X53K立式數(shù)控銑床縱向進給改造設計
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Using digital computer to control overseas processing from the s began. In 1952, the Massachusetts institute of technology in a vertical milling machine mounted a set of experimental numerical control system, and successfully realizing and the control of three axis movement, it became the world's first numerical control machine. Since then, from 60 s, some other industrial countries, such as Germany and Japan were development production and use of numerical control machine. 1974 microprocessor directly for nc machine tools, and further promote the popularization and application of the numerical control machine and developing. Along with numerical control function of machine more and more perfect, reliability and performance more and more high, it gradually in manufacturing bear the more and more important role.
The development of numerical control machine in China began in 1958, after decades of development, until after the 80 s introduced Japan, the United States, Spain and other countries CNC servo and servo system technology, the numerical control technology in our country have qualitative leap; applications gradually spread out, numerical control technology industry to gradually form scale.
In recent years, our country business enterprise of numerical control machine tool share is rising year by year, in large and medium-sized enterprise has more
Use, in the small and medium-sized enterprises and even individual enterprises generally also in begin to use. 2001 domestic numerical control metal-cutting lathes production has up to 1. 80000 units, a year-on-year growth 28. 5%, numerical control machine tool industry output rate from 2000 in 17. 4% increase to 2001 years of 22. 7%. In 2001, China's industrial output has entered the world machine 5 th, machine tool in the world's consumption rose to third place to 47. $3.9 billion, after the United States 53. 6.7 billion dollars, spending up 25% on the previous year. But because the home-made numerical control machine tool can't meet the demand of the market, China's imports of goods machine show ascendant trend, the import of 2001 machine tools jumped to second place in the world, for 24. $0.6 billion, a 27% increase from the previous year. In recent years, our country export growth of large nc machine tools have CNC lathe, CNC grinding machine, CNC special processing machines, CNC cutting machine, CNC forming bending machine, CNC machines, ordinary machine tools have drilling machine, thread-rolling, slotting machines, broaching machine, combination machine tools, hydraulic press, woodworking machinery, etc. Export of the numerical control machine tool breed with cheap primarily.
Because of the rapid development of modern industry, the market demand change of more and more diverse, many varieties, medium and small batch and even single production occupies considerable proportion, has become more and more common machine tool can not meet the modern processing technology and improve labor productivity requirements. If the equipment all update replacement, not only little capital investment, cost is too high, and of the original equipment idle and would cause great waste. Now science and technology development soon, especially microelectronics technology and the development of computer technology faster, applied to numerical control system, it can improve the automation degree of machine tool, and can improve the machining precision, so the most economical way is the numerical control machine tool for ordinary transformation. This can improve the processing productivity, improve the processing technology, still can reduce funds, and to reduce the labor intensity, shorten the order a new numerical control machine delivery cycle time. Practice has shown the economical nc milling machine common transformation has the significant practical value, is this, in the old milling machine on the nc transformation has a good market prospect.
Our country at present the machine tool gross 380 more than ten thousand sets, of which only 113400 units total numerical control machine, numerical control machine tools in China that is less than 3%. In the past 10 years, our country numerical control machine tool annual output is about 0.6 ~ 08000 sets, and annual output value is about 1.8 billion yuan. The numerical control machine tool annual rate of 6%. YiLing machine tools in China for more than 10 years of above 60%; 10 years the following machine, automatic and semi-automatic machine is less than 20%, FMC/FMS automation production line more numbered (the United States and Japan to be automatic and semi-automatic machine tool is more than 60%). Most of our manufacturing industry is visible and enterprise production, processing equipment of the vast majority of the traditional machine tool, and more than half YiLing is over 10 years old machine tools. In this equipment processing out of the common product quality is poor, variety, top grade, and less, the high cost and low long delivery, and in the international and domestic market less competitive, directly affecting an enterprise products, market, benefits and affect the enterprise survival and development. So must raise the rate of numerical control machine tools. Since our country since the reform and opening up, a lot of enterprise introduced from abroad technology, equipment and production line technical reform. According to not complete count, from 1979 to 1988, 10 years, the introduction of technical renovation programs have 18446 items, about 16.58 billion dollars. These projects, most of the project for the economic construction of our country play a proper role. But some introduced project for a variety of reasons, equipment or production line can't run, even paralysis, make the efficiency of enterprises is affected, serious make enterprise in trouble. Some equipment, production line imported from abroad later, some bad digestion and absorption, spare parts is not complete, maintain undeserved, running the bad; Some introduction only pay attention to when importing the equipments, instruments, the production line, ignore software, technology, management, causing the project is not complete and equipment cannot exert potential; Some even cannot start the operation, doesn't play its role; Some in the production line of products sold very well, but because equipment failure can't DaChan standard; Some because of the products, high energy consumption is low and cause losses; Some has introduced a long time, need to update technology. A variety of reasons make some equipment not only create wealth, but consuming wealth. These can't use of equipment, production line is a burden, also is a group of large stock assets, fixed is wealth. As long as find the main technical difficulties, and solve the key technical issues, can activate the least investment the largest stock assets, to win the biggest economic benefits and social benefits. This is also a great transformation market.
