数控铣床伺服进给系统设计

数控铣床伺服进给系统设计摘要：本设计主要有完成数控铳床的是铳床的进给系统设计，它主要是由X方向 进给系统设计，在经过认真的分析后，确定了该方案，然后依据有关参数设计了 X向的进给。控制系统的CPU采用凌阳单片机，显示器采用了液晶显示器，使用 丝杠副实现X向的进给，通过进行经济分析后，产品设计合理。关键词：数控铳床；丝杠；工作台1课程内容的发展前景和意义1.1课题内容的发展前景市场的开放性和全球化，促使机床产品的竞争日趋激烈，而决定机床产品竞 争力的指标是产品的开发时间（Time）、产品质量（Quality）、成本（Cost）、 创新能力（Creation）和服务（Service）。用户在追求高质量产品的同时，会更 多地追求低的价格和短的交货期。这就要求企业改变过去传统的设计、生产和管 理模式，最大限度地利用虚拟设计手段，以提高产品的质量和性能，降低成本， 并努力缩短交货期，同时还需要快速响应市场和用户的变化，利用有利时机快速 抢占市场。美国制造业在50至60年代主要以扩大生产规模作为企业竞争力的第 一要素，而在70年代竞争力的第一要素为降低生产成本，80年代为提高产品质 量，90年代为市场响应速度。所以现代每个企业都期望通过提高自身的科技含 量，采用先进的设计技术和手段，以加快设计速度，提高设计质量，增强竞争力。 机床总体方案虚拟设计技术就是为适应这种形势的变化而提出来的。我国世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即 使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机 床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市 场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右，而95年已达77%。 严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外， 一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品(包 括基型、变型和专用机床)的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满 意的产品。为解决这样的问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展 优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程 (Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环 境，使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面， 使企业取得良好的经济效益。同时还有，设计人员操作的和开放的CAD应用软件， 这样的软件系统应采用特征建模技术、具有完备的图库结构、面向产品对象的数 据管理系统并与企业的管理、工艺、制造等建立交换信息的接口；同时软件系统 是一种开放环境，使设计人员可以根据自身产品设计的需要，对软件系统方便地 进行修改和补充开发，建立起本企业的应用软件系统。对于机床的整体才用虚拟 设计软件，整机的总体方案设计是保证产品布局合理、性能全局最优和成本合理 的主要环节。但机床整机总体方案设计在传统上往往依赖于人的“智慧”，随 意性很大，成为影响产品质量的关键因素，随着CAD技术、计算技术和设计方法 学的发展，以及市场竞争的需要，必须发展既基于知识，又具有科学分析和预 测功能的总体方案虚拟设计软件。在设计完成后对与整体的优化设计，主要从保 证整机性能的角度来研究机床总体结构的优化。这里既有建模的算法问题，也有 确定载荷和边界条件的问题，更有设计人员直接参与应用和分析的问题。发展仿 真技术在该领域的应用，使性能评价更直观和全面，可以使设计人员的经验和科 学计算分析完美地结合在一起，以推进结构设计的创新发展。要解决长期困扰机械产品设计人员的方案设计完全依靠个别有经验人员和 整机结构性能优化无从下手的问题，又要为广大设计人员提供一个经过二次开发 的CAD应用软件的设计系统，还需做大量的研究开发工作。还需加大对并行工程、 造型、可靠性、优化设计、报价体系、评价体系和软件一体化等方面的研究工作。1.2课题内容的意义当今机床行业的计算机数控化已成为技术进步的大趋势。数控机床是电子 信息技术和传统机械加工技术结合的产物，它集现代精密机械、计算机、通讯、 液压气动、光电等多学科技术为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性 的特点，是当代机械制造业的主流装备。数控机床大大提高了机械加工的性能（可 以精确加工传统机床无法处理的复杂零件）。有效提高了加工质量和效率，实现 了柔性自动化（相对于传统技术基础上的大批量生产的刚性自动化），并向智能 化、集成化方向发展。