移动式数控机床系统的研究

1前言数控机床简称NC机床，它将加工过程所需的各种操作和步骤以及刀具与工件间的相对位移量都用数字化代码来表示，通过控制介质将数字信息送入计算机，由计算机对输入的信息进行处理和运算，然后发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需的工件。数控机床与其他机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换一条新的程序，不需要对机床作任何改动。数控机床集机械制造技术和计算机、液压气动、传感检测、信息处理、光机电等技术于一体，是技术密集型的机电一体化产品，它具有下列优点：1．能完成很多普通机床难以加工，或者根本不能加工的复杂型面零件的加工；2．采用数控机床，可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量；3．可以提高生产率。采用数控机床比普通机床可提高生产率2～3倍，对复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍；4．具有柔性，只需更换程序，就可以适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工；5．大大减轻了工人的劳动强度。可以看出，数控机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。数控机床的广泛使用，将给机械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。我国数控机床的发展起步较早，从1958年开始研制，已经历了40多年的发展历程。但到1978年底，数控机床的发展几经周折，走了不少弯路，当年数控机床产量仅223台。1979年开始的改革开放，为我国的机械工业开辟了新时期，数控机床的发展也进入了一个崭新的阶段。20世纪80年代初，我国引进国外的数控装置和伺服系统为国产主机配套，这使得数控机床在品种、数量和质量方面得到迅速发展。典型的国产产品有北京航天机床数控集团公司的航天I型，中科院沈阳计算所的蓝天I型和华中理工大学的华中I型等国产高性能数控系统。尽管近几年我国数控机床迅速发展，但与工业发达国家相比，我们还有差距。但在这同时，我们也看到这种差距正在不断缩小。在本此研究中，我的研究题目是一台移动数控铣床系统的研究，工作台为工件,加工有效行程X/Y/Z轴分别为130/530/518mm。数控铣床结构可根据实际的加工要求来自行选定，给了我很大的自由，同时也增加了研究的难度，提高了对自己的要求。河南科技大学在研究的过程中，我对铣床先后进行了总体方案的研究——进给伺服系统的研究——整体零部件的选型与校核——绘制数控铣床总装图等过程。在这次研究中，我查阅了大量的相关书籍、期刊、公司样本等资料。如：《机械设计实用手册》吴宗泽著，《数控技术》张建刚等著，《PMI滚珠螺杆型号》公司样本等。同时还得到了张洛平教授的指导以及帮助，在此表示深深的感谢！3第一章微机数控系统总体方案的研究1.1总体方案概述对于一个数控系统，首先必须拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种参数和机构，然后再分机械部分和电气部分。机床数控系统的总体方案应包括：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构和传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。一﹑系统运动方式的确定如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统，应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。由于数控铣床要具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补，暂停循环加工等功能，故选择连续控制系统。二﹑伺服系统的选择伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统和闭环控制系统。由于这是一台经济型数控铣床，加工精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，故采用开环控制系统。三﹑计算机系统根据机床要求，采用8位微机，由于MCS-51系列单片机性能优越，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分，键盘及显示器，I/0接口及光隔离电路，步进电机，功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。四﹑机械传动方式采用交流伺服电机驱动，X/Y轴方向传动采用联轴器直联的形式，Z轴传动和主轴转动采用了同步带传动形式，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构，同步带传动需有张紧装置。1.2总体方案框图根据系统的要求，采用点位控制、用伺服电机驱动的半闭环控制系统。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稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，计算机系统仍采用高性能价格比的MCS—51系列单片机扩展系统。第二章机床进给伺服系统机械结构部分2.1工作台外形尺寸及重量估计加工材料：铝合金铣刀直径：mm10铣刀齿数：3最大铣削余量：0.5mm最大铣削深度：2.5mm分辨率：0.01mm工作台加工范围：X=130，Y=530工作台纵向快速移动速度：min3.2m工作台横向快速移动速度：min54.1m纵向铣削最大进给速度：min4.0m横向铣削最大进给速度：min3.0mX向拖板（上拖板）尺寸（长×宽×高）：588×500×210重量：588×500×210×310×7.8×10-2=4815.72N5实重：4815.72×0.5=2407.86NY向拖板（下拖板）尺寸（长×宽×高）：562×488×210重量：562×488×210×310×7.8×10-2=4492.3N实重：4492.3×0.5=2246.2NX导轨座尺寸（长×宽×高）：680×500×180重量：680×500×180×310×7.8×10-2=4773.6N实重：4773.6×0.3=1432.08NY导轨座尺寸（长×宽×高）：1480×