x502型立式铣床微机数控改装(编辑修改稿)

x502型立式铣床微机数控改装(编辑修改稿)内容摘要：

有了原理性构思，还要提出实现该功能原理的技术途径。 没有合理的可行的技术途径来保障，好的原理性构思就成为空想。 拟订总体方案 功能原理构思和技术路线确定后，对运动、布局、传动、结构、控制以及软件等方面作出总体方案设计。 方案可以同时作几个，经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案加以采用。 比如，普通铣床的数控化改造方案应该在满足改造设计任务的前提下，尽可能对普通铣床作较少改动，这样可以降低改造成本。 二、机械传动系统的改造方案的确定 在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。 包括电机型号的选择，减速比的确定，齿数模数及齿数的确定，原有丝杠及导轨是否重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。 X502 型铣床的外形及传动系统如图 所示。 工件装在机床的工作台上，铣刀装在转动的刀杆上，铣刀和工件相互间的位置可用纵向、横向和升降进给机构进行调整。 根据实际要求可对机械部分进行如下的改动：保留机床的原有主轴旋转部分 ；保留原机床纵向进给的机动部分，将离合器脱开，去掉手轮 43，将手轮轴通过一对齿轮与步进电机相连，用步进电机控制系统控制纵向工作台的 9 移动；工作台横向运动改为通过一对齿轮与步进电机相连的数控系统控制，工作台升降移动仍用手动。 为了保证精度要求，横向及纵向工作台的丝杠为滚 珠丝杠副传动。 X502 铣床外形及传动系统 三、微机控制系统方案的确定 微机控制系统的总体组成 数控部分采用 MCS51 系列的单片机控制，其典型代表有 803 805AT89S51 等，其中 AT89S51 的 价格低，功能强，使用灵活等特点，比较适用于一般机床的数控改造，但由于其无内存，必须外接存储及 I/O 扩展芯片才可成为一个较简单的微机控制系统。 存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及 CPU 的字长， I/0 扩展芯片的个数根据整个系统需要的 I/0 通道的个数来确定。 软硬件任务合理分配 涉及软硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生于脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。 上述三个都可以用专用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。 用硬件实现，编程比较简单，但同时硬件成本及故障。 用软件实现，可节省 芯片，降低成本，但增加了编程难度。 在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还 应 根 据 设 计 者 的 软 硬 件 方 面 的 实 际 经 验 及 能 力。 10 第二章 机床进给伺服系统 机械部分 (横向 )的设计计算 第一节 工作载荷分析及计算 根据指导书的分析，对于数控铣床来说，可采取按切削用量计算切削力法和按主电机功率法计算切削力计算切削力法两种。 一般来说，对于经济型数控铣床，可采用按主电机功率计算切削力法。 一、铣削抗力分析 通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上。 设刀齿受到的切削抗力的合力为 F，将 F 沿铣刀轴线、径向和切向进 行分解，则分别为轴向铣削力 Fx，径向铣削力 Fy 和切向铣削力 Fz。 切向铣削力 Fz 是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电机功率（即铣削功率）最多，因此，切向铣削力 Fz 可按铣削功 Pm（ kw）或主电机功率 Pe（ kw）算出。 对于现有的机床的改装设计，可以从已知机床的电机的功率和主轴上的功率反推出工作台进给时的铣削力。 若该机床的主传动和进给传动均用一个电机，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数。 由机床设计手册查得铣床传动系数 k=。 主传动功率 N包括切削功率 Nc、空载功率 Nmo、附加功率 Nmc 三部 分，即：N=Nc + Nmo + Nmc。 空载功率 Nmo 是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率，对于一般轻载高速的中、小型机床，可达总功率的 50%，现取Nmo = ，附加功率 Nmc 是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接与载荷大小有关。 可以用下式计算， Nmc = (1– η )Nc，所以总功率为： N=Nc + + (1– η )Nc (KW) 则： Nc= 2 η－ (KW) 在进给传动中切削功率 11 Nct = kNc = 2 ηk － (KW) 上式中 k铣床的传动系数，查《机床设计手册》得 k= η 为传动效率，可由下式计算 η ＝ 主 轴 上 的 传 动 功 率主 电 机 的 功 率 由题设给定的已知条件可知，主轴上的传动功率 N= KW，主电机的功率 N电 机 = KW。 则 η = = 所以： Nct =   = (KW) 切削时在主轴上的扭矩为： Mn = 955000Nctn = ＝  (N cm) 上式中 n主轴的最小转速，由题设条件知 n = (r/min) 切向切削力 6 1 8 8 8 3 7 8 2 4 0dMn Fz (N) 上式中 d铣刀的最大直径 (cm)，由题设条件知 d = 32 mm 二、计算进给工作台工作载荷 Ff、 Fe、 Ffn 作用在进给工作台上的合力 F’ 与铣刀刀齿受到的铣削抗力的合力 F 大小相同，方向相反。 