x52k铣床数控改造设计【毕业论文+CAD图纸全套】

本科毕业设计（论文）通过答辩 . 5 . 5 . .导轨副的选用 制系统的设计 . 6 制总体方案图 . 7 . 7 轨上移动部件的重量估算 . 7 削力的计算 . 7 线滚动导轨副的计算与选型（纵向） . 8 承受工作载荷 计算及导轨型号的选取 离额定寿命 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 . 9 大工作载荷 大动工作载荷 选型号 动效率的计算 度的验算 杆稳定性校核 进电动机减速箱的选用 . 10 进电动机的计算与选型 . 10 算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 步进电动机最大静转矩的选定 进电动机的性能校核 . 14 6. 绘制进给传动系统示意图 . 14 7 工作台控制系统的设计 . 14 8 步进电动机的驱动电源选用 . 16 . 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 . 21 参考文献 .买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。 许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的 纵 横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。 模块化的 常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、 轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 题目：数控 任务：设计一种供应式数控铣床使用的 要参数如下： 1. 立铣刀最大直径的 d=15 2. 立铣刀齿数 Z=3; 3. 最大铣削宽度54. 最大背吃刀量5. 每齿进给量 . 加工材料为碳素钢活有色金属。 7. X、 =8. X、 9. 加工范围为 200 150 ; m a x m a x 3 0 0 0 m m / m i ; m a x m a x 4 0 0 m m / m i nx f z ; 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 械传动部件的选择 腰设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。 伺服电动机的旋 转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足 动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。 任务书规定 的脉冲当量尚未达到 位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此 3000mm/本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进 电动机的步距角相匹配。 考虑到 X、 受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量， X、 杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。 制系统的设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 1）设计的 控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。 2）对于步进电动机的半闭环控制，选用 位单片机 为控制系统的 够满足任务书给定的相关指标。 3）要设计一台 完整的控制系统，在选择 要扩展程序存储器，键盘与显示电路， I/D/A 转换电路，串行接口电路等。 4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 制总体方案图 总体方案图如图所示。 人机接口机电接口步进电机步进电机Y 方 向 传 动 机 构X 方 向 传 动 机 构型机驱动电路微总体方案图 轨上移动部件的重量估算 按照下导轨上面 移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等 ,估计重量约为 800N 削力的计算 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表 3 0 . 8 5 0 . 7 5 0 . 7 3 1 . 0 0 . 1 3c e z 8 a f d a n (6今选择铣刀的直径为 d=15数 Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为5背吃刀量每齿进给量铣刀转速n 300r/。则由式（ 6的最大铣削力： 0 . 8 5 0 . 7 5 0 . 7 3 1 . 0 0 . 1 3c 1 1 8 1 5 0 . 4 1 5 5 3 0 0 3 N 2 5 8 6 （ 1）主切削力 错误 !未找到引用源。 ，总切削力 F 在铣刀主运动方向上的分力，即沿铣刀外圆切线方向上的分力，是主要消耗功率的力 （ 2）进给力 错误 !未找到引用源。 ,总切削力 错误 !未找到引用源。 在纵向进给方向上的分力 （ 3） 横向进给力 错误 !未找到引用源。 ,总切削力 错误 !未找到引用源。 在横向进给方向上的分力 （ 4）垂直进给力 错误 !未找到引用源。 ，总切削力 错误 !未找到引用源。 在垂直进给方向上的分力 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可 估 算 三 个 方 向 的 铣 削 力 分 别 为 ：. 1 F 2 8 4 5 N, . 3 8 F 9 8 3 N，f n . 2 5 F 6 4 7 N。图 3卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂 直方向的铣削力 9 8 3 N，受到水平方向的铣削力分别为将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力 2 8 4 5 N，径向铣削力为y f 6 4 7 N线滚动导轨副的计算与选型（纵向） 承受工作载荷 计算及导轨型号 的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的 作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： (6其中，移动部件重量 800N，外加载荷 983N，代入式（ 6得最大工作载荷183N= 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 查表根据工作载荷选直线滚动导轨副的型号为 列的 额定动载荷额定静载荷0 任务书规定加工范围为 200 150 ，考虑工作行程应留有一定余量，查表选取导轨的长度为 520 离额定寿命 上述所取的 0作温度不超过 100 C，每根导轨上配有两只滑块，精度为 4级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数 度系数 触系数 度系数 荷系数 入式（ 3得距离寿命： L= 6 2 550)( 3m a x 远大于期望值 50距离额定寿命满足要求。 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 大工作载荷 计算 如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行） 845N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直） 47N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直） 83N. 已知移动部件总重量 G=800N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数 K=动导轨上的摩擦系数 =得滚珠丝杠副的最大工 作载荷： (y+G)=2845+(983+647+800)N 3142N 大动工作载荷 计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=400mm/选丝杠导程 此时丝杠转速 n=v/0r/ 取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h,代入 006,得丝杠寿命系数 2（单位为：106r）。 