毕业设计XK7124经济型数控铣床主轴伺服系统及自动拉刀装置的设计.docx
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毕业设计XK7124经济型数控铣床主轴伺服系统及自动拉刀装置的设计
绪论
毕业设计是我们大学生在毕业前进行的一次综合性的总复习，也是一次理论联系实际的练习，是对我们所学专业知识的一次全面的检验，毕业设计是一项综合的系统的工作，它要求我们每个大学毕业生全面系统地运用专业知识，综合现场需要，科学，合理设计，因而它要求具有科学性，合理性和可操作性，
毕业设计是在学习了三年数控维修专业知识以后，对所学知识的一种综合体现，把所学知识能够运用到实际机床的设计中，是在我们学完了大学基础课，技术基础课，以及大部分专业课之后进行的。
毕业设计作为大学生离校前的最后一项重要工作，势必有它独特的，无法比拟的作用。
通过对该机床的设计，使我认识到机床必须具备怎样的结构要求和技术要求，要满足其结构和技术要求，我们在实际运用中又应该怎样正确的操作加以保证该要求，在需要维修时，使我们了解到怎样才能正确的找出故障。
本设计主要是对XK7124经济型数控铣床主轴伺服系统及自动拉刀装置的设计。
就个人而言，我们应当通过这次毕业设计，得到以下能力方面的锻炼与提升。
1.对机床本身的了解，加强了理论知识与实际中的统一，消除了以前对故障的轻视，调整好自己的心态面对以后的道路。
2.提高自身的设计能力，加强对机床结构的分析和处理能力。
3.学会怎么使用各种手册和专业资料的查询，能够迅速的查询到自己所需的正确数据，并能综合所学知识合理选择。
希望通过这次设计，对自己未来从事的工作打下一定的基础，但由于能力有限，设计尚有许多不足之处，希望各位老师多多指教，感激不尽。
第1章设计方案………………………………………………第7页
第2章数控铣床的概括………………………………………第7页
2.1数控机床的演变过程………………………………………第7页
2.2数控铣床的概括……………………………………………第8页
第3章数控机床的主传动系统设计…………………………第8页
3.1对主传动系统的要求………………………………………第9页
3.2主轴部件…………………………………………………第9页
3.2．1轴承……………………………………………………第10页
3.2.2主轴的材料和热处理………………………………………第11页
3.2．3主轴的润滑与冷却………………………………………第11页
3.2．4主轴箱……………………………………………………第12页
3.2.5传动带…………………………………………………第12页
第四章自动拉刀装置设计…………………………………第15页
4.1刀具自动夹紧机构………………………………………第15页
4.2拉刀装置的工作原理………………………………………第16页
第五章电气说明书…………………………………………第18页
5．1系统选择：
………………………………………………第18页
5.2电机的选择………………………………………………第19页
5.2.1．交流异步伺服系统………………………………………第19页
5.2.2主轴功率的计算……………………………………………第19页
5.3变频器概述及选型原则…………………………………第22页
5.3.1变频器概述………………………………………………第22页
5.3.2变频器的选型原则………………………………………第22页
5.3.3EV2000变频器功能与连接…………………………………第24页
5.4强电设计…………………………………………………第30页
5.4.1总电源…………………………………………………第30页
5.4.2控制电源…………………………………………………第30页5.4.3机床直流电源动力回路图……………………………………第31页
5.4.4电气连接图………………………………………………第34页
第六章安装及调试…………………………………………第36页
6.1系统的调试………………………………………………第36页
6.1.1、保护级…………………………………………………第36页
6.1.2硬件的安装与连接…………………………………………第37页
6.2拉刀装置PLC……………………………………………第39页
6.2.1PLCT型图………………………………………………第39页
6.2.2PLC编程…………………………………………………第40页
6.3维护及调试………………………………………………第40页
6.3.1机床电气设备维护…………………………………………第40页
6.3.2主轴驱动系统的调试………………………………………第41页
6.4操作面板及其功能…………………………………………第41页
6.5操作简介…………………………………………………第46页
设计心得……………………………………………………第47页
第1章设计方案
方案拟定：
XK7124型数控卧式铣床属于经济型数控铣床，根据此次设计任务书的要求，我们主要设计车床的主轴系统部分与自动拉刀部分。
主轴部分：
包括传动部分的设计、编码器的设计选择以及控制部分的设计。
