數控立式鉆銑床畢業(yè)設計方案

1、<p><b>　　畢業(yè)設計方案</b></p><p>　　題 目 數控立式銑鉆機床設計 </p><p>　　學 院 機械工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 機械工程及自動化 </p><p>　

2、　班 級 機自08** </p><p>　　學 生 ** </p><p>　　學 號 20080403315 </p><p>　　指導教師 ** </p>

3、<p>　　二〇一 二 年 四 月 六 日</p><p>　　學院 機械工程學院 專業(yè) 機械工程及自動化 </p><p>　　學生 ** 學號 20080403315 </p><p>　　設計題目 數控立式銑鉆機床設計

4、 </p><p><b>　　一、選題背景與意義</b></p><p>　　1.國外數控鉆銑床現狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　國外數控鉆銑床的生產廠家主要集中在德國、美國和日本。從機械結構上看，其發(fā)展經歷了十字架型（輕型）、門型（小型）、龍門型（大型）3個階段，相應的型號種類繁多。能夠代表數控鉆銑床技術最高水平的廠家

5、主要集中在德國，目前，國外已有廠家在龍門式切割機上安裝一個專用切割機械手，開發(fā)出五軸控制系統(tǒng)的龍門式專用切割工具，該系統(tǒng)可以在空間切割出各種軌跡，利用特殊的跟蹤探頭，在切割過程中控制切割運行軌跡。</p><p>　　我國工廠的板材下料中應用最為普遍的是數控銑床和等離子切割，所用的設備包括手工下料、仿形機下料、半自動切割機下料及數控切割機下料等。與其他切割方式比較而言，手工下料隨意性大、靈活方便，并且不需要專用配

6、套下料設備。但手工切割下料的缺點也是顯而易見的，其割縫質量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后道加工工序的工作量大，同時勞動條件惡劣。用仿形機下料，雖可大大提高下料工件的質量，但必須預先加工與工件相適應的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動切割機雖然降低了工人勞動強度，但其功能簡單，只適合一種形狀的切割。上述3種切割方式，相對于數控切割來說由于設備成本較低、操作簡單，所以在我國的中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中仍在廣泛使用。</p&

7、gt;<p>　　隨著國內經濟形勢的蓬勃發(fā)展以及以焊代鑄趨勢的加速，數控銑床的優(yōu)勢正在逐漸為人們所認識。數控銑床不僅使板材利用率大幅度提高，產品質量得到改進，而且改善了工人的勞動環(huán)境，勞動效率進一步提高。目前，我國金屬加工行業(yè)使用的數控銑床是以火焰和普通等離子切割機為主，但純火焰切割，已不能適應現代生產的需要，該類切割機可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會越來越大，但與國外的差距

8、仍極為明顯，主要表現為：發(fā)達國家金屬加工行業(yè)90%為數控切割機下料，僅10%為手工下料；而我國數控切割機下料僅占下料總量的10%，其中數控銑床下料所占比例更小。</p><p>　　我國數控銑床每年市場需求量約在400~500臺之間。相較而言，仿形切割機每年銷售幾千臺，半自動切割機每年銷售達上萬臺。由此可見，我國數控切割市場，尤其是數控銑床市場的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮摹?lt;/p><p>　　2.

9、數控技術的現狀與發(fā)展</p><p>　　計算機技術的飛速發(fā)展推動了數控技術的更新?lián)Q代，而這也日益完善了數控銑床的高精、高速、高效功能。代表世界先進水平的歐洲、美國、日本的數控系統(tǒng)生產商利用工控機豐富的軟硬件資源開發(fā)的新一代數控系統(tǒng)具有開放式體系結構，即數控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快

10、速實現不同品種、不同檔次產品的開發(fā)。</p><p>　　開放式體系結構使數控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網絡化方向發(fā)展。</p><p>　　近幾年來，由于對切割質量、勞動環(huán)境等的要求越來越高，其相應產品在我國的市場需求量也逐年上升。在我國的數控銑床設備生產行業(yè)中，由于缺乏切割理論研究與生產實踐相轉換的機制，因此新技術運用不廣、新產品開發(fā)速度不快，制約了數控銑床

11、技術的進一步發(fā)展和運用。</p><p>　　隨著數控技術的發(fā)展，采用數控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。</p><p>　　同時微電子技術、計算機技術和軟件技術的迅速發(fā)展，數控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數控系統(tǒng)

