数控雕铣机进给系统机械设计

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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/讲师课题来源科研课题成果形式论文所属岗位

2、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，对零件的加工工艺和工序及整件的装配有所了解。加强

3、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,

4、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， 2001.78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 徐惠敏 2009 年 12 月 13 日 I数控雕铣机进给系统机械设计摘 要雕

5、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

6、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 11.11.1 数控雕铣机发展现状综述数控雕铣机发展现状综述.1 11.21.2 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 11.31.3 解决思路及步骤解决思路及步骤 .2 21.41.4 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 42.12.1 X X 轴系统的重力计算轴系统的重力计算.4 42.22.2 横向进给运动的设计横向进给运动的设计 .5 52.2.1 切削力计算 .

7、52.2.2 滚珠丝杠的设计 .52.2.3 横向步进电机的选用 .72.32.3 滚珠丝杠的传动设计滚珠丝杠的传动设计 .8 82.3.1 选取滚珠丝杠的型号 .82.3.2 丝杠传动扭矩校核 .82.3.3 校核丝杠的当量动载 .102.3.4 滚珠丝杠的校核 .102.42.4 垂向进给系统的设计垂向进给系统的设计 .12122.4.1 滚珠丝杠设计.122.4.2 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

8、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

9、 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。拟采用的研究方法：机械工程学院毕业设计（论文） 21）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

10、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

11、院毕业设计（论文） 31.4 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

12、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。33250/k100 . 7mgHT 主轴安装座的体积 V1及重力 G1计算： 33921m1072. 310200404021220054125220050200155268VNVgm988 . 91072. 3107 . 2gG33111铝合金 滑块体积 V2及重力 G2计算： 33921025. 710573197257081129570484022468116073096270VmNgVgmGHT75.4938 . 91025. 710

13、0 . 733225022 拖板体积 V3及重力 G3计算 3393m1024. 310425570248612062001807290450527242VNVgmGHT26.2228 . 91024. 3100 . 733g325033机械工程学院毕业设计（论文） 52.2 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 KwCN又因为，/6120cZNF V 则=1.058 KN 6120/ZCFNV 式中：切

14、削线速度，取Vmin/100mm故主切削力：通常 KNFZ1.0580.60.9ZFF纵（）0.450.7ZFF垂（）0.50.55zFF横（）取：KNFFKNFFKNFFzzZ0.5295 . 00.47645. 00.6356 . 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，K1 . 1K 工作台，w30300WkgN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. 015. 0476.

15、 01 . 1强度计算滚珠丝杠的转速： /fnVp 式中：取 60mm/minVf 滚珠丝杠螺距，6mmp则得： /10 /minfnVpr寿命值： =60nT/L6109 式中：T寿命时间，15000h最大负载： （2.3）13wHf f F1轴Q （L）式中：运转系数，取 1.2wf 硬度系数，取 1.1Hf 轴向切削力，0.65KNF轴 根据公式(2.3)可得： =1.7847KNQ65. 01 . 12 . 1)9(31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

16、3.82（取 4）,其额定动负荷为 12.8KN，其强度够用。 （2.4）/10tsin2fgd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,4mm0d 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：1/0.001t0.40524.30.4sin452g 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/Pmm脉冲00.72b2、启动力矩的计算：丝杠牵引力：1.414s

17、FFf 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 LM负 又因，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移FFWFs1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2/360b故F LM负1360()2psbFWF 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，1.165KN1F 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 0.25，则 对于工作方式/(0.30.5)qMM5

18、03.44/qMN 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/qMMN 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max1/minVm。根据以上数据和经验，查机械设计手册maxmax1000/(60)1667pfVHz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。 0.360.72/N Cm2.3 滚珠丝杠的传动设计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

