毕业设计论文数控铣床进给系统设计.doc
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1、毕业论文论文题目: 数控铣床进给系统设计 学 院: 年 级: 专 业: 姓 名: 学 号: 指导教师: 2011年5月25日摘要 本设计主要完成XK50225数控铣床的是铣床的进给系统设计,它主要是由X方向和Y方向的进给系统设计,在经过认真的分析后,确定了该方案,然后依据有关参数设计了X,Y向的进给。控制系统的CPU采用凌阳单片机,显示器采用了液晶显示器,使用丝杠副实现XY向的进给,通过进行经济分析后,产品设计合理。关键词数控铣床;丝杠;工作台IVAbstractThe design of NC milling machine XK5025 mainly concerns the design
2、 of feed system. The movement system is composed of movement of directions marked X and Y. After careful analysis this program was fixed. Then the movement of the X and Y directions is designed according to related parameter. As to the CPU of control system, it uses the ling yang one-chip computer.
3、Display uses LCD. Vice to achieve the use of screw feed to the XY, through economic analysis, this design is reasonable.KeywordsNC milling machine; leading screw; working stag目录摘要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1数控铣床的发展前景11.2 课题提出的意义2第二章 总体设计方案32.1设计参数32.2 总方案的确定3第三章 步进电机的选择53.1 纵向、横向进给方向的步进电机的选择53.1.1 步进电机步距角
4、的确定53.1.2 电机最大静态扭矩的确定53.2 安装尺寸:6第四章 联轴器设计74.1 联轴器的种类和特性74.2 联轴器的选择74.3 键的校核8第五章 滚珠丝杠的设计95.1 滚珠丝杠的工作原理95.2滚珠丝杠的结构类型105.2.1 滚珠循环方式:105.2.2 轴向间隙的调整和预紧方法:105.2.3滚珠丝杠的安装:105.2.4 材料的选择:115.3 滚珠丝杠副的承载能力及其选用115.3.1 纵向进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用115.3.2 横向水平进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用145.4 滚珠丝杠的防护16第六章 数控系统的硬件设计176.1 数控系统的基本硬件组成17
5、6.2 步进电机的控制176.2.1 步进电机的工作原理176.2.2 步进电机的控制186.3 译码法寻址186.4 键盘显示器接口186.5 程序存储器(EEPROM)芯片186.6 数据存储器(RAM)芯片:196.7 程序流程图19总结21参考文献22附录一23附录二30致谢33数控立式铣床进给系统设计第一章 绪 论1.1数控铣床的发展前景市场的开放性和全球化,促使机床产品的竞争日趋激烈,而决定机床产品竞争力的指标是产品的开发时间(Time)、产品质量(Quality)、成本(Cost)、创新能力(Creation)和服务(Service)。用户在追求高质量产品的同时,会更多地追求低的
6、价格和短的交货期。这就要求企业改变过去传统的设计、生产和管理模式,最大限度地利用虚拟设计手段,以提高产品的质量和性能,降低成本,并努力缩短交货期,同时还需要快速响应市场和用户的变化,利用有利时机快速抢占市场。美国制造业在50至60年代主要以扩大生产规模作为企业竞争力的第一要素,而在70年代竞争力的第一要素为降低生产成本,80年代为提高产品质量,90年代为市场响应速度。所以现代每个企业都期望通过提高自身的科技含量,采用先进的设计技术和手段,以加快设计速度,提高设计质量,增强竞争力。机床总体方案虚拟设计技术就是为适应这种形势的变化而提出来的。 我国世界上机床产量最多的国家,但在国际市场竞争中仍处于
7、较低水平;即使国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。为解决这样的问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程
