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1、 毕业设计说明书 数控雕铣机总体设计 班 级： 学号： 姓 名： 学 院： 专 业： 指导教师： 2014 年 6 月 软件工程 郭维峰，赵俊生 软件学院 数控雕铣机总体设计 摘 要 数控雕铣机是典型的机电一体化 产品，它的功能复合化，其核心是在一台机床上要完成铣、雕等多种操作工序，弥补了加工中心和数控雕刻机之间的空白。如今，高速加工技术是当代四大先进制造技术之一，而高速主轴系统是数控雕铣机的核心功能部件之一，电主轴是高速主轴系统的主要形式。 所以本次研究的是高速数控雕铣机的总体设计，利用高性能结构陶瓷作为高速主轴轴承及主轴材料研制开发陶瓷电主轴单元，可以充分发挥陶瓷材料的优良性能，极大地减少

2、主轴部件高速旋转的离心力和惯性力，提高主轴单元的刚度和回转精度，以适应主轴单元高速化和精密化的要求。目前，世界各国竞相发展自己 的高速加工技术，高速加工技术的成功应用产生了巨大的经济效益。 关键词 ：数控雕铣机，高速加工技术，高速主轴系统，陶瓷电主轴单元，经济效益 CNC engraving and milling machine overall design Abstract CNC engraving and milling machine is a typical electromechanical integration products,its multiple functions,

3、its core is on a single machine to complete the milling,carving,and other operation process, to make up for a machining center and CNC engraving machine between the empty bag. Nowadays,high speed machining technology is one of the four advanced manufacturing technology,and high-speed spindle system

4、is one of the core features of CNC engraving and milling machine,electric spindle is the main form of high-speed spindle system. So this study is the overall design of high-speed CNC engraving and milling machine, the use of high performance structure ceramics as high-speed spindle bearings and spin

5、dle material research and development of ceramic electric spindle unit,can give full play to the ceramic material of excellent performance,greatly reducing the spindle component high speed rotating centrifugal force and inertia force,the increase of the stiffness in the spindle unit and rotary preci

6、sion,to adapt to the requirement of high speed spindle unit and motors.At present, countries around the world racing to develop their own high speed machining technology,the successful application of high speed machining technology has a huge economic benefits. Keywords:CNC engraving and milling mac

7、hine ,high speed machining technology,high-speed spindle system ,ceramic electric spindle unit,economic benefits 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 I 页 共 III 页 目 录 1 引言 . 1 1.1 高速数控雕铣机课题介绍 . 1 1.2 高速数控雕铣机的特点和现状 . 1 1.2.1 国内外 高速数控雕铣机的现状和发展趋势 . 1 1.2.2 典型高速数控雕铣机介绍 . 2 1.3 数控雕铣机的组成及工作原理 . 3 1.3.1 数控雕铣机的组成 . 3 1.3.2

8、数控雕铣机的工作原理 . 4 2 高速雕铣机总体布局设计方案 . 5 2.1 机床整体布局设计 . 5 2.2 设计方案分析 . 5 3 高速数控雕铣机主传动系统的设计方案 . 7 3.1 高速数控雕铣机主传动系统的特点 . 7 3.2 高速雕铣机主传动系统配置方式 . 7 3.3 高速雕铣机主轴组件设计 . 8 3.3.1 高速雕铣机电主轴设计的基本要求 . 8 3.3.2 高速雕铣机电主轴工作原理 . 8 3.3.3 高速雕铣机电主轴基本结构 . 9 3.3.4 全陶瓷电主轴的总体结构设计 . 10 3.3.5 无内圈式全陶瓷电主轴的总体结构设计 . 12 3.3.6 高速精密无内圈式全陶

9、瓷球轴承技术 . 14 3.3.7 高速雕铣机陶瓷主轴及其刀具接口设计 . 15 3.3.8 高速雕铣机全陶瓷电主轴单元高速动平衡及精密装配 . 16 3.3.9 高速数控雕铣机陶瓷电主轴冷却系统设计 . 17 3.3.10 高速数控雕铣机陶瓷电主轴润滑系统的设计 . 18 4 高速数控雕铣机伺服进给传动系统设计方案 . 20 4.1 滚珠丝杠副的选择 . 20 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 II 页 共 III 页 4.2 滚珠丝杠的支承结构 . 20 4.3 支承轴承的选择 . 20 4.4 滚珠丝杠的制动装置 . 21 4.5 步进电机与进给丝杠的联结结构 . 21 4.6

10、导轨方案设计 . 21 4.7 换刀方案设 计 . 21 5 相关零部件的计算与校核 . 22 5.1 主轴系统的重力计算 . 22 5.1.1 主轴安装座的体积 V1 及重力 G1 计算： . 22 5.1.2 活动支架的体积 V2 及重力 G2 计算： . 22 5.2 主轴铣削力计算 . 22 5.3 滚珠丝杠副的选择计算 . 23 5.3.1 确定滚珠丝杠副的导程 Ph. 23 5.3.2 确定当量转速与当量载荷 . 24 5.3.3 确定预期额定动载荷 . 24 5.3.4 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 d2m. 25 5.3.5 确定滚珠丝杠 副的规格代号 . 26

11、5.3.6 确定滚珠丝杠副预紧力 . 26 5.3.7 行程补偿值与预拉伸力 . 26 5.3.8 确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号规格 . 27 5.3.9 滚珠丝杠副工作图 . 27 5.3.10 传动系统刚度 . 28 5.3.11 滚珠丝杠副临界压缩载荷 Fc 的校验 . 28 5.3.12 滚珠丝杠副的极限转速 nc 的校验 . 28 5.3.13 Dn 值校验 . 29 5.3.14 基本轴向额定静载荷 Coa 验算 . 29 5.3.15 强度验算 . 29 5.4 三相 感应电动机的选择 . 30 6 电气部分的设计方案 . 32 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 III

