X62W万能铣床数控改造毕业论文.doc
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1、目 录摘要 1关键词 1Title 1Abstract1一、总体方案设计 21.设计任务 22.总体方案确定 2二、机械部分设计计算 41.确定系统脉冲当量 52.确定切削力 53.滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 54.进给伺服系统传动计算 85.步进电机的计算和选用 8三、数控系统硬件电路设计101.数控系统硬件组成102.单片机的发展趋势113.单片机特点12四、平面凸轮零件的数控铣削141.零件工艺分析152.夹具选择153.刀具选择154.切削用量的选择155.进给路线的确定156.盖板零件铣削加工15致谢18参考文献19X62W万能铣床数控改造摘 要本次任务是对X62W型万能铣床进
2、行数控改造。利用微机进行开环控制,驱动元件用直流步进电机,传动系统采用滚珠丝杆。主控机用280系列,由I/O接口输出脉冲,经环形分配器,送给电机,带动滚珠丝杆转动,工作台在导轨上运动,从而实现X、Y方向进给运动。由于设计的是简易经济型数控机床,所以对机床本身尽可能减少改动。纵向进给改造拆除原机床进给,滚珠丝杠应安装在原丝杆位置,两端用双螺母锁紧配打定位销。横向进给拆除手动机构,步进电机装在原机床外侧。微机参考TP801单片机电路,因为Z80 CPU在我国发展普遍,应用软件多,系统易开发,能满足加工工艺要求。关键词数控 步进电机 滚珠丝杠 单片机TitleNumerical control St
3、ep-by-step electric motor Ball screw Monolithic machineAbstractMy gradnatde design proposal is to renew the kind of X62W numedical control and to make use of the computer control to the marded system about X to T Driving part is PC dynamo transport is wrevding bad newer.Taking advantage of computer
4、to deal with the cwlen lated date with the linking of I/O out puts dynamo impuls .The whead to deeline the redocity drine the revoling ball level to revole in order to realize the menched sport along X and Y direction.X and Y direction marched struetmement made use of the two wheads in order to swee
5、p the gap Y direetion instruet control depart the used machines mached box skating box. Aw of the above is our design content and the renewed parts.一、总体方案设计(一)设计任务本次设计是对X62W型万能铣床进行的数控改造。结合毕业设计的工作量和时间的限制,机械部分将完成纵向结构的设计,零件参数的选择及部分强度的计算校核。电气和微机部分主要完成数控系统的功能和电路接口设计,程序流程控制设计,本设计利用微机对纵向进给系统进行开环控制,纵向脉冲当量为0
6、01mm脉冲,驱动元件采用步进电机,传动系统采用滚珠丝杠。(二)总体方案确定查找X62W有关资料,确定总体方案为采用微机对数据进行计算处理,由I/O接口输出脉冲,由联轴器直接实现纵向进给传动,由于设计是简易型经济数控机床,所以在考虑具体实施方案时,基本原则是在满足加工工艺需要的前提下,对机床尽量减少改动量,力求降低成本。微机电路参考TP801单片机线路,主要由于Z80在我国数控改造中比较普遍,各种应用软件较多,系统的开发较容易,且其价格低廉,经济性好。Z80有独立I/O指令,执行格式与执行时间短,有利于提高现场信号采集速度和机床工作精度。考虑扭矩较大,步进电机选用较大功率的电机,滚珠丝杠螺母
