X8126（机床）纵向进给系统数控改造设计【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 目 录 摘要 . 要 . 3 第 一 章 绪论 . 4 控机床的发展历程 . 4 控机床的发展方向 . 5 控机床的基本组成结构和主要功能 . 6 控系统的选择 . 7 第 二 章 纵向进给系统设计 . 8 求 . 8 考设计参数： . 8 体方案的确定及框图 . 8 体方案的确定 . 8 械设计总体框图 . 8 械部分设计计算 . 9 作台外形尺寸及重量估算 . 9 削力计算 . 9 动导轨的参数确定 . 10 珠丝杠螺母副设计计算 . 10 珠丝杆螺母几何参数计算 . 11 动效率的计算 . 12 度验算 . 12 定性校核 . 13 进电机的选用 . 14 进电机的步距角 . 14 向进给步进电机计算 . 14 进电机的最高启动频率. 16 定步进电机型号 . 17 定齿轮传动比及模数和有关尺寸 . 17 给伺服系统结构设计 . 18 算分析 . 18 轮箱体设计 . 19 珠丝杠的设计 . 19 动不平 稳问题的解决 . 19 轮消隙 . 19 向进给改进 . 19 第三章 数控部分设计 . 20 统硬件设计 . 21 控制器（ . 21 储器扩展电路 . 22 展 I/O 接口 . 22 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 进电机驱动电路 . 23 程控制 . 24 盘与显示 . 24 位电路 . 24 急停车 . 25 程时应注意的问题 . 25 进电机系统软件控制 . 25 第 四 章 改造后的调试 . 26 第 五 章 结论 . 28 参考文献 . 29 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 摘 要 数控机床是机电一体化技术的典型产品，它很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效益。本文介绍了对 具铣床进行机械加工改造的实施过程， 主要是将原有的工作台在纵向方向上改造成具有进给功能的、用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统，通过数控系统控制，使改造后的普通立式钻床具有数控钻床 的基本功能。 主要改造的部位是：工作台的纵向进给运动改用步进电机控制。把该型号的普通机床改造成数控机床，提高了效率、增强了功能。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 第 一 章 绪论 随着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，产品的更新换代也不断加快。因此，对数控机床的改造也就显得比较重要，数控机床的设计与改造也成为工业发展的一个重要方面。铣床的应用十分广泛，主要用于加工面或成型表面。若要在立式铣床上加工圆弧、凸轮等特殊类平面时，就要借助于圆工作台、分度头等机床附件，并对机床进行整体调整。加工精度较低，基础调整工作费 事。所以，为提高工件的加工精度，保证产品质量，便于加工圆弧面和凸轮的曲面等，可以利用数控方法对铣床进行数控化改造。 数控铣床，由于可以较好的解决形状复杂、精密小批多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，因此，在世界上得到了大力的发展，各种类型的数控铣床不断出现，数控铣床的发展趋势是：一方面研究功能齐全自动化程度高的数控铣床，以促进社会生产达到更高的自动化水平；另一方面普遍推广经济型数控铣床以加速现有生产体系的改造。 由于历史的原因，我国普通加工设备多，数控加工设备少 ； 老设备多，新设备少。许多企业的 机床精度差、故障率高。通过机床数控改造使普通机床不仅具有好的加工精度，而且还具有数控机床的功能。 控机床的发展历程 微电子技术，自动信息处理，数据处理以及电子计算机的发展，给自动化带来了新的概念，推动了机械制造自动化的发展。 采用数字控制技术进行机械加工的思想最早是在 20 世纪 40 年代初提出来的。当时，美国北密执安的一个小型飞机制造厂帕森公司（ o.） 在制造飞机框架及直升机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考虑了刀具直径对加工路径的影响，提高了加工精度。 1949 年帕森公司正式接受美空军委托，在麻省理工学院伺服机构实验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年的研究，于 1952年试制成功世界第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。 1953 年，美空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制 自动编程系统的开始。 1959 年，计算机行业研制出晶体管器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入 第二代数控时代。 1965 年，出现了小规模的集成电路。由于它体积小，功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。 随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取代专用数控买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机数控系统（ 1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系统，称为第四代数控。 1970 年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。 1974 年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近 20 年来，微处理机数控系统的数 控机床得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控系统（ 控机床的发展方向 数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件，为了满足市场的需要，达到现代制造技术对数控机床提出的更高的要求，当前，数控技术及数控机床的发展方向主要体现为以下几方面： 1) 高速、高效 机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到 5000 8000m/上；主轴转数在 30000 转 / 分 (有的高达 10 万 r/上；工作台的移动速度 (进给速度 )：在分辨率为 1 微米时，在 100m/的到 200m/上，在分辨率为 米时，在 24m/动换刀速度在 1 秒以内；小线段插补进给速度达到 12m/ 2) 多功能 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近 年来发展很快的机种。 