500×245重量：1480×500×245×310×7.8×10-2=14141.4N实重：14141.4×0.3=4242.4N电机重约：400N工作台运动部件总重：2407.86+2246.2+1432.08+4242.4+400=10728.54N2.2铣削力的计算ZadaaCFptfeFC86.072.086.081.9式中：ea--铣削接触弧深ea=4mmfa--每齿进给量fa=0.2齿mmtd--铣刀直径td=10mmpa--铣削深度pa=5mmZ--铣刀齿数Z=3FC--系数FC=20Fc=9.81×20×40.86×0.20.72×10-0.86×5×3=420.05N查表得：1.1CHFF25.0CreFF375.0CaFFCF--圆周切削力aF--轴向切削力HF--进给方向的水平力reF--进给方向的垂直分力所以aF=ZF=157.5NreF=NFY012.105HF=NFX055.462第二章2.3滚珠丝杠螺母副的选择一﹑纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）计算进给牵引力mFGFFfFKFYZxm2'式中：K--考虑颠覆力矩影响的实验系数K=1.4'f--导轨上的摩擦系数'f=0.045.10728825.40224.6104.0055.4624.1mF=1081.7N（2）计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径0d时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载CmwFfLC3式中：L--使用寿命。以610转为一个单位wf--运转系数2.1wf61060nTL式中：T--使用寿命取15000h01000LVnS0L--丝杠导程0L=5mmSV--为最大切削力条件下的进给速度。可取最高进给速度的一半min4054.05.01000rn36101500040606LNC03.42867.10812.1363（3）滚珠丝杠螺母副的选型查阅《机床数控化改造指导手册》选用1WL5010型标准滚珠丝杠副，因其额定动载荷29500N，故精度等级选为4级。（4）计算最大静负载0C当滚珠丝杠副在静态或低速（nmin10r）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形。当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一，产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载0C。7max0FfCs式中：maxF--滚珠丝杠的最大轴向负荷；sf--静态安全系数；sf=2NFfCs4.21637.10812max0选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷aC0=96300N所以aCC00滚珠丝杠副合格（5）传动效率计算)tan(tan式中：--丝杠螺旋升角；='393o--摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004。其摩擦角约等于'10695.0'10'393tan'393tan0o（6）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。最大牵引力为686.3N，支承间距为830mm。丝杠螺母副及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的31。a.丝杠的拉伸或压缩变形量1查《综合作业指导》图3-4。根据Fm=1081.7ND0=50mm查出51028.0LL可算出mmLL35110324.28301028.0830由于丝杠进行了预拉伸，故其拉压刚度可提高2倍。其实际变形量'1mm31'110162.121b.滚珠与螺纹滚道接触变形2查《综合作业指导》图3-5，可知滚珠和螺纹滚道接触变形2mQ7.1因进行了预紧，mQ85.0212c.支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3采用70000型角接触球轴承。ommd15,351滚动体数量Z=139.09.08.09.0sinsin000076.0ZLFumc053.015sin1317.108115sin000076.09.09.08.09.0o因进行了预紧，故mc0265.0.0053.021213第二章d．因滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量4一般占的比重较小，常忽略不计。e.螺母座及轴承支座的变形常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难。一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。f.根据以上计算得出总变形量)102.30265.085.0324.2321mm定位精度（（7）稳定性校验22lIEfFZk式中：E--丝杠材料的弹性模量；E=6106.202cmNI~~截面惯性矩，对于丝杠为4164dL--丝杠两支承端距离；L=830mmZf--丝杠的支承方式系数；Zf=2NFK6246101885.083564106.20224~5.266.27446.387101885.06KmKKnFFn所以丝杠不致失稳；二﹑横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）计算切削分力NFFCC05.420'1.1''CHFF25.0'CreFF375.0'CaFF所以NFFZa5.157''NFFYre012.105''NFFXH055.462''（2）计算进给牵引力mFGFFfFKFXZYm'''''2式中：K--考虑颠覆力矩影响的实验系数K=1.1'f--导轨上的摩擦系数'f=0.045.10728055.462224.6104.0012.1051.1'mF=584.07N（3）计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径0d时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠所能承受的最大动负载CmwFfLC3式中：9L--使用寿命。以610转为一个单位wf--运转系数2.1wf61060nTL式中：T--使用寿命取15000h01000LV