卜凡數(shù)控銑床進給系統(tǒng)的設計

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1、 交流驅動數(shù)控銑床Y軸進給系統(tǒng)設計 系 部： 機電工程系 專 業(yè)： 機械電子工程 班 級： 1308班 姓 名： 卜凡 學 號： 2013090836 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒 論 1 1.1 數(shù)控技術與數(shù)控機床 1 1.2 數(shù)控銑床與其進給

2、系統(tǒng) 2 1.3 總體設計方案的擬定 2 第二章 機床橫向進給系統(tǒng)機械部分計算與設計 5 2.1 脈沖當量的選擇與切削力的計算 5 2.2伺服電機的選擇 6 2.3 導軌設計 7 2.5 造型過程 8 第三章 零件的數(shù)控加工及程序編制 9 3.1 數(shù)控工藝分析和加工路線的確定 9 3.2 數(shù)控機床的選型 9 3.3定位基準、裝夾方案和對刀點 9 3.4 選擇刀具 10 3.5 控制系統(tǒng)總體方案的擬定 10 結 論 17 參考文獻 18 數(shù)控銑床（500mm）Y軸進給系統(tǒng)設計 摘 要 近年來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，既促進和帶

3、動了制造業(yè)的發(fā)展，也使其遇到了嚴峻的挑戰(zhàn)，迫切地需要改造傳統(tǒng)的加工制造模式。這其中很重要的一條就是使用更高速、更精確、更可靠的數(shù)控機床來代替普通的人工機床。本文就是在這樣的背景下，借助先進的CAX軟件—UG NX 5.0，通過對其他數(shù)控機床的分析與觀察，根據(jù)實際要求，分析、設計數(shù)控銑床（500mm）橫向進給系統(tǒng)。特別值的一提的是，本文摒棄了傳統(tǒng)的二維設計方法，利用UG進行三維參數(shù)化造型設計，直接生成工程圖紙和加式代碼，這對于縮短設計周期，提高設計質(zhì)量和產(chǎn)品的加工生產(chǎn)效率有著重要的意義。 第一章 緒 論 1.1 數(shù)控技術與數(shù)控機床 數(shù)控技術是現(xiàn)代制造技術的基礎。它綜合了計算機技術、自動

4、控制技術、自動檢測技術和精密機械等高新技術，因此廣泛應用于機械制造業(yè)。數(shù)控機床替代普通機床，從而使得制造業(yè)發(fā)生了根本性的變化，并帶來了巨大的經(jīng)濟效益。 目前，數(shù)控技術已被世界各國列為優(yōu)先發(fā)展的關鍵工業(yè)技術，成為國際間科技競爭的重點。數(shù)控技術的應用將機械制造與微電子、計算機、信息處理、現(xiàn)代控制理論、檢測技術以及光電磁等多種學科技術融為一體，使制造業(yè)成為知識、技術密集的大學科范疇內(nèi)的現(xiàn)代制造業(yè)，成為國民經(jīng)濟的基礎工業(yè)。 1.2 數(shù)控銑床與其進給系統(tǒng) 數(shù)控銑床可以人為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各類銑床配置的數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同，主要有點位控制功能、連續(xù)輪廓控制功能、刀具半徑自動

5、補償功能、刀具長度自動補償功能、鏡像加工功能、固定循環(huán)功能和特殊功能。具備自適應功能的數(shù)控銑床可以在加工過程中把感受到的切削狀況（如切削力、溫度等）的變化，通過適應性控制系統(tǒng)及時控制機床改變切削用量，使銑床及刀具始終保持最佳狀態(tài)，從而可獲得較高的切削效率和加工質(zhì)量，延長刀具使用壽命。數(shù)控銑床在配置了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，就具備了數(shù)據(jù)采集功能。目前已出現(xiàn)既對實物掃描采集數(shù)據(jù)，又能對采集到的數(shù)據(jù)進行自動處理生成數(shù)控加工程序的系統(tǒng)，這些為進行設計制造一體化工作提供了手段。 數(shù)控機床的進給系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機床本體的傳動環(huán)節(jié)，其作用是接收數(shù)控裝置發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作轉換和放大后，經(jīng)

