XK5040数控立式铣床、控制系统设计

目录

摘要........................................................III 关键词 (1)

1 总体设计....................................................IV 1.1、铣床简介..................................................IV 1.2、 X K5040型数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系统图...IV 1.2.1 XK5040型数控铣床的总体布局..............................IV 1.2.

2 XK5040型数控铣床的主要技术参数...........................V

1.2.3 总传动系统图...........................................VII

2 主运动系统设计............................................VIII 2.1 传动系统设计.............................................VIII 2.1.1参数的拟定..............................................VIII 2.1.2 传动结构或结构网的选择.................................VIII 2.1.

3 转速图拟定................................................X 2.1.4齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制.........................XII ２.２传动件的估算与验算....................................XVI 2.2.1传动轴的估算和验算.......................................XVI ２.２.２齿轮模数的估算........................................XIX ２.３展开图设计.............................................XXIV ２.３.１结构实际的内容及技术要求.............................XXIV ２.３.２齿轮块的设计........................................XXV ２.３.３传动轴设计.......................................XXVIII ２.３.４主轴组件设计.......................................XXXI ２.４制动器设计...........................................XXXVII ２.４.１按扭矩选择.......................................XXXVII ２.５截面图设计.........................................XXXVIII ２.５.１轴的空间布置.....................................XXXVIII

２.５.２操纵机构..........................................XXXIX ２.５.３润滑..............................................XXXIX ２.５.４箱体设计的确有关问题..................................XLI ３进给系统设计...............................................XLI ３.１总体方案设计............................................XLI ３.１.１对进给伺服系统的基本要求..............................XLI ３.１.２进给伺服系统的设计要求................................XLI ３.１.３总体方案.............................................XLII ３.２进给伺服系统机械部分设计..............................XLIII ３.２.１确定脉冲当量，计算切削力............................XLIII ３.２.２滚珠丝杆螺母副的计算和造型............................XLV ３.２.３齿轮传动比计算........................................LIV ３.２.４步进电机的计算和选型.................................LV ３.２.５进给伺服系统机械部分结构设计........................LXV ４控制系统设计............................................LXVIII 4.1绘制控制系统结构框图....................................LXVIII 4.2.选择中央处理单元（CPU）的类型............................LXIX 4.3存储器扩展电路设计........................................LXIX ４.３.１程序存储器的扩展......................................LXX ４.３.２数据存储器的扩展...................................LXXI ４.４ I/O接口电路及辅助电路设计..............................LXXI ４.４.１ I/O接口电路设计...................................LXXI ４.４.２步进电机接口及驱动电路...........................LXXIII 参考文献....................................................LXXVI 致谢.......................................... 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、Y、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400mm。

1.2、 X K5040型数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系统图1.

2.1 XK5040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、Y、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8、11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。

图1.1 XK5040铣床外观图

1.2.2 XK5040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×宽）1600×400mm 工作台最大纵向行程900mm

工作台最大横向行程375mm

工作台最大垂直行程400mm

工作台T型槽数 3

工作台T型槽宽18mm

工作台T型间距100mm

主轴：

主轴锥度50#（7：24）主轴孔径27mm

刀杆直径32mm或50mm 主轴前轴承直径90mm

主轴轴向移动距离70mm

部件间主要尺寸：

立铣头最大回转角度45°

主轴端面到工作台面的距离50～400mm 主轴中心线至床身垂直导轨距离430mm 工作台侧面至床身垂直导轨距离30～405mm 机动性能：

主轴转速级数18

主轴转速范围30～1500r/min 动力外形：

主电机功率7.5KW

主电机转速1450r/min 工作台进给量：

纵向10～1500mm/min 横向10～1500mm/min

垂直10～600mm/min

定位精度ISO标准

X 0.07mm

Y 0.05mm

Z 0.06mm

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×宽×高）2495mm×2100mm×2170mm 机床重量约2700kg 1.2.3 总传动系统图

XK5040立式铣床的总的传动系统图如图1.2所示。

图1.2 XK5040总传动系统图

2 主运动系统设

2.1 传动系统设计

2.1.1参数的拟定

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 ）.

2.1.2 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1z 1.2z .3z `````````个传动副，即Z=123z z z 1```````。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=2a x 2b

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=13x 33x 92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=33x 13x 92的传动顺序不一致，根据“前密后疏”的原则，选择18=13x 33x 92的结构式。

4 验算变速组的变速范围

齿轮的最小传动min U ≥1/4，最大传动比max U ≤2，决定了一个传动组的最大变速范围max Y =max U /min U

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

1.26 x 值: min U =1/x φ=1/4

6 'x 值: max U ='x φ=2 3

（x+'x ）值：min r ='x x φ+=8

9 因此，可选择18=13x 33x 92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=1z 1[]1*2z []1z 3z []12z z

最后扩大传动组的变速范围为：

r=123(1)z z z φ-11=(/2)z z φ-

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：

图2.1 结构网图

2.1.3 转速图拟定

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

n

d

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P

n=60f/p=60x50/p ( r/min)

d

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

n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/min

Y132M-4 7.5KW 1440 1500

2 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近，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，高速下摩檫损耗，发热都将成