普通铣床数控化改造设计

1 毕业毕业 论文论文 普通铣床数控化改造设计普通铣床数控化改造设计 学生姓名 李 颖 学 号 01320131X01 所在系部 机 械 系 专业班级 13gz 数控 1 班 指导教师 谢 卫 蓉 日 期 2016 年 5 月 2 附一 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 系 部机械工程系指导教师谢卫容职 称讲师 学生姓名李颖专业班级13gz 数控 1学 号 设计题目普通铣床数控化改造设计 设 计 内 容 目 标 和 要 求 设计内容目标和要求 设计进度等 本课题改造设计经济型数控铣床 应满足实用和加工精度的要求 1 调研 了解各种数控铣床进给伺服系统中二维工作台的工作性能和加工要求情况 了解开环伺服传动系统的组成和特点 提出应满足的技术要求和条件 分析 比较各 种可能的方案并提出初步设计方案 2 研究和确定数控铣床进给伺服系统的总体设计方案 要求有必要的分析和计算过程 3 结构设计 要求画出总体结构图 关键零部件图并对关键零部件进行校核和验算 4 控制系统设计 画出控制系统原理图 5 撰写设计说明书 30 40 页左右 6 基本技术要求 结构尺寸 普通铣床 数控车床的设计参数 工作台行程 mm 工作台 夹具 及工作重力 N 工作台快移速 度 m min 最大进给速 度 m min 规 格 X 纵 向 Y 横 向 X纵 向 Y横 向 X 纵 向 Y 横 向 X 纵 向 Y 横 向 走刀方向 最大切削 分力 垂向 最大切削 分力 x y 向 相同 N 启 动 加 速 时 间 ms 定 位 精 度 mm 1250 320 6802403300550016160 60 62750 220040 0 01 根据数控机床要求 由调研确定工作台定位精度和重复定位精度 脉冲当量等参 数 7 绘制主要零部件图不少于 2 张 装配图 1 张 8 自选其中某个零件用 PRO E 绘制三维零件图 9 设计进度 1 1 5 周 主要进行毕业设计准备工作 熟悉题目 收集资料 进行毕业实习 明确研究目的和任务 构思总体方案 2 6 10 周 设计计算 绘图 3 3 11 13 周 编写毕业设计论文 准备毕业设计答辩 指导教师签名 谢卫容 年 月 日 系 部 审 核 4 2 1 毕业设计 论文 学生开题报告毕业设计 论文 学生开题报告 课题名称普通铣床数控化改造技术 课题类型实践应用型指导教师谢卫蓉 学生姓名李颖学 号 01320131x01 专业班级13gz 数控一班 本课题的研究现状 研究目的及意义 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的 装备 世界各国信息产业 生物产业 航空 航天等国防工业广泛采用数控技术 以提高制造能力和水平 提高对市场的适应能力和竞争能力 工业发达国家还将 数控技术及数控装备列为国家的战略物资 不仅大力发展自己的数控技术及其产 业 而且在 高精尖 数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策 因此 大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展 提高综合国力和国家地位的重要途径 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 数控装备 是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一 体化产品 即所谓的数字化装备 如数控机床等 其技术涉及多个领域 数控技术是一个比较先进的技术 我过的信息化技术主要是依靠引进国外的 技术 而外放在许多高端的核心技术上有着掌控地位 我们对国外的依存度较高 我国现需要大量从研究开发到使用维修方面各个层次的技术人才 在各国制造业 广泛使用数控化技术 以提高制造能力和水平 提高对动态多变市场的适应能力 和竞争能力 所以我们应该尽自己所学 让自己国家的数控化技术向着一个更高的平台去 发展 让我国的数控化技术走上顶端 大力发展以数控为核心的先进数控化技术 已成为各发达国家加速经济发展提高综合国力和国家地位的重要途径 课题类型 课题类型 A 理论探究型 B 实践应用型 5 2 2 本课题的研究内容 主要了解各种数控铣床进给伺服系统中二维工作台的工作性能和加工要求情 况 了解开环伺服传动系统的组成和特点 提出应满足的技术要求和条件 分 析 比较各种可能的方案并提出初步设计方案 研究和确定数控铣床进给伺服 系统的总体设计方案 要求有必要的分析和计算过程 结构设计 要求画出总 体结构图 关键零部件图并对关键零部件进行校核和验算 1 根据机床要求 采用 PLC 控制 由于 PLC 控制系统具有稳定性好 工作环 境 不挑剔 易于检修等特点 且对 PIC 系统较为熟悉 因此采用 PLC 控制系统 系统 2 数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动两大类 直线进给运动 包括机床的基本坐标轴 X Y Z 轴 以及和基本坐标轴平行的坐标轴 U V W 等 的运动 圆周进给运动是指绕基本坐标轴 X Y Z 回转的坐标运 动 3 控制系统设计 包括控制系统硬件的基本组成 控制系统软件的组成与结 构 计算机伺服控制系统和 PLC 控制系统 本课题研究的实施方案 进度安排 为了满足以上技术要求 采取以下技术方案 1 工作台工作面尺寸 1250 320 2 对滚珠丝杠采取预紧措施 并对滚珠丝杠进行预紧拉伸 3 采用伺服电动机驱动 4 将伺服电动机与滚珠丝杠连 进度安排 5 3 5 7 准备工作 查找需要用到的资料 明确研究目的及内容 构思方案 5 8 5 15 开始绘图 5 