7、副参照西北机械制造厂的样本选取CAM系列,即外插管导程型滚珠丝杠副,其优点是螺母的轴向尺寸大,且已经预加载荷消除间隙。纵向进给机构的改造是拆除机床的原有进给系统,即滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置,两端仍采用顶固定方式,减小改装量。这样,由于滚珠丝杠摩擦系数小于原丝杠,从而使改装后整体刚度增加。本机床在改造过程中为了减少对原机床结构改动,充分利用原有的结构零件,往往受到一些限制,不可能按传统方法选择传动比。由于原结构丝杠安装在工作台床鞍上,如果将步进电机直接与丝杠联接,将简化传动结构,有利于提高精度,减小不突出量和摩擦损耗。但由于电机很重,为避免产生大的倾侧力,又为了使改进后机床外观造型协调和均衡,
8、本设计不将X轴步进电机直接安装在工作台滑鞍。由于滚珠丝杠随工作台运动而步进电机不动,运动传递困难,如果X轴运动是丝杠转动,螺母不动,则传递联轴器与丝杠间传动间需要相对运动,会增加联轴器与丝杠间传动间隙,且不易消除。本设计采用固定丝杠,转动螺母的传动方案。纵向进给机构改造包括拆除手柄和手动机构,在此安装步进电机齿轮箱体,保留原有支承机构,为了便于安装滚珠丝杠副,丝杠轴不是整体的,而采用分轴式,然后用筒刚性联接。在台前操作手柄处设置操作面板,安装纵、横向快进按钮和急停按钮,以适应机床调整时操作需要和遇到意外情况时紧急处理需要。1.伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环和半闭环三种控制方
9、式。开环控制的伺服系统存在着精度不能达到太高的基本问题,但是步进电机具有位移和输出脉冲的严格对应关系,使误差不能积累,转速和输出脉冲频率有严格的对应关系,而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件等波动变化影响的特点。数据装置发出信号的流向是单向的,可以对移动部件如工作台的实际位置工件进行检测。伴随电子技术和计算机控制技术的发展,目前大多采用直流电动机或交流电动机作为执行元件。虽然闭环、半闭环对控制系统能够实现较高精确的位置伺服,但由于反馈环节精度等技术条件影响到闭环系统的稳态和动态性能,其改造难度也大为提高。本设计是基于X62W的经济化、数控化改造故采用步进电动机实现开环伺服系统
10、2.滚珠丝杠 滚珠丝杠必须采用三点支承形式。步进电机的布置,可放在丝杠的一端。由于拆除了进给箱,可在原来安装的进给箱处安置步进电机和变速箱。在丝杠的左端设计一个专用的轴承支架座,采用一个轴套式滑动轴承作为径向支承。在滑动轴承的两侧分别布置一对角接触球轴承。承受两个方向的轴向力支撑短轴和滚珠丝杠通过联轴套联接起来。滚珠丝杠的右端通过轴套和联轴器输出轴联接,丝杠的中间支撑为滚珠螺母,其与床鞍直径联接。 3.系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、轮廓控制系统、连续控制系统等。铣床是控制刀具以给定速率沿指定路线运动来加工工件轮廓复杂的零件,其各坐标轴的运动之间有着
11、精确的函数关系,根据铣床加工这一特点,采用连续控制系统比较合适,连续控制系统具有点位控制系统的功能,故定位方式采用增量坐标控制。 4.执行机构传动方式的确定(1)导轨 由于普通型铣床的改造精度要求不高的开环系统,而滑动导轨定位精度和灵敏度不需研磨措施可达到10m左右,能够满足改装后的要求,所以仍采用原机床的导轨。(2)螺旋传动 原机床的丝杠属于滑动螺旋传动,主要缺点就是机械效率低,一般仅为3060%,与改造后的精度相差很多。数控机床除了具有较高的定位精度外,还应有良好的动态响应特征。滚珠丝杠副的特点是传动效率高,一般达到90%以上,通过欲紧力可消除丝杠间隙,运动平稳,传动精度高,可靠性高,磨损
