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株洲工学院毕业（论文）株洲工学院200届毕业设计（论文）材料院(系)、部：机械工程系学生姓名： 樊义祥指导教师： 颜竟成职称教授专业：机械设计制造及其自动化班级：机024班学号：2024052006年5月100 株洲工学院毕业（论文）材料清单1、毕业设计（论文）课题任务书2、毕业设计（论文）开题报告3、中期检查表4、指导教师评阅表5、评阅教师评阅表6、答辩及最终成绩评定表7、毕业设计说明书8、附录材料100 株洲工学院毕业（论文）200届毕业设计（论文）课题任务书院(系)：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化指导教师颜竟成学生姓名樊义祥课题名称XK5040数控立式铣床及控制系统设计内容及任务一、设计内容 １、调查分析XK5040数控立式铣床的加工特点，确定新设计数控立式铣床的主要技术参数。 ２、进行数控立式铣床的总体方案设计。 ３、完成住运动和进给的机械结构设计。 ４、完成控制系统硬件设计。二、主要任务１、根据总体设计方案，绘制XK5040数控立式铣床总图A0一张。２、进行主运动的运动、强度和动力计算，绘制主轴箱部件展开图A0计算机图一张。３、进行进给运动的运动和强度计算，绘制垂直方向数控进给机构部装图A0一张（计算机图）。４、绘制数控铣床主轴零件图一张（A1计算机图）。５、根据控制系统总体设计方案，绘制控制系统电路图一张（A0计算机图）。６、编写设计说明书一套（不少于一万字，用计算机打出）。100 株洲工学院毕业（论文）拟达到的要求或技术指标拟达到的基本要求：1获得XK5040数控立式铣床设计计算过程及相关资料；2形成设计数控铣床的思维；3按规范编写毕业设计论文；4撰写一篇小论文。进度安排起止日期工作内容备注 2005.11~2006.12006.1~2006.32006.3~2006.5 2006.5~2006.6调研、收集资料，熟悉课题内容，完成开题报告进行主运动的运动、强度和动力计算，绘制主轴箱展开图，完成前期检查。进行进给系统及控制系统设计计算，绘制进给机构部装图和电路图，完成中期检查。整理资料，编写设计说明书100 株洲工学院毕业（论文）主要参考资料１、《机械设计手册》，机械工业出版社２、《机床设计手册》，化学工业出版社３、《机床设计图册》，上海科技出版社４、《机床主轴变速箱设计指导书》，机械工业出版社５、《数控技术》，华中科技大学出版社６、《机电综合设计指导书》，中国人民大学出版社７、《单片机基础》，北京航空航天大学出版社教研室意见年月日院(系)主管领导意见年月日100 株洲工学院毕业（论文）株洲工学院毕业设计（论文）开题报告（本科2006届）学院（系）机械工程系专业机械设计制造及其自动化题目K5040数控立式铣床及控制系统设计学生姓名樊义祥学号202405指导教师颜竟成职称教授2006年5月1日100 株洲工学院毕业（论文）毕业设计（论文）开题报告1.结合课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述。数控机床即数字程序控制机床，是自动化机床的一种。最早出现的是数控铣床。60年代以后，点位控制的机床迅速发展，出现了数控钻床、数控冲床和数控坐标镗床。这类机床不需要复杂的控制算法就可以实现加工。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。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。目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000～10000转/分以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等信息技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRPⅡ和电子商务。如，济南第二机床集团有限公司的CAD普及率达100%，是国家级“CAD示范企业”，企业的MRPⅡ系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。 但是和发达国家相比，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。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。 ２、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。 ３100 株洲工学院毕业（论文）、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。 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。 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。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、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，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。 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绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，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。 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。因此，对行数控机床研究成为现代机床设计重要课题。数控机床是一种加工效率高、集成度高、用途广泛的机床，现已广泛应用于各个领域。本次设计我选择XK5040数控立式铣床设计及控制系统设计。对XK5040数控立式铣床的主运动系统和进给系统的机械结构进行了设计和计算，并对其控制系统的硬件电路进行了设计。2.要研究或解决的问题、拟采用的方法或技术路线：本论文所要解决的问题包括：1、调查分析XK5040数控立式铣床的加工特点，确定主要技术参数； ２、进行数控立式铣床的总体方案设计； ３、完成住运动和进给的机械结构设计； ４、完成控制系统硬件设计。采用的方法：本文对主运动系统的设计与普通机床的设计方法一致，以锻炼自己对常规机床设计的能力，进给系统采用步进电机开环控制，主要工作是对滚珠丝杠和步进电机的选型和校核。对于控制系统采用微机即单片机控制系统。在经济型数控系统中常用MCS－51系列单片机，这里我们用8031作为中央处理单元。100 株洲工学院毕业（论文）3.成果预测：１完成整个课题设计任务。２ 完成设计图纸的绘制，包括XK5040铣床总图、主轴箱展开图、垂直进给机构部装图、主轴零件图和控制系统硬件电路图３得到本课题完整说明书。 4.时间进度计划：2005.11~2006.1调研、收集资料，熟悉课题内容，完成开题报告2006.1~2006.3进行主运动的运动、强度和动力计算，绘制主轴箱展开图，完成前期检查。2006.3~2006.5进行进给系统及控制系统设计计算，绘制进给机构部装图和电路图，完成中期检查。2006.5~2006.6整理资料，编写设计说明书100 株洲工学院毕业（论文）5.指导教师意见（对课题方案的可行性、深度、广度及工作量的意见）：指导教师___________年月日6.教研室意见：教研室主任___________年月日说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师签署意见及教研室审查后生效。100 株洲工学院毕业（论文）株洲工学院毕业设计（论文）中期报告院（系）机械工程系班级机024班学生姓名樊义祥指导教师颜竟成课题名称：XK5040数控立式铣床及控制系统设计课题主要任务：分析立式铣床的加工特点，确定其主参数，完成主运动系统、进给系统的机械结构设计和控制系统硬件电路设计并绘制出相应的图纸，编写设计说明书一套。1、简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果（１）、通过查阅资料和分析立式铣床的加工特点，确定了XK5040立式铣床的主参数和总体设计方案（２）、完成了主运动系统的机械结构设计，绘制了主轴箱展开图和主轴零件图；（３）、对进给系统的设计进行了分析和设计计算，并绘制垂直进给机构部装图。100 株洲工学院毕业（论文）1、下一步的主要研究任务，具体设想与安排（1）、进行控制系统硬件设计，绘制控制系统硬件电路图；（2）、整理资料，编写设计说明书。2、存在的具体问题在绘制主轴箱展开图时,齿轮的布局出现了问题,移动滑移齿轮时出现干涉，即一对齿轮进入啮合时，前一对齿轮还没完全脱开。4、指导教师对该生前期研究工作的评价指导教师签名：日期：100 株洲工学院毕业（论文）株洲工学院200届毕业设计（论文）指导教师评阅表院、系：机械工程系学生姓名樊义祥学号202405班级机024专业机械设计制造及其自动化指导教师姓名颜竟成课题名称XK5040数控立式铣床及控制系统设计评语：（包括以下方面，①学习态度、工作量完成情况、材料的完整性和规范性；②检索和利用文献能力、计算机应用能力；③学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；）是否同意参加答辩：是□否□指导教师评定成绩分值：指导教师签字：年月日100 株洲工学院毕业（论文）株洲工学院200届毕业设计（论文）评阅教师评阅表院、系：机械工程系学生姓名樊义祥学号202405班级机024专业机械设计制造及其自动化评阅教师姓名课题XK5040数控立式铣床及控制系统设计评语：（对论文学术评语（包括选题意义；文献利用能力；所用资料可靠性；创新成果及写作规范化和逻辑性）针对课题内容给设计者（作者）提出不少于3个问题，作为答辩时的必答题1.2.3.选题与文献综述（20分）分值：创新性(15分)分值：基础理论和专门知识(35分)分值：作者写作、表达能力(30分)分值：合计分值：是否同意参加答辩是□否□评阅人（签名）：年月日100 株洲工学院毕业（论文）株洲工学院200届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表院、系（公章）：学生姓名樊义祥学号202405班级机024答辩日期课题名称XK5040数控历式铣床及控制系统设计指导教师成绩评定分值评定小计教师1教师2教师3教师4教师5课题介绍思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。30答辩表现思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。必答题40自由提问30合计100答辩评分分值：答辩小组长签名：答辩成绩a：×25％＝指导教师评分分值：指导教师评定成绩b：×50％＝评阅教师评分分值：评阅教师评定成绩c：×25％＝最终评定成绩：分数：等级：答辩委员会主任签名：年月日说明：最终评定成绩＝a+b+c，三个成绩的百分比由各院、系自己确定，但应控制在给定标准的10％左右。100 株洲工学院毕业（论文）株洲工学院200届毕业设计说明书题目院(系)、部：机械工程系学生姓名：樊义祥指导教师：颜竟成职称教授专业：机械设计制造极其自动化班级：机024班完成时间：2006/5/25100 株洲工学院毕业（论文）摘要数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。本文主要对XK5040数控立式铣床及控制系统进行设计，首先分析立式铣床的加工特点和加工要求确定其主参数，包括运动和动力参数；根据主参数和设计要求进行主运动系统、进给系统和控制系统硬件电路设计。主要进行主运动系统和进给系统的机械结构设计及滚珠丝杠和步进电机的选型和校核；对于控制系统由于这里主要针对经济型数控铣床的设计，这里采用步进电机开环控制，计算机系统采用高性能价格比的MCS-51系列单片扩展系统，主要进行中央处理单元的选择、存储器扩展和接口电路设计。由于本文采用8031单片机控制系统，因此，设计出的立式铣床性能价格比高，满足经济性要求。可实用于加工精度较高的场合。关键词数控技术；立式铣床；设计ABSTRACTThenumericalcontrolenginebedisthedigitalprocesscontrolenginebed,isonekindofautomatedenginebed,thenumericalcontroltechnologyisthecorewhichthenumericalcontrolenginebedstudies,isthemanufacturingindustryrealizationautomation,thenetwork,theflexibility,theintegratedfoundation.Alongwiththemanufacturetechnologydevelopment,themodernnumericalcontrolenginebedwiththeaidofthemoderndesigntechnology,theworkingprocedureintensificationandthenewfunctionpartcausedtheenginebedtheprocessingscope,thedynamicperformance,theprocessingprecisionandthereliabilityhadtheenormousenhancement.ThisarticlemainlycarriesonthedesigntotheXK5040numericalcontrolverticalmillingmachineandthecontrolsystem,firstanalyzestheverticalmillingmachinethe100 株洲工学院毕业（论文）processingcharacteristicandtheprocessingrequestdeterminesitshostparameter,includingmovementanddynamicparameter;Carryonthehostkinematicschemeaccordingtothehostparameterandthedesignrequest,entersforthesystemandthecontrolsystemhardwarecircuitdesign.Mainlycarriesonthehostkinematicschemeandentersforthesystemmechanismdesignandtheballbearingguidescrewandelectricsteppingmotorshapingandtheexamination;Regardingcontrolsystembecauseheremainlyaimsattheeconomynumericalcontrolmillingmachinethedesign,hereuseselectricsteppingmotoropen-loopcontrol,thecomputersystemusesthehighperformancepricecomparedtotheMCS-51seriesmonolithicexpansionsystem,mainlycarriesonthecentralprocessingelementthechoice,thememoryexpansionandtheconnectioncircuitdesign.Becausethisarticleuses8,031monolithicintegratedcircuitscontrolsystem,therefore,designstheverticalmillingmachineperformancepriceishigherthan,satisfiestheefficientrequest.Butpracticaltoprocessingprecisionhighersituation.KeywordsNumericalcontroltechnology;Verticalmillingmachine;Design100 株洲工学院毕业（论文）目录摘要151总体设计181.1、铣床简介181.2、XK5040型数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系图191.2.1XK5040型数控铣床的总体布局191.2.2XK5040型数控铣床的主要技术参数201.2.3总传动系统图222 主运动系统设计222.1传动系统设计232.1.1参数的拟定232.1.2传动结构或结构网的选择232.1.3转速图拟定242.1.4齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制27２.