This topic is X53K vertical milling machine around will transform into economical CNC milling machine on the design, economical nc milling machine is to point to the price cheap, convenient in operation, and suitable for China's national conditions of a simple numerical control system of high efficiency automation machine tools. Small and medium enterprise in order to develop production, often hope on the original old machine tool transformation, achieve numerical control, automation. Economical nc milling machine system is combined with the actual production of reality, and combined with actual situation in China, and to meet the basic function system, under the precondition of prices as low as possible. Cheap price, performance to price moderate is the most main characteristic, especially suitable for occupies the larger proportion in the equipment of ordinary milling machine transformation, suitable for the first line in the production of large area promotion. Enterprise application type economical nc system to equipment after the transformation, the product will improve the machining accuracy and batch production ability and keep the "universal processing" and "special high efficiency" the two properties, improve equipment to upgrade their products of strain capacity, enhance the enterprise the competitive ability.
Using the microcomputer transform the existing common milling machine, the main problems which should be solved is how to mechanical drive into manual control tool to and the inversion, and into to transform into controlled by computer automatic transfer tool and automatically feed processing a milling machine, namely economical nc milling machine.
For the renovation of the numerical control machine is very necessary. Numerical control machine tool can well solve the complex shape, precision and small batch and changeable parts processing problem. Can stable quality and improve production efficiency processing, but the use of numerical control machine have also been other limitations. Such as: the numerical control machine tool is expensive, one-time investment huge etc, therefore, the CNC milling machine common transformation, bright prospects. It is suitable for China's economic level, the education level and production level, has become China's equipment technical reform one of main direction. And is currently in the machinery industry, with the development of market economy, the product update cycle more and more short, medium and small batch production possession of proportion is more and more big, the precision of mechanical products and quality requirements are constantly to improve and push forward. So the common machine getting more and more difficult to meet the requirement of treatment, and because of the technical level of the increase, the price of numerical control machine in declining, therefore, nc machine tools in the use of mechanical industry will become more and more common, and the original of the machine tool to ordinary numerical control reform should also be more and more widely, in accordance with the design of the task design X53K vertical milling machine numerical control the transformation.
國外利用數(shù)字計算機進行控制加工是從40年代開始的。1952年美國麻省理工學院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動，它成了世界上第一臺數(shù)控機床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產及使用數(shù)控機床。1974年微處理機直接用于數(shù)控機床，進一步促進了數(shù)控機床的普及應用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔當了越來越重要的角色。
我國數(shù)控機床的研制是從1958年開始的，經歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術后，我國的數(shù)控技術才有質的飛躍，應用面逐漸鋪開，數(shù)控技術產業(yè)才逐步形成規(guī)模。
近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多
的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。2001年國內數(shù)控金切機床產量已達1. 8萬臺，比上年增長28. 5%，機床行業(yè)產值數(shù)控化率從2000年的17. 4%提高到2001年的22. 7%。2001年，我國機床工業(yè)產值己進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47. 39億美元，僅次于美國的53. 67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24. 06億美元，比上年增長27％。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。
