XK5040数控立式铣床及控制系统设计.docx

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XK5040数控立式铣床及控制系统设计

摘要……………………………………………………………………………1

前言…………………………………………………………………………....2

第1章绪论………………………………………………………………………3

1.1数控机床的知识…………………………………………………………3

1.2数控铣床的分类…………………………………………………………3

1.2.1数控立式铣床………………………………………………………3

1.2.2数控卧式铣床………………………………………………………4

1.3数控铣床的结构特征……………………………………………………4

1.3.1数控铣床的主轴特征………………………………………………5

1.3.2控制机床的坐标特征………………………………………………5

1.4数控铣床的主要功能及加工对象………………………………………5

1.4.1数控铣床的功能……………………………………………………5

1.4.2自动换刀装置及其形式……………………………………………5

1.4.3自动装置应当满足的基本要求……………………………………6

第2章总体方案的设计………………………………………………………8

2.1运动方案的设计………………………………………………………9

2.1.1运动数目的确定……………………………………………………11

2.1.2运动方案的确定……………………………………………………13

2.2功能部件的设计方案…………………………………………………14

2.2.2进给伺服系统………………………………………………………18

2.2.3自动换刀系统………………………………………………………20

2.2.4基础部件……………………………………………………………23

2.2.5数控系统……………………………………………………………24

2.2.6辅助装置……………………………………………………………24

2.3总体布局………………………………………………………………24

2.4主要技术参数…………………………………………………………24

2.5小结…………………………………………………………………..25

第3章刀库的设计………………………………………………………………26

3.1确定刀库容量……………………………………………………………26

3.2确定刀库形式……………………………………………………………28

3.3刀库结构设计……………………………………………………………28

3.4初估刀库驱动转距及选定电机…………………………………………28

3.4.1初选电动机与降速传动装置………………………………………29

3.4.2初估刀库驱动转距……………………………………………………29

3.5刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计………………………………30

3.6刀库驱动转矩的校核………………………………………………………30

3.7花键联接的强度计算………………………………………………………30

3.8夹紧机构插销剪切强度的校核……………………………………………31

3.9确定刀具的选择方式………………………………………………………31

3.10刀库的定位与刀具的松夹………………………………………………31

第4章刀具交换装置的设计……………………………………………………31

4.1确定换刀机械手形式………………………………………………………31

4.2换刀机械手的工作原理……………………………………………………32

4.3机械手的自动换刀过程的动作顺序………………………………………32

4.4机械手回转轴4上的齿轮齿条设计………………………………………33

4.5自动换刀装置的相关技术要求……………………………………………33

4.5.1主轴准停装置…………………………………………………………33

4.5.2换刀机械手的安装与调试……………………………………………33

4.6自动换刀程序的编制………………………………………………………33

第5章自动换刀装置的控制原理…………………………………………………34

5.1自动换刀装置的液压系统原理图…………………………………………35

5.2自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程…………………………………35

第六章数控加工程序的编制…………………………………………………35

6.1数控加工的特点……………………………………………………35

6.2数控编程方法及特点…………………………………………………35

6.2.1数控编程的分类…………………………………………………35

6.2.2编程零点及坐标系的选择…………………………………………36

6.2.3对刀点的选择……………………………………………………37

6.2.4加工路线的确定……………………………………………………37

6.3数控加工程序的内容…………………………………………………38

6.3.1车床程序…………………………………………………………38

结论……………………………………………………………………………39

致谢……………………………………………………………………………40

参考文献………………………………………………………………………41

摘要

随着数控技术的发展和普及，加工中心的作用越发突显它的重要性。

为进一

步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成

多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如

车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。

这类多工序加工的数控机床在加工过

程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用

不同刀具，完成不同工序的加工工艺。

自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具

重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。

ABSTRACT

Alongwiththenumericalcontroltechnologydevelopmentandthe

popularization,theprocessingcenterfunctionrevealsitsimportanceevenmore

suddenly.Forfurtherenhancesthenumericalcontrolenginelathstheprocessing

efficiency,thenumericalcontrolenginelathsisclampingtotheworkpieceinan

enginelathsattirethencompletesthemulti-channelworkingprocedureorthecomplete

workingprocedureprocessingdirectiondevelops,thereforeappearedeachkindoftype

Thepresentpaperisthedevelopmentdesignsonekindofvolumeslightly,the

structurecompact,thepriceislow,productioncycleshortsmallverticalprocessing

centerknifestorehousethisarticle.Firstintroducedthedomesticandforeign

processingcenterresearchpresentsituationandthetrendofdevelopment,have

expoundedthistopicresearchgoal,thesignificance.Thenfurtherintroducedthissmall

processingcenterknifestorehouseoverallstructureandvariouspartsplanchoice,and

hascarriedonthesmallprocessingcenterknifestorehousemechanismdesign

calculationinthisfoundation,mainlyincludestheknifestorehouseoverall

organizationdesign,theelectricalmachineryselection,theknifestorehouserotation

detentmechanismdesignknifestorehousemigrationpartdesignandsoon.

