机械机床毕业设计66XK5040数控立式铣床及控制系统设计

200 届毕业设计说明书

题目

院(系)、部：机械工程系

学生姓名：

指导教师：职称教授

专业：机械设计制造极其自动化班级：机

完成时间：

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

ABSTRACT

The numerical control engine bed is the digital process control engine bed, is one kind of automated engine bed, the numerical control technology is the core which the numerical control engine bed studies, is the manufacturing industry realization automation, the network, the flexibility, the integrated foundation. Along with the manufacture technology development, the modern numerical control engine bed with the aid of the modern design technology, the working procedure intensification and the new function part caused the engine bed the processing scope, the dynamic performance, the processing precision and the reliability had the enormous enhancement .

This article mainly carries on the design to the XK5040 numerical control vertical milling machine and the control system, first analyzes the vertical milling

machine the processing characteristic and the processing request determines its host parameter, including movement and dynamic parameter; Carry on the host kinematic scheme according to the host parameter and the design request, enters for the system and the control system hardware circuit design. Mainly carries on the host kinematic scheme and enters for the system mechanism design and the ball bearing guide screw and electric stepping motor shaping and the examination; Regarding control system because here mainly aims at the economy numerical control milling machine the design, here uses electric stepping motor open-loop control, the computer system uses the high performance price compared to the MCS-51 series monolithic expansion system, mainly carries on the central processing element the choice, the memory expansion and the connection circuit design .

Because this article uses 8,031 monolithic integrated circuits control system, therefore, designs the vertical milling machine performance price is higher than, satisfies the efficient request. But practical to processing precision higher situation .

Key words Numerical control technology; Vertical milling machine; Design

目录

摘要 (1)

1 总体设计 (5)

1.1、铣床简介 (5)

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 (5)

1.2.1 XK5040型数控铣床的总体布局 (5)

1.2.2 XK5040型数控铣床的主要技术参数 (6)

1.2.3 总传动系统图 (8)

2 主运动系统设计 (9)

2.1 传动系统设计 (9)

2.1.1参数的拟定 (9)

2.1.2 传动结构或结构网的选择 (9)

2.1.3 转速图拟定 (11)

2.1.4齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制 (13)

２.２传动件的估算与验算 (16)

2.2.1传动轴的估算和验算 (16)

２.２.２齿轮模数的估算 (19)

２.３展开图设计 (24)

２.３.１结构实际的内容及技术要求 (24)

２.３.２齿轮块的设计 (25)

２.３.３传动轴设计 (27)

２.３.４主轴组件设计 (30)

２.４制动器设计 (35)

２.４.１按扭矩选择 (35)

２.５截面图设计 (36)

２.５.１轴的空间布置 (37)

２.５.２操纵机构 (37)

２.５.３润滑 (37)

２.５.４箱体设计的确有关问题 (38)

３进给系统设计 (40)

３.１总体方案设计 (40)

３.１.１对进给伺服系统的基本要求 (40)

３.１.２进给伺服系统的设计要求 (40)

３.１.３总体方案 (40)

３.２进给伺服系统机械部分设计 (41)

３.２.１确定脉冲当量，计算切削力 (41)

３.２.２滚珠丝杆螺母副的计算和造型 (43)

３.２.３齿轮传动比计算 (52)

３.２.４步进电机的计算和选型 (53)

３.２.５进给伺服系统机械部分结构设计 (62)

４控制系统设计 (66)

4.1绘制控制系统结构框图 (66)

4.2.选择中央处理单元（CPU）的类型 (66)

4.3存储器扩展电路设计 (67)

４.３.１程序存储器的扩展 (67)

４.３.２数据存储器的扩展 (68)

４.４I/O接口电路及辅助电路设计 (68)

４.４.１I/O接口电路设计 (68)

４.４.２步进电机接口及驱动电路 (69)

４.２.３其他辅助电路 (70)

参考文献 (73)

致谢......................................................................................................... 错误！未定义书签。附录. (75)

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 主运动系统设计

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

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-

8r ≤

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

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，发热都将成为突出矛盾，因此，∏轴转速也不宜也太高，∏轴转速一般取700~1000r/min左右较合适。

因此，使中间变速组降速缓慢。以减少结构的径向尺寸，在电机轴I到主传动系统前端轴∏增加一对26/54的降速齿轮副，这样，也有利于变型机床的设计，改变降速齿轮传动副的传动比，就可以将主轴18级转速一起提高或降低。

