#数控立式钻铣床毕业设计方案

毕业设计方案

题目数控立式铣钻机床设计

学院机械工程学院

专业机械工程及自动化

班级机自08**

学生**

学号20080403315

指导教师**

二〇一二年四月六日

学院机械工程学院专业机械工程及自动化

学生** 学号20080403315

设计题目数控立式铣钻机床设计

一、选题背景和意义

1.国外数控钻铣床现状和发展趋势

国外数控钻铣床的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型）、门型（小型）、龙门型（大型）3个阶段，相应的型号种类繁多。能够代表数控钻铣床技术最高水平的厂家主要集中在德国，目前，国外已有厂家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手，开发出五轴控制系统的龙门式专用切割工具，该系统可以在空间切割出各种轨

迹，利用特殊的跟踪探头，在切割过程中控制切割运行轨迹。

我国工厂的板材下料中使用最为普遍的是数控铣床和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。和其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工和工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。上述3种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。

随着国内经济形势的蓬勃发展以及以焊代铸趋势的加速，数控铣床的优势正在逐渐为人们所认识。数控铣床不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。目前，我国金属加工行业使用的数控铣床是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但和国外的差距仍极为明显，主要表现为：发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%，其中数控铣床下料所占比例更小。

我国数控铣床每年市场需求量约在400~500台之间。相较而言，仿形切割机每年销售几千台，半自动切割机每年销售达上万台。由此可见，我国数控切割市场，尤其是数控铣床市场的发展潜力是巨大的。

2.数控技术的现状和发展

计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代，而这也日益完善了数控铣床的高精、高速、高效功能。代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式体系结构，即数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊使用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发。

开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。

近几年来，由于对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，其相应产品在我国的市场需求量也逐年上升。在我国的数控铣床设备生产行业中，由于缺乏切割理论研究和生产实践相转换的机制，因此新技术运用不广、新产品开发速度不快，制约了数控铣床技术的进一步发展和运用。

随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。

同时微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。

未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等

技术将使用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。

数控机床作为高自动化、高柔性、高精度、高效率的机械加工设备，决定了它在现代制造业中占有越来越重要的作用，近年来，我国在中高档数控机床关键技术上有了较大的突破，创造出一批具有自主知识产权的研究成果。目前，在实际使用中有部分工件在加工微型孔或铣削平面时，加工精度不高，如果我们用传统的数控铣床对其进行加工，将导致加工效率低且加大设备和电力的损耗。根据这样的情况，我们设计了一种小型数控立式钻铣床，该钻铣床造价大大低于传统数控机床，还能满足教学上的使用，提高了学生对数控机床的理解和认识。

3.选题的目的及意义

本毕业设计课题就是关于数控立式钻铣床的设计，目的在于通过毕业设计，了解数控立式铣钻床的整机系统结构设计，主要包括机床动力参数、整机的结构布置、伺服系统的选择以及滚珠丝杆、滚动导轨、联轴器、滚动轴承、交流伺服电机、高速电主轴等关键零部件的选择和设计，设计选择最优的系统方案并完成结构分析和结构布置，明白设计方法和思路，为以后进一步的工作打下基础。通过设计加深对基础知识的理解，并学会理论知识的实际使用，并在原有的基础上有所改进和创新突破，提高综合运用和深化所学的理论知识和技能，增强分析和解决工程实际问题的能力,加深对实际工程的理解。

a.培养学生综合运用和巩固扩大已学过的知识，以提高理论联系实际的设计和计算能力。

b.培养学生收集、阅读、分析和运用资料的能力，以提高独立工作的能力。

c.使学生初步掌握机床设计的方法和步骤，以提高机构设计和编制设计文件的能力。

d.使学生利用微机进行主轴组件优化设计和主轴刚度的校核计算，以提高现代设计计算方法的能力。

二、设计内容

完成数控立式铣钻床的整机系统结构设计，主要包括机床动力参数、整机的结构布置、伺服系统的选择以及滚珠丝杆、滚动导轨、联轴器、滚动轴承、交流伺服电机、高速电主轴等关键零部件的选择和设计。

1.运动设计

根据机床的规格，用途和典型工艺的切削用量以及对同类型机床的分析比较，确定所设计机床的极限转速、转速数列的公比；拟定传动方案和传动系统图；确定传动副的传动比以及齿轮的齿数并计算转速误差。

2.动力计算

确定电动机的功率；计算传动件的计算载荷及其尺寸；验算主要传动件的应力，变形或者寿命是否在允许的范围内。

3.结构设计

传动轴系、变速机构、主轴组件、箱体、操纵机构、制动机构、制动装置、润滑装置等的布

置和结构设计。

首先阅读同类型机床的有关资料(如：机床说明书、装配图、样本、机床水平分析等)。对机床的用途、主要参数、传动机构、零部件的机构设计等进行分析研究，在分析比较现有机床的基

础上考虑设计方案，力求做到有所改进和创新，拟定方案的步骤：1．拟定运动参数

对在设计任务书中已给出的运动参数，可结合参考资料和同类型机床的起动参数作分析比较。对设计任务书中未给出的运动参数，应根据任务书中规定的要求条件来确定，步骤如下：（1)确定机床的工艺范围及工件的计算极限尺t3

