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毕业设计
青岛理工大学
毕业设计（论文）
题目：
XK5032数控铣床系统设计
学生姓名：
赵乐阳
学生学号：
201089233
院系名称：
机电工程系
专业班级：
机电108
指导教师：
黄晓明
2013年6月18日
毕业设计任务书
专业机电一体化技术班级机电108姓名赵乐阳下发日期2013-4-4
题目
XK5032立式数控铣床系统设计
专题
主
要
内
容
及
要
求
1、设计完整结构手表Pro/.E模型，并对零件图进行工艺分析。
主要技术参数
利用Pro/E软件编制三维模型
进
度
及
完
成
日
期
2011年4月4日~2011年4月10日：
（1周）熟悉理解设计内容，借阅参考资料。
2011年4月11日~2011年4月24日：
（2周）消化有关资料，学习Pro/E的操作方法。
2011年4月25日~2011年5月1日：
（1周）对手表造型图进行草图设计制作。
2011年5月2日~2011年5月8日：
（1周）使用Pro/E软件进行设计制作。
2011年5月9日~2011年5月29日：
（3周）撰写毕业论文。
2011年5月30日~2011年6月18日：
（3周）毕业设计审阅、整理、修改、打印论文，准备毕业答辩。
系主任签字
日期
教研室主任签字
日期
指导教师签字
日期
指导教师评语
青岛理工大学毕业设计评阅意见表
设计题目
基于pro/E手表造型设计及动态仿真
评价项目
评价标准（A级）
满分
评分
A
B
C
D
E
文献资料利用能力
能独立地利用多种方式查阅中外文献；能正确翻译外文资料；能正确有效地利用各种规范、设计手册等。
10
10
9
8
7
≤6
综合运用能力
研究方案设计合理；设计方法科学；技术线路先进可行；理论分析和计算正确；动手能力强；能独立完成设计；能综合运用所学知识发现和解决实际问题；研究结果客观真实。
20
19－20
17－18
15－16
13－14
≤12
设计质量
设计结构严谨；逻辑性强；语言文字表准确流畅；格式、图、表规范；有一定的学术水平或实际价值
40
37-40
32-36
28-31
25-27
≤24
创新能力
有较强的创新意识；所做工作有较大突破；设计有独到见解
15
15
13-14
11-12
10
≤9
工作量
工作量饱满；圆满完成了任务书所规定的各项任务。
15
15
13-14
11-12
10
≤9
总分
是否同意将该设计提交答辩：
是（）否（）
具体评阅及修改意见：
评阅人：
年月日
注：
1.请按照A级标准，评出设计各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中；
2.计算出总分。
若总分<60分，“设计质量”<24分，建议不能提交论文评阅乃至答辩。
该设计须限期修改合格后重新申请答辩。
3.评阅意见栏不够可另附页。
答辩委员会评语
评
定
成
绩
周记
说明书
（或论文）
图纸
答辩
总评
答辩委员会主席签字
日期
（5%）
（65%）
（30%）
百分制
等级制
摘要
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。
数控技术是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。
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。
本文主要对XK5032数控立式铣床系统进行设计，首先分析立式铣床的组成其主参数，进行主运动系统、进给系统设计和PLC控制系统设计。
主要进行电气控制系统设计，电气系统设计采用PLC与PC机相联系的控制系统，在本控制系统中，PLC模块除了能够实现对机床各轴的顺序运动控制功能，还能实现X,Y轴的插补运动控制功能。
设计出的立式铣床性能价格比高，满足经济性要求。
可实用于加工精度较高的场合。
关键词：
数控系统，XK5032电气系统
ABSTRACT
Now,digitaltechnologyhasbeenkeyindustrialtechnologyhighpriorityaroundtheworld,becomethefocusofinternationaltechnologicalcompetition.CNCtechnologyisanautomatedmachine,numericalcontroltechnologyiscentraltoresearchonnumericalcontrolmachinetool,manufacturingautomation,networked,flexible,integratedinfrastructure.
