数据格式与其他CAD软件进行数据交换；提供数据输入诊断功能，允许用户对输入的实体进行几何体简化、模型误差重设；利用插件形式提供免费的数据接口，可以很方便的与其他三维CAD软件经行数据交换；通过DXF/DWG文件转换向导可以将用户通过其他软件建立的工程图文件转换SolidWorks的工程图文件，操作非常方便。4.2绘制草图以纵向的端盖为例步骤:1、新建文件启动SolidWorks软件，选择下拉菜单文件下的“新建”命令，系统弹出SolidWorks文件对话框，选择“零件”模板，单击确定按钮，进入零件设计环境。如图4.1所示。2、绘制草图前的准备工作选择下来菜单插入下的草图绘制命令，然后选择前视基准面为草图基准面，系统进入草图设计环境。如图4.2所示。图4.1新建对话框图4.2工作界面3、创建草图以勾勒出草图的大致形状绘制草图实体。选项下拉菜单“工具”→草图绘制实体（K）→“直线”命令；在图形区绘制如图4.3所示的草图实体。4、添加几何约束添加图4.4所示“相切”约束。图4.3绘制草图图4.4几何约束5、建尺寸约束选项下拉菜单中选项“工具”→标注尺寸（S）→智能尺寸，添加图4.5中的相切尺寸约束。6、拉伸旋转成零件选择下拉菜单“插入”→凸台/基体（B）→“旋转”命令，选择上视基准面作为草图基准面，然后选择旋转轴线，则生成图4.6所示的零件。图4.5尺寸约束图4.6生成旋转特征7、打孔选择下拉菜单“插入”→特征→孔（H）→简单直孔（S）命令，选择孔的放置面并输入孔的直径及深度，则生成图4.7所示的零件。8、圆周阵列选择下拉菜单“插入”→阵列/镜像（E）→“圆周阵列”命令，定义阵列源特征及阵列轴，输入阵列间距及阵列实例数，则生成图4.8所示的零件。图4.7生成孔特征图4.8阵列结果9、保存文件选择下来菜单“文件”→保存。则完成零件的绘制。4.3装配体设计以纵向的电机和箱体装配为例步骤：1、新建文件启动SolidWorks软件，选择下拉菜单文件下的“新建”命令，系统弹出SolidWorks文件对话框，选择“装配图”模板，单击确定按钮，进入零件设计环境。如图4.9所示。2、装配电机完成上一步骤后，系统自动弹出“开始装配”窗口，如图4.10所示。在开始装配体中单击“浏览”选择要装配的零件“电机”在工作界面上任意位置单击，即可把电机放置当前位置如图4.11所示。图4.9新建对话框图4.10开始装配体对话框3、装配箱体选择下拉菜单“插入”→零部件→现有零件/装配图系统弹出“插入零部件”窗口。然后按步骤2插入箱体如图4.12所示。图4.11插入步进电机图4.12插入箱体4、配合首先在配合窗口的“标准配合”区域中单击“同轴心”按钮，然后选择配合面如图4.13（a）和4.13（b）所示，完成第一个装配配合。图4.13（a）选择同轴心的表面图4.13（b）选择同轴心的表面首先在配合窗口的“标准配合”区域中单击“重合”按钮，然后选择配合面进行配合如图4.14（b）所示完成第二个装配配合。图4.14（c）表面重合的结果5、保存文件电机和箱体装配完成，完成零件转配4.4三维造型三维造型如图4.15所示图4.15三维造型5经济环保性分析5.1经济性分析采用滚珠丝杠副传动，摩擦损失小，传动效率高，摩擦阻力小，几乎与运动速度无关。丝杠螺母之间可以预紧，消除反向间隙使用同步带，传动效率高，传动误差小；选择步进电机，具有结构简单，使用方便，性能可靠，性价比高等优点，并且具有一定的可扩展性，用步进电机作为驱动装置，开环控制，节省了成本，保证了加工精度。5.2环保性分析环保要求越来越被人们所重视，是一个影响深远的话题，所以在改造中绝不可忽视这方面的要求。通过对铣床进给系统的微机数控化改造，提高了工作效率，降低了废品率，更有效地发挥了机床的作用，减少了噪音，给工作人员提供了良好的工作环境，使他们能更好的完成工作。