8、(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件,这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。同时还有,设计人员操作的和开放的CAD应用软件,这样的软件系统应采用特征建模技术、具有完备的图库结构、面向产品对象的数据管理系统并与企业的管理、工艺、制造等建立交换信息的接口;同时软件系统是一种开放环境,使设计人员可以根据自身产品设计的需要,对软件系统方便地进行修改和补充开发,建立起本企业的应用软件系统。对于机床的整体才用虚拟设计软件,整机的总体方案设计是保证产品布局合理、性能全局最优和成本合理
9、的主要环节。但机床整机总体方案设计在传统上往往依赖于人的 “智慧”,随意性很大,成为影响产品质量的关键因素,随着CAD技术、计算技术和设计方法学的发展,以及市场竞争的需要, 必须发展既基于知识,又具有科学分析和预测功能的总体方案虚拟设计软件。在设计完成后对与整体的优化设计,主要从保证整机性能的角度来研究机床总体结构的优化。这里既有建模的算法问题,也有确定载荷和边界条件的问题,更有设计人员直接参与应用和分析的问题。发展仿真技术在该领域的应用,使性能评价更直观和全面,可以使设计人员的经验和科学计算分析完美地结合在一起,以推进结构设计的创新发展。要解决长期困扰机械产品设计人员的方案设计完全依靠个别有
10、经验人员和整机结构性能优化无从下手的问题,又要为广大设计人员提供一个经过二次开发的CAD应用软件的设计系统,还需做大量的研究开发工作。还需加大对并行工程、造型、可靠性、优化设计、报价体系、评价体系和软件一体化等方面的研究工作。1.2 课题提出的意义当今机床行业的计算机数控化已成为技术进步的大趋势。数控机床是电子信息技术和传统机械加工技术结合的产物,它集现代精密机械、计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体,具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点,是当代机械制造业的主流装备。数控机床大大提高了机械加工的性能(可以精确加工传统机床无法处理的复杂零件)。有效提高了加工质量和效率,实现了柔性
11、自动化(相对于传统技术基础上的大批量生产的刚性自动化),并向智能化、集成化方向发展。在数控机床发展过程中,值得一提的是数控加工中心的出现。这是一种具有自动换刀装置的数控机床,它能实现一次装夹并进行多工序加工。这种机床在刀库中装有钻头、丝锥、铰刀、镗刀等刀具,通过程序指令自动选择刀具,并利用机械手将刀具装在主轴上,这样可大大缩短零件装缷时间和换刀时间。数控加工中心现在已经成为数控机床中一个非常重要的品种,不仅有立式、卧式等镗铣类加工中心用于箱体类零件的加工,还有车削加工中心用于回转体零件加工以及磨削加工中心等。这些高性能、高精度、高自动化的数控机床就组成了完整的数控机床家族。第二章 总体设计方案
12、方案设计主要是确定铣床工作台的纵向和横向进给的结构,传动原理以及基本的运动动力参数。2.1设计参数设计任务给出各项指标如下:1 加工对象:45号钢传动2 工作台行程:X400 Y3503 脉冲当量:0.0010.002mm2.2 总方案的确定由以上数据可以看出,该钻铣床为小型机床,且为立式。主要加工对象为普通45号钢,加工并不困难,精度要求也不是非常高。所需要的功率也不大。因此,工作台的纵向和横向的移动通过丝杠来实现,按滚珠的循环方式可分为 弯管式 回球器式 端盖式。如图2-1图2-1弯管式丝杠副弯管式丝杠副与丝母之间设有滚珠转动沟道,滚珠对沟道产生轴向负载,滚珠在丝杠轴周围做滚动运动之后,进
13、入镶在丝母内部的弯管口内,并沿弯管再次向负载区循环,从而进行无限滚动运动。这种产品(如图2-2)是滚珠丝杠副中品种最丰富的普及型产品,可广泛用于各种用途。图2-2螺母丝杠副根据题目给出的要求,在工作台控制滑动的是才用的是WL1型有衬套的丝杠结构。第三章 步进电机的选择3.1 纵向、横向进给方向的步进电机的选择3.1.1 步进电机步距角的确定根据 式中 步进电机步距角(度) 脉冲当量(mm) 滚珠丝杠螺距(mm)因为=8 mm,(mm)所以由于要满足步进电机和工作台的步距要求,因此采用联轴器结构,来传递转动。3.1.2 电机最大静态扭矩的确定负载的最大扭矩 式中 F进给方向的切削力(N);G工件
14、和工作台的质量(kg);导轨摩擦系数;丝杠的传动效率;丝杠螺距(mm)。由以上计算可知高速钢立铣的铣削圆周力最大,并且由专用机床设计与制造8表7可知,当逆铣时(取1.2),所以();G取200 kg;取0.8;取0.95;取8 mm。所以产品规格及性能所以步进电机转矩取11Nm。选择110BYG系列步进电机:型号:110BYG5200C 相数:5相 保持转矩:11 N.m。3.2 安装尺寸:步进电机的安装尺寸如图3-1图3-1步进电动机安装尺寸第四章 联轴器设计4.1 联轴器的种类和特性联轴器的所连接的两轴,由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的影响等,往往不能保证严格的对中,而是存在
