X52K数控铣床改造设计【机床改造】【4张CAD图纸+毕业论文】

X52K数控铣床改造设计

44页 17000字数+论文说明书+4张CAD图纸【详情如下】

A0-X52K数控铣床改造X向装配图.dwg

A0-X52K数控铣床改造Y向装配图.dwg

A0总体布局图.dwg

A1外观图.dwg

X52K数控铣床改造设计说明书.doc

X52K数控化改造

内容摘要

本文提供了一种X52k铣床的经济型数控化改造方案，改造的主要模块有：机械部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件和减速齿轮的改造。改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，以MCS-51型单片机为控制处理芯片，实现X、Y两坐标联动改造,使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。改造后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。最后再对系统的误差及精度进行分析，并提出改进的方法、建议。

关键词： X52k 数控化 改造 单片机

ABSTRACT

In this paper ,in base of our country’s eco- momic condition and the expensive CNC, in order to extend machining scope, high accuracy , small batch, and has a good condition in excitely complicative market .So,the numerization rebuilding of X52K is so necessary and feasible. This paper provides a way of how to implement the synchronied motion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open-loop control which use stepping motors as actuators on a X52K mill，and the microcomputer is MCS-51.

The numerization rebuilding of X52K milling machine not only is used for machining keyway,plane and hole etc,but also, it can ma- nufacting complicated shap and the accuracy is high.

   The technology of CNC has became the key and basic technology in the manufacturing industry .

Keywords:  X52Kmill  numerization  rebuilding  single chip computer

目 录

前言    5

正文   10

1.整体改造方案   10

1.1总体设计方案   10

1.1.1机床改造的方案比较   10

        1.1.2实现的目标   12

1.2主传动的系统改造   13

1.2.1机械部分的数控化改造   13

        1.2.2电气部分的数控化改造   13

1.3：进给系统的改造   13

        1.3.1进给机构的改造   13

        1.3.2X52K的改造要求   13

      1.4微机系统的硬件与软件设计   14

        1.4.1 系统软件的设计   14

        1.4.2 硬件系统设计   14

      1.5改造后的布局   15

    2.横纵向系统的设计，计算过程   15

2.1纵向方向（X轴）的设计   15

        2.1.1铣削力 的计算   16

        2.1.2滚珠丝杠所受的平均轴向载荷   的计算   18

        2.1.3丝杠副工作负荷计算及丝杠型号的选择   19

        2.1.4传动效率 的计算   20

2.1.5刚度验算   20

2.1.6稳定性的验算   21

2.1.7齿轮传动设计的有关计算    22

2.1.8齿轮材料的选用及许用应力    23

2.1.9直齿圆柱齿轮副的计算    23

        2.1.10步进电机型号的计算选择    25

      2.2横向(Y轴)的设计    31

    3数控部分设计    32

3.1系统硬件设计    33

        3.1.1主控制器（CPU）  33

        3.1.2存储器扩展电路    34

        3.1.3扩展I/O接口    35

        3.1.4步进电机驱动电路    35

        3.1.5行程控制    36

        3.1.6键盘与显示    36

        3.1.7复位电路    37

        3.1.8紧急停车    37

      3.2编程时应注意的问题    37

3.3步进电机系统软件控制    37

    4误差来源及精度分析    38

      4.1误差的来源    38

4.1.1机械结构原因    38

        4.1.2数控部分原因    38

      4.2：误差补偿措施    38

        4.2.1齿轮副误差补偿分析    38

          4.2.2数控系统误差补偿分析    39

          4.2.3滚珠丝杠副误差补偿分析    39

  结论    41

  致谢    42

  参考文献    43

前言：

该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对起进行数控化改造后，成为一钟高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。

数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域：

机械制造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。

数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。现代数控机床都采用计算机（微型机算计）作为控制系统，它由CNC系统，机床主机及辅助装置组成。

数控机床的发展及目前的状况

数控技术是当今工业产品自动化发展中处于核心地位的一种高技术。

第一台数控机床问世于美国，是为了适应航空工业制造复杂零件的需要而产生的，70年代初以前，美国处于领先的地位，70年代中期，前苏联生产的数控机床在数量上赶超美国成为第一。1981年，日本超过了其他国家而成为世界上最大的数控机床生产国家。

