简易数控铣齿机设计说明书_毕业论文

简易数控铣齿机设计

学 院、系：专 业：准 考 证 号：姓 名：

滨州学院 机电一体化 231012500311 魏同发 2015年3月

摘

要

随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

铣齿是一种常用的机械加工方法，普通铣齿不仅生产效率低、加工质量不稳定，而且齿尺寸变化的适应性差，加工成本较高。为了解决这些问题，使加工过程自动化，试设计一种专用的数控机床——数控铣齿机，用于铣削锁的钥匙片齿，以满足锁厂的生产需要。

本文介绍了数控铣齿机的基本结构，工作原理，铣齿机各运动的实现及其控制，铣齿机有关部件的计算及单片机控制程序框图，电气控制原理。

该数控铣齿机具有生产效率高，加工质量稳定和结构简单等特点。

关键词：铣齿机，数控，设计

I

ABSTRACT

With the continuous development of numerical control technology and application field expands, he to the national economy and people's livelihood some important industry (IT, automobile, light industry, medical, etc.) is playing a more and more important role in the development, because the digital equipment needed for the industry has been the trend of modern development.

The milled tooth is one commonly used machine-finishing method, the ordinary milled tooth production efficiency is not only low, the processing quality is unstable, moreover the tooth size change's compatibility is bad, the processing cost is high. In order to solve these problems, causes the processing process automation, tries to design one special-purpose numerically-controlled machine tool - - numerical control gear cutter, uses in key piece tooth which the milling locks, locks the factory satisfiedly the production need.

This article introduced the numerical control gear cutter's basic structure, the principle of work, gear cutter various movements' realization and controls, gear cutter related part's computation and monolithic integrated circuit control procedure diagram, electric control principle.

This numerical control gear cutter has the production efficiency to be high, the processing quality is stable and structure simple and so on characteristics.

Keywords: Gear mill, NC, Design

II

目 录

第1章 绪论 ········································································ 1

1.1 数控机床简介 ··············································································· 1 1.1.1 数控机床的产生和发展 ····························································· 1 1.1.2 数控机床的特点 ······································································ 2 1.2 数控机床的工作原理和组成 ····························································· 3 1.2.1数控机床的工作原理 ································································ 3 1.2.2数控机床的组成 ······································································ 3 1.3 数控机床的分类 ············································································ 4

第2章 铣齿机的总体及各部件的工作原理 ··································· 6

2.1 产品概述 ····················································································· 6 2.2 数控铣齿机总体的工作原理 ····························································· 7 2.3 铣齿机各运动的实现 ······································································ 8 2.4 铣齿机各部件的工作原理 ································································ 9

第3章 铣齿机机械部分的结构设计 ··········································· 11

3.1 机座 ·························································································· 11 3.2 走刀组件及动力 ··········································································· 11 3.3 圆盘凸轮的设计 ·········································································· 12 3.4 回位弹簧的设计 ·········································································· 17 3.5 走刀电动机的功率计算 ································································· 19 3.6 切削组件及动力 ·········································································· 25 3.7 分距夹持组件 ············································································· 28 3.8 进刀组件 ··················································································· 28

第4章 电气控制部分 ····························································· 30

4.1 铣削动力电机 ············································································· 30

III

4.2 走刀动力电机 ············································································· 30 4.3 步进电机 ··················································································· 30 4.4 数控板 ······················································································ 30 4.5 8098单片机的工作方式 ································································ 33 4.6 8255可编程并行I/O芯片的工作方式 ·············································· 33 4.7 键盘 ························································································· 33 4.8 显示器 ······················································································ 34 4.9 控制程序图 ················································································ 35

结论 ··················································································· 44 参考文献 ············································································· 45 致谢 ··················································································· 46 附录 设计图纸

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第1章 绪论

1.1数控机床简介

1.1.1 数控机床的产生和发展

科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。 大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位多面同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现正是很地满足了这一要求。

1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的试验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是第一代世界上第一台数控床。

我国是从1958年开始研究数控技术，一直到60年代中期处于研制、开发时期。当时一些高等院校、科研单位研制出试验样机，开发也是从电子管开始的。1965年国内开始研制晶体管数控系统。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代，我国从日本发那科公司引进了5、7、3等系列的数控系统和交流伺服电机、交流主轴电机技术，以及从美国、德国引进一些新技术。这使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。1985年，我国数控机床品种有了新的发展。90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。