查表，取载荷系数 道硬度为 60，取硬度系数 入式（ 3求得最大动载荷： 5 6 8 53 0 选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G 系列 4006滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为 40文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 导程为 5环滚珠为 3圈 *1系列，精度等级取 5级，额定动载荷为 15960N，大于 足要求。 动效率的计算 将公称直径 0程 入 =h/( ，得丝杠螺旋升角 =2 53 。将摩擦角 =10 ，代入 = + ),得传动效率 =97%。 度的验算 (1) 推 方式。丝杠的两端各采用 对面组配，左、右支承的中心距约为 a=500的弹性模量E=05表得滚珠直径 杠底径 丝杠截面积S= 22d/4=m 。 忽略式（ 3的第二项，算得丝杠在工作载荷 用下产生的拉 /压变形量51 / ( ) 3 1 4 2 5 0 0 / ( 2 . 1 1 0 9 7 2 . 6 5 ) mF a E S (2) 根据公式0( / ) 3WZ d D，求得单圈滚珠数 Z=30；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数 列数为 3 1，代入公式 ZZ 圈数 列数，得滚珠总数量 Z=90。丝杠预紧时，取轴向预紧力YJ 3=1047N。则由式（ 3求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 因为丝杠有预紧力，且为轴向 负载的 1/3，所以实际变形量可以减少一半，取2= (3) 将以上算出的1和2代入12 总，求得丝杠总变形量（对应跨度 500总 =m 本例中，丝杠的有效行程为 330表知 ， 5级精度滚珠丝杠有效行程在 315400程偏差允许达到 25 m ，可见丝杠刚度足够。 杆稳定性校核 根据公式（ 3算失稳时的临界载荷 支承系数；由丝杠底径 得截面惯性矩 42 / 6 4压杆稳定安全系数 （丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向 固定处的距离 00入式（ 3得临界载荷 0397N，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。 已知工作台的脉冲当量 =冲，滚珠丝杠的的导程 初选步进电动买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 机的步距角 =根据式（ 3算得减速比： ( ) / ( 3 6 0 ) =（ 5） /（ 360 =25/10 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 小齿轮模数均为1数比为 50： 20，材料为 45 调质 钢，齿表面淬硬后达到 55速箱中心距为（ 50+20） 1/25齿轮厚度为 20片大齿轮厚度均为 10 进电动机的计算与选型 算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径 0长 l=500程 料密度 =10移动部件总重力 G=800N；小齿轮齿宽 0直径 0小齿轮齿宽 0径 5动比 i=25/10。 如表 4得各个零部件的转动惯量如下： 22S 22Z s=板折算到丝杠上的转动惯量 齿轮的转动惯量 齿轮的转动惯量 初选步进电动机的型号为 90两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为 从表查得该型号的电动机转子的转动惯量 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： 212( ) /e q m Z Z W J J J J i = 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。 1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转 矩14知，1一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（ 4知，0以忽略不计。则有： 16 根据式（ 4考虑传动链的总效率 ，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 160eq (6其中： = (6式中空载最快移动速度，任务书指定为 3000mm/ 步进电动机步距角，预选电动机为 ； 脉冲当量，本例 =冲。 设步进电机由静止加速至传动链总效率 。则由式（ 6得： 42 5 . 0 8 7 1 0 1 5 6 2 . 5 0 . 2 9 76 0 0 . 4 0 . 7 由式（ 4，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： () 0 . 0 0 5 ( 0 8 0 0 ) 0 . 0 0 5 0 . 0 0 1 82 2 0 . 7 2 5 / 1 0 P (6式中 导轨的摩擦因素，滚动导轨取 垂直方向的铣削力，空载时取 0 传动链效率，取 后由式（ 6得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： 1m (6 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩24知，2三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩有一部分是滚珠90动机的运行矩频特性曲线 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T，0以忽略不计。则有 ： 2tT+6 其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩4算。有： 2 8 4 5 0 . 0 0 5 1 . 2 9 42 2 0 . 7 2 5 / 1 0 再由式（ 4算垂直方向承受最大工作负载 ( 983 )况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： () 0 . 0 0 5 ( 9 8 3 8 0 0 ) 0 . 0 0 5 0 . 0 0 4 62 2 0 . 7 2 5 / 1 0 最后由式（ 6求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： 2tT+m （ 6 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： 12m a x , 1 . 2 9 8 6e q e q e T N m 进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据要考虑安全系数。取 K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： m a x 4 4 1 . 2 9 8 6 5 . 1 9 4j e N m （ 6 初选步进电动机的型号为 90得该型号电动机的最大静转矩N m。可见，满足要求。 进电动机的性能校核 1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度00mm/冲当量 /脉冲，由式（ 4出电动机对应的运行频率m a x 4 0 0 / ( 6 0 0 . 0 0 4 ) 1 6 6 7 。从 90动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩 m，远远大于最大工作负载转矩2m，满足要求。 2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度000mm/出其对应运行频率m a x 3 0 0 0 / ( 6 0 0 . 