２ 传动件的估算与验算302.2.1传动轴的估算和验算30２.２.２齿轮模数的估算33２.３展开图设计38２.３.１结构实际的内容及技术要求38２.３.２ 齿轮块的设计39２.３.３ 传动轴设计41２.３.４ 主轴组件设计44２.４制动器设计49２.４.１ 按扭矩选择49２.５截面图设计50２.５.１轴的空间布置51２.５.２ 操纵机构51２.５.３ 润滑51２.５.４箱体设计的确有关问题53３进给系统设计54３.１总体方案设计54３.１.１对进给伺服系统的基本要求54３.１.２进给伺服系统的设计要求54３.１.３总体方案54３.２进给伺服系统机械部分设计55３.２.１确定脉冲当量，计算切削力55３.２.２滚珠丝杆螺母副的计算和造型57３.２.３齿轮传动比计算66３.２.４ 步进电机的计算和选型67100 株洲工学院毕业（论文）３.２.５ 进给伺服系统机械部分结构设计76４控制系统设计804.1绘制控制系统结构框图804.2.选择中央处理单元（CPU）的类型804.3存储器扩展电路设计81４.３.１程序存储器的扩展81４.３.２ 数据存储器的扩展82４.４ I/O接口电路及辅助电路设计82４.４.１ I/O接口电路设计82４.４.２ 步进电机接口及驱动电路83４.２.３ 其他辅助电路84参考文献87致谢88附录89100 株洲工学院毕业（论文）1总体设计1.1、铣床简介铣床是一种用途广泛的机床。它可以加工平面(水平面、垂直面等)、沟槽（键槽、T型槽、燕尾槽等）、多齿零件上齿槽（齿轮、链轮、棘轮、花键轴等）、螺旋形表面（螺纹和螺旋槽）及各种曲面。此外，它还可以用于加工回转体表面及内孔，以及进行切断工作等。由于铣床使用旋转的多齿刀具加工工件，同时有数个刀齿参加切削，所以生产效率高，但是，由于铣刀每个刀齿的切削过程是断续的，且每一个的切削厚度又是变化的，这就使切削力相应地发生变化，容易引起机床振动，因此，铣床在结构上要求有较高的刚度和抗振性。铣床的类型很多，主要类型有：卧式升降台铣床、立式升降台铣床、龙门铣床、工具铣床和各种专门化铣床等。随着科学技术的进步，数控铣床得到了越来越广泛的应用，它一般分为立式和卧式两种，一般数控铣床是指规格较小的升降台数控铣床，其工作台宽度多在400mm以下，规格较大的数控铣床，例如工作台宽度在500mm以上的，其功能已向加工中心靠近，进而演变成柔性制造单元。数控铣床多为三坐标、两轴联动的机床，也称两轴半控制，即X、Y、Z三个坐标轴中，任意两个都可以联动。一般情况下，在数控铣床上只能用来加工平面曲线的轮廓。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加进一个回转的A坐标或C坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台，这是机床的数控系统为四坐``标的数控系统，它可用来加工旋转槽、叶片等立体曲面零件。我们本次设计过程中要接触到的为XK5040数控立式铣床。它的工作台宽度为400mm。1.2、XK5040型数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系图1.2.1XK5040型数控铣床的总体布局图1.1所示为XK5040型数控铣床的布局图，床身6固定在底座1上，用于安装与支承机床各部件。操纵台10上有CT显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。纵向工作台16、横向溜板12安装在升降台15上，通过纵向进给伺服电动机13、横向进给伺服电动机14和垂直升降进给服电动机4的驱动，完成X、Y、Z100 株洲工学院毕业（论文）坐标进给。强电柜2中装有机床电器部分的接触器、继电器等。变压器器箱3安装在床身立柱的后面。数控柜7内装有机床数控系统。保护开关8、11可控制纵向行程硬限位；挡铁9为纵向参考点设定挡铁。主轴变速手柄和按钮板5用于手动控制主轴的正、反转、停止及切削液开停等。图1.1XK5040铣床外观图1.2.2XK5040型数控铣床的主要技术参数机床设计的初使，首先需确定有关参数，它们是传动设计和就亿个度微 设计的依据，影响到产品是否能满足所需要的功能要求，因此，参数拟定是机床设计中的重要问题。100 株洲工学院毕业（论文）机床参数有主参数和基本参数。主参数是最重要的，它直接反映机床的加工能力、特性、决定和影响其他基本参数的数值。如铣床的工作台宽度等。基本参数是一些与加工工件尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的参数。可归纳为：尺寸参数、运动参数和动力参数。XK5040型数控铣床的主要技术参数如下：工作台：工作台尺寸（长×宽）1600×400mm工作台最大纵向行程900mm工作台最大横向行程375mm工作台最大垂直行程400mm工作台T型槽数3工作台T型槽宽18mm工作台T型间距100mm主轴：主轴锥度50#（7：24）主轴孔径27mm刀杆直径32mm或50mm主轴前轴承直径90mm主轴轴向移动距离70mm部件间主要尺寸：立铣头最大回转角度45°主轴端面到工作台面的距离50～400mm主轴中心线至床身垂直导轨距离430mm工作台侧面至床身垂直导轨距离30～405mm机动性能：主轴转速级数18主轴转速范围30～1500r/min动力外形：主电机功率7.5KW主电机转速1450r/min工作台进给量：纵向10～1500mm/min横向10～1500mm/min垂直10～600mm/min定位精度ISO标准X0.07mmY0.05mm100 株洲工学院毕业（论文）Z0.06mm重复定位精度ISO标准0.03mm工作台最大承载200kg机床外形尺寸（长×宽×高）2495mm×2100mm×2170mm机床重量约2700kg1.2.3总传动系统图XK5040立式铣床的总的传动系统图如图1.2所示。图1.2XK5040总传动系统图100 株洲工学院毕业（论文）2 主运动系统设计2.1传动系统设计2.1.1参数的拟定选定公比，确定各级传送机床常用的公比为1.26或1.41，考虑适当减少相对速度损失，这里取公比为=1.26，根据给出的条件：主运动部分Z=18级，根据标准数列表，确定各级转速为：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.2.1.2传动结构或结构网的选择1确定变数组数目和各变数组中传动副的数目该机床的变数范围较大，必须经过较长的传动链减速才能把电机的转速降到主轴所需的转速。级数为Z的传动系统由若干个传动副组成，各传动组分别有..`````````个传动副，即Z=```````。传动副数由于结构的限制，通常采用P=2或3，即变速Z应为2或3的因子：Z=x因此，这里18=3x3x2，共需三个变速组。2传动组传动顺序的安排18级转速传动系统的传动组，可以排成：3x3x2，或3x2x3。选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速率的具体结构，装置和性能。I轴如果安置制动的电磁离和器时，为减少轴向尺寸。第一传动组的传动副数不能多，以2为宜，有时甚至用一个定比传动副；主轴对加工精度，表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2，或一个定比传动副。这里，根据前多后少的原则，选择18=3x3x2方案。3传动系统的扩大顺序安排对于18=3x3x2的传动，有3！=6种可能安排，亦即有6种机构副和对应的结构网，传动方案中，扩大顺序与传动顺序可以一致，，结构式18=xx的传动中，扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而，18=xx的传动顺序不一致，根据“前密后疏”的原则，选择18=xx的结构式。4验算变速组的变速范围齿轮的最小传动1/4，最大传动比2，决定了一个传动组的最大变速范围=/100 株洲工学院毕业（论文）因此，可按下表，确定传动方案：根据传动比及指数x,的值公比极限值传动比指数1.26x值:=1/=1/46值:==23（x+）值：==89因此，可选择18=xx的传动方案。5最后扩大传动组的选择正常连续顺序扩大传动（串联式）的传动式为：Z=*最后扩大传动组的变速范围为：r==按原则，导出系统的最大收效Z和变速范围为：231.26Z=18R=50Z=12R=12.7因此，传动方案18=3*3*2符合上述条件，其结构网如下图2.1：图2.1结构网图100 株洲工学院毕业（论文）2.1.3转速图拟定运动参数确定后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定电机功率。在此基础上，选择电机的型号，分配个变速组的最小传动比；拟定转速图，确定各中间轴的转速。1主电机的选择中型机床上，一般都采用交流异步电动机为动力源，可在下列中选用，在选择电机型号时，应注意：（1）电机的N：根据机床切削能力的要求确定电机功率，但电机产品的功率已标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。（2）电机的转速异步电动机的转速有：3000，1500，1000，750，r/min,这取决于电动机的极对数P=60f/p=60x50/p(r/min)机床中最常用的是1500r/min和3000r/min两种，选用是要使电机转速与主轴最高速度和工轴转速相近为宜，以免采用过大或过小的降速传动。根据以上要求，我们选择功率为7.5KW，转速为1500r/min的电机，查表，其型号为Y132M-4，其主要性能如下表电机型号额定功率KW荷载转速r/min同步转速r/minY132M-47.5KW144015002分配最小传动比，拟定转速图（1）轴的转速：轴从电机得到运动，经传动系统转化为主轴各级转速，电机转速和主轴最小转速应相近，显然，从动件在高速运转下功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴转速不宜将电机转速降得太低。弱轴上装有离合器等零件时，高速下摩檫损耗，发热都将成为突出矛盾，因此，轴转速也不宜也太高，轴转速一般取700~1000r/min左右较合适。因此，使中间变速组降速缓慢。以减少结构的径向尺寸，在电机轴I到主传动系统前端轴增加一对26/54的降速齿轮副，这样，也有利于变型机床的设计，改变降速齿轮传动副的传动比，就可以将主轴18级转速一起提高或降低。（2）中间轴的转速100 株洲工学院毕业（论文）对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小和噪音，振动等性能要求之间的矛盾。中间传动轴转速较高时，中间传动轴和齿轮承受扭矩小，可以使轴径和齿轮模数小些：d,m从而可使结构紧凑。但这样引起空载功率和噪音加大：=1/(3.5+cn)KW式中：C——系数，两支承滚动轴承和滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；——所有中间轴轴径的平均值；——主轴前后轴径的平均值——中间传动轴的转速之和n——主轴转速（r/min）=20lg-K式中：（——所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm;——主轴上齿轮分度圆直径的平均值mm;q——传到主轴上所经过的齿轮对数——主轴齿轮螺旋角,K——系数，根据机床类型及制造水平选取，我国中型车床，铣床=3.5，车床K=54，铣床K=50.5从上述经验公式可知，主轴n和中间传动轴的转速和对机床噪音和发热的关系，确定中间轴转速时，应结合实际情况做相应的修正。a，对高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低些b,控制齿轮圆周速度v<8m/s(可用７级齿轮精度)，在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。（3），齿轮传动比的限制机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：a,升速传动中，最大传动比2，过大，容易引起振动的噪音。b,降速传动中，最小传动比1/4。过小，则主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大将导致结构庞大。（4）分配最小传动比100 株洲工学院毕业（论文）a,决定轴V-VI和VI-的传动比，根据台式铣床的结构特点，及对同类车床的比较，为使传动平稳取其传动比为1，b,决定各变速组的传动比；由前面2轴的转速及中间轴转速的分析，及齿轮传动比的现在，根据“前缓后急”的原则，取轴IV-V的最小降速比为极限值的1/4，=1.26，=4，轴III-IV和轴II-III均取=1/（5）拟定转速图：根据结构图及结构网图及传动比的分配，拟定转速图，如下图2.2所示：图2.2传动系统图2.1.4齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制1齿轮齿数的确定的要求可用计算法或查表确定齿轮齿数，后者更为简便，根据要求的传动比u和初步定出的传动副齿数和，查表即可求出小齿轮齿数：选择是应考虑：a,传动组小齿轮不应小于允许的最小齿数，即：推荐：对轴齿轮=12，特殊情况下=11，100 株洲工学院毕业（论文）对套装在轴上的齿轮，=16，特殊情况下=14，对套装在滚动轴承上的空套齿轮，=20；当齿数少于不发生根切的最小齿数时（压力角a=20的直齿标准，=17），一般需对齿轮进行正变位修正。b,保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚，一般取则，如图2.3所示。c、同一传动组的个齿轮副的中心矩应相等。若摸数相等时，则齿数和亦相等，但由于传动比要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足不了上述要求，机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齿数差不能够超过3~4个齿。2变速传动组中齿轮齿数的确定为了减少齿轮数目和缩短变速箱的轴向尺寸，这里采用了公用齿轮。但由于公用齿轮的采用，使两个传动组间的传动比互相牵制，不能独立地按照最紧凑的原则决定传动件的尺寸，因此，径向尺寸一般较大，此外，公用齿轮的两侧齿面同时啮合会影响其磨损和寿命。这里我们采用查表法来确定齿轮的齿数。查《机床设计手册》确定个齿轮齿数如下：轴II-III间变速齿轮齿数的确定：由于公比=1.26，传动比为=1/=，=1/=，=1/设：传动组中最小齿轮齿数=16，查《机床设计手册》表7.3-14可查得：=16/39（0.1%），=19/36（0.9%），=22/33（-0.3%）齿数和为=55公用齿轮选为=39轴III-IV间变速组齿轮齿数的确定：传动比为=1/=1/=根据=，主动轮齿数为39，从表7.3-14可查得：=18/47（-0.1%），=28/37（0.9%），=39/26（-0.3%）齿数和为：=65100 株洲工学院毕业（论文）轴IV-V间变速组齿轮齿数的确定：由于变数组齿轮传动比和各传动副上受力差别较大齿轮副的速度变化，受力差别较大，为了得到合理的结构尺寸，可采用不同模数的齿轮副。轴IV-V间的两对齿轮，其传动比为=1/4,=2分别取＝４，＝３则／＝／＝３／４取Ｋ＝３０，＝３０x3=90,=30x4=120按传动比将齿数分配如下：=1/4=18/7219/71，=2=80/4082/38轴V-VI及VI-VII间齿数确定，由于这两个传动组只是改变传动方向，不起便速度作用，只需考虑其结构尺寸及磨损振动和噪音等因素。，取V-VI轴间锥材料齿轮齿数为２９，ＶI-VII轴间齿轮齿数为67。