502型立式铣床横向进给系统数控改造

陕西理工学院本科课程设计题 目：X502型立式铣床横向进给系统数控改造 学 院：机械工程学院专 业：机械设计制造及其自动化学 号： 0715014089学生姓名： 张磊 指导教师： 王长乾 二一 年 十二 月 目 录引言3X502数控铣床横向进给系统改造设计总体要求5横向进给系统的设计计算7滚珠丝杠计算81铣削力计算82强度计算93刚度验算104稳定性验算11齿轮的转动力矩相关计算111齿轮相关计算122转动惯量计算12步进电机选择14齿轮模块设计14齿轮的轴向定位及计算17X502 铣床的运动及控制22PLC 控制的硬件设计25硬件配置25PLC 的输入、输出地址分配25PLC 的I/O 接线图27PLC系统的软件设计28梯形图的设计28 程序指令29.总结34参考文献36致谢 371引言数控机床具有高精度、高效、高速、高可靠性等优点，并且机床结构趋于模块化、数控功能专门化。数控机床是集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体的典型的机电一体化产品。它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式、使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，己成为当今制造业的发展方向。我国是世界上机床产量最多的国家，但在数控机床的产品竞争力仍然处于较低的水平。因为开发一台新的数控机床的周期比较长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。为此我们应该在普通机床上考虑，不能一味的大量添置全新的数控机床，这样会造成资金投资量大，成本高，而且又会造成原有设备闲置浪费。把普通机床改造为数控机床不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床缺点和存在的问题，生产效率高，尤其适合中国机床拥有量大、生产规模小的具体国情。我国数控系统发展具有以下3个特征：(l)高档数控系统技术已经突破。如华中I型等数控系统，都具有多轴联动功能，快速进给速度在1.67m/s以上，具有较强的通信、管理功能。(2)普及型数控系统技术已经成熟。如北京机床研究所的BS9l系统，这些系统一般配有CRT显示器，可配置直流和交流司服驱动，24轴联动。(3)经济型数控系统仍有广阔的市场前景。由于这类系统结构简单，价格便宜，非常适合中小型企业，目前仍是我国应用面最广的数控系统。比较典型的有南京大方的JWK系列。我国是机床生产大国，又是使用大国。数控机床是机械工业发展的关键产品，我国的数控机床在机床产品中的比例总体水平低。但是我国是发展中国家，许多企业财力薄弱，不可能花费大量的资金添置许多全新的数控机床，同时大量的通用机床不可能全部淘汰。因此，把普通机床改造为数控机床则不失为是一条提高数控化率的有效途径，机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高。1.2 X502数控铣床横向进给系统改造设计总体要求关于X502数控铣床横向进给系统改造设计总体要求，主要为保证进给运动，具体如下：(l)高的传动精度和定位精度传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，也是机床表征的指标之一。在设计中在进给传动链中加入减速齿轮，以减少脉冲当量(伺服系统接收一个指令驱动工作台移动的距离)，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目地。(2)宽的进给调速范围伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要。为了完成精确定位，伺服系统低速趋近速度达0.1/min;为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动速度应高达15m/min。(3)响应速度快所谓快速响应特性是指进给系统对指令输入信号的相应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快;定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求;工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。(4)无间隙传动进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。(5)稳定性好，寿命长稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳的工作性能。(6)使用维护方便数控铣床是高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度复杂空间的生产加工，机床的开机率相应就高，因而进给系统的结构设计应于维护和保养，最大限度地减少维修工作量，以提高机床的利用率。图 1 X502铣床改造后的传动系统图2.横向进给系统的设计计算1横向进给系统的设计采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。2横向进给系统的设计计算工作台重量： W=889.2Kgf=8892N(根据图纸粗略计算)时间常数： T=25 ms滚珠丝杠基本导程： Lo=6mm行程： S=375mm步距角： /step快速进给速度： 500mm/min（1）铣削力计算 由机床设计手册可知，切削功率式中： N-电机功率，查机床说明书，N=7.5 KW；-主传动系统总效率，一般为0.70.85取=0.7；K-进给系统功率系数，取为K=0.96。