Keywords:

numericallycontrolledlathe;machiningcenters;cutdatabase;

mechanicalhand

前言

数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。

数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。

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。

数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。

输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。

随着微电子技术、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；激光加工等技术将应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。

第一章绪论

1.1数控机床知识

数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。

数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。

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。

数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。

输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。

随着微电子技术、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；激光加工等技术将应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。

1.2数控铣床的分类

1.2.1数控立式铣床

数控立式铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。

小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降、及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床相似；中型数控立式铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动；大型数控立式铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。

从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3坐标数控立式铣床仍占大多数。

一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3坐标中的任意二个坐标联动加工。

此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标数控立式铣床。

一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。

但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。

数控立式铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。

1.2.2卧式数控铣床

与通用卧式铣床相同，其主轴级平行于水平面。

为了扩大加工范围和扩大功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5坐标加工，这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。

可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。

对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说，选择带数控转盘的卧式铣床进行的。

加工是非常合适

这类铣床目前正在逐渐增多，它的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全，选择加工的对象和余地更大，给用户带来了很多方便，特别是当生产批量小，品种较多，又需要立卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。

立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种，采用数控万能主轴头的立、卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不同角度的工件表面。

当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”。

即出除了工件与转盘贴合的定位面外，其它表面都可以在一次安装中进行加工。

因此，其加工性能非常优越。

1.3数控铣床的结构特征

1.3.1数控铣床的主轴特征

数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质上编入的程序自动执行。

不同的机床其变速功能与范围也不同。

有的采用变频机组，固定几种转速，可自选一种编入程序，但不能在运转时改变。

有的采用变频器调整，将转速分为几档，编程时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮，在本档范围内自由调节；有的则不分档,编程时可在整个范围内无级调速。

但是在实际操作中，调速不能有大起大落的突变，只能在允许的范围内调高或调低，只能在允许的范围内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，换刀比较方便。

此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但是主轴结构更加复杂。

1.3.2控制机床运动的坐标特征

为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿平面上设定的直线、圆弧或空间直线、圆弧轨迹运动，因此，要求数控铣床的伺服拖动系统能在多坐标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，这就要求机床应能实现多坐标联动。

数控铣床要控制的坐标数最少是3坐标中任意两坐标联动。

要实现连续加工直线变斜角工件，应实现四坐标联动。

若要加工曲线变斜角工件，是要求实现五坐标联动。

因此，数控铣床所配置的数控系统档次，一般都比其它数控机床相应更高一些。

1.4数控铣床的主要功能及加工对象

1.4.1数控铣床的功能

数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。

一般功能是指各类数控铣床普遍所具有的功能。

如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。

特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。

如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。

在使用数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加工许多普通铣床难加工的工件。

数控铣床的主要加工对象有：

平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。

1.4.2自动换刀装置（ATC）及其形式

数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步发展为在一台机床上在一次装中完成多工序或全部工序的加工。

数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。

对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（AutomaticToolChanger，ATC）;自动换刀（AutomaticToolChange简称ATC）系统由控制系统和换刀装置组成。

在数控铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心（Machiningcenter简称MC）。

在这类数控机床上，自动换刀装置（ATC）是必不可少的。

例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床，它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置工能的数控机床，具有自动换刀装置是加工中心机床的典型特征，是多工序加工的必要条件。

自动换装置的功能，对整机的加工效率有很大的影响。

由于普通的数控立式铣床加工的一般是中小零件，其大多需要几把刀具加工（10把刀具以内，）故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转速。

可减轻劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了劳动生产率。

因此，数控立式铣床作为数控铣床中数量最多、应用范围也最广的一种，对其附加能够快速、准确地换刀的自动换刀装置是非常有必要的。

各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。

这种装置主要可以分为以下几种形式：

1）回转刀架换刀形式

2）更换主轴头换刀形式

3）带刀库的自动换刀形式

1.4.3自动换刀装置应当满足的基本要求

1）刀具换刀时间短。

2）刀具重复定位精度高。

3）足够的刀具储存量。

4）刀库占地面积小。

5）换刀安全可靠。

第2章总体方案的设计

加工中心刀库的总体方案设计是根据其功能和设计要求，从全局的角度，以系统的观点，进行自动换刀装置刀库整体方面的设计，主要包括运动功能方案设计、基本参数设计、传动系统设计、总体结构布局设计等内容。

2.1运动方案的设计

加工中心主要用来加工小型板类、盘类、模具类、多孔类零件上的小孔和平面。

主要是钻削和铣削加工。

2.1.1运动数目的确定

要实现以上各种零件表面的钻削和铣削加工功能，机床必须具有以下运动：

一个是主运动即主轴带动刀具回转（Vc）；另一个是三个方向的进给运动，包括实现切入工件一定深度（Z方向）的进给运动；实现在水平面内两个方向（X、Y方向）的进给运动。

