热盘加工专用机床设计

III 摘 要 鉴于我国目前资金短缺，工业生产规模小的特点，用较小资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度保证生产质量，减轻劳动程度提高经济效益。而实现这一任务有效的、基本的途径就是普及以及应用经济型数控机床。 此次设计的热盘加工专用机床就是把普通机床和数控技术结合在一起。机床的设计参考了立式铣床和龙门镗铣床的床身和加工方式，同时附加了数控技术。可以实现加工的自动化，提高了加工的效率。 在热盘加工专用机床的设计中，我主要负责进给系统和电控系统设计。进给系统是采用，步进电机，滚珠丝杠副和直线 滚动导轨相结合的传递方式，利用步进电机转动，带动滚珠丝杠的旋转，从而实现工作台沿导轨方向运动。电控系统主要是采用 8031 芯片，构成开环系统，利用芯片控制步进电机的转速和方向，实现自动化加工。 这次设计的机床虽然加工精度不是很高，但稳定性好，价格低廉，设备费用投入较少，满足企业发展初期的需要，适合我国目前国情。 关键词： 数控化 ；步进电机 ；滚珠丝杠 IV ABSTRACT In view of the shortage of funds, and small-scale industrial production, smaller funds rapidly changing the face of Machinery Industry backward production, so as much as possible to improve the degree of automation to ensure production quality, reduce the degree of labor to improve economic efficiency. Effective to achieve this task, the basic way is universal and application of economical CNC. The design of the hot plate special machine is ordinary machine tools and CNC technologies together. The design of the machine reference bed and processing of vertical milling machine and gantry milling machine, and additional CNC technology. Can realize the automation of the processing, improve the processing efficiency. Hot plate special machine design, is mainly responsible for the feed system and electric control system design. The feed system is used, the stepper motor, ball screw and linear rolling guide rail combining the transfer mode, the use of stepper motor rotation, driven by the rotation of the ball screw, in order to achieve the direction of movement of the table along the guide rails. The electronic control system is using the 8031 chip, constitute the open-loop system, take advantage of the speed and direction of the chip stepper motor control, automated processing. The design of the machine is not very high machining accuracy, good stability, low prices, equipment costs less input, to meet the needs of the early development of enterprises, suited to Chinas national conditions. Key words: CNC ；stepper motor ；ball screw V 目 录 摘 要 . III ABSTRACT . IV 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 课题源公司的简介 . 1 1.3 本设计任务相关要求 . 1 1.4 热盘工件图样 . 1 2 加工方法选择 . 3 2.1 工艺方案的制定 . 3 2.2 采用立式铣削加工的理由 . 3 2.3 数控机床 . 