x5032铣床改造毕业说明书.doc

本科毕业设计【摘要】 本课题选择X5032立式铣床进给系统进给系统的数控改造，主要是对普通铣床进行NC化，在普通铣床上加数控系统，以此来控制步进电动机，执行机床在加工中所需的进给运动。控制方式可以是开环、闭环及半闭环。【关键词】立式 铣床 进给 数控目 录摘要1引言.4第1章 总体方案的确定. . 1.1设计的基本参数. . . . 1.2设计内容. 1.3设计要求 . . 1.4选择脉冲当量. .1.5计算铣削力. .第2章滚珠丝杆螺母副的计算和选型.2.1向（纵向）进给丝杆. .2.1.1计算进给牵引力.2.1.2计算最大动负载C.82.1.3滚珠丝杆螺母副的选择. 2.1.4传动效率计算. .2.1.5刚度计算.82.1.6稳定性校核. .102.2向（横向）进给丝杆.112.2.1计算进给牵引.112.2.2计算最大动负C. .112.2.3滚珠丝杆螺母副的择. .112.2.4传动效率算.112.2.5刚度算.112.2.6稳定性校核. .12第3章齿轮传动比计算. .143.1纵向进给齿轮箱传动比计算.143.2横向进给齿轮箱传动比计算.14第章步进电动机的计算和选型.154.1纵向进给步进电机计算.154.1.1等效转动惯量计算.154.1.2电机力矩计算.154.1.3计算步进电机空载载起动频率和切削时的工作步频率.174.2横向进给步进电机计算和选型.174.2.1等效转动惯量计算.174.2.2电机力矩计算.184.2.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率.18第章控制系统设计. . . . . .205.1绘制控制系统结构框图. . . . . . . . .215.2.选择中央处理单元（CPU）的类型. . . . . .215.3存储器扩展电路设计. . . . . . .225.3.1.程序存储器的扩展. . . . . . . .225.3.2、数据存储器的扩展. . . . . . .235.I/O接口电路及辅助电路设计. . . . . . .235.4.1. I/O接口电路设计. . . . . . .235.4.2. 步进电机接口及驱动电路. . . . . .245.4.3. 其他辅助电路 . . . . . . . . .24总结.25感谢语.26参考文献.27引言数控机床对进给传动系统的要求：数控机床进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给。无论是点位控制、直线控制还是轮廓控制，进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。为此，对进给系统中的传动装置和元件要求具有长寿命、高刚度、无传动间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点，如导轨必须摩擦力比较小、耐磨性要高，通常采用滚动导轨、静压导轨等。为了提高转换效率，保证运动精度，当旋转运动被转化为直线运动时，广泛应用滚珠丝杠螺母副。为了提高位移精度，减少传动误差，对采用的各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙。虽在进给传动系统中采用各种措施消除间隙，但仍然可能留有微量间隙。此外由于受力而产生弹性变形，也会有间隙，所以在进给系统反向运动时仍然由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新； 其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造.一 、总体方案的确定1.1 设计的基本参数：原始数据：工作台宽：320mm;工作台及床鞍重量：纵向 800N 横向 1200N;工作台快移速度：纵向 2m/min 横向 1m/min;最大快进速度：纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min;主电机功率：2.2kw；转速：1450rpm工艺数据：主轴转速：265rpm 走刀速度：55m/min刀具直径：35mm铣削宽度：7mm 铣削深度：32mm最小分辨率：纵、横向0.01mm其余数据按实际情况确定1.2 设计内容：（1）总体方案确定及可行性论证。（2）进给系统机械部分改装设计，绘制改装后一个坐标轴的机械传动机构的装配图及指定零件图（A0图纸两张、A3图纸一张）。（3）微机硬件系统设计，绘制数控机床进给系统的硬件电路原理图（A1图纸一张）。（4）编写设计说明书一份（8千字左右）。（5）CNC系统的主CPU采用8031单片机。（6）进给系统采用反应式步进电机驱动。（7）设计计算、图纸、零件程序应符合国家标准。1.3 设计要求:总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式，伺服系统的类型，以及传动方式和执行机构的选择等。铣床数控化改装设计后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。根据铣床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控铣床CPU采用8031芯片。根据系统功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器、扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和继承状态信息的显示器；包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应包括螺纹加工用的光电脉冲发生器和其他辅助电路为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用磨擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。设计参数包括铣床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数，采用X5032升降台万能铣床进行数控化改装。原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本，缩短改造周期。机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部位调整应方便。