X53K立式铣床的数控化改造毕业设计（机械CAD图纸）

1、本科机械毕业设计论文cad图纸 qq 401339828 优秀设计目 录设计任务 2目录 3一、 前言 5二、 设计方案论 6三、 纵向进给系统的设计 103.1工作台重量的估算和切削力的计算 103.1.1工作台重量的估算 103.1.2切削力的计算 103.2滚珠丝杠的设计 103.2.1滚珠丝杠螺母副结构类型的选择 103.2.2滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤 113.2.2.1 计算最大工作载荷 113.2.2.1 计算最大工作载荷 113.2.2.3、计算传动效率 123.2.2.4、刚度验算 133.3脉冲当量和传动比的计算 153.3.1确定系统脉冲当量 153.3.2 传动

2、比的选定 153.3.3 齿轮传动的确定 163.4进给伺服系统传动计算 173.4.1转动惯量的计算 173.4.1.1齿轮、丝杠等圆柱体惯量的计算 173.4.1.2工作台折算到丝杆的转动惯量 173.4.1.3传动系统折算到电机轴上的转动惯量 183.4.1.4电机的转动惯量的确定 183.4.1.5系统总的转动惯量 183.4.2步进电机的计算和选用 183.4.2.1电机力矩的计算 183.4.2.2摩擦力矩 19 3.4.2.3附加摩擦力矩 19 3.4.2.4折算到电机轴上的切削负载力 203.4.3步进电机的选择与校核 203.4.3.1根据最大静态转矩初选电机型号 203.4

3、.3.2计算电机工作频率 21四、 微机控制硬件设计 4.1微机控制系统的概述 4.2系统的介绍 4.3步进电机驱动控制电路 五 结束语21六 致谢22七 参考文献22一、前言数控机床可以较好的解决形状复杂、精密多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已经成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。机床的数控化改造一般是指对现有某台普通车床的某些部位做一定的改装，配上经济型数控装置或标准型数控数控系统，从而使原机床具有数控加工能力。这种技术工作有其独特的特点。机床数控化改造的意义： 1. 节约资金数控机床的价格昂贵，一次

4、性投资大，对中小企业常是心有余而力不足。机床的数控化改造同购置新的机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3，即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床的一半2. 性能稳定可靠因原机床各基础件经过长期实效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3. 提高生产率机床经出数控改造后即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3到5倍。对复杂零件而言加工难度越高功效提高得越多。且只需一次或少数几次安装就能加工完零件的全部。目前国内数控机床的广泛应用受到一些条件的限制。现在我国机床数控化率不到5%。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、

5、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益、影响企业德生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。数控铣床用途广泛，不仅可以加工各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面和孔。而且还能加工各种平面曲线和空间曲线等复杂型面。适用于各种模具、凸轮、板类及箱体类零件的加工。本设计课题就是立足于实际情况，将普通的x502立式铣床（机械纵向部分）进行数控化改造。二、设计方案论证 目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合

6、我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如下图所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一

7、次延时程序，由延时程序控制进给速度。开环控制系统框图机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控铣床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有相似之处。然而，现代的数控机床不是简单将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足，抗震性差，热变形大，滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度，表面质量，生产率以及使用寿命等要求。现代机床的部件结构，整体布局，外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此，我们在对数控机床进行数控改造的过程中，应在考虑

8、各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能的 与数控机床相接近。机床的改造主要应具备两个条件1.机床基础件必须有足够的刚度2.改装的费用要合适，经济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定，改装后其各项指标能达到数控加工的要求。将一台x502立式铣床改装成微机数控铣床，要求原机床的改动尽量少，以降低成本，提高性价比。根据这个要求保留原机床的主轴旋转运动以及纵横向进给的机动部分，改造后的数控铣床要求结构简单、经济实用、易于推广普及。因此采用步进电机为饲服元件，用来驱动纵横向工作台的进给运动。拆除机床上原有的纵横向丝杠螺母元件，改用步进电机和减速齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。并选择合适的数控系统，使其扩

9、大加工范围，适用于现阶段我国的中小型机械加工企业。机械部分数控化改造需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。1伺服驱动元件 进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低,低频率， 噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横纵向进给电机均选用同一型号以便于改造和日后维修。脉冲当量t=0.01mm/脉冲，选用步距角=0.6 。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。2机床导轨的选择由于原机床采用滑动导轨，在低速时容易发生“爬行”现象，直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。3进给传动

10、系统数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。滚珠丝杠螺母副安装时需要预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。即通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单，轴向刚度好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好如图2-1。为消除传动