4 2.3.1 数控机床工作原理 . 4 2.3.2 数控机床的组成 . 4 2.3.3 数控编程坐标系的选取 . 5 3 机床总体设计方案的拟定 . 6 4 进给系统的设计 . 9 4.1 工作台进给系统的设计 . 9 4.1.1 传动部件的选择和分析 . 9 4.1.2 导轨的选择与设计 . 10 4.1.3 驱动电机的选择和分析 . 12 4.1.4 轴承的选择 . 16 4.1.5 工作台进给系统的结构 . 18 4.2 横梁进给系统设计 . 19 4.2.1 横梁进给系统的结构 . 19 4.2.2 横梁结构的分析 . 20 4.2.3 横梁进给系统零部件选择 . 20 5 进给系统机械部分设计 . 21 5.1 工作台进给系统机械部分设计 . 21 5.1.1 滚珠丝杠的机械特性计算 . 21 5.1.2 导轨副的作用、计算与选择 . 23 5.1.3 步进电机的选 择 . 23 5.1.4 联轴器的选择 . 25 5.1.5 轴承的选择 . 25 5.2 横梁进给系统机械部分设计 . 25 6 电控系统部 分设计 . 26 VI 6.1 控制形式的选择和分析 . 26 6.1.1 开环控制系统 . 26 6.1.2 闭环控制系统 . 26 6.1.3 半闭环控制系统 . 26 6.2 控制系统方案确定 . 27 6.2.1 数控系统基本硬件组成 . 27 6.2.2 总体组成 . 27 6.3 软、硬件任务合理分配 . 27 6.4 主控器 . 28 6.4.1 主控芯片选择 . 28 6.4.2 MCS-51 系列单片机介绍 . 28 6.4.3 三总线结构 . 29 6.4.4 存储器结构 . 29 6.4.5 时序 . 29 6.4.6 中断功能 . 31 6.4.7 MCS-51 单片机常用系统扩展芯片 . 31 6.5 存储系统扩展设计 . 31 6.5.1 芯片选择 . 31 6.5.2 地址分配及译码 . 32 6.6 机床中部分电机控制电路 . 34 6.6.1 电动机正反转控制电路 . 34 6.6.2 冷却泵的控制电路 . 35 7 结论与展望 . 37 7.1 结论 . 37 7.2 不足之处及未来展望 . 37 致 谢 . 38 参考文献 . 39 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 1 1 绪论 1.1 概述 毕业设计是对每个即将毕业的大学 生在校四年学习情况的综合测评和考量，对每个要走向社会的我们具有非常重要的意义，是对学校和家长做出一次总结性的汇报，是对自我能力的一次展示，还是对自我不足的一种审查。更是非常有用的一次实践机会。 本次毕业设计的题目是 “橡胶轮胎硫化机热盘加工专用机床设计 ”专题是 “进给系统设计，电控系统设计 ”课题来源于昌明橡胶机械制造有限公司的热盘加工专用机床设计，对于橡胶产业中所使用的热盘加工及机械产业中的零部件的加工均有一定的参考价值。 本设计应达到的要求： 1.对热盘加工工艺（经简化）方案的简要分析比较； 2.完成本设计的 机床总图及床身部件图； 3.设计说明书一份，要求对机床的总体设计部分详细分析说明，并包括必要的计算，文字简洁通顺，重要公式数据应注明出处； 4.对制造厂家调研，了解其对质量、成本要求，索设计的专机要结合厂方具体生产条件 。 1.2 课题源公司的简介 江阴昌明橡胶机械有限公司 ,位于风景秀丽的江苏省无锡市江阴祝塘镇文林社区，距无锡市五十公里 ,水陆交通十分便利。 该公司专门从事橡胶机械的生产 .其各项性能指标均已达到国外同类产品的水平， 目前，该公司设计和生产的产品已为国内外几十家生产厂家配套。该公司除对现有产 品精益求精外 ,还可根据用户需要专业设计 ,制造特殊的产品。 公司秉承“创新理念、追求卓越、迅速改善、永续经营的经营理念”，并以“质量是第一工作”，“顾客的满意是我们的荣誉”作为我们永远不变的质量政策；以爱护环境、回报社会、关爱雇员等社会责任为己任；把“诚信、负责、创新、团队”作为公司不断的追求和目标，愿与广大朋友携手共创美好的明天！ 1.3 本设计任务相关要求 厂方要求尽量降低造价，力争造价在 5万元以内。并且本设计于四月初定稿，五月开始试制，七月装 配完成并放入生产。因为年产 1000件并签订了两年的合同，但顾虑到今后如长期合同，则购入大型立式镗铣加工中心加工，但该机床售价 160万左右，目前经济上不可能，如这两年合同完成，又有（三年以上）加工合同，则可以考虑购买立式加工中心 。（现每只零件铣加工费用为 800元到 900元） 1.4 热盘工件图样 无锡太湖学院学士学位论文 2 图 1.1 热盘工件图样 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 3 2 加工方法选择 2.1 工艺方案的制定 机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法的工艺文件。生产规模的大小，工艺水平的高低以及 解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加工工艺规程来体现。因此，机械加工工艺规程设计是一项重要而又严肃的工作。