在国外数控机床的数量中，最多的是普通数控机床，特别是数控车床，但是发展最快的则是可以自动换刀具的加工中心，目前国际上研制的数控设备则是由加工中心为主体的柔性加工单元及柔性制造系统。

国际数控技术的发展主要经过2个阶段和6代的发展过程，如表1和表2所示。

我国的机床数控行业起步1961年，到现在已有45年多的历史了，70年代中期开始进入实用阶段，但直至80年代处由于引进了国外数控系统及其关键器件，数控技术生产中才获得较好的应用，我国目前状况是：数控系统已形成年产500套多功能数控机床和3000套经济型数控装置的能力。我国已建立了以中，低档数控机床为主的产业体系，20世纪90年代主要发展高档数控机床。随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。据最近有关资料表明，我国机床总有量380余万台，其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率还不到3%，而一些发达国家早已达到20%以上，因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重的影响了生产力的发展。

  提高机床数控化率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧机床进行数控改造。这对于我国一个机床拥有量极大（其中大部分机床年龄较长），而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个及其有效和实用的途径。1.1.2实现的目标

在论文中主要讨论在对X52k立式升降台式铣床进行数控化改造。X52k立式铣床是铣削键槽、平面及铣孔的通用机床，它没有准确可靠的定位装置，铣孔与铣键槽的位置精度一般靠模板的精度和人工划线的精度来保证，故其加工精度低于数控机床。由于普通铣床的柔性差，不能满足市场对形状复杂、精度高、小批量、多品种零件需求。而数控化改造后系统采用步进电机为驱动执行元件的开环系统，并且采用CNC数控系统控制X、Y工作台，即采用以MCS-51单片机为控制系统，实现两坐标联动改造,使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，且加工精度高、效率高，满足市场的需求，且价格较廉，增加了市场的竞争力。

1.2主传动的系统改造：

1.2.1机械部分的数控化改造：

数控机床机械结构的主要特点：

①  结构简单，操作方便，自动化程度高；

②  广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品；

③  具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件；

④  对机械结构、零部件的要求高。

主传动系统不变，还是采用原有的电动机（7.5KW）。进给系统采用滚动丝杠副螺母副代替原有丝杠副，以提高机床运行精度和传动效率。考虑到改造的目标及成本的原因，决定X52K铣床的主轴支承仍采用滚动轴承支承，导轨仍使用动压导轨。

1.2.2电气部分的数控化改造

由于是将X52K铣床改造成为经济型的开环控制的数控铣床，机床加工的零件多属中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流电机就能够满足加工要求。因此其主传动系统的电气部分仍采用其原来配置的7.5KW的交流电动机驱动。

1.3进给系统的改造

1.3.1  进给机构的改造 

考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈电路，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本铣床的X，Y，Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机＋一级减速齿轮＋滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副,带动工作台移动。本设计选用步进电机的型号为110BF004，步进电机步距角选用 ，扭距是4.61Nm，电机脉冲当量： 。

1.3.2  X52K的改造要求

进给伺服系统改造后性能的好坏将直接影响到整个系统的性能的好坏。也因此对进给伺服系统提出了改造设计要求：

①提高传动部件的刚度，减小传动部件的惯量；

②减小传动部件的间隙，并减小系统的摩擦阻力；

③高精度  就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。

④稳定性好  指系统在给定输入或受外界干扰作用下，能在短暂的调节后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。

⑤快速响应，无超调  它是衡量伺服系统动态品质的重要指标，反映了系统的跟踪精度。

结论:

依照我国目前的数控机床发展状况及我国的国情，对原有的普通机床进行数控化改造是符合当前国情的。对普通立式铣床X52K的数控化改造是为了扩大产品加工范围和提高加工精度、效率、质量，进而满足市场多变的要求：小批量、多品种、柔性化加工。改造后的X52K铣床不仅能够完成加工键槽、平面和孔等一般加工，还能加工复杂的零件，且精度高。