11、系统中的反向间隙，提高重复定位精度，传动元件连接采用无键锥环连接。图2-1 滚珠丝杆的结构4、 微机控制系统方案的确定 1、微型控制系统的设计内容包括：1）控制系统硬件电路设计计算和参数选择；2）步进电机接口及驱动电路设计。 2、微机控制系统的总体组成 数控部分采用mcs-51单片机为核心的控制系统.目前，数控机床中应用最多的是mcs-51单片机，他价格低，功能强，使用灵活等特点.存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及cpu的字长，i/0扩展芯片的个数根据整个系统需要的i/0通道的个数来确定。3、软硬件系统的设计涉及软硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生于脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘

12、扫描管理。硬件系统 （1）基本组成（最小系统）（2）系统扩展 1）程序存储器扩展2）数据存储器扩展3）输入输出端口扩展 4）综合功能扩展（3）接口技术 1）键盘接口技术2）显示器接口（4）步进电机控制硬件电路。上述三个任务都可以用专用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。用硬件实现，编程比较简单，但同时硬件成本及故障。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软硬件方面的实际经验及能力。软件系统包括：（1）软件结构与基本组成（2）插补原理及软件程序（3）步进电机控制软件。三、纵向进给系统的设计在纵向进给系统的改造中，拆掉了原机床的丝

13、杠螺母机构，更换上步进电动机和一对齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。 3.1工作台重量的估算与切削力计算 3.1.1工作台重量的估算纵向工作台约重60kg，床鞍和回转盘约重140kg，总重量g=60+180=200kg。 3.1.2切削力计算： 切削功率为： nc=kp （1）式中：p主电动机功率，7.5kw 主传动系统总效率，一般为0.60.7，取0.65 k进给系统功率系数，取0.96 根据式(1)可得：nc=4.3kw。又因为nc=fcvc10-3，则fc=nc/vc，vc为切削线速度，取100m/min，所以主切削力fz=2.7kn。通常：纵向切削分力f纵=(0.60.9)fz，垂直切削分力f

14、垂=(0.450.7)fz，横向切削分力f横=(0.50.55)fz。取f纵=0.6fz=1.6kn，f垂=0.45fz=1.2kn，f横=0.5fz=1.3kn，3.2滚珠丝杠设计3.2.1滚珠丝杠螺母副结构类型的选择因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题，通过查第三章表32和表33，可以初步选用“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧（cmd）”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较高；刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。它主要适用于重载荷、高刚度、高速驱

15、动及较精密的定位系统，是目前应用得较广泛的结构。3.2.2滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤3.2.2.1 计算最大工作载荷1、由题设已知条件，铣床导轨的类型为综合导轨。再查指导书 p38表3-29得最大工作载荷。该式中：k = 1.15；取 f = 0.16（f =0.150.18）（摩擦系数）；g为工作台及夹具总重量的1/2。由题设已知条件可得g = 400 n。将以上数值及先前计算得到的三组、数据代入上式，可得到三组相应的的最大值 fm=1.152598.86+0.16 (1588.19+400)=3306.7794(n)3.2.2.1 计算最大工作载荷最大动载荷c可由下式计算 (1)(

16、1) 式中：各参数见专业课程设计指导书-硬度系数，选1.1(hrc60) -运转系数，选1.0(有冲击运转) l -寿命，由下式计算 (2)(2) 式中：t-使用寿命(h)，对于数控机床t=15000(h) n-丝杠转速(r/min)，可由下式计算 (3)(3) 式中：-最大切削力条件下的纵向进给速度(m/min)，查指导书为540(mm/min)可取最高切削进给速度的1/21/3，现取1/3，即 =0.54(m/min)=0.18(m/min) -所选用丝杠的基本导程，考虑到传动精度的要求，可选基本导程为4、5、6(mm)的丝杠。 现选取基本导程为6mm基本导程为6mm 时：=27 c3=1

17、0912.44(n)查机电一体化系统设计表3-11当l0=6时 ca=16083nc3，所以合格（圈数列数=2.51）所以 丝杆选择l0为6mm，d0=40mm通过查金属切削机床设计简明手册表4-143可知公称直径=40mm、基本导程为6mm的丝杠，查得它们的承载能力ca为16083n，螺旋升角为（2.73）、，圈数列数分别为2.51，滚珠直径为3.969mm，-接触角()。3.2.2.3、计算传动效率传动效率可由下式计算上式中：-丝杠螺旋升角 -摩擦角。滚珠丝杠副的摩擦角约 当公称直径=40mm、基本导程为6mm 时： =0.94230.9满足设计要求。3.2.2.4、刚度验算(1)丝杠的拉