拉刀部分：
包括刀架设计及工作原理设计。
此次设计涉及到机床的机械传动部分和电气控制部分，电气部分包括数控装置的选型、主轴伺服（驱动器的选择，主轴电机的选择）、电路图（主轴电路，控制电路，主轴系统的连接概述图等）、电气电路图；机械部分主要包括主轴传动部分，最后就是安装于调试部分，包括主轴的调试、编码器的连接与调试、主轴驱动系统的参数设置与调试等等。
第2章数控铣床的概括
2.1数控机床的演变过程
数控机床源于20世纪40年代末期，当时美国John.T.Parson公司提出在坐标机床上用脉冲信号控制的加工方法，这就是数控机床诞生的起点。
1952年，麻省理工学院研制成功了三坐标连续控制的样机铣床，这就是世界上第一台数控机床。
20世纪70年代以后，伴随微电子技术的高速发展，数控机床在经过几代更新变化中得到突飞猛进的发展，应用范围也越来越广，使机械进入了数字制造的时代。
第一代数控机床为提高生产效率不断向超高速方向发展，主轴转速可达15000~100000R/min；进给运动移动速度60~120m/min,切削进给速度60m/min，最高加速度10g（g为重力加速度）加工中心换刀时间减少至小于1s。
主轴与刀具的接口以先例高速加工的HSK等接中为主，主轴径向跳动小于是2um，轴系不平衡度达到G0.4级。
2.2数控铣床的概括
定义:
数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两都的加工工艺基本同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别.
数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成。
铣削与车削的原理不同，铣削时刀具回转完成主运动，工件作直线（或曲线）进给。
旋转的铣刀是由多个刀刃组成合而成的，因此铣削是非连续的切削过程。
数控铣床有它特有的应用，对于轮廓复杂或难以控制尺寸的零件，用复杂模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件，需要进行多道工序加工，精度要求高的零件，如模具零件、壳体类零件。
机床主轴，一般用于给机床加工提供动力，通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削工件旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。
主轴电机通常有普通电机与标准主轴电机两种（与之对应的驱动装置也分为开环与闭环两种）。
第3章数控机床的主传动系统的设计
机床主轴，一般用于给机床加工提供动力，通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削工件旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。
主轴电机通常有普通电机与标准主轴电机两种（与之对应的驱动装置也分为开环与闭环两种）。
对于XK7124的传动系统我们选择半闭环控制：
半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，数控机床与输入的指令位移值进行比较，用比较的差值对机床进行控制。
半闭环数控机床的工作原理图。
由于反馈环内没有包含传动丝杠，数控机床其传动误差照样会影响工作台的位移精度，故称半闭环控制。
半闭环控制的精度没有闭环控制高，但调试比较方便，并且具有较好的稳定性，价格较低。
3.1对主传动系统的要求
1调速范围各种不同的机床对调速范围的要求不同。
多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，不但有低速大转矩功能，而且还要有较高的速度，如车削加工中心；而对于专用数控机床就不需要较大的调速范围，如数控齿轮加工机床、为汽车工业大批量产生而设计的数控钻镗床；还有些数控机床，不但要求能够加工黑色金属材料，还要加工铝合金等有色金属材料，这就要求变数范围大，且能超高速切削。
一般要求能在1：
100~1000范围内进行恒转矩调速和1：
10的恒功率调速电机的转速公式为V=
（v为转速f为频率p为极对数s为转差率）；
2热变形电动机、主轴及传动件都是热源。
低温升、小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。
3主轴的旋转精度和运动精度主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面跳动值。
主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称为运动精度。
数控机床要求有高的旋转精度和运动精度。
4主轴的静刚度和抗振性由于数控机床加工精度要求较高，主轴的转速又很高，因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高。
主轴的轴颈尺寸、轴承类型及配置方式，轴承预紧量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。
