X53K立式铣床的数控化改造毕业设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀设计 目 录 设计任务 2 目录 3 一 、 前言 5 二 、 设计方案论 6 三、 纵向进给系统的设计 10 作台重量的估算和切削力的计 算 10 作台重量的估算 10 削力的计算 10 珠丝杠的设计 10 珠丝杠螺母副结构类型的选择 10 珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤 11 算最大工作载荷 11 算最大工作载荷 11 算传动效率 12 度验算 13 冲当量和传动比的 计算 15 定系统脉冲当量 15 动比的选定 15 轮传动的确定 16 给伺服系统传动计算 17 17 杠等圆柱体惯量的计算 17 17 18 惯量的确定 18 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 18 18 19 19 20 进电机的选择与校核 20 20 21 四、 微机控制硬件设计 机控制系统的概述 统的介绍 进电机驱动控制电路 五 结束语 . 21 六 致谢 . 22 七 参考文献 . 22 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 一、前言 数控机床可以较好的解决形状复杂、精密多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已经成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。 机床的数控化改造一般是指对现有某台普通车床的某些部位做一定的改装，配上经济型数控装置或标准型数控数控系统，从而使原机床具有数控加工能力。这种技术工作有其独特的特点。 机床数控化改造的意义 ： 1. 节约资金 数控机床的价格昂贵，一次性投资大，对中小企业常是心有余而力不足。机床的数控化改造同购置新的机床相比一般可节省 60%左右的费用 ，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3，即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床的一半 2. 性能稳定可靠 因原机床各基础件经过长期实效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3. 提高生产率 机床经出数控改造后即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高 3到 5倍。对复杂零件而言加工难度越高功效提高得越多。且只需一次或少数几次安装就能加工完零件的全部。 目前国内数控机床的广泛应用受到一些条件的限制。现在我国机床数控化率不到 5%。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低 、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益、影响企业德生存和买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 发展，所以必须大力提高机床的数控化率。 数控铣床用途广泛，不仅可以加工各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面和孔。而且还能加工各种平面曲线和空间曲线等复杂型面。适用于各种模具、凸轮、板类及箱体类零件的加工。本设计课题就是立足于实际情况，将普通的 式铣床（机械 纵向 部分）进行数控化改造。 二、设计方案论证 目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适 应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如下图所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实 现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。 开环控制系统框图 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控铣床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有相似之处。然而，现代的数控机床不是简单将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱 点，如刚性不足，抗震性差，热变形大，滑动买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度，表面质量，生产率以及使用寿命等要求。现代机床的部件结构，整体布局，外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此，我们在对数控机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能的 与数控机床相接近。 机床的改造主要应具备两个条件 济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定，改装后其各项指标能达到数控加工的要求。 将一台 求原机床的改动尽量少，以降低成本，提高性价比。根据这个要求保留原机床的主轴旋转运动以及纵横向进给的机动部分，改造后的数控铣床要求结构简单、经济实用、易于推广普及。因此采用步进电机为饲服元件，用来驱动纵横向工作台的进给运动。拆除机床上原有的纵横向丝杠螺母元件，改用步进电机和减速齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。并选择合适的数控系统，使其扩大加工范围，适用于现阶段我国的中小型机械加工企业。 机械部分数控化改造需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。 1 伺服驱动元件 进给电机选用混合式步进电机， 其不仅步距角小运行频率高且功耗低 ,低 频 率， 噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横纵向进给电机均选用同一型号以便于改造和日后维修。 脉冲当量 t=冲，选用步距角 =。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。 2 机床导轨的选择 由于原机床采用滑动导轨，在低速时容易发生“爬行”现象，直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 进给传动系统 数控机床要求进给部分移动元件灵 敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。滚珠丝杠螺母副安装时需要预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。即通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单，轴向刚度好， 预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好如图 2消除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，传动元件连接采用无键锥环连接。 图 2滚珠丝杆的结构 4、 微机控制系统方案的确定 1、 微型控制系统 的设计内容包括： 1） 控制系统硬件电路设计计算和参数选择； 2）步进电机接口及驱动电路设计。 2、微机控制系统的总体组成 数控部分采用 片机为核心的控制系统 控机床中应用最多的是买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 片机，他价格低，功能强，使用灵活等特点 字长， I/0 扩展芯片的个数根据整个系统需要的 I/0 通道的个数来确定。 