【JG013】XA5032普通铣床的数控化改造[2A0]
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【JG013】XA5032普通铣床的数控化改造[2A0],jg013,xa5032,普通,铣床,数控,改造,a0
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山东大学 毕业设计（论文） 题 目： 普通铣床的数控化改造 专 业： 机电一体化工程 学生姓名 ： 准考证号： 指导老师： _ 毕业设计（论文）时间： 年 月 日 年 月 日 摘 要 数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高新技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。在全球倡导绿色制造的大环境下，机床数控化改造成为了热点。它包括普通机床的数控化改造和数控机床的升级 本设计是对 通立式铣床进行数控化改造。为了实现把 通立式铣床改造成经济型数控铣床，我针对此铣床的主传动系统， X,Y,Z 向进给系统进行数控改造，并增加了 置和伺服系统。对主传动系统，我选用 动机通过带传动驱动主轴。对进给系统，我把原先的滑动丝杠换成滚珠丝杠，以提高精度和效率，并由原先的手动控制，改造成由电动机控制。通过变频器实现主轴传动和进给机构的无级变速。通过单片机的设计，构成控制系统。 关键词：数控改造，滚珠丝杠，伺服系统 C is is to of is to of in of NC to a It of NC to NC C In to NC I am X, Y, Z to C to NC I C I to to of a NC 录 第 1 章 数控机床的概述 1 数控机床 1 数控机床的概念 1 控机床的特点 1 控机床的组成 1 数控机床的分类 1 机床数控化改造 2 机床数控化改造的意义 2 第 2 章 铣床机械结构的改造设计 3 概述 3 数控铣床机械结构的主要特点 3 数控铣床对机械结构的基本要求 3 数控化改造铣床的总体布局 3 立式升降台铣床的布局及简介 3 立式数控改造铣床的布局型式及简介 4 数控化改造铣床的主传动系统 4 主传动系统的基本要求和变速方式 4 铣床数控化改造主轴系统的设计 5 铣床数控化改造主轴系统计算设计 6 数控化改造铣床的进给传动系统 13 数控铣床对进给传动系统基本要求 14 数控铣床的进给传动系统的基本型式 15 控改造铣床进 给系统的型式及介绍 15 数控改造铣床进给传动系统的计算设计 15 第 3 章 普通铣床的电气改造部分 20 计算机数控装置 20 统的组成 20 置的主要功能和特点 20 置的硬件结构 20 置的软件结构 24 数控改造铣床的数控系统设计 29 8031 应用系统 30 8031 的数据存储器的扩展 30 8031 输入 /输出口的扩展 30 数控改造的伺服 系统 30 对数控伺服系统的要求 31 伺服系统的分类 31 数控改造伺服系统的驱动元件 32 控改造伺服系统驱动元件的连接电路 34结论 35 致谢 36 参考文献 37 山东大学本科生毕业设计（论文） - 1 - 第 1 章 数控机床的概述 控机床 数控机床的概念 数控机床是装备了数控系统的机床，既包括 床，也包括 床。数字控制机床（ 简称 床。数控系统是一种控制系统，它能控制机床的运动和加工过程。计算机 数控机床（ 简称 利用具有专门存储程序的计算机来实现对机床的全部或部分控制功能。工作原理是：将数控加工程序输 入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变速、起停、进给运动的方向、速度和位移大小，以及诸如刀具的选择、交换、工件夹紧，松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格 按数控程序的要求进行工作。 数控机床的产生及发展简史 控机床的特点 数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点： 1） 能适 应不同零件的自动加工 。 2）工序集中。 3）生产效率和加工精度高 、加工质量稳定。 4）能完成复杂型面的加工。 5） 减轻工人的劳动强度。 控机床的组成 1)程序编制及程序载 体 2)输入装置 3)数控装置 4)辅助控制装置 5)驱动装置和位置检测装置 6)机床的机械部件 数控机床的分类 按照不同的分类方式，数控机床有不同的类型。 