XK5040数控立式铣床及控制系统设计.doc

2 III关键词1总体设计IV1.1、铣床简介IV1.2、XK5040型数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系统图...IVXK5040型数控铣床的总体布局IVXK5040型数控铣床的主要技术参数V总传动系统图VII主运动系统设计VIII2.1传动系统设计VIII参数的拟定VIII传动结构或结构网的选择VIII转速图拟定X齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制XII.2传动件的估算与验算XVI传动轴的估算和验算XVI.2.2齿轮模数的估算XIX.3展开图设计XXIV.3.1结构实际的内容及技术要求XXIV.3.2齿轮块的设计XXV2.3.3传动轴设计XXVIII2.3.4主轴组件设计XXXI2.4制动器设计XXXVII2.4.1按扭矩选择XXXVII2.5截面图设计XXXVIII2.5.1轴的空间布置XXXVIII2.5.2操纵机构XXXIX2.5.3润滑XXXIX.5.4箱体设计的确有关问题XLI3进给系统设计XLI.1总体方案设计XLI.1.1对进给伺服系统的基本要求XLI.1.2进给伺服系统的设计要求XLI.1.3总体方案XLII.2进给伺服系统机械部分设计XLIII.2.1确定脉冲当量，计算切削力XLIII3.2.2滚珠丝杆螺母副的计算和造型XLV3.2.3齿轮传动比计算LIV3.2.4步进电机的计算和选型LV.2.5进给伺服系统机械部分结构设计LXV4控制系统设计LXVIII4.1绘制控制系统结构框图LXVIII选择中央处理单元（CPU的类型LXIX4.3存储器扩展电路设计LXIX.3.1程序存储器的扩展LXX.3.2数据存储器的扩展LXXI.4I/O接口电路及辅助电路设计LXXI.4.1I/O接口电路设计.4.2步进电机接口及驱动电路参考文献致谢LXXILXXIIILXXVI错误！未定义书签总结错误！未定义书签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、丫、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400mm1.2、XK5040型数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系统图型数控铣床的总体布局图1.1所示为XK5040型数控铣床的布局图，床身6固定在底座1上，用于安装与支承机床各部件操纵台10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16、横向溜板12安装在升降台15上，通过纵向进给伺服电动机13、横向进给伺服电动机14和垂直升降进给服电动机4的驱动，完成X、丫、Z坐标进给。

强电柜2中装有机床电器部分的接触器、继电器等变压器器箱3安装在床身立柱的后面数控柜7内装有机床数控系统保护开关811可控制纵向行程硬限位；挡铁9为纵向参考点设定挡铁主轴变速手柄和按钮板5用于手动控制主轴的正、反转、停止及切削液开停等1—底座j2—强电柜）3—变压議箱*4—步进电动机扌5-主轴变递乎捕和按钮板*廉身；7—数控艳*氛□—保护开爻；旦一掛铁；10—撫纵台*12—横向溜極$13—纵何进给步讲电机;14—橫向进给步进电机j蛤一升降台匚代一纵向工柞台图1.1XK5040铳床外观图型数控铣床的主要技术参数机床设计的初使，首先需确定有关参数，它们是传动设计和就亿个度微设计的依据，影响到产品是否能满足所需要的功能要求，因此，参数拟定是机床设计中的重要问题机床参数有主参数和基本参数主参数是最重要的，它直接反映机床的加工能力、特性、决定和影响其他基本参数的数值如铣床的工作台宽度等基本参数是一些与加工工件尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的参数可归纳为：尺寸参数、运动参数和动力参数XK5040型数控铣床的主要技术参数如下:工作台：工作台尺寸（长X宽）工作台最大纵向行程工作台最大横向行程工作台最大垂直行程工作台T型槽数工作台T型槽宽工作台T型间距主轴：主轴锥度主轴孔径刀杆直径主轴前轴承直径主轴轴向移动距离部件间主要尺寸：立铣头最大回转角度主轴端面到工作台面的距离主轴中心线至床身垂直导轨距离工作台侧面至床身垂直导轨距离机动性能：主轴转速级数主轴转速范围动力外形：主电机功率主电机转速工作台进给量：纵向1600X400mm900mm375mm400mm318mm100mm50#（7：24）27mm32mm或50mm90mm70mm45°50〜400mm430mm30〜405mm1830〜1500r/min7.5KW1450r/min10〜1500mm/min10〜1500mm/min横向垂直定位精度ISO标准10〜600mm/minX0.07mmY0.05mmZ0.06mm重复定位精度ISO标准0.03mm工作台最大承载200kg机床外形尺寸（长X宽X高）机床重量总传动系统图2495mmX2100mmX2170mm约2700kgXK5040立式铣床的总的传动系统图如图1.2所示。

图1.2XK5040总传动系统图2主运动系统设2.1传动系统设计参数的拟定选定公比，确定各级传送机床常用的公比为1.26或1.41,考虑适当减少相对速度损失，这里取公比为=1.26，根据给出的条件：主运动部分Z=18级，根据标准数列表，确定各级转速为：(30，37.5,47.5,60，75,95，118,150，190,235,300,375,475,600,750,950,1180,1500R/min).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，各传动组分别有知丄2.Z3个传动副，即Z=Z1Z2Z3传动副数由于结构的限制，通常采用P=2或3,即变速Z应为2或3的因子：Z=2ax2b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，或一个定比传动副。

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=3x33x29的传动中，扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而，18=33x3x29的传动顺序不一致，根据“前密后疏”的原则，选择18=3x33x2g的结构式4验算变速组的变速范围齿轮的最小传动Umin-1/4，最大传动比Umax乞2，决定了一个传动组的最大变速范围Ymax=Umax/Umin因此，可按下表，确定传动方案:根据传动比及指数x,x'的值'公比极限值传动比指数°、、..、1.26x值：Umin=1/*x=1/46X值：Umax=F=23（x+x'）值：rmin=忙权=89因此，可选择18=3x5x29的传动方案5最后扩大传动组的选择正常连续顺序扩大传动（串联式）的传动式为：Z=z-i111*z2〔z匕Z1最后扩大传动组的变速范围为:r=©Z11Z2(Zi」)1=©(z_z/2)因此，传动方案18=3*3*2符合上述条件，其结构网如下图2.1：一—N~7////Z//7(////(X/////丿SXxX/6<$

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: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nd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Pnd=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nmax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，查表，其型号为丫132M-4，其主要性能如下表电机型号额定功率KW何载转速r/min同步转速r/minY132M-47.5KW144015002分配最小传动比，拟定转速图（1）丨【轴的转速：。