3主轴转速系列的验算主轴转速在使用上并要求十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响，但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大。由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符，需要验算主轴各级转速，最大误差不得超过即%主轴的各级实际转速分别为：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5r/min==2%而%=2.6%故符合条件同理：经验算，其他各级转速也满足要求。4传动系统图的绘制转速图和齿轮齿数确定后，变速箱的结构复杂程度也基本确定了（如齿轮个数，轴数，支承轴，为使变速箱的结构紧凑，合理布置齿轮是一个重要的问题，因为它直接影响变速箱的尺寸，变速操作的方便性和结构实现的可行性问题，在考虑主轴适当的支承距和散热条件下，一般应尽可能减少变速箱尺寸。这里为使变速操作的方便，提高效率采用电磁离合器操纵方式。根据计算结果，绘制出传动系统图，如图2.4所示100 株洲工学院毕业（论文）图2.4主传动系统图主运动传动链的传动路线表达式如下：电动机I——II——III——IV—=V——VI——VIII（主轴）２.２ 传动件的估算与验算2.2.1传动轴的估算和验算传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求高，不允许有较大的变形因此，疲劳强度一般不是主要矛盾，除载荷很大的情况下，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角）。若刚度不足，轴上的零件如齿轮，轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作，或产生振动和噪声，发热，过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。可以先扭转刚度估算轴的直径，画出草图后，再根据受力情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。1传动轴直径的估算100 株洲工学院毕业（论文）传动轴直径按扭转刚度用下列公式估算传动轴直径：d=91mm式中：N——该传动轴的输入功率N——KW——电机额定功率——从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积（不计该轴轴承上的效率）。——该传动轴的计算转速；计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速，各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系而确定，而中型车，铣床主轴的计算转速为：（主）=——每米长度上允许的扭转角（deg/m）;可根据传动轴的要求选取。对传动轴刚度要求允许扭转角主轴一般传动轴较低的轴（deg/m）0.5-11-1.51.5-2估算时应注意：（1） 值为每米长度上允许的扭转角，而估算的传动轴的长度往往不足1m，因此，在计算时应按轴的实际长度计算和修正，如轴为500mm，取=1deg/m则d=91mm（2） 效率y对估算轴径d影响不大，可以忽略（3） 如使用花键是可根据估算的轴径d选取相近的标准花键轴的规格，主轴总轴径可参考统计数据确定；1.5-2.82.8-44.5-7.55.5-7.57.5-11车床60-8070-9070-10595-130110-145升降台铣床50-9060-9060-9575-10090-105100 株洲工学院毕业（论文）各轴的计算转速：=95r/min=118m/min=300r/min=750r./min=1450r/min轴径的估算：=91x=24.4=91x=28.78=91x=36.18=91x=45.69=91x=48.242传动轴刚度的验算（1）轴的弯曲变形的条件和允许值机床的主传动轴的弯曲刚度验算，主要验算轴上装齿轮和轴承出的挠度y和倾角。各类轴的挠度y，装齿轮和轴承处的倾角，应小于弯曲刚度的许用值和，即。轴的弯曲变形的允许值：轴的类型允许挠度变形部位允许倾角一般传动轴（0.0003~0.0005）装轴承处，装齿轮处0.00250.0001刚度要求较高的轴0.00021装单列圆锥磙子轴承0.0006安装齿轮的轴（0.01~0.03）装滑动轴承处0.001安装蜗轮的轴（0.02~0.05）装单列径向圆锥磙子轴承处0.001（2）轴的弯曲复形计算公式：计算花键轴的刚度时可采用平均直径或当量直径计算公式：矩形花键轴：平均直径=（D+d）/2当量直径=100 株洲工学院毕业（论文）惯性矩：I=确定矩形花键轴的平均直径d1,当量直径d2和惯性In,惯性In查《机床设计指导》35页表可定：花键轴尺寸（GB1144-74）平均直径mm当量直径mm极惯性矩惯性矩轴Ⅱ:3939.26233341116671轴Ⅲ:4545.3414840207420轴IV:52.552.7758297379148轴V:52.552.7758297379148２.２.２齿轮模数的估算1估算按接触疲劳和弯曲强度计算次论模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知的情况先才能确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳强度的估算：mm齿面点蚀的估算：Amm其中为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心矩，由中心矩A及齿数，求出模数=2A/mm根据估算所得和中较大的值，选择相近的标准模数，各齿轮的计算转数为：=1450r/min=695r/min=300r/min235r/min100 株洲工学院毕业（论文）=95r/min=273r/min=235r/min=695r/min=475r/min=118r/min=695r/min=695r/min=300r/min=300r/min=118r/min轴I—II间传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：=32=1.87齿轮点蚀的估算：A=370x=81.76mm=2A/=2x81.76/(26+54)=2.04mm所以模数为m=3.轴II—III传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：=32=2.759齿面点蚀估算：A=370x=108.18=2A/=2x108.18/(16+39)=3.93mm取标准模数m=4轴III—IV间传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：=32x=3.046齿面点蚀估算：A=370x=117.3=2A/=2x147.3/(28+37)=3.61所以取标准模数m=4mm。轴V—VI间传动组齿轮模数的估算：齿轮弯曲疲劳计算，100 株洲工学院毕业（论文）4.46齿面点蚀估算：Ax=153.4=2A/=2x153.4/(29+29)=5.29取标准模数值m=5,轴VI—VII间齿轮模数的确定：齿轮弯曲疲劳强度计算，齿面电蚀估算Ax=158.7=2A/=2x158.7/(67+67)=2.37取模数值为m=4。2计算（验算）结构确定后，齿轮的工作条件：空间安排，材料和精度等级都已经确定，才可以核验齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度值是否满足要求。根据接触疲劳强度计算齿轮模数的公式：=mm根据弯曲疲劳强度计算齿轮模数，公式=mm式中：N—计算齿轮传递的额定功率N=KW——计算齿轮的计算转速r/min ——齿宽系数=b/m,常取6-10；——大齿轮与小齿轮齿数，一般取传动中最小齿轮的齿数i——大齿轮与小齿轮的传动比，i=/1;“+”用于外啮合，“-”用于内啮合——寿命系数，=，100 株洲工学院毕业（论文）——工作期限系数，=齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的指数m和基准循环次数n——齿轮的最低转速r/minT——预先的齿轮工作期限，中型机床推荐：T=15000~20000h;——转速变化系数——功率利用系数——材料强化系数，幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化，起阻止疲劳的刃缝扩大的作用——工作情况系数，中等冲击的主运动，=1.2~1.6；——动载荷系数——齿向载荷分布系数——齿形系数——许用弯曲，接触应力MPa;（1） 轴I-II间齿轮模数的计算(验算)a按接触疲劳计算齿轮模数:N=y=0.987.5=7.35W=8查表:取则100 株洲工学院毕业（论文）取线速度查表:取查表取查表取.因此:b根据弯曲疲劳计算查表取:而查表取.Y=0.43,因此:。 由以上计算结果知，齿轮模数合格。（２）其它齿轮模数的验算其它齿轮的验算过程与上面相同，将有关数值代入上式，经计算均满足要求；100 株洲工学院毕业（论文）２.３展开图设计２.３.１结构实际的内容及技术要求1 设计内容设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴，轴承，齿轮，离合器和制动器等），主轴组件，操纵机构，润滑密封系统和箱体及其连接件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。2 技术要求主轴变速箱是指机床的主要部分，设计时除考虑一般机械传动的有关要求外，着重考虑以下几个方面的问题：（1）精度立式铣床主轴部分要求比较高的精度主轴的径向跳动，〈0.01mm；主轴轴向串动〈0.01mm。（2）刚度和抗振性综合刚度（主轴刀架之间的力与相对变形之比）；综合刚度〉3400N/m主轴与刀架之间的相对振幅的要求等级IIIIII振幅（0.001mm）123(3)，传动效率要求等级IIIIII效率0.850.80.75（4）主轴总轴承处温升和温升应控制在以下范围：条件温度温升用滚动轴承7040用滑动轴承6030（５）噪声要控制在以下范围：等级IIIIIIdB788083噪音100 株洲工学院毕业（论文）=20log式中：——所有中间传动齿轮分度圆直径的平均值mm——主轴上齿轮的分度圆直径的平均值mm——传到主轴所经过的齿轮对数,k——系数，根据个类型及制造水平选取。我国中型车床，铣床=3.5，车床K254，铣床K50.5（６）结构简单，紧凑，加工和装配工艺性好，便于维修和调整（７）操作方便，安全可靠（８）遵循标准化和通用化的原则２.３.２ 齿轮块的设计1 特点齿轮是变速箱中的重要元件，齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的，也就是说，作用在一个齿上的载荷是变化的。同时由于齿轮制造及安装误差，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪音，常常成为变速箱的主要噪声源，并影响主轴回转均匀性，在设计齿轮时，应充分考虑这些问题。2 精度等级的选择变速箱中齿轮用于传递动力和运动。它的精度选择主要取决于周围速度。采用同一精度时，周围速度越高，振动和噪声越大，根据实验结果，周围速度增加一倍，噪音约增加6dB。工作平稳性和接触误差对振动和噪音的影响比运动误差更大。所以这两项精度应选高一级，为了控制噪音，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，大都用7-6-6,这里主运动齿轮的精度选为7-6-6。3 结构与加工方法不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构要求也有不同。8级精度齿轮，一般滚齿或插齿就可以达到。7级精度齿轮，用较高精度滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度下降，因此，需淬火的7级齿轮一般滚（插）后要剃齿，使精度高于7级或淬火和衍齿才能达到6级。机床主轴变速箱中齿轮一般都需要淬火。多联齿轮块的结构形式如下图2.5所示，各部分的尺寸推荐如下：（1）、空刀槽，插齿时：模数12mm，5mm;100 株洲工学院毕业（论文）模数2.54mm,6mm。剃齿时：采用公式：=4.5+k(1.1+0.038-0.03)mm及计算。试中，k为与剃齿刀倾斜角有关的系数。若齿面要高频淬火，为避免互相影响，应大于8。由于这里采用的齿轮的精度为7-6-6，需要剃齿或珩齿，图2.5需齿面淬火，所以8，取=8。 （２）、齿宽b齿宽影响齿的强度。但如果太宽，由于齿轮误差和轴的变形，可能接触不均匀，反而容易引起振动和噪音。一般取=(6~10)m齿轮模数m小，装在轴的中部或单片齿轮，取大值齿轮模数m大，装在靠近支承处或多联齿轮，取小值。薄的大齿轮容易产生板振动，成为噪音发射体，因此，齿轮基体不宜太薄，设计单片齿轮时要注意这里均是单片齿轮，取齿宽（m为模数）。（3）、其他问题滑移齿轮进出啮合的一端要圆齿，有规定的形状和尺寸（见图2.6），圆齿和倒角性质不同，加工方法和画法也不一样，图2.6部分（图（一））用于安装拨动齿轮的滑块，一般取=或，这里我们选。选折齿轮块的结构时要考虑毛坯形式（棒料、自由锻或模锻）和机械加工时的安装和定位基面，尽可能做到省工，省料又容易保证精度。100 株洲工学院毕业（论文）4 组合齿轮齿轮磨齿时，要求有叫大的空刀（砂轮）距离，因此，多联齿轮不便作成一整体一般都作成组合的齿轮块。有时为了缩短轴向尺寸，也采用组合齿轮。这里轴的三联滑移齿轮可做成浮动连接的组合齿轮，其结构如下图2.7图2.7说明：齿轮3的左边挖一圆沟槽，端面上有若干个径向缺口，齿轮1的右侧有2个销子2，安装时将销子2对证齿轮端面的缺口，把齿轮1和齿轮3拼装后，相对转过一个角度，一起装在花键轴上。这种结构，连接后的两个齿轮成为一体，但连接是浮动的，不影响两个齿轮在花键轴上的定心。5 齿轮的轴向定位要保证正确啮合，齿轮在轴上的位置应该可靠，空套齿轮和固定在轴上的齿轮的轴向定位可采用隔套定位。２.３.３ 传动轴设计1 特点机床传动轴，广泛采用滚动轴承作支承。轴上要安装齿轮，离合器和制动器等。传动轴应保证这些传动件或机构能正常工作首先，传动轴应有足够的强度和刚度，如挠度和倾角过大，将使齿轮啮合不良，轴承工作条件恶化，使振动，噪音、空载功率、磨损和发热增大。两轴中心距误差和轴心线间的平行度等装配及加工误差也会引起上述问题。2 轴的结构传动轴可以是光轴也可以是化键轴，成批生产中，有专门加工花键轴的洗床和磨床，工艺上并无困难。所以一般都采用化键轴，花键轴承载能力高，加工如转盘也比但单键的光轴方便。这里I轴与电机轴相连，I轴上只装有一个齿轮，可选光轴II、III、IV、V轴采用花键轴，VI轴采用光轴。100 株洲工学院毕业（论文）3 轴承的选择机床传动轴常用的滚动轴承有球轴承和滚锥轴承。在温升。空载功率和噪音等方面，球轴承都比滚锥轴承优越。而且滚锥轴承对轴的刚度、支承孔的加工精度要求都比较高，异常球轴承用得更多。但滚锥轴承的内外圈可以公开。装配方便，间隙容易调整。所以有时在没有轴向力时，也常采用这种轴承。选择轴承的型式和尺寸，首先取决于承载能力，但也要考虑其它结构条件。即要满足承载能力要求，又要符合孔的加工工艺，可以用轻、中、或重系列的轴承来达到支承孔直径的安排要求花键轴两端装轴承的轴颈尺寸至少有一个应小于花键的内径，一般传动轴上轴承选用G级精度。（1）滚动轴承的选择计算a，寿命计算公式：滚动轴承的寿命计算公式如下：L=试中：L—额定寿命（x）转C—额定动载荷（Kgf）P—当量负载荷（Kgf）——寿命指数，对球轴承=3对滚子轴承=10/3在实际计算中，一般采用工作小时数表示轴承的额定寿命，这时上试可变为：=试中：—额定寿命（h）n—轴承的计算转速（r/min）当量动载荷P=X+Y试中：—径向负荷（Kgf）—轴向负荷（Kgf）X—径向系数Y—轴向系数（2）按照负载荷选择轴承按额定静负载选择轴承的基本公式如下：=100 株洲工学院毕业（论文）试中：—当量静负荷（kgf）按下列两式计算，取大值—额定静负荷（kgf）—安全系数（3）轴承的选择I轴两端轴承的选择，根据前面估算的直径及该轴的结构和受力情况，选择单列向心球轴承（GB276—64）轴承型号为7000308（左轴承）右轴承7000307II轴两端轴承的选择左轴承：7000307右轴承：7000306III轴：左，7000309右，7000308IV轴：左，7000310，右7000409V轴轴承的选择，由于轴V右端悬伸部分与锥齿轮不相连，承受一定的轴向负荷及径向负荷，因此，可选用圆锥磙子轴承左端型号：27310（GB298—64）右端：27610VI轴垂直布置，下端轴承承受到大的轴向力，可选用向心推力球轴承，型号为36107，上端轴承可选用向心球轴承70003094 轴的轴向定位传动轴必须在箱体内保持准确的位置，相对保证安装在轴上各传动件的位置正确性，不论轴是否转动，是否受轴向力，都必须有轴的定位。