为能具体确切地说明工艺过程，一般将机械加工工艺过程分为工序、安装、工位、工步和走刀。 这是设计组合机床最重要的一步。工艺方案制定得正确与否，将决定机床能否达到“体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高，质量好”的要求。为了使工艺方案制定的合理，先进，必须从认真的分析被加工的零件（或同类零件）图纸开始，深入现场全面了解被加工零件的结构特点，加工部位，尺寸精度，表面粗糙度和技术要求，定位夹紧方式工艺 方法和加工过程所采用的刀具，辅具，切屑用量情况及产生率要求高，分析其优缺点，总结设计，制造，使用单位和操作者的丰富的实践经验，以求理论紧密联系生产实际，从而确定零件在组合机床上完成的工艺（工序）内容及方法，决定刀具种类，结构型式，数量及切屑用量等。 根据选定的工艺方案确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的加工精度，技术要求及生产率；又要考虑机床的操作方便可靠，易于维修，且冷却，排屑情况良好。 以上两个步骤是十分重要的。对于同一个零件的加 工，可能会有各种不同的工艺方案和机床配置方案，在最后决定采取哪种方案时，决不能草率，要全面地看问题，综合分析各方面的情况，进行多种方案对比，从中选择最佳方案。 2.2 采用立式铣削加工的理由 由于铣削具有工艺范围广、生产效率高、容易产生振动、刀齿散热条件好等特点，所以立式铣床的铣削加工时中小零件的加工中非常普遍。 立式铣床铣削加工的特点：铣刀是典型的多刃刀具， 加工过种有几个刀齿同时参加切削， 点的切削宽度较大，铣削时的主运动是铣刀的旋转，有利于进行高速切削，故铣刀的生产率高于刨削加工。 铣削加工范围广，可 以加刨削无法加工或难以加工的表面。立式铣 床 铣削过程中，就每个刀齿而言是依次参加切削，刀齿在离开工件的一段时间内，可以得到 一次冷却，因此，刀齿散热条件好，有利于减少铣刀的磨损，延长了使用寿命。由于是断续切削，刀齿在切入切出工件时产生冲击，而且每个刀齿的切削厚度也时刻在变化，这就引起切削面积和切削力的变化，因此铣削过程不平稳，容易产生振动，直接影响工件表面粗糙度。 立式铣床铣刀比刨床刨刀结构更复杂，铣刀的制造与刃磨比刨刀困难，所以铣削成本比刨削高。铣削与刨削的加工质量大致相同，经粗精加工后都可达到中等精度，但 在加工大平面时， 刨削后明显接刀痕，而且直径小于工件宽度的端铣刀加工时，各次走刀间有明显的接刀痕，影响表面质量，铣削加工用于单件小批量生产，也造用于大批量生产。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2.3 数控机床 2.3.1 数控机床工作原理 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置，在由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、位移大小以及其它诸如刀具选择交换、工件加紧松开和冷却液的启、停等工作，使刀具与工件及其它辅助装置严格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、尺寸与精度复合要求的零件。 2.3.2 数控机床的组成 数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的机床上讲，一般由，控制介质、数控装置、进给伺服系统、检测反馈装置和机床本体五大部分及辅助设备组成。如图 2.1 图 2.1 数控机床的组成 2.3.2.1 控制介质 控制介质是 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，它随着数控装置的类型不同而不同，常有的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带和磁盘等。除了上述几种控制介质外，还有一部分数控机床采用数码盘、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 技术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。 2.3.2.2 数控装置 数控装置时数控机床的控制中心，现在的数控装置通常由一台通用或专用微型计算机构成。它由输入装置、控制运算 器和输出装置等构成。 输入装置接受控制介质上的信息竞购识别和译码之后，送到运算控制器。这些信息将最为控制和运算的原始数据。控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控制命令送往输出装置。输出装置将控制运算器发出的控制命令送到伺服系统，经功率放大，驱动机床完成相应的动作。 2.3.2.3 伺服系统 伺服系统是数控机床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接受数控系统指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或畸形部分动作，一加工出复合要求的零件。