Withthecontinueddevelopmentandapplicationofnumericalcontroltechnology,processesandmanufacturingsystemsupdatedformedCAD,CAMandCAPP,CAT,FMSandaseriesofepoch-makingsignificanceofthenewtechnology,newprocessofmanufacturingsystems.ThisarticleonXK5032CNCverticalmillingmachinesystemdesign,firstconstituteitsmainparametersanalysisofverticalmillingmachine,motionsystems,feedsystemsdesignanddesignofPLCcontrolsystem.
Mainelectricalcontrolsystemdesign,designusingPLCelectricalsystemconnectedwiththePCmachinecontrolsystems,controlsystems,PLCmodulesinadditiontoorderofrealizationonmachinetoolaxismotioncontrolfeatures,alsocanrealizetheinterpolationofthex,yaxismotioncontrolfeatures.Designofverticalmillingmachineperformanceandpriceratio,meettheeconomicrequirements.Solidusedinmachiningprecisionhighoccasions
Keywords：
CNCsystem,XK5032,electricalsystem
目录
摘要7
前言9
1XK5032数控铣床的介绍9
1.1XK5032立式数控铣床的功能及选用原则10
1.2XK5032立式数控铣床的组成11
2.数控铣床的运动系统设计13
2.1传动系统设计13
2.2主轴组件14
2.3铣床伺服进给系统设计15
3电气控制设计17
3.1控制分析18
3.2主轴电动机M1的控制18
3.3进给电动机M2的控制19
3.4工作台、圆台、变速冲动、工作台快速移动的控制20
4.数控铣床的PLC控制设计21
4.1控制方式选择21
4.2PLC的简单介绍21
4.2.1可编程控制器的由来21
4.2.2可编程控制器的现状21
4.3可编程控制器的特点21
4.4PLC的选型22
4.4.1XK5032立式数控铣床PLC控制系统外部接线24
4.4.2XK5032立式数控铣床PLC控制梯形图以及分析25
结论26
致谢27
参考文献27
前言
是以各类电动机为动力的传动装置与系统的对象以实现生产工程自动化的技术装置。
电气系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用。
随着电子技术的发展，可编程逻辑PLC控制器日益广泛的应用于机械、电子加工设备改造中。
铣床作为机械加工的通用设备在配件的生产中一直起着不可替代的作用。
铣床操作维护方便，工作平稳，运转费用低，已成为当今生产中的主要设备之一。
随着科学技术的发展，生产工艺的不断完善，特别是计算机技术的应用。
新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。
XK立式数控铣床综合了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术等先进技术。
XK5032立式数控铣床是由普通机床发展而来。
它集于机械、液压、气动、私服驱动、精密测量、电气自动控制、现代控制理论、计算机控制等技术与一体，是一种高效、高精度能保证加工质量、解决工艺难题、而且又具有一定的柔性的生产设备。
万能铣床的广泛应用，给机械制造业的生产方式、产品机构的产业带来了深刻的变化，其技术水平高低和拥有量的多少，是衡量一个国家和企业现代化水平的重要标志。
1XK5032数控铣床的介绍
XK5032铣床常用于加工零件的平面、斜面、以及沟槽等，是一种比较精密的加工设备。