0 0 4 ) 1 2 5 0 0f H Z 。在此频率下，电动机的输出转矩m，大于快速空载起动时的负载转矩1m，满足要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度000mm/应的电动机运行频率为m a x 12500f H Z。查表知 90动机的空载运行频率可达 20000见没有超出上限。 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 25 7kg ，电动机转子的转动惯量 24mJ kg ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 1800由式（ 4知步进电动机克服惯性负载的起动频率为： 1 1 9 4 . 2 41/q 说明：要想保证步进电动机起动时不失步，实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有 100 综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用 90全满足设计要求。 本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器 的分辨力应与步进电动机的步距角 ，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出 360 / 480 个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的 A、 B 相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选 120 线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。 此次设计选用的编码器型号为： 状空心型，孔径 10电动机尾部出轴相匹配，电源电压 +5V， 每秒输出 120 个 A/号为电压输出。 6. 绘制进给传动系统示意图 进给传动系统示意图如图所示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 伺服电动机 主动齿轮从动齿轮滚珠丝杠工作台进给传动系统示意图 7 工作台控制系统的设计 根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： （ 1） 接收键盘数据，控制 （ 2） 接受操作面板的开关与按钮信息； （ 3） 接受车床限位开关信号； （ 4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； （ 5） 控制 X， （ 6） 控制主轴的正转，反转与停止； （ 7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速； （ 8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速； （ 9） 控制切削液泵启动 /停止； （ 10） 控制电动卡盘的夹紧与松开； （ 11） 控制电动刀架的自动选刀； （ 12） 与 制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。本设计 位单片机于 身资源有限，所以扩展了一片 27做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片 264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运 动控制和程序输入等指令，所以除设置了 X 作开停键，急停键和复位键等外还采用 8279来管理扩展多种按键。 8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与 64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 发光二极管。与 以采用 制步进电动机的转动需要三个要素：方向转角和转速。对于含有 硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中， 件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于 单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率 （为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用 起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在 频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率 下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率 ，然后进入匀速运行，停止前的降频可 以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制，加入了增量式编码器作为反馈信号，但是在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动机的程序。 令与 80 控制系统原理框图如图所示。 复位电路晶振电路螺纹光栅信号操 作 面 板 开 关 / 按 钮 信 号隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大向步进电动机向步进电动机刀架电动机卡盘电动机主轴电动机切削电动机方刀架位信号限位开关信号交流变频器 主轴电动机单片机并行接口芯片8 2 5 5/ 转换芯片 0832芯片芯 片 6 2 6 4键盘与显示接口芯 片 8 2 7 9串行口芯片 233控制系统原理框图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 设计中 X、 0产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为 ，输入电压为 1000电流为 4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。 9 选择 作台的工作原理比较简单， x,y 向均采用步进电机并通过齿轮减速器和丝杠传动副带动工作台沿 x 和 车床 z 轴和铣床的 x 轴，y 轴与 如对 1）步进电机选用四相八拍，其脉冲当量为 2)能用键盘输入命令，控制工作台的 运动范围均为 03）能实时显示工作台的当前位置 ;(4)具有越程指示报警及停止功能 (5)采用硬件进行环形分配，字符发生及键盘扫描均由软件实现。 单片机控制系统的硬件构成：现选用 片机芯作为主芯片。它有错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 四个 8 位口， 错误 !未找到引用源。 口可以驱动 8 个 电路，16根地址总线由它地址锁存器（ 74供低 8 位 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 ，而高 8 位 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。由 错误 !未找到引用源。 口直接提供。数据总线由 错误 !未找到引用源。 口直驱动电源接线图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 接提供。控制总线由 错误 !未找到引用源。 口的第二功能状态和 4根独立的控制线 剩 错误 !未找到引用源。 口可供控制外设。因此不能满足上述要求，又由于 只有 128 字节的不够用的，故也需要进行扩展。现采用 8155 和 2764， 6264 芯片作为I/O 口和存储器扩展芯片。显示器采用 码显示，从控制要求不看，需要5 位数码 显示，其中整数部分 3 位，小数部分 2 位。其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。延时可利用 8155的定时器 /计数器的引脚 上所述绘制单片机（ 制系统工作原理图如下所示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流