12、本身將普遍實現自動編程。 </p><p>　　未來數控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數控機床品種越來越多；激光加工等技術將應用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。</p><p>　　數控機床作為高自動化、高柔性、高精度、高效率的機械加工設備，決定了它

13、在現代制造業(yè)中占有越來越重要的作用，近年來，我國在中高檔數控機床關鍵技術上有了較大的突破，創(chuàng)造出一批具有自主知識產權的研究成果。目前，在實際應用中有部分工件在加工微型孔或銑削平面時，加工精度不高，如果我們用傳統(tǒng)的數控銑床對其進行加工，將導致加工效率低且加大設備和電力的損耗。根據這樣的情況，我們設計了一種小型數控立式鉆銑床，該鉆銑床造價大大低于傳統(tǒng)數控機床，還能滿足教學上的使用，提高了學生對數控機床的理解和認識。</p>&

14、lt;p>　　3. 選題的目的及意義</p><p>　　本畢業(yè)設計課題就是關于數控立式鉆銑床的設計，目的在于通過畢業(yè)設計，了解數控立式銑鉆床的整機系統(tǒng)結構設計，主要包括機床動力參數、整機的結構布置、伺服系統(tǒng)的選擇以及滾珠絲桿、滾動導軌、聯(lián)軸器、滾動軸承、交流伺服電機、高速電主軸等關鍵零部件的選擇和設計，設計選擇最優(yōu)的系統(tǒng)方案并完成結構分析和結構布置，明白設計方法和思路，為以后進一步的工作打下基礎。通過設計

15、加深對基礎知識的理解，并學會理論知識的實際應用，并在原有的基礎上有所改進和創(chuàng)新突破，提高綜合運用和深化所學的理論知識和技能，增強分析和解決工程實際問題的能力,加深對實際工程的理解。</p><p>　　a.培養(yǎng)學生綜合運用和鞏固擴大已學過的知識，以提高理論聯(lián)系實際的設計與計算能力。</p><p>　　b.培養(yǎng)學生收集、閱讀、分析和運用資料的能力，以提高獨立工作的能力。</p>

16、<p>　　c.使學生初步掌握機床設計的方法與步驟，以提高機構設計與編制設計文件的能力。</p><p>　　d.使學生利用微機進行主軸組件優(yōu)化設計和主軸剛度的校核計算，以提高現代設計計算方法的能力。</p><p><b>　　二、設計內容</b></p><p>　　完成數控立式銑鉆床的整機系統(tǒng)結構設計，主要包括機床動力參數、

17、整機的結構布置、伺服系統(tǒng)的選擇以及滾珠絲桿、滾動導軌、聯(lián)軸器、滾動軸承、交流伺服電機、高速電主軸等關鍵零部件的選擇和設計。</p><p><b>　　1.運動設計</b></p><p>　　根據機床的規(guī)格，用途和典型工藝的切削用量以及對同類型機床的分析比較，確定所設計機床的極限轉速、轉速數列的公比；擬定傳動方案和傳動系統(tǒng)圖；確定傳動副的傳動比以及齒輪的齒數并計算轉

18、速誤差。</p><p><b>　　2.動力計算</b></p><p>　　確定電動機的功率；計算傳動件的計算載荷及其尺寸；驗算主要傳動件的應力，變形或者壽命是否在允許的范圍內。</p><p><b>　　3.結構設計</b></p><p>　　傳動軸系、變速機構、主軸組件、箱體、操縱機構、

19、制動機構、制動裝置、潤滑裝置等的布置和結構設計。</p><p>　　首先閱讀同類型機床的有關資料(如：機床說明書、裝配圖、樣本、機床水平分析等)。對機床的用途、主要參數、傳動機構、零部件的機構設計等進行分析研究，在分析比較現有機床的基礎上考慮設計方案，力求做到有所改進與創(chuàng)新，擬定方案的步驟：</p><p><b>　　1．擬定運動參數</b></p>

20、<p>　　對在設計任務書中已給出的運動參數，可結合參考資料與同類型機床的起動參數作分析比較。對設計任務書中未給出的運動參數，應根據任務書中規(guī)定的要求條件來確定，步驟如下： （1)確定機床的工藝范圍及工件的計算極限尺t3</p><p>　　(2)選擇經濟合理的權限切削用量；</p><p>　　(3)確定機床主軸的極限轉速；</p><p>　　

