1、本科毕业设计论文目录第一章 数控机床概述1一数控机床的简介1（一）数控机床的产生及其重要性1（二）数控机床应用范围及特点1（三）数控机床的组成2（四）数控技术的发展现状与趋势3第二章 机床总体布局设计5一.机床总体尺寸参数的选定5二.机床主要部件及其运动方式的选定5第三章 主传动的设计6一议定转速图6（一）确定结构式和结构网式6（二）议定转速图7（三）确定各齿轮的齿数8（四）传动系统图的拟定10二主传动主要零件的强度计算11（一）电动机的选择11（二）齿轮传动的设计计算11（三）轴的设计计算14（四）离合器的选用27第四章 进给系统的设计计算28一垂直进给系统的设计计算28(一)脉冲当量和传动
2、比的确定28(二)滚珠丝杠设计计算30(三)步进电机的选择34(四)滚珠丝杆副的预紧方式36（五）齿轮传动消隙36二横向进给系统的设计计算37(一)脉冲当量和传动比的确定37(二)滚珠丝杠设计计算38(三)步进电机的选择40第五章 控制系统的设计42一控制系统总体方案的拟定42二总控制系统硬件电路设计42（一）单片机的选用42（二）系统的扩展45（三）键盘、显示器接口47（四）步进电机控制电路48（五）光电隔离电路49结论51致谢52参考文献53 第一章 数控机床概述一数控机床的简介（一）数控机床的产生及其重要性随着社会生产和科学技术的飞跃发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快
3、，特别是在宇航、造船、军事等领域需要的机械零件。此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法难于适应这种多样化与复杂形状零件高质量的加工要求，为了解决上述问题，数控机床应运而生。数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的新型机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶段。从第一台数控机床问世到现在，数控技术的发展非常迅速，使制造技术发生了根本性的变化，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、
4、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术。美国与西方各国在高档数控机床与技工技术方面，对我国进行封锁限制，因为许多先进武器装备的制造，如飞机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数控机床的加工。我国的航空、能源、交通等行业也从西方引入了一些五坐标机床等高档数控设备，但其使用受到国外的监控和限制，这一切均说明数控加工技术在国防现代化方面所起的重要作用。（二）数控机床应用范围及特点目前的数控加工主要应用于以下两方面：一方面的应用是常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等。其目的在于提高加工效率，避免认为误差，保证产品质量，以柔性加工方式取代
5、高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件一般形状较简单，实现上述目的的关键在于提高机床的柔性自动化程度、高速精加工能力、加工过程的可靠性。另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等。该类零件在众多的制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机床品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。（三）数控机床的组成如图所示
6、，数控机床由一下几个部分组成：图1-1 数控机床组成1程序编制 数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置，刀具与零件相对运动的尺寸参数，零件加工的工艺路线或加工顺序，主运动的起、停、换向、变速、进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作，得到零件的运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。2输入装置 输入装置的作用是将程序载体上的数控代码传递并存入数控系统内。根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机
7、、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统。 零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。3数控装置数控装置是数控机床的核心，数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。 4辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱
8、动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作5驱动装置和位置检测装置 驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较
9、，控制驱动装置按照指令设定值运动。6.机床的机械部件数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都发生了很大的变化，这种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。（四）数控技术的发展现状与趋势随着科学技术的发展，数控机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步正向着高精度、多功能、高速化、高效率、复合加工功能、智能化等方向迈进，明显地反映出时代的特征。当前，数控机床技术呈现如下发展趋势：1.精度化当代工业产品对精度提出了
10、越高的要求，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非球面透镜、光盘、等，这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米级。因此，加工这些零件的机床也受到需求的牵引而向高精度发展。2.高速度化提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一，而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切削速度和减少辅助时间。随着刀具、电机、轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大为提高。3.高柔性化柔性是指机床适应加工对象变化的能力，当代产品的多样化和个性化，对机床提供了更高的柔性加工要求。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。不仅中、小批量的生产方式在
