X53K立式铣床数控改造-正文

1、 毕 业 设 计(论文)题 目 名 称 X53K立式铣床数控改造题 目 类 别 学 院（系） 专 业 班 级 学 生 姓 名 指 导 教 师 开题报告日期 目录第一章 概述2一 设计目的2二 、 设计课题3第二章 设计说明4一 、 总体方案的确定及框图4二 、 机械部分设计计算5三 、 进给伺服系统结构设计11四 、硬件部分电路的设计13五、 凸轮加工程序18第三章 毕业设计体会20一 、毕业设计体会21参考资料21第一章 概述 一 设计目的数控，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，其对零件的加工相比普通机床有着很多的优点：1. 动化程度高：2. 加工精度、加工质量稳定可靠；3. 对零

2、件加工的适应性强灵活性好，能加工形状复杂的零件；4. 加工生产率高；5. 有利于生产管理的现代化 并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床的数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对X53K立式铣床进行了数控化改造。二 、 设计课题 X53K立式铣床的经济型数控化改造设计1 要求：将铣床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣

3、床，步进电机开环控制，要求具有直线和圆弧插补功能。机械部分要求计算，硬件电路部分要求用8031作CPU，控制系统中要求包括扩展程序存储器、扩展数据存储器、I/O接口芯片、译码电路及键盘、显示等外设、硬件电路要求包括3个坐标系统。2 参考设计参数：工作台尺寸：4001600工作台行程：纵向：880mm工作台及夹具工作重力：纵向：3500N工作台进给速度：纵向：1.4m/min主电机功率：10KW起动加速时间：30ms定们精度：0.01mm代码制：ISO输入方式：增量值、绝对值通用控制坐标数：3最小指令值：0.010.005/脉冲自动升降速性能：有第二章 设计说明一 、 总体方案的确定及框图1 总

4、体方案的确定根据设计任务的要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易，为确保数控系统的传动精度和工作平衡性，采用低摩擦的传动和导向元件，此工作台采用滚珠丝杆螺母副和液动导轨，为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙，计算机系统采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。2总体方案框图 二 、 机械部分设计计算1工作台外形尺寸及重量估算 纵向：X=1600mm 工作加工范围：纵向：X=880mm 工作台及夹具工件策略：Gx=3500N 横向：z=400 工作加工范围：横向：z=300mm 工作台及夹具工

5、件策略：Gz=5500N2 钻削计算 Pz1=GFdfK查得：C=304.11,XF=1,YF=0.8,KF=1取f=0.005mm/r则：Pz1= 304.1140.051=111N3. 铣削力计算P=9.8122.6aadaza=0.05d(铣凸轮) 铣削接触弧深a=0.1mm/z 每齿进给量铣刀直径：d=12铣削深度：a=8铣刀齿数：z=3P=9.8122.620.11283=217查表得：P/P=1,则走刀抗力P=P=217N4.滚动导轨的参数确定1）导轨形式：在原有滑动导轨的基础上，采用贴塑处理，摩擦特性好，耐磨性好，减振特性好等特点，且工艺较简单。5滚珠丝杆的设计计算 滚珠丝杆的负

6、荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时情况计算。（1）最大动负荷Q的计算：Q=fP运转系数f=2，寿命值L=，n=式中 L 寿命 ，以10转为一单位 n 丝杆转速（r/min） V 为最大切前力条件下的进给速度（m/min）可取最高进给速度的1/2 1/3纵向: V=0.6m/min L 丝杆导程（mm） T 为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h; f 运转系数，表3 14初选丝杆螺距L=6mm，得丝杆转速n为：n=60r/min所以L=54 X向丝杆牵引力：P=P+1.414fG =217+1.4140.0013500=222N式中 f 当量摩擦系数，取0.01所以

7、最大动负荷：X向：Q=fP=2229N查表取滚珠丝杆直径d=30,选用滚珠丝杆螺母副的型号为NL3005型，单螺母变导程预紧，见附录A表A7 （2）滚珠丝杆螺母几何参数计算如下：名称符号计算公式和结果/mm螺纹滚道公称直径d30螺距t6接触角 45钢球直径d 3.969螺纹滚道法面半径R 2.064螺杆偏心距eE=(R-dq/z)sin=0.045螺纹升角=arctg=32螺杆直径dD=d-0.2d=29.5螺杆内径dd= d+2e-2R=26.8螺杆接触直径dzd= d- dcos=27.8螺母螺母螺纹外径DD=60螺母内径D1D1= 50(3)传动效率的计算 =0.96式中 摩擦角 约等于