16 5 25 准备答辩 6 2 3 已查阅的主要参考文献 1 周骥平 机械制造自动化技术 M 北京 机械工业出版社 2003 2 彭文生 李志明 黄华梁 主编 机械设计 M 北京 高等教育出版社 2002 8 3 吴宗泽 罗圣国主编 机械设计课程设计手册 M 北京 高等教育出版社 1999 6 4 成大先主编 机械设计手册 M 北京 机械工业出版社 5 成大先主编 第 1 卷 机械设计图册 M 北京 化学工业出版社 2000 5 6 文怀兴主编 数控铣床设计 M 北京 化学工业出版社 2006 1 7 机电一体化技术手册编委会编写 第 1 卷 机电一体化技术手册 M 北京 机械工业出版社 8 曲玉峰 机械设计基础 M 北京 中国林业出版社 2006 9 张永宇 机械设计基础 M 北京 清华大学出版社 2009 10 廖效果 数控技术 M 武汉 湖北科技技术出版社 2000 指导教师意见 指导教师签名 年 月 日 7 3 毕毕业业设设计计 论论文文 学学生生申申请请答答辩辩表表 课 题 名 称 普通铣床数控化改造技术 指导教师 职称 谢卫蓉 讲师 申 请 理 由 毕业设计已完成 申请答辩 学生所在系部 机械工程系 专业班级 13gz 数控一班 学号 01320131x0 1 学生签名 日期 毕业设计 论文 指导教师评审表毕业设计 论文 指导教师评审表 序号评分项目 理工类 满分评分 1工作量 15 2文献阅读与外文翻译 10 3技术水平与实际能力 25 4研究成果基础理论与专业知识 25 5文字表达 10 6学习态度与规范要求 15 总 分100 评 语 是否同意参加答辩 是否同意参加答辩 指导教师签名 另附 毕业设计 论文 指导记录册 年 月 日 8 4 毕业设计 论文 评阅人评审表毕业设计 论文 评阅人评审表 学生姓名李颖专业班级 13gz 数控一 班 学号 01320131x0 1 设计 论文 题目普通铣床数控化改造技术 评阅人 评阅人职 称 序号评分项目 理工类 满分评分 1工作量 15 2文献阅读与外文翻译 10 3技术水平与实际能力 25 4研究成果基础理论与专业知识 25 5文字表达 10 6学习态度与规范要求 15 总 分100 评 语 评阅人签名 年 月 日 9 5 毕业设计 论文 答辩表毕业设计 论文 答辩表 学生姓名李颖专业班级 13gz 数控一 班 学号 01320131x0 1 设计 论文 题目普通铣床数控化改造技术 序号评审项目指 标满分评分 1 报告内容 思路清晰 语言表达准确 概念清楚 论点正确 实验方法科学 分析归纳合理 结论有应用价值 40 2 报告过程准备工作充分 时间符合要求 10 3 创 新对前人工作有改进或突破 或有独特见解 10 4 答 辩 回答问题有理论依据 基本概念清楚 主要问题回 答准确 深入 40 总 分 100 答 辩 组 评 语 答辩组组长 签字 年 月 日 答辩 委员会 意见 答辩委员会负责人 签字 年 月 日 10 6 1 毕业设计 论文 答辩记录表毕业设计 论文 答辩记录表 学生姓名李颖专业班级13gz 数控一班学号01320131x01 设计 论文 题目普通铣床数控化改造技术 答辩时间答辩地点 答辩委员会名单 问题 问题 1 提问人 回答 要点 问题 问题 2 提问人 回答 要点 问题 问题 3 提问人 回答 要点 记录人签名 不足加附页 11 7 毕业设计 论文 成绩评定总表毕业设计 论文 成绩评定总表 学生姓名 李颖 专业班级 13gz 数控一班 毕业设计 论文 题目 普通铣床数控化改造技术 注 成绩评定由指导教师 评阅人和答辩组分别给分 以百分记 最后按 优 90 100 良 80 89 中 70 79 及格 60 69 不及格 60 以下 评定等 级 其中 指导教师评定成绩占 40 评阅人评定成绩占 20 答辩组评定成绩占 40 成绩类别成绩评定 指导教师评定成绩 评阅人评定成绩 答辩组评定成绩 总评成绩 40 20 40 评定等级 12 摘摘 要要 目前鉴于机 械制 造行业对于加 工精 度与加工效 率的要求不 断提升 普 通铣 床 已难以承担以上重 任 但基于普通 铣床基数大数控铣 床价格昂贵的前提 普 通 铣床数控化 改造势在必行 改造完成的新型机床具有适应性较强 加工精度较 高 生产效率较高和加工质量相对稳定等优点 它综 合地应用了计算机应用 自动 控制 伺 服驱动 高精 度测量和创 新的机 械结构等多 方 面的前 沿技术 是 今后机 床控制的明 确发展方向之一 关键词 关键词 普通铣床 数控化改造 伺服系统 滚珠丝杠 13 目目 录录 摘摘 要要 1111 第一章第一章 绪绪 论论 1313 1 1 数控机床的组成 13 1 2 机床数控化改造的意义 15 1 3 机床数控化改造的必要性和迫切性 15 第二章第二章 铣床机械结构的改造设计铣床机械结构的改造设计 1717 2 1 介绍 17 2 1 1 数控铣床机械结构的主要特点 17 2 1 2 数控铣床对机械结构的基本要求 18 2 2 铣床进给传动系统的数控化改造 19 2 2 1 数控铣床对进给传动系统的基本要求 20 2 2 2 数控铣床的进给传动系统的基本型式 21 2 2 3 数控改造铣床进给系统的型式及介绍 23 第三章第三章 普通铣床数控系统总体设计方案的拟定普通铣床数控系统总体设计方案的拟定 2525 3 1 总体方案确定 25 3 1 1 系统的运动方式与伺服系统的选择 25 3 1 2 控制系统 25 3 1 3 机械传动方式 25 第四章第四章 普通铣床进给伺服系统机械部分普通铣床进给伺服系统机械部分 2626 4 1 设计计算 26 4 1 1 系统脉冲当量的选择 26 4 1 2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 