则有： Nc=7.50.70.96=5.04 kw切向铣削力：F=10 N式中： V-主轴传递全部功率时的最底切削速度（m/s）则有： V=D95/60000=1.7m/s=102m/minF=2964（N）进给工作台工作载荷计算从数控铣床中表2-1可得知，在一般立式铣削时，工作台纵向进给方向载荷：F=1.0Fz=5294 N工作台横向进给方向载荷： F=0.4Fz=0.42964=1185 N工作台横向进给方向载荷： F=0.2Fz=0.22964=592 N（2)滚珠丝杠设计计算：由数控技术可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力：采用矩型导轨式中K=1.1 =0.15则有：1）强度计算：寿命值： n-为丝杆转速（r/min）v-为最大切削力下的进给速度（m/min）,取最高进给速度的1/3T-额定寿命，查表得 T=15000h -滚珠丝杆导程，取=6mm则有：v=r/minL最大动负载C 查表得：运转状态系数 则C根据最大动负荷C的值，可选则滚珠丝杠的型号。查表2-5得，选取滚珠丝杠直径为50mm，型号为ND5006，其额定载荷为29350N，所以强度足够。2） 效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为：式中：-为丝杆螺旋升角，查得：-为摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于 则有： 3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载F引起的导程的变化量丝杆的拉压变形量 式中：mm=0.6cm; E-为材料弹性模量，对钢A-为滚珠丝杠截面积 =6.15则有： cm滚珠与螺纹滚道间的接触变形量有预紧：式中：-为滚珠直径，查表得=3.969mmZ圈数列数2513=75-为预紧力则有:2.3mm则丝杆的总变形量9um查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15um/m 故刚度足够。4)稳定性验算失稳时的临界载荷式中:E-为丝杆材料弹性模量,对钢I-为截面惯性矩,对丝杆圆截面-为丝杆底径,=48mm则有：260444 L-为丝杆最大工作长度,取L=375mm -为丝杆支承方式系数,参考图2-13和表2-7,取=2.0则有:稳定安全系数：1548所选丝杆稳定安全系数，查表得：则有 ，故稳定性不存在问题。（3）齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算传动比故取 Z1=40 Z2=50 m=2 mmB=20 mm 则有 2)转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠的转动惯量齿轮的转动惯量电动机转动惯量很少，可以忽略因此，总的转动惯量 =14.6874所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩 式中 -空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； -折算到电机轴上的摩擦力矩； -由于丝杠预金所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；式中：-为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（ -为电机最大角加速度（） -为运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（） t-为运动部件从静止启动加速到最大快进进给速度所需时间（s）,取t=0.025s则有： 空载摩擦力矩：式中： G-运动部件总重力（N） -为导轨摩擦系数，取0.2 i-齿轮传动降速比，i=1.25 -传动系统总效率，取=0.8 -基本导程，取=0.6cm则有：附加摩擦力矩：式中： -为滚珠丝杆预加载荷，取的1/3 -为滚珠丝杆预紧是的传动效率，取=0.9则有：=192.2+127.43+29.3=348.93N.(4) 步进电机的选择步进电机的名义启动转矩为满足最小步距要求，电机选用五相十拍工作方式，查表知所以，步进电机最大静转矩：步进电机最高工作频率：综合考虑，查表选用 130BF001 型直流步进电机，能满足使用要求。、齿轮块的设计1，特点齿轮是变速箱中的重要元件，齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的，也就是说，作用在一个齿上的载荷是变化的。同时由于齿轮制造及安装误差，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪音，常常成为变速箱的主要噪声源，并影响主轴回转均匀性，在设计齿轮时，应充分考虑这些问题。2，精度等级的选择变速箱中齿轮用于传递动力和运动。它的精度选择主要取决于周围速度。采用同一精度时，周围速度越高，振动和噪声越大，根据实验结果，周围速度增加一倍，噪音约增加6dB。工作平稳性和接触误差对振动和噪音的影响比运动误差更大。所以这两项精度应选高一级，为了控制噪音，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，大都用7-6-6,这里主运动齿轮的精度选为7-6-6。3、结构与加工方法不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构要求也有不同。8级精度齿轮，一般滚齿或插齿就可以达到。7级精度齿轮，用较高精度滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度下降，因此，需淬火的7级齿轮一般滚（插）后要剃齿，使精度高于7级或淬火和衍齿才能达到6级。机床主轴变速箱中齿轮一般都需要淬火。多联齿轮块的结构形式如下图2.5所示，各部分的尺寸推荐如下：（1）、空刀槽，插齿时： 模数 12mm， 5mm; 模数2.54mm, 6mm。剃齿时： 采用公式：=4.5+k(1.1+0.038-0.03)mm及计算。