卜凡数控铣床进给系统的设计

交流驱动数控铣床Y轴进给系统设计 系 部： 机电工程系 专 业： 机械电子工程 班 级： 1308班 姓 名： 卜凡 学 号： 2013090836 目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 数控技术与数控机床11.2 数控铣床与其进给系统21.3 总体设计方案的拟定2第二章 机床横向进给系统机械部分计算与设计52.1 脉冲当量的选择与切削力的计算52.2伺服电机的选择62.3 导轨设计7 2.5 造型过程8第三章 零件的数控加工及程序编制93.1 数控工艺分析和加工路线的确定93.2 数控机床的选型93.3定位基准、装夹方案和对刀点93.4 选择刀具103.5 控制系统总体方案的拟定10结 论17参考文献18数控铣床（500mm）Y轴进给系统设计 摘 要近年来，我国经济飞速发展，既促进和带动了制造业的发展，也使其遇到了严峻的挑战，迫切地需要改造传统的加工制造模式。这其中很重要的一条就是使用更高速、更精确、更可靠的数控机床来代替普通的人工机床。本文就是在这样的背景下，借助先进的CAX软件UG NX 5.0，通过对其他数控机床的分析与观察，根据实际要求，分析、设计数控铣床（500mm）横向进给系统。特别值的一提的是，本文摒弃了传统的二维设计方法，利用UG进行三维参数化造型设计，直接生成工程图纸和加式代码，这对于缩短设计周期，提高设计质量和产品的加工生产效率有着重要的意义。第一章 绪 论1.1 数控技术与数控机床数控技术是现代制造技术的基础。它综合了计算机技术、自动控制技术、自动检测技术和精密机械等高新技术，因此广泛应用于机械制造业。数控机床替代普通机床，从而使得制造业发生了根本性的变化，并带来了巨大的经济效益。目前，数控技术已被世界各国列为优先发展的关键工业技术，成为国际间科技竞争的重点。数控技术的应用将机械制造与微电子、计算机、信息处理、现代控制理论、检测技术以及光电磁等多种学科技术融为一体，使制造业成为知识、技术密集的大学科范畴内的现代制造业，成为国民经济的基础工业。1.2 数控铣床与其进给系统数控铣床可以人为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的数控系统不同，其功能也不尽相同，主要有点位控制功能、连续轮廓控制功能、刀具半径自动补偿功能、刀具长度自动补偿功能、镜像加工功能、固定循环功能和特殊功能。具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况（如切削力、温度等）的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量，使铣床及刀具始终保持最佳状态，从而可获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命。数控铣床在配置了数据采集系统后，就具备了数据采集功能。目前已出现既对实物扫描采集数据，又能对采集到的数据进行自动处理生成数控加工程序的系统，这些为进行设计制造一体化工作提供了手段。数控机床的进给系统是数控装置与机床本体的传动环节，其作用是接收数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。它能根据指令信号精确的控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。1.3 总体设计方案的拟定一、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、点位直线控制系统和连续控制系统。本次设计的机床要求具有定位、直线插补、顺、逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。二、控制方式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。本次设计的机床精度要求高，但考虑到经济及调试等问题，选用半闭环型的控制系统。三、机械传动方式目前数控铣床的纵向和横向多采用伺服电机，进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。我们这里拟采用的是滚珠丝杠副传动，以减少摩擦系数，提高进给机构的整体刚度。滚珠丝杠与电机间用联轴器直接连接，以消除间隙。