1、按控制运动轨迹分类 山东大学本科生毕业设计（论文） - 2 - （ 1） 点位控制数控机床 （ 2）直线控制机床 （ 3）轮廓控制的数控机床 2、按驱动装置的特点分类 （ 1） 开环控制数控机床 （ 2） 闭环控制数控机床 （ 3） 半闭环控制数控机床 床数控化改造 机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装 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。它是根据 生产实际需要提出，并随着机床行业以及技术的不断进步而发展起来 ，它的内容是应用成熟数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有机床的局部结构进行改造，并安装上新部件、新装置、新附件，用计算机控制机床的工作，提高机床的技术性能指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。 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 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。 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。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 3 - 第二章 铣床机械结构的改造 设计 述 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。 数控铣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 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 2. 具有良好的热稳定性 3. 具有较高的运动精度与良好的低速稳定性 4. 具有良好的操作、安全防护性能 控化改造铣床的总体布局 选择机床的总体布局是铣床设计的重要步骤 ，它直接影响到机床的结构和性能，合理选择机床布局，不但可以满足铣床数控化的要求，而且能使机械结构更简单、合理、经 济。 立式升降台铣床的布局及简介 式升降台铣床是一种使用范围很广的机床，它适应与用各种棒状、铣刀、角度铣刀及铣切平面、斜面、沟槽、齿轮等。 该铣床上装置分度头是，可以铣切直齿齿轮和铰刀等零件，分度由手动来完成，如果在装上分度头的同时，把分度头的传动轴与工作台的纵向丝杠用挂轮架联系起来，尚能铣切螺山东大学本科生毕业设计（论文） - 4 - 旋面。该铣床还可以装上园工作台，用以铣切凸轮及弧形槽。 该铣床适应与各种机械加工工业，从小规模的机械修理站到大量生产的部门的都可以 使用。 立式数控改造铣床的布局 型式及简介 机床本体的数控化改造，是将原工作台进给电机，进给箱及其传动链拆除，然后进行如下改造：用三个步进电机分别驱动升降，纵向，横向坐标轴，根据各轮的脉冲当量配置相应的传动系统，换成滚珠丝杠传动 。 （ 1）改造前对原机床的要求 机床主轴传动精度，工作台两个运动轴导轨面的集合精度，即垂直度、半行度等，均应达到国家标准。由于工作台三个轴的传动系统 要更换，故可不必严格要求，对于精度差的机床，可通过大修恢复其精度，然后进行改造。 （ 2）传动系统的方案选择 第一种方案是采用齿轮传动，单螺母滚珠丝杠作 为传动系统。这种系统的优点是价格便宜，根据实际需要可保留原机床的手动和机动功能，但存在潜在缺陷；齿轮传动噪声打，齿轮磨损后消隙难，单螺母滚珠丝杠螺距的一致性难以调整。 第二种方案是采用圆弧齿型同步带传动，双螺母滚珠丝杠 作为传动系统。这种系统的优点是结构简单，可克服上方案的缺点，能提高加工精度 1 我采用第二种传动方案，主轴采用 给系统采用双螺母滚珠丝杠传动。 控化改造铣床的主传动系统 主传动系统的基本要求和变速方式 数控铣床和普通铣床一样，主传动系统 也必须通过变速，才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的扭矩，满足切削的需要 。数控铣床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求如下： （ 1） 为了达到最佳切削效果，一般都应在最佳切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。 （ 2） 要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需要。 （ 3） 为了降低噪声、减轻发热 、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 5 - （ 4） 在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所 需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。 （ 5） 为了扩大机床功能，实现对 C 轴位置（主轴回转角度）的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。 主传动的无级变速通常有以下三种方法： （ 1） 采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的控制机床或大型数控机床（主轴功率超过 100，也有采用直流主轴驱动系统的情况。 （ 2） 在经济型、普及型数控机床上，为了降低成本，可以采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。 （ 3） 在高速 加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件 电主轴。电主轴的电动机转子和主轴一体，无需任何传动件，可以使主轴达到数万转，甚至十几万转的高速。 但是，不管采用任何型式，数控机床的主传动系统结构都要比普通机床简单的多。 铣床数控化改造主轴系统的设计 1 主传动 主传动 由 8 一对减速为 1： 2的齿形带轮和同步齿形 带传到主轴 。 机床主轴电机 流变频调速，主轴具有恒转矩，恒功率调速特性及失速防止、过流、过载保护等功能。 2 主轴箱 主轴箱结构见图 体材料为 铁件，主轴轴承采用前轴承轴向固定，后轴承可游动的支承方式，前轴承用两个角接触向心球 轴承用一个深沟球 主轴锥孔的锥度为 7： 24），用于安装铣夹头或钻 夹头刀柄，并用二个端面键，传递铣削或钻削扭矩，铣夹头或钻夹头刀柄，用拉杆拉紧在主轴锥孔内。 为保证主轴箱在伺服电机断电后，不会因自重而下滑，在立柱内腔设有与主轴箱相连结的钢丝绳、滑轮、平衡块等组成的平衡装置。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 6 - 图 铣床数控化改造主轴系统计算设计 1 主传动中同步带传动设计 （ 1）给出传动要求 1）传动的功率 ） 主动轴转速 500r/动比 i=2； 3）中心距要求 300右； 4） 电 动机 8 5）动转时数 每天 16小时； 6）其它 带轮直径不受限制； （ 2） 选择带的型号和节距 1）计算设 计功率 Pd 用电子机械设计手册，由表 6o=未使用张紧轮，又是减速运动，故表的附加修正系数为零。 d=）选择带的型号和节距 由 500r/实用电子机械设计手册图 6得带的节距代号山东大学本科生毕业设计（论文） - 7 - 为 H，对应的节距为 3）确定带轮直径和带节线长 1）确定带轮直径 d 由 实用电子机械设计手册表 6带轮转速 500r/，带轮最小许用 齿数为 8。取小带轮齿数 4。传动比 i=2， 24=48 小带轮直径为 =24/带轮直径为 =48/）选择带长 p=2 （ d1+（ ， =a） =00） = 所以 表 6p=带齿数为 4 3）传动中心距的计算 按近似公式计算： M=2（ 2 84+ 22 21() / 8 1 5 2 . 4 1 4 8 . 4 8 5 3 0 0 . 8 8 5 ZM m m （ 4）选择标准带宽 1）确定基准额定功率 小带轮齿数 =24，转速 =1500r/表 6型带的基准额定功 率 ）确定额定功率 P a啮合齿数系数 21 1 2 1 2/ 2 / 2 7 6 , 1e n t z p z c z z k 故，故 1b带宽系数 1 4( / ) , 7 6 . 2w s s o s ok b b H b m m型 带（查表 6 c额定功率 P 山东大学本科生毕业设计（论文） - 8 - 1 . 1 4 1 . 1 4/z w o z o s s op k k p k p b b3）选择带宽带宽 1 / 1 . 1 4 1 / 1 . 1 4( / ) 7 6 . 2 (1 2 . 7 5 / 1 5 . 8 1 ) 6 3 . 