8、10 螺纹升角（4）刚度验算 滚珠丝杆受工作负载P引起的导程L的变化量为 L=式中L 在工作负载P作用下引起每一导程的变化量（mm）； P 工作负载，即进给牵引力（N）； L 滚珠丝杆导程（mm）； E 材料弹性模数（N/mm）,对钢为20.610N/mm; F 滚珠丝杆截面积（按内径确定）X向： P=222N. L=5mm, E=20.610 N/mm F=R=5.638cm所以L=1.2710cm丝杆因受扭矩而引起的导的变化量L很小，可忽略所以导程总误差=L100/ L=2.53m/m查表知E级精度的丝杆允许误差1.5m，故刚度足够。6）步进电机的选用 （1）步进电机的步距角：对步进电机施

9、加一个脉冲信息，步进电机就回转一个固定的角度。 因为系统分辨率为0.01mm，所以取系统脉冲当量=0.01mm/step初选步进电机步距角=1.5（2）步进电机启动转距的计算 设步进电机等效负载转矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理电机所做的功与负载力做的功有如下关系：T=Ps 式中 电机转角； s 移动部件的相应位移； 机械传动效率若取=1.5，则s=,p=p+(G+P)所以T=P+（G+P）式中： p 铣削时走刀抗力（N）；G 移动部件重量（N）；P 与策略方向一致的切削力（N）； 导轨摩擦系数，取0.005； 步进电机的步距角；T 电机轴负载转距（Ncm）;代入数据得：T=10.45N估

10、算起动转矩：T=Ncm=34.8N.cm对工作方式为三相六拍的步进电机，=0.866；可求出最大静转矩T=46.4(3)步进电机的最高起动频率f及运行频率f计算f=2333Hzf=1000Hz（4）确定步进电机型号根据以上计算，从表32.3中选出130BF001型电机可以满足要求，因为加工材料为青铜，切削力小，故不再进行校核计算。尺寸如下图：7） 确定齿轮传动比及模数和有关尺寸因为步进电机中距角=1.5，滚珠丝杆螺距离t=5mm,要实现脉冲当量=0.01mm/step，在传动系统中应加一级齿轮降速传动，降速传动比：I=0.48选Z=24，Z=50因传递的扭矩较小，取模数m=2,齿轮有关尺寸如下

11、表：关系式 ZZ Z 24 50 d=mz 48 100 d=d+2m 52 104 d=d-21.25 43 95 B=(36 )mm 10 10 A= 74三 、 进给伺服系统结构设计纵横向进行机构装配图1.经过计算,本设计采用130BF001型步进电机，内循环NL3005滚珠丝杆副，齿轮箱中装有三个齿轮Z=24，Z=52，Z=25，模数m=2。内循环螺纹调整的双螺母滚珠丝杆副,NL4006.2.齿轮箱体在工作台的右侧,设计中将一对齿轮水平放置(图中没画出),避免箱体高工作台面影响工人操作.步进电机装在齿轮箱盖14上,为了保证电机与滚珠丝杆平衡度,在装配之前,应将端盖14与箱体11用螺钉坚

12、固后打销孔.在上镗床,在一次装夹中镗出100H8和68H8两个孔,再将端盖坼下,进行装配.3.将原回转台8中的锥齿轮,滑动螺母等零件去掉，将回转台稍作加工，装入滚珠螺母，再装调左端的丝杠支架和右端的箱体11，使滚珠丝杠与导轨平行，滚珠丝杠带动工作台运行灵活，无阻滞现象，再坚固螺钉，并打定位销。4在水平面内应使丝杆中心线距导轨的距离尽量小，否则将会产生颠复力矩，增大摩擦力使运动不平稳。此外设计中常见的错误是为了在大齿轮端面与箱壁的矩，任意加长电机伸出轴这是不允许的。如果齿轮端面与箱壁矩离太小，不便于装配，可以用加长齿轮轮毂的方法来解决。5本图的消隙齿轮，是采用两个薄片齿轮，中间开有三个月牙形的槽

13、放入压簧，并用三个内六角螺钉固定（MM和NN）。这种消隙齿轮的装配顺序是：首先将双片齿轮相对转过一个齿距，使双片齿轮对齐，弹簧29受压，上紧螺钉26装入箱体后，将螺钉26松开，弹簧40将双片齿轮沿周向错开，以消除与齿轮23的侧隙，此时再将螺钉26上紧。设计时弹簧两端用削扁的销子压住。6将原来机床横向进给手轮，刻度盘及前面的护盖拆去，将螺杆换成NL3005滚珠丝杆，仍利用原来的一对圆锥滚子轴承，齿轮箱体直接装在升降台上。为了将步进电机装在升降台右侧，齿轮箱体的后面，以便工人操作，必须加大丝杆中心与电机轴的中心距，故此设计中采用齿数为52的中间介轮。因Z=52齿轮直径较大做成双片齿轮，用以消除齿侧

