数控雕铣机进给系统机械设计.doc

《数控雕铣机进给系统机械设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控雕铣机进给系统机械设计.doc（22页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 衢州学院衢州学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目：目： 数控雕铣机进给系统机械设计数控雕铣机进给系统机械设计 作作 者：者： 杨志锋杨志锋 系系 （部）：（部）： 机械工程学院机械工程学院 专业班级：专业班级： 机械设计与制造机制（机械设计与制造机制（2）班）班 指导教师：指导教师： 田敬田敬 职职 称：称： 讲师讲师 二二 O 一一年一月十八日一一年一月十八日 I 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 课题名称数控雕铣机进给系统机械设计 系 别机械工程学院专业/班级 机械设计与制造 级（2）班 学生姓名杨志锋学 号22 指导教师田敬单位/职称机械工程学院/讲师 课题来源

2、科研课题成果形式论文 所属岗位机械加工与设计 一、毕业设计（论文）课题的主要内容、任务和目标、基本要求等： 根据已知条件确定极限转速、公比、结构网和结构式、绘制转速图，得到主运动传 动系统图；设计雕铣机进给运动传动系统图，得到各轴的计算转速；设计三个方向进给 运动；进给运动的转速和功率扭矩特性；三个方向进给运动是如何实现的；进给运动的 部件和零件如何选择；进给运动零件的计算校核。齿轮间隙的消除和丝杠螺母机构的预 紧等。完成一张进给运动装配图和进给运动零件图。 二、实践要求： 顶岗实习单位要与机械加工岗位相关，时间 12周，要求熟悉所使用的机械加工工具的 工作原理，并能熟练操作加工出合理的零件，

3、对零件的加工工艺和工序及整件的装配有 所了解。加强动手能力的培养。 加强对数控机床的认识和操作，能独立解决机床方面简 单的问题，并对自己的毕业设计做修改和完善。 三、进度安排 1.校内查阅文献资料，完成开题报告；（2 周） 2.根据数控雕铣机的具体参数，确定总体设计方案；合理选取电动机；（1 周） 3.根据总体设计方案，进行进给运动设计与校核（2 周） 4.完成装配图和零件图的绘制，顶岗实习；（1 周） 5.整理毕业设计论文资料，准备毕业答辩；（1周） 6.毕业答辩；（ 1周） II 四、推荐的主要参考资料 1范云涨,陈兆年.金属切削机床设计简明手册.机械工业出版社,1994.7 2翁世修,王

4、良申.金属切削机床设计指导.交通大学出版社, 1988.2 3毛谦德,李振清.机械设计师手册第二版.机械工业出版社,2004.1 4黄鹤汀.金属切削机床上、下册 .机械工业出版社,2005.7 5李澄,吴天生,闻百桥.工程制图第二版.高等教育出版社,2004.2 6郁汉琪.机床电气控制技术.高等教育出版社,2006.1 7郁汉琪.机床电气实验、课程设计指导书.北京：高等教育出版社， 2001.7 8中国纺织大学，天津大学机床设计图册.科技技术出版社, 1979.6 9陈立德.机械设计基础.高等教育出本社，2004.4 指导教师签名 田 敬 2009 年 12 月 12 日 专业负责人签名 徐惠

5、敏 2009 年 12 月 13 日 I 数控雕铣机进给系统机械设计 摘 要 雕铣机（CNC engraving and milling machine）它是数控机床 的一种。.一般认为雕铣机是使用小刀具、大功率和高速主轴电机的 数控铣床。雕刻机的优势在雕，如果加工材料硬度比较大也会显得力 不从心。雕铣机的出现可以说填补李两者之间的空白。雕铣机既可以 雕刻，也可铣削，是一种高效高精的数控机床。雕铣机这个概念最先 是由佳铁提出并且实现的。 本次的课题设计就是通过对 X 轴系统的重力计算、横向进给运动 的设计、滚珠丝杠的传动设计、垂向进给系统的设计等一系列的设计 计算，重点研究机床主要功能特点、机

