设计课题：X经济型数控改造.doc

1、 毕业设计说明书 湖南建材高等专科学校设计课题:X6132经济型数控改造（垂向改造)学生姓名：陈卫华指导老师：刘 吉 兆 职称： 教授迄止日期： 2002、56目 录 一、 设计任务书 1二、 数据准备 2三、 总体方案的拟定 3四、 步进电机和滚珠丝杠副的选取计算 6五、改造后传动机构的性能分析 14六、双片齿轮错齿法 16七、部分控制软件的框图 17八、工艺程序段 18九、设计体会 20参考资料 21一、毕业设计任务书1、毕业设计的目的通过毕业设计，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领,巩固和加深时所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识,使认识提高到一

2、个新的水平,通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通毕设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。2、毕业设计的课题、卧式升降台铣床的数控改造（）、拟定方案:根据加工零件的精度、生产率、批量,分析应采用的数控系统、伺服系统实施方案的合理性。()、设计内容：铣床(或或)坐标机械伺服机构的设计计算，绘制装配图.数控系统框图及硬件电路接线图的设计与绘制。用软件实现串行数据

3、通讯程序的设计。绘图工作量不少于0图示张，设计计算书一份.、设计时间安排设计阶段的任务包括方案设计、图纸设计和编写技术文件等。总设计时间为周.其中：方案设计时间约周(包括查资料）计算及图纸设计时间约周编写技术文件约周二、数据准备、机床数据：进给电机1.5KW 工作台最大拖力1500kgf 工作台最大承载重量500kg 工作台快速进给量 垂=766.6mm/min 横=纵=2300mm/min 工作台行程:纵800mm 横300mm 垂400mm。最大回转角度（±45。)工作进给量：纵横向101000mm/min 垂向3。3333mm/min-机床设计图册、工艺数据：通用机床由于工艺范

4、围广，在同一台机床上常用不同材料刀具对不同材料和尺寸的工件进行多种加工,故取具有代表性的典型加工条件为计算依据。通常以加工量最大的钢料或铸件为工件材料,硬质合金或高速钢为刀具材料，选取用该机床上用得最多的常用工序或极限加工工序及与此相应的切削用量。结合本次改造,选取加工材料为HT200的平板凸轮的加工工艺.刀具:粗齿圆柱铣刀:孔径27mm,直径为63mm取63前角.为15。，后角。为12。,螺旋角为45。,齿数为6 切削用量： 铣削铸铁铣前深度 tmm 取tmm。进给量：粗齿圆柱铣刀,在加工铸铁装夹系统刚性一般，机床功率7.5kw的条件下，取每齿进给量fz0.010。15毫米齿，取fz0。15

5、毫米齿-金属切削手册（第二版，上海市金属切削技术协会编）三、总体改造方案采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出泳冲，经光电隔离电路，功率放大到步进电机，再齿轮减速，带动滚珠丝杠转动。从而实现X、Y、Z方向的进给运动。总体设计示意图如下所示：结合实际工作量，本次数控改造只涉及进给系统的数控改造，对于主轴部分不予考虑。数改过程中，对于进给驱动系统,主要关心它的转矩大小，调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。滚珠丝杠作为当代数控机床进给的主要传动机构，以其寿命长、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的重要配套部件,并已实现了标准化、通用化

6、和商品化。为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求,必须合理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。（）、伺服驱动:在我国设备数控改造的一段时间里,较多采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机是一种特殊结构的电机，它利用通电激磁绕组产生反应力矩：将脉冲电信号的能量转换为机械位移的机电执行元件。当激磁绕组每产生一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就转动。转了转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系,而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。由于步进电机容易丢步，启动频率低，工作频率也不够高，低频时振动大，有时还自激振荡，且没有过载能力

