数控技术综合训练三.docx

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数控技术综合训练三

辽宁工程技术大学

《数控技术》综合训练三

班级：

机自15-1

学号：

1501100118/1507010104/1507010109

姓名：

卢浩/邓明峤/坚刚强

姓名：

主传动系统/进给系统/总体设计&位置

指导教师：

王洁

完成日期：

2018/5/26

任务书

一、设计原始资料

由教师指定。

二、设计任务

（1）对教师给定的机床进行设计，内容包括：

机床的总体设计，机床的主传动系统设计和进给传动系统设计，机床本体设计。

（2）学生根据设计内容绘制机床结构简图。

三、设计成果

（1）机床结构简图（A1或A2）1张

（2）设计说明书1份

四、成绩评定

序号

主要内容

考核要求

评分标准

分值

得分

1

说明书质量

说明书内容详实，格式规范

说明书内容准确，推导合理，计算无误，程序格式符合标准，记20分

30

说明书规范，记10分

2

答辩

PPT质量和自述表达以及答辩过程回答问题是否准确

PPT质量20分

70

自述流利清晰，表达清楚，计20分

提问回答正确30分

3

总分

100

指导教师：

日期：

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

Abstract

CNCmachinetoolisadigitalcontrolmachinetool,isanautomaticmachinetool,numericalcontroltechnologyisthecoreofCNCmachinetoolResearch,themanufacturingindustrytoachieveautomation,networking,flexibility,integrationofthefoundation.Withthedevelopmentofmanufacturingtechnology,modernCNCmachinetoolshavegreatlyimprovedthemachiningrange,dynamicperformance,machiningaccuracyandreliabilityofmachinetoolsbymeansofmoderndesigntechnology,processintensificationandnewfunctionalcomponents.

Inthispaper,theXK5040CNCverticalMillingMachineandcontrolsystemaredesigned,firstanalysisoftheverticalmillingmachineprocessingcharacteristicsandprocessingrequirementstodetermineitsmainparameters,includingmotionanddynamicparameters,accordingtothemainparametersanddesignrequirementsofthemainmovementsystem,feedsystemandcontrolsystemhardwarecircuitdesign.Mainlycarriesonthemainmovementsystemandthefeedsystemmechanicalstructuredesignandtheballscrewandthesteppermotorselectionandthecheck;forthecontrolsystembecausethisismainlyaimedattheeconomicalnumericalcontrolmillingMachinedesign,hereusesthesteppermotorOpen-loopcontrol,thecomputersystemusesthehighperformancepriceratioMCS-51Seriesmonolithicexpansionsystem,Mainlyfortheselectionofcentralprocessingunit,memoryexpansionandinterfacecircuitdesign.

Becauseoftheuseofthe8031single-chipmicrocomputercontrolsystem,thedesignofverticalmillingmachineperformancepriceratiotomeettheeconomicrequirements.Canbeusedinhighprecisionprocessingoccasions.

Keywords:

numericalcontroltechnology;verticalmillingmachine;design

目录

1总体设计4

1.1铣床简介4

1.2XK5040型数控铣床的总体布局、总传动系统图5

1.2.1XK5040型数控铣床的总体布局5

1.2.2总传动系统图5

2主传动系统6

2.1对数控铣床主传动系统简介6

2.2对数控铣床主传动系统的要求6

2.3主电机的选择7

2.4主轴部件轴承的选择7

2.5制动器设计8

2.6润滑9

2.7传动系统图9

3数控机床的进给传动系统10

3.1数控机床进给系统的特点和要求10

3.2滚珠丝杠螺母副的选择11

3.3进给伺服系统机械部分结构设计12

3.4进给伺服系统传动齿轮间隙的消除13

3.5垂直进给系统传动齿轮间隙的消除13

4位置检测装置14

4.1光电编码器15

4.1.1增量式编码器15

4.2编码器在数控机床中的应用15

4.2.1位移测量15

4.2.2主轴控制15

4.2.3测速16

4.2.4零标志脉冲用于回参考点控制16

参考文献17

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。

1.2XK5040型数控铣床的总体布局、总传动系统图

1.2.1XK5040型数控铣床的总体布局

XK5040型数控铣床的布局，床身固定在底座上，用于安装与支承机床各部件。

操纵台上有CT显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。

纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电动机、横向进给伺服电动机和垂直升降进给服电动机的驱动，完成X、Y、Z坐标进给。

