机械专业课程设计X6132型铣床的经济型数控化改造设计垂向.docx
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机械专业课程设计X6132型铣床的经济型数控化改造设计垂向
200届毕业设计(论文)
材料
系、部:
机械系
学生姓名:
指导教师:
职称:
教授
专业:
机械制造与自动化
班级:
学号:
2009年5月
一、设计任务书…………………………………………2
二、总体改造方案………………………………………5
三、X6132型万能卧式升降台铣床传动系统……………8
四、步进电机和滚珠丝杠副的选取计算…………………8
五、关于滚珠丝杆副的性能分析…………………………18
六、双片齿轮错齿法………………………………………20
七、部分控制软件的框图…………………………………21
八、硬件部分电路的设计…………………………………22
九、凸轮加工程序…………………………………………25
拾、设计体会………………………………………………27
拾一、参考文献………………………………………………28
2009届毕业设计(论文)课题任务书
系:
机械系专业:
机械制造与自动化
指导教师
学生姓名
课题名称
X6132型铣床的经济型数控化改造设计(垂向)
内容及任务
通过毕业设计,学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领,巩固和加深时所学知识的理解,并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识,使认识提高到一个新的水平,通过毕业设计的实践,培养了调查研究的习惯和工作能力,练习查阅资料和有关标准,查阅工具书或参考书,合理选择设计计算公式,正确计算,并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果,通过毕设计,不但提高了解决具体问题的独立工作能力,具体动脑动手能力,而且建立了正确的设计和科研思想,加强了科学性,牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。
拟达到的要求或技术指标
将铣床改造成MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床。
要求具有直线插补功能,机械部分要求计算,硬件电路部分要求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。
进度安排
起止日期
工作内容
备注
1.5周
2.5周
1周
1周
①方案论证及机械部分计算
②设计绘制机械总图及装配图
③设计绘制电路原理图
④绘制加工程序及整理说明书
主要参考资料
(1)、《金属切削机床概论》;机械工业出版社;顾维邦主编。
(2)、《机床设计手册》;(1,2,3)
(3)、《机床数控制系统》;林其骏主编;中国科学技术出版社;1991.9;
(4)、《数控机床技术手册》;李福生主编;北京出版社;1996
(5)、《机床设计图册》;上海出版社;1979、6
(6)、《机床数控系统课程设计指导书》;林俊主编;中国科学技术出版社;1991.9;
(7)、《微机原理与接口技术》;赵长德主编;中国科学技术出版社1990.9
(8)、《离合器图册》;国防工业出版社;
(9)、《电机工程手册》;机械工业出版社;1982
(10)、《现在机床设备》;化学工业出版社,顾京主编
教研室
意见
年月日
系主管领导意见
年月日
湖南工学院200届毕业设计(论文)指导教师评阅表
系:
机械系
学生姓名
学号
班级
专业
机械制造与自动化
指导教师姓名
课题名称
X6132型铣床的经济型数控化改造设计(垂向)
评语:
(包括以下方面,①学习态度、工作量完成情况、材料的完整性和规范性;②检索和利用文献能力、计算机应用能力;③学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力;)
是否同意参加答辩:
是□否□
指导教师评定成绩
分值:
指导教师签字:
年月日
湖南工学院200届毕业设计(论文)答辩及最终成绩
评定表
系(公章):
学生姓名
学号
班级
答辩
日期
2009.5
课题名称
X6132型铣床的经济型数控化改造设计(垂向)
指导
教师
成绩评定
分值
评定
小计
教师1
教师2
教师3
教师4
教师5
课题介绍
思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,实验方法科学,分析归纳合理,结论严谨,设计(论文)有应用价值。
30
答辩
表现
思维敏捷,回答问题有理论根据,基本概念清楚,主要问题回答准确大、深入,知识面宽。
必
答
题
40
自
由
提
问
30
合计
100
答辩评分
分值:
答辩小组长签名:
答辩成绩a:
×40%=
指导教师评分
分值:
