铣床X-Y工作台数控化改造

1第一章绪论1.1机床数控改造的意义毕业设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过毕业设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。毕业设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。说明书的内容应包括：毕业设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。该毕业设计的内容及方法，可以归纳如下：1.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。3.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。4.学会使用手册及图表资料。1.2数控与数控技术数控是数字控制的简称，英文为NumericalControl，简称NC。目前数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(ComputerNumericalControl)，简称CNC，国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了。下面详细说明之：数控(NumericalControl,NC数字控制)是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，2推动了自动化的发展。现在，数控技术也叫计算机数控技术(ComputerNumericalControl)，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。1.3机床的数控改造方法及设计1.3.1铣床的数控化改造设计机床的数控改造,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。数控车床是机电一体化的典型代表,其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而,现代的数控机床不是简单地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(那些受资金等条件限制,而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论)。传统机床存在着一些弱点,如刚性不足、抗振性差、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。现代的数控技术,特别是加工中心,无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构,还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化,已经形成了数控机床的独特机械结构。因此,我们在对普通机床进行数控改造的过程中,应在考虑各种情况下,使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。1.3.2数控机床的性能和精度的选择并不是所有的旧机床都可以进行数控改造,机床的改造主要具备两个条件:第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二,改造的费用要合适,经济性好。在改装机床前,要对机床的性能指标做出决定。改装后的机床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。(1)轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。(2)进给运动:进给速度:Z向(通常为8～400mm/min);X向(通常为2～100mm/min)。快速移动:Z向(通常为1.2～4m/min);X向(通常为1.2～3m/min)。脉冲当量:在0.025～0.005mm内选取,通常Z向为X向的2倍。加工螺距范围:包括能加工螺距类型(公制、英制、模数、径节和锥螺纹等),3一般螺距在10mm以内都不难达到。(3)进给运动驱动方式(一般都选用步进电机驱动)。(4)给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。(5)刀架是否需要配置自动转位刀架,若配置需要确定工位数。(6)其他性能指标选择:插补功能:铣床加工需具备直线和圆弧插补功能。刀具补偿和间隙补偿:为了保证一定的加工精度,一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。显示:采用数码管还是液晶或者显示器显示,显示的位数多少等问题要根据铣床加工功能实际需要确定,一般来说,显示越简单成本越低,也容易实现。诊断功能:为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作,可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件,使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等,实现有限的诊断功能。以上是铣床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标,有的铣床改造根据需要还会有些专门的要求,如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、铣刀高精度对刀等,这个时候应有针对性的专门设计。1.3.3铣床数控改造方案当数控铣床的性能和精度等内容基本选定后,可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟,专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足铣床的常规加工要求。因此,较典型的铣床数控改造方案可选择为:配置专用铣床数控改造系统,更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。目前较典型的经济型专用铣床数控改造系统具有下列基本配置和功能:(1)采用单片微机为主控CPU,具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。(2)配有步进电机驱动系统,脉冲当量或控制精度一般为:Z为0.01mm,X向为0.005mm(要与相应导程的丝杠相配套)。(3)加工程序大多靠面板按键输入,代码编制,掉电自动保护存储器存储;可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。(4)具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警,以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。4第二章总体设计方案由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。2.1设计参数系统分辨率为0.01mm，其它设计参数如下表。表2.1系统设计参数设计分组最大铣刀直径最大铣削宽度ae最大铣削深度ap加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度416mm5mm2mm碳钢X=200,y=1503m/min图2-1工作台草图2.2初选步进电动机和丝杠当传动比i=1时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由i=pbL360(公式2-1)①，θb为步进电机步距角Lo为滚珠丝杠导程、p为系统脉冲当量。选电动机型号为55BF009，其步矩角b=9.0选丝杠规格为2004-3(FYND)其导程为4mm,由传动比公式pbLi3600得101.036049.0i故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。预选由广州菱科自动化设备有限公司生产的LK13系列刚性联轴器（）。52020202.3初定工作台尺寸查《机电一体化设计手册》，根据(GB/T158-1996)选工作台T型槽尺寸如下：深度H=15mm槽低宽度B＝12mm槽宽A＝6mmC＝6mm槽数＝5，间隔＝40mm；图2-2由工作台加工范围200*150选工作台尺寸24020020初定滚珠丝杠长度L＝340mm6B50~60Lx+B+10~2035~452.4步进电动机控制系统关系的环形脉冲；功率放大器将脉冲分配器输出的环形脉冲放大,用于控制步进电机的运转,这些部分都可以由专门的电路来实现。如果用单片机加上专门的驱动芯片来控制步进电机,可以简化电路,提高可靠性。步进电动机是否转动是由控制绕组中输入脉冲的有一般说来,步进电机控制系统需要以下部分,如下图所示，其中的脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号；脉冲分配器根据方向控制信号将脉冲信号转换成有一定逻辑来控制的,每步转过的角度和方向是由三相控制绕组中的通电方式决定的。因此,步进电动机的控制是要求单片机软件产生按一定规律变化的时序脉冲,然后通过接口内和驱动放大电路来驱动步进电动机控制绕组工作。步进电动机控制系统由硬件电路和软件程序两部分组成。硬件方法就是用脉冲分配器来实现,但是硬件方法的结构复杂,而且成本也很高。使用软件方法就是通过单片机来实现,不但可以简化电路,而且也降低成本。使用单片机以软件方式来驱动步进电机,可以通过编程方法在一定范围之内自由设定步进电机转速、往返运动的角度等,还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态而满足不同用户的要求。B7第三章机械部分的设计3.1传动系统等效转动惯量计算1.机转子转动惯量查《指导书》表面2-18得20701.0cmkgJD2.丝杠的转动惯量由《指导书》公式2-3有2341078.0cmkgLDJS得234424.010340278.0cmkgJS3.工作台转动惯量GJ由于工作台材料为碳钢，故其质量为kgvm74.6220024108.732220.0273.074.6)14.324.0()2(cmkgmLJG由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计4.总转动惯量计算25214.00273.0424.00701.0cmkgJJJJGSD3.2工作载荷分析及计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.查《金属切削手册》P398常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀，其尺寸参数如下：D=16mm,齿数Z=4。1.查《金属切削手册》P417细齿锥柄立铣刀切削用量表得铣削速度min/20mv查《铣工》表2－4，初选fa＝0.03mm因此可得min/375403.045rZavnf查《机械制造基础课程设计指导书》表4-15立式铣床主轴转速表，选铣床型号X51，8查其转速表并将转速圆整为min/380rn实际切削速度为min/1.1910003801614.31000mndv故实际mmnZvaf0296.03804452.根据《指导书》表2-2得高速钢铣刀铣削公式为zadaaCFpfeFZZ86.0072.086.081.9查《指导书》表2-3得铣削力系数2.68FZC有NFZ139.19552160296.052.6881.986.072.086.03.3进给工作台工作载荷计算查《指导书》表2.4，有如下表格参数比值不对称铣削逆铣顺铣ZLFF/1．20．9ZVFF/0．30．8ZCFF/0．40．4故有纵向进给方向NFNFLSLN625.175139.1959.0167.234139.1952.1工作台垂直进给方向NFNFVSVN11.156139.1958.0