由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產占有相當大的比重，普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產率的要求。如果設備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設備的閑置又將造成極大的浪費。如今科學技術發(fā)展很快，特別是微電子技術和計算機技術的發(fā)展更快，應用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強度，縮短訂購新的數(shù)控機床的交貨周期時間。實踐已經證明普通銑床的經濟型數(shù)控改造具有重大的實際價值，為此，在舊有銑床上進行數(shù)控改造有著較好的市場前景。
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數(shù)控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設備、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。
本課題是圍繞將X53K立式銑床改造成經濟型數(shù)控銑床展開設計的，經濟型數(shù)控銑床是指價格低廉、操作使用方便，適合我國國情的裝有簡易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動化機床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產，常希望對原有舊機床進行改造，實現(xiàn)數(shù)控化、自動化。經濟型數(shù)控銑床系統(tǒng)就是結合現(xiàn)實的的生產實際，結合我國國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價格。價格便宜、性能價格比適中是其最主要的特點，特別適合在設備中占有較大比重的普通銑床改造，適合在生產第一線大面積推廣。企業(yè)應用經濟型數(shù)控型系統(tǒng)對設備進行改造后，將提高產品加工精度和批量生產的能力，同時又能保持“萬能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設備自身對產品更新?lián)Q代的應變能力，增強企業(yè)的競爭能力。
利用微機改造現(xiàn)有的普遍銑床，主要應該解決的問題是如何將機械傳動的進給和手工控制的刀架轉位，進給改造成由計算機控制的刀架自動轉位以及自動進給加工銑床，即經濟型數(shù)控銑床。
進行數(shù)控機床的改造是非常有必要的。數(shù)控機床可以很好地解決形狀復雜、精密、小批量及多變零件的加工問題。能夠穩(wěn)定加工質量和提高生產效率，但是數(shù)控機床的運用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通銑床的數(shù)控改造，大有可為。它適合我國的經濟水平、教育水平和生產水平，已成為我國設備技術改造主要方向之一。并且目前在機械行業(yè)中，隨著市場經濟的發(fā)展，產品更新周期越來越短，中小批量的生產所占有的比例越來越大，對機械產品的精度和質量要求也在不斷地提高與推進。所以普通機床越來越難以滿足加工的要求，同時由于技術水平的提高，數(shù)控機床的價格在不斷下降，因此，數(shù)控機床在機械行業(yè)中的使用將越來越普遍，而對原有普通機床的數(shù)控化改造也應是越來越廣泛，依照設計任務本設計對X53K立式銑床進行了數(shù)控化改造。
長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計
編號 41
本科生畢業(yè)設計
X53K立式數(shù)控銑床縱向進給改造設計
The Subject of Graduation Project
學 生 姓 名
丁洪輝
專 業(yè)
機械電子工程
學 號
0852141
指 導 教 師
張廣杰
分 院
機電工程分院
2012年 月
長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計
目 錄
0摘要----------------------------------------------------------------------3
第一章 概述 ------------------------------------------------------------------------5
1.1 課題概述與設計目的------------------------------------------------5
1.2 設計課題--------------------------------------------------------------9
第二章 設計說明-----------------------------------------------------------------10
2.1 總體方案的確定及框圖-------------------------------------------10
2.2 機械部分設計計算 ------------------------------------------------11
2.3 進給伺服系統(tǒng)結構設計-------------------------------------------17
2.4硬件部分電路的設計----------------------------------------------19
2.5 凸輪加工程序------------------------------------------------------24
第三章 畢業(yè)設計體會----------------------------------------------------------26
3.1畢業(yè)設計體會-------------------------------------------------------26
參考資料----------------------------------------------------------------------------28
摘要
在過去二十年間，工業(yè)上已應用機器人來完成使操作人員感到厭煩和緊張的那些單調而又不安全的操作。由于機器人完成某些操作要比人更快，更精確，故在各種制造工業(yè)中的應用愈來愈廣泛。對多數(shù)大型制造業(yè)（如汽車工業(yè)）來說，為保持其具有競爭性，必須大規(guī)模采用機器人。目前，機器人已廣泛應用在點焊和縫焊、裝配部件、移動重物、噴漆、重復加工等操作中，。
為使機器人能完成上述這些操作，必須使用小型計算機對機器人進行編程。小型計算機不僅要對機器人發(fā)出完成所要求工步的指令，而且還要能記憶程序。由操作人員（或程序員）將信息反饋給小型計算機個CRT或視頻顯示所組成的控制裝置。操作人員可以隨時改編原有程序，即：刪除或插入任何所要求的工步。
關鍵字：加工精度，設計方案，分配，參數(shù)
ABSTRACT
Over the past two decades the robot has been introduced into industry to perform many monotonous and often unsafe operations which in the past had caused both boredom and stress among employees. Because robots can perform certain basic tasks more quickly and accurately than humans they are being increasingly used in various manufacturing industries. In order for most of the larger manufacturing industries, such as the automotive industry, to remain competitive it has been necessary for them to introduce robots on quite a large scale. Robots are now used extensively for such operations as spot and seam welding, assembling components, moving heavy parts, spray painting, and repetitive machining operations.
In order for a robot to perform these tasks it must be programmed by a minicomputer, which will not only direct the robot to perform the required steps but will also “remember” the sequence. Information is fed by the operator (or programmer) into a control unit consisting of the minicomputer and a cathode ray tube (CRT) or video display. The operator can, at any time, edit a previous program by deleting or adding any desired steps.