指导教师评定成绩b:
×60%=
最终评定成绩:
分数:
等级:
答辩委员会主任签名:
年月日
一、设计任务书
(1)、设计参数
①、机床数据:
工作台尺寸:
320*1320mm
工作台行程:
纵向:
700mm横向:
255mm垂向:
350mm
工作台及夹具工件重力:
2650+500kg
工作台快移速度:
纵向:
2300mm/min横向:
2300mm/min垂向:
770mm/min
工作台进给速度:
纵向:
23.5~1180mm/min横向:
23.5~1180mm/min垂向:
8~394mm/min
主电机功率:
1.5kw
起动加速时间:
30ms
定位精度:
±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:
0.01~0.005mm/脉冲
自动升降速性能:
有
②工艺数据:
通用机床由于工艺范围广,在同一台机床上常用不同材料刀具对不同材料和尺寸的工件进行多种加工,故取具有代表性的典型加工条件为计算依据。
通常以加工量最大的钢料或铸件为工件材料,硬质合金或高速钢为刀具材料,选取用该机床上用得最多的常用工序或极限加工工序及与此相应的切削用量。
结合本次改造,选取加工材料为HT200的平板凸轮的加工工艺。
刀具:
粗齿圆柱铣刀:
孔径27mm,直径D为63mm L取63 前角α。
为15。
,后角α。
为12。
,螺旋角β为45。
,齿数Z为6
切削用量:
铣削铸铁铣前深度t=5~7mm取t=6mm。
进给量:
粗齿圆柱铣刀,在加工铸铁装夹系统刚性一般,机床功率7.5kw的条件下,取每齿进给量fz=0.01~0.15毫米/齿,取fz=0.15毫米/齿
——《金属切削手册》(第二版,上海市金属切削技术协会编)
(2)、工作量:
①机床改造总图;
②进给伺服系统一个坐标轴纵向(或横向,垂向)的机械装配图;
③单片机控制系统电路原理图
(3)、设计计算说明书。
①控制系统总体方案的分析论证及控制标准图
②机械部分设计计算及结构设计说明
③硬件电路部分设计说明
④加工程序控制及说明
⑤在此机床上加工一盘形凸轮的零件加工程序单。
(4)、答辩阶段
毕业设计完成后进行毕业答辩,通过答辩按优秀,良好,中等,及格,不及格五个等级来评定设计成绩。
二、总体改造方案
采用微机对数据进行计算处理,由I/O接口输出泳冲,经光电隔离电路,功率放大到步进电机,再齿轮减速,带动滚珠丝杠转动。
从而实现X、Y、Z方向的进给运动。
总体设计示意图如下所示:
结合实际工作量,本次数控改造只涉及进给系统的数控改造,对于主轴部分不予考虑。
数改过程中,对于进给驱动系统,主要关心它的转矩大小,调节范围的大小和调节精度的高低,以及动态响应速度的快慢。
滚珠丝杠作为当代数控机床进给的主要传动机构,以其寿命长、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用,成为各类数控机床的重要配套部件,并已实现了标准化、通用化和商品化。
为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求,必须合理选择滚珠丝杠副,并进行必要的校核计算。
1、伺服驱动:
在我国设备数控改造的一段时间里,较多采用步进电机作为伺服驱动元件,步进电机是一种特殊结构的电机,它利用通电激磁绕组产生反应力矩:
将脉冲电信号的能量转换为机械位移的机电执行元件。
当激磁绕组每产生一定规律获得分配脉冲时,步进电机的转子就转动。
转了转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系,而且转动与输入脉冲在时间上同步,因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。
由于步进电机容易丢步,启动频率低,工作频率也不够高,低频时振动大,有时还自激振荡,且没有过载能力,当工作条件变动时,可能造成失误,因此步进电机多用于负载较小、负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。
开环伺服是由步进电机和机械传动装置组成的开环式控制系统。
由于没有位置检测及反馈装置,就必须使其机械传动装置在任何时刻、任何情况下均能严格跟随步进电机的运动而运动。
然而实际上,在机械传动装置的输入与输出之间总会有误差存在的。
这误差的产生,除了有一部分是由传动链的传误差(如丝杠螺距累积误差)引起的之外,还有一部分是由于传动系统的动力参数(如传动刚度、移动件惯量、导轨摩擦力、间隙、速度阻尼等)产生的。
这部分误差在设计开环伺服进给系统中必须予以注意。
它包括三部分:
①、启动或反向时的死区误差:
②、由于传动刚度的变化引起的定位误差:
③、运动时的动态误差。
2、数控装置:
数控装置的选择也有多种方案,可以全部自行设计制作,可以来用单板机或STD模块改制等,工厂中一般多采用以下两种方法:
