XK5040数控立式铣床及控制系统设计.doc

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XK5040数控立式铣床及控制系统设计

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

Thenumericalcontrolenginebedisthedigitalprocesscontrolenginebed,isonekindofautomatedenginebed,thenumericalcontroltechnologyisthecorewhichthenumericalcontrolenginebedstudies,isthemanufacturingindustryrealizationautomation,thenetwork,theflexibility,theintegratedfoundation.Alongwiththemanufacturetechnologydevelopment,themodernnumericalcontrolenginebedwiththeaidofthemoderndesigntechnology,theworkingprocedureintensificationandthenewfunctionpartcausedtheenginebedtheprocessingscope,thedynamicperformance,theprocessingprecisionandthereliabilityhadtheenormousenhancement.

ThisarticlemainlycarriesonthedesigntotheXK5040numericalcontrolverticalmillingmachineandthecontrolsystem,firstanalyzestheverticalmillingmachinetheprocessingcharacteristicandtheprocessingrequestdeterminesitshostparameter,includingmovementanddynamicparameter;Carryonthehostkinematicschemeaccordingtothehostparameterandthedesignrequest,entersforthesystemandthecontrolsystemhardwarecircuitdesign.Mainlycarriesonthehostkinematicschemeandentersforthesystemmechanismdesignandtheballbearingguidescrewandelectricsteppingmotorshapingandtheexamination;Regardingcontrolsystembecauseheremainlyaimsattheeconomynumericalcontrolmillingmachinethedesign,hereuseselectricsteppingmotoropen-loopcontrol,thecomputersystemusesthehighperformancepricecomparedtotheMCS-51seriesmonolithicexpansionsystem,mainlycarriesonthecentralprocessingelementthechoice,thememoryexpansionandtheconnectioncircuitdesign.

Becausethisarticleuses8,031monolithicintegratedcircuitscontrolsystem,therefore,designstheverticalmillingmachineperformancepriceishigherthan,satisfiestheefficientrequest.Butpracticaltoprocessingprecisionhighersituation.

KeywordsNumericalcontroltechnology;Verticalmillingmachine;Design

目录

摘要 1

1总体设计 5

1.1、铣床简介 5

1.2、XK5040型数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系统图 5

1.2.1XK5040型数控铣床的总体布局 5

1.2.2XK5040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 41

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

４.４ I/O接口电路及辅助电路设计 68

４.４.１　 I/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 74

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、XK5040型数控铣床的总体布局、主要技术参数及总传动系统图

1.2.1XK5040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1.1XK5040铣床外观图

1.2.2XK5040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