数控铣床设计(毕业设计)

第一章引言

1.1 课题的来源

数控机床的教学由于比较抽象，需要借助实验来加深对课堂知识的理解。但由于一般数控机床体积大，价格高，软硬件不是很开放，不适合学生的教学实验。为此设计一种功能齐全、结构简单、软硬件结构开放、成本低，且有代表性的教学实验型铣床系统。要求结构简单，经济适用，易于推广普及，且能完成教学目的的机床。通过本次毕业设计，得到全面的锻炼，为将来机电产品的设计和使用打下良好的基础。

1.2课题的背景和意义

数控技术是机床实现自动化控制的核心技术，是机械制造业的关键技术，其水平的高低和应用程度关系到国家的战略地位和综合国力。数控技术是一门理论性和实践性都非常强的课程，其教学必须理论联系实际。长期以来，数控技术教学遇到几大难题：（1）课堂教学难教师在课堂上对着书本讲，学生看不见摸不着，如听天书。（2）实验教学难由于市场没有适用教学的机床，教学中使用的都是生产型机床，这些机床体积大、造价高、使用和维护成本高，很多学校用不起，并且有的话，大多是老师演示、学生观看，很少有学生自己直接操作。

教学设备问题是制约数控技术教学质量提高的瓶颈问题，为解决数控技术教学设备问题，特进行了微型三坐标数控铣床的设计，完成了微型数控铣床的总体方案设计，确立了机床的整机结构、总体布局以及关键部件(主轴系统、进给系统等)的选型与设计，机床的本体尺寸为320mmx220mmx400mm，机床的工作空间尺寸为180mmx180mm。

该机床体积小、重量轻、功能强、成本低，非常适合课堂教学、实验教学和实训教学，节省设备购置费用和使用费用的同时，将大幅度提高教学效率和教学效果，对于改变我国数控技术人才培养模式，降低培养成本、缩短培养周期，具有重大意义。

1.3近年来国外研究现状：

国：教学型数控铣床作为高校机械类教学数控机床操作的实验与实训，已经

在一些方面达到了一定水平。现在，教学实验型数控铣床能够实现三轴联动控制，具有直线插补、圆弧插补、点动运行、MDI运行、自动运行、模拟运行、程序的动态显示、加工轨迹的动态显示等基本功能，采用ISO规定的数控加工代码编程，同一台计算机既是编程系统又是数控系统，可以完成从复杂型面的造型、自动编程、加工模拟仿真到数控实验、数控机床使用操作培训的全过程。教学实验型数控铣床是科研院所、高校、尤其是高职学院理想的实验、实训设备。该微型数控铣床的研制和推广，对于改变我国数控技术人才的培养模式，降低培养成本、缩短培养周期，具有重大的意义。但是，近几年来随着国外数控技术的迅速发展，原来的数控铣床在硬件和软件方面都暴露出诸多缺点，该机床的重新设计、改造也迫在眉睫。因此，为了更好的达到教学的目的，需要在原有机床的基础上进行改造和升级。

国外：美、德、日三国是当今世界上在数控机床科研、设计、制造和使用等方面技术最先进、经验最多的国家。国外对于数控机床的研究要比较早，而且在各个方面都达到了先进的水平。从数控机床出现至今的60年，数控机床随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。目前，国外对数控机床的研究正朝着高速化、高精度化、功能复合化、控制智能化、微型化等方面发展，产品的技术创新与自主开发始终走在前列。

当前数控机床正向着高速高效、高精度、高可靠性、复合化、多轴化、智能化、网络化、柔性化、绿色化的方向发展。

1.4数控铣床加工的特点:

数控切削加工除了包含普通铣床加工优点以外，还具有如下的特点：

(1)零件加工的围广，能加工各种形状复杂的零件并且灵活性好。

(2)能够加工普通机床难以加工的零件、加工速度快。

(3)在零件一次装夹后能加工零件的多道工序。

(4)加工的零件精度高质量稳定性好。

(5)自动化程度高，劳动者的生产强度得以减少。

(6)生产效率高。

1.5设计方案的可行性分析：

所设计的三坐标数控铣床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机，所有电机均由电脑数控装置进行控制。设计主要对数控铣床的进行设计，主要有以下几个方面：X、Y,Z工作台的传动设计，主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计，主轴传动系统设计，多种方案比较了解优缺点，择优选取本课题原理可靠，具体方案为用套筒式联轴器连接步进电机与滚珠丝杠，对滚珠丝杠进行一端（两端）支撑，采用圆形导轨，实现X、Y、Z轴的运动，，这种设计结构简单，安装方便，所需要的仪器设备、材料都较常用，成本较低。有足以保证该项目完成的科研能力和充分的研发时间，和相关软硬件的配合支持。