结论本次毕业设计是对X6132型数控铣床的数控改造，完成的主要内容是设计该机床的进给系统以及该机床的经济性和环保性，因此，我首先选择了合理的布局，采用了传递效率高而且稳定的齿轮传动结构，使力矩能够合理高效的传递，并且对系统及零件本身的强度进行了设计。在设计过程中要考虑与强度因素、热因素、摩擦磨损因素、腐蚀因素、有关的改善措施和结构设计。在考虑上面这些结构设计的基础上，既可以满足设计需要又可以最大限度的提高经济型。在设计的过程中，在保证零件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温升等方面都满足的条件下，尽量采用廉价材料，并且对于我所设计的机械零件尽量采用“三化”，即标准化、系列化、通用化。经过这次设计和学习，我对数控铣床的结构及设计过程有了一定程度的了解，对AutoCAD及SolidWorks绘图的运用也更加纯熟，同时也了解机械制造业在国家发展中的重要地位和我国机械行业的发展现状，对我的职业前途具备信心。致谢经过四个多月紧张而忙碌的工作，在赵老师的悉心指导下，本次毕业设计的任务终于顺利完成了。在整个毕业设计的过程中，赵老师科学严谨的工作作风，诲人不倦的教学态度一直深深的影响着我，也使我在毕业设计中真正巩固了以往学到的知识，同时增加了不少实践经验。除了专业技能得到了提高，赵老师还教导我们如何对待工作，如何适应生活，这是我的一生都受益无穷。在此，我向丛老师表达我最诚挚的感谢与敬意！美好的大学生活就要结束了，那些在四年之内曾经给我上过课、带过实习及给过我帮助的老师们同学们同样给了我帮助，使我圆满的完成了大学的学业，他们言传身授，用自己高尚的情操和渊博的知识熏陶着我，使我能够成为一个对社会和国家有用的人。在即将毕业的时刻，我向所有的老师表示我的谢意并祝他们身体健康、工作顺利！参考文献[1]赵松年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，1997[2]李善术.数控机床及其应用[M].北京：机械工业出版社，2005[3]张新义.经济型数控铣床系统设计[M].北京：机械工业出版社，1993[4]李福生.数控机床技术手册[M].北京：北京出版社，1996[5]KurtogluA.TheAccuracyImprovementofMachineTools[J].CIRPAnn.,39(1),pp.417–419.[6]赵永成.机械制造装备设计[M]中国铁道出版社2002[7]王启义.机械制造装备设计[M]冶金工业出版社2002[8]周德俭.数控技术[M]重庆大学出版社，2001[9]成大先主编.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社2008[10]文怀兴.数控铣床[M].化学工业出版社，2006[11]林宋等.现代数控机床[M].北京：化学工业出版社，2003[12]隋秀凛.实用机床设计手册[M].北京:机械工业出版社，2010附录数控加工中心进给驱动系统的热分析高速驱动系统在接触区域（如滚珠丝杠和螺母）通过摩擦产生大量的热，从而导致热膨胀，热膨胀严重地影响机械加工精度。因此，在选择高精度和高速度的机床时，滚珠丝杠的热变形是最重要的目标之一。这个工作的目标是分析温度升高时，滚珠丝杠进给驱动系统的热变形。热电偶用来测量温度升高，而激光干涉仪和电容探测器测量滚珠丝杠的热误差。有限元件用于分析滚珠丝杠的热性能。实测的数据与数字模拟结果进行了比较。逆向分析应用于预测来自实测温度分布图的热源强度。对不同进给速率所产生的热量来源进行了研究。关键词：滚珠丝杠热误差；有限元法；热电偶1、介绍超精密机械加工中，具有高速、高分辨率以及长行程的精确自动位置调节系统变得非常重要。