铣床的种类较多，有立式数控、卧式数控、龙门数控、数控万能工具铣床。
XK5032立式数控铣床是人们在生产应用中得到极为广泛的铣床之一。
铣床的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它部分代替人工操作，它能大大的改善工人的劳动条件，能著高生产劳动效率，加快实现工业化机械化和自动化的步伐，因而，受到各工业的国家的重视，并投入大量的人力物力加以研究和巩固。
在我国，近几年也有较快的发展，并得到一定的成果，受到各工业部门的重视，通过此设计，可以使大家了解XK5032立式铣床的系统结构和工作原理。
XK5032立式数控铣床结构明了，是由床身、铣头、主轴、纵向工作台（X轴）、横向床鞍（Y轴）、可调升将台（手动）、液压与气动控制系统和电气控制系统。
1.1XK5032立式数控铣床的功能及选用原则
XK5032立式数控铣床的工作台X/Y/Z向有手动进给、机动进给和机动快进三种，进给速度能满足不同的加工要求；快速进给可使工件迅速到达加工位置，加工方便、快捷，缩短非加工时间。
数控铣床X、Y、Z三方向导轨副经超音频淬火、精密磨削及刮研处理，配合强制润滑，提高精度，延长机床的使用寿命。
数控铣床润滑装置可对纵、横、垂向的丝杠及导轨进行强制润滑，减小机床的磨损，保证机床的高效运转；同时，冷却系统通过调整喷嘴改变冷却液流量的大小，满足不同的加工需求。
通常用于加工平面（水平面、垂直面等）、沟槽（键槽、T型槽、燕尾槽等）、多齿零件上齿槽（齿轮、链轮、棘轮、花键轴等）、螺旋形表面（螺纹和螺旋槽）及各种曲面。
此外，它还可以用于加工回转体表面及内孔，以及进行切断工作等。
XK5032立式数控铣床尺寸选用
XK5032立式数控铣床规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在400mm以下，它最适宜中小零件的加工和复杂形面的轮廓铣削任务。
规格较大的如龙门式铣床，工作台在500—600mm以上，用来解决大尺寸复杂零件的加工需要。
XK5032立式数控铣床精度要求选用
我国已制定了数控铣床的精度标准，其中数控立式铣床升降台铣床已有专业标准。
标准规定其直线运动坐标的定位精度为0.04/300mm，重复定位精度为0.025mm，铣圆精0.035mm。
实际上，机床出厂精度均有相当的储备量，比国家标准的允差值大约压缩20%左右。
因此，从精度选择来看，一般的数控铣床即可满足大多数零件的加工需要。
对于精度要求比较高的零件，则应考虑选用精密型的数控铣床
XK5032立式数控铣床加工特点选择
对于加工部位是框形平面或不等高的各级台阶，那么选用点位---直线系统的数控铣床即可。
如果加工部位是曲面轮廓，应根据曲面的几何形状决定选择两坐标联动和三坐标联动的系统。
也可根据零件加工要求，在一般的数控铣床的基础上，增加数控分度头或数控回转工作台，这时机床的系统为四坐标的数控系统，可以加工螺旋槽、叶片零件
要求选择
XK5032立式数控铣床对于大批量的，用户可采用专用铣床。
如果是中小批量而又是经常周期性重复投产的话，那么采用数控铣床是非常合适的，因为第一批量中准备好多工夹具、程序等可以存储起来重复使用。
从长远考虑，自动化程度高的铣床代替普通铣床，减轻劳动者的劳动量提高生产率的趋势是不可避免的。
1.2XK5032立式数控铣床的组成
数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的两者的加工工艺基本相同结构也有些相似但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床所以其结构也与普通铣床有很大区别数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成。
XK5032立式数控铣床数控系统
由操作面板、控制介质与输入输出设备、CNC装置、伺服单元、驱动装置、测量装置、PLC、IO口电路和装置。
主轴箱
包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。
进给伺服系统
由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运。