(2)选择经济合理的权限切削用量；

(3)确定机床主轴的极限转速；

（4)确辽转速公比值、转速级数、树速数列及调速范围。

按上述步骤确定转速后，应再和同类机床分析比较，并考虑目前用户的使用要求及今后的发展趋势，最后才予以确定。

2．运动设计

根据已定的运动参数，进行下列几项工作

(1)确定传动方案(如集中或分离传动、正反转方案等)

(2)论证并确定合理的结构网和转速图，

(3)拟定传动系统图。

拟定传动系统的原则是：在保证机床的运动和试用要求前提下，运动链要尽可能短而简单；传动效率高以及操纵简单方便。同时要考虑实现反转和制动的装置；是否带动润滑油泵的运动等。

（4）计算各传动副的速比值、传动齿轮的齿数等

（5）验算主轴转速误差

实际传动比所造成的主轴转速误差一般不应超过±10（φ—1）%（φ是主轴转速公比）。

运动设计是结构设计的基础，故在本阶段应同时考虑某些结构方面的问题。首先应考虑结构能否实现；如小齿轮的根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否碰及相邻轴等；其次应考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。

3.动力计算及传动零件的计算

(1)确定机床的驱动功率

分别以计算法、查表法及参考统计公式求出计算结果，再和同类型机床比较后确定。

(2)齿轮传动的相关计算和选定

根据齿轮的转速、传递的功率及工作情况，确定其型号、齿数、中心距及作用在支撑轴上的径向力。

(3)传动轴直径的计算

传动轴直径可根据该轴传递的额定扭矩及其计算转速按扭转刚度公式进行估算。

(4)齿轮模数的初步计算

一般同一变速组的齿轮模数相同，选择负荷较重的小齿轮按接触疲劳强度公式进行初算。机床变速箱通常采用1～2种来不同模数齿轮，所以初步计算后要合理地归整为1～2种标准模数值。

(5)主轴组件结构参数的优化没汁

主轴组件轴组件结构尺寸包括：主轴前后轴颈、主轴内孔直径、支持跨距、齿轮在主轴上的位置和轴端悬伸量等。由这些结构尺寸组成的设计方案不仅影响主轴的结构设计而目对机床使用性能、加工精度等都有直接影响，要求在设计主轴组件时应保证能有最大的刚度。机床主轴轴颈值及内孔直径可按统计公式确定，而主轴的其他尺寸参数可由丰轴的结构情况确定。

三、设计方案

1.机床总体尺寸参数的选定

根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：

最大钻孔直径 20～30 mm

最大铣削直径 20～30 mm

工作台尺寸 400～500*100～200 mm

X方向行程 200～300 mm

Y方向行程 100～200 mm

Z方向行程 200～300 mm

工作台T型槽尺寸 12 mm

系统分辨率 0.00125 mm

主轴锥度莫氏3号

主轴转速范围 100～3000 r/min

电机功率 1.0～2.0KW

使用电源 220V

X轴电机扭力 0～10N.M

Y轴电机扭力 0～10N.M

Z轴电机扭力 0～10N.M

机床外形尺寸 100～1000*100～1000*1000～2000 mm

净重/毛重 3000～400 Kg

2.功能特点：

具有刀具长度补偿、半径补偿、丝杆的间隙补偿，采用高精度的滚珠丝杆，导轨、丝杆等采用集中润滑；床身导轨经超音频淬火后精磨，硬度高等基本功能，支持ISO标准的G代码和M代码。

3.适用对象：

首版制作、科研单位研究所、电子厂、模具厂、首饰加工厂、工艺品厂、大学院校机电一体化、数控编程实验室、技工学校、职业技术学校、数控实训基地等。

4.机床主传动系统

因所设计的机床要求能进行立式的钻和铣，垂直方向的行程比较大,因而采用工作台不动,而主轴箱各轴向摆放为立式的结构布局；为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳，工作更可靠，主轴箱主要采用采用滚珠丝杠螺母传动副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。

数控铣床主传动系统由主轴电动机、传动系统和主轴部件等部分组成，它和普通机床主传动系统相比结构较简单，这是由于变速功能主要由无级变速电动机来承担。机床主传动为主轴的旋转运动，负载为恒功率型，用三相异步电动机即可满足要求。由于主轴要求的恒功率变速范围R1坤远大于电动机的恒功率变速范围R2，在电动机和主轴之间串联了一个分级变速箱，以扩大其恒功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率要求。

5.机床伺服进给系统设计

数控机床的伺服进给系统作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电动机，功率步进电动机，电液脉冲电动机等)和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在X、Y方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。

6.系统总体方案：

龙门架拖动（X 轴）采用电机通过齿形带轮和滚珠丝杠连接，降速比为 1：2，此种结构安排不仅有效利用了床身后部的空间，而且避免了选择大功率电机带来的安装不便和成本增加，进而实现龙门架的前后移动。

