机械系毕业论文普通铣床数控化改造设计

辽宁职业学院

毕业论文（设计）

题目普通铣床数控化改造设计系（分院）

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毕业论文（设计）任务书

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题目普通铣床数控化改造设计

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本人声明

我声明，本论文及设计工作是由本人在指导导师的指导下独立完成。尽我所知，在完成论文时利用的一切资料均已在参考文献中列出。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

作者签名：

日期：年月日

目录

摘要 ................................................................... V 1三坐标数控铣床的设计和计算. (1)

1.1主传动系统的设计 (1)

1.2主轴系统计算 (1)

1.3进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 (4)

1.4进给传动的计算 (5)

1.4.1 X轴滚珠丝杠副 (5)

1.4.2Y轴滚珠丝杠副 (9)

1.4.3 Z轴滚珠丝杠副 (13)

1.4.4 滚珠丝杠的安装与使用 (17)

2微机控制系统的设计 (19)

2.1微机控制系统组成 (19)

2.2微机控制系统设备介绍 (20)

2.2.1主控制器CPU的选择 (20)

2.2.2存储器电路的扩展 (21)

2.2.3 I/O口电路的扩展 (24)

2.2.4步进电机驱动电路 (25)

2.2.5其它辅助电路设计 (27)

2.3程序部分 (28)

3结论 (32)

参考文献 (33)

致谢 (34)

摘要

本文首先对所要设计的机床进行技术调查，查阅了国内外有关文献资料，在此基础上，对其用途范围、性能指标、方案对比等进行论证分析。对于通用机床我更是查阅了大量的国内外有关铣床的资料后，拟定了此机床的总体方案为立式铣床。然后根据总体方案的布局形式，规格参数，精度性能等要求，对此机床的进给传动系统进行了专题设计。

关键词：数控化改造定位精度重复定位精度无级变速伺服传动系统

1三坐标数控铣床的设计和计算

1.1 主传动系统的设计

主传动系统一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。动力源为执行元件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向,变速装置传递动力以及变换运动速度，执行元件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。

现代切削加工正向着高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越来越高的要求，如转速高，调速范围大，恒扭矩调速范围达1：100～1：1000，恒功率调速范围达1：10以上；更大的功率范围达2.2～250kW ，能在切削加工中自动变换速度；机床结构简单，噪声小，动态性能好，可靠性高等。数控机床主传动设计应满足的特点：主传动采用直流或交流电动机无级调速；数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计；数控机床高速主传动设计；数控机床采用部件标准、模块化结构设计；数控机床的柔性化、复合化；虚拟轴机床设计。

1.2主轴系统计算

三角带的选用应保证有效地传递最大功率（不打滑）并有足够的使用寿命（一定的疲劳强度）。带传动设计计算的主要内容包括确定带的型号、基准长度和根数；确定带轮的材料、结构尺寸；确定传动中心距及作用在轴上的力等。 (1) 确定计算功率P d

P

A d K =P 4.14122.1=?=kW

式中：K A —工况系数(工作情况系数)；P —电机额定功率 Kw (2) 选择三角带型号

根据P d 、n 1由图选SPA 型 窄V 带 (3) 确定带轮直径D 1、D 2

小带轮直径D 1应满足：D ≥1D min ，以免带的弯曲应力过大而导致其寿命降低。 查表取D mm 90min =,故选择D mm 1001= (4) 计算胶带速度

s

m s m n D v /25/5.660000

1250

1001000

601

1<=??=

?=

ππ

故 D 1选择合格

D mm iD 200100212=?== (5) 确定中心距a 和带长L d

)(7.021D D +)(2210D D a +≤≤ 得 mm a mm 6002100≤≤ 初选 mm a 3000=

带长 mm

a D D D D a L d

10784)()(2202

12210'

=-+++=π

查表，取mm L d 1000

= 中心距 mm

L L a a d d 2612'0=-+=

a 的调整范围：

mm L a a d 246015.0min =-=

mm L a a d 29103.0max =+= (6) 验算小带轮包角1α

小带轮包角可按公式求得：

?

