数控铣床设计毕业设计综述.docx
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数控铣床设计毕业设计综述
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近年来国内外研究现状:
国内:
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,近几年来随着国内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)零件加工的范围广,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机构进行设计,主要有以下几个方面:
X、Y,Z工作台的传动机构设计,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,主轴转速范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机构组成,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
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。
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向的主铣削力以及X、Y向的铣削分力、。
现假设刀具材料为高速钢,工作材料为铝()。
Z轴铣削工作时铣削力的计算:
最大铣削直径,最小直径。
由《实用机床手册》得:
铣削功率
铣削力
铣削力修正系数
高速钢铣刀,前角系数
主偏角==1.0
因此
—工件材料的抗拉强度;
—铣削深度;
—毎齿进给量;
—铣削宽度;
—铣削直径;
Z—铣刀齿数,
现取=0.05mm/Z=4mmZ=2=10mm=5mmn=400r/min,
=642×4×0.05×5×10×2×0.9255=302.9N
=3.14×10×400/1000=12.56m/min
=302.9×12.56/60000=85.32
3,1,1,2主电机的选择
选主轴电机时按铣削计算。
因为铣削时最大的铣削力为:
=642×4×0.05×5×5×2×0.9255=549.86N
=3.14×5×1500/1000=23.55m/min
=549.86×23.55/60000=0.215
主轴功率P==0.25/0.88=0.244
所以选电动机为=300,型号:
57BL-3030H1-LS-B
3.1.2步进电机的种类、结构、工作原理及选型计算
步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。
在此伺服驱动系统中,步进电机作为执行元件。
而步进电机受驱动控制系统控制,驱动控制系统通过控制步进电机电极的通电顺序和脉冲频率,将电信号转化为具有一定速度、大小和方向的机械转角位移量,后通过传动机构实现工作台的运动。
但由于此驱动系统没不存在反馈检测环节,因此精度较差,速度也受到步进电机性能的限制。
但它的结构和控制简单、比较容易调整,故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。
3.1.2.1步进电机的种类
步进电机的分类方式很多,常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。
由于分类方式的不同,步进电机可以分为多种类型,如表所示。
表步进电机的分类
分 类 方 式
具 体 类 型
按力矩产生的原理
(1)反应式步进电机:
转子上没有绕组,而是由定子被励磁所激产生反应力实现电机运动。
(2)激磁式步进电机:
在电机的定子和转子上都有励磁绕组,由磁场产生的电磁力实现电机的运动。
按输出力矩大小
(1)伺服式步进电机:
电机工作时产生的力矩在几百分之一到几十分之一之间,只能带动较小负载的部件运动,在带动较大负载的部件运动时需要液压扭矩放大器。
(2)功率式步进电机:
输出的力矩一般在50N·m以上,可以带动较大负载的部件运动。
按定子数
(1)单定子式
(2)双定子式(3)三定子式(4)多定子式
按各相绕组分布
(1)径向分布式步进电机:
电机的每一项按照圆周顺序排列
(2)轴向分布式步进电机:
电机的每一项按照轴向顺序排列
3.1.2.2步进电机的结构
目前,我国使用的步进电机大多为反应式步进电机。
反应式步进电机可分为轴向和径向分相两种形式,见表所述。
图4-2为一个典型的径向分相、单定子式、反应式的步进电机的结构原理图。
此步进电机和普通的电机一样,由定子和转子两部分组成,定子由定子铁心和定子绕组组成。
其中由电工钢片堆叠挤压形成定子铁心,详细形状见图示。
由绕值在定子铁心上的分布均匀的线圈组成定子绕组,控制绕组由直径的方向上的相对的两齿上的线圈串联构成的,图1的步进电机可为三相控制绕组,也称为三相步进电机。
其中给任一项绕组通电,就能形成一组定子磁极,磁极方向为图示的NS极。
定子磁极上开了5个齿槽等宽,齿间夹角为9°的小齿,在转子上没有绕组,只有分布均匀的40个齿槽等宽、齿间夹角为9°的小齿,结构上和磁极上的小齿类似。
不同的是定子磁极上的小齿错开了三分之一齿距的空间位置,见
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