12、小,使用寿命长,但制造复杂、成本较高。要使系统效率高,且有较高的控制精度要求,本次改造采用滚动螺旋机构。X62W普通机床纵向进给丝杠直径为22mm。改造设计时,纵向进给滚珠丝杠直径应取20mm或25mm,这样就可以用原来的大溜板或中溜板,不致于因为滚珠丝杠直径选择的太大在原来的空间放不下。5.安装调整中应该注意的问题(1)应用螺母的间隙调整装置调整丝杠副间隙时,应使调整后产生的预紧力为丝杠副最大负载的三分之一为宜。在实际调整中,可以把铣床处于最大工作负载,使丝杠内部仍不产生间隙,或者间隙小于0.01mm,而且运转灵活。并为此作为螺母间隙调整装置预紧量的判断标准。(2)传动丝杠轴线上的锥销孔应按
13、十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥销孔都由同一个方向加工时,往往会引起轴新线的直线度误差增大,从而使安装在传动丝杠上各个零件间的同轴度误差增大,产生传动附加载荷,影响丝杠副的传动性能。(3)滚珠丝杠副的制造精度要求高,加工工艺比较复杂,都是由专业工厂按系列化生产。因此,在进行设备改造时,要按厂家生产标准进行选择,选择合适以后再决定被改造设备的其它相关部分的结构和尺寸。二、机械部分设计计算设计过程主要参数见下表1-1。 表1-1电机功率(P)7.5KW快进速度1.2m/min切削速度(Vs)0.06定位精度0.15mm移动部件重量(G)450kg加速时间(t)30ms机床效率()
14、0.8丝杠导程(L)6mm步距角0.6模数(m)2摩擦角()10(一)确定系统脉冲当量铣床的脉冲当量0.01mm/脉冲。(二)确定切削力按照需要进行数控改造设计的普通铣床的主电机功率计算切削力。式中 切削功率() 机床主传动功率() 主传动系统的机械效率,铣床为0.6 进给系统功率设计试中 主切削力 切学加工速度 V=100m/min(三)滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副选择为外循环插管式端法兰双螺母单片预紧。1.计算进给牵引力燕尾导轨: 式中 切削分力(N) 移动部件的重量(N) 导轨上的摩擦系数,随导轨形式而不同 考虑颠覆力矩影响的实验系数 与相对应 对铣床纵向来说与相对应
15、与相对应对于硬质合金铣刀,工件为碳钢来计算纵向切削分力 垂向切削分力 横向切削分力 2.计算最大动负载C式中: 使用寿命以为单位选用CBM5006型滚珠丝杠副。3.传动效率计算式中 =丝杠螺旋升角() 满足要求。4.刚度要求式中: 公称直径滚道圆弧偏心距滚道圆弧半径 内循环外循环滚珠直径,查得=3.969接触角45再计算滚珠丝杠在种长度上拉伸或压缩的变形量又因为 (允许误差)所以不合格,则应考虑加大直径,一般丝杠精度选E级相当于新标准3级。(四)进给伺服系统传动计算 取传动效率,步距角(五)步进电机的计算和选用1.转动惯量的计算齿轮、轴、丝杠等圆主体惯量计算(kg.) 对于钢材:J=0.78L
16、X J=L/32负载转动惯量折算到步进电机轴上的转动惯量由于表示齿轮传动所以两齿轮的转动惯量忽略不计所以对材料为钢的圆柱形零件某转动惯量可按下式计算J=7.8XL丝杠: 2.电机力矩的计算(1)快速空载起动时所需力矩 最大负载时所需力矩快速进给时所需力矩切削时折算到电机轴的加速力矩折算到电机轴上的一切负载力矩M 式中 :转动惯量 :丝杠转速 :时间常数(2)快速进给时所需力矩(3)切削时所需力矩3.步进电机的选择(1)初选步进电机为三相六拍,求最大静转距 查表选用BOBC3100A(2)计算电机工作频率步进电机起动频率步进电机最高工作频率 由步进电机最高效率查表可知,该电机在1000HZ下启动
17、所产生的启动力矩为10.8Nm,大于所需的力矩,所选电机满足要求。三、数控系统硬件电路设计单片微型计算机(简称单片机)作为微型计算机的一个很重要的分支,自70年代问世以来,以极高的性能价格比受到人们的重视和关注,应用很广发展也很快。单片机体积小,重量轻,抗干扰能力强,环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。广大工程技术人员通过学习有关单片机知识后,也能依靠自己的力量来开发所需要的单片机控制系统,并可获得较高的经济效益。正因为如此,在我国单片机已广泛地应用在智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测技术、家用电器和数据处理等各种场合。自1952年美国开发数控铣床以来,日本在195
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