（2）中间轴的转速

对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小和噪音，振动等性能要求之间的矛盾。

中间传动轴转速较高时，中间传动轴和齿轮承受扭矩小，可以使轴径和齿轮模数小些：

d ∞ m ∞p L 和噪音加大：

N 空=1/610(3.5n εd a +c d 主n)KW

式中：C ——系数，两支承滚动轴承和滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；

d a ——所有中间轴轴径的平均值； d 主——主轴前后轴径的平均值

n ε——中间传动轴的转速之和

n ——主轴转速（r/min ）

p L =20lg 6110lg ()tan )()a n c mz mz n εβ??+-??主主-K

式中：（()a mz ——所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm;

()mz 主——主轴上齿轮分度圆直径的平均值mm; q ——传到主轴上所经过的齿轮对数

β——主轴齿轮螺旋角

1c ,K ——系数，根据机床类型及制造水平选取，我国中型车床，铣床

1c =3.5，车床K=54，铣床K=50.5

从上述经验公式可知，主轴n 和中间传动轴的转速和 对机床噪音和发热的关系，确定中间轴转速时，应结合实际情况做相应的修正。 a ，对高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低些

b,控制齿轮圆周速度v<8m/s(可用７级齿轮精度)，在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。 （3），齿轮传动比的限制

机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：

a, 升速传动中，最大传动比 m a x U ≤2 ，过大，容易引起振动的噪音。 b, 降速传动中，最小传动比 min U ≥1/4。过小，则主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大将导致结构庞大。

（4）分配最小传动比

a,决定轴V-VI 和VI-V ∏的传动比，根据台式铣床的结构特点，及对同类车床的比较，为使传动平稳取其传动比为1， b,决定各变速组的传动比；

由前面2轴的转速及中间轴转速的分析，及齿轮传动比的现在，根据“前缓后

急”的原则，取轴IV-V 的最小降速比为极限值的1/4，φ=1.26，

61.26=4，轴III-IV 和轴II-III 均取min U =1/4φ

（5）拟定转速图：

根据结构图及结构网图及传动比的分配，拟定转速图，如下图2.2所示：

图2.2 传动系统图

2.1.4齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制

1 齿轮齿数的确定的要求

可用计算法或查表确定齿轮齿数，后者更为简便，根据要求的传动比u 和初步定出的传动副齿数和Z S ，查表即可求出小齿轮齿数： 选择是应考虑：

a,传动组小齿轮不应小于允许的最小齿数，即：[]min min Z Z ≥ 推荐：

对轴齿轮[]min Z =12，特殊情况下[]min Z =11，

对套装在轴上的齿轮，[]min Z =16，特殊情况下[]min Z =14， 对套装在滚动轴承上的空套齿轮，[]min Z =20；

当齿数少于不发生根切的最小齿数时（压力角a=20的直齿标准，min Z =17），一般需对齿轮进

行正变位修正。

b,保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚2m δ≥，一般取5mm δ>则

min 26.5T

z m

≥+，如图2.3所示。

c 、同一传动组的个齿轮副的中心矩应相等。若

摸数相等时，则齿数和亦相等，但由于传动比要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足不了上述要求，机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齿数差不能够超过3~4个齿。

2 变速传动组中齿轮齿数的确定

为了减少齿轮数目和缩短变速箱的轴向尺寸，这里采用了公用齿轮。但由于公用齿轮的采用，使两个传动组间的传动比互相牵制，不能独立地按照最紧凑的原则决定传动件的尺寸，因此，径向尺寸一般较大，此外，公用齿轮的两侧齿面同时啮合会影响其磨损和寿命。这里我们采用查表法来确定齿轮的齿数。查《机床设计手册》确定个齿轮齿数如下： 轴II-III 间变速齿轮齿数的确定：

由于公比φ=1.26，传动比为1U =1/4φ=41.26-，2U =1/3φ=31.26-，3U =1/21.26- 设：传动组中最小齿轮齿数1Z =16，查《机床设计手册》表7.3-14

可查得：1U =16/39 （0.1%），2U =19/36 （0.9%），3U =22/33 （-0.3%） 齿数和为z S =55 公用齿轮选为'1Z =39

轴III-IV 间变速组齿轮齿数的确定：传动比为1U =1/4φ 2U =1/3φ 3U =2φ 根据3U =21.26，主动轮齿数为39，从表7.3-14可查得：1U =18/47 （-0.1%），2U =28/37 （0.9%），3U =39/26 （-0.3%） 齿数和为：z S =65

轴IV-V 间变速组齿轮齿数的确定：

由于变数组齿轮传动比和各传动副上受力差别较大齿轮副的速度变化，受力差别较大，为了得到合理的结构尺寸，可采用不同模数的齿轮副。

轴IV-V 间的两对齿轮，其传动比为1U =1/4, 2U =2分别取1m ＝４，2m ＝３则

1Z S ／2Z S ＝2e ／1e ＝３／４

取Ｋ＝３０，1Z S ＝３０x3=90, 2Z S =30x4=120 按传动比将齿数分配如下：

1U =1/4=18/72≈19/71 ，2U =2=80/40≈82/38轴V-VI 及VI-VII 间齿数确定，由于这两个传动组只是改变传动方向，不起便速度作用，只需考虑其结构尺寸及磨损振动和噪音等因素。，取V-VI 轴间锥材料齿轮齿数为２９，ＶI-VII 轴间齿轮齿数为67。