KeyWords: Accuracy of Process,Project Design,Allotment,Parameter
第一章 概述
1.1 課題概述與設計目的
數(shù)控，用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制，其對零件的加工相比普通機床有著很多的優(yōu)點：
（1）動化程度高：
（2）加工精度、加工質量穩(wěn)定可靠；
（3）對零件加工的適應性強靈活性好，能加工形狀復雜的零件；
（4）加工生產率高；
（5）有利于生產管理的現(xiàn)代化
國外利用數(shù)字計算機進行控制加工是從40年代開始的。1952年美國麻省理工學院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動，它成了世界上第一臺數(shù)控機床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產及使用數(shù)控機床。1974年微處理機直接用于數(shù)控機床，進一步促進了數(shù)控機床的普及應用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔當了越來越重要的角色。
我國數(shù)控機床的研制是從1958年開始的，經歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術后，我國的數(shù)控技術才有質的飛躍，應用面逐漸鋪開，數(shù)控技術產業(yè)才逐步形成規(guī)模。
近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多
的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。2001年國內數(shù)控金切機床產量已達1. 8萬臺，比上年增長28. 5%，機床行業(yè)產值數(shù)控化率從2000年的17. 4%提高到2001年的22. 7%。2001年，我國機床工業(yè)產值己進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47. 39億美元，僅次于美國的53. 67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24. 06億美元，比上年增長27％。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。
由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產占有相當大的比重，普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產率的要求。如果設備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設備的閑置又將造成極大的浪費。如今科學技術發(fā)展很快，特別是微電子技術和計算機技術的發(fā)展更快，應用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強度，縮短訂購新的數(shù)控機床的交貨周期時間。實踐已經證明普通銑床的經濟型數(shù)控改造具有重大的實際價值，為此，在舊有銑床上進行數(shù)控改造有著較好的市場前景。
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數(shù)控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設備、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。
本課題是圍繞將X53K立式銑床改造成經濟型數(shù)控銑床展開設計的，經濟型數(shù)控銑床是指價格低廉、操作使用方便，適合我國國情的裝有簡易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動化機床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產，常希望對原有舊機床進行改造，實現(xiàn)數(shù)控化、自動化。經濟型數(shù)控銑床系統(tǒng)就是結合現(xiàn)實的的生產實際，結合我國國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價格。價格便宜、性能價格比適中是其最主要的特點，特別適合在設備中占有較大比重的普通銑床改造，適合在生產第一線大面積推廣。企業(yè)應用經濟型數(shù)控型系統(tǒng)對設備進行改造后，將提高產品加工精度和批量生產的能力，同時又能保持“萬能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設備自身對產品更新?lián)Q代的應變能力，增強企業(yè)的競爭能力。
利用微機改造現(xiàn)有的普遍銑床，主要應該解決的問題是如何將機械傳動的進給和手工控制的刀架轉位，進給改造成由計算機控制的刀架自動轉位以及自動進給加工銑床，即經濟型數(shù)控銑床。