1.4 选择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量，X向：0.01mm/步，Y向：0.01mm/步（半径）1.5 计算铣削力Fc： （1.1）根据机床手册式中Cf系数见表7.1-28Cf=68 e铣削接触弧深（宽度）e =8.5 f每齿进给量（切厚）f =0.1 do铣刀直径do =35 p铣削深度p =32 z铣刀齿数z=33613N因此最大水平拖力1500kg（以下按15KN）计，可以满足最大切削力要求。二 滚珠丝杆螺母副的计算和选型2.1 X向（纵向）进给丝杆2.1.1计算进给牵引力：X向（纵向）进给为燕尾型导轨则 （2.1）式中 Fx、Fy、Fz一切削分力（N）G移动部件重量G=2000N导轨上的摩擦系数 =0.2K考虑颠复力矩影响的实验系数K=1.4对圆柱铣刀加工，各切削分力有,取中间值,，则 2.2）而插补平面内合力 （2.3）在一周的切削过程中取平均切削力为 （2.4）2.1.2 计算最大动负载C选用滚珠丝杆副的直径do时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杆在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀的现象，这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杆能承受的最大动负载C，可用下式计算： （2.5）式中 L寿命,以106转为一单位 （2.6）n丝杆转速，（/min），用下式计算 （2.7）Vs最大切削条件下的进给速度（m/min）Vs =0.40.6m/min,取Vs =0.5m/minL0丝杆导程（mm）,L0=6mmT使用寿命（h），对于数控机床T=15000h运用系数见表4-12取=1.22.1.3 滚珠丝杆螺母副的选择可采用W1L4000外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，2.5圈1列，其额定动负载24800N，精度等级按4-5选为3级。2.1.4 传动效率计算 （2.8）式中：螺旋升角,磨擦角取10滚动磨擦系数0.0030.0042.1.5 刚度计算图2.1 纵向计算进给简图如图2.1所示纵向进给滚珠丝杠支承方式，最大牵引力为4482N，支承间距L=1250mm，计算如下：(1) 丝杆的拉伸或压缩变形量1 （2.9） 在工作负载作用下引起每一导程的变化量（mm） 工作负载 滚珠丝杠的导程（mm）E 材料弹性模数，钢E=20.6104（N/mm2）A 滚珠丝杠横截面积（按内径确定）mm2“+” 用于拉伸，“-” 用于压缩 （2.10） （2.11） （2.12）R=0.52 =4.763故R=0.524.763=2.48=35+20.0056-22.48=30.05mm= （2.13）由于采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量1（mm）为=1/4=1/43.835=0.958mm （2.14）(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形W系列1列3.5圈滚珠和螺纹滚道的接触变形量Q=6.4m固进行了预紧拉伸，故其拉压刚度可以提高2倍。其实际变形量：=1/2Q=3.2m （2.15）(3) 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形3采用8107推力球轴承d1=30，滚体直径d0=6.35mm，滚体数量Z=18 （2.16）注意此公式中Fm单位为kgf因施加预紧力，故3=1/2c=1/20.01104=0.00552mm （2.17）综合以上计算：=+=0.00783+0.0032+0.00552=0.01655定位精度故要采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力=3945N=L=2和3不变=1+2+3=0.00333+0.0032+0.00558=0.01211定位精度2.1.6 稳定性校核计算临界负载（N） （2.18）式中：E 材料弹性模量，钢：E=；I 截面惯性矩（）丝杠：I=，为丝杠内径；L 丝杠两支承端距离（cm） 丝杠支承方式系数，从表4-13中查出，一端固定，一端简支=2 （2.19）=2.54故此丝杠不会产生失稳。2.2 Z向（横向）进给丝杆2.2.1 计算进给牵引力综合型导轨的牵引力为:其中=0.16, =5171N, = =2718N=1.152718+0.16(5171+3800)=4561N2.2.2 计算最大动负载C2.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型可采用W1L4508外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列3.5圈，其额定动负载为27700N, 精度选为3级2.2.4 传动效率计算=0.951=95.1%2.2.5 刚度验算图2.1 横向计算进给简图如图2.2所示纵向进给滚珠丝杠支承方式，最大牵引力为4653N，支承间距L=1000mm，计算如下：(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量1 故 R=0.524.763=2.477e=(2.477-)sin=0.0048=35+20.0048-22.477=37.06A=(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形W系列1列3.5圈滚珠和螺纹滚道的接触变形量Q=8.2m固进行了预紧拉伸，故其拉压刚度可以提高2倍。其实际变形量：2=1/2Q=4.1m (3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形采用推力球轴承8108：D=40mm,滚动体直径， 滚动体数量z=18=0.0024=0.0024=0.0013=0.0013=0.0007=0.005+0.0041+0.0007=0.0098=2.54此丝杠不会产生失稳。三 齿轮传动比计算3.1 纵向进给齿轮箱传动比计算 （3.1）式中p脉冲当量p=0.01mm/stepLo滚珠丝杆导程 Lo=6mm步进电机步距角0.753.2 横向进给齿轮箱传动比计算已知p=0.01 L0=5=0.75模数m取2，有关齿轮的参数如下表3.1所示：表3.1 齿轮传动比参数(mm)齿数32402425分度圆d=mz64804850齿顶圆Da=d+2m68845254齿根圆Df=d-21.2559754335齿宽(610)m20202020中心距A=(d1+d2)/27249四 步进电机的计算和选型4.1 纵向进给步进电机计算4.1.1 等效转动惯量计算 （4.1）式中 Jm步进电机转子转动惯量（kgcm2）； J2、J1齿轮Z1、Z2的转动惯量（kgcm2）；Js滚球丝转动惯量（kgcm2）。