0 9 7s s o d z ob b p k p m m 按表 6标准值） 4）工作能力验算 23( / ) 1 0z w a s s op k k T b b m v v a许用工作拉力有表 6 1 0 0 b 单位长度质量由表 6 8 /m kg m c带的圆周速度 11 / 6 0 0 0 0 1 2 . 7 2 4 1 5 0 0 / 6 0 0 0 0 7 . 6 2 /bv p z n m s d工作能力验算 1 . 1 4 2 31 ( 7 6 . 2 / 7 6 . 2 ) 2 1 0 0 . 8 5 1 0 . 4 4 8 7 . 6 2 7 . 6 2 1 0p 1 5 . 8 1 1 2 . 7 5（ 5）额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够 结果整理 1） 带选用 1 2 . 7 , 8 4 , 1 0 6 6 . 8 , 7 6 . 2b b p sp m m z L m m b m m 2) 带轮1 1 2 22 4 , 9 7 . 0 7 , 4 8 , 1 9 4 . 1 4z d m m z d m m 3）传动中心距 3 0 0 5a m m （ 1）初步估算轴的直径 山东大学本科生毕业设计（论文） - 9 - 选取轴的材料为 40 ,式3 Pd n得， m 7d 取 81d 轴端铣削力 0 . 9 0 0 . 8 0 0 . 9 09 . 8 1 5 8c e z p oF a f a z d （见金属切削刀具表 4 0 . 9 0 0 . 8 0 0 . 9 09 . 8 1 5 8 2 . 5 0 . 1 5 2 5 1 0 5 0 2 1 0 3 . 6 9 由机械制造工程学表 2向进给力 0 . 3 7 5 7 8 8 . 8 8 N 纵向进给力 0 . 8 5 1 7 8 8 . 1 4 N 垂直进给力 0 . 7 5 5 1 5 8 8 . 2 9 N 同步齿形带作用在主轴上的力为： 主轴上转距为： 629 . 5 5 1 0 / 0 . 9 8 0 . 9 8 4 4 . 8 9T P n N m 圆周力 2 / 2 4 4 8 9 0 / 1 9 4 . 1 4 4 6 2 . 4 4 9 d N 径向力 t a n 2 0 4 6 2 . 4 4 9 t a n 2 0 1 6 8 . 3 1 8 N （ 2）轴的结构设计 确定各轴段直径和长度 段 1 81d 由螺母（ 度定， 1 56l 东大学本科生毕业设计（论文） - 10 - 段 为固定螺母，2 85d 由同步带大带轮 段 为固定轴承，3 由套筒长度得3 189l 段 4 90d 由轴承长度，4 58l 段 参考原主轴，5 130d 4 64l 3） 绘制轴的弯矩图和扭矩图 008908 水平面 1 7 8 8 垂直面 7 8 8 弯矩 H 水平面 16800 m m， 371904 m m V 垂直面 46000 m m， 164112 m m 合成弯矩 M 明显判断出 以 4 0 6 5 4 6 . 4 3M N m m 扭矩 T 44890T N m m 弯矩图、扭矩图见下图 山东大学本科生毕业设计（论文） - 11 - （ 4）按弯矩合成强度校核轴的强度 当量弯矩 2( ) 4 0 7 4 3 7 . 6 2 T N m m 轴的材料为 40 ,表得 29 0 0 / ,b N m m 1 0 . 0 9 0 . 1 , 则 21 8 1 / , m m 取 轴 的 计 算 应 力 为/ 330 . 1 0 . 1 9 0 7 2 9 0 0 / 4 0 7 4 3 7 . 6 2 / 7 2 9 0 0 5 . 5 9 /c a c N m m 1 28 1 /b N m m 根据计算结果可知，该轴满足强度要求。 （ 3）精确校核轴的疲劳强度 1）判断危险截面 危险截面应该是应力较大，同时应力集中较严重的截面。 从受载情况观察，两角接触轴承中心虽应力集中不大，而且这是轴径较大，故不是危险截面 ，危险截面在前端轴承左侧，该截面力较集中。 2）计算危险截面应力 山东大学本科生毕业设计（论文） - 12 - 截面右侧弯矩为 2212M M M1 3 2 7 6 7 9 . 1 5M N m m2 1 1 9 8 8 7 . 2 5M N m m2212 3 4 8 9 8 0 . 3 6M M M N m m 截面上的扭矩 4 4 T N m m 抗弯截面系数： 36 6 1 8 8 9 抗扭截面系数： 截面上的弯曲应力： /b 3 4 8 9 8 0 . 3 6 / 6 6 1 8 8 . 0 3 9 26 7 /N m m 截面上的扭转剪应力： / 4 4 8 9 0 / 1 2 9 8 9 4 . 