進行數(shù)控機床的改造是非常有必要的。數(shù)控機床可以很好地解決形狀復雜、精密、小批量及多變零件的加工問題。能夠穩(wěn)定加工質量和提高生產效率，但是數(shù)控機床的運用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通銑床的數(shù)控改造，大有可為。它適合我國的經濟水平、教育水平和生產水平，已成為我國設備技術改造主要方向之一。并且目前在機械行業(yè)中，隨著市場經濟的發(fā)展，產品更新周期越來越短，中小批量的生產所占有的比例越來越大，對機械產品的精度和質量要求也在不斷地提高與推進。所以普通機床越來越難以滿足加工的要求，同時由于技術水平的提高，數(shù)控機床的價格在不斷下降，因此，數(shù)控機床在機械行業(yè)中的使用將越來越普遍，而對原有普通機床的數(shù)控化改造也應是越來越廣泛，依照設計任務本設計對X53K立式銑床進行了數(shù)控化改造。
1.2 設計課題
X53K立式銑床的經濟型數(shù)控化改造設計
1.2.1要求：將銑床改造成用MCS-51系列單片機控制的經濟型數(shù)控銑床，步進電機開環(huán)控制，要求具有直線和圓弧插補功能。機械部分要求計算，硬件電路部分要求用8031作CPU，控制系統(tǒng)中要求包括擴展程序存儲器、擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口芯片、譯碼電路及鍵盤、顯示等外設、硬件電路要求包括3個坐標系統(tǒng)。
1.2.2參考設計參數(shù)：
工作臺尺寸：320×1250 mm2
工作臺行程：縱向：660mm
工作臺及夾具工作重力：縱向：2800 N
工作臺進給速度：縱向：2 m/min
最大進給速度： 0.8 m/min
主電機功率：7.5KW
起動加速時間：30ms
定們精度：±0.05mm
代碼制：ISO
輸入方式：增量值、絕對值通用
控制坐標數(shù)：3
最小指令值：0.01～0.005/脈沖
自動升降速性能：有
第二章 設計說明
2.1總體方案的確定及框圖
2.1.1總體方案的確定
根據(jù)設計任務的要求，決定采用點位控制，用步進電機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結構簡單，成本低廉，調試和維修都比較容易，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平衡性，采用低摩擦的傳動和導向元件，此工作臺采用滾珠絲桿螺母副和液動導軌，為盡量消除傳動間隙，可設法調整傳動齒輪的中心距以消除齒側間隙，計算機系統(tǒng)采用高性能價格比的MCS-51系列單片機擴展系統(tǒng)。
2.1.2總體方案框圖
2.2 機械部分設計計算
2.2.1工作臺外形尺寸及重量估算
縱向：X=1250mm
工作加工范圍：縱向：X=320mm
工作臺及夾具工件策略：Gx=2800N
橫向：z=400
工作加工范圍：橫向：z=300mm
工作臺及夾具工件策略：Gz=5500N
2.2.2鉆削計算
Pz1=GFdfK
查得：C=304.11,XF=1,YF=0.8,KF=1取f=0.005mm/r
則：Pz1= 304.11×4×0.05×1=111N
2.2.3銑削力計算
P=9.81×22.6aadaz
a=0.05d(銑凸輪) — 銑削接觸弧深
a=0.1mm/z 每齒進給量
銑刀直徑：d=12
銑削深度：a=8
銑刀齒數(shù)：z=3
P=9.81×22.6×20.1×12×8×3=217
查表得：P/P=1,則走刀抗力P=P=217N
2.2.4滾動導軌的參數(shù)確定
（1）導軌形式：在原有滑動導軌的基礎上，采用貼塑處理，摩擦特性好，耐磨性好，減振特性好等特點，且工藝較簡單。
2.2.5滾珠絲桿的設計計算
滾珠絲桿的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時情況計算。
（1）最大動負荷Q的計算：Q=fP
運轉系數(shù)f=2，壽命值L=，n=
式中 L — 壽命 ，以10轉為一單位
n — 絲桿轉速（r/min）
V— 為最大切前力條件下的進給速度（m/min）
可取最高進給速度的1/2 — 1/3縱向: V=0.6m/min
L — 絲桿導程（mm）
T — 為使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h;
f — 運轉系數(shù)，表3 — 14
初選絲桿螺距L=6mm，得絲桿轉速n為：n==60r/min
所以L==54
X向絲桿牽引力：P=P+1.414fG =217+1.414×0.001×3500=222N
式中 f — 當量摩擦系數(shù)，取0.01
所以最大動負荷：
X向：Q=fP=2229N
查表取滾珠絲桿直徑d=30,選用滾珠絲桿螺母副的型號為NL3005型，單螺母變導程預緊，見附錄A表A—7
（2）滾珠絲桿螺母幾何參數(shù)計算如下：
名稱
符號
計算公式和結果/mm
螺紋滾道
公稱直徑
d
30
螺距
t
6
接觸角
?