18、伸或压缩变形量当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际变形量为（由指导书p39，公式324可知）： (拉伸为，压缩为)上式中：e-材料弹性模数，对于钢：l-滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm)l= 工作长度+螺纹长度+轴承宽度+端盖宽度700 mm f-滚珠丝杠的截面积()，可由下列几式计算、-滚珠直径(mm)，-接触角()，r-滚道法面半径(mm)，e-偏心距(mm)， -丝杠公称直径(mm)当公称直径=40mm、基本导程为6mm时：r=0.523.969=2.06388 (mm)d=40+20.056130-22.06388=35.984(mm) =1016.971(mm)

19、 =(mm)(2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际变形量为=0.0013上式中：-最大工作载荷(kgf)，fm=418.734 (kgf) -预紧力(kgf)，=139.579 (kgf) -滚珠直径(mm)，-滚珠数量，z圈数列数 z -一圈的滚珠数， (外循环)当公称直径=40mm、基本导程为6mm时 31.662.51=79.15=0.0013=0.003072(mm)当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，的值可减少一半。即：= = 0.001536(mm)(3)滚珠丝杠轴承的轴向接触变形（1） 当公称直径=40mm、基

20、本导程为6mm时选用型号为51207的轴承，其参数如下：型 号内径d (mm)外径d (mm)厚度t (mm)额定动载荷(kn)5120735621839.2由 z=z=18 所以，可估算两边总得滚动体的数目为36。将以上数据代入可得：=0.0024 =0.005072 (mm)基本导程为6mm时：=0.009438(mm) 1)j-各转动体的转动惯量(kg.cm)n-各转动体的转速(r/min)n-电机的转速(r/min)j-电机的转动惯量(kg.cm)3.4.1.4电机的转动惯量的确定查表3.8机电一体化系统设计，因为选用电机工作方式的是五相十拍，步距角为=0.75，故符合的是：150bf

21、002和130bf001。电机的转动惯量分别为：150bf002:130bf001:3.4.1.5系统总的转动惯量 j=- j +j=27.01+4.606=31.616(kg.cm)j=- j +j=27.01+9.8=36.81(kg.cm)3.4.2步进电机的计算和选用3.4.2.1电机力矩的计算 快速空载起动时所需力矩： 最大切削负载时所需力矩：电机的力矩主要是用来产生加速度，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。=642.46（n.cm）式中：-传动系统折算到电机轴总的等效转动惯（选1来计算） -运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需的时间（s

22、）约为30毫秒 -电机最大转速(r/min)n=500.00( r/min) -运动部件最大快进速度2400(mm/min)3.4.2.2摩擦力矩上式中：g-运动部件的总重量(n) -导轨摩擦系数0.16 i -齿轮总减速比 -传动链总效率，一般取0.70.85，在此取0.83.4.2.3附加摩擦力矩 上式中：-滚珠丝杠预加负载(n)，一般取最大工作载荷的1/3，1102.2664(n) -滚珠丝杠基本导程0.8(cm)- 滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取，今取0.94 。3.4.2.4折算到电机轴上的切削负载力 上式中：-进给方向最大切削力(n)，即前面计算进给工作台工作载荷、时所得到第

23、（4）组数据的，所以2598.86(n) 综合以上，可得150bf002 m=551.803+6.1213+112.27=570.1943 m=248.57+6.1213+12.27=266.8713130bf001 m=642.46+6.1212+12.27=660.8513 m=6.1115+11.7964+248.1728=266.08073.4.3步进电机的选择与校核3.4.3.1根据最大静态转矩初选电机型号 步进电机的起动：mm 对于五相十拍步进电机：931符合要求前面计算时已初选型号为150bf002和130bf001的步进电机，其相关参数为：型 号相数步距角()最大静转矩()空载

24、起动频率(步/s)空载运行频率(步/s)分配方式转子转动惯量130bf00150.757843000160005相10拍4.6.06150bf00250.75490280080005相10拍98注：数据来源于机电一体化系统设计第三版，张建明等编著，p111表3-113.4.3.2计算电机工作频率（1)最大空载起动频率： =4000.00(step/s)f f =7000(step/s) ，满足要求。（2)切削时最大工作频率 =900.00(step/s)f 0.5不满足要求 .不满足要求。而对于150bf002的步进电机 满足要求 满足要求满足要求。最终选150bf002的步进电机四、微机控制

25、硬件设计主要内容：以mcs-51系列单片机为核心的控制系统。一、硬件系统 （1）基本组成（最小系统）（2）系统扩展 1）程序存储器扩展 2）数据存储器扩展 3）输入输出端口扩展 4）综合功能扩展（3）接口技术 1）键盘接口技术 2）显示器接口技术（4）步进电机控制硬件电路二、软件系统 （1）软件结构与基本组成（2）插补原理及软件程序（3）步进电机控制软件4.1 微机控制系统概述4.1.1 微机控制系统的设计思路1.确定系统状态控制方案1）从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制；2）执行元件采用何种方式；3）考虑系统是否有特殊控制要求对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取的措施是什