7、，当工作条件变动时，可能造成失误,因此步进电机多用于负载较小、负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。开环伺服是由步进电机和机械传动装置组成的开环式控制系统.由于没有位置检测及反馈装置,就必须使其机械传动装置在任何时刻、任何情况下均能严格跟随步进电机的运动而运动。然而实际上,在机械传动装置的输入与输出之间总会有误差存在的。这误差的产生,除了有一部分是由传动链的传误差（如丝杠螺距累积误差）引起的之外，还有一部分是由于传动系统的动力参数(如传动刚度、移动件惯量、导轨摩擦力、间隙、速度阻尼等)产生的.这部分误差在设计开环伺服进给系统中必须予以注意。它包括三部分：、启动或反向时的死区误差:、

8、由于传动刚度的变化引起的定位误差：、运动时的动态误差。（)、数控装置:数控装置的选择也有多种方案，可以全部自行设计制作，可以来用单板机或模块改制等，工厂中一般多采用以下两种方法：一种情况是所需的功能和要求有现成的数控装置可以满足,这时绝大多数都采取买现成产品的方案，因为自行设计制作不但费时间，投资也不一定能省，往往是投资更多，而且质量也不容易保证的，另一种情况是买不到现成产品来实现有些特殊功能，这时大多采取买性价比尽量高的性能接近的装置，然后自行补充或改造，至少也是买模块或工控机，单板机来制作,很少全部自行设计制作，对于我们所需的数控装置，除了直接能进行渐开线插补这一条功能外，其它没有特殊的功

9、能要求,市场上可以有很多种型号的铣床数控装置供选择，因此直接选用市场上现成的装置切合实际，可以加快改造步伐，适合生产需要，但是作为毕业设计,也需对其结构、原理.控制方式等有新了解。能提出自己的处理办法，即设计方案。根据所选方案确定选用国产的经济数控系统，控制轴数X、，联动轴数任意二轴，生产厂家：南京微分电机厂江南机床数控工程公司。经济型数控装置选用步进电机驱动的开环数控装置。（）、其它电气装置在经济型数控改造中，还需要结合数控装置和伺服驱动的特点配其它电气装置，包括强弱电信号的变换,传输或必要的处理，其中对输入输出接口部分还要考虑是否有隔离,屏蔽的要求 ，此外,还要配置所需要的电源，各种保护电

10、路等辅助电路。步进电机性能参数和安装尺寸要符合GBn3或JB/DQ3302的规定。连接方式：控制柜（箱）与机床，柜(箱）与电机之间的电气连接应采用插头插座或接线盒型，连接线应有金属软管保护，并应按符合GB5226-85，JB/GQ058085,JB/GQ057685有关章节规定和JB/DQ300280中1。3规定（)、机械部分：在设备的数控化改造中,虽然中心工作是数控部分，涉及较多的是微机但如果忽视了机械方面的要求而只是按数控方面的要求来进行相应的改动,或者在改造设计中制造不合理的装运,结果会给数控化改造带来意想不到的不良后果，甚至是失败。五、 步进电机和滚珠丝杠的选取计算1切削力的计算 Fz

11、=f（apaeafz。d。n。)k式中：ap 切削深度（mm)ae - 切削宽度（mm）af 每齿进给量（mm/z）z。 刀齿数d。- 刀具公称直径n。- 刀具每分钟转数k。 与刀具材料，切速，工件材料，刀具几何参数，刀具磨损状态等有关的综合修正系数。结合本次改造：Fz=Cc·ap·fz0。65。 ·ae0。83·do0.83·z·kFc式中：Cc 铣削力系数取282ap -铣削深度(即被加工表面的宽度，同时加工个工件，每个工件厚度为10mm,故深度为50mm）fz 每齿进给量取0.15mm/z。ae 铣削宽度（即被切削金属层的深度）