对受轴向力的轴，其轴向定位更重要。回转轴的轴向包括轴承在轴上的定位和在箱体孔中定位）在选择定位方式时应注意：1，轴的长度，长度要考虑热伸长的问题，宜有一端定位。2，轴承的间隙是否需要调整。3，整个轴的轴向位置是否需要调整4，在有轴向载荷的情况下不宜采用弹簧卡圈5，加工和装配的工艺性等根据轴的结构特点和收里情况，I，II，III，IV，V轴均采用弹簧卡圈定位或压盖和轴肩定位。５ 传递轴的结构设计（１）、轴I的结构设计:1）,选联轴器轴I与电机轴用联轴器相连,需同时选取连轴器.轴I上的转矩T为:100 株洲工学院毕业（论文） 联轴器的计算转矩查表取则,根据工作需要,选用弹性柱销连轴器,型号为HL3,联轴器的许用转矩为:,联轴器的轴孔直径d=38mm,半联轴器的长度为L=82mm,联轴器标记为:HL3联轴器3882GB5014—85.2）,按轴向定位要求确定轴的各段直径和长度.２.３.４ 主轴组件设计主轴组件结构复杂,技术要求高,安装工件(车床)或者刀具(铣床,钻床)的主轴参予切削成形运动,因此它的精度和性能直接影响加工质量(加工精度和表面粗糙度),设计时主要围绕着保证精度,刚度和抗振性,减小温度和热变形等几个方面考虑１ 对主轴部件的基本要求主轴组件是机床主要部件之一.它的性能对整机性能影响很大.主轴直接承受切削力,转速范围又很大,所以对主轴组件的主要性能基本要求如下:（1）回转精度.主轴组件的回转精度是指主轴的回转精度.造成主轴回转误差的原因是主要是由于主轴的结构及其加工精度,主轴轴承的选用及刚度等,而主轴及其回转零件的不平衡,在回转时引起的激振力也会造成主轴的回转误差.（2）刚度.主轴组件的刚度指受外力作用时,主轴组件抵抗变形的能力.主轴部件的刚度与主轴结构尺寸,支承跨距,所选用的轴承类型及配置形式,轴承间隙的调整,主轴上传动元件的位置等有关.（3）抗振性:主轴组件的抗振性是指切削加工时,主轴保持平衡运转而不发生振动的能力,提高主轴抗振性,必须提高主轴组件的静刚度,采用较大阻尼比的前轴承,以及在必要时安装阻尼(消振)器,另外,使主轴的固有频率远远大于激振力的频率.（4）温度.主轴组件在运转时,温度过高会引起很多不良结果,数控机床在解决温度问题时,一般采用注温主轴箱.（5）耐磨性,主轴组件必须有足够的耐磨性,以便能长期保持精度.２ 主轴部件的传动方式和布置形式.（1）传动方式主轴旋转运动传动方式的选择,决定于主轴转速的高低,所传递扭矩的大小,对远转平稳性的要求及结构紧凑,装卸维修方便.这里我们选择齿轮传动,这样结构简单,紧凑和能传递较大的扭矩.（2）传动件位置的合理布置.100 株洲工学院毕业（论文）对于传动件直接装在主轴上的主轴部件,工作时主要承受传动力Q.切削力P和支承反力.合理布置传动件的轴向位置,可以改善主轴的受力情况,减少主轴的变形,改善传动件的轴承工作条件,减少轴承的受力,提高主轴部件的抗振性等.合理布置的原则①传动力Q引起的主轴弯曲变形小,且能部分抵消切削力P引起的主轴弯曲变形.②传动力Q引起的支承反力能部分抵消切削力引起的支承反力.③传动力Q引起的主轴端位移小,并且尽可能部分地抵消切削力引起的端位移,尤其在影响加工精度的敏感方向上.④结构紧凑,主轴箱尺寸小,装配维修方便.综合所上述原则,选择传动件的轴向布置形式如下图2.8:图2.8３ 主轴部件轴承的选择（1）主轴轴承的选择主轴部件上的轴承应具有旋转精度高,刚度高,承载能力强,抗振性好,极限转速高,适应变速范围大,摩擦功耗小,噪音低,寿命长的性能,同时应满足制造简单,使用维修方便,成本低,结构尺寸小等要求。滚动轴承已经标准化,并有专门工程批量生产,而且它在旋转精度高,刚度,承载能力,转速,发热等主要性能上能满足大多数主轴部件的要求,特别是它具有能在转速和载荷变动范围很大的的条件下稳定工作的的优点。这里前支承选用-------3182100型,可承受径向力,反支承选用一对推力球轴承,承受径向和轴轴向载荷,使主轴轴向定位.（2）轴承的配置大多数机床主轴采用两个支承,结构简单,制造方便,在配置轴承时,应注意以下几点:①没个支承点都要能承受径向回力②每个方向的轴向力应分别有相应的轴承承受100 株洲工学院毕业（论文）③径向力和两个方向的轴向力都应传递到箱体上,即负载都由机床支承件承受轴承配置简图2.9如下:图2.9 轴承配置简图（3）轴承的精度配合主轴轴承的精度要求比一般传动高,前轴承的误差对主轴前端的影响最大,所以前轴承的精度一般比后轴承的选择要高一级。普通精度级机床的主轴,前轴承选C或D级,后轴承选D或E级.精密或高精级机床,前轴承选B或C级,后轴承选C或D级。这里前轴承选C精度,后轴承选D级精度轴承与轴和轴承与箱体孔之间,一般都采用过渡配合,采用比一般轴要松一些.如:j5,js5,j6,js6.另外,轴承内外环都是薄壁件,轴的孔和形状误差都会反映到轴承滚道上去,如果配合精度选得过低,会降低轴承的回转精度,所以,轴承孔的精度应与轴承精度相匹配.内圆选外圆选４ 主轴支承结构设计支承中的轴承应定位可靠,精度保证性好.安装调整方便.支承中各零部件的加工和装配工艺性好,维修更换方便.1,轴承(3182118型)内圈的轴向定位双列短圆柱滚子轴承内圈相对外圈可以移动,当内圈向大端移动时,由于1:12的内锥孔.内圈将胀大消除间隙。５ 主轴端部的结构型式主轴端部的型式取决于机床的类型和安装夹具或刀具的型式.主轴端部的结构,应保证夹具顶尖或刀具可靠,定位准确,高的联结刚度以传递足够的扭矩,并尽量缩短主轴悬伸长度,以及装卸方便等.通用铣床主轴端部结构型式如下图2.10:图2.10主轴端部结构100 株洲工学院毕业（论文）7:24锥孔作定位面,供安装铣刀或铣刀心轴的尾锥,再用拉杆从主轴后端拉紧四个螺孔供安装铣刀用,两个长槽供安装端面键以传递扭矩.６ 主轴主要参数的确定主轴的主要参数是指:主轴平均直径D(主轴前轴颈直径D1);主轴内孔直径d,;主轴悬伸量a和主轴支承跨距L。这些参数直接影响主轴的工作性能.但为简化问题,主要从静刚度条件出发来确定这些参数.即选择D,d,a,L使主轴获得最大的静刚度,也就是使主轴轴端位移最小,同时兼顾其他的要求,如高速性,抗振性能等。（1）主轴轴颈直径的确定主轴轴颈直径对主轴部件刚度影响最大.加大直径,可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形所引起的轴端位移,从而提高主轴部件刚度.但加大直径受到轴承值的限制,同时造成相配零件尺寸加大,制造困难,结构庞大和重量增加等.因此在满足刚度要求下应取小值。查<<机床设计手册>>取=90mm,后轴颈平均轴颈取d=27mm.（2）主轴内孔直径d的确定主轴内孔主要用于通过棒料夹紧刀具或工件的控杆,冷却管等,大型,重型机床的空心主轴还可以减轻重量.确定孔径d的原则是在满足对空心主轴孔径的要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下尽量去大些。由材料力学知,轴刚度K与抗弯截面惯性矩I成正比,与直径之间有下列关系:由上式可知,当时,空心主轴的刚度与实心主轴的刚度相差甚小,即内孔对主轴刚度降低的影响很小,当时,刚度降低约25%.因此,为了不至于过分地削弱主轴刚度,一般应使另外,还应考虑主轴的颈外壁厚是否足够.推荐:铣床,d=拉杆直径+(5-10)mm.根据铣床XK5040的主参数,取d=29mm.则22。满足要求.（3）主轴悬伸量a的确定主轴悬伸量a是指主轴前端大炮前支承径向反力作用中点(一般为前径向支承中点)的距离,它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸(大多都有轴端标准),前支承的轴承配置和密封装置等.有的还与机床其它结构参数有关,如工作台的行程等.因此主要由结构设计确定。参考同类机床和<<金属切削设计机床>>,取100 株洲工学院毕业（论文）则悬伸量a=63mm。4,主轴跨距的确定根据<<金属切削设计机床>>,计算前支承刚度.计算综合变量=此处取弹性横量.(钢的)主轴的截面惯性距则：由主轴跨距计算线图,得:，所以.合理跨距范围为:，为提高刚度,应尽量缩短主轴外延伸长度a,选择适当的跨距,一般推荐取/a=3-5。跨距小时,轴承变形对轴端变形影响大,所以轴承刚度小时,/a取大值,轴承刚性差时,则取小值。这里取=4a=463=252(mm).７ 主轴的材料,热处理及技术要求.（1）主轴的材料及热处理.①主要为提高强度和韧性,可选用45和40,进行调质处理.或调质后局部淬硬处理.②主要为得到很高的表面硬度,增加耐磨性,可选用20渗碳后淬硬;若他要求也较高时.可选用G15调质后表淬硬处理.③精密机床主轴,要求精度保持性好,应选用热处理后残余应力小的材料,如40,65,进行调质后局部淬硬处理.由于数控立式铣床主轴支承为滚动轴承,轻,中载荷,低转速,精度要求较高,可选用40调质(T235),轴颈部分表面淬硬(G48).（2）主轴的技术要求:８ 主轴部件的密封主轴部件密封装置的作用是防止润滑剂从部件流出,和防止冷却液,湿气,灰尘,切削液及杂质侵入部件内,导致主轴,轴承和传动件等腐蚀及磨损过快,影响主轴部件的工作性能.100 株洲工学院毕业（论文）（1）对主轴部件密封装置的要求①适应转速要求,在一定的压力和温度范围内具有良好的密封性能.在密封部位引起的摩擦力尽量小,摩擦系数尽量稳定.②适应工作环境的要求,密封性好,耐腐蚀性,磨损小,工作寿命长.磨损后,在一定程度上能自动补偿.③结构尽可能紧凑,特别是主轴前支承处的密封装置,轴向尺寸应尽量小,以减小主轴前端部分悬伸量,提高主轴部件刚度.同时力求结构简单,装卸方便.（2）主轴部件密封装置类型的确定根据主轴转速,主轴轴承的润滑方式,工作温度,工作状况和轴端结构特点来选择密封装置的型式立式铣床的主轴是垂直安装的.属立式主轴,可选用曲路密封(迷宫式密封),这装置密封,垫圈和曲路相结合的密封.垫圈甩开油液使其集中于端盖中引回,曲路密封还可以防止外界杂质侵入.２.４制动器设计对制动器的要求是:制动迅速,平稳,结构简单,紧凑,维修调整方便等.制动方式有两类:电机制动和机械制动。在数控铣床上，通常根据刀具与工艺要求需进行主轴转速的变换及制动，这制动装置常用离合器来实现，而电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件。由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选择，因而它已成为自动装置中常用的元件。这里我们采用机械制动,采用电磁离合器制动。按照要求，根据电磁离合器所能传递的静扭矩和动扭矩选择各类电磁离合器的规格，型号，从而确定其尺寸。２.４.１ 按扭矩选择一般应使选用和设计的离合器的额定静扭矩和额定动扭矩满足工作要求。额定静扭矩：式中：—离合器的额定静力矩（Kgm）K——安全系数——运转时的最大负载力矩100 株洲工学院毕业（论文）对于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭矩设计，查《机械设计手册》表4-430，取K=2取y=0.99则K=Kx9550=2x9550x7.5/1450x0.99=97.8Nm额定动扭矩： 式中，———加速扭矩；———所有被离合器带动的零件折算到离合器轴上的当量飞轮矩；;———安装轴(转速为n)及轴上零件的非轮矩之和;———分别为离合器带动的其他各轴(转速为n，nn)上零件的飞轮矩之和;加速时间,中型车床取1---3s,位行用0.01—0.02s；空转扭矩。湿式多片式离合器一般为的1—2%，油量小，精度高，水平安装是取小值；通过计算，这里选用铣床专用离合器，型号为：DLMOZ-5B。２.５截面图设计截面图设计主要考虑以下四个方面的问题:1,个轴的位置安排:包括主轴,I轴和中间各传动轴的合理安排和确定;100 株洲工学院毕业（论文）2,箱体结构和外形:变整箱体结构,与床身的连接方式,外观造型等;3,操纵机构的设计和选择;4,润滑系统的设计和润滑元件的选择.２.５.１轴的空间布置轴系布置一般程序是:先确定主轴在变速箱体中的位置,再确定传动主轴的轴及与主轴轴齿轮有啮合关系的轴.第三部确定电动机轴或运动输入轴(I轴)的位置.最后确定其他各传动轴的位置.1 主轴和传动主轴的轴立式铣床的主轴是垂直布置的,XKSV40的主轴可上下移动，装在套筒内，传动主轴的轴与主轴之间用一对1：1的齿轮出动，该轴也是垂直分布的。2 轴入轴的装置（1）I轴上装有电磁离合器制动，该部件的位置安排应便于调整；（2）电磁离合器，需要考虑便于冷却和润滑，离主轴部件部件要远一些，以减少摩擦发热对主轴热变形的影响。（3）综上所述，铣床I轴一般安排在变速箱后避处；3 中间各传动轴主轴和各传动轴位置确定后，中间各传动轴位置即可按转动顺序进行安排，应考虑满足以下要求：（1）装有离合器的轴：要便于装调、维修和润滑（2）装有制动器装置的轴：要便于装调、维修，该轴应布置在靠近箱盖或箱壁处，同时考虑与起、停装置的互锁。（3）装有润滑油泵的轴：要有足够的空间安装润滑油泵，其高度要便于油泵吸油和排油，并便于装卸和调整油泵，装有溅油轮或溅油齿轮的轴应注意圆周速度和侵入油面的深度。（4）其他：使箱体截面尺寸紧凑，比例协调，各操纵机构安排得当等等２.５.２ 操纵机构操纵机构是用来移动滑齿轮以达到变换运动速度的要求，它可以控制运动的启停、换向和其他辅助运动，它的选择和设计对机床的结构和性能的发挥有着直接影响。这里我们采用孔盘变速操纵机构.２.５.３ 润滑主轴变速箱常用的润滑方式有飞润滑和压力循环润滑，飞润滑适用于润滑点比较集中，要求不很高的变速箱，这里我们采用压力循环润滑，压力循环润滑分箱内循环润滑和箱外循环润滑，前者结构简单，布置紧凑，后者冷却润滑效果好。100 株洲工学院毕业（论文）1 压力循环润滑系统的计算（1）润滑油量 油量油量粗算：式中：额定功率机床效率也可用如下公式计算各润滑部位的需油量；式中：允许循环油温升，通常为45---50（2）油池容量：（升）（升）油池容积应超过V的30%，即为：7.254------16.93（升）（3）油管的选择与计算油管的内径计算： 式中：-----流量（l/min）------管内油的流速取主轴管内油的流速为支油管：=1l/min,外径x壁厚为：4x0.5；回油管：，外径x壁厚为：12x1。2 柱塞泵的油量计算、结构和规格尺寸供油量l/min式中：d-------柱塞直径n-------柱塞每分钟往复次数，次/分以300---700次/分为宜，400---520次/分为佳。 s--------柱塞行程。-----效率，=0.75—0.9。100 株洲工学院毕业（论文）２.５.４箱体设计的确有关问题１ 箱体材料以中等强度的灰铸铁HT15-33和HT20-40用得最广泛。需时效处理。２ 砂型铸造时，箱体铸件的最小壁厚：尺寸（长x宽x高）mm壁厚mm大于800x800x500约253 箱体壁孔对刚度的影响和补偿箱体轴承孔面积点总侧壁面积30%左右时候，与未开孔的箱体比较，扭转刚度下降20-30%，弯曲刚度下降更大，为弥补因开孔而削弱的刚度，常用凸缘和加工筋。加强筋：厚度为：0.7b，筋高：（4~5）b。100 株洲工学院毕业（论文）３进给系统设计３.１总体方案设计３.１.１对进给伺服系统的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统，进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号响应要快；系统的稳定性要好。３.１.２进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出了很高的要求，其中在静态设计方面：（1）能够克服摩擦力和负载，当加工中最大切削力为20000N——30000N时，电机轴上的转矩需要10N.m——40N.m；（2）很小的进给移动量。目前最小分辨率为；（3）高的静态扭转刚度；（4）足够的调速范围；（5）进给速度均匀，在速度很低是无爬行现象。