对普通X52K铣床改造的总体思路是把X52K改造成X，Y两坐标能联动的经济型数控铣床，由程序控制实现柔性化加工。从总体方案设计开始，确定了改造的目标—经济型数控铣床，全文进行了机械部分和数控部分的改造设计，最后进行了系统的误差分析。在X52K的数控化改造中有如下特点：

①  为了控制改造成本，不进行升降台方向（即Z向）机械部分的改造，而仍采用手动方式升降。

②  为了不大量改变原有的机械结构，本设计保留原有手动功能手柄，且只把原机床的普通丝杠改为滚动丝杠。

③  在横向和纵向的改造设计计算中，突出步进电机、减速箱和滚珠丝杠设计计算的连贯性，计算合理的准确性。

④  在论文的最后进行系统的误差分析，并提出自己的建议、方法。

但是在这个设计过程中，还存在一些不足之处，如：

①  在对整个系统的改造中，由于缺乏实践的条件，对机床改造的结构还欠合理。只有理论与实践相结合才能改造设计出理想的结构。

②  对数控系统的系统软件的认识不够深入，在改造过程中只提出了总体的设计思想和系统软件的功能模块，未给出详细的系统程序。

致谢：

在完成本设计过程中，杨健老师的认真负责，不厌其烦的教学态度给我留下了深刻的印象。为我们讲解知识难点和修正错误，教导我们在设计中要注意的问题，以及查找资料等等，才能让我能顺利地完成该课题的论文。杨老师的教学态度，和追求科学真理的精神，耐心的对学生指导，永远值得我们学习。不仅仅是因为学到了知识，更是一种做人的道理和理念，可以说，在我们出了校园，步入社会，对我们都是一种财富。在杨老师身上，我看到了作为老师的伟大和崇高。在我以后的生活和工作中，所有的这一切一切都让我受益匪浅，对完美的不懈追求的精神及做事的科学态度，并将让我终身受益，杨老师是值得尊敬的。

在我整个在校学习的四年期间，各个任课老师的言传身教，解答疑问，为我们学习到最基础，最扎实的公共课程和专业知识是分不开的，在此，我感谢你们，向你们说一声：老师们，你们辛苦了！

还有和同学们的帮助也是分不开的，在完成本设计的过程中，与同学一起探讨问题也是一种乐趣，是他们让我感到学习不是一种负担，而是一种快乐。在彼此的互相帮助、关心，生活中分享彼此的欢乐、共担烦恼，这一切都让我的大学生活变的无比多彩。在这里，我向各位同窗好友表示忠心感谢：祝你们常年好运，幸福快乐！

最后，我还要感谢给予我机会、赋予我能力的母校：成都理工大学！

参  考  文  献：

【1】    杨广才，唐学媛.普通铣床的数控改造.苏盐科技.2002第3期.14-16

【2】    李为民，王海涛.轴向定位预紧轴承刚度计算.河北工业大学学报.2001年30卷第2期.15-19

【3】    刘兴国，刘贵杰，岳恒志.铣床数控改造及设计.山东轻工业学院学报.1998

【4】    杨可桢，程光蕴主编.机械设计基础.北京：高等教育出版社，1988

【5】    郑堤，唐可洪主编.机电一体化设计基础.北京：机械工业

【6】    张柱银主编数.数控原理与数控机床.北京：化学工业出版社，2003

【7】    余英良主编.机床数控改造设计与实例.北京：机械工业出版社，1996

【8】    张德忠.X52K铣床数控化改造.机械设计与制造.1995第01期.48-49

【9】    张宝林主编.数控技术.北京：机械工业出版社，1997.8

【10】    成大先主编.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2002

【11】    廖效果，朱启逑主编.数字控制机床.武汉：华中科技大学出社，1992

【12】    于俊主编.滚动轴承计算.北京：高等教育出版社，1993.7

【13】    张新义主编.经济型数控机床系统设计.北京：机械工业出版社，1995

【14】    张俊生主编.金属切削机床与数控机床.北京：机械工业出版社，2001.1

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【18】    张俊生主编.金属切削机床与数控机床.北京：机械工业出版社，2001.1

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