5主轴组件的耐磨性主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持良好的精度。
凡机械摩擦的部件，如轴承、锥孔等都应有足够高的硬度，轴承处还应有良好的润滑。
3.2主轴部件
主轴部件是数控铣床上的重要部件之一，它带动刀具旋转完成切削，其精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响。
3.2.1轴承
主轴轴承的选择：
主轴轴承是主传动系统的重要组成部分，它的类型、结构、精度、安装、调整、润滑和冷却都会对主传动系统的工作性能产生影响。
滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动条件下稳定地工作。
故可以选用单列向心推力球轴承（GB292——84），轴承型号为36216。
这种类型的轴承既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。
将内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧。
它们多用于高速主轴。
为了提高轴的刚度和承载能力，多个轴承可以组合使用。
有三种基本组合方式：
背背组合、面对面组合和同向组合。
此主轴的前支承配置三对高精度的单列向心推力球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷，前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。
前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母来调整。
后支承为一对小口相对配置的单列向心推力球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。
该主轴选择的轴承类型和配置形式，满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求。
主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。
参照《互换性与测量技术基础》，所选36000型单列向心球轴承为D级轴承。
滚动轴承的配合的国家标准GB/T275——93，由于滚动轴承属于标准零件，所以轴承内圈与轴颈的配合属于基孔制的配合，轴承外圈与壳体孔的配合属于基轴制的配合。
查表7——8，向心轴承和轴的配合及表2——13基孔制优先、常用配合，确定轴承内圈与轴颈的配合为H7/k6。
查表7——9向心轴承和壳体的配合及表2——14基轴制优先、常用配合，确定轴承外圈与壳体孔的配合为JS7/h6。
3.2.2主轴的支承
数控机床主轴的支承主要采用图1所示的三种主要形式。
图1a所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。
这种结构的综合刚度高，可以满足强力切削要求，是目前各类数控机床普遍采用的形式。
图1b所示结构的前支承采用多个高精度向心推力球轴承，后支承采用单个向心推力球轴承。
这种配置的高速性能好，但承载能力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。
图1c所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。
这种配置的径向和轴向刚度很高，可承受重载荷，但这种结构限制了主轴最高转速和精度，因而仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。
图3-1 主轴支承配置
因为XK7124经济数控铣床对于精度及转速的要求不高所以可以选择：
前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承这种配置。
3.2.3主轴的材料和热处理
主轴的材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理变形大小等因素来选择。
主轴刚度与材质的弹性模量E有关。
无论是普通钢还是合金钢其E值基本相同。
因此对于一般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢、45钢，进行调质处理后硬度为22~28HRC；当载荷较大或存在较大的冲击时，或者精密机床的主轴为减少热处理后变形，或者需要作轴向移动的主轴为了减少它的磨损时，则可选用合金钢。
常用的合金钢有40Cr~50HRC，或者用20Cr进行渗碳淬硬使硬度达到56~62HRC。
某些高精度机床的主轴材料则选用38CrMoAl进行氮化处理，使硬度达到850~1000HV。
3.2.4主轴的润滑与冷却
主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。