15、某种程度的相对位移,如图4-1所示两种相对位移等。这就要求设计联轴器时,要从结构上采取各种不同的措施,使之具有适应一定范围的相对位移能力。 轴向位移 径向位移 图4-1 轴的相对位移根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力(即能否在发生相对位移的条件下保持连接的功能),联轴器可分为刚性联轴器(无补偿能力)和挠性联轴器(有补偿能力)两大类。4.2 联轴器的选择由于这里步进电机和丝杠的轴在同一直线上具有很好的对中,有轴向位移。所以选用刚性联轴器,刚性联轴器里套筒联轴器能很好的满足结构要求且结构相对简单便于安装,所以选用套筒联轴器。自行设计联轴器如图4-2所示:图4-2套筒联轴器4.3 键的校核套筒与丝
16、杠连接是用普通圆头平键。轴径为30mm,传动转矩为44.8Nm,载荷稳定。选择键的类型:选A型普通平键。确定键的尺寸:查表可选键的尺寸为bhl=10855 mm挤压强度:按式(10-32),并取 ;,则工作表面的挤压应力为: ,故联结能满足挤压强度要求。第五章 滚珠丝杠的设计5.1 滚珠丝杠的工作原理滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置。其工作原理如图5-1所示在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽,这两个圆弧槽合起来便形成了螺旋滚道,在滚道内装入滚珠,迫使二者发生轴向相对位移,为了防止滚珠从螺母中滚出来在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置,使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回
17、路。由于滚珠的存在,丝杠和螺母之间是滚动摩擦,仅在滚珠之间存在滑动摩擦。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。滚珠丝杠副是用制造机械设备连贯生产出来的,特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度和湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。滚珠丝杠副可以加压,由于压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高
18、的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。滚珠丝杠副由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。图5-1 滚珠丝杠螺母工作原理图5.2滚珠丝杠的结构类型 5.2.1 滚珠循环方式:滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触称谓为外循环。本方案采用外循环方式的螺旋槽式。在螺母外圆上铣有回珠槽,两个挡珠器分别位于回珠槽与螺母的螺旋滚道的联接处,利用挡珠器一端修磨的圆弧引导滚珠离开螺旋滚道进入回珠槽,以及引导滚珠由回珠槽返回螺旋滚道,形成外循环回路。螺旋槽式滚珠循环回路转折平缓,便于滚珠循环,同时结构简单、加工方便,因此在数控机床中应用较为广泛。
19、5.2.2 轴向间隙的调整和预紧方法:滚珠丝杠螺母的轴向间隙调整和预紧方法的原理与普通丝杠螺母相同,即通过调整滚珠螺母的轴向相对位置,使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面。本设计的间隙调整采用螺纹调隙式。一个滚珠螺母的外端有凸缘,而另一个外端没有凸缘而设有螺纹。用双螺母对双滚珠螺母进行轴向位置的调整和固定。旋转前螺母可使双螺母产生轴向相对位移,达到调整轴向间隙的目的,而用后螺母进行锁紧,这种方法结构简单。调整方便,因此应用广泛。缺点是调整量难以精确控制。5.2.3滚珠丝杠的安装:1支承方式按照怎样安排承受推力的轴承来分,有四种支承方式, a、双推双推;b、双推支承 ;c、单推单推;d、双推
20、自由。本仿案采用c、单推单推支承方式。数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度,除了加强滚珠丝杠螺母机构的正确安装及其支承,结构刚度也是不可忽视的因素,滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支承刚度不足,会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降。丝杠的支承轴承采用滚珠丝杠专用轴承,这是一种特殊的向心推力球轴承,其接触角增大到60度,增加了滚珠的数目并相对减少了滚珠直径,使轴向刚度增大到普通向心推力球轴承的两倍,该轴一般是成套出售,出厂时已调好预紧力,使用极为方便。丝杠两端的轴承座孔与滚珠螺母座孔应保证严格的同轴度,同时要保证滚珠螺母与座孔的配合良好以及孔对端面的垂直度,保证轴承支座和螺母支座的整体刚度、局部刚度
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