3) 智能化 智能化是 21 世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： (1)为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成； (2)为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等； (3)简化编程、简 化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等； (4)智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。 4) 高精度 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到 5m ；精密级加工中心的加工精度则从 3 5m，提高到 1 甚至更高；超精密加工精度进入纳米级 (米 ) ，主轴回转精度要求达到 米，加工圆度为 工表面粗糙度 米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴 (电机与主轴一体化 )，主 轴径向跳动小于 2m ，轴向窜动小于 1m ，轴系不平衡度达到 。 5) 高可靠性 随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。 6) 柔性化 柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善； 机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 控机床的基本组成结构和主要功能 数控机床有输入介质、人机交互设备、计算机数控装置、进给伺服驱动系统，主轴伺服驱动系统、辅助装置、可编程控制器（ 反馈装置和适应控制装置等部分组成。 1) 控制介质：即在人与数控机床之间建立某种关系的媒介，常见的有磁带、磁盘等。 2) 人机交互设备：即操作面板。该部分主要包括键盘和显示器。 3) 计算机控制装置 （ :由运算器、控制器（运算器和控制器构成 存储器、输入接口、输出接口等。 4) 进给伺服驱动系统：该系统由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电动机组成。其作用主要是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件。进给伺服驱动系统的控制数控机床工作台或移动刀架的位置控制系统，它是一种直线运动。 5) 主轴驱动系统：现代数控机床对主轴的要求较高，需要有较高的转速，并且可以实现无极调速的功能。机床 主轴的运动是旋转运动。这要求主传动电机能够输出较大的功率。同时数控机场的主驱动系统能在主轴的正反方向都可以实现转动和加减速。 6) 辅助控制装置：包括刀库的转位换刀，液压泵，冷却泵等控制接口电路。在这些电路中包括了换向阀电磁铁和接触器等电气元件，通过可编程控制器进行控制，使得以上的功能都可以简单的实现。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 7) 可编程控制器：它把计算机送来的辅助控制指令转换成强电信号，用来控制数控机床的顺序动作，定时计数、主轴电机的启动、停止、转速的调整等动作。 控系统的选择 数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具 体情况进行选择。 1）步进电机拖动的开环系统：该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便， 工作可靠，成本低，易改装成功。 2）异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统：该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。 3）交 /直流伺服电机拖动，编 码器反馈的半闭环数控系统：半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不 断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床的数控化改造也应是越来越广泛。依照设计任务对 铣床纵向进给进行数控化改造设计，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平衡性，采用低摩擦的传动和导向元件，此工作台采用滚珠丝杆螺母副和贴塑导轨。为尽量消除传动间隙，可采用双齿轮错齿调整以消除齿侧间隙，计算机系统采用高性能价格比的 列单片机扩展系统 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 第 二 章 纵向进给系统设计 求 在现有 机床）的结构基础上，对机床进给系统进行数控改造，主传动系统保留。（ 纵向 脉冲当量 大快移速度 6000mm/位精度 具体任务： 确定总体方案，绘制系统组成框图 1 张； 机械部分设计计算，选择适当的元器件； 绘制纵向机械部分改造装配图 1 张； 设计控制系统，画出电气原理图 1 张； 编写设计说明书 1 份（不少于 8 千字）。 考设计参数： 1、工作台尺寸： 270700 2、工作台行程：纵向： 300 横向： 200、工作台及夹具工件重力：纵向： 2000N 4、 最大快移速度 :6000mm/5、主电机功率： 、起动加速时间： 30、 定位精度： 、最小指令值： 体方案的确定及框图 体方案的确定 根据设计任务的要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易，为确保数控系统的传动精度和工作平衡性，采用低摩擦的传动和导向元件，此工作台采用滚珠丝杆螺母副和贴塑导轨，为 尽量消除传动间隙，可采用双齿轮错齿调整以消除齿侧间隙，计算机系统采用高性能价格比的 列单片机扩展系统。 械设计总体框图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 图 2机械设计总体框图 械部分设计计算 作台外形尺寸及重量估算 纵向： X=700作加工范围：纵向： X=300作台及夹具工件重力：000N 削力计算 切削功率： 式中 P 主电机功率 ( 主电机传动效率，取 K 进给系统功率系数，取 则： 1610W 又因为 v式中 v 切削线速度，取 1.7 m/s。 所以主切削力： 1 6 1 0 / 1 = 941N = N 一般： ( 0 . 6 0 . 9 ) 0 . 4 5 0 . 7 ) 0 . 5 0 . 5 5 )文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 则取：纵向切削分力： 0 . 9 0 . 9 0 . 9 4 1x H F =直切削分力： 0 . 7 0 . 7 0 . 9 4 1z V F = 滚动导轨的参数确定 导轨形式：在原有滑动导轨的基础上，采用贴塑处理，摩擦特性好，耐磨性好， 减振特性好等特点，且工艺较简单。 珠丝杠螺母副设计计算 1) 滚珠丝杠螺母副的工作原理 滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。 