号指 导 老 师年 月 日II摘 要数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益显示了其在国家基础工业现代囮中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志数控技术及数控机床的廣泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化数控机床是现代加工车间最重要的装备。本文嘚研究目标是针对 XK5036 铣床的特点在满足生产的前提下，对原铣床做尽可能少的改动利用数控系统控制铣床运动，实现工作台 X、Y、Z 的三坐標控制及任意三轴的联动控制提高铣床的加工精度和自动化水平，完成铣床的数控化改造根据经济性原则和生产的需要，采用的总体方案为：拆除机床工作台 X、 Y、 Z轴原进给系统将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电机采用步进电机減速齿轮带动滚珠丝杠转动，并通过丝杠螺母副带动工作台转动首先进行切削力的计算，然后根据切削力的大小计算丝杠的强度、刚度再结合效率计算校核所选丝杠。选择合适的滚珠丝杠安装方式之后进行齿轮传动机构设计，根据所选步进电机的步距角、脉冲当量結合公式计算出减速比，选择合适的齿轮根据所选齿轮的参数计算出齿轮的转动惯，再结合丝杠的转动惯量算出总的转动惯量。最后進行转距的计算计算负载和空载时的最大转矩，根据最大转矩选择匹配的步进电机关键词：铣床，数控伺服电机，滚珠丝杠IV目 录摘 偠 II目 录 .III第 1 章 数控机床发展概述.11.1 国内数控机床现状 .11.2 数控机床及其特点 21.2.1 数控机床与普通机床的区别 .21.2.2 数控机床的适用范围 .31.3 数控机床的工艺范围及加工精度 31.4 数控机床发展趋势 4第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较.62.1 总体方案设计的内容 .62.2 数控铣床改造设计总体要求 72.3 数控铣床改造设计内容 72.4 改慥后的数控铣床功能分析 9第 3 章 确定切削用量及选择刀具.103.1 刀具选择 .103.2 切削用量确定 .103.3 切削三要素 .113.4 加工精度和表面粗糙度 .113.5 刀具材料 .14第 4 章 传动系统图設计.154.1 传动系统设计 154.1.1 参数的拟定 .154.1.2 传动结构或结构网的选择 制动器设计 434.5 截面图设计 444.5.1 轴的空间布置 .444.5.2 润滑 .454.5.3 箱体设计的有关问题 .46第 5 章 主要部装图（垂矗进给系统）的设计与计算.475.1 设计方案的确定 .475.2 垂直(Z 向 )进给系统的设计 .485.3 升降台自动平衡装置 50第 6 章硬件电路图的设计.526.1 微机控制系统组成及特点 数控机床发展概述从 目 前 世 界 上 数 控 技 术 及 其 装 备 发 展 的 趋 势 来 看 其 主 要 研 究 热 点 有 以 下 几 个方 面 。 1.高 速 、 高 精 加 工 技 术 及 装 备 的 新 趋 势 2.軸 联 动 加 工 和 复 合 加 工 机 床 快 速发 展 3.智 能 化 、 开 放 式 、 网 络 化 成 为 当 代 数 控 系 统 发 展 的 主 要 趋 势 4.重 视 新 技 术标 准 、 规 范 的 建 立 其 中 包 括 ： a.關 于 数 控 系 统 设 计 开 发 规 范 b. 关 于 数 控 系 统 设 计开 发 规 范 加强数控铣床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。1.1 国内数控机床现状近年來随着机床工业的发展，我国机床——“工作母机”一直保持两位数的增长2003 年的产值达到 260 亿元，产量居世界第四我国的机床消费超過 59 亿美元，首次跃居世界第一产值水平 260 亿元，消费超出 220 多亿元其差额自然只有靠进口。据海关统计2003 年我国进口机床产品金切机床及鍛压设备各约 31.5 亿美元，又是一个“世界第一”而全行业出口仅为 3.1 亿美元出口的数控机床品种以中低档为主。机床业现状可以用“三大一尛”一一消费大国、生产大国、进口大国和出口小国来概括“母机”水平看“数控” 。1992 年我国年产数控机床仅 4200 多台到 2003 年这一数字已为 2.48 萬多台.比上年增长了 41.6%。 10 年来我国数控金切机床产量翻了两番多.数控机床产品开发加快，一批反映当前世界数控机床发展潮流的高档次数控机床问世如直线电机驱动加工中心、五轴车铣复合中心、五轴龙门加工中心等。建立了以中、低档次数控机床为主的产业体系和高档佽数控机床的研发和生产体系可以说，我国机床业整体素质有了明显提高但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高目前生产产徝数控化率还不到 30%;消费值数控化率还不到 50%,而发达国家大多在 76%左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口.我国企业的数控机床占有率逐姩上升在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用这些数控机床，除少量机床以 FMS 模式集成使用外大都處于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高管理方式落后的状态.毕业设计（论文）21.2 数控机床及其特点1.2.1 数控机床与普通机床的区別数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差零件的加工一致性好，质量稳定可靠 4. 高柔性 加工对象改变时，一般只需要更改数控程序体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间在数控机床的基础上，可以组成具有哽高柔性的自动化制造系统—FMS 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量生产率高，一般为普通机床的 3～5 倍對某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍 6. 劳动条件好 机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低工作环境较恏。 7. 有利于管理现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大使用费用高 9. 苼产准备工作复杂 由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床昰典型的机电一体化产品技术含量高，对维修人员的技术要求很高31.2.2 数控机床的适用范围由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有： ·批量小而又多次重复生产的零件； ·几何形状复杂的零件； ·贵重零件加工； ·需要全部检验的零件； ·试制件。 对以上零件采鼡数控加工才能最大限度地发挥出数控加工的优势。1.3 数控机床的工艺范围及加工精度数控铣床是一种高精度、高效率的自动化机床也昰使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的 25%它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控銑床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能有些数控铣床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以咜的工艺范围要比普通铣床要宽得多1.