12、 页 共 III 页 6.1 硬件部分电路设计 . 32 6.2 80C51 外部电路扩展 . 33 6.3 控制系统总体设计 . 34 7 零件加工的相关程序 . 35 7.1 坐标系及其运动方向 . 35 7.2 零件加工程序举例 . 35 参考文献 . 38 致 谢 . 39 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 1 页 共 39 页 1 引言 1.1 高速数控雕铣机课题介绍 数控雕铣机集计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品 1。它是数控技术与雕刻、铣削工艺相结合的产物 ,通过数控系统根据加工程序代码控制雕铣机动作，实现雕

13、刻、铣削加工的自动化，是一种多用途的数控机床，它的功能复合化提 高了机床的效率和加工精度，提高了生产的柔性。所以数控雕铣机的发展和应用在一定程度上改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了变化。 一直以来，数控雕铣机向着高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化、开放性等主要方向发展 2。其中，以髙切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速加工技术是当代四大先进制造技术之一，是制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。它能大幅度提高机械加工精度和生产效率，不仅能适应单件、各批量生产，还能加工传统方法难以加工的形状复杂、 精确度高的零件。 所以高

14、速数控雕铣机的应用将更好地发挥数字技术和信息技术对提升制造业水平的重大作用。 1.2 高速数控雕铣机的特点和现状 1.2.1 国内外高速数控雕铣机的现状和发展趋势 作为高速加工技术产品的数控雕铣机综合了数控铣和数控雕刻机的所有功能。从理论上讲，凡是能数控铣的或能数控雕刻的工艺内容都可用本机床来完成。国内高速数控机床产品的研究还处于刚起步阶段，在技术上大多还不够成熟，市场占有率较小。在日、美、西欧等发达国家高速数控机床的技术已较成熟，正处于迅速产业化阶段。虽然国外的高速机在技术上有 一定的优势，但价格昂贵。目前我国急需国产数控机床高速化，有关企业从国外购买高速数控关键单元设备，由于国外对该单元生

15、产技术不予出口，所以我国目前在高速加工技术处于被动落后的地位 3。 目前，新型大功率数控雕铣机主轴的转速正在由 12000r min 提高到 24000r min 甚至更高，最大连续输出转矩正由 2(N m)提高到 10(N m)甚至更高，快速移动由 4 m min 提高到 40m min，定位精度由 0 006mm 提高到 0 003mm。重中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 2 页 共 39 页 复定位精度由 0 015mm提高到 0 003mm。新一代数控雕铣机这些综合性 能指标的大幅提高，对机床的性能提出了更高的要求。而在高速下同时达到不影响精度，甚至提高精度，在高精度的要求下同

16、时达到高效率往往是困难的。如何大幅度同时提升精度、速度及加工效率，使之达到最佳的优化组合，是目前设计者在新机床的设计时所必须解决的难题。 1.2.2 典型高速数控雕铣机介绍 广州鑫泰 定梁式数控雕铣机 GSFD6080 系列 广州鑫泰 定梁式数控雕铣机 GSFD6080 机械性能参数指标见表 1.1，模型图见图 1.1. 表 1.1 雕铣机 GSFD6080 机械性能参数指标 主要机械性能指标项 标准值 工作台尺寸（ mm） 800*600 X、 Y、 Z 轴最大工作行程 （ mm） 600、 800、 280 最大进给速度（ m/min） 15 主轴电机功率（ kw） 5.5 主轴转速范围（

17、 rpm） 6000-24000 最高切削进给速度（ m/min） 10 X/Y/Z 轴运动定位精度（ mm） 0.016、 0.016、 0.014 X/Y/Z 轴重复定位精度（ mm) 0.01、 0.01、 0.008 机床外形尺寸（ L*W*H/mm) 2500*1500*2100 机器总功率 (kw) 10 机器轴联动数 (个） 5 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 3 页 共 39 页图 1.1 雕铣机 GSFD6080 模型图 特点及应用： 定梁式数控雕铣机 GSFD6080 系列配备名牌精密数控系统， 采用台湾知名厂商高精密直线导轨，具有高强度导向精度和运动平稳性，适合

18、于高速雕铣加工 ， 具备CNC 标准化功能，是中档高效的数控加工设备。该系列机床为龙门式结构，整机刚性好，操作方便灵活，扩展性强，可实现三轴联动、四轴联动、五轴联动，用途广泛，特别适用于文字、图案雕刻以及各种形状复杂的二、三维凹凸模型的型腔和表面的加工，适于小批量模具零件的生产 4。 1.3 数控雕铣机的组成及工作原理 1.3.1 数控雕铣机的组成 数控雕铣机一般由控制介质、数控装置、伺服机构、和机床本体（机械部件）组成 5，如图 1.2 所 示，其中实线部分表示开环系统。为了提高加工精度，再加入测量装置，由虚线构成反馈，成为闭环系统。 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 4 页 共 3

19、9 页图 1.2 数控雕铣机的组成 1.3.2 数控雕铣机的工作原理 用数控雕铣机加工零件时，首先将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。 数控雕铣机的 加工，是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，及最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量，从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工 6。 当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标之间进行插补，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值，向各坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓。对任意曲面零件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需的零件。 数控雕铣机具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需要重新编制加工程序即可，原来 的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。