畢 業(yè) 設 計 (論 文 )XK5036 數控立式銑床總體及垂直進給傳動機構設計所 在 學 院專 業(yè)班 級姓 名學 號指 導 老 師年 月 日II摘 要數控技術及數控機床在當今機械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家基礎工業(yè)現代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統機械制造工業(yè)提升改造和實現自動化、柔性化、集成化生產的重要手段和標志。數控技術及數控機床的廣泛應用，給機械制造業(yè)的產業(yè)結構、產品種類和檔次以及生產方式帶來了革命性的變化。數控機床是現代加工車間最重要的裝備。本文的研究目標是針對 XK5036 銑床的特點，在滿足生產的前提下，對原銑床做盡可能少的改動，利用數控系統控制銑床運動，實現工作臺 X、Y、Z 的三坐標控制及任意三軸的聯動控制，提高銑床的加工精度和自動化水平，完成銑床的數控化改造。根據經濟性原則和生產的需要，采用的總體方案為：拆除機床工作臺 X、 Y、 Z軸原進給系統。將滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進電機。采用步進電機減速齒輪帶動滾珠絲杠轉動，并通過絲杠螺母副帶動工作臺轉動。首先進行切削力的計算，然后根據切削力的大小計算絲杠的強度、剛度，再結合效率計算校核所選絲杠。選擇合適的滾珠絲杠安裝方式。之后進行齒輪傳動機構設計，根據所選步進電機的步距角、脈沖當量，結合公式計算出減速比，選擇合適的齒輪，根據所選齒輪的參數計算出齒輪的轉動慣，再結合絲杠的轉動慣量，算出總的轉動慣量。最后進行轉距的計算，計算負載和空載時的最大轉矩，根據最大轉矩選擇匹配的步進電機。關鍵詞：銑床，數控，伺服電機，滾珠絲杠目 錄摘 要 II第 1 章 數控機床發(fā)展概述.11.1 國內數控機床現狀 .11.2 數控機床及其特點 21.2.1 數控機床與普通機床的區(qū)別 .21.2.2 數控機床的適用范圍 .31.3 數控機床的工藝范圍及加工精度 31.4 數控機床發(fā)展趨勢 4第 2 章 數控機床總體方案的制訂及比較.62.1 總體方案設計的內容 .62.2 數控銑床改造設計總體要求 62.3 數控銑床改造設計內容 72.4 改造后的數控銑床功能分析 9第 3 章 確定切削用量及選擇刀具.103.1 刀具選擇 .103.2 切削用量確定 .103.3 切削三要素 .113.4 加工精度和表面粗糙度 .113.5 刀具材料 .14第 4 章 主運動系統設計.154.1 主傳動系統的參數計算 154.1.1 主傳動的變速方式的選擇 .154.1.2 主軸電機的選擇 .164.1.3 分級變速箱的設計 .164.1.4 主傳動系統結構設計 .35第 5 章 主要部裝圖（垂直進給系統）的設計與計算.425.1 設計方案的確定 .425.2 垂直(Z 向 )進給系統的設計 .43IV5.3 升降臺自動平衡裝置 45致 謝.48參考文獻.491第 1 章 數控機床發(fā)展概述數 控 技 術 及 其 裝 備 ,主 要 研 究 熱 點 有 以 下 幾 個 方 面 。1.高 速 、 高 精 加 工 技 術 及 裝 備 的 新 趨 勢2.軸 聯 動 加 工 和 復 合 加 工 機 床 快 速 發(fā) 展3.智 能 化 、 開 放 式 、 網 絡 化 成 為 當 代 數 控 系 統 發(fā) 展 的 主 要 趨 勢4.重 視 新 技 術 標 準 、 規(guī) 范 的 建 立 ,其 中 包 括 ：a.關 于 數 控 系 統 設 計 開 發(fā) 規(guī) 范b. 關 于 數 控 系 統 設 計 開 發(fā) 規(guī) 范 ， 加強數控銑床的整機設計中應該把握的主要問題的訓練。1.1 國內數控機床現狀10 年來，我國數控金切機床產量翻了兩番多.數控機床產品開發(fā)加快，一批反映當前世界數控機床發(fā)展潮流的高檔次數控機床問世，如直線電機驅動加工中心、五軸車銑復合中心、五軸龍門加工中心等。建立了以中、低檔次數控機床為主的產業(yè)體系和高檔次數控機床的研發(fā)和生產體系，可以說，我國機床業(yè)整體素質有了明顯提高。但與發(fā)達國家相比，我國機床數控化率還不高，目前生產產值數控化率還不到 30%;消費值數控化率還不到 50%,而發(fā)達國家大多在 76%左右。出口的數控機床品種以中低檔為主。機床業(yè)現狀可以用“三大一小”一一消費大國、生產大國、進口大國和出口小國來概括“母機”水平看“數控” 。1992 年我國年產數控機床僅 4200 多臺。到 2003 年這一數字已為 2.48 萬多臺.比上年增長了 41.6%。高檔次的數控機床及配套部件只能靠進口.近幾年，隨著機床工業(yè)的發(fā)展，我國機床——“工作母機”一直保持兩位數的增長。2003 年的產值達到 260 億元，產量居世界第四。我國的機床消費超過 59 億美元，首次躍居世界第一，產值水平 260 億元，消費超出 220 多億元。其差額自然只有靠進口。據海關統計，2003 年我國進口機床產品金切機床及鍛壓設備各約 31.5 億美元，又是一個“世界第一”而全行業(yè)出口僅為 3.1 億美元。我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。