强电柜中装有机床电器部分的接触器、继电器等。

变压器器箱安装在床身立柱的后面。

数控柜内装有机床数控系统。

保护开关可控制纵向行程硬限位；挡铁为纵向参考点设定挡铁。

主轴变速手柄和按钮板用于手动控制主轴的正、反转、停止及切削液开停等。

1.2.2总传动系统图

XK5040立式铣床的总的传动系统图如下图所示。

2主传动系统

2.1对数控铣床主传动系统简介

主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，他应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。

数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上简单，这是因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。

在主传动系统方面，具有下列特点：

（1）目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。

（2）转速高，功率大。

它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。

（3）变速范围大。

数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn＞100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

（4）主轴速度的变换迅速可靠。

数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。

由于直流和交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。

2.2对数控铣床主传动系统的要求

（1）主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。

（2）主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有是够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。

（3）主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。

（4）操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。

（5）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。

2.3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，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/min

Y132M-4

7.5KW

1440

1500

2.4主轴部件轴承的选择

（1）主轴轴承的选用

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。

这里前支承选用双列圆柱滚子轴承,可承受径向力。

反支承选用一对推力球轴承,承受径向和轴向载荷,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每个支承点都要能承受径向力

②每个方向的轴向力应分别有相应的轴承承受

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

轴承配置简图如下:

2.5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。

2.6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。

2.7传动系统图

现绘制出传动系统图，如图所示：

3数控机床的进给传动系统

3.1数控机床进给系统的特点和要求

数控机床进给系统的机械传动机构是指将电动机的旋转运动转变为工作台或刀架的运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副（或蜗杆蜗轮副）、丝杠螺母副等及其支撑部件（轴承座等）。

每一个进给运动坐标都是由自己的伺服电动机驱动,不论点位控制还是多率由联动的轮廓连续控制，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。

无论是开环、半闭环或闭环进给伺服系统，为了确保系统定位精度、快速响应特性和稳定性要求，在机械传动装置设计上，都力求无间隙、低摩擦、低惯性、高传动刚度和适宜的阻尼比。

为了保证数控机床进系统的定位精度和动态性能、对其机械传动装置提出了以下要求：

（1）减少各运动零件的惯量

在强度刚度满足的情况下,要尽量減小传动件的质量,減小旋转件的直径和质量,以減少运动部件的惯性

（2）减少运动件的摩擦阻力

采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨等。

（3）提高传动精度和刚度

首先要保证工件的制造精度尤其是提高滚珠丝杠螺母副、蜗杆副的传动精度。

在进给传动链中加入減速齿轮以減小脉冲当量,通过预紧传动滚珠丝杠,消除齿轮、涡轮等传动件的间隙等办法来提高传动精度和刚度。

（4）响应速度快

快速响应是伺服进给系统的动态特性,是指进给传动系统对输入指令信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。