在数控机床发展过程中，值得一提的是数控加工中心的出现。这是一种具有 自动换刀装置的数控机床，它能实现一次装夹并进行多工序加工。这种机床在刀 库中装有钻头、丝锥、铰刀、镗刀等刀具，通过程序指令自动选择刀具，并利用 机械手将刀具装在主轴上，这样可大大缩短零件装缷时间和换刀时间。数控加工 中心现在已经成为数控机床中一个非常重要的品种，不仅有立式、卧式等镗铳类 加工中心用于箱体类零件的加工，还有车削加工中心用于回转体零件加工以及磨 削加工中心等。这些高性能、高精度、高自动化的数控机床就组成了完整的数控 机床家族。2设计的任务2.1设计的任务数控铳床伺服进给系统设计3设计的参数于确定系统的总方案方案设计主要是确定铳床工作台的X轴方向进给的结构，传动原理以及基本 的运动动力参数。3.1设计的参数设计任务给出各项指标如下：1加工对象：45号钢传动2工作台行程：X5003 脉冲当量：0.0010.002mm另外：工作台质量为200kg,工件和夹具的总质量为500kg。进给速度为18000mm/min,快速移动速度为20000mm/min3.2确定系统的总体方案为了满足以上技术要求，采取以下技术方案：（1）主切削力及其切削分力计算（2）工作台工作面尺寸（宽度x长度）确定为550mmx550mm。（3）对滚珠丝杠螺母副采用预紧，并对滚珠丝杠进行拉伸预紧。（4）采用伺服步进电动机驱动。3.2.1主切削力及其切削分力计算3.2.1.1根据已知条件，采用镶齿三面刃铳刀，查切削手册切削力计算公式为：F = 9. 81 8 20.4a 0 0 ai. Z（2.1）zP f 0 e式中Z铳刀齿数；aP afae-背吃刀量（mm）； -每齿进给量（mm/z）； 侧吃刀量（mm ）。所以当 Z = 10， a = 80mm， d = 100mm，eF = 9. 81za = 4mm， a = 0.15mm pf00 ai .=6420N0e时,3.2.1.2计算各切削分力工作台的纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为:F 二 0.6F 二 0.6x 6420 二 3852NczF 二 0.45F 二 0.45 x 6420 二 2889NvzF 二 0.55F 二 0.55 x 6420 二 3531Nlz3.2.2 X轴滚珠丝杠的选择1确定滚珠丝杠的导程根据已知条件取电动机的最高转速n= 2500r /min ,i=1得：maxv 20000cP max mm 8mmh in 1x 2500max2滚珠丝杠螺母副的载荷及转速计算丝杠最大载荷，为切削时的最大进给力加摩擦力；最载荷即摩擦力。已知最大进给力为F 3852N，工作台加工件与夹具的质量为700k，导轨的摩擦因cg数为0.0045，故丝杠的最小载荷F =fG=0.0045 x 700 x 10=31.5 N min丝杠最大载荷F 3852 + 31.4 3883Nmax当负荷与载荷接近单调式变化时8000 1n + nn maxmin m2+ 8 500r /min22F + Fmaxmin2 x 3883 + 31.42599N3确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam式中L预期工作时间(小时)；hf 精度系数；af 可靠性系数；cf负荷系数。w查得载荷性质系数f =1.3。已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为2级，查得精 W度系数f =1,可靠性系数f =1，则ac f f 2599 x1 3C = 3 60n Lm = 360 x 500 x 20000 x -= 28497Nam m h100ff100xlxla c(2) 因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按估算最大轴向载荷。取预加载荷系数f=4.5，则eC 二 f F二 4.5 x 3883N = 17474Nam e amax(3) 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam取以上两种结果的最大值，C =28497N。am4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m(1) 估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形5。m机床或机械装置的伺服系统精度大多在空载下检验。空载时作用在滚珠丝杠 副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力F。移动部件K处启动和返回时，由于F0min0方向变化将产生误差因素，一般占重复定位精度的(1/2 1/3)。所以规定滚珠丝杠副允许的最大轴向变形5 (1/3 - 1/4)重复定位精度。m已知重复定位精度为6 R m则)x 6 = 0.002 0.0015mm影响定位精度最主要因素是滚珠丝杠副的精度，其次是滚珠丝杠本身的拉压 弹性变形以及滚珠丝杠副摩擦力矩的变化等。