参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转孖转惯量Jm=10（kgcm2）。J1=0.7810-3=0.7810-36.442=2.62kgcm2J2=0.7810-3=0.7810-3842=6.39kgcm2Js=0.7810-354125=60.938kgcm2G=2000N代入上式 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。基本满足惯量匹配的要求。4.1.2 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：（1）快速空载起动力矩M起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：M起=Mamax+Mf+Mo （4.2） （4.3） （4.4）将数据代入，式中各符号意义同前。起动加速时间t=30ms （4.5） =992.62Ncm折算到电机轴的磨擦力矩Mf： （4.6） 附加磨擦力矩M0： （4.6） 上述三项合计：M起=Mamax+Mf+Mo =992.62+99.76+40.90=1133.28Ncm（2）快速移动时所需力矩M快M快=Mf+M0 （4.7）=99.76+40.90=140.66Ncm（3）最大切削负载时所需力矩M切 （4.8）从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。当步进电机为五相十拍时最大静力矩按此最大静转矩从表4-23查出，150BF002型最大静转矩为13.72Nm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。4.1.3 计算步进电机空载载起动频率和切削时的工作步频率 （4.9）150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz，运行频率为8000Hz， 150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图4.1所示。从图4.1a看出，当步进电机起动时，时，M=100Ncm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（1138.28Ncm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动力矩可增加到588.4Ncm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 起动矩频特性 运行矩频特性 a b图4.1150BF002型步进电机矩频特性当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频特性（图4.1）完全可以满足要求。4.2 横向进给步进电机计算和选型4.2.1 等效转动惯量计算 （4.10）式中： 步进电机转子转动惯量（）,初选反应式步进电机150BF，=10、齿轮、 的转动惯量（） 滚珠丝杠转动惯量（）考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题基本满足惯量匹配的要求4.2.2 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：（1）快速空载起动力矩在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体如下：起动加速时间折算到电机轴上的摩擦力矩：附加摩擦力矩： 滚珠丝杠副未预紧时传动效率上述三项合计：（2） 快速移动时所需力矩：（3） 最大切削负载时所需力矩：从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此作为初选步进电机的依据：当步进电机为三相六拍时：最大静力矩150BF002型最大静转矩为。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。4.2.3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率综合考虑，查表选用150BF002型直流步进电机，能满足使用要求。五、控制系统设计5.1绘制控制系统结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求，X5032立式铣床控制系统选用MCS-51系列单片机组成，纵向、横向及垂直方向均采用步进电机控制，三个坐标均采用硬件环形分配器，控制系统的功能包括、X向、Y向、Z给伺服运动；、键盘显示；、面板管理、行程控制、其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示硬件电路主要由以下几部分组成：主控制器，即中央处理单元（CPU）;总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；存储器，包括RAM和ROM；接口，即I/O输入输出接口电路；外部设备，如键盘，显示器及光电输入等。控制系统结构框图如图3.1所示5.2.选择中央处理单元（CPU）的类型在微机控制系统中CPU的选择主要考虑以下因素：(1)、时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度；(2)、可扩展存储器的容量；(3)、指令系统功能，影响编程的灵活性；(4)、I/O口扩展能力，即对外部设备控制的能力；(5)、开发手段，包括支持开发的软件和硬件；此外，还应考虑到系统的应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。综合考虑以上因素，这里我们选用8031芯片作为CPU5.3存储器扩展电路设计由于8031芯片内部无程序存储器，需要扩展外部程序存储器支持，同时8031内部只有128B的数据存储器供用户使用，也不能满足控制系统的要求，故需要扩展程序存储器和数据存储器。5.3.1.程序存储器的扩展8031的程序存储器的寻址空间为64字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。根据控制系的要求，这里，我们扩展2片2761程序存储器。地址锁存器由于8031芯片的口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是742S138，742S138是带三态缓冲输出的8D触发器。