45
鋼球直徑
d
3.969
螺紋滾道法面半徑
R
2.064
螺桿
偏心距
e
E=(R-dq/z)sinβ=0.045
螺紋升角
=arctg=3o21
螺桿直徑
d
D=d-0.2d=29.5
螺桿內徑
d
d= d+2e-2R=26.8
螺桿接觸直徑
dz
d= d- dcos=27.8
螺母
螺母螺紋外徑
D
D=60
螺母內徑
D1
D1= 50
(3)傳動效率的計算
==0.96
式中 — 摩擦角 約等于10ˊ
— 螺紋升角
（4）剛度驗算
滾珠絲桿受工作負載P引起的導程L的變化量為
ΔL=±
式中ΔL — 在工作負載P作用下引起每一導程的變化量（mm）；
P — 工作負載，即進給牽引力（N）；
L — 滾珠絲桿導程（mm）；
E — 材料彈性模數(shù)（N/mm）,對鋼為20.6×10N/mm;
F — 滾珠絲桿截面積（按內徑確定）
X向：
P=222N. L=5mm, E=20.6×10 N/mm
F=R=5.638cm
所以ΔL=±=±1.27×10cm
絲桿因受扭矩而引起的導的變化量ΔL很小，可忽略所以導程總誤差
Δ=ΔL×100/ L=2.53m/m
查表知E級精度的絲桿允許誤差1.5m，故剛度足夠。
6）步進電機的選用
（1）步進電機的步距角：對步進電機施加一個脈沖信息，步
進電機就回轉一個固定的角度。
因為系統(tǒng)分辨率為0.01mm，所以取系統(tǒng)脈沖當量=0.01mm/step
初選步進電機步距角=1.5o
（2）步進電機啟動轉距的計算
設步進電機等效負載轉矩為T，負載力為P，根據(jù)能量守恒原理
電機所做的功與負載力做的功有如下關系：T=Ps
式中 — 電機轉角；
s — 移動部件的相應位移；
— 機械傳動效率
若取==1.5o，則s=,p=p+(G+P)
所以T=[P+（G+P）]
式中： p — 銑削時走刀抗力（N）；
G — 移動部件重量（N）；
P — 與策略方向一致的切削力（N）；
— 導軌摩擦系數(shù)，取0.005；
— 步進電機的步距角；
T — 電機軸負載轉距（N·cm）;
代入數(shù)據(jù)得：T=10.45N
估算起動轉矩：T=N·cm=34.8N.cm
對工作方式為三相六拍的步進電機，=0.866；可求出最大靜轉矩
T==46.4
(3)步進電機的最高起動頻率f及運行頻率f計算
f==2333Hz
f==1000Hz
（4）確定步進電機型號
根據(jù)以上計算，從表3—2.3中選出130BF001型電機可以滿足要求，因為加工材料為青銅，切削力小，故不再進行校核計算。尺寸如下圖：
7） 確定齒輪傳動比及模數(shù)和有關尺寸
因為步進電機中距角=1.5o，滾珠絲桿螺距離t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當量=0.01mm/step，在傳動系統(tǒng)中應加一級齒輪降速傳動，降速傳動比：I===0.48
選Z=24，Z=50
因傳遞的扭矩較小，取模數(shù)m=2,齒輪有關尺寸如下表：
關系式
Z
Z
Z
24
50
d=mz
48
100
d=d+2m
52
104
d=d-2×1.25
43
95
B=(3~6 )mm
10
10
A=
74
2.3進給伺服系統(tǒng)結構設計
縱橫向進行機構裝配圖
2.3.1經過計算,本設計采用130BF001型步進電機，內循環(huán)NL3005滾珠絲桿副，齒輪箱中裝有三個齒輪Z=24，Z=52，Z=25，模數(shù)m=2。內循環(huán)螺紋調整的雙螺母滾珠絲桿副,NL4006.
2.3.2.齒輪箱體在工作臺的右側,設計中將一對齒輪水平放置(圖中沒畫出),避免箱體高工作臺面影響工人操作.步進電機裝在齒輪箱蓋14上,為了保證電機與滾珠絲桿平衡度,在裝配之前,應將端蓋14與箱體11用螺釘堅固后打銷孔.在上鏜床,在一次裝夾中鏜出￠100H8和￠68H8兩個孔,再將端蓋坼下,進行裝配.
2.3.3.將原回轉臺8中的錐齒輪,滑動螺母等零件去掉，將回轉臺稍作加工，裝入滾珠螺母，再裝調左端的絲杠支架和右端的箱體11，使?jié)L珠絲杠與導軌平行，滾珠絲杠帶動工作臺運行靈活，無阻滯現(xiàn)象，再堅固螺釘，并打定位銷。
2.3.4．在水平面內應使絲桿中心線距導軌的距離盡量小，否則將會產生顛復力矩，增大摩擦力使運動不平穩(wěn)。此外設計中常見的錯誤是為了在大齒輪端面與箱壁的矩，任意加長電機伸出軸這是不允許的。如果齒輪端面與箱壁矩離太小，不便于裝配，可以用加長齒輪輪轂的方法來解決。
2.3.5．本圖的消隙齒輪，是采用兩個薄片齒輪，中間開有三個月牙形的槽放入壓簧，并用三個內六角螺釘固定（M——M和N——N）。這種消隙齒輪的裝配順序是：首先將雙片齒輪相對轉過一個齒距，使雙片齒輪對齊，彈簧29受壓，上緊螺釘26裝入箱體后，將螺釘26松開，彈簧40將雙片齒輪沿周向錯開，以消除與齒輪23的側隙，此時再將螺釘26上緊。設計時彈簧兩端用削扁的銷子壓住。
2.3.6．將原來機床橫向進給手輪，刻度盤及前面的護蓋拆去，將螺桿換成NL3005滾珠絲桿，仍利用原來的一對圓錐滾子軸承，齒輪箱體直接裝在升降臺上。
