x62w銑床數(shù)控化改造論文

1、<p>　　畢業(yè)論文（設計）任務書</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p>　　1 機床進行數(shù)控化改造的必要性2</p><p>　　2 橫向進給系統(tǒng)設計3</p><p>　　2.1 X62W

2、銑床簡介3</p><p>　　2.1.1銑床的選型3</p><p>　　2.1.2 X62W機床特點3</p><p>　　2.1.3 X62W的結構組成4</p><p>　　2.2切削力計算4</p><p>　　2.3滾珠絲杠設計5</p><p>　　2.3.1強度計算

3、5</p><p>　　2.3.2效率計算5</p><p>　　3步進電動機及齒輪的選用6</p><p>　　3.1橫向步進電動機的選取6</p><p>　　3.1.1啟動力矩的計算6</p><p>　　3.1.2步進電動機的最高頻率6</p><p>　　3.2 齒輪設計(

4、橫向)7</p><p>　　4 數(shù)控系統(tǒng)硬件設計8</p><p>　　4.1 X62W萬能銑床電力拖動的特點8</p><p>　　4.2數(shù)控系統(tǒng)的選用8</p><p><b>　　結束語9</b></p><p><b>　　致謝10</b></p

5、><p><b>　　參考文獻11</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　文章介紹了銑床數(shù)控化的改造部位，滾珠絲杠、步進電動機的選擇計算，以及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的設計概要。把X62W銑床改造成數(shù)控銑床，主要改造的部位是：在主電動機端面加一電磁離合器，以便用指令控制主軸停轉：把工作臺的縱橫向進給

6、運動改造成用步進電動機來控制。垂直進給運動仍采用機動和手動方式。</p><p>　　本文在X62W數(shù)控銑床改造設計時主要從經濟性、方便性、實用性、可靠性四方面因素出發(fā)，對X62W型銑床進行了數(shù)控銑床機械系統(tǒng)設計，硬件及電路設計。使改造后的機床的機械傳動部分具有高靜態(tài)、動態(tài)剛度;運動副之間的摩擦因數(shù)小，傳動無間隙;功率大;便于操作和維修。</p><p>　　X62W數(shù)控銑床機械系統(tǒng)設計包

7、括伺服驅動系統(tǒng)的設計計算，滾珠絲杠螺母副的設計計算。進給傳動系統(tǒng)設計中，拆除縱向、橫向、垂向進給箱齒輪，在該處將手輪軸通過一對減速齒輪和縱向、橫向及垂向步進電機相連。絲杠拆去，換上滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，改造后的X5325C銑床的定位精度為士0.01㎜，重復定位精度為士0.005㎜。X、Y電機能夠拖動工作臺以6～2300r/min的切削進給速度進行X向、Y向運動。</p><p>　　控系統(tǒng)是一個基于

8、8031單片機的數(shù)字型控制系統(tǒng)。采用較小體積的單片機來實現(xiàn)一般的邏輯功能， 對進給系統(tǒng)的兩個軸進行控制。</p><p>　　關鍵詞：銑床 數(shù)控改造 步進電機 滾珠絲杠</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，普通機床越來越不能滿足市場的需求，其勞動強度大，危險性高，且不能滿足現(xiàn)代科學的批量生產需

9、要，越來越多的企業(yè)將普通機床逐漸轉向數(shù)控化，因為洗床可彌補普通機床的許多缺點，可實現(xiàn)加工精度高，多工序的集中化，自動報警，自動補償及自動監(jiān)控的功能。介紹了如何進行機床數(shù)控化改造，并提出了數(shù)控改造中的問題和建議。</p><p>　　數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎上發(fā)展起來的,兩者的加工工藝基本相同,結構也有些相似,但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動加工機床,所以其結構也與普通銑床有很大區(qū)別. </p><

10、;p>　　數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等幾大部分組成：</p><p>　　1、主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動刀具旋轉，主軸轉速范圍和輸出扭矩對加工有直接的影響。 </p><p>　　2、進給伺服系統(tǒng) 由進給電機和進給執(zhí)行機構組成，按照程序設定的進給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，包括直線進給運動和旋轉運動。</p&

11、gt;<p>　　3、控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運動控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機床進行加工。</p><p>　　4、輔助裝置 如液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護等裝置。 </p><p>　　5、機床基礎件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個機床的基礎和框架</p><p>　　如果對所用的普通車床和長時間使用的車床不進行改造，僅購買新的數(shù)控車

12、床，則會增加許多生產廠家設備方面的成本。所以生產廠家對普通車床及長時間使用的車床進行數(shù)控化改造是必經之路。</p><p>　　1 機床進行數(shù)控化改造的必要性</p><p>　　微觀上看，洗床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。</p><p>　　由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運