??--

=3.571801

21a D D α

得 ?

?>=1201621α， 即满足条件。

(7) 确定V 带根数z

V 带根数Z 可按下式计算： L d

K K P P P z α)(00?+=

由表，查得 kW 27.20=P

)11(10i b K n K -

=?P

由表，查得 3

107862.2-?=b K

由表，查得 1199.1=i K

)1199.11

1(1250107862.23-

??=?-i P

kW 38.0= 由表，查得 96.0=αK 由表，查得 89.0=L K 代入求根公式，得

96.089.0)38.027.2(4

.14??+=

z

02.6= 取z=6,符合表7-4推荐的轮槽数 (8) 确定初拉力0F

单根V 带合适的初拉力可按下式计算：

20)15.2(500

qv K zv P F d +-=α

由表得 m kg q /12.0=

2

05.612.0)115

.2(5.664.14500

?+-?=F

N 282= (9) 计算作用在轴上的压力Q

2sin

21

αz Q =

2162

sin

28262???=

N 3383=

1.3进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析

1.3.1时间响应特性

进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特性。

时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它由瞬态响应和稳态响应两部分组成。由于系统包含一些储能元件，所以当输入量作用于系统时，系统输出不能立刻跟随输入量变化，而是在系统达到稳定之前表现为瞬态响应过程（或叫过渡过程）。稳定响应是指当时间t 趋向无穷大时系统的输出状态。若在稳定时，输出和输入不能完全吻合，就认为系统有稳态误差。 1.3.2频率响应特性

时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化的规律，即在已知传递函数的前况下，从系统在阶越输入及斜坡输入时间应速度及振荡过程的状态中来获得动态特性参数。然而在很多情况下，传递函数不清楚，所以只能由试验的方法来求取动态特性。因此出现频率响应特性法。所谓频率响应特性,就是系统对正弦输入信号的响应，即它通过研究系统对正弦输入信号的响应规律来获得启动态特性。

1.3.3快速性分析

所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质量。 对于线性进给伺服系统，由于它包含各种电路、机电转换装置和机械传动机构，系统各环节都有时间常数，对高频信号来不及反应，只是一个地通漏波器。这种系统的通频宽带，对高频信号响应速度快，所以从开环频率特性图看，提高系统的截止频率，则可以提高闭环回路的响应速度。

1.4 进给传动的计算

1.4.1 X 轴滚珠丝杠副

(1) 精度

要求：进给精度mm 01.0；快速进给精度min /6m 。 (2) 疲劳强度

丝杠的最大载荷为最大进给力加摩擦力，最大进给力为1625N,工作台质量700kg,则：

① 求计算载荷Fc

N

F F f 248.90035.0700min =??==

N F 1649241625max =+=

32min

max F F F m +=

32421649+?=

N 1107= 根据《机电一体化设计基础》 计算载荷c F M A H F c F K K K F =

查表取 2.1=F K 查表取 0.1=A K 查表取 0.1=H K 查表取D 级精度

则： N F c 132811070.10.12.1=???=

② 计算额定动载荷计算值'a C

取丝杠的工作寿命为h L h 20000

'

=,min /100r n m =

3

1067.1'4

'?=h m L n c

a

F C

31067.120000

1004

1328

??=

N 6546=

③ 选用 FC1-4020-2.5型丝杠，由表2-9得丝杠副数据： 公称直径 mm D 500= 导程 mm p 10= 滚珠直径 mm d 953.50= 按表种尺寸公式计算：

滚道半径 mm d R 096.3953.552.052.00=?== 偏心距

mm d R e 20104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0-?=-?=-

=

丝杠内径

mm R e D d 98.33096.32104.8240222

01=?-??+=-+=- ④ 稳定性验算

丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。

a 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]

丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷cr F ，并按下式计算

2

2)(l EI F a

cr μπ=

式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢,E=206Gpa ；l 为丝杠工作长度（m ）；a I 为丝杠危险截面的轴惯性矩（4

m ）；μ为长度系数，取

32

=

μ。

4

84

11054.664

m d I a -?==

π

N

F cr 628

921087.1)4.03

2

(105.610206?=?????=

-π

安全系数3

6

1059.111071087.1?=?==m cr F F S

查表，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],丝杠是安全的，不会失稳。

b 高速长丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速——临界转速cr n 。要求丝杠的最大转速cr n n

临界转速按下式计算：

2

1

2)(9910l d f n c cr μ=

式中：c f 为临界转速系数，见表2-10，本题取927.3=c f ，

32

=

μ

22)4.032

(03398

.0927.39910???

=cr n

min /103.74

r ?=

min

/60010106

3max r n =?=

-

即：max n n cr >，所以丝杠工作时不会发生共振。

c 此外滚珠丝杠副还受n D 0值的限制，通常要求min /1074

0r mm n D ??<

min /107min /104100404

30r mm r mm n D ??

滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(m N ?)共同作用下引起每个导程的变形量

0L ?(m)为：

c GJ T

p EA pF L π220±

±=? 式中:A 丝杠截面积,2141d A π=；c J 为丝杠的极惯性矩，4

1

32d J c π=；G 为丝杠切变模量，对钢GPa G 3.83=；T 为转矩。

)tan(20

ρλ+=D F T m

式中：ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；m F 为平均工作载荷

m N T ?=?+????

=-84.1)2.0'334tan(10240

11073

按最不利的情况取（其中m F F =）

4

1222

1201642Gd T

p Ed pF GJ T p EA pF L c πππ+=+=?

49223293)03398.0(103.83)14.3(84.1)1010(16)03398.0(1020614.3110710104??????+??????=--

m μ2

102.6-?= 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为：

m p L l L μ5.21010102.64.03

2

0=???=?=?-- 通常要求丝杠的导程误差L ?小于其传动精度的1/2，即

m

mm L μσ5005.01.021

21==?=

该丝杠的L ?满足上式，所以其刚度可以满足要求。 ⑥ 效率验算

滚珠丝杠副的传动效率η为

947

.0)2.0'334tan()

'334tan()tan(tan =?+??=+=

ρλλη

η要求在90%～95%之间，所以该丝杠副合格。

经上述计算验算，FC1-4010-2.5各项性能均符合题目要求，所以合格。 1.4.2Y 轴滚珠丝杠副 （1） 精度

要求：进给精度mm 01.0 快速进给精度min /6m （2） 疲劳强度

丝杠的最大载荷为最大进给力加摩擦力，最大进给力为1625N,工作台质量900kg,则：

① 求计算载荷Fc

N

F F f 318.90035.0900min =??==

N F 1656311625max =+=

32min

max F F F m +=

33121656+?=

N 1114= 根据《机电一体化设计基础》 计算载荷c F M A H F c F K K K F =

查表取 2.1=F K 查表取 0.1=A K

查表取 0.1=H K 查表取D 级精度 则： N F c 133711140.10.12.1=???=

② 计算额定动载荷'a C

取丝杠的工作寿命为h L h 20000

'=,min /100r n m =

3

1067.1'

4

'?=h m L n c

a

F C

3

1067.1200001004

1337??=

N 6590=

③ 选用 FC1-4020-2.5型丝杠，由表2-9得丝杠副数据： 公称直径 mm D 500= 导程 mm p 10= 滚珠直径 mm d 953.50= 按表种尺寸公式计算：

滚道半径 mm d R 096.3953.552.052.00=?==

偏心距

mm d R e 20104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0-?=-?=-

=

丝杠内径

mm R e D d 98.33096.32104.8240222

01=?-??+=-+=- ④ 稳定性验算

丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。

a 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S] 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷cr F ,并按下式计算

2

2)(l EI F a

cr μπ=

式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢E=206Gpa ；l 为丝杠工作长度（m ）；a I 为丝杠危险截面的轴惯性矩（4

m ）；μ为长度系数，取

32

=

μ。

4

84

11054.664

m d I a -?==

π

N

F cr 528

921059.8)59.03

2

(1054.610206?=?????=

-π

安全系数2

5

107.711141059.8?=?==m cr F F S

查表，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],丝杠是安全的，不会失稳。

b 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速——临

界转速cr n 。要求丝杠的最大转速cr n n

2

1

2)(9910l d f n c cr μ=

式中：c f 为临界转速系数，见表2-10，本题取927.3=c f ，

32=

μ

22)59.032

(03398

.0927.39910???