11、努力提高柔性化能力，就是在大批量生产方式中，也积极向柔性化方向转向。4.高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少“人”的介入而自动完成规定的任务，包括物料流和信息流的自动化。自上世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”的自动化（单台数控机床）发展到“线”的自动化（柔性制造车间），结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化，并出现了FA（自动化工厂）和CIM（计算机集成制造）工厂的雏形实体。数控机床的高自动化并向FMC、FMS集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。5.复合化复合化包含工序复合化和功能复合化。在一台数控设备上能完成多工序切削加工（如
12、车、铣、镗、钻等）的加工中心，打破了传统的工序界限和分开加工的规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的镗铣加工中心，不仅一次装夹便可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体件五个面粗、精加工的全部工序。6.智能化数控技术的一个重要发展趋势是加工过程的智能化，带有自适应控制功能的控制系统，可以在加工过程中根据切削力和切削温度等加工参数，自动优化加工过程，从而达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工表面质量等目的。刀具破损监控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作状态。另外以工艺参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统被用于指导加工。7
13、.网络化为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化功能也日趋重要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资源和信息共享，适应未来车间的面向任务的定单的生产发展模式，使得生产控制系统的集成更加简便有效。8.高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标，数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。数控系统可采用更高集成度的电路芯片，利用大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。图1-2 数控立式钻铣床第二章 机床总体布局设计一.机床总体尺寸参数的选定根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下
14、：工作台宽度长度 4001600mm主轴锥孔 724工作台最大纵向行程 300mm工作台最大横向行程 375mm主轴箱最大垂直行程 400mm主轴转速级数 12级主轴转速范围 301500r/minX、Y轴步进电机 130BF001（反应式步进电动机）Z轴步进电动机 130BF001（反应式步进电动机）主电动机的功率 4.0KW主轴电动机转速 1440r/min机床外形尺寸（长宽高） 15012002300mm机床净重 500Kg二.机床主要部件及其运动方式的选定1.主运动的实现因所设计的机床要求能进行立式的钻和铣，垂直方向的行程比较大,因而采用工作台不动,而主轴箱各轴向摆放为立式的结构布局。
15、为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳，工作更可靠，主轴箱主要采用液压系统控制滑移齿轮和离合器变换齿轮的有级变速。2.进给运动的实现 本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在X、Y、Z三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。3.数字控制的实现 采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。第三章 主传动的设计一议定转速图 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩（二）议定
16、转速图根据已确定的结构式或结构网议定转速图时，应注意解决定比传动和分配传动比，合理确定传动轴的转速。 1.定比传动在变速传动系统中采用定比传动，主要考虑传动、结构和性能等方面的要求，以及满足不同用户的使用要求。在钻铣床的设计中，总降速比为u=125/1440=0.087。若每一个变速组的最小降速比均取1/4，则三个变速组的总降速可达，故无需要增加降速传动，但为了使中间两个变速组做到降速缓慢，以利于减小变速箱的径向尺寸和有利于制动方便，在轴间增加一对降速传动齿轮（），同时也有利于设计变型机床，因为只要改变这对降速齿轮传动比，在其他三个变速组不变的情况下，就可以将主轴的12种转速同时提高或降低，以
17、便满足不同用户的要求。2.分配降速比 前面已确定，12322共需三个变速组，并在轴间增加一对降速传动齿轮，要用到四个变速组，在主轴上标出12级转速：1251600r/min,在第轴上用A点代表电动机转速，最低转速用E点标出，因此A,E两点相距约11格，即代表总降速传动比为。 3.定出各变速组的最小传动比 根据降速前慢后快的原则，在轴间变速组取，在轴间变速组取，在轴间变速组取，则图2-2 转速图根据结构式可知：轴间变速组的级比指数分别为：1，3，6，传动副为：3，2，2，则画出上图的转速图。（三）确定各齿轮的齿数在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构
18、庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大噪声，所以在设计时要把齿数和控制在；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数，因而齿轮的齿数和不应过小。在轴间因为 ，又因为而最小齿轮的齿数是在的齿轮副中，令，则等，因为在高速轴中尽量使齿轮的几何尺寸小一点以减小主轴的尺寸，所以可取可查出：， ，同理： ， 且查得. 取 则查得：， ， ， 查得：因为三联滑移齿轮中的最大齿数与次大齿数之差必须要大于或等于4则必需有。又因为前传动轴的转速高，扭矩小，一般传动件的尺寸要小一些，因而齿数和可取比前一级变速组小。用计算法取，则， 可得 ， ，因为 所以取，则 滑移齿轮齿数的验算：在三联滑移齿轮中，为了
19、确保其左右移动时能顺利通过，不致相碰，则必须保证三联滑移齿轮的次大齿轮与最大齿轮的配对齿轮不相碰（最大齿轮布置在中间），即： （3-2）又因为， 则必须保证：，从上面计算可知：， ，则，这与要求不符。但是由于与都采用了离合器，使齿轮和的距离拉大了，因而在滑移齿轮在移动过程中不存在相碰的情况，所以三联滑移齿轮在这个设计里是可以实现的。（四）传动系统图的拟定根据以上分析及计算，拟定如下传动系统图：图2-3 传动系统图二主传动主要零件的强度计算 （一）电动机的选择1电动机的功率计算钻头材料选用W18Cr4V,，根据加工要求选用钻头直径D25mm，则查表得进给量S0.390.47mm，根据钻孔切削用量