3、软硬件系统的设计 涉及软硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生于脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。硬件系统 （ 1）基本组成（最小系统）（ 2）系统扩展 1）程序存储器扩展 2）数据存储器扩展 3）输入输出端口扩展 4）综合功能扩展（ 3）接口技术 1）键盘接口技术 2）显示器接口（ 4）步进电机控制硬件电路。 上述三个任务都可以用专用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。用硬件实现，编程比较简单，但同时硬件成本及故障。用软件实现，可节省 芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软硬件方面的实际经验及能力。 软件系统包括：（ 1）软件结构与基本组成（ 2）插补原理及软件程序（ 3）步进电机控制软件。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 三、纵向进给系统的设计 在 纵 向进给系统的改造中，拆掉了原机床的丝杠螺母机构，更换上步进电动机和一对齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。 作台重量的估算 纵向工作台约重 60鞍和回转盘约重 140重量 G=60+180=200 切削功率为： （ 1） 式中： P 主电动机功率， 主传动系统总效率，一般为 进给系统功率系数，取 根据式 (1)可得： 因为 10 c/100m/以主切削力 常：纵向切削分力 F 纵 =(z，垂直切削分力 F 垂 =(z，横向切削分力 F 横 =(z。取 F 纵 =F 垂=F 横 = 珠丝杠螺母副结构类型的选择 因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题，通过查第三章表 3 2和表 3 3，可以初步选用“ 外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧（ ”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较高；刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。它主要适用于重载荷 、高刚度、高速驱动及较精密的定位系统，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 是目前应用得较广泛的结构。 珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤 算最大工作载荷 1、 由题设已知条件，铣床导轨的类型为综合导轨。再查 指导书 3最大工作载荷 m L F 该式中： K = 取 f = f =摩擦系数）； G 为工作台及夹 具总重量的 1/2。由题设已知条件可得 G = 400 N。 将以上数值及先前计算得到的三组得到三组相应的(00)=) 算最大工 作载荷 最大动载荷 C 可由下式计算 3 w H f f F (1) (1) 式中：各参数见专业课程设计指导书 0) 冲击运转 ) L 下式计算 66010 (2) (2) 式中： h)，对于数控机床 T=15000(h) r/可由下式计算 01000 (3) (3) 式中：m/查指导书为 540(mm/可取最高切削进给速度的 1/2 1/3，现取 1/3，即 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1m/m/0虑到传动精度的要求，可选基本导程为 4、5、 6(丝杠。 现选取基本导程为 6本导程为 6： 66010 =61060=61 0 0 0 0 0 0 0 01 5 0 0 060 =27 7 7 9 0 =) 查机电一体化系统设计表 3 时 6083N以合格 （圈数列数 =1） 所以 丝杆选择 60过查金属切削机床设计简明手册表 4知 公称直径0d=40本导程为 6丝杠，查得它们的承载能力 16083N，螺旋升角 为 442o （ 、，圈数列数分别为 1，滚珠直径 45 )。 算传动效率 传动效率可由下式计算 上式中： 珠丝杠副的摩擦角约 10 当公称直径 0d =40本导程为 6： =）（ =文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 满足设计要求。 度验算 (1)丝杠的拉伸或压缩变形量1当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的 1/3 时，其实际变形量为（由 指导书 式 3 24可知）： (拉伸为，压缩为 ) 上式中： 于钢： 422 0 . 6 1 0 N / m L= 工作长度 +螺纹长度 +轴承宽度 +端盖宽度 700 2，可由下列几式计算 214、1022d D e R s i 、 45 )， 0当公称直径0d=40本导程为 6： R=0 5 6 1 3 3 8 40+24d 12F= = 1 = (买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 (2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形2当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的 1/3 时，其实际变 形量为 2 =0 10/ 310 Z Z Z圈数列数 Z 0DZ d (外循环 ) 当公称直径0d=40本导程为 6 0 Z Z = = 01 7 9 9 0=当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的 1/3 时， 2 的值可减少一半。即： 2 =22= (3)滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3（ 1） 当公称直径0d=40本导程为 6 选用型号为 51207 的轴承，其参数如下： 型 号 内径 d (外径 D (厚度 T (额定动载荷aC(51207 35 62 18 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 Z=（ DZ=19 6840 ） （ 18 所以，可估算两边总得滚动体的数目为 36。 将以上数据代入可得： 3= 3 基本导程为 6： 321 =1) r/r/ 机的转动惯量的确定 查表 电一体化系统设计，因为选用电机工作方式的是五相十拍，步距角为b=故符合的是： 150 130机的转动惯量分别为： 1502251 m 130225 统总的转动惯量 J1=- J L +J 1m = - J L + 进电机的计算和选用 机力矩的计算 快速空载起动时所需力矩： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 m a x 0 N c M M 起 最大切削负载时所需力矩： 0 N c M M 切 电机的力矩主要是用来产生加速度，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。 22a 0 01 4 1 m a x 中： J（选 J 1来计算） 2kg s）约为 30 毫秒 r/ =r/ 400(mm/擦力矩）（ 1 400i2 f 0f 上式中： N) f i 般取 此取 加摩擦力矩0M ）（ 02 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 上式中：0N)，一般取最大工作载荷的 1/3，0) 0.8(0珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取0 ，今取 算到电机轴上的切削负载力）（ 98 上式中：大切削力 (N)，即前面计算进给工作台工作载荷F、4）组数据的 所以F ) 综合以上，可得 150 1起 =（ （ 1302起=（ （ 进电机的选择与校核 据最大静态转矩步进电机的起动： M 1 9 4 a 起切起 ），（ （ a 起切起 ），（ （ 99 0j m a M M 满足要求 而对于 150步进电机 72 满足要求 满足要求 满足要求。