译码电路设计由于这里扩展的容量较大，扩展多个外围芯片。因此，这里使用译码法来进行编址。译码电路可使用现有的译码芯片，这里我们选用3-8译码器（74LS138）这种芯片，输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。38031与2761芯片的连接(1)、地址线的连接 8031芯片的和用来传送地址和数据。口传送高8位地址，口传送低8位地址和数据，因此采用74LS138锁存器，锁存低8位地址，以实现口地址和数据的分时传送ALE作为74LS138的选用信号，当ALE为高电平时，锁存器的输入和输出透明，此时不需锁存。当ALE从高电平变为低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS138的输出不再随输入变化，这样口就用来传送数据，8031芯片的口和74LS138的送出口工组成16位地址线，2761是8KB需要13根地址线，低8位接74LS138的芯片的输出，接8031芯片的。系统采用全地址译码，两片2761芯片的片选信号分别接74LS138译码器的和，系统复位后程序从0000H开始执行。（2）、数据线的连接 2761芯片的8位数据线与8031口直接连接单片机规定指令码火热数据都是由口读入，数位对应即可。（3）、控制线的连接 8031芯片的（外部程序存储器的读选通信号）与2761芯片的端相连，8031芯片的ALE（地址锁存允许信号）接地址锁存器74LS138的G引脚。5.3.2、数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，这里我们选用6264(8Kx8)，扩展1片6116，8031与6116的连接方式与8031和2761的连接大致相同，不同的是，RAM读输信号与8031芯片的引脚连接，RAM写输信号与8031的相连。由于程序存储器与数据存储器独立编址，地址可以重复使用，因此，1片6116的片选信号也分别接74LS138译码器的和5.I/O接口电路及辅助电路设计5.4.1. I/O接口电路设计8031单片机共有四个位并行I/O，但可供用户使用的只有 口和部分口，不能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这里根据系统功能及需要,扩展2片8255可编程接I/O口芯片.8255的片选信号接74LS138的端,8255芯片的片选信号接74LS138的。 74LS138三八译码器有三个输入A、B、C分别接8031，输出个输出，低电平有效。对应输入A、B、C的000到111的种组合，其中对应位000，对应位111。74LS138还有三个使能端，其中两个（和）为低电平使能，另一个为高电平使能。只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接口芯片与外部设备的连接是这样安排的，8255芯片的作为显示器段选信号输出，是显示器的为选信号输出，是键盘扫描输入。8255芯片的IO/M引脚接8031的因为使用8255的I/O，故为高电平。8255芯片接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，为三个方向的点动及回零输入，为面板上的选择开关键输入，设有编辑、单步运行、自动、手动、手动等方式。X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器采用YB015，相通五相十拍方式工作，故，引脚接+5V，三个芯片的选同输出控制分别接8255的、，清零接8255的，正反转控制端接8255的、，时钟输入端CP接8255芯片的TIMROUT，用以解决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8255芯片定时记数器中设置不同的时钟常数。5.4.2. 步进电机接口及驱动电路通常在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制，步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲转变成相应的角位移的电机，其角位移两与电脉冲成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机转速。驱动步进电机的脉冲需要按所需的顺序供给电机个相。脉冲分配器就是实现步进电机个相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定的功率，需要有足够的功率提供给步进电机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微机接口芯片，工作电压一般为5V，而作为电机电源的许符合步进电机要求的额定值，为避免干扰，在它们之间采用光电隔离电路、脉冲分配器（环形分配器）这里X向、Y向和Z向三个方向均采用YB015环形分配器。、光电隔离电路在步进电机驱动电路中，一般在接口电路与功率放大器之间家上光电隔离电路，实现电气隔离，通常使用光电偶合器作为光电隔离电路。功率放大器环型分配器的输出脉冲很小，还远不能满足步进电机的要求，不许将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。5.4.3. 其他辅助电路、8031的时钟电路 单片机的时钟可由内部方式产生，内部方式利用芯片内部的振荡电路，在XTA，XTA引脚上外接定时元件。、复位电路单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在引脚上出现10ms 以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000单元开始执行程序、越界报警电路为防止工作台真越界，可分别在极限位置安装限位开关，此控制系统中有越界报警和急停处理电路，方向的越界和急停信号经或门8031的中断源同时又接到8031的口，采用硬件申请中断和软件查询的方法，这样无论哪个方向越界都会引起中断，在中断服务中通过软件查询的办法，便可确定是哪个方向越界，当等方向越界，则相应的红灯亮报警。六 结论本课题的目的通过对X5032立式铣床的进给系统的数控改造来了解并掌握普通铣床进给系统的数控化改造，改造后的铣床基本上达到了设计的要求，提高了机床的纵向和横向的精度，使分辨率达到了0.01mm，并能够进行特殊的零件加工和复杂的零件加工。而且本课题采用了8031单片机，即可实现自动化，从而提高加工效率，加工的零件精度变高，拥有自动报警，自动监控，自动补偿等多种自律功能，可降低操作人员的劳动强度。 在做毕业设计的这段时间里，针对这个课题，我查阅了大量资料，制定出了改造方案，按照老师的