21、（4)確遼轉速公比值、轉速級數、樹速數列及調速范圍。</p><p>　　按上述步驟確定轉速后，應再與同類機床分析比較，并考慮目前用戶的使用要求及今后的發(fā)展趨勢，最后才予以確定。</p><p><b>　　2．運動設計</b></p><p>　　根據已定的運動參數，進行下列幾項工作</p><p>　　(1)確定傳動

22、方案(如集中或分離傳動、正反轉方案等)</p><p>　　(2)論證并確定合理的結構網和轉速圖，</p><p>　　(3)擬定傳動系統(tǒng)圖。</p><p>　　擬定傳動系統(tǒng)的原則是：在保證機床的運動和試用要求前提下，運動鏈要盡可能短而簡單；傳動效率高以及操縱簡單方便。同時要考慮實現反轉和制動的裝置；是否帶動潤滑油泵的運動等。</p><p&g

23、t;　?。?）計算各傳動副的速比值、傳動齒輪的齒數等</p><p>　?。?）驗算主軸轉速誤差</p><p>　　實際傳動比所造成的主軸轉速誤差一般不應超過±10（φ—1）%（φ是主軸轉速公比）。</p><p>　　運動設計是結構設計的基礎，故在本階段應同時考慮某些結構方面的問題。首先應考慮結構能否實現；如小齒輪的根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是

24、否碰及相鄰軸等；其次應考慮結構是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。</p><p>　　3.動力計算及傳動零件的計算</p><p>　　(1)確定機床的驅動功率</p><p>　　分別以計算法、查表法及參考統(tǒng)計公式求出計算結果，再與同類型機床比較后確定。</p><p>　　(2)齒輪傳動的相關計算和選定</p>&l

25、t;p>　　根據齒輪的轉速、傳遞的功率及工作情況，確定其型號、齒數、中心距及作用在支撐軸上的徑向力。</p><p>　　(3)傳動軸直徑的計算</p><p>　　傳動軸直徑可根據該軸傳遞的額定扭矩及其計算轉速按扭轉剛度公式進行估算。</p><p>　　(4)齒輪模數的初步計算</p><p>　　一般同一變速組的齒輪模數相同，選擇

26、負荷較重的小齒輪按接觸疲勞強度公式進行初算。機床變速箱通常采用1～2種來不同模數齒輪，所以初步計算后要合理地歸整為1～2種標準模數值。</p><p>　　(5)主軸組件結構參數的優(yōu)化沒汁</p><p>　　主軸組件軸組件結構尺寸包括：主軸前后軸頸、主軸內孔直徑、支持跨距、齒輪在主軸上的位置和軸端懸伸量等。由這些結構尺寸組成的設計方案不僅影響主軸的結構設計而目對機床使用性能、加工精度等都

27、有直接影響，要求在設計主軸組件時應保證能有最大的剛度。機床主軸軸頸值及內孔直徑可按統(tǒng)計公式確定，而主軸的其他尺寸參數可由豐軸的結構情況確定。</p><p><b>　　三、設計方案</b></p><p>　　1.機床總體尺寸參數的選定</p><p>　　根據設計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數如下：</p><

28、p>　　最大鉆孔直徑 20～30 mm</p><p>　　最大銑削直徑 20～30 mm</p><p>　　工作臺尺寸 400～500*100～200 mm</p><p>　　X方向行程 200～300 mm</p><p>　　Y方向行程 100～200 mm

29、</p><p>　　Z方向行程 200～300 mm</p><p>　　工作臺T型槽尺寸 12 mm</p><p>　　系統(tǒng)分辨率 0.00125 mm</p><p>　　主軸錐度 莫氏3號</p><p>　　主軸轉速范圍 100～3000

30、r/min</p><p>　　電機功率 1.0～2.0KW</p><p>　　使用電源 220V</p><p>　　X軸電機扭力 0～10N.M</p><p>　　Y軸電機扭力 0～10N.M</p><p>　　Z軸電機扭力