為了將步進電機裝在升降臺右側，齒輪箱體的后面，以便工人操作，必須加大絲桿中心與電機軸的中心距，故此設計中采用齒數(shù)為52的中間介輪。因Z=52齒輪直徑較大做成雙片齒輪，用以消除齒側間隙。
箱體上的電機止口孔100，中間軸軸承外圈孔42，及與升降臺上寂位座圈7作止口配合的孔75，是在鏜床上一次鏜出，其也中心距分別是77±0.023與76±0。023，裝配時將箱體止口孔75H8裝在定位座圈4上，則保證了滾珠絲桿上裝的齒輪8（Z=25，m=2）與箱體中問軸上的齒輪10（Z=52,m=2）的中心距，使齒輪能正確嚙合。旋塞件4是為了旋下后，能從孔中伸進內六角桿，用來松緊介輪上的3個螺釘，使消隙齒輪錯齒，以消除上下齒輪與之嚙合的側隙。
具體見裝配圖
2.4硬件部分電路的設計
2.4.1控制系統(tǒng)的功能
1. X向、Y向、Z向的進給伺服運動；
2. 鍵盤顯示；
3. 面板管理
4. 行程控制
5. 其他功能、例如光隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示
2.4.2CPU和存儲器
CPU采用8031芯片，由于8031芯片內無程序存儲器，需要有外部程序在存儲器的支持，同時8031內部只有128B的數(shù)據(jù)存儲器也遠不能滿足控制的要求。故擴展了16KB程序存儲器由兩片2764組成，又擴展了一片6264數(shù)據(jù)存儲器。8031芯片的P和P用來傳送外部低8位地址和數(shù)據(jù)，P口傳送高8位地址，P口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需鎖存。當ALEN高電平彎低電平，出現(xiàn)下降沿時，低8位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣P口就可用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的P口和74LS373送出的P口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A~A低8位接74LS373芯片的輸出，A~A接8031芯片的P~P。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號分別接74LS138譯碼器的和系統(tǒng)復位以后程序從0000H開始執(zhí)行。6264芯片的片選信號也接74LS138的，單片機擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號接2764的引腳，讀寫控制信號和分別接6264芯片的和，以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由于8031芯片內部沒有ROM故始終要選外部存儲器，故其必須接地。
2.4.3T/O接口電路
由于8031只有P口和P部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴展輸入輸出接口電路。從附錄H圖H-2可以看出，系統(tǒng)擴展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。8155的片選信號接74LS138的，8255芯片片選信號接到74LS138的端。74LS138譯碼器有三個輸入A、B、C分別接到8031的P、P、P，輸出~8個輸出，低電平有效。Y~Y對應輸入A、B、C的000至111的8種組合，其中對應A、B、C為000，Y對應A、B、C為111。74LS138還有三個使能端，其中2上（和）為低電平使能，另一個G為高電平使能，只有當使能端處于有效電平時，輸出才能產生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。
I/O接口芯片與外設的連接是這樣安排的，8155芯片PA~PB是顯示器的位選信號輸出，PC~PC5要線是鍵盤掃描輸入。8155芯片的IO/引腳接8031芯片的P，因為使用8155的I/O口，故P為高電平。
8255芯片PA~PA接X向、Y向和Z向步進電機硬件環(huán)形分配器，為輸出PB~PB為三個方向的點動及回零輸入，PC~PC為面板上的選擇開關是輸入，設有編輯單步運行，單段運行、自動、手動I、手動II等方式。
系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及I/O接口芯片的地址編碼如下表：
芯片
接74LS138引腳
地址選擇線
片內地址單元
地址編碼
2764（1）
0 0 0 ×××××××××××××
8KB
0000H～1FFFH
2764（2）
0 0 1 ×××××××××××××
8KB
2000H～3FFFH
6264
0 0 1 ×××××××××××××
8KB
2000H～
3FFFH
8155
RAM
1 0 0 1 1 1 1 0 ××××××××
256B
9E00H～9EFFH
I/O
1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ××××
6B
