欧阳鹤X53K立式数控铣床纵向进给改造设计

1、 毕 业 设 计(论文)题 目 名 称 X53K立式数控铣床纵向进给改造设计题 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 录摘要-3第一章 概述-51.1 课题概述与设计目的-51.2 设计课题-9第二章 设计说明-102.1 总体方案的确定及框图-102.2 机械部分设计计算-112.3 进给伺服系统结构设计-172.4硬件部分电路的设计-192.5 凸轮加工程序-24第三章 毕业设计体会-263.1毕业设计体会-26参考资料-28摘要在过去二十年间，工业上已应用机器人来完成使操作人员感到厌烦和紧张的那些单调而又不安全的操作。由于机器人完成某

2、些操作要比人更快，更精确，故在各种制造工业中的应用愈来愈广泛。对多数大型制造业（如汽车工业）来说，为保持其具有竞争性，必须大规模采用机器人。目前，机器人已广泛应用在点焊和缝焊、装配部件、移动重物、喷漆、重复加工等操作中，。为使机器人能完成上述这些操作，必须使用小型计算机对机器人进行编程。小型计算机不仅要对机器人发出完成所要求工步的指令，而且还要能记忆程序。由操作人员（或程序员）将信息反馈给小型计算机个CRT或视频显示所组成的控制装置。操作人员可以随时改编原有程序，即：删除或插入任何所要求的工步。关键字：加工精度，设计方案，分配，参数ABSTRACTOver the past two decad

3、es the robot has been introduced into industry to perform many monotonous and often unsafe operations which in the past had caused both boredom and stress among employees. Because robots can perform certain basic tasks more quickly and accurately than humans they are being increasingly used in vario

4、us manufacturing industries. In order for most of the larger manufacturing industries, such as the automotive industry, to remain competitive it has been necessary for them to introduce robots on quite a large scale. Robots are now used extensively for such operations as spot and seam welding, assem

5、bling components, moving heavy parts, spray painting, and repetitive machining operations.In order for a robot to perform these tasks it must be programmed by a minicomputer, which will not only direct the robot to perform the required steps but will also “remember” the sequence. Information is fed

6、by the operator (or programmer) into a control unit consisting of the minicomputer and a cathode ray tube (CRT) or video display. The operator can, at any time, edit a previous program by deleting or adding any desired steps.KeyWords: Accuracy of Process,Project Design,Allotment,Parameter第一章 概述 1.1

7、课题概述与设计目的数控，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国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发

8、展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。2001年国内数控金切机床产量已达1. 8万台，比上年增长28. 5%，机床行业产值数控化率从2000年的17. 4%提高到2001年的22. 7%。2001年，我国机床工业产值己进入世界第5名，机

9、床消费额在世界排名上升到第3位，达47. 39亿美元，仅次于美国的53. 67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24. 06亿美元，比上年增长27。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加

10、工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通铣床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有铣床上进行数控改造有着较好的市场前景。我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到

11、3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、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，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。我国自改革开放以来，很多企业从国

12、外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗

13、高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 本课题是围绕将X53K立式铣床改造成经济型数控铣床展开设计的，经济型数控铣床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控铣床系统就是结合现实的的生产实际，

14、结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通铣床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。利用微机改造现有的普遍铣床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工铣床，即经济型数控铣床。 进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小

15、批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通铣床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。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

16、X53K立式铣床进行了数控化改造。1.2 设计课题 X53K立式铣床的经济型数控化改造设计1.2.1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。1.2.2参考设计参数：工作台尺寸：320×1250 mm2工作台行程：纵向：660mm工作台及夹具工作重力：纵向：2800 N工作台进给速度：纵向：2 m/min最大进给速度： 0.8 m/min主电

17、机功率：7.5KW起动加速时间：30ms定们精度：±0.05mm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2.1总体方案的确定及框图2.1.1总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

18、。2.1.2总体方案框图 2.2 机械部分设计计算2.2.1工作台外形尺寸及重量估算 纵向：X=1250mm 工作加工范围：纵向：X=320mm 工作台及夹具工件策略：Gx=2800N 横向：z=400 工作加工范围：横向：z=300mm 工作台及夹具工件策略：Gz=5500N2.2.2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= 304.11×4×0.05×1=111N2.2.3铣削力计算P=9.81×22.6aadaza=0.05d(铣凸轮) 铣削接触弧深a=0.1mm/z

19、每齿进给量铣刀直径：d=12铣削深度：a=8铣刀齿数：z=3P=9.81×22.6×20.1×12×8×3=217查表得：P/P=1,则走刀抗力P=P=217N2.2.4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。2.2.5滚珠丝杆的设计计算 滚珠丝杆的负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

20、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+1.414×0.001×3500=222N式中 f 当量摩擦系数，取0.01所以最大动负荷：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

21、算公式和结果/mm螺纹滚道公称直径d30螺距t6接触角ß 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=3º2¹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

22、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20.6×10N/mm; F 滚珠丝杆截面积（按内径确定）X向： P=222N. L=5mm, E=20.6×10 N/mm F=R=5.638cm所以L=±=±1.27×10cm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=L×100/ 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

23、.01mm，所以取系统脉冲当量=0.01mm/step初选步进电机步距角=1.5º（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=1.5º，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（N·cm）;代入数据得：T=10.45N估算起动转矩：T=N·

24、cm=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=1.5º，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,齿轮有关尺寸如下表：关

25、系式 ZZ Z 24 50 d=mz 48 100 d=d+2m 52 104 d=d-2×1.25 43 95 B=(36 )mm 10 10 A= 742.3进给伺服系统结构设计纵横向进行机构装配图2.3.1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,NL4006.2.3.2.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

26、与箱体11用螺钉坚固后打销孔.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.2.3.3.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。2.3.4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。2.3.5本图的消隙齿轮，

27、是采用两个薄片齿轮，中间开有三个月牙形的槽放入压簧，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。2.3.6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

28、。因Z=52齿轮直径较大做成双片齿轮，用以消除齿侧间隙。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77±0.023与76±0。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2.4硬件部分电路的设计2.4.1控制系统的功能1. X向、Y向、Z向

29、的进给伺服运动；2. 键盘显示；3. 面板管理4. 行程控制5. 其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示2.4.2CPU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

30、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

31、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。2.4.3T/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

32、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，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

33、：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 ×××××××××××××8KB0000H1FFFH2764（2）0 0 1 ×××××××××××××8KB2000H3FFFH62640 0 1 ×××××××××

34、××××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

35、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，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。（1）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

36、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路等。 面板 2.5 凸轮加工程序数控铣床铣削加工程序：图示为压缩机壳焊接机上的仿形零件，零件曲线是二段圆弧和三条直线构成，零件的上下两面和中心孔已加工好，现要在数控铣床上铣削零件的轮廓曲线，并一次铣削加工成形。零件的交点坐标：A（-40，-20），B（-40，20），C（0，40），D（40，0），E（20，-20）。刀具偏移号为H08偏移方向为刀具的左侧。设工件表面Z=0，厚度为2

37、5mm。在数控铣床上铣削加工程序如下：O0012N0010 G00 Z25.0N0020 G90 G17 G41 X-40.0 Y-20.0 H08N0030 S20 M03N0040 G01 Z-25 F100N0050 Y20.0 N0060 X0 Y40.0N0070 G02 X40.0 Y0 R40.0N0080 X20.0 Y-20.0 R20.0N0090 G01 X-40.0 N0100 G00 Z25.0N0110 G40 X0 Y0N0120 M02第三章 毕业设计体会 3.1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