0 220 /N m m 弯曲应力幅： 26 . 9 5 7 / m m弯曲平均应力： 0m 扭转剪应 力的应力幅与平均应力相等，即 2/ 2 0 . 3 5 / 2 0 . 1 7 5 / m m 3）确定影响系数 轴的材料为 40 ,表得 29 0 0 / ,B N m m 山东大学本科生毕业设计（论文） - 13 - 22114 7 0 / , 2 8 0 /N m m N m m 轴肩圆角处的有效应力集中系数 k、 k取 0 0 由上面结果可得 1 / ( ) 4 7 0 / ( 2 . 5 5 6 . 9 5 7 )a b K / ( ) 2 8 0 / ( 1 . 5 6 0 . 1 7 5 0 . 0 5 0 . 1 7 5 ) 2 2 2/ 2 6 . 4 9 9 9 3 . 7 8 9 / 2 6 . 4 9 9 9 3 . 7 8 9 S S S 查机械设计表 S 值： 由 可知该轴安全。 （ 4）主轴轴承的校核 由主轴的校核计算中，得知主轴轴承的受力情况，现对主轴后端轴承校核如下： 由公式()pP f xR 得， A/R=e 由 机械设计课程设计手册 查表得， 1 3 2 , 9 6 . 5r o N C K N/ 7 8 8 . 8 8 / 9 6 5 0 0 0 . 0 0 8由机械设计查表 X=1,Y=0 所以当量动载荷： 1 1 3 5 6 . 8 4 9 0 7 8 8 . 8 8P X R Y A 由 轴承寿命 公式 610 ()60h CL 61 0 ( / ) / ( 6 0 )h t pL f C f P n温度系数： 载荷系数： 2极限转速： 4 5 0 0 / m 寿命指数 ：对球轴承 3 故 61 0 ( / ) / ( 6 0 )h t pL f f p n山东大学本科生毕业设计（论文） - 14 - 631 0 ( 1 1 3 2 0 0 0 / 2 1 3 5 6 . 8 4 9 ) / ( 6 0 4 5 0 0 ) 426258h 由表 4小时连续工作的机械的轴承 , 60000此可见： , 控化改造铣床的进给传动系统 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。 与普通铣床相比，对数控铣床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。 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。 控铣床对进给传动系统的基本要求 进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控铣床的定位精度和轮廓加工精度。从系统控制的角度分析，其中其决定作用的因素主要有： （ 1）传动系统的刚度和惯量，它直接影响进给系统的稳定性和灵敏度。 （ 2）传动部件的精度与传动系统的非线性，他直接影响系统的位置 精度和轮廓加工精度，在闭环系统中还影响系统的稳定性。 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 2 减小传动部件的惯量 3 减小系统的摩擦阻力 山东大学本科生毕业设计（论文） - 15 - 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、 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。在数控机床上实现直线进给运动主要有三种型式： （ 1）通过丝杠（通常为滚珠丝杠或静压丝杠）螺母副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。 （ 2）通过齿轮、齿条副、将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。 （ 3）直接采用直线电动机进行驱动，实现圆周运动除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗杆副。 控改造铣床进给系统的型式及介绍 X、 Y、 0M 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 。 X、 Y、 ，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。 