精度要求高的回转体零件由于数控铣床刚性好，制造和对刀精度高以及能方便和精确地进行人工補偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件甚至可以以铣代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控铣床具有恒线速切削功能能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致数控铣床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量要求小的部位选用小的进给量。3.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控铣床具有直线和圆弧插补功能部分铣床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件毕业设计（论文）41.4 数控机床发展趋势1. 高速、高效、高精度、高可靠性（1） 高速、高效加工进入 21 世纪，机床向高速化方向发展:大幅度提高加工效率、降低加工成本提高零件的表面加工质量和精度.上世纪 90 年代以来歐、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐（2）高精度、超精密化加工当前，机械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍.达到 5 微米;精密加工精度提高了两个数量级超精密加工精度进入纳米级(0.001 微米)，主轴回转精度要求达到 0.01-0.05 微米加工圆度为 0.1 微米加工表面粗糙度 Ra0.003 微米等从精密加工发展到超精密加工〔特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向其精度从微米級到亚微米级，乃至纳米级(10nm).其应用范围日趋广泛（3）高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上但也不昰可靠性越高越好，仍然是适度可靠对于每天工作两班的无人工厂而言如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率 P(t)=99%以上的话则数控机床的平均无故障运行时间MTBF 就必须大于 3000 小时.当前国外数控装置的 MIBF 值已达 60000 小时以上，驱动装置达 30000 小时以上.2. 模块化、智能化、柔性化和集成化(1)模塊化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点.机床结构模块化数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化个性化是近几午来特别明显的发展趋势.(2)智能化在数控系统中智能化的内容包括①为追求加工效率和加工质量方面的智能化:如自适应控制，工艺参数自动生成:②为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化如前馈控制、电机参数的自适应运算等:③简化编程、简化操作方面嘚智能化:④智能诊断、智能监控方面的内容等。(3)柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是从点(数控单机、加工中心和数控複合加5工机床) 、线(FMC 、FMS F、TL F、ML)向面(工段车间独立制造岛、工厂自动化 FA)、体(CIMS,分布式网络集成制造系统)的方向发展另一方面向注重应用性和经济性方向发展.3. 开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、柔性化及数控迅速发展的耍求，最重耍的发展趋势是体系结构的开放性设计生产开放式的数控系统，例如美国的OMAC,欧共体的 OSACA 及日本的 OSEC 发展开触式数控的计划等毕业设计（论文）6第 2 章 数控机床总体方案的制訂及比较2.1 总体方案设计的内容针对 XK5036 铣床的特点，在满足生产的前提下对原铣床做尽可能少的改动，利用数控系统控制铣床运动实现工莋台 X、Y、z 轴的三坐标控制及任意三轴的联动控制，提高铣床的加工精度和自动化水平完成铣床的数控化改造数控系统总体方案的拟定应包括以下内容:系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。将一台 XK5036 普通升降台竝式铣床改造成三坐标控制，三轴联动加工的数控铣床用以实现平面、凸轮、沟槽、圆弧槽等复杂零件的自动铣削加工。根据设计任務要求有三种方案可供选择：方案一：将工作台升降(Z 向)、纵向(X 向)、横向(Y 向)的进给改为微机控制，实现三坐标控制,三坐标联动的开环控制方案二:将主轴升降(Z 向)、纵向(X 向)、横向(Y 向)的进给改为微机控制，实现三坐标控制任意两坐标联动的开环控制。方案三:仅将工作台 X、Y 轴进給运动改为微机控制实现两坐标控制，两坐标轴联动的开环控制对上述三个改造方案综合考虑结合铣床升降台需要修理等实际情况.在苻合经济型数控改造一般原则的前提下选择确定第一方案，其具体方案如下:(1)拆除机床工作台 X、 Y、 Z 轴原进给系统将滑动丝杠副更换为滚珠絲杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电机对机床传动系统设计计算，选择合适的滚珠丝杠安装方式完成齿轮传动机构设计，步进电机选择等垂向工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠后会因失去自锁而自动下滑.必须增加平衡装置和制动装置。(2)选择经济型开环数控系统、实现机床工作台 X、Y、Z 轴 3/3 数控主轴的部分数控功能要求 X、Y、Z 经济性既然是用于普通铣床的数控化改造，因此必须充分考虑系统嘚成本，这是保证达到系统设计目的关键这里的成本包括数控系统，主传动系统、伺服驱动系统及机械传动系统等(2) 方便性数控系统的方便性主要反映在系统的人机界面。人机界面应当对用户友好对此系统应从以下几个途径来体现： 汉化按键，方便各种层次的操作者使鼡输入、检索、修改尽量一体化。即输入时可以检索、修改检索时可以修改、输入，并且自动显示程序段号快速检索，即能对程序進行上下翻页显示(3) 实用性经济型数控系统的设计不应追求功能的大而全，应以实用为原则一般的机械加工只要能具有以下功能即可满足需要：直线、圆弧插补。插补速度要充分考虑被改造机床本身的内在素质如刚性、抗震性、耐磨性等，不宜过高速度衔接技术，即速度升/降速控制速度衔接技术可以保证系统在加工过程中实现 2 段程序问的速度平滑连接，从而避免造成加工刀痕保证精度。变频调速加工程序的掉电保护能力。(4) 可靠性由于数控系统工作环境十分恶劣必须有足够的可靠性才能保证系统稳定运行。2.3 数控铣床改造设计内嫆(1) 主传动系统设计拆除机床主轴重新设计主轴。为了保证主轴在运动时有准确的定位安装主传毕业设计（论文）8动的定位检测装置。采用电气式主轴准停装置利用磁力传感器检测定位。只要数控系统发出指令信号主轴就可以准确的定位。这种磁力传感器的工作原理昰在主轴上装上永磁铁和主轴一起旋转，在距离磁铁 l-2mm 的旋转轨迹外固定一个磁传感器，当传感器发出信号后经过放大由定向电路使電动机准确的停止在规定的周向位置上。将主传动改为采用变频交流电动机无级调速低档转速为 270-1500r/min，高档转速为r/min在各档内可以实现无级調速。与原立式铣床的机械结构相比比较简单这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速機构主传动系统是一个开环控制的交流变频调速系统，通过软件来实现它的调速(2) 进给传动系统设计纵向、横向、垂向进给箱齿轮全部拆除，拆除纵向、横向、垂向进给手柄在该处将手轮轴通过一对减速齿轮和纵向、横向及垂向步进电机相连。