13、動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。</p><p>　　可以實現(xiàn)加工的自動化，而且柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。</p><p>　　由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。洗床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。</p&g

14、t;<p>　　加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。</p><p>　　可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)時間無看管加工。有以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。</p>

15、;<p>　　以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。</p><p>　　宏觀上看，工業(yè)發(fā)達家的軍、民機械工業(yè)，在20世紀70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用洗床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、

16、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用洗床、FMC、FMS外，還包括在產品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，洗床

17、的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了洗床數(shù)控化改造的必要性。把X62W洗床改造成數(shù)控洗床，主要改造的部分是：在主電動機端面加一電磁離合器，以便用指令控制主軸停轉；反工作臺的縱橫向進給運動改造成用步進電動機來控制。垂直進給運動仍采用機動和手動方式，下面主要介紹橫向進給系統(tǒng)的改造和數(shù)控系統(tǒng)的硬件改造。</p><p>　　2

18、橫向進給系統(tǒng)設計</p><p>　　在橫向進給系統(tǒng)的改造中，拆掉了原機床的絲杠螺母機構，更換上用步進電動機和一對齒輪驅動的滾珠絲杠螺母副。 </p><p>　　2.1 X62W銑床簡介 </p><p>　　縱向工作臺約重100kg，床鞍和回轉盤約重200kg，總重量G=100+200=300kg。</p><p>　　2.1.1銑床的

19、選型</p><p>　　X62W萬能銑床是一種通用的多用途機床，它可以進行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，是一種較為精密的加工設備，它采用繼電接觸器電路實現(xiàn)電氣控制。PLC專為工業(yè)環(huán)境應用而設計，其顯著的特點之一就是可靠性高，抗干擾能力強。將X62W萬能銑床電氣控制線路改造為可編程控制器控制，可以提高整個電氣控制系統(tǒng)的工作性能，減少維護、維修的工作量。</p><p>　　2.1.2

20、 X62W機床特點</p><p>　　(1) 能完成很多普通機床難以加工或者根本不能加工的復雜型面的加工。</p><p>　　(2) 采用X62W銑床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產品的質量。</p><p>　　(3) 采用X62W可以比普通機床提高2~3倍生產率，對復雜零件的加工，生產率可以提高十幾倍甚至幾十倍。</p><p>　　(

21、4) 此機床具有柔性，只需更換程序，就可以適應不同品種及尺寸規(guī)格零件的自動加工。</p><p>　　(5) 大大的減輕了工人的勞動強度。</p><p>　　萬能銑床是一種高效率的加工機械,在機械加工和機械修理中得到廣泛的應用，萬能銑床的操作是通過手柄同時操作電氣與機械,以達到機電緊密配合完成預定的操作,是機械與電氣結構聯(lián)合動作的典型控制,是自動化程度較高的組合機床。但是在電氣控制系統(tǒng)中

22、,故障的查找與排除是非常困難的,特別是在繼電器接觸式控制系統(tǒng)，由于電氣控制線路觸點多、線路復雜、故障率高、檢修周期長,給生產與維護帶來諸多不便,嚴重地影響生產。本文所述方案是對原來的繼電器接觸式模擬控制系統(tǒng)進行PLC改造而成,經實際運行證明該PLC控制系統(tǒng)無論是硬件還是軟件,控制穩(wěn)定可靠, 具有極高的可靠性與靈活性, 更容易維修,更能適應經常變動的工藝條件，取得了較好的經濟效益。</p><p>　　2.1.3

23、 X62W的結構組成</p><p>　　X62W數(shù)控銑床機械系統(tǒng)設計分縱向，橫向和垂向三個部分，在每個部分中，包括滾珠絲杠螺母副的設計計算，伺服驅動系統(tǒng)的設計計算。</p><p>　　1.滾珠絲杠螺母副把傳動絲杠與螺母之間的滑動摩擦變?yōu)榱藵L動摩擦, 使摩擦損失減小, 使精度保持性、傳動平穩(wěn)性、傳動效率等都得到提高，其傳動效率可達到92%～98%。</p><p>

24、;　　比常規(guī)的絲杠螺母副提高3～4倍（滑動絲杠效率為0.2～0.4）。</p><p>　　2.伺服驅動系統(tǒng)的設計計算包括步進電機選型、減速齒輪副的設計。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖

25、頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。</p><p>　　現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)、混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。</p><p>　　永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度。

26、</p><p>　　反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。</p><p>　　混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為 1.8度，而五相步進角一般為0.72度。</p><p>　　步進電

27、機有步距角(涉及到相數(shù))、靜轉矩及電流三大要素組成。三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。考慮到經濟性和實用性，選擇反應式步進電機。</p><p>　　2.2切削力計算 </p><p><b>　　切削功率為：</b></p><p>　　Nc=NhK (1)</p&

