X62W万能铣床X轴数控改造设计（全套含CAD图纸）
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X62W
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X62W万能铣床X轴数控改造设计（全套含CAD图纸）,X62W,万能,铣床,数控,改造,设计,全套,CAD,图纸
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摘 要随着科学技术和社会的不断发展，社会对产品多样化的要求日益提高，产品更新换代越来越快，多品种小批量生产比重加大，零件形状越来越复杂，精度越来越高，此外，激烈的市场竞争要求产品研制周期越来越短，传统的加工设备和制造手段已经难于满足这种变化，为了解决这些问题，数控机床就这样应运而生。 在本次设计中，就包括了关于数控技术的基础知识，并且针对本次设计的课题，拟定了一系列的方案，进给系统的总体方案，数控铣床进给传动系统的机械部分，以及数控系统的硬件分析和设计。 关键字：数控机床；单片机数控系统；伺服电机；传动系统。AbstractWith the continuous development of science and technology and society, the society for increasing product diversification requirements, product upgrading faster, more varieties of small batch production increase, the shape of parts is more and more complex, increasingly high precision, in addition, the fierce market competition requires the product development cycle is shorter and shorter, processing equipment and manufacturing method the tradition has been difficult to meet this change, in order to solve these problems, CNC machine tools came into being. In this design, including the basic knowledge on CNC technology, and according to the design of the project, proposed a series of solutions, the overall scheme of the feed system, the mechanical part of the feed drive system of CNC milling machine, CNC system and the hardware design and analysis.Key words: numerical control machine tool; single chip computer numerical control system; servo motor; transmission system.目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论1第二章 总体方案设计22.1总体方案设计的目标22.2 机械传动部件的选择22.2.1 导轨副的选用22.2.2丝杠螺母副的选用22.2.3减速装置的选用22.2.4步进电机的选用23.3 控制系统的设计2第三章 机械系统设计43.1 确定系统的脉冲当量43.2 滚珠丝杆副轴向间隙的调整与预紧43.3 滚珠丝杆副支承方式的选择43.4 滚珠丝杆螺母幅的设计、计算和选型53.4.1 计算主切削力53.4.2 计算进给牵引力Fm53.4.3 计算最大负载C63.4.4 滚珠丝杆螺母幅的选型63.4.5 传动效率73.4.6 刚度验算73.4.7 稳定性校核83.5 齿轮传动比的选择83.6 步进电机的计算与选型93.6.1负载等效转动惯量Jeq的计算93.6.2等效负载转矩的计算103.6.3步进电机的校核12第四章 控制系统设计134.1 进给传动系统示意图134.2 数控系统基本硬件组成134.3 单片机控制系统的设计144.3.1 硬件电路的组成144.3.2机械控制系统原理及电路设计总结：16结 论18致 谢19参考文献20III第一章 绪论微观上看，铣床比传统机床有以下突出的优越性，而且些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而且柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。铣床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现时间无看管加工。有以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 宏观上看，工业发达家的军、民机械工业，在20世纪70年代末、80年代初已开始大规模应用铣床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用铣床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。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品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，铣床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了铣床数控化改造的必要性。