此外，还必须有换刀功能，因此还必须有非成形运动，如换刀需要刀库转位、移动等运动。

2.1.2运动方案的确定

加工中心加工工件所需的这些运动，必须由对应的执行部件来实现。

加工中心的主运动一般都由主轴部件（主传动系统）来完成，而进给运动可以由工件来完成；也可以由刀具来完成；或者是由刀具和工件来共同完成。

这样就影响到部件的相互位置关系的配制和总体关系。

采用哪种形式与被加工工件尺寸、形状、质量和功能等因素有关。

对具有钻、铣的功能的立式加工中心，根据工件的质量、尺寸等的不同，可以有以下几种不同的运动

方案：

1.由工件完成三个方向的进给运动如图2.1a）所示，当加工质量较轻工件时，分别由X-Y向工作台和升降台来实现；

2.工作台带动工件做一个方向的进给运动，其他两个方向的进给运动由刀具在立柱与横梁上移动来完成如图2.1b）所示，这种方案不仅适用于质量大的工件加工，还可增多主轴头，使加工中心的生产效率得到很大的提高。

3.由刀架来完成三个方向的进给运动如图2.1c）所示，当加工较重或尺寸较高的工件时，则不宜由工件做进给运动，而是工作台固定不动，改为由刀具来完成进给运动。

采用了立柱在床身上沿前后方向移动来Y方向的进给；由刀具在横梁上移动来完成Z向的进给。

通常见于大、中型动柱式加工中心。

这种方案可以避免的尺寸工作台在溜板两端极限位置发生翘曲和大溜板加工难的问题，从而减少了溜板和结构的多层，有利于提高机床精度。

4.由工作台实现X、Y两个方向的进给，而唷刀具来完成垂直进给运动如图2.1d）

所示，当加工质量较轻、体积较小的工件，且主轴部件的重量、体积较小时，也可以由X-Y工作台实现两个方向的进给，而由刀具来完成垂直进给运动。

适用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。

由于立柱固定在床身上，就便于把刀库、电柜等装在立柱上。

图2.1加工中心运动方案

2.2功能部件的设计方案

加工中心一般由主传动系统、进给伺服系统、自动换刀系统、基础部件、数控系统和辅助装置等部分组成。

2.2.1主传动系统

主传动系统用来实现加工中心的主运动。

由主轴箱、主轴、轴承、松拉刀机构、电动机等零件组成。

这是加工中心自动换刀装置的关键部分，主轴的启动、停止、变速等动作通过数控系统控制由主传动系统来实现。

并且通过安装在主轴上的刀具实现切削运动。

要求主轴部件必须具备足够的转速范围、功率和扭矩，在大部分转速范围内要保持恒功率，当降到计算转速以下时，要保持恒扭矩传动；主传动系统的各零部件，应具有足够的强度和必要的刚度及抗震性能；噪声低、运转平稳性好。

传动方案有以下几种：

1.齿轮传动

目前加工中心主传动大多用宽调速主轴电机,其调速范围达1：

100。

对某些中小型加工中心，已经足够了，不需要经过齿轮变速。

如果所需转速范围超过1：

100（如中型以上规格的加工中心），则需通过齿轮换档的方法实现。

2.带传动

加工中心主传动系统使用的带传动多为同步带传动。

它是一种综合了带、链传动优点的新型传动。

具有以下优点：

1）传动比准确

同步带传动是啮合传动，工作时无滑动。

2）传动效率高

可达98%以上，节能效果明显。

3）重量轻，结构紧凑

不需依靠摩擦传动，预紧张力小，对轴和轴承的作用力小，带轮直径小。

4）线速度高

可达50m/s，因齿形带较薄。

5）传动平稳

动态特性良好，能吸振，噪声小。

6）使用范围广

传递功率由几瓦至数千瓦，速比可达10左右。

7）使用保养方便

不需要润滑，耐油、耐磨性和抗老化好，还能在高温、灰尘、水及腐蚀介质等环境中工作。

由于以上优点，所以实际中多用。

但安装要求较高，两带轮轴心线平行度要求高，中心距要求严格。

带和带轮的制造工艺复杂，成本低。

3.电主轴

有内装式电动机直接驱动，结构的最大特点是实现了机床的“零传动”，这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节（如皮带、齿轮、离合器等），实现了主电动机与机床主轴的一体化。

这种传动方式有以下优点：

1）机械结构最为简单，传动惯量小

因而快速响应性好，能实现极高的速度、加（减）速度和定角度的快速准停。

2）实现了主轴部件的单元化，可独立作成标准化的功能部件，并由专业厂进行系列化生产机床主机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可很方便地组成各种性能的高速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。

3）高速运转的可靠性与安全性好

因电主轴还有一系