27 4 1 3 滚珠丝杠螺母副的选用与设计 27 4 2 纵向进给步进电机计算 33 4 2 1 等效转动惯量计算 33 4 2 2 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 36 第五章第五章 普通铣床电气部分改造普通铣床电气部分改造 3737 总总 结结 3939 参考文献参考文献 4040 14 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 数控机床的组成数控机床的组成 如下图所示 数控机床由一下几个部分组成 1 程序编制及程序载体 数控机床自动加工零件的工作指令是数控程序 在对加工零件进行工艺分 析的基础上 要先确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置 刀具与零件相 对运动的尺寸参数 零件加工的工艺路线或加工顺序 主运动的起 停 换向 变速 进给运动的速度 位移大小等工艺参数 以及辅助装置的动作 得到零 件的所有运动 尺寸 工艺参数等加工信息后 用由文字 数字和符号组成的 标准数控代码 按规定的方法和格式 编制零件加工的数控程序单 把已经编好的数控程序 存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上 它可以是穿孔纸带 磁带和磁盘等 采用哪一种存储载体 取决于数控装置的 设计类型 1 输入装置 输入装置的作用是将程序载体 信息载体 上的数控代码传递并存入数控系 统内 根据控制存储介质的不同 输入装置可以是光电阅读机 磁带机或软盘 驱动器等 数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统 数 控加工程序还可由编程计算机用 RS232C 或采用网络通信方式传送到数控系统中 零件加工程序输入过程有两种不同的方式 一种是边读入边加工 数控系统 内存较小时 另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器 15 加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工 2 数控装置 数控装置是数控机床的核心 数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置 送来的一段或几段数控加工程序 经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编 译 运算和逻辑处理后 输出各种控制信息和指令 控制机床各部分的工作 使其进行规定的有序运动和动作 零件的轮廓图形往往由直线 圆弧或其他非圆弧曲线组成 刀具在加工过程 中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动 即按图形轨迹移动 但输入的零件 加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据 不能满足要求 因此 要进行轨迹插补 也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行 数据点的密化 求出一系列中间点的坐标值 并向相应坐标输出脉冲信号 控制各坐标轴 即进给运动的各执行元件 的进给速度 进给方向和进给位移量等 3 辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号 经过编译 逻辑判别和运动 再经功率放大后驱动相应的电器 带动机床的机械 液压 气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作 这些控制包括主轴运动部件的变 速 换向和启停指令 刀具的选择和交换指令 冷却 润滑装置的启动停止 工件和机床部件的松开 夹紧 分度工作台转位分度等开关辅助动作 4 驱动装置和位置检测装置 驱动装置接受来自数控装置的指令信息 经功率放大后 严格按照指令信息 的要求驱动机床移动部件 以加工出符合图样要求的零件 因此 它的伺服精 度和动态响应性能是影响数控机床加工精度 表面质量和生产率的重要因素之 一 驱动装置包括控制器 含功率放大器 和执行机构两大部分 目前大都采 用直流或交流伺服电动机作为执行机构 位置检测装置将数控机床各坐标轴的 实际位移量检测出来 经反馈系统输入到机床的数控装置之后 数控装置将反 馈回来的实际位移量值与设定值进行比较 控制驱动装置按照指令设定值运动 由于可编程逻 辑控制器 PLC 具有响应快 性能可靠 易于使用 编程和修 16 改程序并可直接启动机床开关等特点 现已广泛用作数控机床的辅助控制装置 5 机床的机械部件 数控机床的机床本体与传统机床相似 由主轴传动装置 进给传动装置 床 身 工作台以及辅助运动装置 液压气动系统 润滑系统 冷却装置等组成 但数控机床在整体布局 外观造型 传动系统 刀具系统的结构以及操作机构 等方面都已发生了很大的变化 这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和 充分发挥数控机床的特点 1 21 2 机床数控化改造的意义机床数控化改造的意义 众所周知 制造业是国民经济的基础产业和支柱产业 是推动国家技术进步 的主要力量 加入 WTO 之后 我国制造业正面临极大的考验和挑战 我国制造 业水平与发达国家相比 总体水平偏低 这直接影响到我国工业产品质量的提 高和制造成本的降低 影响到我国工业产品的国际市场竞争力 为改变这种落 后状况 必须提高制造业的装备水平 特别是机床的数控化率 购置数控机床 是提高机床数控化率的途径 对旧机床进行数控化改造 也是提高机床数控化 