31、 0～10N.M</p><p>　　機床外形尺寸 100～1000*100～1000*1000～2000 mm</p><p>　　凈重/毛重 3000～400 Kg</p><p><b>　　2.功能特點：</b></p><p>　　具有刀具長度補償、半徑補償、絲桿的間隙補償，采用高精

32、度的滾珠絲桿，導軌、絲桿等采用集中潤滑；床身導軌經超音頻淬火后精磨，硬度高等基本功能，支持ISO標準的G代碼和M代碼。</p><p><b>　　3.適用對象：</b></p><p>　　首版制作、科研單位研究所、電子廠、模具廠、首飾加工廠、工藝品廠、大學院校機電一體化、數控編程實驗室、技工學校、職業(yè)技術學校、數控實訓基地等。</p><p&g

33、t;<b>　　4.機床主傳動系統(tǒng)</b></p><p>　　因所設計的機床要求能進行立式的鉆和銑，垂直方向的行程比較大,因而采用工作臺不動,而主軸箱各軸向擺放為立式的結構布局；為了使主軸箱在數控的計算機控制上齒輪的傳動更準確、更平穩(wěn)，工作更可靠，主軸箱主要采用采用滾珠絲杠螺母傳動副，其動力由步進電機通過調隙齒輪傳遞。</p><p>　　數控銑床主傳動系統(tǒng)由主軸電

34、動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件等部分組成，它與普通機床主傳動系統(tǒng)相比結構較簡單，這是由于變速功能主要由無級變速電動機來承擔。機床主傳動為主軸的旋轉運動，負載為恒功率型，用三相異步電動機即可滿足要求。由于主軸要求的恒功率變速范圍R1坤遠大于電動機的恒功率變速范圍R2，在電動機與主軸之間串聯(lián)了一個分級變速箱，以擴大其恒功率變速范圍，滿足低速大功率切削時對電動機的輸出功率要求。</p><p>　　5.機床伺服進給系統(tǒng)設計&

35、lt;/p><p>　　數控機床的伺服進給系統(tǒng)作用是接收數控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作轉換和放大后，經伺服驅動裝置(直流、交流伺服電動機，功率步進電動機，電液脈沖電動機等)和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件實現工作進給和快速運動。</p><p>　　本次所設計的機床進給運動均由單片機進行數字控制，因此在X、Y方向上，進給運動均采用滾珠絲杠螺母副，其動

36、力由步進電機通過調隙齒輪傳遞。</p><p><b>　　6.系統(tǒng)總體方案：</b></p><p>　　龍門架拖動（X 軸）采用電機通過齒形帶輪與滾珠絲杠連接，降速比為 1：2，此種結構安排不僅有效利用了床身后部的空間，而且避免了選擇大功率電機帶來的安裝不便與成本增加，進而實現龍門架的前后移動。</p><p>　　滑鞍拖動（Y 軸）采用電

37、機（使用電機內置光電編碼器）與滾珠絲杠直接聯(lián)接，電機的運轉經彈性聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠，可實現滑鞍的左右移動。</p><p>　　主軸箱拖動（Z 軸）采用電機（使用內置光電編碼器）與絲杠直接連接，可實現較高的位置反饋精度。電機軸、滾珠絲杠是通過彈性聯(lián)軸器實現無鍵聯(lián)接，使各坐標可獲得較高的定位精度。電機的運轉經彈性聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠，可實現主軸箱的上下移動。Z 軸電機帶有自動抱閘功能，在斷電情況下，將電機軸抱緊，使之

38、不能轉動，具有良好的安全保障措施。主傳動系統(tǒng)中主軸電機通過 ZF 減速箱皮帶輪變速后驅動主軸，完成主軸傳動，ZF減速箱可以實現 1：1 和 1：4 兩檔傳動，低速輸出時，可以增加輸出扭矩，使機床具有更好的適用范圍；主傳動系統(tǒng)配備外置編碼器，能準確反饋主軸實際輸出轉速，及時校正，保證加工質量。主軸組部件采用臺灣專業(yè)廠家生產的適用于銑鉆的主軸；主軸抓刀是靠主軸上的碟形彈簧以拉緊力通過四瓣爪式拉刀機構作用在刀柄上的拉釘上，使刀具與主軸錐孔緊密