为了尽可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作进度的影响通常利用润滑油循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱件保持恒定的温度，在某些数控机床上，采用专业的冷却装置，控制主轴箱温升。
有些主轴轴承用高级油润滑，每加一次油脂可以使用7-10年。
对于某些主轴采用油气润滑、喷注润滑和突入滚道润滑等措施，以保持在高速时正常冷却润滑效果。
3.2.5主轴箱
主轴箱的设计：
为了提高主轴的刚度和便于安装，将主轴设计成阶梯圆柱形，前端外径大，后端外径小，为实现更换刀具时能自动夹紧，主轴内部设计成空心。
其前端有7：
24锥孔，用于装锥柄刀具，并有自动定心作用，通过摩擦将刀柄夹紧于主轴的端部，大锥度既利于定心，也便于松夹。
主轴端面装有定向键，既可传递切削的转矩，又可用于刀具的周向定位。
主轴外圆柱面上有前后支承轴承的配合面。
主轴的主要尺寸参数包括：
主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。
（1）主轴直径主轴直径越大，其刚度越强，但使得轴承和轴上的其他零件的尺寸相应增大。
前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。
根据实际情况确定主轴的直径为F80mm。
（2）主轴内孔直径主轴内径是用来通过刀具夹紧装置固定刀具的。
主轴孔径越大，机床是使用范围越广，同时主轴部件的重量也越轻。
但是孔径的大小受主轴刚度的制约。
主轴孔径与主轴直径之比小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当，大于0.7时空心主轴的刚度就急剧下降。
此处取其比值为0.3，则主轴内孔直径为80*0.3=24mm。
主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。
主轴材料选用38CrMoAIA。
3.2.6传动带
传动带传动带是以带作为中间挠性件，靠带与带轮间的摩擦力传递运动和动力。
如图3-1所示，带呈环形，以一定的拉力（张紧力）F0套在一对带轮上，使带和带轮相互压紧。
带传动不工作时，带两边的拉力相等，均为F0；工作时主动带1转动，带与带轮面间的摩擦力使其一边拉力加大到F1称为紧边拉力，另一边拉力减小到F2，称为松边拉力。
两者之差F=F1-F2即为带的有效拉力，它等于沿带轮的接触弧上摩擦力的总合。
这样，就带动从动轮2旋转了，但一定条件下，摩擦力有一定的限度，若工作阻力超过极限值、带就在轮面上打滑，传动不能正常工作。
传动带的优点是：
结构简单，成本低，主、从动轮的中心距离较大，工作稳定，无噪声，过载时带打滑能防止其他零件损坏。
缺点是：
外部尺寸大，作用在轴和轴承上的力也较大，此外V带和平带传动
还有弹性滑动，不能保持恒定的传动比。
图3-2
V带V带是截面为等腰梯形（或近似等腰梯形）的传动带。
其两腰的夹.角为40°它的结构有帘布结构与线绳结构两种。
一般采用帘布结构，在载荷不大、小直径或转速较高时采用线绳结构。
它们的结构如图3-2所示，伸张层与压缩层采用弹性好的胶料，易于产生弯曲变形。
包布层耐磨，起保护作用。
强力层承受带的拉力。
V带根据截面尺寸由小到大的顺序排列，共有Y、Z、A、B、C、D、E七种。
应用最多的是A、B、C三种。
一般V带型号的截面尺寸和其所能传递的功率大小有关，传递的功率越大，选用的截面尺寸也越大。
图3-3
传动比
本次设计的传动方式选用通过传送带传动的主传动，由图3-1可知a1、a2两角度相同。
传动带接触圆的长度为：
传动比即：
或
D1:
D2
我们设计的传动比为：
低速区为28-733r/min，高速区为733-3150r/min,低速时传动比为1：
4.75；高速时传动比为1：
1.1。
3.3变速方式的选择
机床主传动的变速方式可分为无级变速和有级变速两种。
无级变速：
指在一定速度（或转速）范围内能连续、任意地变速。
优点：
可选用最合理的切削速度，没有速度损失，生产率高；可在运转中变速，减少了辅助时间；操纵方便；传动平稳。
缺点：
机械式和液压式无级变速结构较复杂；电气式成本较高。
有级变速：
指在若干固定速度（或转速）级内不连续地变速。
优点：
传递功率大，变速范围大，传动比准确，工作可靠。
缺点：
速度不能连续变化，有速度损失，传动不够平稳。
方案选择：
根据所改造成数控机床的使用要求和结构特点，本方案选择电气无级变速。
第4章自动拉刀装置的设计
4.1刀具自动夹紧机构
在数控铣床上多采用气压或液压装夹刀具，常见的刀具自动夹紧机构主要由拉杆、拉杆端部的夹头、蝶形弹簧、活塞、气缸等组成。
夹紧状态时，蝶形弹簧通过拉杆及夹头，拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合；松刀时，通过气缸活塞推动拉杆，压缩蝶形弹簧，使夹头松开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，即可拔出刀具，进行新、旧刀具的交换，新刀装入后，气缸活塞后移，新刀具又被蝶形弹簧拉紧。