28、gt;<p>　　式中：N——主電動機功率，7.5kW </p><p>　　h——主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0. 6～0. 7，取0.6 </p><p>　　K——進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取0.96 </p><p>　　根據(jù)式(1)可得：Nc=4.32kW。又因為Nc=FzV/6120，則Fz=6120Nc/V，V為切削線速度，取100mm/min，所以

29、主切削力Fz=2.59kN。通常：縱向切削分力F縱=(0.6～0.9)Fz，垂直切削分力F垂=(0.45～0.7)Fz，橫向切削分力F橫=(0.5～0.55)Fz。取F縱=0.6Fz=1.55kN，F(xiàn)垂=0.45Fz=1.165kN，F(xiàn)橫=0.5Fz=1.295kN。</p><p>　　2.3滾珠絲杠設計 </p><p>　　工作臺橫向進給絲杠的軸向力：</p><

30、p>　　F軸=KF橫+f'(F垂+W) (2)</p><p>　　式中：K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，K=1.1 </p><p>　　F橫——橫向切削分力f'——導軌上的摩擦系數(shù)，f'=0.15 </p><p>　　W——工作臺、床鞍和回轉盤重力，W≈10G=3kN</p><p

31、>　　根據(jù)式(2)可得：F軸=2.049kN。 </p><p>　　2.3.1強度計算 </p><p><b>　　滾珠絲杠的轉速：</b></p><p><b>　　n=Vf/p</b></p><p>　　其中，進給速度Vf=60mm/min，滾珠絲杠的螺距p=6mm，則得：<

32、/p><p>　　n=Vf/p=10r/min</p><p>　　取壽命時間T=15000h，則壽命值L1=60nT/106=9。取運轉系數(shù)fw=1.2，硬度系數(shù)fH=1.1，則最大負載Q=(L)&frac13;1fwfHF軸=5.625kN。根據(jù)經驗，選取滾珠絲杠的型號ND3506-1×2/E左，即內循環(huán)，雙螺母墊片調隙式、公稱直徑為35mm、螺距為6mm、一圈二列、E級

33、精度、左旋、滾珠直徑為3.969mm。其額定動負荷為12.847kN>Q，其強度夠用。</p><p>　　2.3.2效率計算 </p><p>　　由于所選滾珠絲杠的螺旋升角a=3°7'，摩擦角f=10'，則滾珠絲杠的傳動效率：</p><p>　　h=tga/tg(a+f)=tg3°7'/tg(3°7&

34、#39;+10')=0.95。</p><p>　　縱向進給系統(tǒng)的設計與橫向進給系統(tǒng)的設計類似，計算從略。</p><p>　　3步進電動機及齒輪的選用</p><p>　　3.1橫向步進電動機的選取 </p><p>　　3.1.1啟動力矩的計算 </p><p>　　取系統(tǒng)的脈沖當量dp=0.01mm/脈沖

35、，選用步距角qb=0.75°</p><p><b>　　絲杠牽引力</b></p><p>　　Fs=F橫+1.414f當W (3)</p><p>　　式中f當——當量摩擦系數(shù)，f當=0.01 </p><p><b>　　代入式(3)得 </b></

36、p><p>　　Fs=1.337kN</p><p>　　設步進電動機等效負載力矩為M，負載力為F負，根據(jù)能量守恒原理，電動機所作的功與負載所作的功相等，即Mfh=F負L，則：</p><p>　　M=F負L/hf (4)</p><p>　　又F負=Fs+µ(W+F1)，數(shù)控裝置發(fā)出一個脈沖后，工作

37、臺的位移量L為一個脈沖當量0.001cm，這時電動機轉過的角度f=2pqb/360°，代入式(4)得</p><p>　　M=F負L/hf=360°dp[Fs+µ(G+F1)]/2pqbh=167N·cm</p><p>　　式中：µ——機床導軌摩擦系數(shù)，取µ=0.18 </p><p>　　F1——與重力

38、方向一致，作用在移動部件上的負載力F1=F垂=1.165kN </p><p>　　如果不考慮啟動時的運動部件慣性的影響，則啟動力矩Mq=M/0.3～0.5，取安全系數(shù)為0.3，Mq=556N·cm。對于工作方式為四相八拍的步進電動機，Mmax=Mq/0.707=786N·cm。 </p><p>　　3.1.2步進電動機的最高頻率 </p><p&

39、gt;　　取橫向進給速度最大為Vmax=1m/min，則步進電動機的最高頻率為</p><p>　　fmax=1000Vmax/(60×dp)=1667Hz</p><p>　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)和經驗，選用110BFG型步進電動機較合適，該電動機步距角為0.75°/1.5°，最大靜轉距為800N·cm，最高空載啟動頻率為1800Hz。 </p>