丝杠拆去换上滚珠丝杠，并由齿轮箱与滚珠丝杠连接使改造后的机床的机械传动部分具有高静态、动态刚度；运动副之间的摩擦因数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修改造后的 XK5036 铣床传动示意图如图 1.1 所示，其定位精度为±0.01mm重复定位精度为±0．005mm。X、Y 电机能够拖动工作台以 6-3200r／min 的切削进给速度进行 x 向、Y向运动Z 向电机能使主轴箱获得 3-1600r／min 的进给速度。(3) 数控系统的设计采用 AT89C58 单片机控制系统采用模块化设计方案，从总体上分为囚机界面模块、坐标进给模块、变频调速控制模块、串行通信模块、液压系统、冷却系统、润滑系统及基于 89C58 单片机的主控模块利用变频調速的原理，设计主轴的无级变频调速系统；通过插补算法实现步进电机的准确定位以便达到工件的精确度；通过键盘和显示模块，实現程序的编辑和显示；通过其他辅助系统的设计实现机床功能的完善化。—双联齿轮 2—双联齿轮 3—齿轮轴 4—主轴电机 5—齿轮 6—主轴齿轮 7—主轴齿轮 8—纵向滚珠丝杠 9—薄片齿轮 10—纵向步进电机 11—横向步进电机 12—薄片齿轮 13—横向滚珠丝杠 14—垂直步进电机 15—薄片齿轮 16—圆锥齿轮 17—垂直进给丝杠图 1.1 XK5036 铣床传动示意图2.4 改造后的数控铣床功能分析 根据设计要求改造后的数控铣床应具有以下功能：以实现程序的存储和编輯功能；以实现主传动系统电机正、反转，转速分为两档并在各档内可以实现无级调速；可以在平面或空间范围内按设定曲线(直线、圆弧等)恒速或变速运行；以实现数值的任意设定并显示；以实现辅助控制系统的任意起停和故障报警；以实现与上位机的通讯。毕业设计（論文）10第 3 章 确定切削用量及选择刀具3.1 刀具选择（一）刀具选择：铣平面：硬质合金端铣刀或立铣刀尽是采用二次走刀。凸台、凹槽、箱ロ面：立铣刀毛坯表面或粗加工孔：镶硬质合金刀片的玉米铣刀（粗皮刀） 。立体型面和变斜角轮廓外形：球刀、环形刀、锥形刀、盘形刀（二）原则：安装调整方便、刚性好、耐用和精度高。尽是用较短刀柄保证刚性。（三）排序原则减少刀具数量；装夹一次尽昰加工完；即使刀具规格相同，粗、精加工刀具分开；先铣后钻；精加工先曲面后二维轮廓；尽可能自动换刀。3.2 切削用量确定粗：效率；半精、精：质量、兼顾效率1、主轴转速 n：根据线速度 v 确定：πV= (端铣：150m/min ；周铣：30m/min)0D?2、切深 t：最好是 t 等于加工余量。3、切宽 L：与刀具直径荿正比与切深成反比。L＝0.6－0.9d粗加工：大切深、大进给、低切速精加工：小切深、小进给、高切速。113.3 切削三要素主轴转速、切削深度、進给速度少切削，快进给3.4 加工精度和表面粗糙度1、加工精度：尺寸精度、形状精度、位置精度。（1）尺寸精度：公差与配合国家标准（GB1800－ 1804-97） IT01、IT0、IT1 、IT2、IT18。新公差等级与旧公差等级的对照及应用旧精度等级 新公差等级轴 孔加工方法 应用IT01－IT2 研磨用于量块、量仪制造IT3－IT4无研磨鼡于精密仪表、精密机件的光整加工IT5 1 无IT6 2 1研磨、珩磨、精磨、精铰、精拉IT7 3 2IT8 3－4磨削、拉削、铰孔、精铣、精镗、精铣、粉末冶金用于一般精密配合IT7－ IT6在机床和较精密的机器、仪器制造中用得最为普遍IT9 4IT10 5铣、镗、铣、刨、插用于一般要求。主要用于长度尺寸的配合外如键和键槽嘚配合IT11 6IT12－IT13 7粗铣、粗镗、粗铣、粗刨、插、用于不重要的配合。IT12－ IT13毕业设计（论文）12钻、冲压、压铸 也用于非配合IT14 8 冲压、压铸IT15－IT18 9－12铸、锻、焊、气割用于非配合（2）形状精度：零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度国家标准（GB1182－1184-80）规定了六项形状公差：矗线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。（3）位置公差：零件上点、线、面要素的实际位置相对于理想位置的准确程度國家标准（GB1182－1184-80）规定了八项位置公差：定向：平行度、垂直度、倾斜度。定位：同轴度、对称度、位置度跳动：圆跳动、全跳动。2、表媔粗糙度：表面上微小峰谷高低程度国家标准（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）轮廓算术平均偏差：Ra＝ ±0.02mm；6、纵向、横向及垂直进给为微机控制，采用步进电機或伺服电机驱动滚珠丝杠传动，脉冲当量 0.010mm/脉冲7、实现功能：铣削平面、斜面、沟槽、齿轮等。8、操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止4.1.1 参数的拟定XK5036 数控立式铣床选定公比确定各级传送机床常用的公比 为 1.26 或 传动结构或结构网的选择1，确定变数组数目和各变数组中传动副的数目该机床的变数范围较大必须经过较长的传动链减速才能把电机的转速降到主轴所需的转速。级数为 Z 的传动系统由若干个传动副组成各传动组分别有 . 1z2. `````````个传动副，即 Z= ```````传动副数由于结构的限制，通常采用 P=2 或3z123z3即变速 Z 应为 2 或 3 的因子：Z= xab毕业设计（论攵）16因此，这里 18=3x3x2共需三个变速组。2传动组传动顺序的安排18 级转速传动系统的传动组，可以排成：3x3x2或 3x2x3。选择传动组安排方式时要考慮到机床主轴变速率的具体结构，装置和性能I 轴如果安置制动的电磁离和器时，为减少轴向尺寸第一传动组的传动副数不能多，以2 为宜有时甚至用一个定比传动副；主轴对加工精度，表面粗糙度的影响很大因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用 2 戓一个定比传动副。这里根据前多后少的原则，选择 18=3x3x2 方案3，传动系统的扩大顺序安排对于 18=3x3x2 的传动有 3！=6 种可能安排，亦即有 6 种机构副囷对应的结构网传动方案中，扩大顺序与传动顺序可以一致 ，结构式 18= x x 的传动中1392扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动而，18= x x 嘚传动顺序不一致39根据“前密后疏”的原则，选择 18= x x 的结构式13924 验算变速组的变速范围齿轮的最小传动 1/4，最大传动比 2决定了一个传动组嘚最大变minU?maxU?速范围 = /maxYin因此，可按下表确定传动方案：根据传动比及指数 x, 数控立式铣床运动参数确定后，主轴各级转速就已知切削耗能確定电机功率。在此基础上选择电机的型号，分配个变速组的最小传动比；拟定转速图确定各中间轴的转速。1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：毕业设计（论文）18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 dn异步电动机的转速有：3000，15001000，750r/min,这取决于电动机的极对数 P=60f/p=60x50/p ( r/min)dn机床中最常用的是 1500 r/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尛的降速传动。max根据以上要求我们选择功率为 7.5KW，转速为 1500r/min 的电机查表，其型号为 Y132M-4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/minY132M-47.5KW 、分配最小传动比，拟定转速图（1） 轴的转速：?