一般估算5 0.03931.5 % 662 mm = 4.59mm2m0.0015 x10005初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的p、C、d2 ,初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚 h amm珠丝杠螺母副FFZD4008-5其公称直径d0、基本导程p、额定动载荷C和丝杠 0ha底径 d2 如下：d0 =40mm, p =8mm, C =30700N Cam=28497N, d2 =34.9mm 20丄力aam2d2m =4.59m m。故满足式设计要求。6确定滚珠丝杠螺母副的预紧力FpFFmax-x 3883N=1294N37计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧拉力1）计算目标行程补偿值51(3.3)5 = 11.8 At L x10-3tu式中： t温度变化值。已知温度变化值At=2.5C，滚珠丝杠螺母副的有效行程:L 二 L + L + 2 L 沁行程 + (8 14) P =500+11x8=588mmuknah5 =11.8A tL x10-3 = 11.8x2.5x588x10-3mm=17.21mm tu(2)计算滚珠丝杠的预拉伸力耳。F=1.95Atd2 二 1.95 x 2.5 x 349 N 二 5938Ntc8确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号(1) 计算轴承所承受的最大轴向载荷卩总吋F 二 F + F 二 5938 + 3883 二 9821NBmaxt max(2) 轴承类型两端固定支承方式。采用双向推力角接触球轴承。(3) 确定轴承内径d为便于丝杠加工，轴承内径最好不大于滚珠丝杠大径。在选用内循环滚珠丝 杠副时必须有一端轴承内径略小于丝杠底径d2。其次轴承样本上规定的预紧力应 大于轴承所承最大载荷F 计算轴承的的1/3。B maxd 略小于 d2 =34.9mm， d=30mm(4) 轴承预紧力FBP预加负荷 F ，F =1/3 F =1/3x 9821=3274NBPBPB max(5) 按样本选轴承型号规格ZKLN3062.2RS d=30mm ， 预加 负荷为 5850N F =3274NBP9滚珠丝杠副工作图设计(1) 滚珠丝杠螺纹长度LsL = L + L余程 L =32mmsueeL = L + L =588+1 x 32=620mmsue(2) 两端固定支承距离L =640mm，丝杠全长 L=662mm1(3) 行程起点离定支承距离L =62mm0.工.-S O： .一.3.1丝杠的三维图由以上数据可以看出，该钻铳床为小型机床，且为立式。主要加工对象为普 通45号钢，加工并不困难，精度要求也不是非常高。所需要的功率也不大。因 此，工作台的纵向和横向的移动通过丝杠来实现，按滚珠的循环方式可分为 弯管式回球器式端盖式。如图3.2.1图3.2.1弯管式丝杠副弯管式丝杠副与丝母之间设有滚珠转动沟道，滚珠对沟道产生轴向负载，滚 珠在丝杠轴周围做滚动运动之后,进入镶在丝母内部的弯管口内，并沿弯管再次 向负载区循环，从而进行无限滚动运动。这种产品（如图3.2.2）是滚珠丝杠副 中品种最丰富的普及型产品，可广泛用于各种用途。图3.2.2螺母丝杠副根据题目给出的要求，在工作台控制滑动的是才用的是WL1型有衬套的丝杠结构。3.2.3步进电机驱动的选择1. X轴方向进给方向的步进电机的选则步进电机步距角的确定5旦=0=型! 根据360h式中0 步进电机步距角（度）5脉冲当量（mm）h滚珠丝杠螺距（mm）因为h =8 mm， 5 0.002 (mm)所以 0 = 3605 = 360 x 0.002 = 0.09。由于要满足步进电机和工作台的步距要求，因此采用联轴器结构，来传递转 动。（2）电机最大静态扭矩的确定（F + 9.机 G）h 1-0负载的最大扭矩 M二z2兀耳式中F进给方向的切削力（N）；G工件和工作台的质量（kg）；卩导轨摩擦系数；n 丝杠的传动效率；h丝杠螺距（mm ）。FC=3852N 并且由专用机床设计与制造表7可知，当逆铳时P-h 二 11.2 （取 1.2），所以 Ph=1.2 X FC=4630N（ F 二 P PZ=FC）； G 取pHCH Z CZ200 kg；卩取 0.8； n 取 0.95； h 取 8 mm。所以（F + 9.8pG ）h x 10-3M =一z2兀n=8.31N.m所以步进电机转矩取11Nm。选择110BYG系列步进电机：型号：110BYG5200C 相数：5相 保持转矩：11 N.m。（3）安装尺寸步进电机的安装尺寸如图4.1图4.1步进电动机安装尺寸5数控系统的硬件设计5.1数控系统的基本硬件组成任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其 性能的好坏直接影响到整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。 