所谓经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便、适合我国国情发展的装有数控系统的高效自动化机床。

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1.1.2 数控机床的特点

数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因它具有如下的特点： （1）能适应不同零件的加工。数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时，只要改变加工程序，不必用凸轮、靠模、样板等专用工艺装备。因此，生产准备周期短，不利于机械产品的更新换代。

（2）生产效率和加工精度高、加工质量稳定。数控机床可以采用较大的切削用量，有效的节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其它辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产率高3-4倍甚至更高。同时由于数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，又因为它是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，因此，不但加工精度高，而且质量稳定。

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（3）能完成复杂型面的加工。

（4）工序集中，一机多用。数控机床，特别是自动换刀的数控机床，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工，一台数控机床可以代替数台普通机床。这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，和可以节省机床的占地面积，带来较高的经济效益。

（5）数控机床是一种高技术的设备。因此，机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修。尽管如此，使用数控机床的经济效益还是很高的。

以驱动和定位方式划分，经济型数控机床系统可以分为以下三类： （1）步进电机式

采用步进电机驱动与定位，是开环系统，同时限于造价，不再采用其他措施补偿位置误差，由于目前功率步进电机的力矩不太大，所以机床的空行程速度极低，一般用于半精加工。这种系统具有2-3种插补功能，通过软件控制接口，可加工锥面、螺纹、简单外形的曲面，十分灵活。由于性能价格比较恰当，一般中小型企业在技术力量和财力上都比较容易实现。因此，在全国较容易推广、普及。

（2）交流定位式

采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制，与步进电机相比，提高了定位精

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度。该类系统在盘类、轴类零件加工中，效果尤为显著。目前，交流点位式系统只能加工柱面，不能加工曲面和螺纹，功能上有局限，而且成本较高，使性价比相对下降。一般在大企业和专业化工厂使用。

（3）半闭环连续控制式

采用直流伺服电机驱动，以脉冲编码器检测位置，实现半闭环连续控制。由于采用了高性能直流电动机驱动，扭矩大，速度高，过载能力强，可进行强力切割。该系统功能齐全，还带有可编程序控制器，使强电设计大大简化。但由于造价较高，性能价格比较低。

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1.2 数控机床的工作原理和组成

1.2.1 数控机床的工作原理

数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装备，再用数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其它诸如刀具选择交换、工作夹松紧和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。

1.2.2 数控机床的组成

如图1.1所示，数控机床由以下几个部分组成。 （1）程序编制和程序载体

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的相对位置，即零件在机床的安装位置；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时序；主运动的启、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。这样得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，然后用标准的由文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序。编制程序的工作可由人工进行，或者在数控机床以外用自动编程计算机系统来完成，比较先进的数控机床，

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可以在它的装置上直接编程。

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图1.1 数控机床控制流程图

编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、录音磁卡、软磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。

（2）伺服驱动系统和位置检测装置

伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个作进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统有开环、半闭环和闭环之分。在闭环和半闭环伺服系统中，还得使用位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。

(3)机床的机械部分

数控的机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台，拖板及其传动部件和床身立柱等支承不见，此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心内的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传统结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统更便于实现自动化控制。

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1.3 数控机床的分类

数控设备的种类很多，各行业都有自己的数控设备和分类方法。在机床行业，数控机床通常从以下不同角度进行分类。

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（1）按工艺用途分类

目前，数控机床的品种规格已达500多种，按其工艺用途可以划分为以下四大类。 1）金属切削类 它又可分为两类：普通数控机床和数控加工中心。 2）金属成形类 3）特种加工类 4）测量、绘图类