3 主轴转速系列的验算

主轴转速在使用上并要求十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响，但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大。

由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符，需要验算

主轴各级转速，最大误差不得超过10

1%φ±-（）即 n n n n -?=

理论

实际理论

≤10

1φ-（）% 主轴的各级实际转速分别为：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min

n n n n -?=理论实际理论=29.43030-=2%

而101φ-（）%=2.6%故符合条件

同理：经验算，其他各级转速也满足要求。 4 传动系统图的绘制

转速图和齿轮齿数确定后，变速箱的结构复杂程度也基本确定了（如齿轮个数，轴数，支承轴，为使变速箱的结构紧凑，合理布置齿轮是一个重要的问题，因为它直接影响变速箱的尺寸，变速操作的方便性和结构实现的可行性问题，在考虑主轴适当的支承距和散热条件下，一般应尽可能减少变速箱尺寸。这里为使变速操作的方便，提高效率采用电磁离合器操纵方式。根据计算结果，绘制出传动系统图，如图2.4所示

图2.4 主传动系统图主运动传动链的传动路线表达式如下：

电动机I—26

25

—II—

16

39

19

36

22

33

??

??

??

??

??

??

??

??

??

—III—

18

47

28

37

39

26

??

??

??

??

??

??

??

??

??

—IV—

19

21

82

38

??

??

??

??

??

??

=V—

29

29

—VI—

67

67

—VIII（主

轴）

２.２传动件的估算与验算

2.2.1传动轴的估算和验算

传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求高，不允许有较大的变形因此，疲劳强度一般不是主要矛盾，除载荷很大的情况下，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角）。若刚度不足，轴上的零件如齿轮，轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作，或产生振动和噪声，发热，过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。可以先扭转刚度估算轴的直径，画出草图后，再根据受力情况，结构布置和

有关尺寸，验算弯曲刚度。 1 传动轴直径的估算

传动轴直径按扭转刚度用下列公式估算传动轴直径：

式中：N ——该传动轴的输入功率 N ——N y ? KW

N ?——电机额定功率

y ——从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积（不计该轴轴承上的效

率）。

j n ——该传动轴的计算转速；

计算转速j n 是传动件能传递全部功率的最低转速，各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系而确定，而中型车，铣床主轴的计算转速为：

j n （主）=213

min n φ

-

[]φ——每米长度上允许的扭转角（deg/m ）;可根据传动轴的要求选取。

（1） []φ值为每米长度上允许的扭转角，而估算的传动轴的长度往往不足1m ，因此，在计算φ时应按轴的实际长度计算和修正，如轴为500mm ，取[]φ=1deg/m 则

d=91

mm

（2） 效率y 对估算轴径d 影响不大，可以忽略

（3） 如使用花键是可根据估算的轴径 d 选取相近的标准花键轴的规格，主轴总轴径可参考统计数据确定；

各轴的计算转速：

813

min 6vj j j n n n n n φ

-====从主=95 r/min

IVj n =118 m/min IIIj n =300 r/min IIj n =750 r./min Ij n =1450 r/min 轴径的估算：

I d

II d III d

IV d =91x =45.69 V d 2 传动轴刚度的验算

（1）轴的弯曲变形的条件和允许值

机床的主传动轴的弯曲刚度验算，主要验算轴上装齿轮和轴承出的挠度y 和倾角

θ。各类轴的挠度y ，装齿轮和轴承处的倾角θ，应小于弯曲刚度的许用值[]y 和

[]θ，即[]y y ≤

[]θθ≤。

（2）轴的弯曲复形计算公式：

计算花键轴的刚度时可采用平均直径1d 或当量直径2d

计算公式：矩形花键轴：平均直径1d =（D+d ）/2 当量直径2d

惯性矩：I=

42

6()()64

d z D d D d π+-+

确定矩形花键轴的平均直径d 1, 当量直径d 2和惯性I n ,惯性I n 查《机床设计指导》35页表可定：

２.２.２齿轮模数的估算 1 估算

按接触疲劳和弯曲强度计算次论模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知的情况先才能确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。 齿轮弯曲疲劳强度的估算：

w m ≥ mm 齿面点蚀的估算：

A ≥mm 其中 j n 为大齿轮的计算转速，A 为齿轮中心矩，由中心矩A 及齿数1z ，2z 求出