控改造铣床进给传动系统的计算设计 滚珠丝杠螺母副的设计 （ 1）纵向滚珠丝杠螺母副设计 用于计算的下列数据是已知的： 工作台质量： 500Tm 最大加工受力： 1 7 8 8 进速度： 4 0 0 0 / m i n 6 6 . 6 6 7 /f a s tV m m m m s工进速度： 1 1 8 0 / m i n 1 9 . 6 6 7 /vV m m m m s最大加速度： 2m a x 1 a m s工作台导轨摩擦力： 东大学本科生毕业设计（论文） - 16 - 工作进程： 7 0 0 0 . 7wS m m m轴承轴向刚度： 8 0 0 / m，丝杠螺母刚度： 8 0 0 / m螺母支座刚度： 1 0 0 0 / , m丝杠传动效率： 丝杠长度： 799杠轴承、丝杠螺母摩擦力距：, 2 m轴承平均间距： 823 ,L 导程： 12定最大转速的常熟： 50000A 轴承支承方式：双推 双推 伺服电机转子惯量： 320 . 0 5 1 0mJ k g m 钢的密度： 337 . 8 5 1 0 /k g m （ 2）横向滚珠丝杠螺母副设计 横向滚珠丝杠长度要求为： 354纵向滚珠丝杠螺母副设计得知，1 3006够满足要求，故选用1 3006 （ 3） 469纵向滚珠丝杠螺母副设计得知，海雄联精密配件有限公司滚珠丝杠副的产品，可采用 滚珠丝杠副，滚珠丝杠的直径为 32本导程为 6足要求。 已知：圆锥齿轮需要传递的功率为 齿轮转速 1400 / 传动比 ，双向运转，工作平稳，每天工作 8小时，每年工作 300天，预期寿命 8年。 （ 1）选择齿轮材料 查机械设计表 小齿轮选用 45 调质1 2 4 5 2 7 5H B S H B S,大齿轮选用 45 正火 2 2 1 0 2 4 0H B S H B S（ 2）按齿面接触疲劳强度设计计算 山东大学本科生毕业设计（论文） - 17 - 确定齿轮传动精度等级，按311( 0 . 0 1 3 0 . 0 2 2 )t n ，估取圆周速度 2 /tv m s ，参靠表 级。 齿宽系数 ，小齿轮齿数选取1 22z ，大齿轮齿数2 2 2 2 5z 齿数比 传动比误差 /0为最佳 小轮转矩 61 9 . 5 5 1 0 1 . 5 / 1 4 0 0 1 0 2 3 2 . 1 4 3T N m m 使用系数动载荷系数 由推荐值 齿向载荷分布系数 K由推荐值 载荷系数 . 1 5 1 . 1 0 1 . 2 7t A v K K 弹 性系数 21 8 9 . 8 / m m节点影响系数接触疲劳极限图 6l i m 1 5 7 0 /H N m m 2l i m 2 4 6 0 /H N m m 接触寿命系数 有式 69116 0 6 0 1 4 0 0 1 ( 8 3 0 0 8 ) 1 . 6 1 3 1 0hN n j L 9821 / 1 . 6 1 3 1 0 / 2 . 5 6 . 4 5 2N N i 查图 6硬化系数 1接触安全系数 则 21 5 7 0 1 1 / 1 . 2 4 7 5 /H N m m 22 4 6 0 1 1 / 1 . 5 3 8 3 /H N m m 山东大学本科生毕业设计（论文） - 18 - 故1 2131 24 ()( 1 0 . 5 ) Z Zd u 23 24 1 . 2 7 1 0 2 3 2 . 1 4 3 1 8 9 . 8 2 . 5()0 . 3 ( 1 0 . 5 0 . 3 ) 2 . 5 3 8 3 齿轮模数 m 5 2 . 8 / 2 2 2 . 4 按表 小轮大端分度圆直径的计算值 ,1,11 2 . 5 2 2 5 5d t m z m m 小轮平均分度圆直径1 ,11(1 0 . 5 ) (1 0 . 5 0 . 3 ) 5 5 4 6 . 7 5d t m m 圆周速度 6 0 0 0 0d n3 . 1 4 4 6 . 7 5 1 4 0 0 / 6 0 0 0 0 动载荷系数 载荷系数 K 1 1 . 1 7 1 . 1 0 1 . 2 8 7K 小轮分度圆直径1 5 2 . 8 1 . 2 8 7 / 1 . 2 7 5 3 . 0 3d K K m m 取 ,11 55td d m m大轮大端分度圆直径2 . 2 5 5 1 3 7 . 5d m z m m 锥距 R: 2212 / 2 2 . 5 2 2 5 5 / 2 7 4 . 0 4 6R m Z Z m m 齿宽 0 . 3 7 4 . 0 4 6 2 2 . 2 1 4 m m 圆整 22b （ 3）齿根弯曲疲劳强度校核计算 山东大学本科生毕业设计（论文） - 19 - 由式 6 112F F a S a Y Yb d m齿形系数2211 1 / 2 2 2 . 