12、取6mmdo 铣刀公称直径取63mmz 刀齿数取kFc -铣削力修正系数且:kFc= kmFc· kFckmFc 工件材料系数取(HB/190)0。55kFc -前角系数取0。92故Fz=282×50×0.150。65×200.83×63-0。83×6×（200/190)0.55×0。92故可求出： Fz=9000N金属切削刀具表48 。 49 P692滚珠丝杠副的计算垂向切削分力Fy：按经验公式:Fy/Fz=0。80 Fy=7200N故:Fy=0.8Fz纵向切削分力Fx： 按经验公式：Fx/Fz=0。9 Fx=8

13、100N 横向切削分力Fz: 按经验公式：Fz'/Fz=0.4 (2）丝杠工作时轴向压力F轴的计算：铣削条件下： 在插补平面内合力Fr：Fr=（Fx+Fy)1/2 铣削一周平均铣削力Fav 取2Fr/3 ，铣削时丝杠轴向压力F轴 ：F轴=Fav+'(mg +Fy） 式中： 考虑到颠覆力矩的影响系数 一般取1.1 导轨当量摩擦系数.取0.18m 移动部件的质量 估计为1000Kgg 重力加速度 取9.8m/s2 Fz'=3600NFr=123。69NFav=82。46NF轴=3151N-机床设计手册第3 分册P177机床与液压2000年第5期-机床数控改造中进给系统滚珠丝

14、杠副的选择（3）滚珠丝杠副工作负荷的计算:1 丝杠的转速：数控改造多半采用开环步进式伺服驱动系统，本次改造也采用步进电机驱动丝杠。开环步进伺服进给系统的设计计算步骤：A 脉冲当量取0。01mm。初选步进电机的步距角为1.5ºB 计算降速比.由于步进电机工作的特点是一个脉冲走一步，每一步均有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求 ,同时也为满足要求的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。传动比：¡=S/360式中：步距角 S丝杠螺距 初取12mm -脉冲当量各级传动比的确定: 首先确定传动级数为3。考虑到垂向进给机构中采用锥齿传动，在机床中的锥齿轮传动齿数比

15、通常在12.5之间，尤其是传动比为的正交等比传动用得最多.结合本次改造选这级传动比也为。 根据相关资料确定不同啮合对数时的最佳降速比： ， 2。5 ， 今选齿轮Z1=27, Z1=54 ，Z2=24, Z2=60,(机床上常用的锥齿轮齿数比为时有Z1 Z222)取Z3 =Z3'=40。模数m1=m2=2,m3=3。3故正交等比传动直齿锥齿轮的主要尺寸:40，De=41。414×3。3,Ae=19。293×3。3,Le=28.284×3。3，i=42º34¹-机床设计手册3册510图6.4-45C。根据结构草图计算机械传动装置及负载折算到

16、电机轴上的转动惯量Jt，并计算电机力矩，再按步距角，电机力矩，允许的负载惯量等项要求来选取合适的步进电机。惯量计算：Jt=J1+i1-2J1'+J2+i22J2+J3+i3-2(J3+Js)+G/g(S/2）2 式中：Js0.03715Kgf.cm.s2机床设计手册2册P301表5。515力矩计算：快速空载启动时所需力矩:amax f0最大切削负载时所需力矩：atf0t快速进给时所需力矩：f0式中：amax 空载启动时折算到马达轴上的加速力矩 f -折算到马达轴上的摩擦力矩0 由于丝杠预紧引起的折算到马达轴上的附加摩擦力矩at切削时折算到马达轴上的加速力矩t折算到马达轴上的切削负载力矩

17、丝杠传动时a ， f,0 ,t计算公式:ar9。6（gf.m）式中：r折算到马达轴上的总惯量系统时间常数(系统时间常数表示线路在导通瞬间允许电流值上升的速率。时间常数越小，线路导通后电流上升越快，达到近似稳定值的时间越短;反之则越长）n电机转速当n=nmax时计算amax，n=nt时计算atnt切削时的转速摩擦力矩=(FS/2）×103 (Nm)F导轨摩擦力 （F)S丝杠螺距齿轮降速比传动链总效率一般取0。700。85取0。8F=2106N =1。00554Nm附加摩擦力矩：2（o2）×10式中：滚珠丝杆预加载荷（kgfm)为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时其反向