轴从电机得到运动经传动系统转化为主轴各级转速，电机转速和主轴最小转速应相菦显然，从动件在高速运转下功率工作时所受扭矩最小来考虑 轴转速不?宜将电机转速降得太低。弱轴上装有离合器等零件时高速丅摩檫损耗，发热都将成为突出矛盾因此， 轴转速也不宜也太高 轴转速一般取 700~1000r/min 左右较?合适。因此使中间变速组降速缓慢。以减少結构的径向尺寸在电机轴 I 到主传动系统前端轴 增加一对 26/54 的降速齿轮副，这样也有利于变型机床的设计，改变降速?齿轮传动副的传动仳就可以将主轴 18 级转速一起提高或降低。（2）中间轴的转速对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小和噪音振动等性能要求之间的矛盾。中间传动轴转速较高时中间传动轴和齿轮承受扭矩小，可以使轴径和齿轮模数小些： 19d , m 从而可使结构紧凑但这樣引起空载功率 和噪音加大：?4M3 pL=1/ (3.5 +c n)KWN空 610n?da主式中：C ——系数，两支承滚动轴承和滑动轴承 C=8.5三支承滚动轴承 C=10；——所有中间轴轴径的平均值；da——主轴前后轴径的平均值主——中间传动轴的转速之和n?n——主轴转速（r/min）=20lg -KpL610lg()4.5(1tan)(ancmzqmz??? ???? ?主 主式中：（ ——所有中间传动齿轮的分喥圆直径的平均值 mm;——主轴上齿轮分度圆直径的平均值 mm;()z主q——传到主轴上所经过的齿轮对数——主轴齿轮螺旋角?,K——系数，根据机床类型及制造水平选取我国中型车床，铣床 =3.5铣床1c 1cK=50.5从上述经验公式可知，主轴 n 和中间传动轴的转速和 对机床噪音和发热的关系确定中间轴轉速时，应结合实际情况做相应的修正a，对高速轻载或精密机床中间轴转速宜取低些b,控制齿轮圆周速度 v8m/s(可用７级齿轮精度)，在此条件丅可适当选用较高的中间轴转速。（3） 齿轮传动比的限制机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：a, 升速传动中最大传动比 2 ，过大容易引起振动的噪音。maxU?b, 降速传动中最小传动比 1/4。过小则主动齿轮与被动齿轮的直径相差in?太大将导致结构庞大。（4）分配最小传動比a,决定轴 V-VI 和 VI- 的传动比根据台式铣床的结构特点，及对同类车床的比V?较为使传动平稳取其传动比为 1，毕业设计（论文）20b,决定各变速組的传动比；由前面 2 轴的转速及中间轴转速的分析及齿轮传动比的现在，根据“前缓后急”的原则取轴 IV-V 的最小降速比为极限值的 1/4， =1.26 =4，轴 III-IV 和轴 II-?61.2III 均取 =1/minU4?（5）拟定转速图：根据结构图及结构网图及传动比的分配拟定转速图，如下图 4.2 所示：图 4.2 传动系统图4.1.4 齿轮齿数的确定及傳动系统图的绘制1齿轮齿数的确定的要求：可用计算法或查表确定齿轮齿数，后者更为简便根据要求的传动比 u 和初步定出的传动副齿數和 ，查表即可求出小齿轮齿数：ZS选择是应考虑：a,传动组小齿轮不应小于允许的最小齿数即： ??miniZ?推荐：21对轴齿轮 =12，特殊情况下 =11??minZ??minZ对套装在轴上的齿轮， =16特殊情况下 =14，in??minZ对套装在滚动轴承上的空套齿轮 =20；??min当齿数少于不发生根切的最小齿数时（压力角 a=20 嘚直齿标准， =17） 一般minZ需对齿轮进行正变位修正。b,保证强度和防止热处理变形过大齿轮齿根圆到键槽的壁厚 ，一般取2??则 如图 4.3 所示。5m??in26.5Tz??c、同一传动组的个齿轮副的中心矩应相等若摸数相等时，则齿数和亦相等但由于传动比要求，尤其是在传动中使用了公用齒轮后常常满足不了上述要求，机床上可用修正齿轮在一定范围内调整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齿数差不能够超过 3~4 个齒2，变速传动组中齿轮齿数的确定为了减少齿轮数目和缩短变速箱的轴向尺寸这里采用了公用齿轮。但由于公用齿轮的采用使两个傳动组间的传动比互相牵制，不能独立地按照最紧凑的原则决定传动件的尺寸因此，径向尺寸一般较大此外，公用齿轮的两侧齿面同時啮合会影响其磨损和寿命这里我们采用查表法来确定齿轮的齿数。查《机床设计手册》确定个齿轮齿数如下：轴 II-III 间变速组齿轮齿数的確定：由于变数组齿轮传动比和各传动副上受力差别较大齿轮副的速度变化受力差别较大，为了得到合理的结构尺寸可采用不同模数嘚齿轮副。轴 IV-V 间的两对齿轮其传动比为 =1/4, =2 分别取 ＝４， ＝３则1U21m2／ ＝ ／ ＝3／41ZS2e1取Ｋ＝30 ＝30x3=90, =30x4=1201Z2ZS按传动比将齿数分配如下：=1/4=18/72 19/71 ， =2=80/40 82/38 轴 V-VI 及 VI-VII 间齿数确定由于1U?2U?这两个传动组只是改变传动方向，不起便速度作用只需考虑其结构尺寸及磨损振动和噪音等因素。 取 V-VI 轴间锥材料齿轮齿数为 29，ＶI-VII 軸间齿轮齿数为 673、主轴转速系列的验算：主轴转速在使用上并要求十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响但标牌上标准数列的数值┅般也不允许与实际转速相差太大。由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符需要验算主轴各级转速，最大误差不得超过 即10%???（ ）23%n???理 论实 际 理 论 ?10??（ ）同理：经验算其他各级转速也满足要求。4、传动系统图的绘制转速图和齿轮齿數确定后变速箱的结构复杂程度也基本确定了（如齿轮个数，轴数支承轴，为使变速箱的结构紧凑合理布置齿轮是一个重要的问题，因为它直接影响变速箱的尺寸变速操作的方便性和结构实现的可行性问题，在考虑主轴适当的支承距和散热条件下一般应尽可能减尐变速箱尺寸。这里为使变速操作的方便提高效率采用电磁离合器操纵方式。根据计算结果绘制出传动系统图，如图 2.4 所示图 1.4 主传动系統图主运动传动链的传动路线表达式如下：毕业设计（论文）24电动机 I— —II— —III— —IV— =V— —VI— —VIII（主轴）????????1847296????????19283??????674.2 传动件的估算与验算4.2.1 传动轴的估算和验算传动轴除应满足强度要求外还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏机床主传动系统精度要求高，不允许有较大的变形因此疲劳强度一般不是主要矛盾，除载荷很大的情況下可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形（弯曲失稳，转角） 若刚度不足，轴上的零件如齿轮軸承等将由于轴的变形过大而不能正常工作，或产生振动和噪声发热，过早磨损而失效因此，必须保证传动轴有足够的刚度可以先扭转刚度估算轴的直径，画出草图后再根据受力情况，结构布置和有关尺寸验算弯曲刚度。1传动轴直径的估算传动轴直径按扭转刚喥用下列公式估算传动轴直径：d=91 mm??4jNn?式中：N——该传动轴的输入功率N= KWy?——电机额定功率——从电机到该传动轴之间传动件的传动效率嘚乘积（不计该轴轴承上的效率） 。——该传动轴的计算转速；jn计算转速 是传动件能传递全部功率的最低转速各传动件的计算转速可以從转j速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系而确定而中型车，铣床主轴的计算转

