1、数控铣床 http:/ 1 小型数控铣床总体设计 摘 要 随着 1818 年第一台铣床的问世，铣床已经成为机械行业不可或缺的一部分。 目前，在实际应用中有部分工件在加工微型孔或铣削平面时，加工精度不高。如果我们用传统的数控铣床对其加工，将导致加工效率低且加大设备和电力的损耗。根据这种情况，我打算设计一种小型数控立式铣床，该铣床不仅造价大大低于传统数控铣床，还能够满足教学上的使用，提高学生对数控铣床的理解与认识。本文将对小型铣床的总体结构进行设计，设计内容包括主轴箱、立柱、工作台、机座、控制部分。 关键词 小型；数控铣床；总体设计 数控铣床 http:/ 2 The overall design
2、 of small milling machine Abstract With the advent of 1818 the first milling machine , milling machine has become an integral part of the machinery industry . At present, part of the workpiece in the processing of micro - holes or milling plane , machining accuracy is not high in practical applicati
3、ons . If we use the traditional CNC milling machine to its processing, will result in processing efficiency and increase equipment and power loss . Under this situation, I intend to design a small CNC vertical milling machine , the milling machine is not only cost significantly less than traditional
4、 CNC milling machine , and also to meet the teaching and learning , and raise the students understanding and knowledge of CNC milling machines . This paper will the overall structure of small milling machine design, design elements include the headstock, column , table, base , control section . Keyw
5、ords Small-scale;CNC milling machine;Overall design 数控铣床 http:/ 3 第 1 章 绪论 1.1 引言 铣床是一种用途广泛的机床，在铣床上可以加工平面（水平面、垂直面）、沟槽（键槽、 T 形槽、燕尾槽等）、分齿零件（齿轮、花键轴、链轮、螺旋形表面（螺纹、螺旋槽）及各种曲面。此外，还可用于对回转体表面、内孔加工及进行切断工作等。铣床在工作时，工件装在工作台上或分度头等附件上，铣刀旋转为主运动，辅以工作台或铣头的进给运动，工件即可获得所需的加工表面。由于是多刀断续切削，因而铣床的生产率较高。简单来说，铣床就是用铣 刀 对工件进行铣削加工的
6、机床。 1.2 铣床的发展历史 铣床最早由美国人 E.惠特 尼于 1818 年创造的卧式铣床。为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人 J.R.布朗于 1862 年创造了第一台万能铣床，是为升降台铣床的雏形。 1884 年前后出现了龙门铣床。 20 世纪 20 年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给 -快进”的自动转换。 1950 年以后，铣床在控制系统发面发展很快，数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。尤其是 70年代后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度与效率。 随着机械化进程不断加剧，数控编程开始广泛应用于机床类操作，极大的释
7、 放了劳动力。数控编程铣床将逐步取代现在的人工操作。对员工的要求也会越来越高，当然带来的效率也会越来越高。 1.3 数控技术与数控机床 数控技术是现代制造技术的基础。它综合了计算机技术、自动控制技术、自动检测技术和精密机械等高新技术，因此广泛应用于机械制造业。数控机床替代普通机床，数控铣床 http:/ 4 从而使得制造业发生了根本性的变化，并带来了巨大的经济效益。 目前，数控技术已被世界各国列为优先发展的关键工业技术，成为国际间科技竞争的重点。数控技术的应用将机械制造与微电子、计算机、信息处理、现代控制理论、检测技术以及光电磁等多种学 科技术融为一体，使制造业成为知识、技术密集的大学科范畴内
8、的现代制造业，成为国民经济的基础工业。 数控技术是当今柔性自动化和智能自动化的技术基础之一，它使传统制造工艺发生了显著的、本质的变化。随着数控技术的不断发展和应用，工艺方法和制造系统的不断更新，形成了 CAD、 CAM、 CAPP、 CAT、 FMS 等一系列具有划时代意义的新技术、 新工艺的制造系统。 在国际贸易中，很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润主要电机出口产品。世界贸易强国在进行国内机电产品贸易的同时，把高技术的机电产品出口打入国际市场，作 为发展出口经济的重要战略措施，数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制