一种情况是所需的功能和要求有现成的数控装置可以满足,这时绝大多数都采取买现成产品的方案,因为自行设计制作不但费时间,投资也不一定能省,往往是投资更多,而且质量也不容易保证的,另一种情况是买不到现成产品来实现有些特殊功能,这时大多采取买性价比尽量高的性能接近的装置,然后自行补充或改造,至少也是买STD模块或工控机,单板机来制作,很少全部自行设计制作,对于我们所需的数控装置,除了直接能进行渐开线插补这一条功能外,其它没有特殊的功能要求,市场上可以有很多种型号的铣床数控装置供选择,因此直接选用市场上现成的装置切合实际,可以加快改造步伐,适合生产需要,但是作为毕业设计,也需对其结构、原理。
控制方式等有新了解。
能提出自己的处理办法,即设计方案。
根据所选方案确定选用国产的经济数控系统JWK—20M,控制轴数X、Y、Z,联动轴数任意二轴,生产厂家:
南京微分电机厂江南机床数控工程公司。
经济型数控装置选用步进电机驱动的开环数控装置。
面板
3、其它电气装置
在经济型数控改造中,还需要结合数控装置和伺服驱动的特点配其它电气装置,包括强弱电信号的变换,传输或必要的处理,其中对输入输出接口部分还要考虑是否有隔离,屏蔽的要求,此外,还要配置所需要的电源,各种保护电路等辅助电路。
步进电机性能参数和安装尺寸要符合GBn||3或JB/DQ3302的规定。
连接方式:
控制柜(箱)与机床,柜(箱)与电机之间的电气连接应采用插头插座或接线盒型,连接线应有金属软管保护,并应按符合GB5226—85,JB/GQ0580—85,JB/GQ0576—85有关章节规定和JB/DQ3002—80中1.3规定
4、机械部分:
在设备的数控化改造中,虽然中心工作是数控部分,涉及较多的是微机但如果忽视了机械方面的要求而只是按数控方面的要求来进行相应的改动,或者在改造设计中制造不合理的装运,结果会给数控化改造带来意想不到的不良后果,甚至是失败。
所以,机械设计部分也非常重要。
四、X6132型万能卧式升降台铣床传动系统
四、步进电机和滚珠丝杠的选取计算
1.切削力的计算
Fz=(ap ae af z。
d。
n。
)k
式中:
ap—切削深度(mm)
ae—切削宽度(mm)
af—每齿进给量 (mm/z)
z。
—刀齿数
d。
—刀具公称直径
n。
—刀具每分钟转数
k。
—与刀具材料,切速,工件材料,刀具几何参数,刀具磨损状态等有关的综合修正系数。
结合本次改造:
Fz=CFc·ap·fz0.65.·ae0.83·do-0.83·z·kFc
式中:
CFc—铣削力系数 取282
ap— 铣削深度(即被加工表面的宽度,同时加工5个工件,每个工件厚度为10mm,故深度为50mm)
fz— 每齿进给量 取0.15mm/z
.ae— 铣削宽度(即被切削金属层的深度) 取6mm
do— 铣刀公称直径 取63mm
z— 刀齿数 取6
kFc— 铣削力修正系数且:
kFc=kmFc·kγFc
kmFc—工件材料系数 取(HB/190)0.55
kγFc— 前角系数 取0.92
故Fz=282×50×0.150.65×200.83×63-0.83×6×(200/190)0.55×0.92故可求出:
Fz=9000N
《金属切削刀具》表4—8.4—9P69
2.滚珠丝杠副的计算
(1)垂向切削分力Fy:
按经验公式:
Fy/Fz=0.80Fy=7200N
故:
Fy=0.8Fz
纵向切削分力Fx:
按经验公式:
Fx/Fz=0.9Fx=8100N
横向切削分力Fz:
按经验公式:
Fz’/Fz=0.4
(2)丝杠工作时轴向压力F轴的计算:
铣削条件下:
在插补平面内合力Fr:
Fr=(Fx+Fy)1/2
铣削一周平均铣削力Fav取2Fr/3,铣削时丝杠轴向压力F轴:
F轴=βFav+μ’(mg+Fy)
式中:
β—考虑到颠覆力矩的影响系数一般取1.1
μ’—导轨当量摩擦系数。
取0.18
m—移动部件的质量估计为1000Kg
g—重力加速度取9.8m/s2Fz’=3600NFr=123.69NFav=82.46NF轴=3151N
——《机床设计手册》第3分册P177
——《机床与液压》2000年第5期—机床数控改造中进给系统滚珠丝杠副的选择
3、滚珠丝杠副工作负荷的计算:
(1)丝杠的转速:
数控改造多半采用开环步进式伺服驱动系统,本次改造也采用步进电机驱动丝杠。
开环步进伺服进给系统的设计计算步骤:
A.脉冲当量取0.01mm.初选步进电机的步距角φ为1.5º
B.计算降速比。
由于步进电机工作的特点是一个脉冲走一步,每一步均有一个加速过程,因而对负载惯量很敏感。
为满足负载惯量尽可能小的要求,同时也为满足要求的脉冲当量,常采用齿轮降速传动。
传动比:
¡=φS/360Δ
式中:
φ—步距角S—丝杠螺距初取12mmΔ—脉冲当量各级传动比的确定:
首先确定传动级数为3。
考虑到垂向进给机构中采用锥齿传动,在机床中的锥齿轮传动齿数
比通常在1~2.5之间,尤其是传动比为1的正交等比传动用得最多。
结合本次改造选这级传动比也为1.