率的重要途径之一 我国机电行业 包括机械 电子 汽车 航空 航天 轻工 纺织 冶金 煤炭 邮电 船舶等 拥有的机床结构比较陈旧 操作系统复杂 控制系统落 后 生产效率低下 如果靠购置新的数控机床取而代之 显然耗资巨大 不符 合国情 因此 采用数控技术对现有机床进行改造 符合国家的产业政策 另 外 从市场容量来讲 不管是汽车制造业 模具制造业 还是军工企业 机床 数控化改造都蕴藏着无限商机 近年来 美国 日本 德国 英国 等发达国家 在制造大量数控机床的同 时 也非常重视对普通机床的数控化改造 机床的技术改造市场十分活跃 在 美国 机床改造业被称为机床再生业 在日本 机床改造业被称为机床改装业 机床改造业正逐步从机床制造业中分化处理 形成了用数控技术改造机床和生 产线的新的行业和领域 17 1 31 3 机床数控化改造的必要性和迫切性机床数控化改造的必要性和迫切性 从宏观上看 在 20 世纪 70 年代末 80 年代初 工业发达国家的军 民机械 工业 已开始大规模应用数控机床 其本质是 采用信息技术对传统产业进行 技术改造 除在制造过程中采用数控机床 FMC FMS 外 还包括在产品开发中 推行 CAD CAE CAM 虚拟制造 在生产管理中推行 MIS 管理信息系统 CIMS 等 以及在其生产的产品中增加信息技术 包括人工智能等的含量 由于 采用信息技术对国外军 民机械工业进行深入改造 称之为信息化 最终使 得他们的产品在国际军用品和民用品的市场上竞争了大为增强 而我国在信息 技术改造传统产业方面比发达国家落后约 20 年 如在我国机床拥有量中 数控 机床的比重 数控化率 到 1995 年只有 1 9 而日本在 1994 年已达 20 8 随着我国现代化制造的不断推进 每年都有大量机电产品进口 这也就从宏观 上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性 从微观上看 数控机床本身是高科技产品 它比传统机床有很多突出的优越 性 这些优越性的发挥 是数控机床的性能有了质的提高 打了推动了制造也 的发展 传统机床经过改造后 得到了近似于数控机床的性能 也意味着我国 制造业整体水平的提高 18 第第 2 章章 铣床机械结构的改造设计铣床机械结构的改造设计 2 12 1 介绍介绍 根据我国国情 八十年代在普通机床的改造方面 出现了以经济型数控系统 改造普通机床 尤其是普车 普铣数控化改造的热潮 并逐步形成了经济型数 控产业 八五 后期和 九五 国家把旧设备的改造列入企业技术进步 工艺更新的一个重要途径 很多工厂把普通机床的数控化改造列入企业的发展 计划 作为企业适应市场经济 提高产品市场占有率的一项措施 普通铣床的 经济型数控化改造 除了选择可靠性高 性能稳定的数控系统外 对铣床自身 的改造也是一个很重要的环节 普通铣床经济型数控化改造包括两个方面 即 机床电气的数控化改造和机床本体的数控化改造 2 1 12 1 1 数控铣床机械结构的主要特点数控铣床机械结构的主要特点 数控铣床作为一种高速 高效和高精度的自动化加工设备 由于其控制系统 功能强大 使机床的性能得到大大提高 部分机械日趋简化 新的结构 功能 不仅不断涌现 使得其机械结构和传统的机床相比 有了明显的改进和变化 主要体现在以下几个方面 1 结构简单 操作方便 自动化程度高 数控铣床需要根据数控系统的指令 自动完成对进给速度 主轴转速 刀具 运动轨迹以及其它机床辅助机能 如 自动换刀 自动冷却等 的控制 它必 须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统 并可以通过主轴调速系统实现 主轴自动变速 因此在机械结构上 数控机床的主轴箱 进给变速箱结构一般 都非常简单 齿轮 轴类零件 轴承的数量大为减少 电动机可以直接联接主 轴和滚珠丝杠 不用齿轮 在使用直线电动机 电主轴的场合 甚至可以不用 丝杠 主轴箱 在操作上 它不像普通机床那样 需要操作者通过手柄进行调 整和变速 操作结构比普通机床要简单得多 许多机床甚至没有手动机械操作 19 机构 此外 由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助机能 因此 常用的操作按钮也较普通机床少 操作更方便 更简单 2 广泛采用高效 无间隙传动装置和新技术 新产品 数控铣床进行的是高速 高精度加工 在简化机械结构的同时 对于机械 结构传动装置和元件在数控铣床上得到广泛的应用 如滚珠丝杠副 塑料滑动 导轨 静压导轨 直线滚动导轨等高效执行部件 不仅可以减少进给系统的摩 擦阻力 提高传动效率 而且还可以使运动平稳并获得较高的定位精度 近年来 随着新材料 新工艺的普及 应用 高速加工已经成为目前数控 铣床的发展方向之一 快进速度达到了每分钟数十米 甚至上百米 主轴转速 达到了每分钟上万转 甚至十几万转 采用电主轴 直线电动机 直线滚动导 轨新产品 新技术势在必行 3 具有适应无人化 柔性化加工的特殊部件 工艺复合化 和 功能集成化 是无人化 柔性化加工的基本要求 也是 数控机床的最显著的特点和当前的发展方向 因此 自动换刀装置 动力刀架 自动排屑装置 自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少的 有的机床还带有 自动工作台交换装置 APC 功能集成化 是当前数控铣床的另一重要发展方向 随着数控铣床向无人 化 柔性化加工发展 功能集成化更多体现在工件的自动装卸 自动定位 刀 具的自动对刀 破损检测 寿命管理 工件的自动测量与自动补偿等功能上 4 对机械结构 零部件的要求高 高速 高效 高精度的加工要求 无人化的管理以及工艺复合化 功能集成 化一方面可以大大提高生产率 同时 也必然会使机床的开机时间 工作负载 