第二章 机床横向进给系统机械部分计算与设计 2.1主要参数如下：工作台面积(长宽) 900320 mm 工作台左右行程(X向) 630 mm 工作台前后行程(Y向) 500 mm 主轴上、下行程(Z向) 500 mm 工作台最大承重 600 kg 主轴端面至工作台面距离 125-625 mm 刀具最大尺寸 100250 mm 刀具最大重量 6 kg 主轴最高转速 8000 rpm 进给速度 5-5000 mm/min 快速移动速度 15000 mm/min 主电机功率 7.5kw 主轴最大输出扭矩 94 N.m 定位精度 JB/T8772.4-1998 X:0.01mm ，Y、Z：0.01mm全程 进给电机扭矩 8 N.m 起动加速时间（ms）： 302.2 伺服电机的选择伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负债转矩，不得超过电机的额定转矩，电机的转子惯量应与负载惯量相匹配（匹配条件可根据伺服电机样本提供的匹配条件，也可以按照一般的匹配规律）；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。（1） 最大切削负载转矩计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载转矩T可根据下式计算，即 T=(+)i= +2.4+0.23=2.85（) 其中，从前面的计算已知最大进给力=1930N，丝杆导程=10mm=0.006m，预紧力=3120N，查丝杆样本，滚珠丝杆螺母副的机械效率=0.9。因滚珠丝杆预加载荷引起的附加摩擦力矩 =31200.01/29.8=1.87()查单个轴承的摩擦力矩为0.115，故一对轴承的摩擦力矩=0.23。伺服电机与丝杆直连其传动比i=1。（2） 负载惯量计算伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按以下次序计算。工件、夹具与工作台折算导电机轴上的惯量： 0.00152() 丝杆加在电机轴上的惯量 丝杆名义直径=45mm，长度l=600m，丝杆材料钢的密度=7.8。根据下列计算，丝杆加在电机轴上的惯量为 0.0024()联轴器加上锁紧螺母等的转动惯量可直接查手册得到 =0.001则负载及机械传动装置总的转动惯量为：按照小型数控机床惯量匹配条件，所选伺服电机的转子惯量应在0.006050.0242范围之内。根据上述计算可初步选定伺服电机。选用交流伺服电机，可选FB-14型交流伺服电机，其额定转矩为16.8Nm，大于最大切削负载转矩M=2.8Nm;转子惯量=0.016，满足匹配要求。 FB-14型交流伺服电机的主要技术参数如下。 最高转速：1500r/min 。 额定转矩：16.8Nm 。 最大转矩：154Nm 。 转子惯量：0.016。 反电动势系数：0.583。 转矩系数：0.57Nm/A。 电驱交流电阻。（3）空载加速转矩计算 当执行件从静止以阶跃指令加速导最大移动（快速移动）时，所需的空载加速转矩为= 空载加速时，主要克服的是惯性。总惯量 0.00605+0.019=0.025（Nm） 则 =86 （Nm） 空载加速转矩不允许超过伺服电机的最大输出转矩。由此可见，FB-14型交流伺服电机的=154Nm=86Nm，满足设计要求。（4）伺服系统增益通常取系统增益为825.对轮廓控制的数控铣床可取较大值。如取=20。伺服系统的时间常数=1/=1/20s=0.05s。根据=。如选用FB-14型交流伺服电机，执行件（工作台）达到的最大加速度为 (m/)伺服系统要求达到的最大加速度发生在系统处于时间常数内，执行件的速度从-增加导+时 显然，因而按照加速能力选择=20是合适的。如远小于a，可适当增大值以提高系统的性能。2.3 导轨的设计铣床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁、等支承件上的导轨进行运动的，导轨的作用概括地说就是对运动部件起导向和支承作用，导轨的制造精度及精度保持性对机床加工精度有着重要的影响。导轨主要由机床上两个相对运动部件的配合面组成一对导轨副，其中不动的配合面成为支承（固定）导轨，运动的配合面成为运动导轨。2.4传动系统刚度及精度验算丝杆的导程误差、伺服系统误差、丝杆轴承的轴向跳动误差和在载荷作用下各机械作用下各机械环节弹性环节变形引起的误差是影响系统精度的因素。