需注意的是，不同的机床，其刀具自动夹紧机构结构不同，与之适应的刀柄及拉钉规格亦不同。
为实现刀具在主轴上的自动装卸，主轴上必须带有刀具的自动卡紧机构，通常刀杆都是采用7：
24的大锥柄和主轴锥孔配合定心，从而保证刀具回转中心每次装卡后与主轴回转中心都同轴，而且大锥度的锥柄不仅有利于定心，也为松卡带来方便。
另外，主轴端面有一键块，通过它既可传递主轴的扭矩，又可用于刀具的周向定位。
实现自动拉马的具体机构是由一组碟形弹簧配以一液压装置组成的。
使用碟簧拉紧刀具，而用气压缸放松刀具，从而保证在工作中，即使突然断电，刀杆也不会自行松脱。
4.2拉刀装置的工作原理
该拉刀装置的工作原理如图1所示，当刀具由人工送到7：
24主轴锥孔后，刀柄后部的拉钉便被送入到主轴中心的拉杆的前端，当增压气缸接收到刀具已被放入主轴锥孔的信号时，增压气缸活塞推杆便向上运动，拉杆在碟形弹簧（在松刀时已被压缩处于储能状态）能量释放反作用力下，也跟着向上运动，拉杆前端的卡爪（卡爪在圆周方向等分割成6片）由于受到卡爪弹簧的紧箍力作用，而与拉杆紧紧相连，因此弹簧卡爪也跟着向上运动，卡爪末端从~35mm开放的圆柱孔经过锥孔进入~27mm的主轴圆柱孔，6片卡爪在~27mm的主轴圆柱孔中缩小了直径，从而抱住拉钉，同时把拉钉向上拉。
由于碟形弹簧力一直作用在拉杆上，所以拉钉一直被紧紧拉住（该拉力大约2万N左右）。
当增压气缸接到准备取走主轴锥孔内的刀具信号时，增压气缸活塞推杆便向下运动，克服碟形弹簧反作用力，把拉杆向下推，卡爪末端从~27mm圆柱孔经过内锥孔进入开放的~35mm圆柱孔内，此时6片卡爪由于弹簧的作用向外扩张，就能把刀具从主轴上取走。
因此我们可设计两个控制按钮来实现。
图4-1主轴自动松刀装配图
图4-2
此次设计的拉刀装置的动力系统采用液压回路提供动力设计的液压回路图为下图4-3：
图4-3增压回路
第5章电气部分设计
5.1系统选择
本机床采用德国SIEMENS的SINUMERK802D数控系统。
802D是在机床行业广泛采用的现代标准控制系统，它与SINUMERIK_611数字驱动系统和SIMATICS7300可编程控制器一起，构成全数字控制系统，它适于各种复杂加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。
由于齿轮机床的特殊性，还扩充了若干功能。
例如:
刀具和工件的同步传动，即所谓的电子齿轮箱（ELG）,这样优化了机械的传动结构，提高了机床的精度，大大方便了用户的操作。
机床进给伺服机构由NC系统控制，它包括电源模块、NCU模块、驱动模块及伺服电机。
5.2主轴电机的选择
5.2.1．交流异步伺服系统
交流异步伺服电机通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。
其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。
交流异步伺服电机通常有模拟式、数字式两种方式。
与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。
然而交流异步伺服存在两个主要问题：
一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。
5.2.2主轴电机的计算
功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削转速来计算,设即最大切削速度为500（
），最大切削力
=
及
=PηK
式中P——电动机功率；
——切削功率；
η——主传动系统总效率，查机床说明书,一般为0.75～0.85,η=0.8;
——
=（N）
——切削速度
=500（
）
k——进给系统功率系数，取k=0.96.
=
=5000×60/60000KW=5KW
P=Pc/ηK=5/（0.8×0.96）KW=6.510KW
即主轴电机功率选择7.5KW的电机
主轴电机的主参数计算：
（1）最大切削力负载转矩
T
=
i
式中
——丝杠上的最大轴向负载N
——丝杠导程m。
——滚珠丝杠的机械效率。
预加
——因滚珠丝杠螺母预加再载荷引起的附加摩擦转矩N.m
——滚珠丝杠轴承的摩擦转矩N.m
i——传动比
计算得T
=35.154N.m
（2）惯量匹配
电动机轴惯量J
=m
=0.00090kg.m
滚珠丝杠的惯量J
=
=0.00060kg.m
联轴节的惯量（查表得）J
=0.0005kg.m
负载惯量J
=J
+J
+J
=0.0020kg.m
所以电动机的惯量J
应
J
J
4J
20
J
90
所以我根据上面计算的结果我决定主电机采用西门子ac6/8000i电机
其电机参数;额定电压220V转速12000rpm额定转矩48NM功率7.5kw
极数1.极数反映出电动机的同步转速，2极同步转速是3000r/min，4极同步转速是1500r/min，6极同步转速是1000r/min,8极同步转速是750r/min。
绕组的一来一去才能组成
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