這些數控機床，除少量機床以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處畢業(yè)設計（論文）2于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài).1.2 數控機床及其特點1.2.1 數控機床與普通機床的區(qū)別與普通機床相比，數控機床具有以下明顯特點： 1. 適合于復雜異形零件的加工 數控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應用。 2. 加工精度高 3. 加工穩(wěn)定可靠 實現計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質量穩(wěn)定可靠。 4. 高柔性 加工對象改變時，一般只需要更改數控程序，體現出很好的適應性，可大大節(jié)省生產準備時間。在數控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統—FMS。 5. 高生產率 數控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產率高，一般為普通機床的 3～5 倍，對某些復雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。 6. 勞動條件好 機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環(huán)境較好。 7. 有利于管理現代化 采用數控機床有利于向計算機控制與管理生產方面發(fā)展，為實現生產過程自動化創(chuàng)造了條件。 8. 投資大，使用費用高 9. 生產準備工作復雜 由于整個加工過程采用程序控制，數控加工的前期準備工作較為復雜，包含工藝確定、程序編制等。 10. 維修困難 數控機床是典型的機電一體化產品，技術含量高，對維修人員的技術要求很高。3數控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機床，1.2.2 數控機床的適用范圍由于數控機床的上述特點，適用于數控加工的零件有： ·批量小而又多次重復生產的零件； ·幾何形狀復雜的零件； ·貴重零件加工； ·需要全部檢驗的零件； ·試制件。 對以上零件采用數控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數控加工的優(yōu)勢。1.3 數控機床的工藝范圍及加工精度由于數控銑床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數控銑床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通銑床要寬得多。1.精度要求高的回轉體零件由于數控銑床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。2.表面粗糙度要求高的回轉體零件數控銑床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數控銑床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。3.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉體零件由于數控銑床具有直線和圓弧插補功能，部分銑床數控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的回轉體零件。數控銑床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數量最多的數控機床，約占數控機床總數的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧畢業(yè)設計（論文）4面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。1.4 數控機床發(fā)展趨勢1. 高速、高效、高精度、高可靠性（1） 高速、高效加工進入 21 世紀，機床向高速化方向發(fā)展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質量和精度.上世紀 90 年代以來歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。（2）高精度、超精密化加工當前，機械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍.達到 5 微米;精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加工精度進入納米級(0.001 微米)，主軸回轉精度要求達到 0.01-0.05 微米，加工圓度為 0.1 微米加工表面粗糙度 Ra0.003 微米等從精密加工發(fā)展到超精密加工〔特高精度加工)，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(68.276mm 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )XK5036 數控立式銑床總體及垂直進給傳動機構設計所 在 學 院專 業(yè)班 級姓 名學 號指 導 老 師年 月 日II摘 要數控技術及數控機床在當今機械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家基礎工業(yè)現代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統機械制造工業(yè)提升改造和實現自動化、柔性化、集成化生產的重要手段和標志。數控技術及數控機床的廣泛應用，給機械制造業(yè)的產業(yè)結構、產品種類和檔次以及生產方式帶來了革命性的變化。數控機床是現代加工車間最重要的裝備。本文的研究目標是針對 XK5036 銑床的特點，在滿足生產的前提下，對原銑床做盡可能少的改動，利用數控系統控制銑床運動，實現工作臺 X、Y、Z 的三坐標控制及任意三軸的聯動控制，提高銑床的加工精度和自動化水平，完成銑床的數控化改造。根據經濟性原則和生產的需要，采用的總體方案為：拆除機床工作臺 X、 Y、 Z軸原進給系統。將滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進電機。采用步進電機減速齒輪帶動滾珠絲杠轉動，并通過絲杠螺母副帶動工作臺轉動。首先進行切削力的計算，然后根據切削力的大小計算絲杠的強度、剛度，再結合效率計算校核所選絲杠。選擇合適的滾珠絲杠安裝方式。之后進行齒輪傳動機構設計，根據所選步進電機的步距角、脈沖當量，結合公式計算出減速比，選擇合適的齒輪，根據所選齒輪的參數計算出齒輪的轉動慣，再結合絲杠的轉動慣量，算出總的轉動慣量。最后進行轉距的計算，計算負載和空載時的最大轉矩，根據最大轉矩選擇匹配的步進電機。關鍵詞：銑床，數控，伺服電機，滾珠絲杠目 錄摘 要 II第 1 章 數控機床發(fā)展概述.11.1 國內數控機床現狀 .11.2 數控機床及其特點 21.2.1 數控機床與普通機床的區(qū)別 .21.2.2 數控機床的適用范圍 .31.3 數控機床的工藝范圍及加工精度 31.4 數控機床發(fā)展趨勢 4第 2 章 數控機床總體方案的制訂及比較.62.1 總體方案設計的內容 .62.2 數控銑床改造設計總體要求 62.3 數控銑床改造設計內容 72.4 改造后的數控銑床功能分析 9第 3 章 確定切削用量及選擇刀具.103.1 刀具選擇 .103.2 切削用量確定 .103.3 切削三要素 .113.4 加工精度和表面粗糙度 .113.5 刀具材料 .14第 4 章 主運動系統設計.154.1 主傳動系統的參數計算 154.1.1 主傳動的變速方式的選擇 .154.1.2 主軸電機的選擇 .164.1.3 分級變速箱的設計 .164.1.4 主傳動系統結構設計 .35第 5 章 主要部裝圖（垂直進給系統）的設計與計算.425.1 設計方案的確定 .425.2 垂直(Z 向 )進給系統的設計 .43IV5.3 升降臺自動平衡裝置 45致 謝.48參考文獻.491第 1 章 數控機床發(fā)展概述數 控 技 術 及 其 裝 備 ,主 要 研 究 熱 點 有 以 下 幾 個 方 面 。1.高 速 、 高 精 加 工 技 術 及 裝 備 的 新 趨 勢2.軸 聯 動 加 工 和 復 合 加 工 機 床 快 速 發(fā) 展3.智 能 化 、 開 放 式 、 網 絡 化 成 為 當 代 數 控 系 統 發(fā) 展 的 主 要 趨 勢4.重 視 新 技 術 標 準 、 規(guī) 范 的 建 立 ,其 中 包 括 ：a.關 于 數 控 系 統 設 計 開 發(fā) 規(guī) 范b. 關 于 數 控 系 統 設 計 開 發(fā) 規(guī) 范 ， 加強數控銑床的整機設計中應該把握的主要問題的訓練。1.1 國內數控機床現狀10 年來，我國數控金切機床產量翻了兩番多.數控機床產品開發(fā)加快，一批反映當前世界數控機床發(fā)展潮流的高檔次數控機床問世，如直線電機驅動加工中心、五軸車銑復合中心、五軸龍門加工中心等。建立了以中、低檔次數控機床為主的產業(yè)體系和高檔次數控機床的研發(fā)和生產體系，可以說，我國機床業(yè)整體素質有了明顯提高。但與發(fā)達國家相比，我國機床數控化率還不高，目前生產產值數控化率還不到 30%;消費值數控化率還不到 50%,而發(fā)達國家大多在 76%左右。出口的數控機床品種以中低檔為主。機床業(yè)現狀可以用“三大一小”一一消費大國、生產大國、進口大國和出口小國來概括“母機”水平看“數控” 。1992 年我國年產數控機床僅 4200 多臺。到 2003 年這一數字已為 2.48 萬多臺.比上年增長了 41.6%。高檔次的數控機床及配套部件只能靠進口.近幾年，隨著機床工業(yè)的發(fā)展，我國機床——“工作母機”一直保持兩位數的增長。2003 年的產值達到 260 億元，產量居世界第四。我國的機床消費超過 59 億美元，首次躍居世界第一，產值水平 260 億元，消費超出 220 多億元。其差額自然只有靠進口。據海關統計，2003 年我國進口機床產品金切機床及鍛壓設備各約 31.5 億美元，又是一個“世界第一”而全行業(yè)出口僅為 3.1 億美元。我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。