5 1 / 2 . 5 2 3 . 6 9 u u 2221 2 3 . 6 9 2 . 5 1 4 8 . 0 6 u 查表 1 2 应力修正系数 1 2 许用弯曲应力 F由式 6 li 弯曲疲劳极限图 62l i m 1 4 6 0 /F N m m 2l i m 2 3 9 0 /F N m m 弯曲寿命系数 121尺寸系数 1安全系数则 21 4 6 0 1 1 / 1 . 5 3 0 6 /F N m m 22 3 9 0 1 1 / 1 . 5 2 6 0 /F N m m 1 2 2 24 1 . 2 8 7 1 0 2 3 2 . 1 4 3 2 . 5 6 1 . 60 . 3 ( 1 0 . 5 0 . 3 ) 2 2 2 . 5 2 . 5 1F 214 8 . 8 8 / FN m m 2 2 2 24 1 . 2 8 7 1 0 2 3 2 . 1 4 3 2 . 1 6 1 . 8 30 . 3 ( 1 0 . 5 0 . 3 ) 2 2 2 . 5 2 . 5 1F 224 7 . 1 8 / FN m m 山东大学本科生毕业设计（论文） - 20 - 第三章 普通铣床的电气改造部分 算机数控装置 用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口 。 数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件 。 数控装置有两种类型： 一是完全由硬件逻辑电路构成的专用硬件数控装置，即 置， 置是数控技术发展早期普遍采用的数控装置。 二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置，即 置，它是由硬件和软件共同完成或是在硬件的支持下由软件单独实现全部数控功能。 置的主要功能和特点 括： 基本功能 数控系统基本配置的功能，即必备功能 。 选择功能 用户可根据实际要求选择的功能。 置的硬件结构 1. 置是在硬件支持下，通过系统软件控制来进行工作的。其控制功能在相当程度上取决于硬件结构。 硬件结构根据控制功能的复杂程度可分别采用单处理器结构和多处理器结构，简易的经济型采用单微处理器结构 ,中高档的 构为多。 随着机械制造技术的发展，对数控机床提出了复杂功能、高进给速度和高加工精度的要求，因此多处理器结构得到了迅速发展。 2. 单微处理器硬件结构装置内的所有信息处理工作都由一个 完成，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。它的优点是投资小，结构简单易于实现。但系统的功能则受 据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 21 - 单微处理器硬件结构图 多微处理机 （ 1） 主 从结构 该装置中只有一个 整个装置的资源有控制权和使用权，处于主导地位，而其它于从属地位。 （ 2） 多主结构 该装置中有两个或更多 装置资源有控制权和使用权。通过总线仲裁器来解决争用总线问题，通过公共存储器来交换装置内的信息。 （ 3） 分布式结构 该装置有两个或更多 块，每个模块有自己独立的运行环境，它们之间采用通讯方式交换信息。 此外，还有一种多通道结构。 3 单微处理机数控装置的硬件结构 单微处理机数控装置： 单微处理器的 指系统只有一个微处理器作为核心，这个 过总 线连接存储器和各种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完成诸如输入 /输出、插补计算、伺服控制等各种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。 单微处理机结构： 微处理器、存储器、总线、接口等。 接口包括 I/行接口、 控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。 阅读机 接口 口 位置 控制 其它 接口 总线 山东大学本科生毕业设计（论文） - 22 - 典型的单微处理器装置结构框图 微处理器（ 核心， 首先读取工件加工程序，对加工程序段进行译码和数据处理，然后根据处理后得到的指令，进行对该加工程序段的实时插补和机床位置伺服控制；它还将辅助动作指令通过可编程控制器（ 到机床，同时接收由回的机床各部分信息并予以处理，以决定下一步的操作。 位置控制单元接收插补运算得到的每一个坐标轴在单位时间间隔内位移量，控制伺服电机工作，并根据接收到的实际位置反馈信号，修正位置指令，实现机床运动的准确控制。