根据相关资料确定不同啮合对数时的最佳降速比:
i1=2,i2=2.5,i3=1
今选齿轮Z1=27,Z1’=54,Z2=24,Z2’=60,(机床上常用的锥齿轮齿数比为1时有Z1=Z2≥22) 取Z3=Z3’=40 。
模数m1=m2=2,m3=3.3
故正交等比传动直齿锥齿轮的主要尺寸:
Z=40,
De=41.414×3.3,Ae=19.293×3.3,Le=28.284×3.3,φi=42º34¹
——《机床设计手册》3册P510图6.4—45
C.根据结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的转动惯量Jt,并计算电机力矩,再按步距角,电机力矩,允许的负载惯量等项要求来选取合适的步进电机。
惯量计算:
Jt=J1+i1-2{J1’+J2+i2-2{J2’+J3+i3-2[(J3’+Js)
+G/g(S/2π)2]}}
式中:
Js=0.03715Kgf.cm.s2
——《机床设计手册》2册P301表5.5—15
力矩计算:
快速空载启动时所需力矩:
M=Mamax+Mf+M0
最大切削负载时所需力矩:
M=Mat+Mf+M0+Mt
快速进给时所需力矩:
M=Mf+M0
式中:
Mamax— 空载启动时折算到马达轴上的加速力矩
Mf— 折算到马达轴上的摩擦力矩
M0— 由于丝杠预紧引起的折算到马达轴上的附加摩擦力矩
Mat — 切削时折算到马达轴上的加速力矩
Mt — 折算到马达轴上的切削负载力矩丝杠传动时
Ma,Mf ,M0, Mt计算公式:
Ma=Jr/9.6T(Kgf.m)
式中:
Jr— 折算到马达轴上的总惯量
T— 系统时间常数(系统时间常数表示线路在导通瞬间允许电流值上升的速率。
时间常数越小,线路导通后电流上升越快,达到近似稳定值的时间越短;反之则越长)
n— 电机转速
当n=nmax时计算Mamax,n=nt时计算Mat
nt—切削时的转速
摩擦力矩Mƒ=(FοS/2πηί)×10-3(Nm)
Fο—导轨摩擦力
(Fο=
)
S—丝杠螺距
ί—齿轮降速比
η—传动链总效率 一般取0.70~0.85 取0.8
Fο=2106NMƒ=1.00554Nm
附加摩擦力矩Mο:
Mο=[PοS/2πηί(1-ηo2)]×10-3
式中:
Pο—滚珠丝杆预加载荷(kgf.m)
为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时其反向传动链仍保证无间隙出现,要求预紧力的数值应大于最大轴向载前的1/3倍。
Pο≥1/3×F轴=1/3×3151=1050.3N取Pο=1200N
S—丝杆螺距
η—传动链总效率
ί—齿轮降速比
ηo—滚珠丝杆未预紧时的效率,一般取η≥0.9
Mο=0.0363Nm
切削力矩Mt:
Mt=PtS/2πηί×103(N·m)
式中:
Pt-进给方向的最大切削力
S-丝机螺距(cm)
η—传动链总效率 η取0.8
ί—齿轮降速比
初选步进电机:
130BF001五相十拍分配方式
检验计算:
Ma=[(Jt+Jm)×n]/9.6T×102
Jm-电机转动惯量
Jt-系统转动惯量
式中:
T-系统时间常数(s)加速时间T=50ms
故Mamax=(Jt+Jm)nmax/9.6×0.05×102
=[(0.01545+7×102)×1000]/9.6×0.05×102
Mamax=4.22Nm
M=Mamax+Mf+MoM=5。
26Nm
(M<9.31Nm)
由于采用步进电机驱动:
n=φf/60i(r/min)
式中:
φ—步进电机步距角1.5º
f—电机脉冲频率16000Hz
i—电机与丝杠间的降速比5
n=80
——《机床设计手册》2册表5.7—30P476
由表查得选取步进电机
2.丝杠寿命系数L:
L=
式中:
T—丝杠预期寿命取15000h