在动态设计方面有：（1）具有足够的加速和制动装矩，以便快速的完成启动和制动；（2）具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量；（3）负载引起的轨迹误差尽可能小。对数控机床机械传动部件则有以下要求：（1）被加速的运动部件具有较高的惯量；（2）高的刚度和良好的阻尼；（3）传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可能小的非线性。３.１.３总体方案 进给伺服系统总体方框图如下图３.１所示。100 株洲工学院毕业（论文）图3.1进给伺服系统总体方框图３.２进给伺服系统机械部分设计进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量，计算切削力，滚珠丝杆螺母副的设计、计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的计算和选型等。３.２.１确定脉冲当量，计算切削力１ 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个重要参数，因此。脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用脉冲当量为0.01mm/脉冲——0.005mm/脉冲。在XK5040的主要技术参数中要求横向、纵向脉冲当量为0.01mm。２ 切削力计算在进行进给系统的传动计算,选用步进电机时,都要用到切削力(机床的主要负载).（1）铣削抗刀分析100 株洲工学院毕业（论文）铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端面铣刀为基本形线。圆柱铣和端面铣刀的切削部分都可看做车刀刀头的演变，铣刀的每一个齿相当于一把车刀，它的切削基本规律与车削相似。通常假定铣削时，铣刀的铣削抗力作用在刀齿上，如下图2-6所示：设刀齿上受到的铣削抗力的合力为F，将F沿铣刀轴线径向和切向进给分解，则分别为轴向铣削力和径向铣削力。切向铣削力是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗的铣床主电机功率最多。因此，切向铣削力可以按切削功率（kw）或主电机功率（kw）计算，也可以按切削用量进行计算。式中：V—————主轴传递全部功率时的最低切削速度，m/s；————机床主传动系统的效率。这里按切削用量进行计算。式中：————铣削接触深度，（mm）;————每齿进给量，（mm/齿）；————铣刀直径，（mm）；————铣削深度，（mm）；Z——铣刀齿数。图3.2铣削力及工作台上的载荷取=2mm，=8mm，=0.1mm/齿，=8mm，Z=4。则，100 株洲工学院毕业（论文）（2）进给工作台工作载荷的计算作用在进给工作台上的合力´与铣刀刀齿的铣削抗力的余力F大小相同方向相反，如图2-6所示，合力´就是设计和校核工作台进给系统的时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台的纵向进给方向载荷，工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷。工作台工作载荷、和与铣刀的切向铣削力之间有一定的经验笔直比值（可查《机电综合指导》表2-1），因此，求出后，即可计算出工作台工作载荷、和。即：则：=492.42N,=328.28N,=164.14N.３.２.２滚珠丝杆螺母副的计算和造型1 纵向进给丝杆（1）计算进给牵引力（N）纵向进给为燕尾形导轨。式中：————分别为工作台纵向进给方向载荷，垂直载荷和横向载荷；——————考虑颠复力矩影响的实验系数；G——————移动部件的重量；——————导轨道上摩擦系数。这里取：=1.4,=0.2.而100 株洲工学院毕业（论文）=1799.134(N)(2)计算最大动载荷C式中L————寿命，以为一单位，n————丝杆转速（r/min），————为最大切削力条件下的进给速度（m/min），可取最高进给速度的1/2—1/3，————丝杆导程（mm），T————为使用寿命（h），对于数控机床取15000h，————运转系数，一般运转取1.2—1.5，初选（3）滚珠丝杆螺母副的选型查表，可采用NL4006内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副。1圈2列，其额定负载为16000N，精度等级为3级（大致相当于老标准E级）。（4）传动效率计算式中：————螺旋升角，NL4006,————摩擦角取滚动摩擦系数0.002—0.004,100 株洲工学院毕业（论文）(5)刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如下图所示：图3.3 纵向进给丝杠计算草图最大牵引力为1799.134N，支承间距L=1325mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载荷的1/3。a,丝杠的拉伸或压缩变形式中：————为工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量（mm）；————为丝杠工作载荷（N）；————为滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm）；————弹性模量，对刚，；————为滚珠丝杠按内径确定的横向截面积（）；“+”号用于拉伸，“-”用于压缩。由于两端采用向心推力球轴承，且丝杠有进行了预紧，故其拉压刚度提高了3到4倍，故实际变形量b,滚珠与螺纹滚道间接触变形量该变形量与滚珠列，圈有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠的长度无关。可用下式计算：有预紧时，100 株洲工学院毕业（论文）式中：————轴向工作负载（N）；————预紧力（N）；————滚珠直径（mm），NL4006，————滚珠数量；————每一圈的滚珠数；————滚珠丝杠的公柱直径。c,支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形，一般占的比重比较大，不同类型的轴承的接触变形量可用不同的公式计算。采用推力球轴承8106滚动体直径滚珠数目因施加预紧力，故显然此变形量小于定位精度，故刚度足够。（6）稳定性校核100 株洲工学院毕业（论文）计算临界负载式中：————材料弹性横量（），刚为————截面惯性距（），对于丝杠为L————丝杠两支承端距离（cm）； ————丝杠支承变形系数，一端固定一端自由取＝０.２５滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需作稳定性校核。2 横向进给丝杠 （１）.计算进给牵引力横向导轨为矩形导轨，计算公式如下： ＝这里 而移动部件的重力G除工作台重量外还有横向溜板的重量，这里去横向溜板的重量为800N，则。对于矩形导轨，k=1.1,f=0.15因此， ＝ ＝1157.483N（２）、计算最大动载荷C(初选) 100 株洲工学院毕业（论文）这里取＝１.５，则（３）、滚珠丝杠螺母副的选型 从附录表中查取，可选用NL3006内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠，１圈２列，其额定动载荷为12100N，精度等级为３级。（４）、传动效率计算对于NL3006型，（５）、刚度验算 横向进给丝杠最大牵引力为1231.346N,支承间距L=600mm，因丝杠长度较短。不许预紧，用螺母及轴承预紧。计算如下：a、丝杠的拉伸或压缩变形量mmb、滚珠与螺纹滚道间接触变形量（mm） 查N系列１圈２列丝杠螺母副滚珠和螺纹滚道的接触变形量，但由于进行了预紧，c、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形（mm）采用圆锥滚子轴承7206，100 株洲工学院毕业（论文） ＝考虑到进行了预紧，故 综合以上几项变形量之和： 显然此变形量小于定位精度要求。（６）、稳定性较核计算临界负载式中：————材料弹性横量（），刚为————截面惯性距（），对于丝杠为 L————丝杠两支承端距离（cm）；————丝杠支承变形系数，一端固定一端自由取＝０.２５。 一般此丝杠不会产生失稳。3 垂直进给丝杠 （１） 计算进给牵引力 垂直导轨为矩形导轨，计算如下： 100 株洲工学院毕业（论文） 这里： 而移动部件的重量除工作台、横向溜板外，还有升降台重量，取1000N，则 对于矩形导轨：因此， ＝ ＝1465.792N（２） 计算最大动载荷C（初选） 这里取＝１.５，则 （３） 滚珠丝杠螺母副选型 查表，可选用型外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠副，２.５圈１列，额定动载荷为34000N，精度等级为３级。（４） 传动效率计算 对型，因此，（５）、刚度验算 垂直进给丝杠最大牵引力为1488.037N.滚珠丝杠受工作载荷引起的导程100 株洲工学院毕业（论文）的变化量为： 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略，所以导程总误差为： 显然此变形量小于定位精度，故刚度足够。4纵、横向及垂直方向滚珠丝杠副的参数表见下表3.1表3.1NL4006、W1L6012及NL3006滚珠丝杠几何参数参数名称符号关系式NL4006W1L6012NL3006螺纹滚道公称直径do406030导程L061２6接触角β2º44´3º39´3º39´钢珠直径dq3.9697.1443.969滚道面半径RR=0.52dq2.0643.7152.064偏心距ee=(R-dq/2)sinβ0.0560.1010.056螺纹升角r2º44´3º39´3º39´螺杆外径dd=do-(0.2～0.25)dq3958.529内径d1d1=do+2e-2r406030接触直径dZdZ =do-dqcosβ36.03652.86926.036螺母螺纹直径DD=do-2e+2R44.01667.2334.016内径D1D1=do+(0.2～0.25)dq40.91361.64330.913３.２.３齿轮传动比计算为满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统负载惯量尽可能小，传动链中采用齿轮传动。已知脉冲当量（mm/脉冲），滚珠丝杠导程（mm），并初选步进电机步距角100 株洲工学院毕业（论文）后，可以根据下式计算齿轮传动比： 式中：————脉冲当量（mm/step）; ————滚珠丝杠的基本导程（mm）； ————步进电机的步距角计算出传动比后，再根据降速级数决定采用一对或两对齿轮传动，再决定各对齿轮的齿数、模数、和各项技术参数，因为进给伺服系统传递功率不大，一般取模数,数控车床、铣床取，所以这里我们取。１ 纵向及横向进给齿轮传动比计算已确定纵向及横向进给脉冲当量＝0.01mm,滚珠丝杠导程=6mm,初选步金电机的步距角＝0.75°。可以计算出传动比为： 可以选定齿轮齿数为：这里纵向取齿数为：，横向取齿数为：。２ 垂直进给齿轮传动比计算由于XK5040垂直方向的进给运动是有步进电机驱动，经圆锥齿轮带动滚珠丝杠传动。这里我们取脉冲当量=0.01mm,=12mm,初选步进电机步距角＝0.75°，则： 可以选定齿轮齿数为这里我们确定齿数为：。垂直方向齿轮模数我们取m＝3。３.２.４ 步进电机的计算和选型１ 纵向进给步进电机（1）初选步进电机100 株洲工学院毕业（论文）a、计算步进电机的负载转矩（）试中：————脉冲当量（mm/step）；————进给牵引力（N）；————步距角，初选双拍制为0.75°；————电机——丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为0.98，0.99，0.99和0.94。b、估算步进电机的起动转矩c、计算最大静转矩查表取五相十拍，则d、计算步进电机运行频率和最高起动频率试中：————最大切削进给速度（m/min）;这里为1.5m/min；————最大快移速度（m/min），这里为2.4m/min；————脉冲当量，取0.01mm/step。e、初选步进电机型号根据估算出的最大静转距查得110BF004最大静转距为784>100 株洲工学院毕业（论文），可以满足要求，考虑到此经济型数控铣床有可能使用较大的切削用量，应选稍大转距的步进电机，以便留有一定的余量，另一方面，与国内同类型机床类比，决定采用130BF001步进电机，查得130BF001步进电机最高空载起动频率和运行频率满足要求。（２）较核步进电机转距a、等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴撒谎能够的总的转动惯量（）可以按下试计算：⑴试中：——步进电机转子转动惯量（）；——丝杠导程（mm）；——工作台及工件等移动部件的重量（N）；，——齿轮的转动惯量（）；——滚珠丝杠转动惯量（）。参考同类机床，初选反应式步进电机130BF001，其转子转动惯量为：=4.65对于轴、轴承、齿轮、联轴节、丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式为：（）对于钢材，材料密度为代入上式，有：式中：——圆柱体质量（kg）；——圆柱体直径（cm）；——圆柱体长度（cm）；因此：=100 株洲工学院毕业（论文）=]=代入式⑴考虑步进电机与传动系统惯性匹配问题： ／基本满足惯性匹配的要求。b、电机转距计算 机床在不同的工作情况下，其所需要的转矩不同，下面分别按各阶段计算。１）、快速空载起动转距M 在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算公式如下： 式中： ——快速空载起动转矩； ——空载起动时折算到电机轴上的加速转矩； ——折算到电机轴上的摩擦转矩； ——由于丝杠预紧时折算到电机轴上附加摩擦转矩。摩擦转矩100 株洲工学院毕业（论文）式中： ——导轨摩擦力（N）； ——垂直方向的切削力（N）； ——运动部件的总重量（N）； ——导轨摩擦系数 ，取； ——齿轮降速比； ——传动链总效率，一般取。 空载起动时折算到电机轴上的加速转矩：式中： ——折算到电机轴上的总等效转动惯量，（）； ——电机最大角加速度，（）； ——电机最大转速，（）； ——运动部件最大快进速度，（）； ——脉冲当量，（mm/step）； ——步进电机步距角，（°）； ——运动部件从停止起动到加速到最大快进速度所需要的时间，（s）；100 株洲工学院毕业（论文）起动加速时间＝30s。附加摩擦转矩 式中： ——滚珠丝杠预加负载，一般取，为进给牵引力（N）； ——滚珠丝杠导程（cm）； ——滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取。 上面三项合计为： ２）、快速移动时所需的转矩 ］３）、最大切削负载时所需转矩 100 株洲工学院毕业（论文）式中： ——折算到电机轴上的切削负载转矩； ，与前同。折算到电机轴上的切削负载转矩： 式中： ——进给方向的最大切削力（N）； 其余符号同上。 从上面的计算可以看出，，和三种工作情况下，以快速空载起动转矩最大，即以此项作为较核步进电机转矩的依据。查表知，当步进电机为五相十拍时，， 则最大静转矩为： 而130BF001型步进电机最大转矩为931,大于所需要的最大静转矩，可以满足此项要求。c、较核步进电机的起动频率特性和运行矩频特性前面已经计算出此机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为，切削进给时所需的电机运行频率为。 从步进电机的技术数据中知，130BF001型步进电机允许的最高起动频率为3000Hz，运行频率为1600Hz，在从130BF001型步进电机的起动矩频特性和运行曲线（如图所示）看出，当步进电机起动时，时，，远远不能满足此机床所需要的空载动力矩（），直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到时，起动转矩可增高到，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可以将步进电机的输出转矩再扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求，如下图３.４所示。