18、传动链仍保证无间隙出现,要求预紧力的数值应大于最大轴向载前的1/3倍。1/3×F轴=1/3×3151=1050。3N 取=1200N丝杆螺距-传动链总效率 齿轮降速比o滚珠丝杆未预紧时的效率，一般取0.90。0363Nm切削力矩t：tt2×10（N·）式中： t进给方向的最大切削力 S丝机螺距（cm） -传动链总效率取0.8 -齿轮降速比初选步进电机:130BF001 五相十拍分配方式检验计算：Ma=(Jt+Jm）×n/9。6T×102式中：Jm电机转动惯量Jt系统转动惯量T系统时间常数（s) 加速时间50ms故amax= （Jt+J

19、m)nmax/9.6×0。05×102（0。01545+7×102）×1000/9。6×0。05×102Mamax=4。22NmM=amax+Mf+Mo M=5。26Nm（M9。31Nm）由于采用步进电机驱动：n=f/60i （r/min）式中:步进电机步距角 1。5ºf -电机脉冲频率 16000Hzi-电机与丝杠间的降速比 5n=80机床设计手册2册表5。730 P476由表查得选取步进电机2.丝杠寿命系数L:L=式中：T 丝杠预期寿命 取15000hL=72 机床设计手册 2册表5。732 P476 3.丝杠工作动载荷

20、C： C=12F轴式中：1 丝杠硬度系数 取1.5 2 载荷性质系数 取1。4C=27528。25N -机床设计手册2册P500根据CCa原则,考虑丝杠导程初选滚珠丝杠型号，使选取的滚珠丝杠的额定负载大于计算最大工作负载. 从相应表中选取滚珠丝杠的型号为：NL6012Ca=37200N. D0=60mm S=12mm滚珠丝杠副传动刚度验算：对于精密机床数控改造，应对选取的滚珠的丝杠副传动刚度进行校核，以保证机床的定位精度,传动精度,可靠性。丝杠工作时,受轴向力及扭转力矩作用，其变形为轴向压缩变形和扭转变形。设丝杠副的轴向刚度为Kz，导轨刚度为并将扭转变形的扭转角转换为轴向变形,则滚珠丝杠副KN

21、传动时的轴向总变形量zz为： zz=+(Mt/KN2）×103=+（Fxt/KN2）×103式中： M作用在丝杠上的扭矩（N·m) t丝杠导程 (mm)由刚度定义可知，滚珠丝杠副传动刚度K与轴向刚度，扭转刚度有如下关系：则滚珠丝杠副的传动刚度K为：K=KnKz/Kn+(t/2）2×103Kz欲求K，则只要求Kz，Kn即可。（1） 滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算:滚珠丝珠副的轴向刚度取决于丝杠，螺母组件，支承轴承的轴向刚度.A 丝杠的轴向刚度Ksz丝杠的轴向刚度Ksz与其安装方式有关，本次改造设计中选取双推-双推式支承方式:两端各两个推力轴承，此时，丝杠轴向

22、最小刚度发生在载荷作用点处于支承端距离一半,即La/2 处Ksz=（4SE/La)×10-3 （N/um）式中： S 丝杠小径截面积 （mm2） E 丝杠材料的弹性模量 （MPa) 钢料的E为2.1×106 (Kgf/cm2）La 载荷作用点距双推轴承的最大长度 （mm)Ksz=195N/umB。螺母组件的轴向刚度Klz：螺母组件的轴向刚度是指滚珠丝杠,螺母螺纹形成的滚道间的轴向刚度.据赫兹理论，滚珠与滚道之间在轴向载荷的作用下，弹性变形为：式中: s 滚珠的接触角度 45 Zg-每圈承受载荷的滚珠个数 dg滚珠的直径 7。144mm Zg按下式计算:Zg=D/(dgcos