9、造整体水平的重要标志之一。数控铣床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置。 1.4 数控机床的特点及发展趋势 随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比例明星增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统 ，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发。 世界数控机床产业发展的基本共识是朝着高速高效化、精密化、复合化、智能化、信息化、环保化和设计模块化的方向发展。 高速高效化 高速和超高速加工技术可以
10、提高加工效率，也是加工难削材料、提高加工精度、控制振动的重要保障。其技术关键是提高机床的主轴转速和进给速度。比如进一步提高高速电主轴最高转速及功率、扭矩，采用传感技术进行振动监测和诊断，进一步轻量化进给系统，采用直线电机和力矩电机的直接驱动方式，由刀具主轴部件实现机床数控铣床 http:/ 5 的 3 个直线坐标运动等。 精密化 由于机床结构和各组件加工的精密化，机床达到微米级精度已不是问题。目前高档数控机床定位精度（全行程）已达 0.004 0.006mm，重复定位精度 0.002 0.003mm。同时，代表精度水平的超精密的纳米级机床已开始不断涌现。 复合化 在零部件一体化程度不断提高、数
11、量不断减少的同时，加工的产品形状日益复杂，多轴化控制的机床适合加工形状复杂的工件。另一方面，产品周期的缩短要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求，这就要求 1 台机床能够处理以往需要几台机床处理的工序。在保持工序集中和减少 工件重新安装定位的前提下，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，以减少占地面积，减少零件传送和库存，保证加工精度和节能降耗的要求。 智能化 现代智能化数控机床可以根据切削条件的变化，自动调节工作参数，保持最佳工作状态，得到较高的加工精度和较低的表面粗糙度值，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。此外，系统还可以随时对 CNC 系统本身以及与
12、其相连的各种设备进行自诊断、检查，实现故障停机、故障报警、提示发生故障的部位、原因等。智能化现代数控机床的发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。 信息化 利用计算机技术和 网络通信技术，机床制造商可以建立机床远程技术支持体系，实现工况信息的传输、存储、查询和显示，以及远程智能诊断。基于网络连接，机床用户可以及时获得机床制造商的远程技术支持，机床制造商可准确有效地得到用户方的机床工况资料数据，进行机床状态的网上在线诊断，实现机床全生产周期服务的开放式网络监控服务，可以提高售后服务效率，并有助于及时改进产品的质量。 环保化 环保是机床产品必须达到的条件。通过干切削、准干切削、硬切削等措施避免冷却液、
13、润滑液对周围环境造成生态危害以及采用全封闭的罩壳，全面避免切屑或切削液外溅是主要的 两个环保化要求。 数控铣床 http:/ 6 设计模块化 模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青，横向系列，纵向系列，全系列，跨系列的模块化设计使得同样两台机床，外形上看，好象完全一样，但功能则完全不同，所构成的模块很多则是通用的。模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线，无论是机床技术发展的潮流还是市场竞争的要求，无论是降低成本的需要，还是提高产品质量的需要，都要求在产品的开发设计中，切实做好模块化的设计工作。产品生产向社会协作、专业化方向发展，小而全的模式将被淘汰。 1.5 数控机床的组成 组成一台完整
14、的数控机床，主要由控制介 质（穿孔带、磁带）、数控装置、伺服系统和机床四部分及辅助装置组成 . 1.5.1 控制介质 数控机床工作时，不需要人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图。这就需要在人与机床之间建立某种联系的中间媒介物称为控制介质。在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息。因此，控制介质就是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电 纸带输入机、磁带录音机和磁盘驱动器等。 除了上述几种控制介
15、质以外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接将程序及数据输入。另外，随着 CAD/CAM 技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM 软件在其它计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。 1.5.2 数控装置 数控装置是数控机床的控制中心，人们喻为“中枢系统”。数控装置包括输入装数控铣床 http:/ 7 置，控制运算器 (CPU)和输出装置等构成，如图 1-3 所示。图中虚线内包含部分为数控装置。 数控装置的功能是接受控制介质上的各种信 息，经过识别与译码后，送到运算控制器进行计算处理再经过输出装置将运算控制器发出的控制命令送到伺服系统，带