润滑系统
自动润滑站配以递进式分油器，对机床导轨副、滚珠丝杠副及齿轮副等进行自动的定时定量润滑，每次加油量和两次间的时间间隔都是可调的，力求保证每个润滑点的合理油量。
数控铣床辅助装置
如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。
1.3XK5032立式数控铣床的主要参数及结构特点
XK5032数控铣床主要技术参数/型号
（XK5032）
XK5032数控铣床主轴端面至工作台距离（mm）
45--415
XK5032数控铣床主轴中心线刀床身垂直导轨的距离（mm）
350
XK5032数控铣床主轴孔锥度
7:
24ISO50
XK5032数控铣床主轴孔径（mm）
29
XK5032数控铣床主轴转速（r.p.m）
30~1500
XK5032数控铣床立铣头最大回转角度
±45°
XK5032数控铣床主轴轴向移动距离（mm）
85
XK5032数控铣床工作台工作面（宽度×长度）
320×1325
XK5032数控铣床工作台进给范围纵向/横向/垂向（mm/min）
23.5~1180/15~786/8~394
XK5032数控铣床工作台快速移动速度纵向/横向/垂向（mm/min）
2300/1540/770
XK5032数控铣床T型槽槽数/槽宽/槽距（mm）
3/18/70
XK5032数控铣床主电机功率（kw）
7.5
XK5032数控铣床进给电机功率（kw）
1.5
XK5032数控铣床外形尺寸（mm）
2530×1890×2380
XK5032数控铣床机床净重（kg）
2900
XK5032数控铣床工作台行程纵向/横向/垂向（手机/机动—）（mm）
700/680、255/240、370/350
XK5032数控铣床主传动系统为7.5Kw的交流电动机通过弹性连轴器驱动主传动箱，主传动箱内有三组滑移齿轮,液压预选变速机构推动各滑移齿轮,组成18种转速,再传到铣头上的主轴，主传动箱内有电磁制动器,主轴制动迅速平稳。
XK5032数控铣床刚性强，各大件采用高质量的铸铁，矩形导轨接触面大。
精度高，长导轨经淬火和精密磨削，通过滚珠丝杆直联传动，采用高精度轴承，加上机床有足够的刚性，使本机床有高精度。
性能指标高，操作使用方便。
相配合的导轨副中，长导轨淬火，短导轨贴塑具有良好耐磨性及高伺服性。
有自动润滑系统，定时自动润滑主轴刚度好，承载能力强。
XK5032数控铣床工作台X向机动进给X、Y、Z三方向导轨副超音频淬火、精密磨削。
手动润滑装置可对丝杠及导轨进行强制润滑。
可配置特殊附件：
立铣头，实现立铣功能。
XK5032数控铣床可用各种圆柱铣刀、圆片铣刀、角度铣刀、成型铣刀和端面铣刀加工各种平面、斜面、沟槽等。
XK5032数控铣床如果使用适当铣床附件，可加工齿轮、凸轮、弧形槽及螺旋面等特殊形状的零件，配置万能铣头、圆工作台、分度头等铣床附件，可进一步扩大机床使用范围。
2.数控铣床的运动系统设计
2.1传动系统设计
数控铣床主传动系统主要由主轴电动机、传动系统和主轴部件等部件组成，它与普通机床传动系统相比结构较简单，这是由于变速功能主要有无级变速电动机来承担。
机床主传动系统为主轴的旋转运动，负载伟恒功率型，选用Y802——4型号的三相异步电动机即可满足要求。
由于主轴要求的恒功率变速范围
，远大于电动机的恒功率变速范围
，在电动机与主轴之间串联了一个分级变速箱，以扩大其恒功率变速范围，满足低速大功率切削对电动机的输出功率要求。
通过计算，变速箱的变速级数确定为2级传动。
对于降速运动，为防止从动齿轮的直径过大而使变速机构的径向尺寸太大，常限制传动副的最大传动比i≦4,并且采用前慢后快的原则，即前面传动组传动比小些，后面的传动组的传动比大些。
由此可以确定1级的传动比
=2.65，第二级传动比
=1，第二级低速挡
=3,小齿轮齿数分别为，即
=
，
=
，
=
如图1所示
图1
2.2主轴组件
主轴组件由主轴、轴承、传动件和固定等部分组成，如图2所示，铣床工作时，由主轴夹持着刀具直接进行表面成形运动。
所以主轴部件的工作性能，对加工零件的质量的机床生产率都有重要的影响。
铣床的主轴受轴向载荷较大，径向载荷较小，精度要求不高。
通过分析，铣床的主轴支撑方案确定为：
前轴承选用3个推力角轴承7015AC，其中前面2个轴承开口向主轴前端，接触角位