同时产生速度指令送往速度控制单元。 速度控制单元将速度指令与速度反馈信号相比较，修正速度指令，用其差值 去控制伺服电机以恒定速度运转。 数据输入 /输出接口与外围设备是 通过 以将工件加工程序送入 置；通过 示器，可以显示工件的加工程序和其他信息。 总线是 各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。传输信息的高速度和多任务性，使总线结构和标准也在不断发展。 置中的存储器包括只读存储器（ 随机存储器（ 类。系统程序存放在只读存储器 算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、 标志信息等存放在随机存储器 工的零件程序、机床参数、刀具参数存放在磁泡存储器中。 部存储 机交互 选件 位 控 位 控 位 控 位 控 速度控制单元 D/M M M M M、 S、 T 微机系统 机床的控制部分 典型的单微处理器 山东大学本科生毕业设计（论文） - 23 - 4. 多微处理机数控装置的硬件结构 多微处理器结构的 置中有两个或两个以上的 个 间采用紧耦合，资源共享，有集中的操作系统，甚至有两个或两个以上微处理器构成的功能模块，模块之间采用松耦合，多重操作系统有效地实现并行处理。 （ 1） 多微处理机 置的典型结构 互联方式：总线互联方式。 典型的结构：共享总线型、共享存储器型及混合型结构。 1）功能模块 模块 ； 负责管理和组织协调整个 统的工作，完成诸如初始化、终端管理、总线仲裁、系统错误识别和处理、系统软硬件诊断等。 ； 完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具半径补偿、速度规划和处理等工作，按规定的插补类型通过插补计算为各坐标提供位置给定值。 位置控制模块 ； 负责比较插补后的位置给定值与检测到的位置实际值，并根据比较结果完成加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和补偿运算，最后得到速度控制的模拟电压，用以驱动进给电动机，完成相应操作，实现位置闭环。 ； 零件程序中的开关功能和由机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启停、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。 人机接口模块 。 负责处理零件程序、参数、操作控制、数据的输入 /输出和显示等。 存储器模块 。 指程序和数据的主存储器，或功能模块间数据传送用的共享存储器。 2）共享总线结构 在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块山东大学本科生毕业设计（论文） - 24 - 有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。 只有主模 块有权控制和使用系统总线。但对于同时有多个主模块请求使用总线时，由总线仲裁器根据预先排好的优先级别的顺序来判别出各模块的优先权高低。仲裁方式有两种：串行方式和并行方式。 3）共享存储器结构 置的软件结构 件是为实现 统各项功能而编制的专用软件，又称为系统软件，其管理作用类似于计算机的操作系统的功能。不同的厂家的软件并不兼容，其功能和控制方案也不同，结构和规模上差别也较大。 统是一个专用的实时多任务计算机系统 ，在它的控制软件中，融会了当今计算机软件技术中的许多先进技术。都具有多任务并行处理和多重实时中断的特点。 软件结构特点 1. 件的结构取决于 置中软件和硬件的分工，也取决于软件本身所应完成的工作内容。 软件与硬件在实现各种功能方面的关系 置由软件和硬件组成，硬件为软件的运行提供了支持环境，是软件的运行基础，而软件反过来则可以优化硬件的设计，增强系统的功能和柔性。 从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。 从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的 。 插补（ 来自机床的 控制信号 输到机床的 控制信号 轴控制（ I/O 共享存储器 共享存储器结构框图 山东大学本科生毕业设计（论文） - 25 - 软件与硬件在实现各种功能方面的特点 硬件处理速度快，但
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