16、动机床完成相应的运动。 目前均采用微型计算机作为数控装置。微型计算机的中央处理单元（ CPU）又称为微处理器，是一种大规模集成电路，它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微型计算机中，输入与输出电路也采用大规模集成电路，即所谓的 I/O 接口。微型计算机拥有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。 1.5.3 伺服系统 伺服系统是数控系统的执行机构，包括驱动、执行和反馈装 置。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求与位置、速度反馈信号相比较后带动机床的移动部件或执行部件动作，加工出符合图纸要求的零件。指令信息以脉冲信号表示，反映到机床移动部
17、件上的移动量称为脉冲当量，常用脉冲当量为 0.0010.01mm，脉冲当量在设计数控机床时即已规定。 伺服系统直接影响数控机床的速度、位置、加工精度、表面粗糙度等。 当前数控机床的伺服系统，常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。后两者都带有光电编码器等位置测量元件，可用来精确控制工作台的实际位移量 和移动速度。 1.5.4 机床本体 机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。它与普通机床相比较有所改进，具有以下特点： （ 1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统，机械传动结构简化，传动链较短。 （ 2）机械结构
18、具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。 数控铣床 http:/ 8 （ 3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。 与普通机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这些变化的目的是为了满足数 控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。因此，必须建立数控机床设计的新概念。 1.5.5 辅助装置 辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、工件夹紧机构、润滑装置、冷却装置、照明装置、排屑装置、液压汽动系统、过载保护与限位保护装置等。 数控铣床 http:/ 9 第 2 章 主切削力及其切削分力的计算 2.1 计算主切
19、削力 ZF 根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=125mm）时，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。此时，铣刀的切削速度为 33 . 1 4 1 2 5 1 0 8 0 0 0 5 2 . 4 /6 0 6 0Dnvs 若主传动链的机械效率m=0.8，按式 310Emz VPF可计算主切削力 ZF ； 330 . 8 1 11 0 1 0 1 6 7 . 9 35 2 . 4mEz PFNv （ 2）计算各切削分力。 根据表 2-2 可得工作台纵向切削力 1F 、横向切削力 cF 和垂向切削力 vF 分别为 1 0 . 3 5 0 . 3 5 1 6
20、7 . 9 3 5 8 . 7 8zF F N 0 . 5 5 0 . 5 5 1 6 7 . 9 3 9 2 . 3 6VZF F N N 表 2-2 工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值 切削条件 比值 对称端铣 不对称端铣 逆铣 顺铣 端铣（1 ZFF 0.30 0.40 0.60 0.90 0.15 0.30 CZFF 0.85 0.95 0.45 0.70 0.90 1.00 0 . 9 0 . 9 5 1 6 7 . 9 3 1 5 9 . 5 3CzF F N 数控铣床 http:/ 10 ( 0. 4 0. 8 ) , 0. 1 0. 2)efdaa VZFF0.50 0.55
21、 0.50 0.55 0.50 0.55 圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣 (00.05 , 0.1 0.2efa d a) 1 ZFF - 1.00 1.20 0.80 0.90 VZFF- 0.20 0.30 0.75 0.80 CZFF- 0.35 0.40 0.35 0.40 导轨摩擦力的计算 （ 1）按式 ( 数控技术课程设计 2-8a )计算在切削状态下的导轨摩擦力 F 。 此时，动摩擦系数 0.15 ， cF -主切削力的垂向切削分力（ N） VF -横向切削分力（ N）； W-坐标轴上移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的重量， N）； -摩擦系数，随导轨形式不同而不同，对于帖塑导轨， =0.15；对于滚动直线导轨， =0.01； gf-镶条紧固力（ N） ,其推荐值可查表 2-3得镶条紧固力gf=2000N，则 F = （ W+ gf + cVFF ） =0.15 (8820+2000+1514.7+925.65)N=1986.1N 表 2-3 镶条紧固力推荐值 导轨形式 主电动机功率 /kw