14、间隙。箱体上的电机止口孔100，中间轴轴承外圈孔42，及与升降台上寂位座圈7作止口配合的孔75，是在镗床上一次镗出，其也中心距分别是770.023与760。023，装配时将箱体止口孔75H8装在定位座圈4上，则保证了滚珠丝杆上装的齿轮8（Z=25，m=2）与箱体中问轴上的齿轮10（Z=52,m=2）的中心距，使齿轮能正确啮合。旋塞件4是为了旋下后，能从孔中伸进内六角杆，用来松紧介轮上的3个螺钉，使消隙齿轮错齿，以消除上下齿轮与之啮合的侧隙。具体见装配图四 、硬件部分电路的设计1 控制系统的功能6. X向、Y向、Z向的进给伺服运动；7. 键盘显示；8. 面板管理9. 行程控制10. 其他功能、例

15、如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示2 CPU和存储器CPU采用8031芯片，由于8031芯片内无程序存储器，需要有外部程序在存储器的支持，同时8031内部只有128B的数据存储器也远不能满足控制的要求。故扩展了16KB程序存储器由两片2764组成，又扩展了一片6264数据存储器。8031芯片的P和P用来传送外部低8位地址和数据，P口传送高8位地址，P口传送低8位地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器的输入和输出透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需锁存。当ALEN高电平弯低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不再随输入变化，这样P口就可

16、用来传送读写的数据了。8031芯片的P口和74LS373送出的P口共组成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线。AA低8位接74LS373芯片的输出，AA接8031芯片的PP。系统采用全地址译码，两片2764芯片片选信号分别接74LS138译码器的和系统复位以后程序从0000H开始执行。6264芯片的片选信号也接74LS138的，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠），8031芯片控制信号接2764的引脚，读写控制信号和分别接6264芯片的和，以实现外部数据存储器的读写。由于8031芯片内部没有ROM故始终要选外部存储器，故其必须接地。3 T

17、/O接口电路由于8031只有P口和P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H-2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的片选信号接74LS138的，8255芯片片选信号接到74LS138的端。74LS138译码器有三个输入A、B、C分别接到8031的P、P、P，输出8个输出，低电平有效。YY对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中对应A、B、C为000，Y对应A、B、C为111。74LS138还有三个使能端，其中2上（和）为低电平使能，另一个G为高电平使能，只有当使能端处于有效电平时

18、，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PAPB是显示器的位选信号输出，PCPC5要线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/引脚接8031芯片的P，因为使用8155的I/O口，故P为高电平。 8255芯片PAPA接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出PBPB为三个方向的点动及回零输入，PCPC为面板上的选择开关是输入，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下表：芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元地址编码2764（1）0 0 0 8KB0

19、000H1FFFH2764（2）0 0 1 8KB2000H3FFFH62640 0 1 8KB2000H3FFFH8155RAM1 0 0 1 1 1 1 0 256B9E00H9EFFHI/O1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6B9FF8H5FFFH 82550 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4B5FFCH5FFFHX向、Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，3-2相通电五相十拍方式工作，故A、A引脚均接+5V，Z向步进电机硬件环形分配器采用YB014，是以2-3相通电四相八拍试工作。A、A接高电平。三个芯片的选通输出控制分别接8255的PA、PA、PA

20、，清零接8255的PA，正反转8255的PA、PA、PA，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的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片定时/计数器中设置不同的时间常数。4 其他辅助电路此控制系统中设有越界报警和急停处理电路。X、Y、Z方向的越界和急停信号经或门引入 8031的P中断源、，同时接到8031的P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，在中断服务程序中通过软件查询的方法，便可确定是哪个方向越界，当X、Y、 Z等方向越界，则相应的红灯这报警，另外，还有上电和按钮，相结合的复位电路、光电隔离电路和功率放大电

21、路等。 面板 五、 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：O0012N0010 G92 X450.0 Y200.0 Z300.0N0020 G90 G

22、00 X95.0 Y70.0N0030 Z-6.0 M3N0040 G01 G41 H12 Y0 F100N0050 G02 X71.666 Y-29.926 R72.0N0060 X-71.666 R310.0N0070 Y29.926 R72.0N0080 X71.666 R310.0N0090 X95.0 Y0 R72.0N0100 G00 G40 Y70.0N0110 M5N0120 G91 G28 Z0N0130 G28 X0 Y0N0140 M02第三章 毕业设计体会 一 、毕业设计体会 也许是一开始就对毕业有种恐惧感吧，接到设计任务书，想着自己要单独的面对设计，想着设计搞好后的答辩，答辩之后的离校。种种烦人思绪一下子全涌上了心头，即将结束学生的生涯，走上社会，是我最不愿意想的，可是我无法不面对现实。匆匆地要自己结束