图1.5式中，k为与剃齿刀倾斜角有关的系数。 若齿面要高频淬火，为避免互相影响，应大于8。由于这里采用的齿轮的精度为7-6-6，需要剃齿或珩齿，需齿面淬火，所以8，取=8。（2）、齿宽b 图2.5齿宽影响齿的强度。但如果太宽，由于齿轮误差和轴的变形，可能接触不均匀，反而容易引起振动和噪音。一般取=(610)m齿轮模数m小，装在轴的中部或单片齿轮，取大值齿轮模数m大，装在靠近支承处或多联齿轮，取小值。薄的大齿轮容易产生板振动，成为噪音发射体，因此，齿轮基体不宜太薄，设计单片齿轮时要注意这里均是单片齿轮，取齿宽（m为模数）。（3）、其他问题 滑移齿轮进出啮合的一端要圆齿，有规定的形状和尺寸（见图1.6），圆齿和倒角性质不同，加工方法和画法也不一样， 图1.6部分（图（一）用于安装拨动齿轮的滑块，一般取=或，这里我们选。选折齿轮块的结构时要考虑毛坯形式（棒料、自由锻或模锻）和机械加工时的安装和定位基面，尽可能做到省工，省料又容易保证精度。4、齿轮的轴向定位要保证正确啮合，齿轮在轴上的位置应该可靠，空套齿轮和固定在轴上的齿轮的轴向定位可采用隔套定位。1、 估算：按接触疲劳和弯曲强度计算次论模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知的情况先才能确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳强度的估算： mm齿面点蚀的估算：A mm其中 为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心矩，由中心矩A及齿数，求出模数=2A/ mm根据估算所得和中较大的值，选择相近的标准模数，各齿轮的计算转数为：=1450r/min =695r/min =300r/min 235r/min =95r/min =273r/min =235r/min =695r/min =475r/min =118r/min =695r/min =695r/min =300r/min =300r/min =118r/min轴III间传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：=32=1.87齿轮点蚀的估算：A=370x =81.76 mm=2A/=2x81.76/(26+54)=2.04 mm所以模数为m=3.轴IIIII传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：=32=2.759齿面点蚀估算：A=370x =108.18=2A/=2x108.18/(16+39)=3.93 mm取标准模数 m=4轴IIIIV间传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：=32x=3.046齿面点蚀估算：A=370x =117.3=2A/=2x147.3/(28+37)=3.61所以取标准模数m=4mm。轴VVI间传动组齿轮模数的估算：齿轮弯曲疲劳计算，4.46齿面点蚀估算：Ax=153.4=2A/=2x153.4/(29+29)=5.29取标准模数值m=5,轴VIVII间齿轮模数的确定：齿轮弯曲疲劳强度计算：齿面点蚀估算：Ax =158.7=2A/=2x158.7/(67+67)=2.37取模数值为m=4。2、计算（验算）结构确定后，齿轮的工作条件：空间安排，材料和精度等级都已经确定，才可以核验齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度值是否满足要求。根据接触疲劳强度计算齿轮模数的公式：= mm根据弯曲疲劳强度计算齿轮模数，公式：= mm 式中：N计算齿轮传递的额定功率N= KW计算齿轮的计算转速r/min齿宽系数=b/m, 常取6-10；大齿轮与小齿轮齿数，一般取传动中最小齿轮的齿数i大齿轮与小齿轮的传动比， i=/1; “+”用于外啮合，“-”用于内啮合寿命系数，=，工作期限系数，=齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的指数m和基准循环次数n齿轮的最低转速 r/minT预先的齿轮工作期限，中型机床推荐：T=1500020000h;转速变化系数功率利用系数材料强化系数，幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化，起阻止疲劳的刃缝扩大的作用工作情况系数，中等冲击的主运动，=1.21.6；动载荷系数齿向载荷分布系数齿形系数许用弯曲，接触应力MPa;1、轴I-II间齿轮模数的计算(验算)(1)按接触疲劳计算齿轮模数:N=y=0.987.5=7.35W=8 查表: 取 则 取 线速度 查表: 取 查表 取 查表取 . 因此: (2) 根据弯曲疲劳计算 查表取 : 而 查表取 .Y=0.43, 因此: 。由以上计算结果知，齿轮模数合格。2、其它齿轮模数的验算其它齿轮的验算过程与上面相同，将有关数值代入上式，经计算均满足要求；3.X502数控系统设计3.1概述X502铣床可用于平面、斜面和沟槽等加工，安装分度头后可铣切直齿轮、螺旋面，使用圆工作台可以铣切凸轮和弧形槽，是一种多功能、高效率、应用广泛的机床。经过多年运行，机械部件往往性能良好，电气控制部分由于触点多、动作复杂，故障率越来越高，故障发生时维修量大，时间长，影响生产和机械使用率。铣床是一种高效率的加工机械, 在机械加工和机械修理中得到广泛的应用, 铣床的操作是通过手柄同时操作电气与机械, 以达到机电紧密配合完成预定的操作, 是机械与电气结构联合动作的典型控制, 是自动化程度较高的组合机床。但是在电气控制系统中, 故障的查找与排除是非常困难的, 特别是在继电器接触式控制系统, 由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长, 给生产与维护带来诸多不便,严重地影响生产。