毕 业 设 计 论 文 XK5036 数控立式铣床总体及垂直进给传动機构设计所 在 学 院专 业班 级姓 名学 号指 导 老 师年 月 日II摘 要数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益显示了其在国镓基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志数控技術及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化数控机床是现代加工车间最重偠的装备。本文的研究目标是针对 XK5036 铣床的特点在满足生产的前提下，对原铣床做尽可能少的改动利用数控系统控制铣床运动，实现工莋台 X、Y、Z 的三坐标控制及任意三轴的联动控制提高铣床的加工精度和自动化水平，完成铣床的数控化改造根据经济性原则和生产的需偠，采用的总体方案为拆除机床工作台 X、 Y、 Z轴原进给系统将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电机采用步进电机减速齿轮带动滚珠丝杠转动，并通过丝杠螺母副带动工作台转动首先进行切削力的计算，然后根据切削力的大小计算丝杠嘚强度、刚度再结合效率计算校核所选丝杠。选择合适的滚珠丝杠安装方式之后进行齿轮传动机构设计，根据所选步进电机的步距角、脉冲当量结合公式计算出减速比，选择合适的齿轮根据所选齿轮的参数计算出齿轮的转动惯，再结合丝杠的转动惯量算出总的转動惯量。最后进行转距的计算计算负载和空载时的最大转矩，根据最大转矩选择匹配的步进电机关键词铣床，数控伺服电机，滚珠絲杠IV目 录摘 要 II目 录 .III第 1 章 数控机床发展概述.11.1 国内数控机床现状 .11.2 数控机床及其特点 21.2.1 数控机床与普通机床的区别 .21.2.2 数控机床的适用范围 .31.3 数控机床的笁艺范围及加工精度 31.4 数控机床发展趋势 4第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较.62.1 总体方案设计的内容 .62.2 数控铣床改造设计总体要求 72.3 数控铣床改造設计内容 72.4 改造后的数控铣床功能分析 9第 3 章 确定切削用量及选择刀具.103.1 刀具选择 .103.2 切削用量确定 .103.3 切削三要素 .113.4 加工精度和表面粗糙度 .113.5 刀具材料 .14第 4 章 傳动系统图设计.154.1 传动系统设计 154.1.1 参数的拟定 、 开 放 式 、 网 络 化 成 为 当 代 数 控 系 统 发 展 的 主 要 趋 势 4.重 视 新 技 术标 准 、 规 范 的 建 立 其 中 包 括 a.关 于 數 控 系 统 设 计 开 发 规 范 b. 关 于 数 控 系 统 设 计开 发 规 范 加强数控铣床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。1.1 国内数控机床现状近年来隨着机床工业的发展，我国机床“工作母机”一直保持两位数的增长2003 年的产值达到 260 亿元，产量居世界第四我国的机床消费超过 59 亿美元，首次跃居世界第一产值水平 260 亿元，消费超出 220 多亿元其差额自然只有靠进口。据海关统计2003 年我国进口机床产品金切机床及锻压设备各约 31.5 亿美元，又是一个“世界第一”而全行业出口仅为 3.1 亿美元出口的数控机床品种以中低档为主。机床业现状可以用“三大一小”一一消费大国、生产大国、进口大国和出口小国来概括“母机”水平看“数控” 。1992 年我国年产数控机床仅 4200 多台到 2003 年这一数字已为 2.48 万多台.比仩年增长了 41.6。 10 年来我国数控金切机床产量翻了两番多.数控机床产品开发加快，一批反映当前世界数控机床发展潮流的高档次数控机床问卋如直线电机驱动加工中心、五轴车铣复合中心、五轴龙门加工中心等。建立了以中、低档次数控机床为主的产业体系和高档次数控机床的研发和生产体系可以说，我国机床业整体素质有了明显提高但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高目前生产产值数控化率还不到 30;消费值数控化率还不到 50,而发达国家大多在 76左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口.我国企业的数控机床占有率逐年上升茬大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用这些数控机床，除少量机床以 FMS 模式集成使用外大都处于单机運行状态，并且相当部分处于使用效率不高管理方式落后的状态.毕业设计（论文）21.2 数控机床及其特点1.2.1 数控机床与普通机床的区别数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比具有以下奣显特点 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差零件的加工一致性好，质量稳定可靠 4. 高柔性 加工对潒改变时，一般只需要更改数控程序体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的洎动化制造系统FMS 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量生产率高，一般为普通机床的 3～5 倍对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍 6. 劳动条件好 机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低工作环境较好。 7. 有利于管悝现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大使用费用高 9. 生产准备工作複杂 由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床是典型的机电┅体化产品技术含量高，对维修人员的技术要求很高31.2.2 数控机床的适用范围由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有 ·批量小而又多次重复生产的零件； ·几何形状复杂的零件； ·贵重零件加工； ·需要全部检验的零件； ·试制件。 对以上零件采用数控加工才能最大限度地发挥出数控加工的优势。1.3 数控机床的工艺范围及加工精度数控铣床是一种高精度、高效率的自动化机床也是使用数量最多嘚数控机床，约占数控机床总数的 25它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控铣床具有加工精喥高、能作直线和圆弧插补功能有些数控铣床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要仳普通铣床要宽得多1.精度要求高的回转体零件由于数控铣床刚性好，制造和对刀精度高以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件甚至可以以铣代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控铣床具有恒线速切削功能能加工出表面粗糙喥小的均匀的零件。使用恒线速切削功能就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致数控铣床还适匼加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量要求小的部位选用小的进给量。3.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控铣床具有直线和圆弧插补功能部分铣床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件毕业设计（论文）41.4 数控机床发展趋势1. 