数控铣床设计

第一章引言1.1 课题的来源数控机床的教学由于比较抽象，需要借助实验来加深对课堂知识的理解。

但由于一般数控机床体积大，价格高，软硬件不是很开放，不适合学生的教学实验。

为此设计一种功能齐全、结构简单、软硬件结构开放、成本低，且有代表性的教学实验型铣床系统。

要求结构简单，经济适用，易于推广普及，且能完成教学目的的机床。

通过本次毕业设计，得到全面的锻炼，为将来机电产品的设计和使用打下良好的基础。

1.2课题的背景和意义数控技术是机床实现自动化控制的核心技术，是机械制造业的关键技术，其水平的高低和应用程度关系到国家的战略地位和综合国力。

数控技术是一门理论性和实践性都非常强的课程，其教学必须理论联系实际。

长期以来，数控技术教学遇到几大难题：（1）课堂教学难教师在课堂上对着书本讲，学生看不见摸不着，如听天书。

（2）实验教学难由于市场没有适用教学的机床，教学中使用的都是生产型机床，这些机床体积大、造价高、使用和维护成本高，很多学校用不起，并且有的话，大多是老师演示、学生观看，很少有学生自己直接操作。

教学设备问题是制约数控技术教学质量提高的瓶颈问题，为解决数控技术教学设备问题，特进行了微型三坐标数控铣床的设计，完成了微型数控铣床的总体方案设计，确立了机床的整机结构、总体布局以及关键部件（主轴系统、进给系统等）的选型与设计，机床的本体尺寸为320mmx220mmx400mm，机床的工作空间尺寸为180mmx180mm。

该机床体积小、重量轻、功能强、成本低，非常适合课堂教学、实验教学和实训教学，节省设备购置费用和使用费用的同时，将大幅度提高教学效率和教学效果，对于改变我国数控技术人才培养模式，降低培养成本、缩短培养周期，具有重大意义。

1.3近年来国内外研究现状：国内：教学型数控铣床作为高校机械类教学数控机床操作的实验与实训，已经在一些方面达到了一定水平。

现在，教学实验型数控铣床能够实现三轴联动控制，具有直线插补、圆弧插补、点动运行、MDI运行、自动运行、模拟运行、程序的动态显示、加工轨迹的动态显示等基本功能，采用ISO规定的数控加工代码编程，同一台计算机既是编程系统又是数控系统，可以完成从复杂型面的造型、自动编程、加工模拟仿真到数控实验、数控机床使用操作培训的全过程。

教学实验型数控铣床是科研院所、高校、尤其是高职学院理想的实验、实训设备。

该微型数控铣床的研制和推广，对于改变我国数控技术人才的培养模式，降低培养成本、缩短培养周期，具有重大的意义。

但是，近几年来随着国内外数控技术的迅速发展，原来的数控铣床在硬件和软件方面都暴露出诸多缺点，该机床的重新设计、改造也迫在眉睫。

因此，为了更好的达到教学的目的，需要在原有机床的基础上进行改造和升级。

国外：美、德、日三国是当今世界上在数控机床科研、设计、制造和使用等方面技术最先进、经验最多的国家。

国外对于数控机床的研究要比较早，而且在各个方面都达到了先进的水平。

从数控机床出现至今的60年，数控机床随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。

目前，国外对数控机床的研究正朝着高速化、高精度化、功能复合化、控制智能化、微型化等方面发展，产品的技术创新与自主开发始终走在前列。

当前数控机床正向着高速高效、高精度、高可靠性、复合化、多轴化、智能化、网络化、柔性化、绿色化的方向发展。

1.4数控铣床加工的特点：数控切削加工除了包含普通铣床加工优点以外，还具有如下的特点：(1)零件加工的范围广，能加工各种形状复杂的零件并且灵活性好。

(2)能够加工普通机床难以加工的零件、加工速度快。

(3 )在零件一次装夹后能加工零件的多道工序。

(4)加工的零件精度高质量稳定性好。

(5)自动化程度高，劳动者的生产强度得以减少。

(6)生产效率高。

1.5设计方案的可行性分析:所设计的三坐标数控铣床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机，所有电机均由电脑数控装置进行控制。

设计主要对数控铣床的机构进行设计，主要有以下几个方面：X、Y,Z工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计，主轴传动系统设计，多种方案比较了解优缺点，择优选取本课题原理可靠，具体方案为用套筒式联轴器连接步进电机与滚珠丝杠，对滚珠丝杠进行一端（两端）支撑，采用圆形导轨，实现X、丫、Z轴的运动，，这种设计结构简单，安装方便，所需要的仪器设备、材料都较常用，成本较低。

有足以保证该项目完成的科研能力和充分的研发时间，和相关软硬件的配合支持。

1.6预期目标：1.运动功能的设计。

确定X、丫、Z三坐标运动形式（直线运动，回转运动）、功能（主运动，进给运动和其他运动）和步进电机、主轴电机和滚珠丝杠、轴承、导轨的选取。

2.基本参数的设计。

包括整体尺寸参数、零件尺寸参数（床身、底座、立柱、工作台、主轴、夹具），运动参数，动力参数的设计。

3.传动系统的设计。

包括传动方式、传动原理图和传动系统的设计。

4.总体结构布局的设计。

包括总体布局结构形式及总体结构布局方案图的设计第二章教学型数控铣床设计方案2.1数控铣床组成和总体布局2.1.1数控铣床的组成数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体以及辅助设备组成。