100 株洲工学院毕业（论文） 图３.４ 130BF001型步进电机矩频特性2横向步进电机的选型 横向及垂直方向步进电机的计算与较核方法和过程与纵向进给步进电机相同，此处略。经计算和类比，决定横向采用130BF001型，3垂直方向进给把进待年纪的选型（１）初选步进电机的型号a、计算步进电机的负载转矩b、估算步进电机的起动转矩c、计算最大静转矩d、计算步进电机的运行频率和最高起动频率100 株洲工学院毕业（论文）e、初选步进电机的型号根据估算出的最大静转距查得130BF001最大静转距为931>，可以满足要求，考虑到此经济型数控铣床有可能使用较大的切削用量，应选稍大转距的步进电机，以便留有一定的余量，另一方面，与国内同类型机床类比，决定采用150BF003步进电机，查得150BF003步进电机最高空载起动频率2600Hz,不能满足的要求，此项指标可以暂时不，可以用软件升降速程序来解决。（２）较核步进电机的转矩a、等效转动惯量的计算计算简图见图（）`、传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量（）可由下试计算：考同类机床，初选反应式步进电机150BF003，其转子转动惯量=10则：=b、电机转矩计算机床在不同的工况下，其所需要的转矩不同，下面分别计算。1）、快速空载起动转矩而100 株洲工学院毕业（论文）上述三项合计为：2）、快速移动时所需的转矩3）、最大切削负载时所需转矩从上面的计算可以看出，，和三种工作情况下，以快速空载起动转矩最大，即以此项作为较核步进电机转矩的依据。查表知，当步进电机为五相十拍时，， 则最大静转矩为： 而150BF003型步进电机最大转矩为15.68,大于所需要的最大静转矩，可以满足此项要求。c、较核步进电机的起动频率特性和运行矩频特性前面已经计算出此机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为，切削进给时所需的电机运行频率为。 从步进电机的技术数据中知，150BF003型步进电机允许的最高起动频率为2600Hz，运行频率为8000Hz，在从150BF003型步进电机的起动矩频特性和运行曲线（如图所示）看出，当步进电机起动时，时，100 株洲工学院毕业（论文），远远不能满足此机床所需要的空载动力矩（），直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到时，起动转矩可增高到，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可以将步进电机的输出转矩再扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，150BF003型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求，如下图３.５所示。 图３.５ 130BF00３型步进电机矩频特性３.２.５ 进给伺服系统机械部分结构设计 进给伺服系统即进给驱动装置，驱动装置是指步进电机的旋转运动边为工作台直线运动的整个传动链，，主要包括减速装置、丝杠螺母副及导向元件等。 数控铣床对进给系统的要求主要有：传动传动精度、系统的稳定性和动态响应特性（灵敏度等）。传动精度包括动态误差、稳态误差和静态误差，即伺服系统的输入量与驱动装置的实际位移量的精确程度。系统的稳定性是指系统在启动状态下或受外界干扰作用下，经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在爱新的或呀的平衡状态的能力。动态响应是系统响应时间及驱动装置的加速能力。为确保数控铣床进给伺服系统的传动精度，系统的稳定性和动态响应性，对驱动装置机械结构的要求是要消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高部件精度和刚度。1进给伺服系统传动齿轮间隙的消除100 株洲工学院毕业（论文）数控铣床在加工过程中，经常变动移动方向。当铣床进给方向改变时，由于齿侧存在间隙会造成指令脉冲丢失，并产生反向死区从而影响加工精度，因此，不许采取措施消除齿轮传动中的间隙。（１）、纵向及横向进给系统传动齿轮间隙的消除 纵向、横向传动齿轮间隙的消除采用双片斜齿轮消除间隙机构，（如下图３.６），厚齿轮４同时与两个相同齿数的薄齿轮啮合，薄齿轮有平键与轴联接，互相不能相对转动。两个薄齿轮的齿形拼装在一起加工，并与键槽保持确定的位置。调整螺母１，即可以靠弹簧２自动消除间隙图３.６ 双片斜齿轮消除间隙机构（２）、垂直进给系统传动齿轮间隙的消除 由于垂直进给系统采用圆锥齿轮传动，因此可采用周向弹簧调整法（如图３.７）。将大圆锥齿轮加工成１和２两部分，齿轮的外圈１上带有三个周向圆弧槽，齿轮的内圈２的端面带有三个凸爪６套装在圆弧槽内，弹簧４的两端分别顶在凸爪６和襄块３上，使内、外圈锥齿错位，起到消除间隙的作用。为了安装方便，用螺钉５将内、外圈相对固定，安装完毕后将螺钉卸去。100 株洲工学院毕业（论文）图３.７ 压力弹簧消除间隙机构2升降台自动平衡装置工作原理及调整升降台自动平衡装置的结构如下图３.８所示，有摩擦离合器和单向超越离合器构成，其工作原理是：当圆锥齿轮转动时，通过锥销带动单向超越离合器的星轮2。工作台上升时，星轮的转向是使滚子3和超越离合器的外壳4脱开的方向，外壳不转，摩擦片不起作用。当工作台下降时，星轮的转向使滚子3楔在星轮和超越离合器的外壳4之间，外壳4随着圆锥齿轮1一起转动。经花键与外壳连在一起的内摩擦片与固定的外摩擦片之间产生相对运动，由于内外摩擦片之间由弹簧压紧，有一定的摩擦阻力，所以起到阻尼的作用，上升拥护下降的力量得以平衡。100 株洲工学院毕业（论文）图３.８阻尼力量大小即摩擦离合器的松紧，可由螺母5调整，调整前应先送开螺母5获得锁紧螺钉6。当垂直下降时必须克服这个额外叫是行的摩擦扭矩。100 株洲工学院毕业（论文）４控制系统设计4.1绘制控制系统结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求，XK5040立式铣床控制系统选用MCS-51系列单片机组成，纵向、横向及垂直方向均采用步进电机控制，三个坐标均采用硬件环形分配器，控制系统的功能包括１、X向、Y向、Z给伺服运动；２、键盘显示；３、面板管理４、行程控制５、其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示硬件电路主要由以下几部分组成：１、主控制器，即中央处理单元（CPU）;２、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；３、存储器，包括RAM和ROM；４、接口，即I/O输入输出接口电路；５、外部设备，如键盘，显示器及光电输入等。控制系统结构框图如图4.1所示图4.1控制系统框图4.2.选择中央处理单元（CPU）的类型 在微机控制系统中CPU的选择主要考虑以下因素：(1)、时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度；100 株洲工学院毕业（论文）(2)、可扩展存储器的容量；(3)、指令系统功能，影响编程的灵活性；(4)、I/O口扩展能力，即对外部设备控制的能力；(5)、开发手段，包括支持开发的软件和硬件；此外，还应考虑到系统的应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。综合考虑以上因素，这里我们选用8031芯片作为CPU4.3存储器扩展电路设计由于8031芯片内部无程序存储器，需要扩展外部程序存储器支持，同时8031内部只有128B的数据存储器供用户使用，也不能满足控制系统的要求，故需要扩展程序存储器和数据存储器。４.３.１程序存储器的扩展8031的程序存储器的寻址空间为64Ｋ字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。根据控制系的要求，这里，我们扩展2片2764程序存储器。１ 地址锁存器由于8031芯片的口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是742S373，742S373是带三态缓冲输出的8D触发器，其引脚与8031芯片的连接见控制系统硬件电路图.２ 译码电路设计 由于这里扩展的容量较大，扩展多个外围芯片。因此，这里使用译码法来进行编址。译码电路可使用现有的译码芯片，这里我们选用3-8译码器（74LS138）这种芯片，输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。3 8031与2764芯片的连接(1) 地址线的连接8031芯片的和用来传送地址和数据。口传送高8位地址，口传送低8位地址和数据，因此采用74LS373锁存器，锁存低8位地址，以实现口地址和数据的分时传送ALE作为74LS373的选用信号，当ALE为高电平时，锁存器的输入和输出透明，此时不需锁存。当ALE从高电平变为低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不再随输入变化，这样口就用来传送数据，6031芯片的口和74LS373的送出口工组成16位地址线，2764是8KB需要13根地址线，低8位接74LS373的芯片的输出，100 株洲工学院毕业（论文）接8031芯片的。系统采用全地址译码，两片2764芯片的片选信号分别接74LS373译码器的和，系统复位后程序从0000H开始执行。（2）数据线的连接2764芯片的8位数据线与8031口直接连接单片机规定指令码与数据都是由口读入，数位对应即可。（３）控制线的连接 8031芯片的（外部程序存储器的读选通信号）与2764芯片的端相连，8031芯片的ALE（地址锁存允许信号）接地址锁存器74LS373的G引脚。４.３.２ 数据存储器的扩展 由于8031芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，这里我们选用6264(8Kx8)，扩展２片6264，8031与6264的连接方式与6031和2764的连接大致相同，不同的是，RAM读输信号与8031芯片的引脚连接，RAM写输信号与8031的相连。由于程序存储器与数据存储器独立编址，地址可以重复使用，因此，２片6264的片选信号也分别接74LS373译码器的和４.４ I/O接口电路及辅助电路设计４.４.１ I/O接口电路设计 8031单片机共有四个８位并行 I/O，但可供用户使用的只有口和部分口，不能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这里根据系统功能及需要,扩展一片8155和一片8255可编程接 I/O口芯片.8155的片选信号接74LS138的端,8255芯片的片选信号接74LS138的。74LS138三——八译码器有三个输入A、B、C分别接8031，输出８个输出，低电平有效。对应输入A、B、C的000到111的８种组合，其中对应位000，对应位111。74LS138还有三个使能端，其中两个（和）为低电平使能，另一个为高电平使能。只有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。 I/O接口芯片与外部设备的连接是这样安排的，8155芯片的作为显示器段选信号输出，是显示器的为选信号输出，是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031的因为使用8155的I/O，故为高电平。8255芯片接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，100 株洲工学院毕业（论文）为三个方向的点动及回零输入，为面板上的选择开关键输入，设有编辑、单步运行、自动、手动Ⅰ、手动Ⅱ等方式。系统个芯片都采用全地址译吗，个存储器及I/O接口芯片的地址编码如下表4.1所示。表４.１ XK5040铣床控制系统芯片地址分配芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元地址编码2764（1）000×××××××××××××8KB0000H～1FFFH2764（2）001×××××××××××××8KB2000H～3FFFH6264(1)000×××××××××××××8KB0000H～1FFFH6264(2)001×××××××××××××8KB2000H～3FFFH8155RAM01011110××××××××256B5E00H～5EFFHI/O010111111111××××6B5FF8H～5FFFH82550111111111111×××4B7FFCH～7FFFHX向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器采用YB015，３－２相通五相十拍方式工作，故，引脚接+5V，三个芯片的选同输出控制分别接8255的、、，清零接8255的，正反转控制端接8255的、、，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以解决脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片定时／记数器中设置不同的时钟常数。４.４.２ 步进电机接口及驱动电路通常在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制，步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲转变成相应的角位移的电机，其角位移两与电脉冲成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机转速。100 株洲工学院毕业（论文）驱动步进电机的脉冲需要按所需的顺序供给电机个相。脉冲分配器就是实现步进电机个相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定的功率，需要有足够的功率提供给步进电机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微机接口芯片，工作电压一般为5V，而作为电机电源的许符合步进电机要求的额定值，为避免干扰，在它们之间采用光电隔离电路．１脉冲分配器（环形分配器） 这里X向、Y向和Z向三个方向均采用YB015环形分配器。２光电隔离电路在步进待年纪驱动电路中，一般在接口电路与功率放大器之间家上光电隔离电路，实现电气隔离，通常使用光电偶合器作为光电隔离电路。2功率放大器环型分配器的输出脉冲很小，还远不能满足步进电机的要求，不许将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，这里采用的功率放大电路如下图４.２所示图４.２ 功率放大电路４.２.３ 其他辅助电路１ 8031的时钟电路单片机的时钟可由内部方式产生，内部方式利用芯片内部的振荡电路，在，引脚上外接定时元件。如下图４.３所示100 株洲工学院毕业（论文）图４.３ 80312的时钟电路２ 复位电路 单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引脚上出现10ms以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000Ｈ单元开始执行程序，其电路图如图４.４所示图４.４ 复位电路３ 越界报警电路为防止工作台真越界，可分别在极限位置安装限位开关，此控制系统中有越界报警和急停处理电路，方向的越界和急停信号经或门8031的中断源同时又接到8031的口，采用硬件申请中断和软件查询的方法，这样无论哪个方向越界都会引起中断，在中断服务中通过软件查询的办法，便可确定是哪个方向越界，当等方向越界，则相应的红灯亮报警．其电路图如图４.５所示。100 株洲工学院毕业（论文）图４.５ 越界报警电路100 株洲工学院毕业（论文）参考文献[1]李福生主编，数控机床技术手册［M］.北京：出版社，1996.1[2]曹金榜易锡麟，机床主轴变速箱设计指导［M］.北京：机械工业出版社，1987.5[3]王爱玲、白恩远、赵学良、赵建国主编，现代数控机床［M］.北京：国防工业出版社，2003.4[4]《机床设计手册》编辑组编，机床设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1986.12[5]《机械设计手册》联合编写组编，机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，1987.12[6]周明衡主编，离合器、制动器选用手册［M］.