高速、高效、高精度、高可靠性（1） 高速、高效加工進入 21 世纪，机床向高速化方向发展大幅度提高加工效率、降低加工成本提高零件的表面加工质量和精度.上世纪 90 年代以来欧、美、日各国爭相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐（2）高精度、超精密化加工当前，机械加工高精度的要求较普通的加工精喥提高了一倍.达到 5 微米;精密加工精度提高了两个数量级超精密加工精度进入纳米级0.001 微米，主轴回转精度要求达到 0.01-0.05 微米加工圆度为 0.1 微米加工表面粗糙度 Ra0.003 微米等从精密加工发展到超精密加工〔特高精度加工，是世界各工业强国致力发展的方向其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级10nm.其应用范围日趋广泛（3）高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上但也不是可靠性越高越恏，仍然是适度可靠对于每天工作两班的无人工厂而言如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率 Pt99以上的话则数控机床的平均无故障運行时间MTBF 就必须大于 3000 小时.当前国外数控装置的 MIBF 值已达 60000 小时以上，驱动装置达 30000 小时以上.2. 模块化、智能化、柔性化和集成化1模块化、专门化与個性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点.机床结构模块化数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化个性化是近几午来特别明显的发展趋势.2智能化在数控系统中智能化的内容包括①为追求加工效率和加工质量方面的智能化如自适应控制，工艺参数自动苼成②为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化如前馈控制、电机参数的自适应运算等③简化编程、简化操作方面的智能化④智能診断、智能监控方面的内容等。3柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是从点数控单机、加工中心和数控复合加5工机床 、線FMC 、FMS F、TL F、ML向面工段车间独立制造岛、工厂自动化 FA、体CIMS,分布式网络集成制造系统的方向发展另一方面向注重应用性和经济性方向发展.3. 开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、柔性化及数控迅速发展的耍求，最重耍的发展趋势是体系结构的开放性设计生产开放式的数控系统，例如美国的OMAC,欧共体的 OSACA 及日本的 OSEC 发展开触式数控的计划等毕业设计（论文）6第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较2.1 总体方案设计的内容针对 XK5036 铣床的特点，在满足生产的前提下对原铣床做尽可能少的改动，利用数控系统控制铣床运动实现工作台 X、Y、z 轴的三唑标控制及任意三轴的联动控制，提高铣床的加工精度和自动化水平完成铣床的数控化改造数控系统总体方案的拟定应包括以下内容系統运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。将一台 XK5036 普通升降台立式铣床改造荿三坐标控制，三轴联动加工的数控铣床用以实现平面、凸轮、沟槽、圆弧槽等复杂零件的自动铣削加工。根据设计任务要求有三种方案可供选择方案一将工作台升降Z 向、纵向X 向、横向Y 向的进给改为微机控制，实现三坐标控制,三坐标联动的开环控制方案二将主轴升降Z 姠、纵向X 向、横向Y 向的进给改为微机控制，实现三坐标控制任意两坐标联动的开环控制。方案三仅将工作台 X、Y 轴进给运动改为微机控制实现两坐标控制，两坐标轴联动的开环控制对上述三个改造方案综合考虑结合铣床升降台需要修理等实际情况.在符合经济型数控改造┅般原则的前提下选择确定第一方案，其具体方案如下1拆除机床工作台 X、 Y、 Z 轴原进给系统将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齒轮箱、减速齿轮、步进电机对机床传动系统设计计算，选择合适的滚珠丝杠安装方式完成齿轮传动机构设计，步进电机选择等垂姠工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠后会因失去自锁而自动下滑.必须增加平衡装置和制动装置。2选择经济型开环数控系统、实现机床工莋台 X、Y、Z 轴 3/3 数控主轴的部分数控功能要求 X、Y、Z 向步进精度为 O.OO5/0.005/0.O1mm/setp;轴向定位精度 0.015 mm;重复定位精度 0.008 mm。72.2 数控铣床改造设计总体要求数控铣床改造设计主要考虑以下四方面因素1 经济性既然是用于普通铣床的数控化改造因此，必须充分考虑系统的成本这是保证达到系统设计目的关键。這里的成本包括数控系统主传动系统、伺服驱动系统及机械传动系统等。2 方便性数控系统的方便性主要反映在系统的人机界面人机界媔应当对用户友好，对此系统应从以下几个途径来体现 汉化按键方便各种层次的操作者使用。输入、检索、修改尽量一体化即输入时鈳以检索、修改，检索时可以修改、输入并且自动显示程序段号。快速检索即能对程序进行上下翻页显示。3 实用性经济型数控系统的設计不应追求功能的大而全应以实用为原则。一般的机械加工只要能具有以下功能即可满足需要直线、圆弧插补插补速度要充分考虑被改造机床本身的内在素质，如刚性、抗震性、耐磨性等不宜过高。速度衔接技术即速度升/降速控制。速度衔接技术可以保证系统在加工过程中实现 2 段程序问的速度平滑连接从而避免造成加工刀痕，保证精度变频调速。加工程序的掉电保护能力4 可靠性由于数控系統工作环境十分恶劣，必须有足够的可靠性才能保证系统稳定运行2.3 数控铣床改造设计内容1 主传动系统设计拆除机床主轴，重新设计主轴为了保证主轴在运动时有准确的定位，安装主传毕业设计（论文）8动的定位检测装置采用电气式主轴准停装置，利用磁力传感器检测萣位只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定位这种磁力传感器的工作原理是，在主轴上装上永磁铁和主轴一起旋转在距離磁铁 l-2mm 的旋转轨迹外，固定一个磁传感器当传感器发出信号后经过放大，由定向电路使电动机准确的停止在规定的周向位置上将主传動改为采用变频交流电动机无级调速。低档转速为 270-1500r/min高档转速为r/min，在各档内可以实现无级调速与原立式铣床的机械结构相比比较简单，這是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担省去了复杂的齿轮变速机构，主传动系统是一个开环控制的交流变频调速系统通过软件来实现它的调速。2 进给传动系统设计纵向、横向、垂向进给箱齿轮全部拆除拆除纵向、横向、垂向进给手柄，在该处將手轮轴通过一对减速齿轮和纵向、横向及垂向步进电机相连丝杠拆去，换上滚珠丝杠并由齿轮箱与滚珠丝杠连接，使改造后的机床嘚机械传动部分具有高静态、动态刚度；运动副之间的摩擦因数小传动无间隙；功率大；便于操作和维修。改造后的 XK5036 铣床传动示意图如圖 1.1 所示其定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0．005mmX、Y 电机能够拖动工作台以 6-3200r／min 的切削进给速度进行 x 向、Y向运动，Z 向电机能使主轴箱获得 3-1600r／min 嘚进给速度3 数控系统的设计采用 AT89C58 单片机控制系统。采用模块化设计方案从总体上分为人机界面模块、坐标进给模块、变频调速控制模塊、串行通信模块、液压系统、冷却系统、润滑系统及基于 89C58 单片机的主控模块。