X62W铣床数控化改造论文

毕业论文（设计）任务书 题 目 床数控化改造 学生姓名 刘 不见 专业 机械设计与制 造 层次 专科 学号 指导教师 肯德基 任务书下达时间 概述： 一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。 要求阅读或检索的参考资料及文献（包括指定给学生 阅读的外文资料）： 1许吉庆 床的数控化改造设计 1999(1) 2何立民主编 北京 :北京航空航天大学出版社 3 李敬梅 北京：中国劳动社会保障出版社， 2001. 4陈远龄 M1997 目 录 前言 . 1 1 机床进行数控化改造的必要性 . 2 2 横向进给系统设计 . 3 床简介 . 3 床的选型 . 3 62W 机床特点 . 3 结构组成 . 4 削力计算 . 4 珠丝杠设计 . 5 度计算 . 5 率计算 . 5 3 步进电动机及齿轮的选用 . 6 向步进电动机的选取 . 6 动力矩的计算 . 6 进电动机的最高频率 . 6 轮设计 (横向 ) . 7 4 数控系统硬件设计 . 8 能铣床电力拖动的特点 . 8 控系统的选用 . 8 结 束 语 . 9 致谢 . 10 参考文献 . 11 摘 要 文章介绍了铣床数控化的改造部位，滚珠丝杠、步进电动机的选择计算，以及数控系统软硬件的设计概要。把 床改造成数控铣床，主要改造的部位是：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：把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。 本文在 控铣床改造设计时主要从经济性、方便性、实用性、可靠性四方面因素出发，对 铣床进行了数控铣床机械系统设计，硬件及电路设计。使改造后的机床的机械传动部分具有高静态、动态刚度 ;运动副之间的摩擦因数小，传动无间隙 ;功率大 ;便于操作和维修。 珠丝杠螺母副的设计计算。进给传动系统设计中，拆除纵向、横向、垂向进给箱齿轮，在该处将手轮轴通过一对减速齿轮和纵向、横向及垂向步进电机相连。丝杠拆去，换上滚珠丝杠，并由齿轮箱与滚珠丝杠连接，改造后的 X、 6 2300r/切削进给速度进行 控系统是一个基于 8031 单片机的数字型控制系统。采用较小体积的单片机来实现一般的逻辑功能， 对进给系统的两个轴进行控制。 关键词： 铣床 数控改造 步进电机 滚珠丝杠 1 前言 随着 科学 技术的 发展 ，普通机床越来越不能满足市场的需求，其劳动强度大，危险性高，且不能满足 现代 科学的批量生产需要，越来越多的 企业 将普通机床逐渐转向数控化，因为洗床可弥补普通机床的许多缺点，可实现加工精度高，多工序的集中化，自动报警，自动补偿及自动监控的功能。介绍了如何进行机床数控化改造，并提出了数控改造中的问题和建议。 数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的 ,两者的加工工艺基本相同 ,结构也有些相似 ,但数控铣床是靠程 序控制的自动加工机床 ,所以其结构也与普通铣床有很大区别 . 数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成： 1、主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。 2、进给伺服系统 由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。 3、控制系统 数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。 4、辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护 等装置。 5、机床基础件 通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架 如果对所用的普通车床和长时间使用的车床不进行改造，仅购买新的数控车床，则会增加许多生产厂家设备方面的成本。所以生产厂家对普通车床及长时间使用的车床进行数控化改造是必经之路。 2 1 机床进行数控化改造的必要性 微观上看，洗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 3 7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。洗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 性制造单元）、 性制造系统）以及 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洗床。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洗床、 ，还包括在产品开发中推行 拟制造以及在生产管理中推行 理信息系统）、 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，洗床的比重（数控化率）到 1995 年只有 而日本在 1994 年已达 因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了 洗床 数控化改造的必要性。 把 床改造成数控洗床，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。 3 2 横向进给系统设 计 在横向进给系统的改造中，拆掉了原机床的丝杠螺母机构，更换上用步进电动机和一对齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。 床简介 纵向工作台约重 100鞍和回转盘约重 200重量 G=100+200=300 床的选型 可以进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，是一种较为精密的加工设备，它采用继电接触器电路实现电气控制。 为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。将 能铣床电气控制线路改 造为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护、维修的工作量。 62W 机床特点 (1) 能完成很多普通机床难以加工或者根本不能加工的复杂型面的加工。 (2) 采用 床可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。 (3) 采用 以比普通机床提高 23 倍生产率，对复杂零件的加工，生产率可以提高十几倍甚至几十倍。 (4) 此机床具有柔性，只需更换程序，就可以适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。 (5) 大大的减轻了工人的劳动强度。 万能铣床是一种高效率的加工机械 ,在机械加工和机械修理中得到广泛的应用，万能铣床的操作是通过手柄同时操作电气与机械 ,以达到机电紧密配合完成预定的操作 ,是机械与电气结构联合动作的典型控制 ,是自动化程度较高的组合机床。但是在电气控制系统中 ,故障的查找与排除是非常困难的 ,特别是在继电器接触式控制系统，由于电气4 控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长 ,给生产与维护带来诸多不便 ,严重地影响生产。本文所述方案是对原来的继电器接触式模拟控制系统进行 造而成 ,经实际运行证明该 制系统无论是硬件还是软件 ,控制 稳定可靠 , 具有极高的可靠性与灵活性 , 更容易维修 ,更能适应经常变动的工艺条件，取得了较好的经济效益。 结构组成 向和垂向三个部分，在每个部分中，包括滚珠丝杠螺母副的设计计算，伺服驱动系统的设计计算。 使摩擦损失减小 , 使精度保持性、传动平稳性、传动效率等都得到提高，其传动效率可达到 92%98%。 比常规的丝杠螺母副提高 3 4倍（滑动丝杠效率为 设计计算包括步进电机选型、减速齿轮副的设计。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为 “ 步距角 ”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的 ;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 (永磁式步进电机 (混合式步进电机 (单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 或 15度。 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相 :两相步进角一般为 五相步进角一般为 。 步进电机有步距角 (涉及到相数 )、静转矩及电流三大要素组成。三大 要素确定，步进电机的型号便确定下来了。考虑到经济性和实用性，选择反应式步进电机。 削力计算 切削功率为 ： (1) 5 式中： N 主电动机功率， h 主传动系统总效率，一般为 0. 6 0. 7，取 K 进给系统功率系数，取 根据式 (1)可得： 因为 120，则 120， 100mm/以主切削力 常 ：纵向切削分力 F 纵 =(z，垂直切削分力 F 垂 =(z，横向切削分力 F 横 =(z。取 F 纵= 珠丝杠设计 工作台横向进给丝杠的轴向力 ： +f(W) (2) 式中： K 考虑颠覆力矩影响的实验系数， K= 横向切削分力 f 导轨上的摩擦系数， f=W 工作台、床鞍和回转盘重力， W 10G=3据式 (2)可得： 度计算 滚珠丝杠的转速： n=Vf/p 其中，进给速度 0mm/珠丝杠的螺距 p=6得 ： n=Vf/p=10r/寿命时间 T=15000h，则寿命值 006=9。取运转系数 度系数最大负载 Q=(L)& =据经验，选取滚珠丝杠的型号 2/内循环，双螺母垫片调隙式、公称直径为 35距为 6圈二列、 E 级精度、左旋、滚珠直径为 额定动负荷为 ，其强度够用。 率计算 由于所选滚珠丝杠的螺旋升角 a=3 7，摩擦角 f=10，则滚珠丝杠的传动效率 ： h=tg(a+f)=7/ 7+10)= 纵向进给系统的设计与横向进给系统的设计类似，计算从略。 6 3 步进电动机及齿轮的选用 向步进电动机的选取 动力矩的计算 取系统的脉冲当量 冲，选用步距角 丝杠牵引力 横 + (3) 式中 当量摩擦系数， 代入式 (3)得 步进电动机等效负载力矩为 M，负载力为 F 负，根据能量守恒原理，电动机所作的功与负载所作的功相等，即 负 L，则 ： M=(4) 又 F 负 =(W+数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量 L 为一个脉冲当量 时电动机转过的角度 f=260，代入式 (4)得 M= s+(G+ 中： 机床导轨摩擦系数，取 = 与重力方向一致，作用在移动部件上的负载力 垂 =如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩 安全系数为 56N 对 于 工 作 方 式 为 四 相 八 拍 的 步 进 电 动 机 ，q/86N 进电动机的最高频率 取横向进给速度最大为 m/步进电动机的最高频率为 00060 1667据以上数据和经验，选用 110电动机步距角为 最大静转距为 800N 高空载启动频率为 1800 7 轮设计 (横向 ) 表 3 1 齿轮设计 尺寸 表 单位（ 初始尺寸 沙轮 刀 沙轮 刀 沙轮 刀 沙轮 刀 沙轮 刀 2 基本尺寸 与 测量尺寸 表 单位（ 基本尺寸 20 22 28 17 量尺寸 据步距角 珠丝杠螺距 p、脉冲当量 在步进电动机与滚珠丝杠之间所加的一对齿轮的传动比为： I=2=360 /(p)= 8， 0，根据经验，齿轮模数取 8 4 数控系统硬件设计 能铣床电力拖动的特点 （ 1）铣削加工有顺铣和逆铣两种加工方式，要求主轴电动机能正反转，因正 反操作并不频繁，所以由床身下侧电器箱上的组合开光来改变电源相序实现。 （ 2）由于主轴传动系统中装有避免震荡的惯性轮，故主轴电动机采用电磁离合器制动以实现准确停车。 （ 3）铣床的工作台要求有前后、左右、上下 6个方向的 进给运动和快速移动，所以也要求进给电动机能正反转，并通过操作手柄和机械离合器相配合来实现。进给的快速移动通过电磁铁和机械挂挡来完成。圆形工作台的回转运动是由进给电动机经传动机构驱动的。 （ 4）根据加工工艺的要求，该铣床应具有以下的电气联锁措施： 为了防止刀具和铣床的损坏，只有主轴旋转后才允许有进 给运动和进给方向的快速运动。 为了减小加工表面的粗糙度，只有进给停止后主轴才能停止或同时停止。 该铣床采用机械操纵手柄和位置开关相配合的方式实现进给运动 6个方向的连锁。 主轴运动和进给运动采用变速盘来进行速度选择，为保证变速齿轮进入良好的啮合状态，两种运动都要求变速后顺时点动。 当主轴电动机或冷却泵过载时，进给运动必须立即停止，以免损坏刀具和铣床。 （ 5）要求有冷却系统、照明设备及各种保护措施。 控系统的选用 所用数控系统是我们最近开发的 数控系统，主要由主控制系统和显示系统两部分组成。 主控制系统用于控制键盘的输入和输出，工作台在 X、 Y 方向上的超程，侧门关闭，查询