（1）传动系统综合刚度计算 由滚珠丝杆本身的抗压刚度、支承轴承的轴向刚度、滚珠丝杆副中滚珠与滚道的接触刚度、折算到滚珠丝杆副上伺服系统刚度、折算到滚珠丝杆副上联轴节的刚度、滚珠丝杆副的抗扭刚度、螺母座、轴承座的刚度形成的综合刚度K为：一般在校核计算中，折算到滚珠丝杆副上联轴节的刚度、滚珠丝杆副的抗扭刚度、螺母座、轴承座的刚度、伺服刚度一般可忽略不计。则上式可简化为： （1.1）滚珠丝杆本身的抗压刚度已知工作台的横向行程为400mm，当螺母移动到离定位点最远位置时，距离为最远，最大距离为734mm=0.734m。则丝杆拉压刚度为=399（N/）式中 丝杆底径 E丝杆材料钢的弹性惯量，E= （1.2）丝杆轴承的轴向刚度单排推力球轴承51307的预加载荷=3102N，轴向外载荷为导轨摩擦力=fG=0.036009.8=176N,故轴向载荷为预加载荷与轴向外载荷之和，即=+=3102+176=3278(N)。丝杆轴承轴向载荷刚度可按下式求得，即=505（N/）（1.3）滚珠丝杆螺母的接触刚度查丝杆螺母样本手册得 =2300（N/）则传动系统总和刚度K为=174（N/）（2）弹性变形量数控铣床的定位精度是在不切削空载条件下检验的。故轴向载荷仅为导轨的摩擦力。本设计中的摩擦力=206N,故因引起的弹性变形量为 （3）定位误差验算本设计中滚珠丝杆在任意300mm内的导程误差为6，加弹性变形量=1，即6+1=7。再加上某些次要因素，将不会超过要求的定位公差，能满足定位精度0.01的设计要求。2.5 造型过程本次设计中的三维造型全部采用UGNX5.0,主要是对电机外形、联轴器、轴承、轴承座、丝杆、丝杆螺母、底座以及一些标准件的造型设计。1、 底座的设计底座是整个进给机构的支撑部件，尺寸为806270165mm，上表面用作导轨，里面的凸台用于和轴承座配合，端面用于安装电机，毛坏铸造，有配合的面应进行机加工。2、丝杆的设计丝杆是将电机的旋转运动转化为工作台的直线运动，是一个重要的部件，此丝杆的公称直径为45mm，长605mm,两端用深沟球轴承和推力球轴承固定，分别承受径向力和轴向力。3、轴承的设计本设计采用了深沟球轴承6307和推力球轴承51307来固定丝杆。 第三章 零件的数控加工及程序编制3.1 数控工艺分析和加工路线的确定当选择并决定某个零件进行数控加工后，必须对零件图进行仔细工艺分析，选择哪些最合适，最需要进行数控加工的内容和工序。 在选择并作出决定时。应结合车间的实际，立足于解决难题，攻克关键和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。3.2 数控机床的选型在选择数控机床时，应注意以下几点：（1）所选择的机床应能满足零件的加工的精度要求。（2）所选择的数控机床的数控系统应能满足加工要求。（3）所选用的数控机床的数控系统应能满足零件的需要。（4）所选用数控机床的回转刀架或刀库的容量应足够大，刀具数量能满足加工要求。（5）噪声和造型。3.3定位基准、装夹方案和对刀点当确定了在某台数控机床上加工某个零件以后，就应该根据零件图确定零件在机床上的定位装夹方法。数控机床对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具在机床上定好方向；另 个是协调零件和机床坐标系的尺寸关系。为保证装夹迅速方便，多采用气动、液压夹具以减少数控机床的停机时间。为了确定夹具在机床工作台上的位置，以及零件在夹具上或机床上的位置，就要有定位基础。定位基础应尽量与设计基础一致，以减少定位误差对尺寸精度的影响。对刀点是指在数控机床上用刀具加工零件时，刀具相对零件运动的起始点，程序就是从这一点开始的，所以对刀点也可以叫做程序原点。可以选择刀具上的某一点作为对刀点，也可以选择零件外某一点。对刀点应选择在对刀方便的地方，在采用相对坐标系的数控机床中，对刀点可选在零件孔的中心上，夹具上的专用对刀孔或垂真平面的交线上。在采用绝对坐标系的数控机床中，对刀点可选在机床坐标系或原点为确定值的点上。3.4 选择刀具数控机床所选择的刀具就满足安装调整方便，刚性好，精度高，耐用度高。