随之增加 机床必须在高负载下 长时间可靠工作 因此 对组成机床的各种 零部件和控制系统的可靠性要求很高 2 1 22 1 2 数控铣床对机械结构的基本要求数控铣床对机械结构的基本要求 1 具有较高的静 动刚度和良好的抗振性 铣床的刚度反映了机床结构抵抗变形的能力 铣床变形所产生的误差 通常 很难通过调整和补偿的办法予以解决 为了满足数控铣床高效 高精度 高可 20 靠性以及自动化的要求 与普通铣床相比 数控铣床应具有更高的静刚度 此 外 为了充分发挥机床的效率 加大切削用量 还必须提高机床的抗振性 避 免切削是的共振和颤振 而提高结构的动刚度是提高机床抗振性的基本途径 2 具有良好的热稳定性 铣床的热变形是影响铣床加工精度的主要因素之一 由于数控铣床的主轴转 速 快进速度都远远高于普通铣床 机床又长时间处于连续工作状态 电动机 丝杠 轴承和导轨的发热都比较严重 加上高速切削产生的切屑影响 使得数 控机床的热变形影响比普通铣床要严重的多 虽然在先进的数控系统中具有热 变形补偿功能 但是它并不能完成消除热变形对于加工精度的影响 因此 在 数控铣床上还应采取必要的措施 尽可能减少机床的热变形 3 具有较高的运动精度与良好的低速稳定性 利用伺服系统代替普通铣床的进给系统是数控铣床的主要特点 伺服系统的 最小移动量 脉冲当量 一般只有 0 001mm 甚至更小 最低进给速度 一 般只有 1mm min 甚至更低 这就要求进给系统具有较高的运动精度 良好的 跟踪性能低速稳定性 才能对数控系统的位置指令作出准确的响应 从而得到 要求的定位精度 传动装置的间隙直接影响铣床的定位精度 虽然在数控中可以通过采取间隙 补偿 单向定位等措施减小这一影响 但不能完全消除 特别是对于非均匀间 隙 必须采用机械消除间隙措施 问题才能得到较好地解决 4 具有良好的操作 安全防护性能 方便 舒适的操作性能 是操作者普遍关心的问题 在大部分数控铣床上 刀具和工件的装卸 刀具和夹具的调整等还需要操作者完成 机床的维修更不 可能离开人 而且由于加工效率的提高 数控机床的工件装卸可能比普通机床 更加频繁 因此 良好的操作性能是数控机床设计时必须考虑的问题 数控铣床是一种高度自动化的加工设备 动作复杂 高速运动部件较多 对 机床动作互锁 安全防护性能等要求比普通铣床要高的多 同时 数控铣床一 般都有高压 大流量的冷却系统 为了防止切屑 冷却液的飞溅 数控铣床通 常都应采用封闭或半封闭的防护形式 增加防护性能 21 2 22 2 铣床进给传动系统的数控化改造铣床进给传动系统的数控化改造 数控铣床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作 伺服进给系统的作用是 根据数控系统传来的指令信息 进行放大以后控制执行部件的运动 不仅控制 进给运动的速度 同时还要精确控制刀具相对于工作的移动位置和轨迹 因此 数控铣床进给系统 尤其是轮廓控制系统 必须对经运动的位置和运动的速度 两方面实现自动控制 一个典型的数控铣床闭环控制的进给系统 通常有位置比较 放大元件 驱 动单元 机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成 而其中的机械传动装置 是位置控制环中的一个重要环节 这里所说的机械传动装置 是指将驱动源旋 动运动变为工作台直线运动的整个机械传动链 包括减速装置 丝杠螺母副等 中间传动机构 2 2 12 2 1 数控铣床对进给传动系统的基本要求数控铣床对进给传动系统的基本要求 传动系统的刚度和惯量主要决定于机械结构设计 而传动系统的间隙 摩擦 死区则是造成传动系统非线性的主要原因 因此 数控铣床对机械传动系统的 要求可以概况如下 1 提高传动部件的刚度 一般来说 数控铣床直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级 回转运 动的定位精度和分辨率都要达到角秒级 伺服电动机的驱动力矩 特别是起动 制动是的力矩 也很大 如果传动部件的刚度不足 必然会使出阿杜部件产生 弹性变形 影响系统的定位精度 动态稳定性和响应快速性 加打滚珠丝杠的 直径 对滚珠丝杠螺母副 支承部件进行预紧 对滚珠丝杠进行预拉伸等 都 是提高传动系统刚度的有效措施 2 减小传动部件的惯量 在驱动电动机一定是 传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度 它是 影响进给系统快速性的主要因素 特别是在高速加工的数控机床上 由于对进 给系统的加速度要求高 因此 在满足系统强度和刚度的前提下 应尽可能减 小零部件的质量 直径 以降低惯量 提高快速性 22 3 减小系统的摩擦阻力 进给系统的的摩擦阻力一方面会降低传动效率 产生发热 另一方面 它还 直接影响系统的快速性 此外 由于摩擦力的存在 动 静摩擦系数的编号 将导致传动配件的弹性变形 产生非线性的摩擦死区 影响系统的定位精度和 闭环系统的动态稳定性 采用滚珠丝杠螺母副 静压丝杠螺母副 直线滚动导 轨 静压导轨和塑型导轨等高效执行部件 可以减少系统的摩擦阻力 提高运 动精度 避免低速爬行 2 2 22 2 2 数控铣床的进给传动系统的基本型式数控铣床的进给传动系统的基本型式 数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动两大类 直线进给运动包 括机床的基本坐标轴 X Y Z 轴 以及和基本坐标轴平行的坐标轴 U V W 等 的运动 圆周进给运动是指绕基本坐标轴 X Y Z 回转的坐标运动 1 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副具有以下特点 1 摩擦损失小 传动效率高 2 丝杠螺母之间预紧后 可以消除间隙 