6、伺服驅動裝置和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給和快速運動。它能根據(jù)指令信號精確的控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。 1.3 總體設計方案的擬定 一、系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。本次設計的機床要求具有定位、直線插補、順、逆圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。 二、控制方式的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 本次設計的機床精度要求高，但考慮到經(jīng)濟及調(diào)試等問題，選用半閉環(huán)型的控制系統(tǒng)。

7、三、機械傳動方式 目前數(shù)控銑床的縱向和橫向多采用伺服電機，進給系統(tǒng)的機械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。我們這里擬采用的是滾珠絲杠副傳動，以減少摩擦系數(shù)，提高進給機構的整體剛度。滾珠絲杠與電機間用聯(lián)軸器直接連接，以消除間隙。 第二章 機床橫向進給系統(tǒng)機械部分計算與設計 2.1主要參數(shù)如下： 工作臺面積(長寬) 　　　 900320 mm 工作臺左右行程(X向) 630 mm 　　 工作臺前后行程(Y向) 500 mm 　　

8、 主軸上、下行程(Z向) 500 mm 工作臺最大承重 600 kg 主軸端面至工作臺面距離 125-625 mm 刀具最大尺寸 φ100250 mm 　 刀具最大重量 　　 6 kg 主軸最高轉速 　 8000 rpm 進給速度

9、 5-5000 mm/min 快速移動速度 15000 mm/min 主電機功率 7.5kw 主軸最大輸出扭矩 94 N.m 定位精度 《JB/T8772.4-1998》 X:0.01mm ，Y、Z：0.01mm全程 進給電機扭矩 8 N.m

10、 起動加速時間（ms）： 30 2.2 伺服電機的選擇 伺服電機的選用，應考慮三個要求：最大切削負債轉矩，不得超過電機的額定轉矩，電機的轉子慣量應與負載慣量相匹配（匹配條件可根據(jù)伺服電機樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規(guī)律）；快速移動時，轉矩不得超過伺服電機的最大轉矩。 （1） 最大切削負載轉矩計算 所選伺服電機的額定轉矩應大于最大切削負載轉矩。最大切削負載轉矩T可根據(jù)下式計算，即 T=(++)i= +2.4+0.23=2.85（) 其中，從前面的計算已知最大進給力=1930N，絲桿導程=10mm=0.0

11、06m，預緊力=3120N ，查絲桿樣本，滾珠絲桿螺母副的機械效率=0.9。因滾珠絲桿預加載荷引起的附加摩擦力矩 ==31200.01/29.8=1.87() 查單個軸承的摩擦力矩為0.115，故一對軸承的摩擦力矩=0.23。伺服電機與絲桿直連其傳動比i=1。 （2） 負載慣量計算 伺服電動機的轉子慣量應與負載慣量相匹配。負載慣量可按以下次序計算。 ?工件、夾具與工作臺折算導電機軸上的慣量： 0.00152() ?絲桿加在電機軸上的慣量 絲桿名義直徑=45mm，長度l=600m，絲桿材料鋼的密度=7.8。根據(jù)下列計算，絲桿加在電機軸上的慣量

12、為 0.0024() ?聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的轉動慣量可直接查手冊得到 =0.001 則負載及機械傳動裝置總的轉動慣量為： 按照小型數(shù)控機床慣量匹配條件，，所選伺服電機的轉子慣量應在0.00605~0.0242范圍之內(nèi)。 根據(jù)上述計算可初步選定伺服電機。選用交流伺服電機，可選FB-14型交流伺服電機，其額定轉矩為16.8Nm，大于最大切削負載轉矩M=2.8Nm;轉子慣量=0.016，滿足匹配要求。 FB-14型交流伺服電機的主要技術參數(shù)如下。 最高轉速：1500r/mi