把X62W铣床改造成数控铣床，主要改造的部分是：在主电动机端面加一电磁离合器，以便用指令控制主轴停转；反工作台的纵横向进给运动改造成用步进电动机来控制。垂直进给运动仍采用机动和手动方式，下面主要介绍横向进给系统的改造和数控系统的硬件改造。X62W型万能铣床的结构主要由床身、主轴、刀杆、悬梁、刀杆支架、工作台、回转盘、横溜板、升降台、底座等几部分组成。在床身的前面有垂直导轨，升降台可沿着它上下移动。在升降台上面的水平导轨上，装有可在平行主轴轴线方向移动的溜板。溜板上部有可移动的回转盘，工作盘就在溜板上部的回转盘上的导轨做垂直于主轴轴线方向的移动。工作台上有个T形槽用来固定工件。这样安装在工作台上的工件就可以在三个坐标的六个方向调整位置或进给。铣床主轴带动铣刀的旋转运动时主运动；铣床工作台的前后、左右、和上下6个方向的运动是进给运动、铣床的其他运动，如工作台的讯转运动则属于辅助运动。 此外由于，由于回转盘可绕中心绕过一个角度（通常是45度），因此工作台在水平面上除了能在平行于或垂直于主轴轴线方向进给，还能在倾斜方向进给，可以加工螺旋槽，故称为万能铣床。第二章 总体方案设计2.1总体方案设计的目标机电一体化系统通常由动力系统、包括机械本体、传动系统和执行机构的机械装置、传感器与检测系统及信息处理与控制系统组成。机电一体化系统总体方案设计的目标是拟定执行机构和传动系统的功能原理设计方案、结构总体设计、控制系统总体控制方案的设计、控制电机的选择等相关内容，以便为后续机电一体化系统的详细结构设计与控制系统及控制系统的详细设计提供设计依据。下面针对总统方案设计目标中的各部分设计内容，分别讨论其设计方法和设计步骤。2.2 机械传动部件的选择2.2.1 导轨副的选用设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用矩形导轨副，它具有结构简单，制造、检验和维修方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高等优点。2.2.2丝杠螺母副的选用步进电机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.01mm冲当量，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。2.2.3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。如果传动比i=1，可直接选用联轴器进行步进电机和滚珠丝杆的连接。2.2.4步进电机的选用任务书规定的脉冲当量0.01mm，空载最快移动速度也只有因此2000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用步进电动机。以降低成本，提高性价比。3.3 控制系统的设计1）设计的X工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位。2）对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。第三章 机械系统设计3.1 确定系统的脉冲当量铣床的脉冲当量为0.01/Step3.2 滚珠丝杆副轴向间隙的调整与预紧滚珠丝杆副在有负载时，滚珠与滚道面接触点出降产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起回空。这种回空是非连续的，既影响传动精度又影响系统的稳定性。在这次设计中，我们采用了双螺母垫片预紧调整式，其特点是结构简单、刚度高、预紧可靠。但使用中调整不方便图3-1 双螺母垫片预紧调整式3.3 滚珠丝杆副支承方式的选择实践证明，丝杆的轴承组合及轴承座以及其他零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杆副的传动精度与刚度。因为改造的X62W万能铣床采用的支承方式是双推-自由式，双推-自由式是一端安装推力轴承与深沟球轴承的组合。因此保留原有的支承的方式，支承方式采用双推-自由式。图3-2 双推-自由式3.4 滚珠丝杆螺母幅的设计、计算和选型3.4.1 计算主切削力根据主传动功率计算法，主切削力FZ为 其中PE=7.5KW、=0.8、v=2000mm/min所以根据经验公式FX：FY：FZ=0.25：0.4：1所以FX=0.25FZ=750N FY=0.4FZ=1200N3.4.2 计算进给牵引力Fm在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铣削条件为准其中K=1.4 、f=0.2 、W=5000N因此牵引力Fm为3.4.3 计算最大负载CC=FQ=fFFH其中：L= ；n=以上式中：L为滚珠丝杠导程，初选：L=5mm；Vs为最大切削力下的进给速度VS=Vmax=0.15m/min，n=30r/min；f为运转系数，按一般运转取：f=1.2-1.5；取1.2 ；fH硬度系数滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0；取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h代入L0=,得丝杠寿命系数L0= =27C=FQ=3.4.4 滚珠丝杆螺母幅的选型根据计算出的最大动载与预选的丝杠导程，查阅紧密滚珠丝杆副选择FFZD型内循环垫片式预紧滚珠丝杆副，规格代号FFZD3205-3，公称直径d0=32,公称导程为L0=PH=5,基本额定负载动载荷C=11700N,可满足要求，精度等级为3级。