X6132经济型数控改造设计(垂向改造)

目录一、设计任务书 (1)二、数据准备 (2)三、总体方案的拟定 (3)四、步进电机和滚珠丝杠副的选取计算 (6)五、改造后传动机构的性能分析 (14)六、双片齿轮错齿法 (16)七、部分控制软件的框图 (17)八、工艺程序段 (18)九、设计体会 (20)参考资料 (21)一、毕业设计任务书1、毕业设计的目的通过毕业设计，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深时所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识，使认识提高到一个新的水平，通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通毕设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。

2、毕业设计的课题１、卧式升降台铣床的数控改造（１）、拟定方案：根据加工零件的精度、生产率、批量，分析应采用的数控系统、伺服系统实施方案的合理性。

（２）、设计内容：①铣床Ｘ（或Ｙ或Ｚ）坐标机械伺服机构的设计计算，绘制装配图。

②数控系统框图及硬件电路接线图的设计与绘制。

③用软件实现串行数据通讯程序的设计。

绘图工作量不少于Ａ0图示２张，设计计算书一份。

２、设计时间安排设计阶段的任务包括方案设计、图纸设计和编写技术文件等。

总设计时间为６周。

其中：方案设计时间约１周（包括查资料）计算及图纸设计时间约４周编写技术文件约１周二、数据准备１、机床数据：进给电机1.5KW 工作台最大拖力1500kgf 工作台最大承载重量500kg 工作台快速进给量Ｖ垂=766.6mm/min Ｖ横=Ｖ纵=2300mm/min 工作台行程：Ｌ纵≤800mmＬ横≤300mm Ｌ垂≤400mm.。

最大回转角度（±45。

）工作进给量：纵横向10～1000mm/min 垂向3.3～333mm/min——《机床设计图册》２、工艺数据：通用机床由于工艺范围广，在同一台机床上常用不同材料刀具对不同材料和尺寸的工件进行多种加工，故取具有代表性的典型加工条件为计算依据。

通常以加工量最大的钢料或铸件为工件材料，硬质合金或高速钢为刀具材料，选取用该机床上用得最多的常用工序或极限加工工序及与此相应的切削用量。

结合本次改造，选取加工材料为HT200的平板凸轮的加工工艺。

刀具：粗齿圆柱铣刀：孔径27mm，直径Ｄ为63mmＬ取63前角α。

为15。

，后角α。

为12。

，螺旋角β为45。

，齿数Ｚ为6切削用量：铣削铸铁铣前深度t＝５～７mm 取t＝６mm。

进给量：粗齿圆柱铣刀，在加工铸铁装夹系统刚性一般，机床功率7.5kw的条件下，取每齿进给量f z＝0.01～0.15毫米／齿，取f z＝0.15毫米／齿——《金属切削手册》(第二版，上海市金属切削技术协会编)三、总体改造方案采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出泳冲，经光电隔离电路，功率放大到步进电机，再齿轮减速，带动滚珠丝杠转动。

从而实现X、Y、Z方向的进给运动。

总体设计示意图如下所示：结合实际工作量，本次数控改造只涉及进给系统的数控改造，对于主轴部分不予考虑。

数改过程中，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小，调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。

滚珠丝杠作为当代数控机床进给的主要传动机构，以其寿命长、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的重要配套部件，并已实现了标准化、通用化和商品化。

为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。

（１）、伺服驱动：在我国设备数控改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机是一种特殊结构的电机，它利用通电激磁绕组产生反应力矩：将脉冲电信号的能量转换为机械位移的机电执行元件。

当激磁绕组每产生一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就转动。

转了转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。

由于步进电机容易丢步，启动频率低，工作频率也不够高，低频时振动大，有时还自激振荡，且没有过载能力，当工作条件变动时，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小、负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。

开环伺服是由步进电机和机械传动装置组成的开环式控制系统。

由于没有位置检测及反馈装置，就必须使其机械传动装置在任何时刻、任何情况下均能严格跟随步进电机的运动而运动。

然而实际上，在机械传动装置的输入与输出之间总会有误差存在的。

这误差的产生，除了有一部分是由传动链的传误差（如丝杠螺距累积误差）引起的之外，还有一部分是由于传动系统的动力参数（如传动刚度、移动件惯量、导轨摩擦力、间隙、速度阻尼等）产生的。

这部分误差在设计开环伺服进给系统中必须予以注意。

它包括三部分：１、启动或反向时的死区误差：２、由于传动刚度的变化引起的定位误差：３、运动时的动态误差。

（２）、数控装置：数控装置的选择也有多种方案，可以全部自行设计制作，可以来用单板机或ＳＴＤ模块改制等，工厂中一般多采用以下两种方法：一种情况是所需的功能和要求有现成的数控装置可以满足，这时绝大多数都采取买现成产品的方案，因为自行设计制作不但费时间，投资也不一定能省，往往是投资更多，而且质量也不容易保证的，另一种情况是买不到现成产品来实现有些特殊功能，这时大多采取买性价比尽量高的性能接近的装置，然后自行补充或改造，至少也是买ＳＴＤ模块或工控机，单板机来制作，很少全部自行设计制作，对于我们所需的数控装置，除了直接能进行渐开线插补这一条功能外，其它没有特殊的功能要求，市场上可以有很多种型号的铣床数控装置供选择，因此直接选用市场上现成的装置切合实际，可以加快改造步伐，适合生产需要，但是作为毕业设计，也需对其结构、原理。