23、s） 9 D为螺母的公称直径， s为丝杠螺纹螺旋升角=23.76umKlz=Klz=167。062N/umC.支承轴承的轴向刚度Kcz:支承轴承的轴向刚度也按赫兹理论接触弹性位移理论求解.轴承类别不同，刚度公式也不同。采用双列止推滚珠轴承。选取38212Kcz = Kcz= 454N/um螺母座的轴向刚度一般在螺母组件刚度计算时乘以0.8计入，不再单独计算。滚珠丝杠副的轴向刚度Kz：Kz=46。7 N/um由材料力学可知:Kn=GJp/x 式中： G - 丝杠材料抗剪切弹性模量 (MPa) 钢材的剪切弹性模量为80GPa Jp 丝杠小径截面惯性矩 （mm4） X = La（两支承端中心点距离1

24、15mm）Kn=392×103N/um将求得的Kn ，Kz代入滚珠丝杠副传动刚度公式，便可求得K 。如果刚度不足,可改变丝杠支承方式或重选滚珠丝杠副型号。K=32.56(N/um）各类机床滚珠丝杠副的推荐精等级，本次改造垂向滚珠丝杠传动精度B级，取传动精度故有如下关系式：<32.56=K故:刚度满足要求.机床设计手册2册第七章P461（2)滚珠丝杠副临界转速的验算：滚珠丝杠副的进给系统的进给速度是其导程和转速决定的。丝杠副在工作时，由于受到摩擦力矩等因素的影响，丝杠的导程受到限制，一般小于直径的两倍。如果要提高转速,必须提高丝杠副的转速，然而,滚珠丝杠副的转速超过某一临界值时将

25、引起共振。这保证安全工作，应使转速低于临界转速。临界转速Nc用下式计算： 式中： 丝杠支承方式系数(双推-双推方式=4。730） 丝杠材料密度（Kg/mm3)S 丝杠小径截面积(mm2)Nc=9.2×104r/min由于Ncn故可靠性好，稳定性好.五、关于滚珠丝杠副的性能分析：在升降台铣床的垂向运动中,普遍存在着工作台运动时摇动力过大的问题。因此，操作进刀不便，丝杠螺母副易磨损,电磁离合器易烧坏。解决这一问题的根本措施是将滑动丝杠改为滚珠丝杠副，提高机械传动效率，当采用滚珠丝杠副后，其矛盾就转化为滚珠丝杠副逆运转的自锁上.垂向升降丝杠副的受力情况如下图所示：图13及图2所示为升降滚珠

26、丝杠受载示意图及传动系统图。采用滚珠丝杠后，因摩擦角小于螺旋升角而不能自锁,在自重作用下丝杠副产生逆转，升降台自动下降。为防止其逆转，必须满足自锁条件方程：F 式中:F 向下分力，F= （kg·f)； Fm N·f =f (kg·f)。Fm为防逆转所需的附加摩擦力，但在丝杠向上摇动时却又不应增加阻力。这就是垂向滚珠丝杠副防逆转机构设计的基本出发点。在机构中一般用超越离合器实现单向加载的目的。假若在丝杠传动系统中附加单向摩擦载荷Fm，此时，向上驱动力矩M上基本不变,而M下由下式确定：M下若使，则M下=0，摇臂的手摇力Q下=0。但在实际使用中总调整到>0使其在不

27、同载荷的变化状态下,有较好的自锁可靠性,但值又不宜过大，否则造成向下摇动力Q下过大以及超越离合器易磨损等弊端。这是考核垂向升降滚珠丝杠副结构是否合理的重要指标。所以从自锁条件方程不分析，附加摩擦力Fm应满足上述方程并有足够的安全系数条件下取最小值。此外,为使实际使用时能取得最佳效果和磨损后的补偿，Fm应能方便地进行调节和具有补偿机能.这是垂向升降丝杠副能否得到广泛应用的关键。本次改造中附加摩擦力可通过碟形弹簧调节，使之达到最佳自锁状态。碟形弹簧能自动补偿磨损，因此,确保了自锁性和摇动轻巧；同时,离合器通过1：2。5的传动减速比使离合器能以较小的阻尼去实现较大的控制力，从而延长使用寿命。由以上的