1.6预期目标：

1.运动功能的设计。确定X、Y、Z三坐标运动形式（直线运动，回转运动）、功能（主运动，进给运动和其他运动）和步进电机、主轴电机和滚珠丝杠、轴承、导轨的选取。

2.基本参数的设计。包括整体尺寸参数、零件尺寸参数（床身、底座、立柱、工作台、主轴、夹具），运动参数，动力参数的设计。

3.传动系统的设计。包括传动方式、传动原理图和传动系统的设计。

4.总体结构布局的设计。包括总体布局结构形式及总体结构布局方案图的设计。

第二章教学型数控铣床设计方案

2.1数控铣床组成和总体布局

2.1.1数控铣床的组成

数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体以及辅助设备组成。

（1）主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速围和输出扭矩对加工有直接的影响。

（2）进给伺服系统由进给电机和进给执行组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。

（3）控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。

（4）辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。

（5）机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。

2.1.2数控铣床的常用布局

数控铣床的常用布局形式有卧式铣床和立式铣床。为了减少微型铣床占用空间，减少机床整体尺寸，并考虑应用的广泛性以及所做项目的实际情况，本设计铣床采用的布局形式为立式铣床形式，工作台X、Y轴相互叠加的十字结构，主轴在Z轴方向上移动，床身导轨水平放置，这样布局不仅有利于减少占地面积。总体机床外型尺寸长为320mm，宽为220mm，高为400mm，工作台宽180mm，长180mm。

2.2教学型数控铣床总体传动方案的设计

本机床可以实现 X轴、Y轴和 Z轴三坐标联动，采用套筒联轴器连接步进电机和滚珠丝杠，对滚珠丝杠采用一端支撑，采用圆形导轨，通过步进电机带动丝杠旋转，后通过丝杠螺母将丝杠的旋转运动转化为X和Y

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轴的水平直线运动和Z轴的上下移动。

教学型数控铣床大致三维图.专业.整理.

教学型数控铣床大致二维图

由于所设计的实验型数控铣床不同于一般实用加工型数控铣床，它主要用来教学实验，加工材料主要是石蜡或塑料，机床设计手册中没有针对此种材料列出铣削力的计算公式，即使套用软的材料来估算铣削力，也难免引起大的误差。因此，不能完全按照以前的设计计算方法来进行设计，必须综合考虑各个方面的因素和在教学中的实际情况，力争做到最优化的设计。接下来一章就来介绍实验型数控铣床机械部分的主要设计过程。

.专业.整理.

.专业.整理. 第三章 机械部分设计

3.1 电机的选取

3.1.1 主电机的选取

3.1.1.1铣削力的计算

长期以来人们已经对铣削加工时的铣削力有了广泛深入的研究。但人们对铣削力的研究只是针对特定特定加工条件下的特定工件，没有一套应用于各种场合的铣削力计算公式。现实生活中人们设计的数控的通用机床希望应用性强，能满足各种加工要求，能应用于大多数场合。因此，在对切削力的计算上，不能不考虑实际情况而用一些依靠纯理论推倒的公式和理论。但是，此次设计我们可以用切削力的经验计算公式，因为切削力的经验计算公式是人们在现实生活中积累的，可以满足现实生活中大多数机床的切削力计算，具有很强的实用性。因此，对于本次设计切削力的计算可采用经验公式，切削力可分解为三个分力：Z 向的主铣削力z F 以及X 、Y 向的铣削分力x F 、y F 。

现假设刀具材料为高速钢，工作材料为铝(a b MP 100=σ)。

Z 轴铣削工作时铣削力的计算：

最大铣削直径mm d 10max =，最小直径mm 5min d =。

由《实用机床手册》得： 铣削功率4

106?=V F P z m 铣削力FZ o w f p z ZK d a a a F 86.086.072.0642-=

铣削力修正系数kFZ FZ mFZ FZ K K K K γ=

高速钢铣刀?=15o r ,前角系数93.0=FZ K γ

主偏角γk =?75 kFZ K =1.0

因此0.193.01??=FZ K