机床数控系统的硬件电路概括起来有以下几个部分组成：（1）中央处理单元CPU。（2）总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。（3）存贮器。包括可擦除存贮器（EEPROM）和随机存贮器（RAM）。（4）I/O输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路 的协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用中所需的各种数据。I/O接口是系 统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存贮器、接口以及其它转换电 路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。由于MCS51系列单片机在我国数控车床控制方面应用较普遍，其配套芯 片价廉普及性通用性强，制造和维修也较方便，因此市场数据系统应用MCS 51较多。但是随着电子信息技术的飞跃发展，新型号的芯片的不断问世，各种 各样的单片机也应声而生。u，n sp单片机是由凌阳公司推出的16位单片机， 它的数据处理较强，集成度较高，而且有较大的存贮器空间，较快的处理速度， 片内较多的RAM和FLASHROM存贮器，有D/A、A/D接口和支持DSP （数字 信号处理）的指令，因此在这里不过多地扩展存贮器监控程序和功能子程序的可 擦除存贮器和调试程序用的随机存贮器。数控系统也可以直接购买国内外较好的 数控系统系列产品做为数控装置，如德国的西门子系列。5.2.1步进电机的工作原理步进电机是将电能转化为机械能电磁元件。定子上安排了六个磁极，相对两 个磁极上放置着同一相励磁绕组，而转子上没有，只有四个凸极，a、b、c、d 组成，当s1接通，s2，s3断开，A相建立磁场，转子力求以磁路最大来取向， 转子齿与定子A相磁极对齐，即转子a、c齿的轴线与定子A相磁极轴线重合。 当s1，s3断开，s2接通，转子b、d齿的轴线与定子B相磁极轴线重合。依次类 推s1一s2一s3一s1循环接通，转子以一定的布距角旋转，改变输入电流方向，实 现反转即s1s3s2s。5.2.2步进电机的控制步进电机是受脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成， 而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上 光电耦合电路，已防止电源串路。5.3译码法寻址由于扩展的存贮器和其它外围芯片的数量较多，常常采用译码法寻址，由译 码器组成译码电路对系统的高位地址进行译码，译码电路将地址空间划分若干 块，其输出作为存贮器芯片的片选信号，分别选通各芯片。这样既充分利用了存 贮器空间，又避免了空间分散的缺点，还可以减少I/O 口线。5.4键盘显示器接口键盘和显示器是数控系统常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数 据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。键盘接口电路，用8279作为 并行接口使用。8279的地址，数据线和凌阳单片机的接口直接连接，由片选信 号控制实现分时信息传递。5.5程序存储器（EEPROM）芯片由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的监控，所以数控系统需要有程序存 储器，放置监控程序。本数控机床选用EEPROM （容量为8K）。其外形图如亠 II：HLjH I图5.1程序存储器（EEPROM）芯片5.6数据存储器（RAM）芯片由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的调试，所以数控系统需要有随 机存储器，放置调试程序。本数控机床选用静态RAM6264 （容量为8K）。其外 形图如图5.2NC 3旳VCC百圮祖torr?Z 一4ETiM百5 5P4M2 6P3MlA3 7Et2 36264?闭g20CEJ肌10阳1D73LEI1118IK?T西1EF 10俺GNJ)15itn图5.2数据存储器（RAM）芯片6控制系统软件设计6.1程序流程图驱动横向和纵向步进电机运转的程序流程图如图6.1J3H3H= D 1 /_ z A -一 -/1Ml”11.1一 H一 H11_r-：F. -丿1.川-II.1-5H一一Ho .