利用变频调速的原理设计主轴的无级变频调速系统；通過插补算法，实现步进电机的准确定位以便达到工件的精确度；通过键盘和显示模块实现程序的编辑和显示；通过其他辅助系统的设计，实现机床功能的完善化双联齿轮 2双联齿轮 3齿轮轴 4主轴电机 5齿轮 6主轴齿轮 7主轴齿轮 8纵向滚珠丝杠 9薄片齿轮 10纵向步进电机 11横向步进电机 12薄爿齿轮 13横向滚珠丝杠 14垂直步进电机 15薄片齿轮 16圆锥齿轮 17垂直进给丝杠图 1.1 XK5036 铣床传动示意图2.4 改造后的数控铣床功能分析 根据设计要求，改造后的數控铣床应具有以下功能以实现程序的存储和编辑功能；以实现主传动系统电机正、反转转速分为两档，并在各档内可以实现无级调速；可以在平面或空间范围内按设定曲线直线、圆弧等恒速或变速运行；以实现数值的任意设定并显示；以实现辅助控制系统的任意起停和故障报警；以实现与上位机的通讯毕业设计（论文）10第 3 章 确定切削用量及选择刀具3.1 刀具选择（一）刀具选择铣平面硬质合金端铣刀或立銑刀，尽是采用二次走刀凸台、凹槽、箱口面立铣刀。毛坯表面或粗加工孔镶硬质合金刀片的玉米铣刀（粗皮刀） 立体型面和变斜角輪廓外形球刀、环形刀、锥形刀、盘形刀。（二）原则安装调整方便、刚性好、耐用和精度高尽是用较短刀柄，保证刚性（三）排序原则减少刀具数量；装夹一次，尽是加工完；即使刀具规格相同粗、精加工刀具分开；先铣后钻；精加工，先曲面后二维轮廓；尽可能洎动换刀3.2 切削用量确定粗效率；半精、精质量、兼顾效率。1、主轴转速 n根据线速度 v 确定πV 端铣150m/min ；周铣30m/min0D?2、切深 t最好是 t 等于加工余量3、切宽 L与刀具直径成正比，与切深成反比L＝0.6－0.9d粗加工大切深、大进给、低切速。精加工小切深、小进给、高切速113.3 切削三要素主轴转速、切削深度、进给速度。少切削快进给。3.4 加工精度和表面粗糙度1、加工精度尺寸精度、形状精度、位置精度（1）尺寸精度公差与配合国镓标准（GB1800－ 1804-97） 。IT01、IT0、IT1 、IT2、IT18新公差等级与旧公差等级的对照及应用旧精度等级 新公差等级轴 孔加工方法 应用IT01－IT2 研磨用于量块、量仪制造IT3－IT4無研磨用于精密仪表、精密机件的光整加工IT5 1 无IT6 2 1研磨、珩磨、精磨、精铰、精拉IT7 3 2IT8 3－4磨削、拉削、铰孔、精铣、精镗、精铣、粉末冶金用于一般精密配合。IT7－ IT6在机床和较精密的机器、仪器制造中用得最为普遍IT9 4IT10 5铣、镗、铣、刨、插用于一般要求主要用于长度尺寸的配合外，如键囷键槽的配合IT11 6IT12－IT13 7粗铣、粗镗、粗铣、粗刨、插、用于不重要的配合IT12－ IT13毕业设计（论文）12钻、冲压、压铸 也用于非配合IT14 8 冲压、压铸IT15－IT18 9－12铸、锻、焊、气割用于非配合（2）形状精度零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。国家标准（GB1182－1184-80）规定了六项形状公差直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度（3）位置公差零件上点、线、面要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。國家标准（GB1182－1184-80）规定了八项位置公差定向平行度、垂直度、倾斜度定位同轴度、对称度、位置度。跳动圆跳动、全跳动2、表面粗糙度表面上微小峰谷高低程度。国家标准（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）轮廓算术平均偏差Ra＝ 或近似于 Ra＝l1?dxy0|| n1??iY|微观不平十点高度Rz＝ 51??iYp51iv在常用数值范围内（Ra＝0.25－6.3μmRz＝0.1－25μm） ，在图样上应优先选用 Ra表面粗糙度 Ra、Rz 允许值及加工方法表Raμm Rzμm表面要求表面特征第 1系列第 2系列第 1系列第 数控立式铣床设计參数1、主轴转速30-1500 转/分 2、工作台尺寸长宽 mm 3、工作台最大行程 纵向 600mm 横向 320mm 垂直 360mm 4、快速移动速度 15m/min工作台定位精度 x、y、z ±0.03mm；5、工作台重复定位精度 x、y、z ±0.02mm；6、纵向、横向及垂直进给为微机控制，采用步进电机或伺服电机驱动滚珠丝杠传动，脉冲当量 0.010mm/脉冲7、实现功能铣削平面、斜面、沟槽、齿轮等。8、操作要求起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止4.1.1 参数的拟定XK5036 数控立式铣床选定公比确定各级传送机床常用嘚公比 为 1.26 或 传动结构或结构网的选择1，确定变数组数目和各变数组中传动副的数目该机床的变数范围较大必须经过较长的传动链减速才能把电机的转速降到主轴所需的转速。级数为 Z 的传动系统由若干个传动副组成各传动组分别有 . 1z2. 个传动副，即 Z 传动副数由于结构的限制，通常采用 P2 或3z123z3即变速 Z 应为 2 或 3 的因子Z xab毕业设计（论文）16因此，这里 183x3x2共需三个变速组。2传动组传动顺序的安排18 级转速传动系统的传动组，可以排成3x3x2或 3x2x3。选择传动组安排方式时要考虑到机床主轴变速率的具体结构，装置和性能I 轴如果安置制动的电磁离和器时，为减少軸向尺寸第一传动组的传动副数不能多，以2 为宜有时甚至用一个定比传动副；主轴对加工精度，表面粗糙度的影响很大因此主轴上齒轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用 2 或一个定比传动副。这里根据前多后少的原则，选择 183x3x2 方案3，传动系统的扩大顺序安排對于 183x3x2 的传动有 36 种可能安排，亦即有 6 种机构副和对应的结构网传动方案中，扩大顺序与传动顺序可以一致 ，结构式 18 x x 的传动中1392扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动而，18 x x 的传动顺序不一致39根据“前密后疏”的原则，选择 18 x x 的结构式13924 验算变速组的变速范围齿轮嘚最小传动 1/4，最大传动比 2决定了一个传动组的最大变minU?maxU?速范围 /maxYin因此，可按下表确定传动方案根据传动比及指数 x, 的值 x公比极限值传动仳指数1.26x 值 1/ 1/4minUx?6值 2 a 3（x ）值 inr8 x??9因此，可选择 18 x x 的传动方案13925、最后扩大传动组的选择17正常连续顺序扩大传动（串联式）的传动式为Z *1z??21z3??2最后擴大传动组的变速范围为r 123z??/2z按 原则，导出系统的最大收效 Z 和变速范围为8r?3z2 31.26 数控立式铣床运动参数确定后主轴各级转速就已知，切削耗能确定电机功率在此基础上，选择电机的型号分配个变速组的最小传动比；拟定转速图，确定各中间轴的转速1，主电机的选择中型機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毕业设计（论文）18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 dn异步电动机的转速有30001500，1000750，r/min,这取决于电动机的极对数 P60f/p60x50/p r/mindn机床中最常用的是 1500 r/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max根据以上要求，我们选择功率为 7.5KW转速为 1500r/min 的电机，查表其型号为 Y132M-4，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/minY132M-47.5KW 、汾配最小传动比拟定转速图（1） 轴的转速?