提高了传动刚度 3 摩擦阻力小 而且它几乎与运动速度无关 动 静摩擦力的变化也很小 不易产生低速爬行现象 4 长期工作磨损小 使用寿命厂 精度保持性好 因此 在数控铣床上得 到了广泛应用 是目前中 小型数控机床最为常见的传动型式 但由于它有运动的可逆性 即一方面能将旋转运动转换为直线运动 反过来 也能将直线运动转换为旋转运动 不能实现自锁 当一在垂直传动或水平放置 的高速大惯量传动中心必须装有制动装置 使用具有装置的伺服驱动电动机是 最简单的方法 另外 为了防止安装 使用是螺母脱离丝杠 在机床上还必须 配置超程保护装置 这一点对于高速加工数控机床来说尤为重要 2 静压丝杠螺母副 静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母的接触面之间 产生一层保持一定 厚度 且具有一定刚度的压力油膜 使丝杠和螺母之间有边界摩擦变为液体摩 擦 当丝杠转到是通过油膜推动螺母直线移动 反之 螺母转动也可使丝杠直 23 线移动 静压丝杠螺母的特点是 1 摩擦系数小 仅为 0 0005 比滚珠丝杠 摩擦系数为 0 002 0 005 的摩擦损失更小 因此 其起动力矩很小 传动灵敏 避免了爬行 2 油膜层可以吸振 提高了运动的平稳性 3 由于油液的不断运动 有利于散热和减少热变形 提高了机床的精度和 光洁度 4 油膜成具有一定刚度 减小了反向间隙 5 油膜层介于螺母与丝杠之间 对丝杠的误差有 均化 作用 即可以使 丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差 6 承载能力与供油压力成正比 与转速无关 但静压丝杠螺母副应有一套 供油系统 而且对油的清洁度要求高 如果在运动中供油忽然中断 将造成股 良后果 3 静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副 大型数控机床不宜采用丝杠传动 因长丝杠制造困难 且容易弯曲下垂 影 响传动精度 同时轴向刚度与扭转刚度也难提高 如果加大丝杠直径 则转动 惯量增大 伺服系统的动态特性不易保证 故常用静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条 副传动 静压蜗杆蜗条副的工作原来与静压丝杠螺母相同 蜗条实质上是螺母的一部 分 蜗杆相当于一根短丝杠 这种传动机构 压力油必须从蜗杆进入静压油腔 加上蜗杆是旋转的 与蜗条的接触区只有 120 左右 要使压力油只能进入接触 区 必须解决蜗杆的配油问题 齿轮齿条副传动用于行程较长的大型机床上 可以得到较大的传动比 进行 高速直线运动 刚度及机械效率也高 但其传动不够平稳 传动精度不高 而 且还不能自锁 采用齿轮齿条副运动是 必须采取措施消除齿侧间隙 当传动 负载小是也可采用双片薄齿轮调整法 分别与齿条齿槽的左 右两侧贴紧 从 而消除齿侧间隙 当传动负载大时 可采用双厚齿轮传动结构 4 直流电动机直接驱动 直流电动机是近年来发展起来的高速 高精度数控机床最有代表性的先进技 术之一 利用直流电动机驱动 可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线 24 运动的环节 大大简化机械传动系统的结构 实现所谓的 零传动 它从根 本上消除传动环节对精度 刚度 快速性和稳定性的影响 故可以获得比传统 进给驱动系统更高的定位精度 快进速度和加速度 2 2 32 2 3 数控改造铣床进给系统的型式及介绍数控改造铣床进给系统的型式及介绍 XA5032 型铣床数控化改造进给系统 X Y Z 三轴在满足传递扭矩的前提下 采用 FANUC 20M 直流伺服电机并配有直流功能驱动系统 提高了驱动性能 步 进电机通过精密膜片抗绕性联轴器与滚珠丝杠直接相连 提高了传动精度 效 率较高 其中 Z 向通过圆锥齿轮转换成垂直方向的传动 其构型式如下图所示 X Y Z 三轴采用帖塑导轨 静 动摩擦系统变化小 快速移动响应快 振 动小 低速移动是无爬行 稳定性好 X Y 向进给传动图 25 Z 向进给传动图 26 第三章第三章 普通铣床数控系统总体设计方案的拟定普通铣床数控系统总体设计方案的拟定 3 13 1 总体方案确定总体方案确定 3 1 13 1 1 系统的运动方式与伺服系统的选择系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数 控铣床应具有定 位 直 线插补 顺 逆时 针插补 暂 停 循 环加工 公英制螺 纹加工等功能 并且在车削加工中 要求刀具沿 X Y 轴运动有确 定的 函 数关系 即 刀具以给定的速 率相对于工件沿加工路径运动 所以不能选用点位 控制系统 因为点位 控制系统 要求工件相对 于刀 具移动过 程中 不进行切削 因此 改造后的机床 应选用连续控制系统 普通铣床型 铣床改造属 于 经济型数控机床 加工精度 要求不高 为了简化结 构 降低 成本 采用步进电 机开 环控 制 系统 因为闭 环 控制系统适 用于精 度 要 求 较高的机床设计 且闭环 控制系统的造价昂贵 3 1 23 1 2 控制系统控制系统 根据机床要求 采用 PLC 控制 由于 PLC 控制系统具有稳定性好 工作环境 不挑剔 易于检修等特点 且对 PIC 系统较为熟悉 因此采用 PLC 控制系统系 统 3 1 33 1 3 机械传动方式机械传动方式 为实现机 床所要求的分 辨率 采用步进电机经过齿轮减速再传向传动杠 为 保证一定的传动精度和平稳性 尽量 减小摩擦力 所以选用滚珠丝杠螺母副以 及滚动导轨 同时 为提高传动刚度和消除齿间间隙 所以采用预 加负载的滚 动导轨和滚珠丝杠副机构 齿轮传动也采用 消除齿 侧间 隙 的消 隙齿 轮结构 27 第四章第四章 