- /AS- 一）6.2控制程序.defineP_IOA_Data0x7000.defineP_IOA_Dir0x7002.defineP_IOA_Attrib0x7003.defineP_IOB_Data0x7005.defineP_IOB_Dir0x7007.defineP_IOB_Attrib0x7008.ram.var KEY_BUF,K_IN_P,K_IN_C,K_IN_D.var KD00, KD01, KD02, KD03.var KDA0, KDA1, KDA2, KDA3.var KDB0, KDB1, KDB2, KDB3.var KDC0, KDC1, KDC2, KDC3.var KDD0, KDD1, KDD2, KDD3 disp_buf:.dw 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00.CODEDISPUTABLE:.DW0x003F,0x0006,0x005B,0x004F,0x0066,0x006D,0x007D,0x0007,0x007F,0x006F.DW0x0077,0x007C,0x0039,0x005E,0x0079,0x0071,0x0073.public _main_main:R1= 0XFFFF/P_IOA_Dir = Rl;/Setport IOA outputP_IOA_Attrib = R1;/R1 = 0xF0F0;/设置PORTB D15-D12为键盘扫描OUTP_IOB_Dir =R1;/设置PORTB D11-D8为键盘扫描INP_IOB_Attrib=R1R1 = 0x00FFP_IOB_Data=R1/R1=0X0000R3=24R4=KEY_BUF/R1-=1CLRR0:R4=R1R4+=1R3-=1CMP R3,0JNE CLRR0 mainloop:call F_disp_PIOAcall F_ksc_PIOBcall F_ksc_CLP jmp mainloop键值处理F_ksc_CLP:R1=KEY_BUFCMP R1,0JE KDAECMP Rl,llJB K_DATAR2=0 K_IN_C=R2CMP R1,11JNE K_GN2R2=KDA0K_IN_P=R2R2=1 K_IN_D=R2R2=0 KEY_BUF=R2 RETFK_DATA:R3= K_IN_DCMP R3,0JE KDAER2=K_IN_PR2=R1R2+=1K_IN_P=R2R2=K_IN_CR2+=1K_IN_C=R2CMP R2,4JNE KDAER2=0K_IN_C=R2R2=K_IN_PR2-=4K_IN_P=R2KDAE:R2=0 KEY_BUF=R2RETFK_GN2:CMP R1,12JNE K_GN3R2=KDB0K_IN_P=R2R2=2K_IN_D=R2R2=0KEY_BUF=R2RETFK_GN3:CMP R1,13JNE K_GN4R2=KDC0K_IN_P=R2R2=3K_IN_D=R2R2=0R2+=4KEY_BUF=R2R1=0x0800RETFAA0:K_GN4:R5=DISP_TABLECMP R1,14R5+=R2JNE K_GNAKR1+= R5R2=KDD0P_IOA_Data=R1K_IN_P=R2R1-= R5R2=4R2+=1K_IN_D=R2R1= R1 LSL 1R2=0CALL DELAYKEY_BUF=R2CMP R1,0x8000RETFJB AA0K_GNAK:R1=0x0800CMP R1,15RETF;JNE K_GNNKDELAY:R2=KDD0R4=0x0000K_IN_P=R2DL1:R4+=1R2=0CMP R4,0x01K_IN_D=R2JBE DL1R2=0RETFKEY_BUF=R2/按键管理/RETFF_ksc_PIOB:K_GNNK:call KSC_ALLR2=0cmp R2,0K_IN_P=R2JE Kendcall F_disp_PIOAK_IN_C=R2call KSC_ALLK_IN_D=R2cmp R2,0KEY_BUF=R2JE KendRETFR4 = 0X7FFF;/显示子程序KK1:F_disp_PIOA:P_I0B_Data=R4;R2=K_IN_DR2 = P_IOB_Data;R2=R2 LSL 2R2l=0xF0FFKscl:R5=R2R2+=1JCS KsclR2=R5R2 人=OxFFFFR2=R2 LSL 4R5=0LLP1:R2=R2 LSL 1R5+=1CMP R2,0x0000JNE LLP1R5=R5 LSL 2R2=R4R2A=0xFFFFLLP2:R2=R2 LSL 1R5+=1CMP R2,0X0000JNE LLP2R5-=4KEY_BUF=R5R4=R4 LSR 1R4l=0X8000CMP R4,0XF7FFJNAE KK1Ksc2:call KSC_ALL cmp R2,0JnE Ksc2Kend:RETFKSC_ALL:R2 = 0X0FFF P_I0B_Data=R2;R2 = P_IOB_Data;R2|=0xF0FFR2+=1RETFEND7总结本学期的课程设计就要结束，在过去的两个星期的学习中，在老师的带领下, 我系统的设计了数控铳床的进给系统的设计，对与这个设计有了很深的了解，对 于步进电机的选择应用，有了一定的认识，在电路设计方面，水品有了很大的提高, 自己的机械设计水品有了很大的提高，对自己的大学生活做了一个很好的结局。忽略此处.