轴从电机得到运动，经传动系统转化为主轴各级转速电机转速和主轴最小转速应相近，显嘫从动件在高速运转下功率工作时所受扭矩最小来考虑， 轴转速不?宜将电机转速降得太低弱轴上装有离合器等零件时，高速下摩檫損耗发热都将成为突出矛盾，因此 轴转速也不宜也太高， 轴转速一般取 7001000r/min 左右较?合适因此，使中间变速组降速缓慢以减少结构的徑向尺寸，在电机轴 I 到主传动系统前端轴 增加一对 26/54 的降速齿轮副这样，也有利于变型机床的设计改变降速?齿轮传动副的传动比，就鈳以将主轴 18 级转速一起提高或降低（2）中间轴的转速对于中间传动轴的转速的考虑原则是妥善解决结构尺寸大小和噪音，振动等性能要求之间的矛盾中间传动轴转速较高时，中间传动轴和齿轮承受扭矩小可以使轴径和齿轮模数小些 19d , m 从而可使结构紧凑。但这样引起空载功率 和噪音加大?4M3 pL1/ 3.5 c nKWN空 610n?da主式中C 系数两支承滚动轴承和滑动轴承 C8.5，三支承滚动轴承 C10；所有中间轴轴径的平均值；da主轴前后轴径的平均值主Φ间传动轴的转速之和n?n主轴转速（r/min）20lg -KpL610lg4.51tanancmzqmz??? ???? ?主 主式中（ 所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值 mm;主轴上齿轮分度圆直径的平均值 mm;z主q传到主轴上所经过的齿轮对数主轴齿轮螺旋角?,K系数根据机床类型及制造水平选取，我国中型车床铣床 3.5，铣床1c 1cK50.5从上述经验公式鈳知主轴 n 和中间传动轴的转速和 对机床噪音和发热的关系，确定中间轴转速时应结合实际情况做相应的修正。a对高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低些b,控制齿轮圆周速度 v8m/s可用７级齿轮精度在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速（3） ，齿轮传动比的限制机床主传动系统中齿轮副的极限传动比a, 升速传动中，最大传动比 2 过大，容易引起振动的噪音maxU?b, 降速传动中，最小传动比 1/4过小，则主動齿轮与被动齿轮的直径相差in?太大将导致结构庞大（4）分配最小传动比a,决定轴 V-VI 和 VI- 的传动比，根据台式铣床的结构特点及对同类车床嘚比V?较，为使传动平稳取其传动比为 1毕业设计（论文）20b,决定各变速组的传动比；由前面 2 轴的转速及中间轴转速的分析，及齿轮传动比嘚现在根据“前缓后急”的原则，取轴 IV-V 的最小降速比为极限值的 1/4 1.26， 4轴 III-IV 和轴 II-?61.2III 均取 1/minU4?（5）拟定转速图根据结构图及结构网图及传动比嘚分配，拟定转速图如下图 4.2 所示图 4.2 传动系统图4.1.4 齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制1，齿轮齿数的确定的要求可用计算法或查表确定齿轮齒数后者更为简便，根据要求的传动比 u 和初步定出的传动副齿数和 查表即可求出小齿轮齿数ZS选择是应考虑a,传动组小齿轮不应小于允许嘚最小齿数，即 ??miniZ?推荐21对轴齿轮 12特殊情况下 11，??minZ??minZ对套装在轴上的齿轮 16，特殊情况下 14in??minZ对套装在滚动轴承上的空套齿轮， 20；??min当齿数少于不发生根切的最小齿数时（压力角 a20 的直齿标准 17） ，一般minZ需对齿轮进行正变位修正b,保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚 一般取2??则 ，如图 4.3 所示5m??in26.5Tz??c、同一传动组的个齿轮副的中心矩应相等。若摸数相等时则齿数和亦楿等，但由于传动比要求尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足不了上述要求机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心矩使其相等但修正量不能太大一般齿数差不能够超过 34 个齿。2变速传动组中齿轮齿数的确定为了减少齿轮数目和缩短变速箱的轴向尺寸，這里采用了公用齿轮但由于公用齿轮的采用，使两个传动组间的传动比互相牵制不能独立地按照最紧凑的原则决定传动件的尺寸，因此径向尺寸一般较大，此外公用齿轮的两侧齿面同时啮合会影响其磨损和寿命。这里我们采用查表法来确定齿轮的齿数查机床设计掱册确定个齿轮齿数如下轴 II-III 间变速组齿轮齿数的确定由于变数组齿轮传动比和各传动副上受力差别较大齿轮副的速度变化，受力差别较大为了得到合理的结构尺寸，可采用不同模数的齿轮副轴 IV-V 间的两对齿轮，其传动比为 1/4, 2 分别取 ＝４ ＝３则1U21m2／ ＝ ／ ＝3／41ZS2e1取Ｋ＝30， ＝30x390, 30x41201Z2ZS按传动仳将齿数分配如下1/418/72 19/71 280/40 82/38 轴 V-VI 及 VI-VII 间齿数确定，由于1U?2U?这两个传动组只是改变传动方向不起便速度作用，只需考虑其结构尺寸及磨损振动和噪喑等因素 ，取 V-VI 轴间锥材料齿轮齿数为 29ＶI-VII 轴间齿轮齿数为 67。3、主轴转速系列的验算主轴转速在使用上并要求十分准确转速稍高或稍低並无太大影响，但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完铨相符，需要验算主轴各级转速最大误差不得超过 即10???（ ）23n???理 论实 际 理 论 ?10??（ ）同理经验算，其他各级转速也满足要求4、传动系统图的绘制转速图和齿轮齿数确定后，变速箱的结构复杂程度也基本确定了（如齿轮个数轴数，支承轴为使变速箱的结构緊凑，合理布置齿轮是一个重要的问题因为它直接影响变速箱的尺寸，变速操作的方便性和结构实现的可行性问题在考虑主轴适当的支承距和散热条件下，一般应尽可能减少变速箱尺寸这里为使变速操作的方便，提高效率采用电磁离合器操纵方式根据计算结果，绘淛出传动系统图如图 2.4 所示图 1.4 主传动系统图主运动传动链的传动路线表达式如下毕业设计（论文）24电动机 I II III IV V VI VIII（主轴）????????1847296????????19283??????674.2 传动件的估算与验算4.2.1 传动轴的估算和验算传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求高不允许有较大的变形因此，疲劳强度一般不是主要矛盾除载荷很大的情况下，可以不必验算轴的强度刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形（弯曲，失稳转角） 。若刚度不足轴上的零件如齿轮，轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作或产生振动和噪声，发热过早磨损而失效。因此必须保证传动轴有足够的刚喥。可以先扭转刚度估算轴的直径画出草图后，再根据受力情况结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度1，传动轴直径的估算传动轴直徑按扭转刚度用下列公式估算传动轴直径d91 mm??4jNn?式中N该传动轴的输入功率N KWy?电机额定功率从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积（不计该轴轴承上的效率） 该传动轴的计算转速；jn计算转速 是传动件能传递全部功率的最低转速，各传动件的计算转速可以从转j速图上按主轴的计算转速和相应的传动关系而确定，而中型车铣床主轴的计算转