图3-3 FFZD3205-3滚珠丝杆图3-4 螺母安装画法 表3-1 滚珠丝杆及螺母各参数3.4.5 传动效率滚珠丝杆螺母幅的传动效率为 式中：螺旋升角， 摩擦角 ， =0.963.4.6 刚度验算滚珠丝杆采用双推-自由式支撑最大牵引力为3130N，(1) 计算丝杠的拉伸或压缩变形量受工作载荷Fm作用引起的导程的变化率为 （mm）式中：进给牵引力Fm=3130N;丝杆的导程L0=5mm，钢材料的弹性模量；滚珠丝杆的底径截面积A=656mm2；代入上式得=(2) 计算滚珠与螺纹滚道间接触变形：有预紧时：式中：；滚珠丝杆直径=3.5mm；滚珠数量；代入上式得.(3) 计算支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形:采用向心推力球轴承时， 综合以上几项变形量之和：查表得300mm行程允许的动变量是0.016mm，故刚度满足要求。3.4.7 稳定性校核无需稳定校核3.5 齿轮传动比的选择已知纵向进给脉冲当量P=0.01，滚珠丝杠导程L0=5，初选步进电机步距角b=0.75，传动比为因为i=1，初步选用联轴器连接进行滚珠丝杆与步进电机的连接。图3-5 桡性联轴器结构原理图3.6 步进电机的计算与选型3.6.1负载等效转动惯量Jeq的计算 因为采用联轴器进行电机与丝杆之间的连接，所以 式中丝杆的转动惯量 式中：刚的密度， L丝杆的长度L=30（cm） d0丝杆的公称直径d0=3.2（cm） 代入上式得所以查表3-1，初选反应式步进电机110BC380A，其转子转动惯量=5.0kgcm2 所以电机的总转动惯量为验算传动系统的转动惯量匹配：，满足惯量匹配的条件 表3-1 110BC反应式步进电机110BC380A30.75/1.580-30069.8(100)1350150005可供双轴申图3-6 111BC380系列反应式步进电机外形图及安装尺寸3.6.2等效负载转矩的计算（1）快速空载启动转矩。在快速空载启动阶段，电机的等效负载转矩为 取启动时间=0.3s，=0.8，代入上式得 折算到电机轴上的摩擦力矩为 附加摩擦力矩为 式中：滚珠丝杆预加负载，代入上式得上诉三项合计得（2）最大切削负载时所需力矩 施加在电机轴上的最大等效负载转矩为 初选电机为反应式步进电机110BC380A，其最大静转矩为，因为所以反应式步进电机110BC380A作为初选型号3.6.3步进电机的校核由于步进电机的矩频特性是在空载下做出的，随着负载的增加，启动频率会有所下降。因此，应该对带载下的启动频率、运行频率以及输出转矩进行校核。1） 校核启动转矩产品样本中给出的电机最大静转矩是5.0Nm，采用三相六拍通电方式，查表可知：启动转矩/最大静转矩=0.866，所以步进电机的启动为 ,满足要求。2） 校核运行频率 计算空载运行频率 计算切削时的运行频率为 样本上给出的110BC380A型反应式步进电机的空载运行频率是15000Hz，大于所需的运行频率，满足要求。3） 校核启动频率 根据前面的计算，电机轴上的总转动惯量，电机转子的转动惯量=5.0kgcm2，电机的空载启动频率是=1350Hz。 因此，步进电机带惯性负载的最大启动频率为所以，满足要求。第四章 控制系统设计4.1 进给传动系统示意图图4-1 进给系统传动示意图4.2 数控系统基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是数控机床的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件就能发挥作用。 机床数控机床的硬件电路概括起来又以下四部分组成： （1） 中央处理单元CPU。CPU是数控系统的核心。 （2） 总线。包括数据总线（DB） 地址总线（AB）和控制总线（CB）。 （3） 存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。 （4） I/O输入输出接口电路。 由于8031只有P1口和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从附录H图H2可以看出，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。8155的片选信号CE接74LS138的Y0，8255芯片片选信号CS接到74LS138的Y2端。74LS138三八译码器有三个输入A、B、C分别接到8031的P2.5，P2.6、P2.7，输出Y0Y7 8个输出，低电平有效。Y0Y7对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中Y0对应A、B、C为000，Y7对应A、B、C为111。74LS138还有三个使能端，其中2个（GA和GB）为低电平使能，另一个G1为高电平使能。吸有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。 I/O接口芯片与外设的连接是这样安排的：8155芯片PA0PA7作为显示器段选信号输出，PB0PB7是显示器的位选信号输出，PC0PC4 5根线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2.0，因为使用8155的I/O口故P2.0高电平。 8255芯片PA0PA7接X向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，PB0PB7为两个方向的点动及回零输入，PC0PC7为面板上的选择开头是输入，设有编辑、单步运行、单段运行、自动、手动I、手动II等方式。 系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片的地址编码如表419所示： X向步进电机硬件环形分配器采用YB015，是以12相通电两相四拍方式工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反转控制端分别接8255的PA2、PA4、PA6，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以决定脉冲分配器输出脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片的定时/计数器中设置不同的时间常数。