=cr n

min /1036.34

r ?=

min

/60010106

3max r n =?=

-

即：max n n cr >，所以丝杠工作时不会发生共振。

c 此外滚珠丝杠副还受n D 0值的限制，通常要求

min /10740r mm n D ??<

min /107min /104100404

30r mm r mm n D ??

滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(m N ?)共同作用下引起每个导程的变形量

0L ?(m)为：

c GJ T

p EA pF L π220±

±=? 式中:A 丝杠截面积,2141d A π=；c J 为丝杠的极惯性矩，4

1

32d J c π=；G 为丝杠切变模量，对钢GPa G 3.83=；T 为转矩。

)tan(20

ρλ+=D F T m

式中：ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；m F 为平均工作载荷

m N T ?=?+????

=-85.1)2.0'334tan(10240

11143

按最不利的情况取（其中m F F =）

4

1222

1201642Gd T p Ed pF GJ T p EA pF L c πππ+=+=? 49223293)03398.0(103.83)14.3(85.1)1010(16)03398.0(1020614.3111410104??????+??????=--

m μ2

102.6-?= 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为：

m p L l L μ7.31010102.659.03

2

0=???=?=?-- 通常要求丝杠的导程误差L ?小于其传动精度的1/2，即

m

mm L μσ5005.01.021

21==?=

该丝杠的L ?满足上式，所以其刚度可以满足要求。 ⑥ 效率验算

滚珠丝杠副的传动效率η为

947

.0)2.0'334tan()

'334tan()tan(tan =?+??=+=

ρλλη

η要求在90%～95%之间，所以该丝杠副合格。

经上述计算验算，FC1-4010-2.5各项性能均符合题目要求，所以合格。 1.4.3 Z 轴滚珠丝杠副 （1）精度

要求：进给精度mm 01.0；快速进给精度min /3m （2）疲劳强度

丝杠的最大载荷为主轴重量加摩擦力，最小载荷为主轴重量减最大进给力的垂直分力。主轴重量为300kg,则：

① 摩擦力

f

F

N

F F f 108.90035.0300min =??==

N F 29508.930010max =?+=

N F 23871031625

8.9300min =--

?=

32min

max F F F m +=

3238722950+?=

N 2762= 根据《机电一体化设计基础》 计算载荷c F M A H F c F K K K F =

查表取 2.1=F K 查表取 0.1=A K 查表取 0.1=H K 查表取D 级精度 则： N F c 331427620.10.12.1=???=

② 计算额定动载荷'

a C

取丝杠的工作寿命为h L h 20000

'=,min /100r n m =

3

1067.1'4

'?=h m L n c

a

F C

3

1067.1200001004

3314??=

N 16335=

③ 选用 FC1-4020-2.5型丝杠，由表2-9得丝杠副数据： 公称直径 mm D 500= 导程 mm p 10= 滚珠直径 mm d 953.50= 按表种尺寸公式计算：

滚道半径 mm d R 096.3953.552.052.00=?== 偏心距

mm d R e 20104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0-?=-?=-

=

丝杠内径

mm R e D d 98.33096.32104.824022201=?-??+=-+=- ④ 稳定性验算

丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。

a 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]

丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷cr F

2

2)(l EI F a

cr μπ=

式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢E=206Gpa ；l 为丝杠工作长度（m ）；a I 为丝杠危险截面的轴惯性矩（4

m ）；μ为长度系数，取

32

=

μ。

4

84

11054.664

m d I a -?==

π

N

F cr 528

921075.8)5.03

2

(1054.610206?=?????=

-π