L=72——《机床设计手册》2册表5.7—32P476
3.丝杠工作动载荷C:
C=
β1β2F轴
式中:
β1—丝杠硬度系数取1.5
β2—载荷性质系数取1.4
C=27528.25N——《机床设计手册》2册P500
根据C 从相应表中选取滚珠丝杠的型号为: NL6012 Ca=37200N.D0=60mmS=12mm 滚珠丝杠副传动刚度验算: 对于精密机床数控改造,应对选取的滚珠的丝杠副传动刚度进行校核,以保证机床的定位精度,传动精度,可靠性。 丝杠工作时,受轴向力及扭转力矩作用,其变形为轴向压缩变形和扭转变形。 设丝杠副的轴向刚度为Kz,导轨刚度为并将扭转变形的扭转角转换为轴向变形, 则滚珠丝杠副KN传动时的轴向总变形量δz为: δzz= +(Mt/KN2π)×103 = +(Fxt/KN2π)×103 式中: M—作用在丝杠上的扭矩(N·m) t—丝杠导程(mm) 由刚度定义可知,滚珠丝杠副传动刚度K与轴向刚度,扭转刚度有如下关系: 则滚珠丝杠副的传动刚度K为: K=KnKz/[Kn+(t/2π)2×103Kz] 欲求K,则只要求Kz,Kn即可。 (1)滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算: 滚珠丝珠副的轴向刚度取决于丝杠,螺母组件,支承轴承的轴向刚度。 A.丝杠的轴向刚度Ksz 丝杠的轴向刚度Ksz与其安装方式有关,本次改造设计中选取双推——双推式支承方式: 两端各两个推力轴承,此时,丝杠轴向最小刚度发生在载荷作用点处于支承端距离一半,即La/2处 Ksz=(4SE/La)×10-3(N/um) 式中: S—丝杠小径截面积(mm2) E—丝杠材料的弹性模量(MPa)钢料的E为2.1×106(Kgf/cm2) La—载荷作用点距双推轴承 的最大长度(mm) Ksz=195N/um B.螺母组件的轴向刚度Klz: 螺母组件的轴向刚度是指滚珠丝杠,螺母螺纹形成的滚道间的轴向刚度。 据赫兹理论,滚珠与滚道之间在轴向载荷的作用下,弹性变形为: - 式中: s—滚珠的接触角度45˚ Zg—每圈承受载荷的滚珠个数 dg—滚珠的直径7.144mm Zg按下式计算: Zg=D/(dgcosλs)9 D为螺母的公称直径,λs为丝杠螺纹螺旋升角 =23.76um Klz= Klz=167.062N/um C.支承轴承的轴向刚度Kcz: 支承轴承的轴向刚度也按赫兹理论接触弹性位移理论求解。 轴承类别不同,刚度公式也不同。 采用双列止推滚珠轴承。 选取38212 Kcz= Kcz=454N/um 螺母座的轴向刚度一般在螺母组件刚度计算时乘以0.8计入,不再单独计算。 滚珠丝杠副的轴向刚度Kz: Kz=46.7N/um 由材料力学可知: Kn=GJp/x 式中: G—丝杠材料抗剪切弹性模量(MPa) 钢材的剪切弹性模量为80GPa Jp—丝杠小径截面惯性矩(mm4) X=La(两支承端中心点距离115mm)Kn=392×103N/um 将求得的Kn,Kz代入滚珠丝杠副传动刚度公式,便可求得K。 如果刚度不足,可改变丝杠支承方式或重选滚珠丝杠副型号。 K=32.56(N/um) 各类机床滚珠丝杠副的推荐精等级,本次改造垂向滚珠丝杠传动精度B级,取传动精度 故有如下关系式: <32.56=K 故: 刚度满足要求。 《机床设计手册》2册第七章P461 (2)滚珠丝杠副临界转速的验算: 滚珠丝杠副的进给系统的进给速度是其导程和转速决定的。 丝杠副在工作时,由于受到摩擦力矩等因素的影响,丝杠的导程受到限制,一般小于直径的两倍。 如果要提高转速,必须提高丝杠副的转速,然而,滚珠丝杠副的转速超过某一临界值时将引起共振。 这保证安全工作,应使转速低于临界转速。 临界转速Nc用下式计算:
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