其 主要由螺母、丝杆、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。 滚珠丝杠螺母副 的 特点： 传动效 率高：机械效率可高达 92% 98%； 摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动 ；轴向运动精度高， 经预紧后可消除间隙 ，反向时无空行程； 使用寿命长、制造成本高 ， 主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度 。 2) 选型计算 滚珠丝杆的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时情况计算。 最大动负荷 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 L 滚珠丝杠副的寿命，单位为 610 r。 载荷系数，平衡或轻度冲击取 等冲击取 大冲击或振动取 现取 硬度系数， 58，取 于 55，取 于 52，取 于 50，取 于 45，取 现取 F 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为 N。 滚珠丝杠副寿命 ： 610/60 式 中 ： T 使用寿命，数控机床及一般机电设备取 T=15000h； n 为丝杠为每分钟转数 ，0/1000 s，其中m/，可取最高进给速度的 1/2 1/3，纵向：L 丝杆导程（ ； 初选丝杆螺距0L=6丝杆转速为：0/1000 s=200r/以： 6101 5 0 0020060 L =180 工作台纵向进给丝杠的轴向力轴 )( xF 轴 式中： K 考虑颠覆力矩影响的实验系数， K= 纵向切削分力； 垂直切削分力； f 导轨上的摩擦系数， f = G 工作台作用在导轨上的重力， G =2： )26 5 轴横向最大动负荷： 轴= =表选用滚珠丝杆螺母副的型号为 ， 双螺母垫片预紧 ，其额定动载荷为 22 珠丝杆螺母几何参数计算 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 表 2称 符号 计算公式和结果 /纹滚道 公称直径 距 p 6 接触角 450 钢球直径 纹 滚道法向半径 R 心距 e s =纹升角 =0=螺杆 螺杆大径 d d =杆小径 8 螺杆接触点直径 =母 螺母螺纹大径 D D= 20 =36 螺母螺 纹小径 1= 传动效率的计算 =) =中 摩擦角 约等于 10 螺纹升角 度验算 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 滚珠丝杠副的轴向变形将引起滚珠丝杠的导 程发生变化，直接影响定位精度和运动的平稳性。 滚珠丝杆受工作负载 F 引起的导程 式中 “ +” 号用于拉伸， “ -” 号用于压缩 ； F 滚珠丝杠的最大工作载荷，单位为 N； 滚珠丝杆导程，单位为 E 材料弹性模数，对钢为 E =05 S 滚珠丝杠按底径 1d 计算的截面积 ，单位为 2 X 向： 轴 E=05= 4/21d = 4 = 所以x= =0 6 m= 杠因受扭矩而引起的导程变化量很小可忽略。 查表知 E 级精度的丝杠允许误差 刚度足够。 定性校核 计算临界负载 N） 22L （ 式中： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 E 材料弹性模量，钢： E= 26 /； I 截面惯性矩（ 4丝杠： I= 4164d ， 1d 为丝杠内径； L 丝杠两支承端距离（ 丝杠支承方式系数，从表 4查出，一端固定，一端简支 2 )(441 （ 0 0 8 01 0 0 4 0 6222 5 83 0 0 8 0Fn=4 故此丝杠不会产生失稳。 进电机的选用 步进 电机是将电 脉冲 信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和 脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称 为 “ 步距角 ” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特 点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 进电机的步距角 步距角：当对步进电动机施加一个脉冲信号时，步进电动机就回转一个固定的角度，叫做一步。每一步所转过的角度叫做步距角。电动机的总回转角与输入的脉冲个数成正比 。 系统纵向和横向脉冲当量为 F =选步进电机步距角b= 纵向进给步进电机计算 1） 等效转动惯量计算 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 )2()()( 2022211 （ 式中 步进电机转子转动惯量（ 齿轮 转动惯量（ 滚球丝转动惯量（ 参考同类型机床，初选反应式步进电机 150转孖转惯量 0（ 10141 =102=2= 10 142 = 10 84 2=s=1054 125=2000N 代入上式 )2()()( 2022211 2229 0 2 0 09 3 4032( 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 基本满足惯量匹配的要求。 2）电机力矩计算： 设步进电机等效负载转矩为 T，负载力为负F，根据能量守 恒原理电机所做的功与负载力做的功有如下关系： 式中： 电机转角； s 移动部件的相对位移； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 滚珠丝杠的传动效率， = 纵向： )(1x 牵负式中： G 工作台作用在导轨上的重力， G=2 1F 与重力方向一致作用在移动部件上的负载力， 1 = 机床导轨摩擦系数，取 = 牵 纵向丝杠牵引力。 另外： 牵式中： 切削力在纵向上的分力， f 当量摩擦系数， f = G 工作台作用在导轨上的重力， G=2 则： 牵 则： )6 5 负F= 取 =b=则 s= F ， 等效负载转矩： =2360 负 = 0 0 = m 如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩 T ，取安全系数为 ： m。 对于工作方式为四相八拍的步进电机，最大静转矩： ax T = m 进电机的最高启动频率纵向和横向进给速度最大均为 则步进电机的最高启动频率为： 01000 m =1000 =5000 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 纵向和横向切削进给速度.2 则步进电机的运行频率为： 601000 = =2000 确定步进电机型号 根据以上计算，查出 130大静扭矩为 m m 可以满足要求，但从表中看出 130进电机最高空载起动频率为 3000能满足000要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。因为加工材料无特殊要求，故不再进行校核计算。示意图如下图： 图 230术参数 相数： 5 步距角 ( )： 压 /V：