6、床主要零部件设计计算和主轴 的转速的实现等关键问题。以达到就在保持数控雕铣机进给系统的优 点的情况下克服其缺点的目的。 关键词： 雕铣机， ，X 轴系统，滚珠丝杠，滚珠丝杠，步进电机，进给系统 I 目目 录录 第一章 前 言 .1 1 1.11.1 数控雕铣机发展现状综述数控雕铣机发展现状综述1 1 1.21.2 设计要解决的问题和拟采用的研究方法设计要解决的问题和拟采用的研究方法1 1 1.31.3 解决思路及步骤解决思路及步骤 2 2 1.41.4 机床参数机床参数2 2 第二章第二章 X X 轴系统零部件的计算与校核轴系统零部件的计算与校核4 4 2.12.1 X X 轴系统的重力计算轴

7、系统的重力计算4 4 2.22.2 横向进给运动的设计横向进给运动的设计 5 5 2.2.1 切削力计算 5 2.2.2 滚珠丝杠的设计 5 2.2.3 横向步进电机的选用 7 2.32.3 滚珠丝杠的传动设计滚珠丝杠的传动设计 8 8 2.3.1 选取滚珠丝杠的型号 8 2.3.2 丝杠传动扭矩校核 8 2.3.3 校核丝杠的当量动载 .10 2.3.4 滚珠丝杠的校核 .10 2.42.4 垂向进给系统的设计垂向进给系统的设计 1212 2.4.1 滚珠丝杠设计.12 2.4.2 垂向步进电机的选用.13 第三章第三章 结束语结束语 1515 参考文献参考文献 1616 谢谢 辞辞1717

8、 机械工程学院毕业设计（论文） 1 第一章第一章 前前 言言 1.1 数控雕铣机发展现状综述 雕铣机是使用小刀具、大功率和高速主轴电机的数控铣床。我国 的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上取得了很大的 发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可 供市场的数控机床有 1500 种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种 类别和主要的锻压机械。领域之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。 这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。 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

9、批主轴转速在 800010000rmin 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 等技术， 很多企业已开始和计划实施应用 ERP、MRP和电子商务。 1.2 设计要解决的问题和拟采用的研究方法 此次的设计任务为小型数控雕铣床的设计，撰写一份详细的设计说明书、绘 制一张小型数控雕铣床的装配图、若干零件图及 PLC 电气控制原理图。 该设计主要解决如下问题： 1.设计进给运动中各个零部件及分析其工作特点； 2.选择合理的步进电机实现三个方向的进给运动； 3.滚珠丝杠轴承的选择及定位,轴向力如何传递，间隙如何调整； 4、撰写设计说明书、绘制数控雕铣机的装配图、零件图。 拟采用的

10、研究方法： 机械工程学院毕业设计（论文） 2 1）到学校数控基地增强对数控雕铣机系统和结构的认识；拆装并测绘数控 雕铣机，使自己对数控机床有了感性的认识； 2）去学校图书馆翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍再对其系统内部零件 进行设计：机床主运动传动系统的设计；各个主运动零件工作优点；机床主要零 件部件设计计算。 3）翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍，采用小组讨论的方法共同确定 数控雕铣机的结构，并进行相关工艺参数的校核。 4）独立完成工程图的绘制。 1.3 解决思路及步骤 解决思路如图 1-1 所示。 1.机床进给运动设计 丝杠传动的结构和特点，滚珠丝杠及轴承的选择，定位；由三个不同的步进