13、n 。 額定轉矩：16.8Nm 。 最大轉矩：154Nm 。 轉子慣量：0.016。 反電動勢系數(shù)：0.583。 轉矩系數(shù)：0.57Nm/A。 電驅交流電阻Ω。 （3）空載加速轉矩計算 當執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速導最大移動（快速移動）時，所需的空載加速轉矩為 = 空載加速時，主要克服的是慣性。總慣量 0.00605+0.019=0.025（Nm） 則 =86 （Nm） 空載加速轉矩不允許超過伺服電機的最大輸出轉矩。由此可見，F(xiàn)B-14型交流伺服電機的=154Nm>=86Nm，滿足

14、設計要求。 （4）伺服系統(tǒng)增益 通常取系統(tǒng)增益為8~25.對輪廓控制的數(shù)控銑床可取較大值。如取=20。伺服系統(tǒng)的時間常數(shù)=1/=1/20s=0.05s。根據(jù)=。如選用FB-14型交流伺服電機，執(zhí)行件（工作臺）達到的最大加速度為 (m/) 伺服系統(tǒng)要求達到的最大加速度發(fā)生在系統(tǒng)處于時間常數(shù)內(nèi)，執(zhí)行件的速度從-增加導+時 顯然，，因而按照加速能力選擇=20是合適的。如遠小于a，可適當增大值以提高系統(tǒng)的性能。 2.3 導軌的設計 銑床上的直線運動部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁、等支承件上的導軌進行運動的，導軌的作用概括地說就是對運動部件起導向

15、和支承作用，導軌的制造精度及精度保持性對機床加工精度有著重要的影響。導軌主要由機床上兩個相對運動部件的配合面組成一對導軌副，其中不動的配合面成為支承（固定）導軌，運動的配合面成為運動導軌。 2.4傳動系統(tǒng)剛度及精度驗算 絲桿的導程誤差、伺服系統(tǒng)誤差、絲桿軸承的軸向跳動誤差和在載荷作用下各機械作用下各機械環(huán)節(jié)彈性環(huán)節(jié)變形引起的誤差是影響系統(tǒng)精度的因素。 （1）傳動系統(tǒng)綜合剛度計算 由滾珠絲桿本身的抗壓剛度、支承軸承的軸向剛度、滾珠絲桿副中滾珠與滾道的接觸剛度、折算到滾珠絲桿副上伺服系統(tǒng)剛度、折算到滾珠絲桿副上聯(lián)軸節(jié)的剛度、滾珠絲桿副的抗扭剛度、螺母座、軸承座的剛度形成的綜合剛度K

16、為： 一般在校核計算中，折算到滾珠絲桿副上聯(lián)軸節(jié)的剛度、滾珠絲桿副的抗扭剛度、螺母座、軸承座的剛度、伺服剛度一般可忽略不計。則上式可簡化為： （1.1）滾珠絲桿本身的抗壓剛度 已知工作臺的橫向行程為400mm，當螺母移動到離定位點最遠位置時，距離為最遠，最大距離為734mm=0.734m。則絲桿拉壓剛度為 =399（N/） 式中 ——絲桿底徑 E——絲桿材料鋼的彈性慣量，E= （1.2）絲桿軸承的軸向剛度 單排推力球軸承51307的預加載荷=3102N，軸向外載荷為導軌摩擦力=fG=0.036009.8=176N,故軸向載荷為預加載荷與軸向外載荷之

17、和，即=+=3102+176=3278(N)。 絲桿軸承軸向載荷剛度可按下式求得，即 =505（N/） （1.3）滾珠絲桿螺母的接觸剛度 查絲桿螺母樣本手冊得 =2300（N/） 則傳動系統(tǒng)總和剛度K為 ==174（N/） （2）彈性變形量 數(shù)控銑床的定位精度是在不切削空載條件下檢驗的。故軸向載荷僅為導軌的摩擦力。本設計中的摩擦力=206N,故因引起的彈性變形量為 （3）定位誤差驗算 本設計中滾珠絲桿在任意300mm內(nèi)的導程誤差為6，加彈性變形量=1，即6+1=7。再加上某些次要因素，將不會超過要求的定位公差，能滿足定位