北京：化学工业出版社，2005.5[7]华东纺织工学院 哈尔滨工业大学 天津大学 主编，机床设计图册［M］.上海：上海科学技术出版社，1981.5 [8]李广弟朱月绣王绣山主编，单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.10[9]黄鹤汀主编，金属切削机床设计[M].北京：机械工业出版社，1999.12[10]赵大兴李天宝主编，现代工程图学[M].武汉：武汉科学技术出版社，2002.8[11]顾维邦主编，金属切削机床概论[M].北京：机械的工业出版社，1999.7[12]张维纪编著，金属切削原理及刀具[M].杭州：浙江大学出版社，2003.7[13]甘永立主编，几何量公差与检测[M].上海：上海科学技术出版社，2001.4[14]张建钢胡大泽主编，数控技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2000.8[15]朱张校主编，工程材料[M].北京：清华大学出版社，2003.6[16]濮良贵陈庚梅主编，机械设计教程[M].西安：西北工业大学出版社，2003.2100 株洲工学院毕业（论文）致谢我本次毕业设计是XK5040数控立式铣床及控制系统设计，通过自己的学习和颜颜竟成教授的耐心指导，如期完成了本次毕业设计。在设计过程中我感觉设计是一个不断发现问题并解决问题的过程，在设计过程中通过不断完善所学的知识使设计更加完善，但同时由于本身所学知识有限,本次设计还存在很多不足之处有待改进。请各位老师批评指正.在设计的过程中我深刻地体会到自己的所学实在有限，以后我会更加努力学习，做一个合格的工程技术人员。本次设计是在尊敬的颜竞成教授的精心指导和悉心关怀下完成的。他以其渊博的知识、严谨的治学态度、开拓进取精神和高度的责任心,给我的学习、生活以及以后的工作态度产生了很大的影响,使我受益终生。在此谨向恩师致以最诚挚的敬意和深深的感谢。由于时间有限和本人的水平关系，本论文存存在着许多问题和不足，希望老师批评指正，特此致以诚挚的谢意。100 株洲工学院毕业（论文）附录XK5040数控立式铣床及控制系统设计摘要：本文根据立式铣床工作要求及加工特点，对XK5040数控立式铣床的机械结构和控制系统硬件作简要的设计，使其能满足高效、经济等要求。数控机床是一种高技术设备,它可以通过改变数控程序,适应不同零件的自动加工,而且可以采用较大的切削用量,利用软件进行精度校正和补偿,从而提高生产效率、加工精度和加工质量,可以实现工序集中、一机多用,能完成复杂型面的加工。数控机床是现代制造业的关键设备,一个国家的数控机床的产量和技术水平在某种程度上反映了这个国家的制造业水平和竞争力。因此数控机床是将来机床研制的重点。本文针对经济型数控立式铣床及其控制系统的设计作简要的讨论。数控铣床是机械和电子技术相结合的产物，，它的机械结构随着电子控制技术的在铣床上的饿应用，以及铣床性能提出的新要求，而逐步变化。与不同铣床相比数控铣床用三个数控伺服系统替代了传统的机械进给系统，其外形和结构与普通铣床类似。数控铣床的设计主要是进行主运动系统与进给系统的机械结构设计和控制系统设计。下面分别作简单介绍。一、总体方案设计本文主要是针对经济型数控立式铣床进行设计，为了锻炼自己的机床设计的能力，这里主运动系统采用常规机床设计的方法，即采用齿轮变速系统来实现主轴的变速。进给系统采用步进电机开环控制，经过齿轮传动带动滚珠丝杠传动，通过滚珠丝杠螺母副时间进给运动。控制系统采用MCS-51系列单片机为中央处理器的计算控制系统。二、主运动系统设计由于这里采用齿轮变速系统来实现主轴的变速，选定公比，确定各级传送机床常用的公比为1.26或1.41，考虑适当减少相对速度损失，这里取公比为100 株洲工学院毕业（论文）=1.26，根据给出的条件：主运动部分Z=18级，根据标准数列表，确定各级转速为：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）。根据“前多后少”、“前密后疏”的原则确定其结构式为18=xx，1、传动比的分配由于齿轮传动比的限制，机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：a,升速传动中，最大传动比2，过大，容易引起振动的噪音。b,降速传动中，最小传动比1/4。过小，则主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大将导致结构庞大。分配最小传动比a,决定轴V-VI和VI-的传动比，根据台式铣床的结构特点，及对同类车床的比较，为使传动平稳取其传动比为1，b,决定各变速组的传动比；由前面2轴的转速及中间轴转速的分析，及齿轮传动比的现在，根据“前缓后急”的原则，取轴IV-V的最小降速比为极限值的1/4，=1.26，=4，轴III-IV和轴II-III均取=1/2、主运动系统的机械结构设计这里采用齿轮变速系统,这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位拨叉实现。着与普通机床的设计一样。数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接影响。由于加工过程中不对数控机床进行人工调整，因此这些影响就更为严重。机床主轴采用双列和单列圆锥滚子轴承，这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。在主轴的机构上，要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。为了尽可能减少主轴部件温升热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些数控镗、铣床上采用专用的制冷装置，比较理想的实现了温度控制。近年来，某些数控机床的主轴轴承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用7年至10年。为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫密封方式。三、进给系统设计100 株洲工学院毕业（论文）通常，一个典型的数控机床进给系统，由位置比较，放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮装置、丝杠螺母副等中间传动机构。齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。 为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。这里进给系统采用步进电机开环控制，由滚珠丝杠螺母副来实现，纵向和横向进给采用130BF001型步进电机驱动，经圆柱齿轮传动带动滚珠丝杠传动，通过丝杠螺母机构来实现；垂直方向进给运动由150BF003型步进电机驱动，经圆锥齿轮带动滚珠丝杠传动。纵向和横向齿轮可采用斜齿轮弹簧调整法来消除齿轮间隙；垂直方向的齿轮间隙可采用圆锥齿轮周向弹簧调整法来消除。为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1°，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。 滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。我们根据载荷选用即可。四、控制系统硬件设计根据经济性和机械结构的控制要求，XK5040立式铣床控制系统选用MCS-51系列单片机组成，纵向、横向及垂直方向均采用步进电机控制，三个坐标均采用硬件环形分配器，控制系统的功能包括X向、Y向、Z给伺服运动；键盘显示；面板管理；行程控制和其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示等。这里我们选用8031芯片作为CPU。由于8031芯片内部无程序存储器，需要扩展外部程序存储器支持，同时8031内部只有128B的数据存储器供用户使用，也不能满足控制系统的要求，故需要扩展程序存储器2764和数据存储器6264各两片。8031单片机共有四个８位并行 I/O，但可供用户使用的只有口和部分口，不能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这里根据系统功能及需要,扩展一片8155和一片8255可编程接 I/O口芯片。另外还需设计一些辅助电路如越界报警和急停处理电路、复位电路、光电隔离电路、脉冲分配器（环形分配器）等。100 株洲工学院毕业（论文）整个设计过程中，都是根据数控立式铣床的实际情况，以高效、经济为目的，使我们设计的铣床应用于实际，具有实际利用价值。TheopensystemmeritofComputerNumericalControlTheopensystemmeritisthesystemsimple,thecostlow,buttheshortcomingistheprecisionislow.Thereversegap,theguidescrewpitcherror,stopinferiorlycanaffectthepointingaccuracybymistake.Followingseveralkindofimprovementsmeasuremaycausethepointingaccuracydistinctimprovement.1.reversegaperrorcompensatesThenumericalcontrolenginebedprocessingcuttingtoolandtheworkpiecerelativemotionisdependsuponthedriveimpetusgear,theguidescrewrotation,thustheimpetusworkfloorandsoonmovestheparttoproducemovesrealizes.Astraditionalpartgear,guidescrewalthoughthemanufactureprecisionisveryhigh,butalwaysunavoidablyhasthegap.Asaresultofthiskindofgapexistence,whenmovementdirectionchange,startsthesectiontimetobeabletocauseinevitablyactuatesthepartwastingtime,appearstheinstructionpulsetopushthemotionlessfunctionalelementtheaspect.Thishasaffectedtheenginebedprocessingprecision,namelytheinstructionpulseandactualentersforthestepdoesnottally,hastheprocessingerrortherefore,thesplit-ringnumericalcontrolsystemallestablishesgenerallyhasthereversegaperrorcompensatoryfunction,withbymakesupwhichwastestimethestepreversegapdifferencecompensatesisfirstactualreverseentersfortheerror,convertsthepulseequivalentnumberit,compensatesthesubroutineasthegaptheoutput,whenthecomputerjudgmentappearswheninstructionforcountermotion,transfersthegaptocompensatethesubroutineimmediately,compensatesthepulseaftertheoutputtoeliminatethereversegaptocarryonagainnormallyinsertsmakesupthemovement.2.oftenthevaluesystematiccharacteristicpositionerrorcompensatesAkindofstorehousebytransfersforthedesigner.Likethisinthecomponentsdesignstage,thedesigneronlymustinputthecharacteristictheparameter,thesystemdirectproductioncharacteristicexamplemodel:Wemustsavetherelatedcharacteristicclassinthedatabasethestructureinformation,thedatabasetablecollectionareuseinsavingthis100 株洲工学院毕业（论文）partofrelatedinformation.Accordingtothecharacteristictypedefinitionneed,wedefinedthecharacteristicclasscodetable,thecharacteristicclasseditioninformationhaveoutstandingshownthecharacteristictype;Definedthecharacteristicclassstructureoutstandingtoreachthecharacteristicclassthestructure;Andrelatesthroughthecomponentscharacteristicdispositiontableandthecomponentscharacteristiclevelinformation.Thecharacteristicleveldatasheetcollectionisthiscomponentsmodeldatabasedesigncore,hasrecordedcharacteristicexampleinformationandsoonmodeldesign,craft.Thecharacteristicstructuretablehasrecordedthecharacteristicgeometrystructure;Thecharacteristicsizetable,thecharacteristicshapepositiontableoflimits,thecharacteristicsurfaceroughnesstablehasrecordedthecharacteristicprojectsemanticsquotation;Thesizetable,theshapepositiontableoflimits,thesurfaceroughnesstablesavedallcomponentscharacteristicdatamessage.Inthecharacteristiclevel,usingcharacteristicID,geometryprincipallinkageandsoonessentialfactorID,sizeID,commondifferenceID,roughnessIDcarriesonthedataretrieval.WeapplythiscomponentsinformationmodeldatabaseunderthefactoryenvironmentsomemoduleCADintheAMintegrativesystem,hasrealizedCADandtheCAPPcharacteristicinformationsharingwell.Mainuseready-madeCAD/theCAMsoftware(Unigraphics1I)carriesontheproductdesignandtheNCprogramminginthissystem,andthroughcarriesontwotimesofdevelopmentsgainscomponentstothissoftwarethesizeinformation;Atthesametimeusesthedialoguewindowwhichdevelopsvoluntarily,letsdesignthepersonneltoinputothercharacteristicinformationalternately,realizesthissoftwareandthesystemsharingdatabaseconnection.Whenassistancetechnologicaldesign,thetechnologicaldesignpersonnelthroughtheprocedureinquiryfunction,inquiresthecomponentsinformationfromthesharingdatabasewhichneeds,carriesontheinteractivetechnologicaldesign.ThushasfacilitatedtheCAPPcomponentsinformationacquisition,enhancedthetechnologicaldesignefficiency.WhencarriesontheNCprogrammingusingUG,mayfromthesharingdatabasegainthecraftandthemanufactureinformationwhichneeds,carriesonvariousworkingprocedurestheknifeaxledesignandtheprocessingsimulationestablishesanabsolutezerospotonthenumericalcontrolenginebed,theactualvariouscoordinateaxessyzygycompletelypositionerror,makesthecurveinordertodeterminedcompensatesthespot.Attemptsltoshowisanactualpositionerrorcurve,(error)carriesonthiscurvey-coordinatetakethepulseequivalentastheunitthedivision,makesthehorizontalline,eachhorizontallineandthecurvepointofintersectionnamelycompensatesthespotforthegoal.Chart1thecenter1to6o'clockplacepositionerrors100 株洲工学院毕业（论文）for,needstodoreducesthepulsetocompensate;Butneedstocarryon6to9addsthepulsetocompensateinthecharttheshadowpartiallyfortocompensatethearea.CompensatestherangeofpointsthesetobecometheerrorThecalibrationcorrectionsstoresthecomputer,whenworktablebyzerodisplacementinposition,installssendsouttheabsolutezeropointlocalizationsignalintheabsolutezeropointmicroswitch,latercomputerasnecessarywillsendoutthegoaltocompensatetocompensatethesignal,willcarryonthepositionerrortotheenginebedtocompensate.Thecosinegeneratorassignsslideguageinitiationsignalaelectricityandbystepoftransmission.3.feedbackscompensatestheopen-loopcontrolChart2hasproducedthiskindofsystemschematicdiagram.Thissystemsurveystwopartsbytheopen-loopcontrolandtheinductionsynchromeshdirectpositiontobecomposed.Herepositionexaminationdoesnotserveasthepositionthefeedback,butiscompensatesthefeedbackasthepositionerror.Itscardinalprincipleis:InstallstheinstructionpulsebytheenginebednumericalcontrolwhichCNCsendsout,ontheonehandthesuppliesopensystem,thecontrolstep-by-stepstheelectricalmachineryaccordingtotheinstructionrevolution,andthedirectdriveplatenmoves,constitutestheopen-loopcontrol;Ontheotherhandthisinstructionpulsesuppliestheinductionsynchromeshthemeasurementsystem(namelydigitally,cosinegenerator),aspositiondemandsignalaby.Theworkinthewarningwayinductionsynchromeshthistimenotonlyisthepositionsensor,alsoisthecomparator,itby,Thecosinegeneratorassignsslideguageinitiationsignalaelectricityandbystepoftransmission.4.conclusionsUndertheCIMSenvironmentthetechnologywhichdevelopsunceasinglybasedoncharacteristiccomponentsinformationmodeling,howenhancesthecomponentsorderofcomplexitywhichthecharacteristicdesigncancomplete;Howcausesquestionandsoonrequestwhichthecharacteristicdesignadoptiontrickrecognition,thecharacteristicsemanticstransformsalsotowaitforthepeopletosolve.Thisarticleintroducedthecharacteristictechnologyinthecomponentsinformationmodelingapplication,describesthiscomponentsdatamodeldatabaserealizationwithemphasis;EstablishesthecomponentsinformationdatabasesystemmaysatisfytheCIMSsystemwelltotheletter.Reference:[1].ZhangHuashuunder.parallelenvironmentbasedoncharacteristiccomponentsdefinitionmodel[J].mechanicalsciencewithtechnology,1,999,18(1):14l100 株洲工学院毕业（论文）144.[2].forestmorningstar,Dufulltext,XuJianxin.characteristicand(',M)/CAPP/CAMintegrativesystem[J].thecomputer-aideddesignandmakes,1998,28(5):5155.[3].ZengHuiE,ZhouQingzhong.studiedJbasedonthecharacteristicmechanicalproductmodelling].themachinerytosupposeCountswiththemanufacture[theregulation,1,999,28(2):12~l4.100 株洲工学院毕业（论文）数控机床开环控制伺服系统开环系统的优点是系统简单、成本低，但缺点是精度不高。反向间隙、丝杠螺距误差、起停误差等都会影响定位精度。下面几种改进措施可以使定位精度明显改善。1反向间隙误差补偿数控机床加工刀具与工件的相对运动是依靠驱动装置带动齿轮、丝杠转动，从而推动工作台面等移动部件产生位移来实现的。作为传统元件的齿轮、丝杠尽管制造精度很高，但总免不了存在间隙。由于这种间隙存在，当运动的方向改变时，开始段时间必然会引起驱动元件的空走，出现指令脉冲推不动执行元件的局面。这就影响了机床的加工精度，即指令脉冲与实际进给步数不相符合，产生加工误差因此，开环数控系统一般都设置有反向间隙误差补偿功能，用以补足空走的步数反向间隙差补偿就是首先实测反向进给的误差，把它折算成脉冲当量数，作为间隙补偿子程序的输出量，当计算机判断出现的指令为反向运动时，随即调用间隙补偿子程序，通过输出补偿脉冲消除反向间隙后再进行正常的插补运行。2常值系统性定位误差补偿类库以供设计者调用。这样在零件的设计阶段，设计者只需输入特征的参数，系统直接生成特征的实例模型：在数据库中我们必须存储相关的特征类的结构信息，数据库表集就是用于存储这一部分的相关信息。根据特征类型定义的需要，我们定义了特征类编码表、特征类版本信息表表示特征类型；定义了特征类构造表表达特征类的结构；并通过零件特征配置表与零件的特征层信息联系起来。特征层数据表集是本零件模型数据库设计的核心，记录了特征实例模型的设计、工艺等信息。特征构造表记录了特征的几何结构；特征尺寸表、特征形位公差表、特征表面粗糙度表记录了特征的工程语义引用；尺寸表、形位公差表、表面粗糙度表存储了所有零件特征的数据信息。在特征层，利用特征ID、几何要素ID、尺寸ID、公差ID、粗糙度ID等主键进行数据检索。我们将该零件信息模型的数据库应用于工厂环境下某型组件的CADAM集成系统中，较好地实现了CAD与CAPP的特征信息共享。在该系统中主要使用现成的CAD／CAM软件(Unigraphics100 株洲工学院毕业（论文）1I)进行产品设计和NC编程，并通过对该软件进行二次开发获取零件的尺寸信息；同时利用自行开发的对话窗体，让设计人员交互输入其它特征信息，实现该软件与系统的共享数据库的连接。在辅助工艺设计时，工艺设计人员通过程序的查询功能，从共享数据库中查询所需的零件信息，进行交互工艺设计。从而方便了CAPP的零件信息获取，提高了工艺设计的效率。在利用UG进行NC编程时，可以从共享数据库中获取所需的工艺及制造信息，进行各工序的刀轨设计与加工仿真在数控机床上建立一个绝对零点，实测出各坐标轴相对点的全部定位误差，做出曲线以便确定补偿点。图l所示是一个实测的定位误差曲线，把这个曲线的纵坐标(误差)以脉冲当量为单位进行分割，作出横线，每个横线与曲线的交点即为目标补偿点。图1中的1到6点处的定位误差为正，需要作减脉冲补偿；而6至9处需要进行加脉冲补偿图中阴影部分为补偿区。把这些补偿点列成误差.修正表存入计算机，当工作台由零点位置移动时，安装在绝对原点处的微动开关发出绝对原点定位信号，以后计算机将随时发出目标补偿点的补偿信号，对机床进行定位误差补偿。3反馈补偿开环控制该系统由开环控制和感应同步器直接位置测量两个部分组成。这里的位置检测不用作位置的反馈，而是作为位置误差的补偿反馈。其基本的原理是：由机床数控装置CNC发出的指令脉冲，一方面供给开环系统，控制步进电机按指令运转，并直接驱动机床工作台移动，构成开环控制；另一方面该指令脉冲又供给感应同步器的测量系统(即数字式正、余弦发生器)，作为位置给定信号。工作在鉴幅方式的感应同步器此时既是位置检测器，又是比较器，它把由正、余弦发生器给定的滑尺激磁信号传送给步进电机。4结论CIMS环境下基于特征的零件信息建模还是一门不断发展的技术，怎样提高特征设计所能完成的零件复杂度；如何使特征设计适应特征识别、特征语义转换的要求等问题还有待人们去解决。本文介绍了特征技术在零件信息建模中的应用，重点描述该零件数据模型的数据库实现；所建立的零件信息数据库系统可以较好地满足CIMS系统对信。参考文献：[1].张华书．并行环境下基于特征的零件定义模型[J]．机械科学与技术，1999，18(1)：14l144．[2].林晓星，杜全文，许建新．特征与(',M)／CAPP／CAM集成系统[J]．计算机辅助设计与制造，1998，28(5)：5155．[3].曾慧娥，周庆忠．基于特征的机械产品造型研究[J]．机械设计与制造[程，1999，28(2)：12～l4．100 株洲工学院毕业（论文）JX07-3学生实习报告（限1500字以上）院（系）：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：J024姓名：樊义祥一、实习的主要内容参加金工实习的第一天，我们观看了安全生产教育片，里面描述了各种不注意操作规范而造成伤害的情况。看完以后，大家心理都对接下来将要经历的两个星期有点担心了，害怕自己不小心而造成事故。但事实打消了我们的恐惧的念头，尤其是第一天要进行的钳工，连老师都笑称这个可能金工实习里相对最简单的一类工种了。虽然这么说，但钳工无疑是整个金工实习其间最累人的一项工作了。由于我们只有半天的上班时间，所以按要求，我们在10到12点之间磨制三根长85mm，上下底面光滑的圆柱体工件下料。在我们所参与过的实习课程中，比较危险的可以算是车工了。面对着这样一个工件高速转动，同时带有利刀的机器，要不断地防止铁屑飞溅到脸上，还要注意观察工件的车制情况，同时要切记衣服或者其他身上的东西不能缠绕到工作的机器上，实在是有一定的难度。当然老师也提醒我们要带上眼镜或者面罩来保护自己。我们车工的任务还是比较简单的，只需要把已经制作好的圆柱工件下料的一头按要求车制成一个带槽的球体。刚开始的时候，要先制作推刀槽，只需要计算好刀的进退距离，然后按照计算的结果推进刀就可以了。但接下来的切削球体就很让人痛苦了。要求左手控制纵向推进，右手负责横向推进，又要注意两手的速度不能一样，要按位置变换，还要注意要分别匀速。由于我是新手，对机器的操作不熟悉，两手的配合也不够好，我在切削球体的时候，几次切削深度过大，差点造成了工件的损坏。上午的学习内容基本是练习使用机器，尽量熟悉工序手势。到下午上班的时候大家才开始正式地投入到工作中去。虽然我做得很不顺利，但最后还是把第一个球体切削出来了，只是表面的粗糙度很大，而且切削纹很不均匀，偏移很大。我很不满意，而对于工作的熟悉度又增大了，时间也还有很多，于是开始第二个球体的制作。在制作这个的时候，手的配合程度加强了，对工件的把握也高了，虽然用的时间比前一次要短，但是出来的成品明显比前一个好。100 株洲工学院毕业（论文）经过了车工的实践，接下来的刨工，电焊学习就非常的顺利。二、实习取得的经验及收获通过一个金工实习，也让我理解了做很多工作是需要技巧的，并不是想当然地去做就会成功的。看着熟悉的东西，看着熟悉的工作过程，由于自己没有这方面的技能，便无法完成工作了，而由于没有相关的练习，还可能在工作过程中对自己或者他人造成伤害。而类似的这些事情我们在平常的新闻报道中已经屡见不鲜了，很值得提起人们的高度注意。我们在整个金工实习的过程中所学习到的知识虽然不是很多，但通过这次让我们明白了我们需要实践学习和掌握的技能还很多，如果我们不经常参加这方面的实习，我们这些大学生将来恐怕只能是“纸上谈兵”。社会需要人才，社会需要的是有能力的人才，我们新世纪的大学生只有多有加实践，才能保证在未来的社会竞争中有自己的位置，真的很多谢这次金工实习。三、存在的不足及建议通过一个金工实习，才发现自己的动手能力还有待提高，而且有很多理论知识不能很好的跟实践相结合，更不能运用到实际生活中去。所以以后我会多找这种实践的机会，把理论知识运用到社会上去。争取做到用理论指导实践，用实践验证理论。100
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