11、 电机来控制三个方向进给运动过程。 2.机床主要零部件的设计 （1）步进电机的选择计算； （2）滚珠丝杠的设计计算； （3）滚珠丝杠的轴承的选取与校核； 图 1-1 铣床设计框图 机械工程学院毕业设计（论文） 3 1.4 机床参数 工作台尺寸 （X/Y）500/480毫米 最大行程 （X/Y/Z）400/400/150毫米 最大工件尺寸 （X/Y/Z）400毫米 最大刀具直径 （Er20）13毫米 主轴电机功 率3千瓦 最大进给 速度 5 米/分钟 主轴转速范围 1500-24000转/ 分钟 分辨率 士0.001毫米 /脉冲 定位精度 士 0.01毫米 重复定位精度 士0.005 毫米 外型

12、尺寸（长 /宽/高） 1500/1500/1800 毫米 机器总功 率5 千瓦 机器轴联动数 3 机械工程学院毕业设计（论文） 4 第二章第二章 X X 轴系统零部件的计算与校核轴系统零部件的计算与校核 2.1 X 轴系统的重力计算 主轴系统主要由三部分组成：3KW 主轴安装座、滑块及拖板。根据中的图纸 分别计算 3KW 主轴安装座、滑块的体积 V 及其重量 G。 工业用铝合金的密度； 灰铸铁的密度。 33 250 /k100 . 7mg HT 主轴安装座的体积 V1及重力 G1计算： 3392 1 m1072 . 3 102004040 2 1 22005412522005020015526

13、8 V NVgm988 . 91072 . 3 107 . 2gG 33 111 铝合金 滑块体积 V2及重力 G2计算： 339 2 1025 . 7 10573197257081129570484022468116073096270Vm NgVgmG HT 75.4938 . 91025 . 7 100 . 7 33 225022 拖板体积 V3及重力 G3计算 339 3 m1024 . 3 10425570248612062001807290450527242 V NVgmG HT 26.2228 . 91024 . 3 100 . 7 33 g325033 机械工程学院毕业设计（论文

14、） 5 2.2 横向进给运动的设计 2.2.1 切削力计算 工作台约重 30Kg 切削功率为： （2.1）NKNC 式中：主电机功率，3Kw N 主传动系统总功率系数，取 0.6 进给系统功率系数，取 0.96K 根据公式(2-1)可得：1.728 Kw C N 又因为 ，/6120 cZ NF V 则=1.058 KN 6120/ ZC FNV 式中：切削线速度，取Vmin/100mm 故主切削力：通常 KNFZ1.0580.60.9 Z FF 纵 （）0.450.7 Z FF 垂 （） 0.50.55 z FF 横 （） 取： KNFF KNFF KNFF z z Z 0.5295 . 0

15、 0.47645 . 0 0.6356 . 0 垂 横 纵 2.2.2 滚珠丝杠的设计 工作台横向进给丝杠的轴向力： （2.2） / FKFfFw 横垂轴 （） 式中：考虑颠覆力矩影响的实验系数， K 1 . 1K 工作台， w 30300WkgN 导轨上的摩擦系数， / f/ 0.15f 机械工程学院毕业设计（论文） 6 横向切削力， F横 KNF0.476 横 根据公式（2.2）得： 0.65KN轴F3 . 0529 . 0 15 . 0 476 . 0 1 . 1 强度计算 滚珠丝杠的转速： / f nVp 式中：取 60mm/minVf 滚珠丝杠螺距，6mmp 则得： /10 /min

16、 f nVpr 寿命值： =60nT/ L 6 109 式中：T寿命时间，15000h 最大负载： （2.3） 1 3 wH f f F 1轴 Q （L） 式中：运转系数，取 1.2 w f 硬度系数，取 1.1 H f 轴向切削力，0.65KNF轴 根据公式(2.3)可得： =1.7847KNQ65 . 0 1 . 12 . 1)9( 3 1 根据经验，选取滚珠丝杠的型号 FDM236LH1T7，即内循环浮动式，双螺 母垫片预紧，公称直径为 23，螺距为 6mm，左旋，一圈二列，T 型 7 级精度，滚 珠直径为 3.82（取 4）,其额定动负荷为 12.8KN，其强度够用。 （2.4） /