19、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 Cm0.360.72FDM236LH1T72.3.2 丝杠传动扭矩校核1.丝杠传动效率： /tantanp（）式中：中径处的螺纹升角12tanSd S螺纹导程， 6mm 丝杠中径，21mm2d 有 16tan4.3721当量摩擦角/p/10tansin2fpd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 4mm0d 滚珠与滚道的接触角，45 有 /10tansin2fpd10.001tan0.4sin4520.405所以 tan4.37100%91.5%tan 4.370.405（）2.丝杠驱动扭

20、距：根据 （2.5）2PSM 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 0.0060.44520.915MN m3.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hf机械工程学院毕业设计（论文） 10根据13hhLf （）5000 式中：预期寿命，15000hhL故有 =hf315000150001.44224转速系数nf根据1333.3nfn （） 式中：当量转速 nnmax115025 /min22nr故有1

21、333.31.125nf （）当量轴向载荷dPmax11757378.522dPPN丝杠当量动载 C1.1ndhdf f fCP3.11 1.6 1.0378.51.11712.212800NN安全2.3.4 滚珠丝杠的校核1.滚珠与螺纹滚道之间的接触变形1根据 231010.0038aPdZ（）式中：轴向载荷，378.5Nap 滚珠直径，3.969mm0d机械工程学院毕业设计（论文） 11 滚珠数量Z ZZZ圈数列数 一圈的滚珠数 00253316.793.969DZd 有，取16.79 1 233.57Z 34Z所以 22311378.50.00381.2 103.96934mm（）由于滚

22、珠丝杠已预紧， /2111.2 1062m故2.丝杠轴向拉伸压缩变形2根据 523 10L 又因为mm250L所以52250 3 107.5 m 3.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3根据 23320.0024aaPd Z式中：轴承的滚动体直径，3.6mmad 轴承的轴向载荷，378.5NaP 轴承的滚动体数，18Z所以2332378.50.002411.93.6 18m（）4.滚珠丝杠副总变形/12367.5 11.932725.427.250.04 300mm符合要求机械工程学院毕业设计（论文） 122.42.4 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：(FkFf

23、F垂垂垂+W )式中：考虑颠覆力矩影响的实际系数，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 h1L660/109nT1.2wf 硬度系数则最大负载1.1hf 311.181whQL 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mmmm7 级精度，其额定动负荷 12.8Q，其强度够

24、用。KN由于所选滚珠丝杠的螺旋升角，摩擦角04 2210sin2ftgd 式中：导轨的摩擦系数，ff0.001 滚珠直径 3.9690dmm 滚珠与滚道的接触角045 100.00124.30.4sin452tg则滚珠丝杠的传动效率：机械工程学院毕业设计（论文） 1300/()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/Pmm脉冲00.72b2.启动力矩丝杠牵引力SF1.414Ff W当横 式中：当量摩擦系数，f当f当0.01因SF0.343=1.6 0.011.414+0.32=KN该步

25、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()SFFWF负个脉冲当量，这时电动机转过的角度，代入得0.001cm02/360b /MF L负01360() /2pSbFWF 003600.01 0.3430.18 0.20.32/20.720.6 cm7 .29N 式中：机床导轨摩擦系数取 0.8KNFF165. 11重 如果不考虑启动时的运动部惯性的影响，则启动力矩，取安/0.3 0.5qM全系数为， ，对于工作方式为四相八拍的步进电机0.3cm99qNM3、步

26、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max1/minVm，根据以上数据和经验范围选用 90BYG5502 型步进电max1000max/60pfV1667HZ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0.360.72300/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

27、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

28、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,19942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,1988.23毛谦德，李振清.机械设计师手册第二版北京：机械工业出版社,2004.14黄鹤汀.金属切削机床上、下册北京：机械工业出版社,2005.75李澄，吴天生，闻百桥.工程制图第二版北京：高等教育出版社，2004.26郁汉琪.主编机床电气控制技术北京：高等教育出版社,2006.

29、17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 2001.78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，2004.410马朝兴.冲压模具设计手册.北京：化学工业出版社，2009.611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.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，200414唐宗军.机械制造基础.北京：机械工业出版社,199915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。