与普通机床相比，数控加工对刀具的选择要严格的多，它常常是专用的，编程时，常需预先规定好刀具的结构尺寸和调整尺寸，尤其是自动换刀数控机床、在刀具安装到机床上之前，应根据编程时确定的参数，在机床外的调整中调到所需尺寸3.5 控制系统总体方案的拟定 机电一体化系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床，铣床，磨床等等，控制系统的基本组成如下图所示：根据总体方案及机械结构的控制要求，铣床控制系统选用MCS-51系列单片机组成，Y方向均采用交流电机控制，控制系统的功能包括：3.5.1、Y向进给伺服运动 2、键盘显示 3、面板管理 4、行程控制5、其他功能，例如光电隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示硬件电路主要由以下几部分组成：主控器，即中央处理单元（CPU）;总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； 存储器，包括RAM和ROM； 接口，即I/O输入输出接口电路；外部设备，如键盘、显示器及光电输入等； 控制系统结构：3.5.2选择中央处理单元（CPU）的类型 在微机控制系统中CPU的选择主要考虑以下因素： 1、时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度； 2、可扩展存储器的容量；3、指令系统功能，影响编程的灵活性；4、I/O接口扩展能力，即对外部设备控制的能力； 5、开发手段，包括支持开发的软和硬件；此外，还应考虑到系统的应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价比等经济性的要求。综合考虑以上因素，这里选用8031芯片作为CPU 8.4 I/O接口电路设计8031单片机共有8个并行I/O口，但可供用户使用的只有p1口和部分p2口，不能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这里根据系统功能及需要，扩展一片8155和一片8255可编程接口I/O芯片。8155的片选信号CE接74LS138的g2端，8255芯片的片选信号接74LS138的3。74LS138三八译码器有三个输入A、B、C分别接8031的p2.5KP2.7口，输出g00K78个输出端，低电平有效。0K7对应输入A、B、C的000到111的8种组合，其中0对应位000，74LS138还有三个使能端，其中两个（G2A,G2B）7对应111。为低电平使能，另一个G1为高电平使能，只有当使能端处于有效电平时，输出才能产生，否则输出高电平无效状态。I/O接口芯片与外部设备的连接是这样安排的：8155芯片的pA0KpA7作为显示器段选信号输出，pB0LpB7是显示器为选信号输出，pc0Lpc4是键盘扫描输入。8155芯片的I/O引脚接8031的p2.0，因此使用8155的I/O，故p2.0为高电平。8255芯片pA0KpA7接Y向直流电机的驱动器，为输出。pB0LpB7为三个方向的点动及回零输入，pc4,pc5为面板上的选择开关键输入，设有编辑、单步运行、自动、手动、手动、手动等方式。X向、Y向、Z向步进电机硬件环形分配器采用YB015，相通五相十拍工作，故A0,A1引脚接5V，三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的pA0,pA3,pA5，清零R接8255的pA1，正反转控制端接8255的pA2,pA4,pA6，时钟的输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以解决脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补不同的进给速度，可给8155芯片定时计数器中设置不同的时钟常数。结 论我这次毕业设计做的主要是数控铣床中横向机械进给机构的设计，采用了伺服电机、联轴器、丝杆到纵向底座的传动方式，没有采用齿轮减速，而是直接用电机轴与丝杆轴用联轴器联接，这样做的目的主要是为了提高传动精度，当然也对丝杆进行了预紧操作，以提高其传动刚度。经过几个月的毕业设计，完成了数控铣床中横向机械进给机构的设计，在整个设计过程中比较重点的是选用伺服电机、滚珠丝杠、滑动导轨、联轴器等。同时经过这次的亲自设计，使我对数控控制机构有了更进一步的了解，也是我更懂得使用工具书来解决问题。参考文献1 文怀兴.数控铣床设计.北京：化学工业出版社.2003.2王润孝等. 机床数控原理与系统. 西安：西北工业大学出版社.2002.3杜君文等. 机械制造技术装备及设计. 天津：天津大学出版社.2002.4陈日曜. 金属切削原理（第2版）. 北京：机械工业出版社.2008.5徐宏海 谢富春等. 数控铣床. 北京：化学工业出版社.20046宋丹. 普通铣床的数控改造设计. 水利电力机械.2003 25（3）.7胡占 齐杨莉主编. 机床数控技术. 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