17、1 0 t sin 2 f g d 摩擦角 根据滚珠丝杠的型号可查得其螺旋升角； / 4 22 式中：滚动摩擦系数，取 0.001 / f 滚珠直径,4mm 0 d 滚珠与滚道的接触角，取 45 机械工程学院毕业设计（论文） 7 根据公式(2.4)可得： 1/ 0.001 t0.40524.3 0.4 sin45 2 g 则滚珠丝杠的传动效率： 0/0/ /4 22 /4 2224.30.915tgtgtgtg（）（） 2.2.3 横向步进电机的选用 1、确定步距角： 取系统的脉冲当量，选用步距角0.01/ P mm脉冲 0 0.72 b 2、启动力矩的计算： 丝杠牵引力：1.414 s FF

18、f W 当横 KN55 . 0 式中：当量摩擦系数，0.01f当 设步进电动机等效负载力矩为，负载力为 ，根据能量守恒原理，F负 电动机所做的功与负载所做的功相等，即MF L 负 则： F L M 负 又因，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移FFWF s1负 （） 量 L 为一个脉冲当量 0.001cm，这时电动机转过的负载的角度 2/360 b 故 F L M 负 1 360() 2 ps b FWF cm/04.96N 式中：机床导轨摩擦系数，取 0.18 与重力方向一致，作用在移部件上的负载力，1.165KN 1 F 如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩 取安全系数为 0.

19、25，则 对于工作方式/(0.30.5) q MM503.44/ q MN Cm 机械工程学院毕业设计（论文） 8 为五相十拍的步进电动机： max /0.707712.08/ q MMN Cm 3、步进电动机的最高频率： 取横向进给速度最大为，则步进电动机的最高频率为 max 1/minVm 。根据以上数据和经验，查机械设计手册 maxmax 1000/(60)1667 p fVHz 第 5 卷表 35.2-10 选用 90BYG5502 型步进电动机较合适，该电动机步距角为 ，最大静转距为 300，最高空载启动频率为 2200Hz。 0.36 0.72 /N Cm 2.3 滚珠丝杠的传动设

20、计 2.3.1 选取滚珠丝杠的型号 本机床主电机采用 90BYG5502 型混合式步进电机，电机的静扭矩为 300，步距角为，根据类比法选用内循环滚珠丝杠：/N Cm 0.36 0.72 FDM236LH1T7 2.3.2 丝杠传动扭矩校核 1.丝杠传动效率： / tan tanp （） 式中：中径处的螺纹升角 1 2 tan S d S螺纹导程， 6mm 丝杠中径，21mm 2 d 有 1 6 tan4.37 21 当量摩擦角 / p / /1 0 tan sin 2 f p d 机械工程学院毕业设计（论文） 9 滚动摩擦系数，0.001 / f 滚珠直径，取 4mm 0 d 滚珠与滚道的接

21、触角，45 有 / /1 0 tan sin 2 f p d 1 0.001 tan 0.4 sin45 2 0.405 所以 tan4.37 100%91.5% tan 4.370.405 （） 2.丝杠驱动扭距： 根据 （2.5） 2 PS M 式中：P所受轴向力，426N S螺纹导程，6mm 传动效率，91.5% 根据公式(2-5)可得： 426 0.006 0.445 20.915 M N m 3.丝杠传递的扭矩 / / 1.2 1012iN m / MM ，故可以使用 2.3.3 校核丝杠的当量动载 型号为 FDM236LH1T7 丝杠的当量动载为 12.8KN 丝杠的寿命系数 h

22、f 机械工程学院毕业设计（论文） 10 根据 1 3 h h L f （） 5000 式中：预期寿命，15000h h L 故有 = h f 3 1 5000 15000 1.44224 转速系数 n f 根据 1 3 33.3 n f n （） 式中：当量转速 n n max 11 5025 /min 22 nr 故有 1 3 33.3 1.1 25 n f （） 当量轴向载荷 d P max 11 757378.5 22 d PPN 丝杠当量动载 C 1.1 ndh d f f f CP 3.11 1.6 1.0 378.5 1.1 1712.212800NN 安全 2.3.4 滚珠丝杠的