（1）主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。

（2）进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。

（3）控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。

（4）辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。

（5）机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。

2.1.2 数控铣床的常用布局数控铣床的常用布局形式有卧式铣床和立式铣床。

为了减少微型铣床占用空间，减少机床整体尺寸，并考虑应用的广泛性以及所做项目的实际情况，本设计铣床采用的布局形式为立式铣床形式，工作台X、丫轴相互叠加的十字结构，主轴在Z轴方向上移动，床身导轨水平放置，这样布局不仅有利于减少占地面积。

总体机床外型尺寸长为320mm，宽为220mm，高为400mm，工作台宽180mm，长180mm。

2.2教学型数控铣床总体传动方案的设计本机床可以实现X轴、丫轴和Z轴三坐标联动，采用套筒联轴器连接步进电机和滚珠丝杠，对滚珠丝杠采用一端支撑，采用圆形导轨，通过步进电机带动丝杠旋转，后通过丝杠螺母将丝杠的旋转运动转化为X和丫轴的水平直线运动和Z轴的上下移动。

教学型数控铳床大致三维图教学型数控铳床大致二维图由于所设计的实验型数控铣床不同于一般实用加工型数控铣床，它主要用来教学实验，加工材料主要是石蜡或塑料，机床设计手册中没有针对此种材料列出铣削力的计算公式，即使套用软的材料来估算铣削力，也难免引起大的误差。

因此，不能完全按照以前的设计计算方法来进行设计，必须综合考虑各个方面的因素和在教学中的实际情况，力争做到最优化的设计。

接下来一章就来介绍实验型数控铣床机械部分的主要设计过程。

第三章机械部分设计3.1电机的选取3.1.1主电机的选取3.1.1.1铣削力的计算长期以来人们已经对铣削加工时的铣削力有了广泛深入的研究。

但人们对铣削力的研究只是针对特定特定加工条件下的特定工件，没有一套应用于各种场合的铣削力计算公式。

现实生活中人们设计的数控的通用机床希望应用性强，能满足各种加工要求，能应用于大多数场合。

因此，在对切削力的计算上，不能不考虑实际情况而用一些依靠纯理论推倒的公式和理论。

但是，此次设计我们可以用切削力的经验计算公式，因为切削力的经验计算公式是人们在现实生活中积累的，可以满足现实生活中大多数机床的切削力计算，具有很强的实用性。

因此，对于本次设计切削力的计算可采用经验公式，切削力可分解为三个分力：Z向的主铣削力F z以及X、丫向的铣削分力F x、F y。

现假设刀具材料为高速钢，工作材料为铝（门=100MP a）。

Z轴铣削工作时铣削力的计算：最大铣削直径d max=10mm，最小直径dmin = 5mm。

由《实用机床手册》得：铣削功率P m F V 46勺0铣削力F^642a p a f 072a w0.86d o^-86ZK FZ铣削力修正系数K FZ二K mFZ K FZ K kFZ高速钢铣刀ro=15，前角系数K FZ =0.93主偏角k =75 K kFz =1.0因此匕K FZ =1 0.93 1.0匚b —工件材料的抗拉强度；a p —铣削深度；a f—毎齿进给量；a w —铣削宽度；d o —铣削直径；Z—铣刀齿数，现取a f=0.05mm/Z a p =4mm Z=2 d。

=10mm a w =5mmn=400r/mi n ，0.72 0.86 _0.86F Z =642X 4X 0.05 X 5 X 10 一X 2X 0.9255=302.9NV=心n/1000 =3.14X 10X 400/1000=12.56m/minP m =302.9X 12.56/60000=85.32W6汉103,1,1,2主电机的选择选主轴电机时按铣削计算。

因为铣削时最大的铣削力为：0.72 0.86 _0.86F Z =642X 4X 0.05 X 5 X 5 X 2X 0.9255=549.86NV=廡d。

n/1000 =3.14X 5X 1500/1000=23.55m/minP m =549.86X 23.55/60000=0.215kW6 汉104主轴功率P= P m/0.88 =0.25/0.88=0.244kW所以选电动机为P m=300W，型号：57BL-3030H1-LS-B3.1.2步进电机的种类、结构、工作原理及选型计算步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。

在此伺服驱动系统中，步进电机作为执行元件。

而步进电机受驱动控制系统控制，驱动控制系统通过控制步进电机电极的通电顺序和脉冲频率，将电信号转化为具有一定速度、大小和方向的机械转角位移量，后通过传动机构实现工作台的运动。

但由于此驱动系统没不存在反馈检测环节，因此精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。

但它的结构和控制简单、比较容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。

3.121 步进电机的种类步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。

由于分类方式的不同，步进电机可以分为多种类型，如表所示3.1.2.2 步进电机的结构目前，我国使用的步进电机大多为反应式步进电机。

反应式步进电机可分为轴向和径向分相两种形式，见表所述。

图4-2为一个典型的径向分相、单定子式、反应式的步进电机的结构原理图。