普通铣床进给伺服系统机械部分普通铣床进给伺服系统机械部分 4 14 1 设计计算设计计算 一台铣床铣床改造成数控铣床 采用 PLC 控制系统 步进电机开环控制 具 有直线和圆弧插补功能 具有升降速控制功能 其主要设计参数如下 伺服系统机械部分设计 确定系统的负 载 确定系统脉 冲当量 运动部件惯 量计算 空 载起动及切削力计算 确定伺服电机 传动及导 向元件的设计 计 算及选用 绘制机械部分装配图及零件工作图 现分述如下 4 1 14 1 1 系统脉冲当量的选择系统脉冲当量的选择 一个进给脉冲 使机床运动部件产生的位移量 也称为机床的最小设定单位 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个最基本技术参数 经济型数控铣 床常采用的脉冲当量是 0 01 0 005mm 脉冲 工作台行程 mm 工作台 夹具 及工作重力 N 工作台快移速 度 m min 最大进给速 度 m min 规 格 X 纵 向 Y 横 向 X纵 向 Y横 向 X 纵 向 Y 横 向 X 纵 向 Y 横 向 走刀方向 最大切削 分力 垂向 最大切削 分力 x y 向 相同 N 启 动 加 速 时 间 ms 定 位 精 度 mm 1250 320 6802403300550016160 60 62750 220040 0 01 28 根据机床精度要求调研确定脉冲当量 纵向 0 01mm 脉冲 横向 0 005mm 脉冲 4 1 24 1 2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的选型首先要选择结构类型 确定滚珠循环方式 滚珠丝杠 副的预紧方式等 结构类型确定之后 即可计算和确定其他技术参数 例如 公称直径 d0 丝杠外径 d 导程 圈数 j 列数 K 等 滚珠丝杠副的滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类 外循环又分为螺 旋槽式和插管式 在此选用螺旋槽式外循环 在螺母外圆上铣出螺旋槽 槽的 两端钻出通孔 与螺母的螺纹滚道相切 形成滚珠返回通道 为防止滚珠脱落 螺旋槽用钢套盖住 在通孔口设有挡珠器 引导滚珠进入通孔 挡珠器用圆形 型钢弯成弧形 并焊接上螺栓 固定在螺母上 它的优点是 工艺简单 螺母 外径尺寸较小 与此同时缺点是 螺旋槽同通孔不易连接准确 挡珠器钢性差 耐磨性差 滚珠丝杠副的预紧方法有以下几种 双螺母垫片式预紧 双螺母螺纹式预紧 双螺母齿差式预紧 单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等 本次设计选用双螺母螺纹式预紧结构 它通过调整端部的圆螺母 使螺母产 生轴向位移 其特点是结构比较紧凑 工作可靠 滚道磨损时可随时调整 预 紧量不很准确 应用较普遍 4 1 34 1 3 滚珠丝杠螺母副的选用与设计滚珠丝杠螺母副的选用与设计 1 铣削力的计算 对高速钢圆柱铣刀 切削力的计算公式为 t F wFqp o f e yz z xf pF Z K nd zafaC F 60 81 9 式中 系数 其值取决于切削条件和工件材料 当工件为碳钢时 取 i F C 65 4mm i F C e a 29 每齿进给量 取 0 1mm Z f Z f 背吃刀量 取 30mm p a p a z 铣刀齿数 取z 4 do一铣刀直径 取do 27mm n 铣刀转数 一切削条件改变时 切削力的修正系数 I F K 其中参数按实际加工过程中平均铣削条件为标准来选择 由己知条件 取X 1 0 yF O 72 UF O 86 OF 0及gF 20 73 加工 碳钢时 673MPa 其修正系数为 b I F K 3 3 NFK ZF 43131 673 673 3 0 3 0 b vb i 用圆柱铣刀进行逆铣加工时 由任务书可知 水平铣削分力NPH2750 垂直铣削分力NP V 2200 轴向分力 ZOZO FPFP375 0 4 0 35 0 取 由此可算出 轴向铣削力 0 375 4313 1617 4N O P 轴向铣削力 189 15220027504313 2222 KNPPFP VHZ 2 强度校核计算 燕尾形导轨工作时轴向力为 m P GPPP Z yxm fkp 式中 k 考虑颠覆力矩影响的系数 取1 4 f 导轨上的摩擦系数 取0 2 切削分力 2P 3 2 3 4 865 3 243 KN X P Y P Z P X P 30 0 1 617 KN Y P Z P 0 P G 工作台重量 G 80 9 8 784 0 784 KN 由此可得 1 4 3 243 0 2 1 617 0 784 4 5 0 48 5 02 KN m P 滚珠丝杠寿命值计算 L 60NT 寿命值为 r 1091500106060 5 NTL 式中 L 工件寿命 r N 滚珠丝杠的转速 r min T 使用寿命时间 h 数控机床一般为1500h 滚珠丝杠承受的最大动负载计算 mHh PffLQ 3 式中 滚珠丝杠工作载荷 1 2 1 1 H f h f H f KNQ76 1202 5 1 12 1109 35 参照汉江机床有限公司丝杠导轨厂的产品样本 选取HJG S系FYClD列 4006 5 4滚珠丝杠 31 该滚珠丝杠副属外循环双螺母法兰凸出导管式 公称直径 40ram 导程 Lo 6mm 螺母上的负荷滚珠总圈数为5圈 精度为4级 右旋螺纹 其动载荷为 29 126KN 远大于12 76KN 强度满足使用要求 滚珠丝杠两端支承均采用止 推轴承和滚珠向心球轴承 在原有进给手动端增加齿轮箱 以便安装减速齿轮 及交流伺服电动机 如图3 3所示 3 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 