這些數控機床，除少量機床以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處畢業(yè)設計（論文）2于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài).1.2 數控機床及其特點1.2.1 數控機床與普通機床的區(qū)別與普通機床相比，數控機床具有以下明顯特點： 1. 適合于復雜異形零件的加工 數控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應用。 2. 加工精度高 3. 加工穩(wěn)定可靠 實現計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質量穩(wěn)定可靠。 4. 高柔性 加工對象改變時，一般只需要更改數控程序，體現出很好的適應性，可大大節(jié)省生產準備時間。在數控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統—FMS。 5. 高生產率 數控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產率高，一般為普通機床的 3～5 倍，對某些復雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。 6. 勞動條件好 機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環(huán)境較好。 7. 有利于管理現代化 采用數控機床有利于向計算機控制與管理生產方面發(fā)展，為實現生產過程自動化創(chuàng)造了條件。 8. 投資大，使用費用高 9. 生產準備工作復雜 由于整個加工過程采用程序控制，數控加工的前期準備工作較為復雜，包含工藝確定、程序編制等。 10. 維修困難 數控機床是典型的機電一體化產品，技術含量高，對維修人員的技術要求很高。3數控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機床，1.2.2 數控機床的適用范圍由于數控機床的上述特點，適用于數控加工的零件有： ·批量小而又多次重復生產的零件； ·幾何形狀復雜的零件； ·貴重零件加工； ·需要全部檢驗的零件； ·試制件。 對以上零件采用數控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數控加工的優(yōu)勢。1.3 數控機床的工藝范圍及加工精度由于數控銑床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數控銑床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通銑床要寬得多。1.精度要求高的回轉體零件由于數控銑床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。2.表面粗糙度要求高的回轉體零件數控銑床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數控銑床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。3.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉體零件由于數控銑床具有直線和圓弧插補功能，部分銑床數控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的回轉體零件。數控銑床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數量最多的數控機床，約占數控機床總數的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧畢業(yè)設計（論文）4面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。1.4 數控機床發(fā)展趨勢1. 高速、高效、高精度、高可靠性（1） 高速、高效加工進入 21 世紀，機床向高速化方向發(fā)展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質量和精度.上世紀 90 年代以來歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。（2）高精度、超精密化加工當前，機械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍.達到 5 微米;精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加工精度進入納米級(0.001 微米)，主軸回轉精度要求達到 0.01-0.05 微米，加工圓度為 0.1 微米加工表面粗糙度 Ra0.003 微米等從精密加工發(fā)展到超精密加工〔特高精度加工)，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(68.276mm