20、表查得：n377r/min，M=8580Nm则可得： （3-3）2电动机参数的选择在选择电动机时，必须使得PP，根据这个原则，查机械设计手册选取Y112M-4型电动机，其基本参数如下（单位为mm）：A=190 B=140 C=70 D=28 E=60 F=8G=24 H=112 K=12 AB=245 AC=230AD=190 HD=265 BB=180 L=400（二）齿轮传动的设计计算 由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产效率高、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮传动也能满足设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、
21、接触误差及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但考虑到制造成本，本次设计都选用7-6-6的精度，具体设计步骤如下： 1.模数的估算按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用，在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳的估算公式：mm （式中即为齿轮所传递的功率） （3-4）齿面点蚀的估算公式：mm （式中即为齿轮所传递的功率） （3-5）其中为大齿轮的计算转速，为齿轮中心距。由中心距及齿数求出模数：mm （3-6）根据估算所得和中较大的值，选取相近的标准模数。前面已求得各轴所传递的功率，
22、各轴上齿轮模数估算如下：第一对齿轮副 mm mm mm所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为mm。第二对齿轮副 mm mm mm所以，第二对齿轮副传动的齿轮模数应为mm。第三对齿轮副 mm mm mm所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为mm。 第四对齿轮副 mm mm mm所以，第四对齿轮副传动的齿轮模数应为mm。综上所述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，但因为轴得转速比较小，扭矩比较大，为了增加其强度和在主轴上能起到飞轮的作用，需增加轴齿轮的几何尺寸。所以，本次设计中在间各个齿轮模数均为=2.5mm，在轴上就取。 2.齿轮分度圆直径的计算 根据渐开线标准直齿圆柱齿轮分度圆直径计
23、算公式可得各个传动副中齿轮的分度圆直径为： 3.齿轮宽度B的确定 齿宽影响齿的强度，但如果太宽，由于齿轮制造误差和轴的变形，可能接触不均匀，反儿容易引起振动和噪声。本次设计中，取主动齿轮宽度B=8m=82.5=20mm(在最后一对齿轮啮合取也取B=7m20)，则与其啮合的从动齿轮的宽度一致。而取多联齿轮的宽度B=8m=82.5=20mm，为了使啮合更容易和平稳，则与其啮合的从动齿轮的宽度要小一点，取B=6m62.515mm。 4.齿轮其他参数的计算 根据机械原理中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式及相关参数的规定，齿轮的其它参数都可以由以上计算所得的参数计算出来，本次设计中，这些参数在此不在一一
24、计算。 5.齿轮结构的设计不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构的要求也不同，7级精度的齿轮，用较高精度的滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度将下降。因此，需要淬火的7级齿轮一般滚或插后要剃齿，使精度高于7级，或者淬火后再珩齿。6级精度的齿轮，用精密滚齿机可以达到。淬火齿轮，必须才能达到6级。机床主轴箱中的齿轮齿部一般都需要淬火。6.齿轮的校核（接触疲劳强度） 计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数,动载荷系数,齿间载荷分配系数及齿向载荷分布系数，即： =1.251.071.11.12=1.65 （3-7）查表得：=0.88 =2.5 =189.8= （3-8）将数据代
25、入得：1100mpa 齿轮接触疲劳强度满足，因此接触的应力小于许用的接触应力，其它齿轮也符合要求，故其余齿轮不再验算，在此略去。（三）轴的设计计算 1.各传动轴轴径的估算滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的设计是在初步计算轴径的基础上进行，因此先要初算轴径。轴的直径可按扭转强度法用下列公式进行估算： （3-9）对于空心轴，则 （3-10）式中，轴传递的功率，kW 轴的计算转速，r/min 经验值 取的值为0.5(1)计算各传动轴传递的功率P根据电动机的计算选择可知，本次设计所选用的电动机额定功率各传动轴传递的功率可按下式计算： （3-11） 电机到传动轴之间传动效率由传动系统图可以看出
26、，本次设计中采用了联轴器和齿轮传动，则各轴传递的功率为： 3.509 (2)估算各轴的最小直径本次设计中，考虑到主轴的强度与刚度以及制造成本的经济性，初步选择主轴的材料为40Cr，其它各轴的材料均选择45钢，取A0值为115，各轴的计算转速由转速图得出：n1j=1002r/min, n2j=631r/min, n3j=315r/min, n4j=250r/min 所以各轴的最小直径为： 在以上各轴中，每根轴都开有平键或花键，所以为了使键槽不影响轴的强度，应将轴的最小直径增大5%，将增大后的直径圆整后分别取各轴的最小直径为： =18, =23, =34, =462.各轴段长度值的确定各轴段的长度
27、值，应根据主轴箱的具体结构而定，且必须满足以下的原则：（1）应满足轴承及齿轮的定位要求。（2）应满足滑移齿轮安全滑移的要求。3.轴的刚度与强度校核 根据本次设计的要求，需选择除主轴外的一根轴进行强度校核，而主轴必须进行刚度校核，在此选择第根轴进行强度校核。（1）第根轴的强度校核 1)轴的受力分析及受力简图由主轴箱的展开图可知，该轴的动力源由电动机通过齿轮传递过来，而后通过一个三联齿轮将动力传递到下一根轴，其两端通过一对角接触球轴承将力转移到箱体上去。由于传递的齿轮采用的直齿圆柱齿轮，因此其轴向力可以忽略不计。所以只要校核其在xz平面及yz平面的受力。轴所受载荷是从轴上零件传来的，计算时常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。其受力简图如下：在xz平面内：图2-4 xz平面的受力图 在yz平面内：图2-5 yz平面的受力图2）作出轴的弯矩图根据上述简图，分别按xz平面及yz平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出两个平面的上的弯矩图。在xz平面内，根据力的平衡原理可得：R1+R2+Ft2=Ft1将各个力对R1取矩可得：Ft1a=Ft2（l-b）+R2l Ft1=2/d7