本文所述方案是对原来的继电器接触式模拟控制系统进行PLC 改造而成, 经实际运行证明该PLC控制系统无论是硬件还是软件, 控制稳定可靠, 具有极高的可靠性与灵活性, 更容易维修更能适应经常变动的工艺条件, 取得了较好的经济效益。PLC以其可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，使用方便可靠等特点，在机械制造业得到了广泛的应用。选用三菱公司的FX2N32MR. 001可编程序控制器对X502铣床的电气控制系统进行改造，克服了原有缺点，提高了自动化程度，效果良好。X502铣床有三种运动形式，即主运动、进给运动和辅助运动。主运动是主轴带动铣刀的旋转运动；进给运动是工作台或进给箱带动工件的移动；工作台带动工件在三个方向的快速移动，及以工作台的旋转运动为辅助运动；主轴运动和进给运动各由一台电动机拖动，冷却泵由一台电动机拖动。主轴电动机由接触器KM3实现起、停运行控制。接触器KM2的主触点串联两相电阻与速度继电器kV 配合实现电动机M1 的停车反接制动。工作台进给电动机M2 由接触器KM4、KM5 的主触头实现正、反向进给控制。接触器KM6的主触点控制快速电磁铁，决定工作台移动速度：接触器KM6 接通为快速移动，断开为慢速自动进给。冷却泵电动机M3 由接触器KM1控制，单方向运转3.2 X502 铣床工作台的开关动作状态及限位保护如表2表4所示，工作台左右、上下、前后运动均有限位保护，由机械方法实现。工作台的运动，在某时只能有一个方向运动，由机械联锁和电气联锁实现，其中工作台的左右移动与上下前后移动之间是靠接触器联锁实现的。 手柄 向左 中间（停） 向左纵向操作 SQ1点 SQ2（+）+()（+）（+）+()（+）表2 工作台纵向行程开关状态 手柄 前下 中间（停） 后上升降横向操作 SQ3 触点 SQ4+ ()（+）（+）（+）（+）+ ()表3 工作台升降，横向行程开关工作状态 3.3 PLC 控制的硬件设计3.3.1 硬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PLC 控制系统取代，本文采用三菱公司的FX2 16作为控制器，它输入点数为16 点，输出点数为16 点。FX2N是FX 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0.08s，用户存储器容量可扩展到16 KB，I/O点最大可扩展到256点，有多种特殊功能模块，有多种RS232/RS422/RS485串行通信模块或功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信功能。用户程序容量32 KB满足机床6点输出、14点输入的要求。PLC的供电电源由隔离变压器提供，这样可以减少电网波动或噪声对PLC 的干扰。3.3.2 PLC 的输入、输出地址分配PLC 的输入、输出地址分配如表5、6所示输入信号端口主轴停止SB1、SB2 X0主轴启动SB3、SB4X1工作台快移SB5、SB6X2工作台右进给SQ1 X3工作台左进给SQ2 X4工作台前、下SQ3 X5工作台后、上SQ4 X6进给变速瞬动SQ6 X7主轴变速瞬动SQ7 X10速度继电器正向触点SRF X11速度继电器反向触点SRR X12圆工作台转换开关SA1-1 X13圆工作台转换开关SA1-2 X14圆工作台转换开关SA1-1 X15表5输入端口分配输出信号端口液压电动机接触器KM1Y0主轴电动机制动接触器KM2Y1主轴电动机起动接触器KM3Y2进给电动机正转KM4Y3进给电动机反转KM5Y4快速进给电磁铁Y5表6 输出端口分配3.3.3PLC 的I/O 接线图根据控制要求和系统输入、输图2 输入输出接线图3.4 PLC系统的软件设计3.4.1 梯形图的设计根据X502铣床的控制原理，PLC 控制梯形图。如图2 所示。图3 PLC 控制梯形图3.4.2 程序指令程序指令如表7所示。地址指令数据地址指令数据0000LDX100050ORIX50001ANIY20051ANIM50002OUTM00052OUTM40003LDIX100053LDIX40004M CN00054ORIX6M1000055ANIM40007L DX00056OUTM50008O RM10057MCRN20009LDX110059LDM40010O RX120060OUTT40011ANBKTo0012ANIX220063LDT40013OUTM10064O RM20014LDM10065ORM30015OUTT10066OUTY4Kt10067LDM50018M C R N00068OUTT50020L DT1KTo0021ANIX100071L DT50022O RM00072OUTY50023OUT Y10073LDIX150024LDIX100074M CN20025M CN0M104M1010077LDIX30028L DX10078ANIX40029O RY20079ANIX50030ANDX00080ANIX60031ANIY10081ANIX70032OUTY20082ANIM50033L DX00083OUTM20034ANDY20084L DX20035M C N10085OUTY6M1020086MCRN20038L D X70088LDIX30039ANIX60089ANIX40040ANIX50090ANIX50041LDI X150091ANIX60042ANI X40092ANIX70043ANIX30093ANIY50044ORB 0094ANDX140045AND X130095OUTM30046MCN20096MCRN1M1030098MCRN00049L DX30100END表74. 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:（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、调整元器件位置、密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保