最终选 150步进电机 四、微机控制硬件设计 主要内容： 以 一、硬件系统 （ 1）基本组成（最小系统） （ 2）系统扩展 1）程序存储器扩展 2）数据存储器扩展 3）输入输出端口扩展 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4）综合功能扩展 （ 3）接口技术 1）键盘接口技术 2）显示器接口技术 （ 4）步进电机控制硬件电路 二、软件系统 （ 1）软件结构与基本组成 （ 2）插补原理及软件程序 （ 3）步进电机控制软件 机控制系统概述 机控制系统的设计思路 1）从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制； 2）执行元件采用何种方式； 3）考虑系统是否有特殊控制要求对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取的措施是什么？ 4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机承担哪些任务，为完成这些任务微机应具备哪些输入 /输出通道、配备哪些外围设备。 5）初步估算其成本，通过整 体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附加说明，以此作为设计的基础和依据。 1）建立系统的数学模型，确定其控制算法，按照规定的控制算法进行控制。 2）控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。 3）在选择控制算法时，应考虑所选的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。 对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入 /输出通道和实时时钟等要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1）较完善 的中断系统 2）足够的存储容量 3）完备的输入 /输出通道和实时时钟。 机控制系统基本硬件组成 任何一个微机控制系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是软件的基础，而配置了软件的硬件才有控制功能，数控系统通过与硬件软件的密切配合实现各种功能。 控制系统硬件基本组成框图 制的硬件设计 件配置 根据实际情况，在铣床的电气改造过程中，保留原有的机械操作不变，将原来继电器控制的线路用 制系统取代，本文采用三菱公司的 16作为控制器，它输入 点数为 16 点，输出点数为 16 点。 X 系列中功能最强、速度最快的微型可编程序控制器。它的基本指令执行时每条指令高达 s，用户存储器容量可扩展到 16 I/56点，有多种特殊功能模块，有多种 实现模拟量控制、位置控制和联网通信功能。用户程序容量 32 点输出、 14点输入的要求。样可以减少电网波动或噪声对 干扰。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 输入、输出地址分 配 输入、输出地址分配如表 5、 6所示 输入信号 端口 主轴停止 轴启动 1 工作台快移 2 工作台右进给 作台左进给 作台前、下 作台后、上 给变速瞬动 轴变速瞬动 度继 电器正向触点 度继电器反向触点 工作台转换开关 工作台转换开关 工作台转换开关 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 表 5 输入端口分配 表 6 输出端口分配 I/O 接线图 根据控制要求和系统输入、输输出信号 端口 液压电动机接触器 0 主轴电动机制动接触器 1 主轴电动机起动接触器 2 进给电动机正转 3 进给电动机反转 4 快速进给电磁铁 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 2 输入输出接线图 统的软件设计 形图的设计 根据 原理， 制梯形图。如图 2 所示 序指令 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 3 制梯形图 程序指令如表 7所示 地址 指令 数据 地址 指令 数据 0000 10 0050 5 000 2 0051 5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 0002 0 0052 4 0003 10 0053 4 0004 M C 054 6 055 4 0007 L D 056 5 0008 O R 057 2 0009 11 0059 4 0010 O R 060 4 0011 012 22 0063 4 0013 1 0064 O R 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 0014 1 0065 3 0015 1 0066 4 067 5 0018 M C R 068 5 0020 L D 021 10 0071 L D 022 O R 072 5 0023 073 15 0024 10 0074 M C 025 M C 101 0077 3 0028 L D 078 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 0029 O R 079 5 0030 0 0080 6 0031 1 0081 7 0032 2 0082 5 0033 L D 083 2 0034 2 0084 L D 035 M C 085 6 086 2 0038 L D 088 3 0039 6 0089 4 0040 5 0090 5 004 091 6 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 0042 092 7 0043 3 0093 5 0044 0094 14 0045 095 3 0046 2 0096 1 098 0 0049 L D 100 5. 总结 随着科学的发展与技术进步 ,人们对现代企业的生产设备提出了更高的要求。企业为满足这种需求 ,靠完全淘汰旧机床购置现代化新机床几乎不可能 ,而且也没必要 ,因为这样做势必会造成旧机床的闲置与浪费 ,同时也会因购置新数控机床导致更大的资金开支。近年来数控系统发展迅速 ,且质量稳定可靠、精度较高、性能价格比高 ,市场上数控机床的零配件供应及时。机床数控化改造可以在对机床不做大的变动和投资较小的情况下 ,增加数控装置和电气伺服系统 ,使普通机床具备数控机床的功能。 改造 前应对原机床各部分进行保养和改造前的准备，具体内容如下 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 （ 1）原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存 在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、 尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改 造结束时作对比分析用。 （ 2）保留的电气部分最佳化调整 若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。 （ 3）合理安排新系统位置及布线 根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、 线路走向 和固定