18、精度0.01的設計要求。 2.5 造型過程 本次設計中的三維造型全部采用UGNX5.0,主要是對電機外形、聯(lián)軸器、軸承、軸承座、絲桿、絲桿螺母、底座以及一些標準件的造型設計。 1、 底座的設計 底座是整個進給機構的支撐部件，尺寸為806270165mm，上表面用作導軌，里面的凸臺用于和軸承座配合，端面用于安裝電機，毛壞鑄造，有配合的面應進行機加工。 2、絲桿的設計 絲桿是將電機的旋轉運動轉化為工作臺的直線運動，是一個重要的部件，此絲桿的公稱直徑為45mm，長605mm,兩端用深溝球軸承和推力球軸承固定，分別承受徑向力和軸向力。 3、軸承的設計 本設計采用

19、了深溝球軸承6307和推力球軸承51307來固定絲桿。 第三章 零件的數(shù)控加工及程序編制 3.1 數(shù)控工藝分析和加工路線的確定 當選擇并決定某個零件進行數(shù)控加工后，必須對零件圖進行仔細工藝分析，選擇哪些最合適，最需要進行數(shù)控加工的內(nèi)容和工序。 在選擇并作出決定時。應結合車間的實際，立足于解決難題，攻克關鍵和提高生產(chǎn)效率，充分發(fā)揮數(shù)控加工的優(yōu)勢。 3.2 數(shù)控機床的選型 在選擇數(shù)控機床時，應注意以下幾點： （1）所選擇的機床應能滿足零件的加工的精度要求。 （2）所選擇的數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)應能滿足加工要求。 （3）所選用的數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)應能

20、滿足零件的需要。 （4）所選用數(shù)控機床的回轉刀架或刀庫的容量應足夠大，刀具數(shù)量能滿足加工要求。 （5）噪聲和造型。 3.3定位基準、裝夾方案和對刀點 當確定了在某臺數(shù)控機床上加工某個零件以后，就應該根據(jù)零件圖確定零件在機床上的定位裝夾方法。 數(shù)控機床對夾具提出了兩個基本要求：一是保證夾具在機床上定好方向；另 個是協(xié)調(diào)零件和機床坐標系的尺寸關系。為保證裝夾迅速方便，多采用氣動、液壓夾具以減少數(shù)控機床的停機時間。 為了確定夾具在機床工作臺上的位置，以及零件在夾具上或機床上的位置，就要有定位基礎。定位基礎應盡量與設計基礎一致，以減少定位誤差對尺寸精度的影響。 對刀點是指在數(shù)控機床上用刀

21、具加工零件時，刀具相對零件運動的起始點，程序就是從這一點開始的，所以對刀點也可以叫做程序原點。可以選擇刀具上的某一點作為對刀點，也可以選擇零件外某一點。 對刀點應選擇在對刀方便的地方，在采用相對坐標系的數(shù)控機床中，對刀點可選在零件孔的中心上，夾具上的專用對刀孔或垂真平面的交線上。在采用絕對坐標系的數(shù)控機床中，對刀點可選在機床坐標系或原點為確定值的點上。 3.4 選擇刀具 數(shù)控機床所選擇的刀具就滿足安裝調(diào)整方便，剛性好，精度高，耐用度高。 與普通機床相比，數(shù)控加工對刀具的選擇要嚴格的多，它常常是專用的，編程時，常需預先規(guī)定好刀具的結構尺寸和調(diào)整尺寸，尤其是自動換刀數(shù)控機床、在刀具安裝到機

22、床上之前，應根據(jù)編程時確定的參數(shù)，在機床外的調(diào)整中調(diào)到所需尺寸 3.5 控制系統(tǒng)總體方案的擬定 機電一體化系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，控制系統(tǒng)的控制對象主要包括各種機床，如車床，銑床，磨床等等，控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示： 根據(jù)總體方案及機械結構的控制要求，銑床控制系統(tǒng)選用MCS-51系列單片機組成，Y方向均采用交流電機控制，控制系統(tǒng)的功能包括： 3.5.1、Y向進給伺服運動 2、鍵盤顯示 3、面板管理 4、行程控制5、其他功能，例如光電隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示硬件電路主要由以下幾部分組成： 主控器，即中央處理單元（CPU）;總線，