控制方式等有新了解。

能提出自己的处理办法，即设计方案。

根据所选方案确定选用国产的经济数控系统ＪＷＫ—２０Ｍ，控制轴数X、Ｙ、Ｚ，联动轴数任意二轴，生产厂家：南京微分电机厂江南机床数控工程公司。

经济型数控装置选用步进电机驱动的开环数控装置。

（３）、其它电气装置在经济型数控改造中，还需要结合数控装置和伺服驱动的特点配其它电气装置，包括强弱电信号的变换，传输或必要的处理，其中对输入输出接口部分还要考虑是否有隔离，屏蔽的要求，此外，还要配置所需要的电源，各种保护电路等辅助电路。

步进电机性能参数和安装尺寸要符合GBn||3或JB/DQ3302的规定。

连接方式：控制柜（箱）与机床，柜（箱）与电机之间的电气连接应采用插头插座或接线盒型，连接线应有金属软管保护，并应按符合GB5226—85，JB/GQ0580—85，JB/GQ0576—85有关章节规定和JB/DQ3002—80中1.3规定（４）、机械部分：在设备的数控化改造中，虽然中心工作是数控部分，涉及较多的是微机但如果忽视了机械方面的要求而只是按数控方面的要求来进行相应的改动，或者在改造设计中制造不合理的装运，结果会给数控化改造带来意想不到的不良后果，甚至是失败。

五、步进电机和滚珠丝杠的选取计算1．切削力的计算F z =(a p a e a f z 。

d 。

n 。

)k式中：a p — 切削深度（mm ）a e — 切削宽度（mm ）a f — 每齿进给量 （mm/z ） z 。

— 刀齿数 d 。

— 刀具公称直径n 。

— 刀具每分钟转数k 。

— 与刀具材料，切速，工件材料，刀具几何参数，刀具磨损状态等有关的综合修正系数。

结合本次改造：F z =C Ｆc·a p ·f z 0.65. ·a e 0.83·d o -0.83·z ·k Fc式中：C Ｆc— 铣削力系数 取282a p — 铣削深度（即被加工表面的宽度，同时加工５个工件,每个工件厚度为10mm,故深度为50mm ）f z — 每齿进给量 取0.15mm/z.a e— 铣削宽度（即被切削金属层的深度） 取6mmd o — 铣刀公称直径 取63mm z — 刀齿数 取６ k Fc— 铣削力修正系数且：k F c= k mFc· k γF ck mF c—工件材料系数 取(HB/190)0.55k γFc— 前角系数 取0.92故F z =282×50×0.150.65×200.83×63-0.83×6×(200/190)0.55×0.92故可求出: Fz=9000N《金属切削刀具》表4—8 . 4—9 P692．滚珠丝杠副的计算垂向切削分力Fy:按经验公式：Fy/Fz=0.80 Fy=7200N 故：Fy=0.8Fz纵向切削分力Fx:按经验公式：Fx/Fz=0.9 Fx=8100N首先确定传动级数为3。

考虑到垂向进给机构中采用锥齿传动，在机床中的锥齿轮传动齿数 比通常在1～2.5之间，尤其是传动比为１的正交等比传动用得最多。

结合本次改造选这级 传动比也为１。

横向切削分力F z ’：按经验公式：F z ’/Fz=0.4 (2)丝杠工作时轴向压力F轴的计算：铣削条件下：在插补平面内合力Fr ：Fr=(Fx+Fy)1/2铣削一周平均铣削力F av 取2Fr/3 ，铣削时丝杠轴向压力F 轴： F轴=βF av+μ’(mg +Fy)式中： β— 考虑到颠覆力矩的影响系数 一般取1.1μ’ — 导轨当量摩擦系数。

取0.18m — 移动部件的质量 估计为1000Kgg — 重力加速度 取9.8m/s 2 F z’=3600NFr=123.69NF av =82.46N F轴=3151N——《机床设计手册》第3 分册P 177——《机床与液压》2000年第5期—机床数控改造中进给系统滚珠丝杠副的选择（3）滚珠丝杠副工作负荷的计算：1． 丝杠的转速：数控改造多半采用开环步进式伺服驱动系统，本次改造也采用步进电机驱动丝杠。

开环步进伺服进给系统的设计计算步骤：A ． 脉冲当量取0.01mm.初选步进电机的步距角φ为1.5ºB ． 计算降速比。

由于步进电机工作的特点是一个脉冲走一步，每一步均有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。

为满足负载惯量尽可能小的要求 ，同时也为满足要求的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。

传动比： ¡=φS/360Δ式中：φ—步距角S —丝杠螺距 初取12mmΔ—脉冲当量各级传动比的确定：根据相关资料确定不同啮合对数时的最佳降速比：ｉ１＝２ , ｉ２＝2.5 , ｉ３＝１今选齿轮Z1=27, Z1’=54 ,Z2=24,Z2’=60,(机床上常用的锥齿轮齿数比为１时有Z1＝ Z2≥22) 取Z3 =Z3’=40 。