经济型数控铣床主传动及进给传动结构及控制系统设计

摘要

科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现正是很大的满足了这一要求。数控铣床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体四部分组成。数控装置的作用是把控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体四部分组成。也就是通过计算机控制铣削。数控技术是现代制造技术的基础。它综合了计算机技术、自动控制技术、自动检测技术和精密机械等高新技术，因此广泛应用于机械制造业。数控机床替代普通机床，从而使得制造业发生了根本性的变化，并带来了巨大的经济效益。可以预见，高级自动化技术将进一步证明数控机床的价值，并且正在更为广阔的开拓着数控机床的应用领域。

关键词：自动机床，经济型铣床，步进电机，滚珠丝杠副，数控机床

ABSTRACT

The continuous development of science and technology, mechanical products, and productivity of the quality of the increasing number of requests. The automation of the process to achieve the above requirements. It not only improves product quality, increase productivity, reduce production costs, but also can greatly improve the working conditions of workers. Large-scale automated production, the widespread use of automatic machines, machine tool and special machine tools and automatic production lines, while the implementation of multi-tool, multi-bit processing in order to achieve high efficiency and degree of automation. These are rigid automation in the face of small batch production, it is not suitable for small batch production, is often necessary to change the type of product, which requires a flexible production line. But to a certain extent, the CNC machine tool is a great meet this requirement. The general control of the media, and numerical control device, the servo system of the CNC milling machine, the body composed of four parts. The numerical control device to control the media, the role of CNC equipment, servo system, four components of the Machine Tool. It is computer-controlled milling machine. CNC technology is the basis of modern manufacturing technology. It combines computer technology, automatic control technology, automatic detection technology, precision machinery and high-tech, it is widely used in machinery manufacturing industry. Instead of general machine tools, CNC machine tools, the manufacturing sector to produce fundamental change, and bring huge economic benefits. It is foreseeable that advanced automation technologies will further demonstrate the value of CNC machine tools, CNC machine tool applications open up a broader

Key words: automatic machine, economic type milling machine, Stepping Motor, Ball Screws

目录

1 绪论 (1)

1.1 选题目的及其意义 (1)

1.2 文献综述 (1)

1.3 设计任务 (2)

2 总体方案的确定 (4)

2.1 机械传动部件的选择 (4)

2.2 控制系统的设计 (4)

3 机械传动部件的计算与选型 (5)

3.1 导轨上移动部件的重量估算 (5)

3.2 铣削力的计算 (5)

3.3 直线滚动导轨副的计算与选型 (5)

3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (6)

3.5 同步带的计算与选型 (11)

3.6 步进电动机的计算与选型 (13)

3.7 主轴部件的计算与选型 (16)

4 机械标准件的选型与校核 (23)

4.1 销连接的选型与校核 (23)

4.2 联轴器的选型与校核 (23)

4.3 轴承的分类及选用 (25)

4.4 键的分类及选用 (28)

5 微机控制系统的设计 (29)

5.1 微机控制系统组成及特点 (29)

5.2 微机控制系统设备介绍 (29)

参考文献 (33)

致谢 (34)

1 绪论

1.1 选题目的及其意义

本课题来源于基本的工程实际应用，数控机床是机电一体化产品中应用教广泛的一个方向，数控铣床是数控机床中使用最多的机床之一，随着中国工业化进程的推进，数控机床在生产实践中的应用会更加的普及，考虑到数控机床的构造相对复杂，因此以经济型数控机床为入口，对该设备进行研究。

数控铣床,是典型的机电一体化的结构之一,它采用开环控制,用步进电机驱动,微机控制,并有相应的检测装备，作为机械电子工程专业学生而言,通过该课题的毕业设计,能够将上课所学的机械设计、控制技术、检测技术技术等课程所学知识有机的结合起来，并最终达到模拟工程实际设计的目的，使学生初步掌握工程设计基本方法，达到毕业设计大纲的要求。

科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。

大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现正是很大的满足了这一要求。

数控铣床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体四部分组成。数控装置的作用是把控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体四部分组成。也就是通过计算机控制铣削。数控技术是现代制造技术的基础。它综合了计算机技术、自动控制技术、自动检测技术和精密机械等高新技术，因此广泛应用于机械制造业。数控机床替代普通机床，从而使得制造业发生了根本性的变化，并带来了巨大的经济效益。

可以预见，高级自动化技术将进一步证明数控机床的价值，并且正在更为广阔的开拓着数控机床的应用领域。

1.2 文献综述

国外数控铣床的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型）、门型（小型）、龙门型（大型）3个阶段，相应的型号种类繁