指令信息是以脉冲信息体现的，每一个脉冲使机床 移动部件产生的位移量叫脉冲当量（常用的脉冲当量为 0.0010.01）。目前数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构是功率步进电机，直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两者都带有电光编码器等位置测量组件 。 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 5 2.3.2.4 机床本体 机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削工作的机械部分，它是在原普通机床的基础上改进而得到的，具有以下优点： 1.数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。 2.数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小。 3.更多的采用高效传动部件， 如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。 2.3.2.5 检测反馈装置 检测反馈装置由检测元件和相应的测量电路组成。其作用是检测速度、位移或工件尺寸，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制。没有检测反馈装置的数控系统被称为开环系统；直接从工作台或工件获取反馈信息的数控系统被称为闭环系统；从伺服电机运转轴获取反馈信息的数控系统被称为半闭环系统（检测反馈装置包括在伺服系统中）。 常用的检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、电感应传感器、光栅和磁尺等。 除上述五个部分外，数控机床还有一些辅助装置及附属设备，如电源、液 压、气动系统与冷却、排屑、润滑、照明、储运等装置以及编程机、对刀仪等。 2.3.3 数控编程坐标系的选取 机床中使用顺时针方向的直角坐标系（右手笛卡尔直角坐标系），机床中的运动是指刀具和工件之间的相对运动，是道具相对于静止工件的运动。 直角坐标系的编程程序更加适用于纵向工作台。纵向工作台由纵向丝杠带动在转台的导轨上作纵向移动，以带动台面上的工件作纵向进给。台面上的 T 形槽用以安装夹具或工件。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。纵向工作台在精度，稳定和快速相应等方 面十分配合系统，且纵向工作台价格较低 ， 设计也相对简单，使用更加便捷。 在数学中的极坐标系是由极点、极轴和极角组成，然而在数控车铣加工中心上的极坐标系的概念与数学中的极坐标系完全不同，在车铣加工中心上的极坐标系是在与机床 Z 轴垂直的平面内，由相互垂直的实轴（第一轴） X 和虚轴（第二轴） C 组成，极坐标系的坐标原点与程序原点重合，且虚轴 C 的单位不是度或弧度，而是与实轴 X 轴的单位一样，均为毫米。 极坐标系编程适应分度回转工作台，分度回转工作台是机械加工中常用的机床附件，用于镗床，铣床，钻床等需要多面转位加工的工件。分度 回转工作台操作不便，而且分度只限于某些规定的角度，难以满足一些特殊分度工件的加工要求，而且由于分度回转工作台设计繁琐，造价比较昂贵并且不便于大型工件装夹。 综上所述，所以由于造价成本的需求，此次选用直角坐标系进行编程。 无锡太湖学院学士学位论文 6 3 机床总体设计方案的拟定 由于此次要加工的零件为热盘，加工以铣削为主。因此，此次的机床设计参考铣床的样式。 在日常生活中常用的铣床为立式铣床，卧式铣床和龙门铣床。 立式铣床（见图 3.1）与卧式铣床（见图 3.2）相比较，主要区别是主轴垂直布置，除了主轴布置不同以外，工作台可以上下升降 ， 立式铣床用的铣刀相对灵活一些，适用范围较广。可使用立铣刀、机夹刀盘、钻头等。可铣键槽、铣平面、镗孔等。卧式铣床也可使用上面各种刀具，但不如立铣方便，主要是可使用挂架增强刀具（主要是三面刃铣刀、片状铣刀等）强度。可铣槽、铣平面、切断等。卧式铣床一般都带立铣头，虽然这个立铣头功能和刚性不如立式铣床强大，但足以应付立铣加工。这使得卧式铣床总体功能比立式铣床强大。立式铣床没有此特点，不能加工适合卧铣的工件。生产率要比卧式铣床高。立式铣床是一种通用金属切削机床。本机床的主轴锥孔可直接或通过附件安装各种圆柱铣刀、成 型铣刀、端面铣刀、角度铣刀等刀具。 产品用途：适用于加工各种零部件的平面、斜面、沟槽、孔等，是机械制造、模具、仪器、仪表、汽车、摩托车等行业的理想加工设备。所以现在很多厂家，都选用卧式铣床加立铣头，节省设备投资。但是由于立铣的零活多，这种卧式铣床加立铣头的方式，实际上是天天挂着立铣头，当立铣用，反而不如立式铣床更适合。 卧铣多用于齿轮 ,花键 ,开槽 ,切割等加工 ,立式铣床除多用于平面加工方面外 ,平面有高低曲直几何形状的工件 ,如模具类 ,立铣也可以发挥很大的作用。 龙门铣床简称龙门铣（见图 3.3），是具有门式框架和 卧式长床身的铣床。龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。