23、包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線； 存儲器，包括RAM和ROM； 接口，即I/O輸入輸出接口電路；外部設備，如鍵盤、顯示器及光電輸入等； 控制系統(tǒng)結構： 3.5.2選擇中央處理單元（CPU）的類型 在微機控制系統(tǒng)中CPU的選擇主要考慮以下因素： 1、時鐘頻率和字長，這個指標將控制數(shù)據(jù)處理的速度； 2、可擴展存儲器的容量；3、指令系統(tǒng)功能，影響編程的靈活性；4、I/O接口擴展能力，即對外部設備控制的能力； 5、開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟和硬件；此外，還應考慮到系統(tǒng)的應用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價比等經(jīng)濟性的要求。 綜合考慮以上因素，這里選用8031芯片作為CPU 8.4

24、I/O接口電路設計8031單片機共有8個并行I/O口，但可供用戶使用的只有p1口和部分p2口，不能滿足輸入輸出口的需要，因此系統(tǒng)必須擴展輸入輸出接口電路。這里根據(jù)系統(tǒng)功能及需要，擴展一片8155和一片8255可編程接口I/O芯片。8155的片選信號CE接74LS138的g2端，8255芯片的片選信號接74LS138的3。74LS138三——八譯碼器有三個輸入A、B、C分別接8031的p2.5KP2.7口，輸出g00K78個輸出端，低電平有效。0K7對應輸入A、B、C的000到111的8種組合，其中0對應位000，74LS138還有三個使能端，其中兩個（G2A,G2B）7對應111。為低電平使能

25、，另一個G1為高電平使能，只有當使能端處于有效電平時，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出高電平無效狀態(tài)。I/O接口芯片與外部設備的連接是這樣安排的：8155芯片的pA0KpA7作為顯示器段選信號輸出，pB0LpB7是顯示器為選信號輸出，pc0Lpc4是鍵盤掃描輸入。8155芯片的I/O引腳接8031的p2.0，因此使用8155的I/O，故p2.0為高電平。8255芯片pA0KpA7接Y向直流電機的驅動器，為輸出。pB0LpB7為三個方向的點動及回零輸入，pc4,pc5為面板上的選擇開關鍵輸入，設有編輯、單步運行、自動、手動、手動Ⅰ、手動Ⅱ等方式。X向、Y向、Z向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB015，相通五

26、相十拍工作，故A0,A1引腳接5V，三個芯片的選通輸出控制E0分別接8255的pA0,pA3,pA5，清零R接8255的pA1，正反轉控制端接8255的pA2,pA4,pA6，時鐘的輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以解決脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實現(xiàn)插補不同的進給速度，可給8155芯片定時∕計數(shù)器中設置不同的時鐘常數(shù)。 結 論 我這次畢業(yè)設計做的主要是數(shù)控銑床中橫向機械進給機構的設計，采用了伺服電機、聯(lián)軸器、絲桿到縱向底座的傳動方式，沒有采用齒輪減速，而是直接用電機軸與絲桿軸用聯(lián)軸器聯(lián)接，這樣做的目的主要是為了提高傳動精度，當然也對絲桿進行了預緊操作，以提高其傳動剛度。

27、 經(jīng)過幾個月的畢業(yè)設計，完成了數(shù)控銑床中橫向機械進給機構的設計，在整個設計過程中比較重點的是選用伺服電機、滾珠絲杠、滑動導軌、聯(lián)軸器等。同時經(jīng)過這次的親自設計，使我對數(shù)控控制機構有了更進一步的了解，也是我更懂得使用工具書來解決問題。 參考文獻 [1] 文懷興.數(shù)控銑床設計.北京：化學工業(yè)出版社.2003. [2]王潤孝等. 機床數(shù)控原理與系統(tǒng). 西安：西北工業(yè)大學出版社.2002. [3]杜君文等. 機械制造技術裝備及設計. 天津：天津大學出版社.2002. [4]陳日曜. 金屬切削原理（第2版）. 北京：機械工業(yè)出版社.2008. [5]徐宏海 謝富春等. 數(shù)控銑床. 北

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