23、校核 1.滚珠与螺纹滚道之间的接触变形 1 根据 2 3 1 0 1 0.0038 a P dZ （） 式中：轴向载荷，378.5N a p 滚珠直径，3.969mm 0 d 机械工程学院毕业设计（论文） 11 滚珠数量Z ZZ Z 圈数列数 一圈的滚珠数 0 0 25 3316.79 3.969 D Z d 有，取16.79 1 233.57Z 34Z 所以 22 3 1 1378.5 0.00381.2 10 3.96934 mm （） 由于滚珠丝杠已预紧， /2 1 1 1.2 106 2 m 故 2.丝杠轴向拉伸压缩变形 2 根据 5 2 3 10 L 又因为mm250L 所以 5 2

24、 250 3 107.5 m 3.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 根据 2 3 3 2 0.0024 a a P d Z 式中：轴承的滚动体直径，3.6mm a d 轴承的轴向载荷，378.5N a P 轴承的滚动体数，18 Z 所以 2 3 3 2 378.5 0.002411.9 3.6 18 m （） 4.滚珠丝杠副总变形 / 123 67.5 11.9 327 25.427.25 0.04 300 mm 符合要求 机械工程学院毕业设计（论文） 12 2.42.4 垂向进给系统的设计垂向进给系统的设计 2.4.1 滚珠丝杠设计 根据：(FkFfF 垂垂垂 +W ) 式中：考虑颠覆力矩

25、影响的实际系数，kk1.1 垂向切削分力F垂 导轨的摩擦系数，ff0.15 刀头重量WW0.210G 可得：F垂0.43KN 滚珠丝杠的转速 取 60/nVfpVf/minmm 滚珠丝杠螺距=6mm 故10/nVfp/minr 取寿命时间，则寿命值则运转系数，15000T h 1 L 6 60/109nT1.2 w f 硬度系数则最大负载1.1 h f 3 1 1.181 wh QL f f FKN 垂 根据经验选取滚珠丝杠的型号：即内循环浮动式，双25617FDMLHT 螺母垫片预紧，公称直径为 25，螺距 6，采用左旋、一圈二列、T 型mmmm 7 级精度，其额定动负荷 12.8Q，其强度

26、够用。KN 由于所选滚珠丝杠的螺旋升角，摩擦角 0 4 22 1 0 sin 2 f tg d 式中：导轨的摩擦系数，ff0.001 滚珠直径 3.969 0 dmm 滚珠与滚道的接触角 0 45 1 0 0.001 24.3 0.4 sin45 2 tg 则滚珠丝杠的传动效率： 机械工程学院毕业设计（论文） 13 00 /()4 22/(4 22 24.3)0.915tgtgtgtg91.5% 2.4.2 垂向步进电机的选用 1.确定步距角 取系统的脉冲当量，选用步距角0.01/ P mm脉冲 0 0.72 b 2.启动力矩 丝杠牵引力 S F1.414Ff W 当横 式中：当量摩擦系数，f

27、当f当0.01 因 S F0.343=1.6 0.011.414+0.32=KN 该步进电动机等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电动MF负 机所作的与负载所做的功相等 即 则 MF L 负 /MF L 负 因，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量 L 为一 1 () S FFWF 负 个脉冲当量，这时电动机转过的角度，代入得0.001cm 0 2/360 b /MF L 负 0 1 360() /2 pSb FWF 00 3600.01 0.3430.18 0.20.32/20.720.6 cm 7 . 29N 式中：机床导轨摩擦系数取 0.8KNFF165 . 1 1 重 如果不