，用以承受轴向载荷；第三个轴承开口朝里接触角为
。
3个轴承的内外圈向由轴肩和箱体孔的台阶固定，以承受轴向载荷。
后轴承由一对背对背的推力角接触球轴承7010AC组成，只承受径向载荷。
图2
2.3铣床伺服进给系统设计
数控铣床的伺服进给系统是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作用转换和放大后，经伺服系统装置（直流、交流伺服电动机，功率步进电动机，电液脉冲电动机等）和机械传动机构，驱动铣床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。
铣床的伺服系统进给系统结构图如图3所示，它的基本参数为:
工作台及夹具总重力为2900N，工作台纵向行程为700mm，进给速度为10~400nm/min,快速进给速度为15m/min,定位精度为±0.02/300mm。
铣床选择NL2505型内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，直径为25mm，导程为5mm，滚珠直径为3.369mm,每个螺母滚珠有4列，经计算符合设计要求。
铣床的滚珠丝杠采用两端轴向固定，用一对接触角为25度的7001AC型角接触球轴承面对面组配，此固定方法能对丝杠施加预紧力，又能通过轴承盖来弥补丝杠的变形，步进电动机的力矩计算，选用90BF003型步进电动机可满足要求。
图3
铣床主轴箱的进给系统结构如图4所示，工作台上下运动最大行程为345mm，进给速度为10--200mm/min，快速进给速度为2300m/min,定位精度为±0.02/300mm。
铣床选择NL3008型内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，滚珠丝杠一端轴向固定，一端游动的支撑方式。
固定端采用4个接触角为25度的角接触球轴承，2个同向，面对面安装，加上预紧，轴向刚度和承载能力能够达到要求。
所以驱动电动机选用嘉兴公司的具有制动能力的步进电动机A110K-G5913.
图4
3电气控制设计
铣床一般有顺铣和逆铣两种加工方式，所以铣床的主轴电机（M1）能够进行正转和反转。
铣床的负载会影响铣刀的转速，因此铣床上会装有一个飞轮，但是其转速惯性比较大，使得主轴难以停下来，所以铣床主轴电机是通过电磁离合器制动来实现主轴精确停下来。
（1）铣床的工作台分六个方向的运行是通过一台电动机（M2）传动的。
六个方向都有正向和反向运动，故电动机（M2）要求能进行正传和反转。
在进行铣削的时候，工作台在同一时间内只能进行一个方向的运动，所以各个方向之间应该有互锁保护。
（2）在使用铣床的圆工作台时，圆工作台不能同时与其他方向一同运动，所以圆工作台应该与六个方向之间存在着互锁关系。
（3）X62W型铣床是采用的机械变速的方法，它是通过改变变速箱的传动比来实现速度
调节的。
因此在变速的时候要求电动机要有冲动（点动控制）控制。
（4）X62W型铣床的主轴旋转和工作台时间的运作是有时间顺序的，这是为了避免打坏
刀具或出现安全事故，所以在铣床加工结束前，进给运动必须在铣刀停转前停止运动。
（5）冷却泵是又一台独立的电机（M3）拖动。
冷却泵是可以单独进行控制的。
铣床电气控制原理图
3.1控制分析
XK5032立式铣床的电气原理图。
该线路总共可以分为三部分：
主电路、控制电路、照明电路。
表1W62X型铣床电路中的部分原件及作用
电气符号
名称及功能
电气符号
名称及功能
M1
主轴电动机
SQ2
进给变速冲动行程开关
M2
冷却泵电动机
SQ3
工作台向前、下进给行程开关
M3
进给电动机
SQ4
工作台向后、上进给行程开关
KM1
主轴电动机接触器
SQ5
工作台向左进给行程开关
KM2
快速进给接触器
SQ6
工作台向右进给行程开关
KM3、KM4
进给电动机正反转接触器
T1
照明变压器
QS1
电源开关
T2
整流变压器
QS2
冷却泵开关
TC
控制变压器
SA1
主轴换刀制动开关
YC1
主轴制动电磁离合器
SA2
圆工作台转换开关
YC2、YC3
快慢速进给电磁离合器
SA3
主轴换向开关
FR1
主轴电动机过载保护
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