高速进给驱动系统的发展在机床产业中是一个重要问题。高速进给驱动系统减少必要的非切削时间。然而，由于滚珠丝杠和螺母间的后座力和摩擦力，很难提供一个精确的进给系统。目前，大部分研究集中于对整个机床的进行热误差补偿，热致误差是一个与时间相关的非线性工艺，他是由机床结构中温度的非均匀变化引起的。在热配置、强度、热膨胀系数和机床系统配置间的相互作用产生复杂的热性能，研究人员模拟热特征时使用了不同的方法，如有限元法，坐标变换法，神经网络法等。高速驱动系统在接触区域（滚珠丝杠和螺母）通过摩擦产生大量的热，从而导致热膨胀，热膨胀严重地影响机械加工精度。因此，在考虑高精度和高速度的机床时，滚珠丝杠的热变形是最重要的目标之一，为了高精度的定位，滚珠丝杠上的预载荷有消除后座力的必要。滚珠丝杠预载荷也会在增大刚度、改善噪音、提高精度、和延长定位期间的寿命中起到重要作用。然而，预载荷在滚珠丝杠和螺母间也会产生显著的摩擦，而摩擦产生大量的热，导致滚珠丝杠热变形，最终降低定位精度。结果，主系统(机床)的精度受到影响。因此，考虑高精度和高刚度机床时，滚珠丝杠的最佳预载荷是最重要的事情之一。只有少数研究人员成功的解决了这个问题，Huang用重回归法分析滚珠丝杠进给驱动系统的热变形。前轴承温度升高，螺母和后轴承被选定作为独立变量分析模型。重回归模型可能用于预测滚珠丝杠的热变形。Kim等人用双曲线形式元件的有限元件法从滚珠丝杠中分析温度分布图。由于摩擦产生的热量是滚珠丝杠变形的主要来源，产生的热量也取决于预载荷，螺母的润滑以及装配条件等。所述有限元分析模型是基于螺旋轴和螺母分别是实心和空心轴这个假设条件。Yun等人利用修饰编集总电容的方法和天才教育算法分析滚珠丝杠现行定位误差。这项工作的目标是分析温度对滚珠丝杠进给驱动系统的热变形增加的影响。热电偶测量温升，而激光干涉仪和电容探测器测量滚珠丝杠的热误差。有限元件法也用于模拟滚珠丝杠的热性能。实测的数据和数字模拟结果进行了比较。逆向分析应用于预测来自实测温度分布图的热源强度，对所产生热量来源不同的进给率进行了调查。2、实验设置和程序这项研究中，用于研究滚珠丝杠系统的热特征的对象是一个加工中心，如图1所示。沿着机床中心X轴的最快速度是40m/mm，X轴行程为800mm。工作台沿着行程为600mm的X轴反复运动。滚珠丝杠系统的主要热源是由移动的螺母和旋转的轴承的摩擦所产生的，测量温升和热变形是用来研究滚珠丝杠的热特征。图一机床中心的图片为了测量螺母长期运动条件下温度的增加和滚珠丝杠系统的热变形，进行了如图2所示的实验安排。如图2a所示，对温度的9个点进行测量。两个热电偶（编号1和编号8）分别放在后面和前面的轴承表面，他们用来测量这两个支撑轴承的表面温度。最后一个热电偶（编号9）用于测量室温。记录房间的温度是为了消除环境变化的影响。在变化的条件下，这三个热电偶用于连续采集。其他6个热电偶（编号2—7）是用来测量滚珠丝杠表面温度。因为移动螺母涵盖了大部分的滚珠丝杠，热电偶不能始终固定在滚珠丝杠上。虽然温度测量是必要的，滚珠丝杠停止运行，这6个热电偶很快连接到滚珠丝杠的规定位置上，收集所需要的数据，然后拆除热电偶。热变形误差同时可以用两种方法测量。由于推力轴承用在滚珠丝杠的驱动侧，为此末端被认为是固定的。一种电容探头安装在滚珠丝杠驱动侧表面的垂直方向上，如图2所示。这个探测器记录滚珠丝杠的热变形，在运行的条件下，不断收集数据。第二个方法是在规定时间内测量热误差分布。在进给驱动系统开始运作前，原始的位置误差分布可用激光干涉仪测量。工作台逐步地移动（每一步的增量式100mm），每一步要记录位置误差。然后进给驱动系统开始运作并产生热量。一定的时间间隔后，进给驱动系统停下来测量热误差。以相同的方法，用激光干涉仪再次收集位置误差分布，从原始误