多。能够代表数控铣床技术最高水平的厂家主要集中在德国，目前，国外已有厂家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手，开发出五轴控制系统的龙门式专用切割工具，该系统可以在空间切割出各种轨迹，利用特殊的跟踪探头，在切割过程中控制切割运行轨迹。相比之下，国内虽然十字架型、门型、龙门型都有所生产，但广度不够，生产厂家产品型号较为单一，尚无龙门式专用型材切割机产品。

从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。

我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是数控铣床和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。与其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。上述3种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。

1.3设计任务

本课题设计是一种简易型的数控铣床，该设备采用开环控制，由步进电机驱动，主

轴的转速范围为35～4500转/min，主轴最大切削功率为4KW, X、Y轴方向的脉冲当量为0.015mm/脉冲，X轴的行程为500mm，Y轴行程为400mm, X轴的最快移动速度为2000mm/min,Y轴的最快移动速度为1500mm/min,X、Y轴的最大切削阻力均为2000N，工作台尺寸为长350、宽280，高40。

2 总体方案的确定

2.1 机械传动部件的选择

2.1.1导轨副的选用

要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

2.1.2丝杠螺母副的选用

伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足mm 015.0 的脉冲当量，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。

2.1.3步进电动机的选用

任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此2000mm/min ，故本设计不必采用高档次的私服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。

2.1.4检测装置的选用

采用开环控制

2.2 控制系统的设计

1）设计的X-Y 工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。

2）对于步进电动机，选用MCS-51系列的8位单片机A T89S52作为控制系统的CPU ，能够满足任务书给定的相关指标。

3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU 之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O 接口电路，D/A 转换电路，串行接口电路等。

4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

3 机械传动部件的计算与选型

3.1 导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N.

3.2 铣削力的计算

设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：

课题已知数据可知

N F C 2000=

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a ，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：

N F F C f 22001.1==

N F F c e 76038.0==

N

F F c fn 50025.0== 图3-4a 为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力N F F e z 760==，受到水平方向的铣削力。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力N F F f x 2200==，径向铣削力为N F F fn y 500==。[]

1 3.3 直线滚动导轨副的计算与选型

3.3.1 滚动导轨副承受工作载荷max F 的计算及导轨型号的选取

工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：

max G F F 4

=+ （3-1） 其中，移动部件重量Ｇ＝800N ，外加载荷N F F e z 760==，代入式，得最大工作载荷KN N F 96.0960max ==

查表3-41，根据工作载荷KN F 96.0max =，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG15型，其额定动载荷mm mm 320320?，额定静载荷mm mm 320320?。

任务书规定工作台面尺寸为mm mm 280350?，加工范围mm mm 400500?，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为940mm 。

3.3.2距离额定寿命L 的计算

上述所取的KL 系列JSA-LG25系列导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过km L F C f f f f f a

W R C T H 16718503

max ≈???? ??=，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36~表3-40，分别取硬度系数1.0、温度系数1.00、接触系数0.81、精度系数0.9、载荷系数1.5，代入式（3-33），得距离寿命：

()km L F C f f f f f a W R C T H 3247503

max ≈?= （3-2）

远大于期望值50Km ，故距离额定寿命满足要求。

3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型[]

1

3.4.1 最大工作载荷Fm 的计算 如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）

N F x 2200=,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）N F y 500=，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）N F z 760=.

已知移动部件总重量G=800N ，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

()G F F KF F y z x m +++=μ （3-3）

()[]N N 3.2430800500760005.022001.1=++?+?=

3.4.2 最大动工作载荷FQ 的计算

设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=300mm/min ，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=60r/min 。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60nT/106,得丝杠寿命系数L0=54（单位为：106r ）。

查表3-30，取载荷系数fw=1.0,滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数fH=1.0,代入式中，求得最大动载荷：

N F f f L F m H W Q 918630≈= （3-4）

3.4.3 初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD 系列2005-3型滚珠丝杠副，为双螺母垫片预紧式，其公称直径为20mm ，导程为5mm ，循环滚珠为3圈*2系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N ，大于FQ ，满足要求。 螺母

固定端游动端

图3-1 丝杠螺母副

4.4.4 传动效率η的计算

将公称直径d0=20mm,导程Ph=5mm,代入得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。

3.4.5 刚度的验算

（1） X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“双推-浮动”的方式，见书后插页图6-23。丝杠的两端各采用推力角接触球轴承，一端采用双列推力球轴承。面对面组配，左、右支承的中心距约为a=600mm ；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa;查表3-31，得滚珠直径Dw=3.175mm ，丝杠底径d2=16.2mm,丝杠截面积S=2d π/4=206.12m 。

忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm 作用下产生的拉/压变形量

mm mm ES a F m 0281.0)12.206101.2(9003.243051=???==δ （3-5）

（2）取滚珠丝杠的使用寿命T= 15000h(一般机电设备取T=15000h ；n 为丝杠每分钟转速)，代入得丝杠寿命系数1350(单位为：106r)。