9FF8H～5FFFH
8255
0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ×××
4B
5FFCH～5FFFH
X向、Y向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB015，3-2相通電五相十拍方式工作，故A、A引腳均接+5V，Z向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB014，是以2-3相通電四相八拍試工作。A、A接高電平。三個芯片的選通輸出控制分別接8255的PA、PA、PA，清零接8255的PA，正反轉8255的PA、PA、PA，時鐘輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實現(xiàn)插補時不同的進給速度，可給8155芯片定時/計數(shù)器中設置不同的時間常數(shù)。
（1）其他輔助電路
此控制系統(tǒng)中設有越界報警和急停處理電路?！繶、±Y、±Z方向的越界和急停信號經或門引入 8031的P中斷源、，同時接到8031的P口，采用硬件申請中斷和軟件查詢的方法，這樣無論哪個方向，越界都會引起中斷，在中斷服務程序中通過軟件查詢的方法，便可確定是哪個方向越界，當±X、±Y、 ±Z等方向越界，則相應的紅燈這報警，另外，還有上電和按鈕，相結合的復位電路、光電隔離電路和功率放大電路等。
面板
2.5 凸輪加工程序
數(shù)控銑床銑削加工程序：
圖示為壓縮機殼焊接機上的仿形零件，零件曲線是二段圓弧和三條直線構成，零件的上下兩面和中心孔已加工好，現(xiàn)要在數(shù)控銑床上銑削零件的輪廓曲線，并一次銑削加工成形。
零件的交點坐標：A（-40，-20），B（-40，20），C（0，40），D（40，0），E（20，-20）。刀具偏移號為H08偏移方向為刀具的左側。設工件表面Z=0，厚度為25mm。
在數(shù)控銑床上銑削加工程序如下：
O0012
N0010 G00 Z25.0
N0020 G90 G17 G41 X-40.0 Y-20.0 H08
N0030 S20 M03
N0040 G01 Z-25 F100
N0050 Y20.0
N0060 X0 Y40.0
N0070 G02 X40.0 Y0 R40.0
N0080 X20.0 Y-20.0 R20.0
N0090 G01 X-40.0
N0100 G00 Z25.0
N0110 G40 X0 Y0
N0120 M02
第三章 畢業(yè)設計體會
3.1畢業(yè)設計體會
也許是一開始就對畢業(yè)有種恐懼感吧，接到設計任務書，想著自己要單獨的面對設計，想著設計搞好后的答辯，答辯之后的離校。種種煩人思緒一下子全涌上了心頭，即將結束學生的生涯，走上社會，是我最不愿意想的，可是我無法不面對現(xiàn)實。匆匆地要自己結束一幕幕的幻想，要自己坦然的面對，還是在老師的指引下，開始了設計，過程中的查資料，眼花的數(shù)據(jù)，繁復的計算，不時的讓我產生了退縮的念頭，可“這是自己學習生涯的最后一個設計了”讓我繼續(xù)著。慢慢的發(fā)現(xiàn)原來自己四年中還是學了挺多東西的，這次設計涉及到數(shù)控、單片機、機械設計及制圖，工藝等，而我要把他們綜合，這比以前的設計難多了，我也是在不知不覺中用到了它們，偶爾遇到難題百思不得其解的困惑，偶爾不經意的解決難題后的欣喜都讓我深深的體味著畢業(yè)設計，而四年中我也學了不少東西，卻是我這次畢業(yè)設計的最大體會和最大的收獲了。
在本次設計過程中，我得到了張廣杰老師的精心指導和技術資料方面的幫助，才使得設計得以順利進行，借此表示謝意
參考資料
1．《機床設計手冊》編寫組《機床設計手冊》機械工業(yè)出版社，1979年
2．郝忠軍 雷曉玲《綜合作業(yè)指導書》全國高等教育自考指導委員會
3．陸玉、何在洲、佟延偉主編：《機械設計課程設計》，機械工業(yè)出版社，2000年8月第3版
4．華東紡織工學院，哈爾濱工業(yè)大學，天津大學主編：《機床設計圖冊》，上?？茖W技術出版社，1979年6月
5．石光源、周積義、彭福蔭主編：《機械制圖》，高等教育出版社，1990年5月第3版
6．李廣弟主編：《單片機基礎》，北京航空航天大學出版社，1994年6月第一版
7．中國機械工業(yè)教育協(xié)會組編 .數(shù)控技術. 北京：機械工業(yè)出版社， 2001出版
8．《機械設計手冊》編寫組編 機床設計手冊2 機械工業(yè)出版社 1980年8月出版
9．《機械設計手冊》編寫組編 機床設計手冊3 機械工業(yè)出版社 1986年12月出版
10．東北大學《機械零件設計手冊》編寫組編 機床零件設計手冊 第三版 冶金工業(yè)出版社 1994年5月出版
11．華東紡織工學院、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學主編 機床設計圖冊 上?？茖W技術出版社 1979年6月出版
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