40、;<p>　　3.2 齒輪設計(橫向) </p><p>　　表3—1 齒輪設計尺寸表 單位（mm）</p><p>　　3 —2 基本尺寸與測量尺寸表 單位（mm）</p><p>　　據(jù)步距角qb、滾珠絲杠螺距p、脈沖當量dp，則在步進電動機與滾珠絲杠之間

41、所加的一對齒輪的傳動比為：I=Z1/Z2=dp×360°/(qb·p)=0.8，選Z1=48，Z2=60，根據(jù)經驗，齒輪模數(shù)取1.5mm。 </p><p>　　4 數(shù)控系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　4.1 X62W萬能銑床電力拖動的特點</p><p>　?。?）銑削加工有順銑和逆銑兩種加工方式，要求主軸電動機能正反轉，因正反操

42、作并不頻繁，所以由床身下側電器箱上的組合開光來改變電源相序實現(xiàn)。</p><p>　?。?）由于主軸傳動系統(tǒng)中裝有避免震蕩的慣性輪，故主軸電動機采用電磁離合器制動以實現(xiàn)準確停車。</p><p>　?。?）銑床的工作臺要求有前后、左右、上下6個方向的 進給運動和快速移動，所以也要求進給電動機能正反轉，并通過操作手柄和機械離合器相配合來實現(xiàn)。進給的快速移動通過電磁鐵和機械掛擋來完成。圓形工作

43、臺的回轉運動是由進給電動機經傳動機構驅動的。</p><p>　?。?）根據(jù)加工工藝的要求，該銑床應具有以下的電氣聯(lián)鎖措施：</p><p>　　為了防止刀具和銑床的損壞，只有主軸旋轉后才允許有進給運動和進給方向的快速運動。</p><p>　　為了減小加工表面的粗糙度，只有進給停止后主軸才能停止或同時停止。</p><p>　　該銑床采用機

44、械操縱手柄和位置開關相配合的方式實現(xiàn)進給運動6個方向的連鎖。</p><p>　　主軸運動和進給運動采用變速盤來進行速度選擇，為保證變速齒輪進入良好的嚙合狀態(tài)，兩種運動都要求變速后順時點動。</p><p>　　當主軸電動機或冷卻泵過載時，進給運動必須立即停止，以免損壞刀具和銑床。</p><p>　?。?）要求有冷卻系統(tǒng)、照明設備及各種保護措施。</p>

45、;<p>　　4.2數(shù)控系統(tǒng)的選用</p><p>　　所用數(shù)控系統(tǒng)是我們最近開發(fā)的BKC2-Ⅷ型數(shù)控系統(tǒng)，主要由主控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)兩部分組成。主控制系統(tǒng)用于控制鍵盤的輸入和輸出，工作臺在X、Y方向上的超程，側門關閉，查詢，X和Y向步進電動機的相位及主軸正反轉等。顯示系統(tǒng)用于控制H716501液晶顯示器。這兩部分都采用了新型的單片機GMS90C32作中央處理器，它可以與MCS-51系列單片機兼容，

46、具有快速脈沖編程算法，采用了CMOS技術，最高工作頻率可達40MHz(本設計采用18MHz)，有良好的性能價格比。 </p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎上發(fā)展起來的,兩者的加工工藝基本相同,結構也有些相似,但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動加工機床,所以其結構也與普通銑床有很大區(qū)別.</p><p&

47、gt;　　數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等幾大部分組成：主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動刀具旋轉，主軸轉速范圍和輸出扭矩對加工有直接的影響。進給伺服系統(tǒng) 由進給電機和進給執(zhí)行機構組成，按照程序設定的進給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，包括直線進給運動和旋轉運動?？刂葡到y(tǒng) 數(shù)控銑床運動控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機床進行加工。輔助裝置 如液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護等裝

48、置。機床基礎件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個機床的基礎和框架。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　感謝我的導師。本篇論文從提綱到初稿乃至成稿，都經過他精心的指導和修改，提出了嚴格的要求和許多寶貴的意見?？梢哉f，我的整篇論文凝聚著他的心血。在完成本篇畢業(yè)論文的過程中，本人得到了許多老師和同學們的幫助，是他們?yōu)榇烁冻隽诵难途Γ诖苏?/p>

49、允許我向他們表示最衷心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]許吉慶.C616車床的數(shù)控化改造設計.機械制造.1999(1)</p><p>　　[2]何立民主編.單片機應用系統(tǒng)設計.北京:北京航空航天大學出版社.1991.1</p><p>　　[3] 李敬梅.電力拖動控制線路