（2）按控制运动的方式分类 1）点位控制数控机床 2）点位直线控制数控机床 3）轮廓控制数控机床

（3）按伺服系统的控制方式分类 1）开环数控机床 2）半闭环控制数控机床 3）闭环控制数控机床

（4）按所用数控系统的档次分类

按所用数控系统的档次通常把数控机床分为低、中、高档三类。

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第二章 铣齿机总体及各部件的工作原理

2．1 产品概述

本铣齿机用于铣削钥匙片上的齿槽。钥匙的形状及要求见图1。钥匙片上共有五个齿槽，齿槽深度有四个尺寸，即0.8±0.03、1.3±0.03、1.8±0.03、2.3±0.03，分别编号为1，2，3，4，五个齿槽的深度是按这四个深度尺寸排列，四片钥匙为一组。铣齿机每铣削完一组钥匙后自动换号，如第一组的齿槽深度排列号为1，2，3，4，4，第一组铣削完成后，第二组的齿槽深度就是为1，2，3，4，3，其余如此类推，齿槽深度的排列称为齿谱。

锁厂对铣齿机的要求如下：

a.铣齿机铣削的钥匙片齿槽的尺寸应满足图1的需要； b.四片钥匙为一组，每加工一组钥匙的时间小于30S； c.铣齿机采用手工装卸工件； d.工作过程能自动或者手动；

e.显示器上能显示正在铣削钥匙的齿谱，如“1，2，3，4，4”该齿谱在整个齿谱中的排序号，如“1000”以及该班工人加工的数量，“自动”或者“手动”。

f.铣齿机工作可靠，性能稳定，使用维护方便。 图1如下所示：

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2.2数控铣齿机总体的工作原理

铣齿要实现铣削齿槽加工就必须要有下面四个运动： a.铣刀的切削运动； b.铣刀的走刀运动； c.铣刀的进给运动； d.钥匙夹持组件的分距运动。

为了保证铣齿机各运动之间的协调，我们设定了铣齿机各运动部件按图1a所示的时序图进行控制。

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图1a 铣齿机各运动控制时序图

2.3 铣齿机各运动的实现

a.切削运动

铣齿机铣刀的切削旋转运动是由电机通过皮带传动铣刀轴旋转而使铣刀产生切削旋转运动。

b.走刀运动

铣齿机铣刀的走刀运动是由电机通过蜗轮减速器带动圆盘凸轮旋转，通过推杆推动铣刀组件安装座向左运动，产生走刀运动。

c.进给运动

铣齿机铣刀进给方向的运动是由步进电机通过滚珠丝杠带动铣刀安装座运动，提升进给深度及退刀距离均由单片机控制步进电机正反转实现。

d.分距运动

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铣齿机钥匙片夹持组件的运动，即分距运动是由步进电机通过滚珠丝杠带动钥匙片夹持组件安装座运动，分距的长度及铣削完齿槽后，夹持组件回位由单片机控制步进电机正反转实现。

2.4 铣齿机的工作原理

为了使单片机控制各运动组件的正常，协调运动，在铣齿机上设置了四个接近开关。

a.在控制铣刀走刀运动的凸轮附近装有两个接近开关，接近开关1是在凸轮回程结束时刻产生信号，接近开关2是在凸轮回程开始时刻产生信号。

b.在分距运动方向上设置了一个接近开关3，接近开关3是在分距夹持组件运动到铣刀对准第一齿槽的位置时产生的信号。

c.在铣刀组件进给运动方向上设置了一个接近开关4，接近开关4是在铣刀组件加工完钥匙后，退回到起始位置时产生的信号。

铣齿机的工作原理如下（参见图1a）

接通电源，按下启动按钮，铣刀的铣削动力电机及走刀动力电机运转，但此时铣刀只有旋转运动，没有走刀运动，因为控制走刀运动的凸轮虽能推动推杆左右移动，但此时推杆顶不到装有铣刀组件的滑座，滑座组件没有运动，因此，铣刀组件没有走刀运动产生。

当装夹好待加工的钥匙片后，工人输入齿谱，按下键盘上的工作按键，此时单片机开始对各运动进行控制。

第一，控制铣刀的提升，使铣刀进给到规定的高度。当凸轮回程结束时刻，接近开关1产生的信号输入给单片机，单片机控制进刀步进电机反转，步进电机带动铣刀组件上升，铣刀提升到一定的高度后在凸轮升程开始时刻，控制步进电机停止运转。当凸轮转至接近开关1又产生信号时，单片机又控制进刀步进电机反转，并根据第一齿槽所需的深度，带动铣刀组件上升，进刀至所需的深度，为了防止进刀运动和走刀运动的干涉，铣刀提升时，凸轮的基圆对准推杆，推杆不产生运动，因此铣刀没有走

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