设计时应使机床工作台及传动机构的刚度、间隙、摩擦、以及转动惯量尽可能达到最佳值。

（5）较强的过载能力

由于电动机频繁換向,且加減速度很快,电动机可能在过载条件下工作,要求电动机有较强的过载能力,一般要求在数分钟内过载4-6倍不损坏。

（6）稳定性好、寿命长

低速运动不爬行,并能适应外加负载的变化而不发生共振。

稳定性与系统的惯性、刚度、阻尼、及增益等有关系。

适当选择各参数达到最住的工作性能。

合理选择各传动部件的材料、热处理方法、和加工工艺,并采用适材料、热处理方法、和加工工艺,并采用适当润滑和防护措施,延长使用寿命。

（7）维护使用方便

最大限度的减少维修工作量提高机床利用率。

3.2滚珠丝杠螺母副的选择

机床上最常用的运动变换机构是丝杠螺母副，它将电动机的旋转运动变换成工作台的直线运动。

（1）计算进给牵引力

（N）

纵向进给为燕尾形导轨。

—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；

查相关资料得：

=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）。

3.3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。

3.4进给伺服系统传动齿轮间隙的消除

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3.4），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３.4　双片斜齿轮消除间隙机构

3.5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３.5）。

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。

图３.5　压力弹簧消除间隙机构

4位置检测装置

检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。

它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。

数控机床的运动精度主要由检测系统的精度决定。

位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率，不仅取决于检测元件木身，也取决于测量线路。

在设计数控机床，尤其是高精度或大中型数控机床时，必须选用检测元件。

数控机床对检测元件的主要要求如下:

（1）高可靠性和高抗干扰性。

（2）满足精度与速度要求。

（3）使用维护方便，适合机床运行环境。

（4）成本低。

不同类型的数控机床对检测系统有不同的要求。

一般来说，对于大型数控机床要求速度响应快，而对于中型和高精度数控机床以满足精度要求为主。

选择测量系统的分辨率，一般要求比加工精度高一个数量级。

4.1光电编码器

编码器是一种旋转式的检测角位移的传感器，通常装在被检测的轴上，随被检测的轴一起旋转，可将被检测轴的角位移转换成增量式脉冲或绝对式代码的形式，又称脉冲编码器，

也常用它作为速度检测元件。

脉冲编码器按码盘的读取方式可分为光电式、接触式和电磁感应式。

就精度与可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其他两种，数控机床上使用光电式脉冲编码器。

光电式脉冲编码器按它每转发出脉冲数的多少来分，又有多种型号。

根据输出信号的不同，编码器可分为增量式和绝对式光电脉冲编码器。

4.1.1增量式编码器

增量式光电脉冲编码器亦称光电码盘、光电脉冲发生器等，是一种旋转式脉冲发生器，可将被测轴的角位移转换成脉冲数字。

光电式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，在数控机床上既可用做角位移检测，也可用作角速度检测，所以日前采用的越来越多。

光电编码器由带聚光镜的发光二极管（LED）、光栏板、光电码盘、光敏元器件及信号处理电路组成，其中，光电码盘是在一块玻璃圆盘上镀上一层不透光的金属薄膜，然后在上面制成圆周等距的透光和不透光相间的条纹，光栏板上具有和光电码盘相同的透光条纹。

光电码盘也可由不锈钢薄片制成。

当光电码盘旋转时，光线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化，由光敏元器件接收，光敏元器件将光信号转换成电脉冲信号。

4.2编码器在数控机床中的应用

4.2.1位移测量

在数控机床中编码器和伺服电动机同轴连接或连接在滚珠丝杠未端用于工作台和刀架的直线位移测量。

在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器，可直接测量回转工作台的转角位移。

4.2.2主轴控制

当数控车床主轴安装编码器后，则该主轴具有C轴插补功能，可实现主轴旋转与乙坐标轴进给的同步控制;恒线速切削控制，即随着刀具的径向进给及切削直径的逐渐减小或增大，通过提高或降低主轴转速，保持切削线速度不变，主轴定向控制等。

4.2.3测速

光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，因此，光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。

4.2.4零标志脉冲用于回参考点控制

采用增量式的位置检测装置，数控机床在接通电源后要回参考点。

这是因为机床断电后，系统就失去了对各坐标轴位置的记忆，所以在接通电源后，必须让各坐标轴回到机床某一固定点上，这一固定点就是机床坐标系的原点，也称机床参考点。

使机床回到这一周定点的操作称为回参考点或回零操作。

参考点位置是否正确与检测装置中的零标志脉冲有很大的关系。

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