26、么？4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机承担哪些任务，为完成这些任务微机应具备哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。5）初步估算其成本，通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附加说明，以此作为设计的基础和依据。2.确定控制算法1）建立系统的数学模型，确定其控制算法，按照规定的控制算法进行控制。2）控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。3）在选择控制算法时，应考虑所选的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。3.选择微型计算机 对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制角度出发，微机应能满足具有较完善的中

27、断系统、足够的存储容量、完善的输入/输出通道和实时时钟等要求。1）较完善的中断系统 2）足够的存储容量3）完备的输入/输出通道和实时时钟。4.2.1 微机控制系统基本硬件组成任何一个微机控制系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是软件的基础，而配置了软件的硬件才有控制功能，数控系统通过与硬件软件的密切配合实现各种功能。 控制系统硬件基本组成框图4.3 plc 控制的硬件设计4.3.1硬件配置根据实际情况，在铣床的电气改造过程中，保留原有的机械操作不变，将原来继电器控制的线路用plc 控制系统取代，本文采用三菱公司的fx2 16作为控制器，它输入点数为16 点，输出点数为16 点。fx2n是fx 系

28、列中功能最强、速度最快的微型可编程序控制器。它的基本指令执行时每条指令高达0.08s，用户存储器容量可扩展到16 kb，i/o点最大可扩展到256点，有多种特殊功能模块，有多种rs232/rs422/rs485串行通信模块或功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信功能。用户程序容量32 kb满足机床6点输出、14点输入的要求。plc的供电电源由隔离变压器提供，这样可以减少电网波动或噪声对plc 的干扰。3.3.2 plc 的输入、输出地址分配plc 的输入、输出地址分配如表5、6所示输入信号端口主轴停止sb1、sb2 x0主轴启动sb3、sb4x1工作台快移sb5、sb6x2工作台右进

29、给sq1 x3工作台左进给sq2 x4工作台前、下sq3 x5工作台后、上sq4 x6进给变速瞬动sq6 x7主轴变速瞬动sq7 x10速度继电器正向触点srf x11速度继电器反向触点srr x12圆工作台转换开关sa1-1 x13圆工作台转换开关sa1-2 x14圆工作台转换开关sa1-1 x15表5输入端口分配输出信号端口液压电动机接触器km1y0主轴电动机制动接触器km2y1主轴电动机起动接触器km3y2进给电动机正转km4y3进给电动机反转km5y4快速进给电磁铁y5表6 输出端口分配3.3.3plc 的i/o 接线图根据控制要求和系统输入、输图2 输入输出接线图3.4 plc系统的

30、软件设计3.4.1 梯形图的设计根据x502铣床的控制原理，plc 控制梯形图。如图2 所示3.4.2 程序指令图3 plc 控制梯形图程序指令如表7所示地址指令数据地址指令数据0000ldx100050orix50001aniy20051anim50002outm00052outm40003ldix100053ldix40004m cn00054orix6m1000055anim40007l dx00056outm50008o rm10057mcrn20009ldx110059ldm40010o rx120060outt40011anbkto0012anix220063ldt40013out

31、m10064o rm20014ldm10065orm30015outt10066outy4kt10067ldm50018m c r n00068outt50020l dt1kto0021anix100071l dt50022o rm00072outy50023out y10073ldix150024ldix100074m cn20025m cn0m104m1010077ldix30028l dx10078anix40029o ry20079anix50030andx00080anix60031aniy10081anix70032outy20082anim50033l dx00083outm20

32、034andy20084l dx20035m c n10085outy6m1020086mcrn20038l d x70088ldix30039anix60089anix40040anix50090anix50041ldi x150091anix60042ani x40092anix70043anix30093aniy50044orb 0094andx140045and x130095outm30046mcn20096mcrn1m1030098mcrn00049l dx30100end5. 总结随着科学的发展与技术进步,人们对现代企业的生产设备提出了更高的要求。企业为满足这种需求,靠完全淘汰旧

33、机床购置现代化新机床几乎不可能,而且也没必要,因为这样做势必会造成旧机床的闲置与浪费,同时也会因购置新数控机床导致更大的资金开支。近年来数控系统发展迅速,且质量稳定可靠、精度较高、性能价格比高,市场上数控机床的零配件供应及时。机床数控化改造可以在对机床不做大的变动和投资较小的情况下,增加数控装置和电气伺服系统,使普通机床具备数控机床的功能。改造前应对原机床各部分进行保养和改造前的准备，具体内容如下:（1）原机床的全面保养机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。（2）保留的电气部分最佳化调整若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。（3）合理安排新系统位置及布线根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合