滑鞍拖动（Y 轴）采用电机（使用电机内置光电编码器）和滚珠丝杠直接联接，电机的运转经弹性联轴器带动滚珠丝杠，可实现滑鞍的左右移动。

主轴箱拖动（Z 轴）采用电机（使用内置光电编码器）和丝杠直接连接，可实现较高的位置反馈精度。电机轴、滚珠丝杠是通过弹性联轴器实现无键联接，使各坐标可获得较高的定位精度。电机的运转经弹性联轴器带动滚珠丝杠，可实现主轴箱的上下移动。Z 轴电机带有自动抱闸功能，在断电情况下，将电机轴抱紧，使之不能转动，具有良好的安全保障措施。主传动系统中主轴电机通过 ZF 减速箱皮带轮变速后驱动主轴，完成主轴传动，ZF减速箱可以实现 1：1 和 1：4 两档传动，低速输出时，可以增加输出扭矩，使机床具有更好的适用范围；主传动系统配备外置编码器，能准确反馈主轴实际输出转速，及时校正，保证加工质量。主轴组部件采用台湾专业厂家生产的适用于铣钻的主轴；主轴抓刀是靠主轴上的碟形弹簧以拉紧力通过四瓣爪式拉刀机构作用在刀柄上的拉钉上，使刀具和主轴锥孔紧密配合来实现抓刀的；卸刀时，采用气液转换获得稳定强劲的推力，压缩7碟形弹簧，松开刀爪，实现自动卸刀。

7. 立式钻铣床的常用布局形式如下图

8.机床主轴箱的进给系统结构简图如图4所示，

工作台上下运动最大行程为345 mm，进给速度为1O到——2OO mm／min，快速进给速度为 =10 m／min

9.主轴无级传动系统主要由无级调速电机及驱动单元和机械传动机构组成。

无级调速电机及驱动主要机械特性：

无级调速电机具有转速拐点，即额定转速。其特点为：小于额定转速的为恒扭矩范围，大于额定转速的为恒功率范围，如图1所示。额定转速一般有500r／min、750r／min、lO00r／min、1500r／min、2000r／min等几种，按照成本原则，通常使用较多的为1500r／min。如果直接使用额定转速为1500r／min以上的电机而不经过机械减速，则输出的恒功率范围和低速扭矩较小，不能满足很多场合下的正常使用要求。

主轴无级传动系统中的机械传动机构种类及特点：

(1)直接1：1传动

可采用电机和主轴组件直联方式或通过同步带传动方式，结构简单，易获得高转速，但低速扭矩小，一般只适用于高速和轻切削场合。

(2)直接减速或升速传动

常采用同步带传动方式，也可采用齿轮传动方式，结构简单。对于减速传动，可扩大恒功率范围和提高主轴扭矩，但扩大和提高程度有限，或最高转速受到限制。对于升速传动，可获得高转速，但缩小了恒功率范围，降低了低速扭矩。

(3)高低档两段变速传动

一般采用齿轮两档变速机构，可配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机，既可获得较高转速，又可较大地拓宽恒功率范围，提高低速扭矩，适合于要求达到较高转速且可进行较大切削量加工的场合。

(4)高、中、低档三段变速传动

采用齿轮三档变速机构，配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机，既可获得较高转速，又可大大拓宽恒功率范围，大大提高低速扭矩，适合于要求达到较高转速且可进行大切削量加工的场合，其机械性能几乎和齿轮有级变速方式相同。但结构复杂，且由于采用齿轮多级传动方式，最高转速受限更大。目前这种传动方式很少采用。

四、参考文献

[1]《机床设计手册》编辑委员会编，《机床设计手册》（第一册）（上、下），机械工业出版社，1986年；

[2] 徐憬主编，《机械设计手册》，机械工业出版社，1991年；

[3] 孟少龙主编，《机械加工工艺手册》，机械工业出版社，1991年；

[4] 毕承恩、丁乃建等主编，《现代数控机床》（上、下），机械工业出版社，1991年；

[5] 天津大学主编，《机床设计图册》，上海科技技术出版社， 1979年；

[6] 廖效果主编，《数控技术》，湖北科学技术出版社， 2001年；

[7] 庞振基主编，《精密机械设计》，机械工业出版社，2000年；

[8]《实用机床设计手册》辽宁科技出版社

[9]《机床主轴变速箱设计指导书》机械工业出版社

[10]《机床数控系统设计设计指导书》中国科技出版社

[11]《机电综合设计指导书》中国人民大学出版社

[12]《数控机床和编程实用教程》化学工业出版社

[13]《数控铣床设计》机械工业出版社

[14]《金属切削机床概论》机械工业出版社

[15]《机械设计课程设计手册》高等教育出版社

[16]《机电一体化系统设计手册》国防工业出版社

[17]《金属切削机床设计手册》机械工业出版社

[18]《机械零件设计手册》（第二版）（上册）冶金工业出版社

[19]濮良贵主编《机械设计》（第七版）高等教育出版社

[20]《几何量公差和检测》甘永立主编（第七版）上海科学技术出版社

[21]《An efficient approach for trimming simulation of 3D forged components》

[22] 《Unified cutting force model for turning, boring,drilling and milling operations》

[23] 《Analytical modeling ofand drilling ball end milling》

五、指导教师评语

六、审核意见