28、分析可知,改造成后的“可调阻尼式”垂向滚珠丝杠副传动机构，结构布局合理，具有摇动轻巧,自锁可靠，调节方便，寿命较长，及更新改装方便等多方面的优点。六、双片齿轮错齿法调隙机构：为了提高齿轮传动精度，需要设计齿轮消隙装置,采用二片和三片齿轮错齿法.示意图如下所示：该机构为自动补偿机构。相互啮合的一对齿轮中的一个做成两个薄片齿轮7和8，两薄片齿轮套在一起，彼此可作相对运动。两个齿轮的端面上，分别装有螺纹凸耳2和6，拉簧1的一端钩在凸耳6上，另一端钩在穿过凸耳2通孔的螺钉5上。在拉簧的拉力作用下， 两面三刀薄片齿轮的轮齿相互错位，分别贴紧在与之啮合的齿轮左、右齿廓面上，消除了它们之间的齿侧间隙。拉簧的

29、拉力大小可由螺母3调节。不过这种结构传动刚度较差，能传递的转矩较小。七、部分数控系统控制软件的框图:单板机控制的步进电机开环系统中，单板机负责插补运算并输出脉冲，步进电机为执行机构.控制中的核心，是由软件按加工要求对步进电机的运动方向,速度和转数实现控制。一是长控制，即把编程尺寸变为步进电机的步数；二是速度控制，一般用CTC定时器，使其每隔一定时间发出一次中断，进行插补；三是方向控制,即正反转控制。一般软件有两种结构。一种是中断方式，即把插补输出作为中断程序；另一种是流水线式结构,即按插补加工的顺序来安排软件。中断方式软件结构框图如下：八、凸轮加工程序数控铣床铣削凸轮加工程序：图示为压缩机壳焊

30、接机上的仿形凸轮，凸轮曲线是四段圆弧构成，凸轮的上下两面和中心孔已加工好，现要在数控铣床上铣削凸轮的轮廓曲线，并一次铣削加工成形.以凸轮毛坯的中心孔为定位孔，将凸轮毛坯装到通用夹具上。选凸轮上的O点为工件坐标系的坐标原点，凸轮曲线各段圆弧的切点坐标如图所示。选用直径为20的立铣刀铣削凸轮。铣刀相对工件坐标系原点的距离X、Y、Z分别为450、200、300mm。程序启动时，刀具停在机床参考点位置.在数控铣床上铣削凸轮的加工程序如下：O0012N1 G92 X450.0 Y200。0 Z300.0N2 G90 G00 X95.0 Y70。0N3 Z6.0 M3N4 G01 G41 H12 Y0 F

31、100N5 G02 X71。666 Y29。926 R72。0N6 X71.666 R310.0N7 Y29.926 R72.0N8 X71.666 R310。0N9 X95。0 Y0 R72.0N10 G00 G40 Y70.0N11 M5N12 G91 G28 Z0N13 G28 X0 Y0N14 M02指令简介：在上述的凸轮加工程序中：O0011表示加工该零件的程序序号;N××××是各个程序段的序号；G是准备功能的指令代码，如G00-快速移动,G01直线插补，G02-顺时针圆弧插补，G41刀具半径左补偿，H12刀具补偿量代号，G40取消刀具补偿；F100-进给速度;M辅助功能代号；M3-主轴启动,M5-主轴停止，M02-程序结束。 每种零件的加工程序都有一个相应的程序号，加工程序都是由若干个程序段构成，每个程序段都有程序段序号,在程序中用字母，符号和数字来表示各种指令,如准备功能G、进给功能F、主轴功能S、刀具功能T、辅助功能M等。设 计 体 会在这一个多月的毕业设计过