39、配合來實現抓刀的；卸刀時，采用氣液轉換獲得穩(wěn)定強勁的推力，壓縮7碟形彈簧，松開刀爪，實現自動卸刀。</p><p>　　7. 立式鉆銑床的常用布局形式如下圖</p><p>　　8.機床主軸箱的進給系統(tǒng)結構簡圖如圖4所示，</p><p>　　工作臺上下運動最大行程為345 mm，進給速度為1O到——2OO mm／min，快速進給速度為 =10 m／min</

40、p><p>　　9.主軸無級傳動系統(tǒng)主要由無級調速電機及驅動單元和機械傳動機構組成。</p><p>　　無級調速電機及驅動主要機械特性：</p><p>　　無級調速電機具有轉速拐點，即額定轉速。其特點為：小于額定轉速的為恒扭矩范圍，大于額定轉速的為恒功率范圍，如圖1所示。額定轉速一般有500r／min、750r／min、lO00r／min、1500r／min、200

41、0r／min等幾種，按照成本原則，通常使用較多的為1500r／min。如果直接使用額定轉速為1500r／min以上的電機而不經過機械減速，則輸出的恒功率范圍和低速扭矩較小，不能滿足很多場合下的正常使用要求。</p><p>　　主軸無級傳動系統(tǒng)中的機械傳動機構種類及特點：</p><p>　　(1)直接1：1傳動</p><p>　　可采用電機與主軸組件直聯(lián)方式或通

42、過同步帶傳動方式，結構簡單，易獲得高轉速，但低速扭矩小，一般只適用于高速和輕切削場合。</p><p>　　(2)直接減速或升速傳動</p><p>　　常采用同步帶傳動方式，也可采用齒輪傳動方式，結構簡單。對于減速傳動，可擴大恒功率范圍和提高主軸扭矩，但擴大和提高程度有限，或最高轉速受到限制。對于升速傳動，可獲得高轉速，但縮小了恒功率范圍，降低了低速扭矩。</p><

43、p>　　(3)高低檔兩段變速傳動</p><p>　　一般采用齒輪兩檔變速機構，可配合較為經濟的額定轉速較大的無級調速電機，既可獲得較高轉速，又可較大地拓寬恒功率范圍，提高低速扭矩，適合于要求達到較高轉速且可進行較大切削量加工的場合。</p><p>　　(4)高、中、低檔三段變速傳動</p><p>　　采用齒輪三檔變速機構，配合較為經濟的額定轉速較大的無級

44、調速電機，既可獲得較高轉速，又可大大拓寬恒功率范圍，大大提高低速扭矩，適合于要求達到較高轉速且可進行大切削量加工的場合，其機械性能幾乎與齒輪有級變速方式相同。但結構復雜，且由于采用齒輪多級傳動方式，最高轉速受限更大。目前這種傳動方式很少采用。</p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p>　　[1]《機床設計手冊》編輯委員會編，《機床設計手冊》（第

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46、gt;　　[5] 天津大學主編，《機床設計圖冊》，上?？萍技夹g出版社， 1979年；</p><p>　　[6] 廖效果主編，《數控技術》，湖北科學技術出版社， 2001年；</p><p>　　[7] 龐振基主編，《精密機械設計》，機械工業(yè)出版社，2000年；</p><p>　　[8]《實用機床設計手冊》 遼寧科技出版社</p><p>

47、;　　[9]《機床主軸變速箱設計指導書》 機械工業(yè)出版社</p><p>　　[10]《機床數控系統(tǒng)設計設計指導書》 中國科技出版社</p><p>　　[11]《機電綜合設計指導書》 中國人民大學出版社</p><p>　　[12]《數控機床與編程實用教程》 化學工業(yè)出版社</p><p>　　[13]《數控銑床設計》 機械工業(yè)

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49、18]《機械零件設計手冊》 （第二版）（上冊） 冶金工業(yè)出版社</p><p>　　[19]濮良貴 主編 《機械設計》 （第七版） 高等教育出版社 </p><p>　　[20]《幾何量公差與檢測》 甘永立主編 （第七版）上?？茖W技術出版社</p><p>　　[21] 《An efficient approach for trimming simulati

50、on of 3D forged components》</p><p>　　[22] 《Unified cutting force model for turning, boring,drilling and milling operations》</p><p>　　[23] 《Analytical modeling ofand drilling ball end milling》<