28、考虑启动时的运动部惯性的影响，则启动力矩，取安/0.3 0.5 q M 全系数为， ，对于工作方式为四相八拍的步进电机0.3cm99 q NM 3、步进电动机的最高频率 取横向进给速度最大为，则步进电动机的最高频率为 max 1/minVm ，根据以上数据和经验范围选用 90BYG5502 型步进电 max 1000max/60p fV 1667HZ 机械工程学院毕业设计（论文） 14 动机较合适，该电动机步距角为，最大静转距为，最高空载启动 0.36 0.72 300/N Cm 频率为。2200Hz 机械工程学院毕业设计（论文） 15 第三章 结束语 经过三个多星期的奋斗，在指导老师的带领和

29、同学的帮助下，终于完成了本 次设计。本次设计的主要内容是：根据已知条件确定极限转速、公比、结构网和结 构式、绘制转速图，得到主运动传动系统图；设计雕铣机进给运动传动系统图，得到 各轴的计算转速；设计三个方向进给运动；进给运动的转速和功率扭矩特性；三个方 向进给运动是如何实现的；进给运动的部件和零件如何选择；进给运动零件的计算校 核。齿轮间隙的消除和丝杠螺母机构的预紧等。完成一张进给运动装配图和进给运动 零件图。 此次的设计任务为 CGM4300 小型数控雕铣机的设计，我们到学校数控基地增强对 数控铣床系统和结构的认识；通过拆装机床，并进行测绘，对数控机床有了感性的认识，还 去学校图书馆翻阅了一

30、些有关数控铣床的改造的书籍，对其系统内部零件进行了 设计。 通过本次对数控雕铣机主传动的设计，有机会使自己所学的知识和实践相联 系，更加深刻体会了设计的快乐，也了解了自己诸多的不足，在老师的帮助以及 在如今强大的网络支持下，一一解决了自己所遇到的所有问题，很高兴能有这样 的机会让理论与实际得到了联系，更好的巩固了自己三年来所学的，为步入社会 奠定了基础。 机械工程学院毕业设计（论文） 16 参考文献 1范云涨，陈兆年.金属切削机床设计简明手册北京：机械工业出版社,1994 2翁世修，王良申.金属切削机床设计指导上海：交通大学出版社,1988.2 3毛谦德，李振清.机械设计师手册第二版北京：机械

31、工业出版社,2004.1 4黄鹤汀.金属切削机床上、下册北京：机械工业出版社,2005.7 5李澄，吴天生，闻百桥.工程制图第二版北京：高等教育出版社，2004.2 6郁汉琪.主编机床电气控制技术北京：高等教育出版社,2006.1 7郁汉琪.主编机床电气实验、课程设计指导书北京：高等教育出版 2001.7 8中国纺织大学，天津大学机床设计图册天津：科技技术出版社, 1979.6 9陈立德机械设计基础北京：高等教育出版社，2004.4 10马朝兴.冲压模具设计手册.北京：化学工业出版社，2009.6 11贾俐俐 .挤压工艺及模具.北京：机械工业出版社，2004 12机械设计编委会.机械设计手册.

32、北京：化学工业出版社，2007 13特种加工技术.周旭光.西安：西安电子科技大学出版社，2004 14唐宗军.机械制造基础.北京：机械工业出版社,1999 15丛文龙.数控特种加工技术M.北京：高等教育出版社,2005 机械工程学院毕业设计（论文） 17 谢 辞 本次毕业设计圆满结束，此期间每一过程都得到指导教师田敬老师的悉心教 导，田老师教给我们的不仅是知识还有待人处世的积极态度，在此表示衷心的感 谢。每周安排见面会，身体力行、兢兢业业地为我们排忧解难，不仅治学严谨而 且为人师表，堪称良师益友， 还要感谢学院图书馆及图书馆热情的管理员为我提供丰富的参考资料。感谢 同学陈滢和颜巧波，他们给了我很多宝贵的意见和参考，使我获益很多，最后感 谢所有关心、帮助过我的朋友和同学。