龙门铣床的外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。且龙门铣床具有足够的刚性，效率高，操作方便，结构简单，性能全面性等特点。另外，由于龙门铣床的特殊结构，十分便于大型工件的装夹。 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 7 图 3.1 立式铣床 图 3.2 卧式铣 床 图 3.3 龙门铣床 通过对于立式铣床与龙门铣床的性能分析，本次设计将龙门铣床与立式铣床相结合，工作台通过滚珠丝杠的带动进行 Y 轴方向的运动，动力头固定在横梁上通过滚珠丝杠的带动进行 X 轴方向的运动。 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 3.4 机床总体结构图 如图 3.4，图中 1 为工作台进给系统， 2 为 横梁进给系统，在此次的设计中，我主要负责这两个进给系统的设计。 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 9 4 进给系统的设计 4.1 工作台进给系统的设计 4.1.1 传动部件的选择和分析 4.1.1.1 齿轮传动装置 齿轮传动式应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一时将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一个是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外 ，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。 为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。 与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更容易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善动态性能。 4.1.1.2 带传动 带传动是一种应用很广泛的机械传动。带传动又主动轮，从动轮和适度张紧在两轮上的封闭环传动带组成，它是利用传动带作为中间的扰性件，依靠传动带 与带轮之间的摩擦力来传递运动的。 4.1.1.3 链传动 链传动是由闭合的挠性环形两条和主，从动轮组成，链轮是特殊齿形的齿，依靠链轮轮齿的链节的啮合来传递运动和动力，链传动时属于带有中间挠性的啮合运动。 4.1.1.4 蜗杆传动 蜗杆传动是用来传递空间年交错轴之间的运动与动力，一般两咒夹角为 90 度。 4.1.1.5 滚珠丝杠螺母副 为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。 滚珠丝杠副的传动效率高达 85%-98%，是普通滑动丝杠副的 24 倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于 1，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。 滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上巨虎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。 数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。数控机床上一般采用滚珠丝杠，它可将滑动摩擦变为滚动摩擦，满足进给系统减少 摩擦的基本要求。该传动副传动效率高，摩擦力小，并可消除间隙，无反向空行程；但制造成本高，不能自锁，尺寸亦不能太大，一般用于中小型数控机床的直线进给。 无锡太湖学院学士学位论文 10 滑动丝杠螺母副用于旧机床的数控改造、经济型数控机床等；滚珠丝杠螺母副用于中高档数控机床；静压丝杠螺母副用于高精度 数控机床、重型机床。滚珠丝杠螺母副滚珠循环方式有两种：外循环与内循环。 （ a）外循环 (b) 内循环 图 4.1 滚珠丝杠副的结构及原理 1） 内循环 滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环。喂了保证承载能力，一个螺母中要保证有 3 4 圈滚珠工作。内循环滚珠的回路短，滚珠数目少，流畅性 好，摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向刚度高。但此种循环方式不能用于多头螺纹传动，回珠槽形状复杂，需要用三坐标数控铣床加工。适用于各种高灵敏、高刚度的精密进给定位系统。重载荷、多头螺纹、大导程不宜采用。 2） 外循环 滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的称为外循环。根据滚珠循环回路结构形式的不同可分为螺旋槽式、插管式和盖板式等。 螺旋槽式的结构在螺母体上的回珠螺旋槽与回珠孔不易准确平滑连接，拐弯处曲率变化较大，滚珠运动不平稳。挡珠机构