表4-1 芯片的参数作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作，存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据，OI输入输出接口是系统与外界进行交换的桥梁。总线则是CPU与存储器，接口以及其它转换的纽带，是CPU与部分电路进行交换和通讯的必由之路。 数控系统的硬件框图为： 图4-2 数控系统的硬件框图4.3 单片机控制系统的设计1 向和X向进给伺服系统运动 2 键盘显示 3 自动转位刀架控制4 加工控制 5 面板控制 6 行程控制 7其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路、功能电路等。4.3.1 硬件电路的组成采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下： a) 采用8031作CPU b) 扩展了两片2764芯片、一片6264芯片 c) 两片8155可编程并行I/O接口。 d) CPU、存储器及I/O接口 CPU采用8031芯片，选用6MHz晶体振荡器。它的oP作为数据总线和地址共用。16位地址线由oP经地址锁存器74LS373提供8位地址70AA-，高8位地址158AA-由8031的2P口直接提供。ALE为地址锁存允许。PSEN为低电平时选通外部存储器（EPROM），相应的指令字节出现在EPROM的数据线（70DD-）上，输入到oP口，8031将指令读入。RESET为复位控制，当RESET输入端出现高电平时，8031被初始化复位，在复位有效期向ALE、PSEN也输出高电平。当RESET输入端返回低电平后，CPU从O地址开始执行程序。（故设计中一定有一片2764芯片连到74LS138的0Y）设计中采用上电复位和开关复位。另外，两片8155的RESET也与8031的RESET管脚相连，它们可同时复位。 8031的0T是片内的定时器/计数器溢出中断申请，由主轴后面的光电编码器输入。当车床车螺纹时，主轴光电编码器向80310T发出进给脉冲，用以控制不同导程的螺纹加工。光电编码器还发出一个零位螺纹信号，输入8155(1)的6PB，用以防止车螺纹乱扣。 8155主要用于功能键的控制，刀架转位控制以及报警等。其中PA口为输入口，50PAPA-作为功能键的控制管理，刀架控制编辑、空运行、自动、手动I，手动II和回零。PB口也是输入口，40PBPB-由面板上的按键分别控制起动、暂停、单段、连续、急停等功能。5PB是换刀回答，当自动转位刀架按指令转位、夹紧，刀架电机停转之后，发出此信号，开始执行进给指令。6PB接光电编码器输出的零位螺纹信号。PC口是输出口，30PCPC-控制自动转位刀架四个刀位的选刀。4PC用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色发光二极管亮，当系统出现异常情况时，输出高电平，经反向后，红色发光二极管亮，实现报警功能。 8255A控制步进电机，行程控制，以及键盘，显示电路。其中70PAPA-为输出口，用于控制X向步进电机运转，X向步进电机为两相。此系统采用软件分配。键盘显示电路为86键和8位显示器。70PCPC-作为键盘的8条列线，是键盘扫描线，是输出口。30PBPB-接行线作为键盘输入口。70PCPC-是8位数码显示器的位选信号，8031的1P口是数码显示器的段选信号。74PBPB-接越程限位控制电路，当床鞍或拖板在X向越程时，即向计算机输入此信号，使进给系统停止。 表4-1 数控车床控制系统芯片地址分配4.3.2机械控制系统原理及电路设计总结：(1)设计要求:采用MCS-51系列单片机来完成此控制系统的设计,完成控制系统原理图等。 主要包括键盘,LCD显示,电动机的启动、停止、单进控制、等的控制.同时还要有一些自动错误处理功能.如限位控制,驱动出错处理,这就需要在程序设计时提供相应的中断处理程序。 (2)方案分析: 由前面电动机的选择:选用电动机型号为111BC380系的步进电机.此电机是一个三相六拍的电动机。由机电一体化可以知道步进电机的运行特性与配套的驱动电源（驱动器）由密切的关系。驱动器由脉冲发生器和功率放大器两大部分组成的。在微机控制电机过程中，需要使电机按照一定规律变化进行运动，而控制这部分规律变化的部分叫做脉冲分配器。实现脉冲分配有两种方法：计算机软件和硬件电路法。当有了环形脉冲分配后，还是不够的。由于我们的脉冲是由微机单片机发出的，属于低电平，是不能直接驱动电机进行运动的，这时我们可以采用功率放大电路将脉冲进行功率放大，然后驱动硬件电路。 对于复杂的电路驱动，如三相六拍电路，具有A,B,C无相，他的六拍工作方式为：A-AB-B-BC-C-CA对于这这种驱动方式，如果采用软件编程或者硬件电路来实现驱动控制都是比较复杂的，这时我们可以采用专用驱动控制芯片，这里采用SH-20806N型两相混合式驱动器。 我们采用MCS-51系列的8031型的单片机作为微机控制的主芯片。系统原理图中，采用74LS373进行P0口的锁存，同时扩展一片2764的程序存储器和一片6264的数据存储器，作为系统的数据处理和存储之用。同时，我们需要扩展键盘和显示，就需要扩展接口来连接。采用8255进行接口扩展，PA口，PC口属于输出口，PB口属于输入口。PA口的八根地址连接成68的键盘接口电路，PB口用于LED的八路接口，同时用PC口的8路进行LCD的位控接口。对2764和6264进行片选
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