32 tan tan 丝杠螺旋升角力 滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数 253 f O 003 0 004 10 则 95 0 0625 0 0596 0 58 3 tan 14 3 tan 10253tan 253tan 由前面的计算已知 滚珠丝杠的导程步矩角 脉冲 mm6 0 Lstep 75 0 当量变速箱内齿轮的传动比为 01 0stepmm p 所以 25 1 01 0 360 675 0 360 2 1 P ObL Q Z Z i 传动比计算出来以后 是采用一级齿轮减速还是二级齿轮减速 应考虑结构 上的安排 齿轮减速箱的大小不应该影响移动溜板在有效行程内的运动 由于 进给伺服系统的功率都不大 齿轮的模数一般耿m 2 所以 齿轮变速箱内齿轮 的选择有关参数如下 32 40 模数m 2mm 压力角 20 1 Z 2 Z 4 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 tan tan 式中 螺旋升角 4 22 摩擦角取 10 滚动摩擦系数 0 003 0 004 将各数据带入上式得 tan tan 977 0 10 224tan 224tan 0 o 5 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考 虑以下引起轴向变形的因素 丝杠的拉伸或压缩变形量 滚珠与螺纹滚道间的 接触变形 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 滚珠丝杠的扭转变形引起导 33 程的变化量 和螺母座及轴承支座的变形 最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度 的薄弱环节 但变形量计算较为困难 一般根据其精度要求 在结构上尽量增 强其刚度而不作计算 因此滚珠丝杠副刚度的验算 主要是前三种变形量 他们的和应不大于机 床精度要求允许变形量的一半 否则 应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副 纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图 2 1 所示 最大牵引力为 1870 N 轴 承支撑间距 700 丝杠螺母及轴承均进行预紧 预紧力为最大轴向负荷的L 1 3 图 2 1 1 由于一端轴向固定的长丝杆在工作中可能会产生失稳 所以在设计时应 验算其安全系数 S 其值应大于丝杠副传动结构的允许安全系数 S 见下表 丝杠不发生失稳的最大载荷称为临界载荷 其计算公式为 cr F cr F 2 2 l EIa E 丝杠材料的弹性模量 对于钢 E 206GPa l 丝杠工作长度 丝杠危险截面的轴惯性矩 a I 34 长度系数 N cr F 2 2 l EIa 2 7 2 1 3 2 1015 2 20614 3 5 1038 6 安全系数 S 179 7 查上表 S 3 4 S S 丝杠是安全 m cr F F 3 5 108 3 1038 6 的 不会失稳 2 高速长丝杠工作是可能产生共振 因此需验证其不会发生共振的最高转 速 临界转速 要求丝杠的最大转速 cr n max n cr n 9910 cr n 2 2 2 l dfc 991010927 r min 2 2 2 1 3 2 04576 0 927 3 10000 r min 所以丝杠工作时不会产生共振 max n cr n 3 滚珠丝杠副还受值的限制 通常要求 7 n 0 dn 0 d 4 10 r minmm 50 所以该丝杠副工n 0 dmin 105min 100 3 rmmrmm min 107 4 rmm 作稳定 4 1 44 1 4 步进电机的计算和选型步进电机的计算和选型 选用步进电机时 必须首先根据机械结 构草图计算机械传动装置及负载折 算到电机轴上的等效转 动惯 量的数据分别计算各种工况下所需的等 效力矩 在 根据步进电机最大静 转矩和起动 运行矩 频特性选择合适的步进电机 35 4 24 2 纵向进给步进电机计算纵向进给步进电机计算 4 2 14 2 1 等效转动惯量计算等效转动惯量计算 计算见图 2 1 传动系统折算到电机轴上的总的惯量 可由下 J 2 式计算 J M J 1 J 2 2 1 Z Z 2 0 2 2 L g G JJ S 式中 步进电机转子转动惯量 M J 2 齿轮 的传动惯量 1 J 2 J 1 z 2 z 2 滚珠丝杠转动惯量 s J 2 参考市场上较常见的数控机床 初选反应式步进电机 型号 150BF 起转转 子转动惯量 10 M J 2 0 78 10 0 78 10 6 4 2 2 62 1 J 3 4 1 d 1 L 3 42 0 78 10 0 78 10 8 2 6 39 2 J 3 4 2 d 2 L 3 42 0 78 10 4 150 29 952 s J 3 42 1000 NG 代入上式 J M J 1 J 2 2 1 Z Z 2 0 2 2 L g G JJ S 10 2 62 2 40 32 2 2 6 0 8 9 1000 952 2939 6 36 474 2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 10 36 474 0 274 M J J 基本满足匹配的要求 36 4 2 24 2 2 电机力矩的计算电机力矩的计算 机床在不同的工况下 其所需转距不同 下面按个阶段计算 1 快速空载起动力矩起 M 在快速空载起动阶段 加速力矩占的比例较大 具体计算公式如下 起 M maxa M f M 0 M 10 maxa M J