合力 F’ 就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷 Ff,工作台横向进给方向载荷 Fe和工作台垂直进给方向载荷 Ffn。 根据《机电一体化方向专业课程设计指导书》（以下简称指导书）第三章表 3－ 1 可计算出四组 Ff、 Fe、 Ffn（取范围的 值计算最大值）。 （ 1）组：端铣 — 对称铣削 Ff= Fz= = (N)) Fe = Fz= =(N) 12 Ffn = Fz= = (N) （ 2）组：端铣 — 逆铣 Ff== =(N) Fe = Fz= =(N) Ffn = Fz= = (N) （ 3）组：端铣 — 顺铣 Ff== = (N) Fe = Fz= = (N) Ffn = Fz= =(N) （ 4）组：周铣 — 逆铣 Ff == = (N) Ffn = Fz= = (N) Fe = Fz= =(N) （ 5）组：周铣 — 顺铣 Ff == =(N) Ffn = Fz= =(N) Fe = Fz= =(N) 第二节 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 一、滚珠丝杠螺母副结构类型的选择 因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整，加工过程中无冲击运转。 根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题，通过查指导书第三章表 3－ 28 和表 3－ 29，可以初步选用“ 内循环浮动式双螺母垫片预紧（ FMD） ”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。 它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较高；刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。 它主要适用于重载荷、高刚度、高速驱动及较精密的定位系统，是目前应用得较广泛的结构。 二、滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤 13 计算最大工作载荷 由题设已知条件，铣床导轨的类型为综合导轨。 再查指导书第三章表 3－ 4可知计算最大工作载荷 mF 的公式为 )(39。 Fm GFzfK F x  该式中：进给方向载荷 Fx= Ff,横向载荷 Fy= Fe,垂直载荷 Fz= Ffn。 K =。 取 f’ = （ f’ =～ ）（摩擦系数）； G 为工作台及夹具总重量的 1/2。 由题设已知条件可得 G = 500 N。 将以上数值及先前计算得到的四组 Ff、 Ffn数据代入上式，可得到四组相应的 mF 的最大值 （ 1）组： Fm= + (+500)= (N) （ 2）组： Fm= + (+500)=(N) （ 3）组： Fm= + (+500)= (N) （ 4）组： Fm= + (+500)= (N) （ 5）组： Fm= + (+500)= (N) 由以上计算数据可知，第（ 4）组算得的 mF 值 较大。 故最大工作载荷为 Fm=(N) 计算最大动负载 C 最大动载荷 C 可由下式计算 3 w H mC L f f F ———— (1) (1)式中：各参数见指导书 Hf 硬度系数，选 Hf ＝ 1(HRC≥ 58) wf 运转系数，选 wf ＝ (有冲击运转 ) L 寿命系数，由下式计算 66010nTL ———— (2) (2)式中： T使用寿命 (h)，对于数控机床 T=15000(h) n丝杠转速 (r/min)，可由下式计算 01000 sVn L ———— (3) 14 (3)式中： sV 最大切削力条件下的横向进给速度 (m/min)，查任务书为540(mm/min) 可取最高切削进给速度的 1/2～ 1/3，现取 1/3，即 sV =31 (m/min)=(m/min) 基本导程为 4 mm 时： 40 . 5410 0. 1810 0015 00 060L10 00 V10 T60L 60 S6   n 2 3 0 9 6 . 4 94 2 0 3 . 5 211 . 64 0 . 5C 3  基本导程为 5 mm 时： 3 2 . 4510 0 . 1810001 5 0 0060L1 0 0 0V10 T60L 60 S6   n 2 1 4 4 1 . 1 54 2 0 3 . 5 211 . 63 2 . 4C 3  基本导程为 6 mm 时： 27 . 0610 0. 1810 0015 00 060L10 00 V10 T60L 60 S6   n 2 0 1 7 6 . 9 04 2 0 3 . 5 211 . 62 7 . 0C 3  通过查《机电一体化技术手册》表 可知当选用内循环时 知当基本导程为 5mm时，不满足条件 CCa 的要求。 故只能选基本导程为 5mm 或 6mm的丝杠，公称直径在 50mm 中选择， 5mm 导程丝杠只能选择公称直径为 50mm,列数 圈数为 2；而 6mm 导程丝杠可在公称直径为 50mm 中选择，列数 圈数为 1。 η 传动效率可由下式计算  tgtg    上式中：  丝杠螺旋升角 15  摩擦角。 滚珠丝杠副的摩擦角约  39。 10 （ 1）选公称直径 0d =50mm 1）基本导程为 5mm： 查得它的承载能力 Ca为 24811N，螺旋升角  为 1239。 491 ， 滚珠直径 qd为 螺距 =3mm, 因为 CaC=(N)。 )39。 101239。 491t an ( 1239。 491t an)t an (t an     故满足要求。 2）基本导程为 6mm： 查得它的承载能力 Ca为 23772N，螺旋升角  为 2439。 112 ， 滚珠直径qd 为 螺距 = 3 2 )39。 102439。 112t an (2439。 112t an)t an (t an     故满足设计要求。 通过以上公称导程为 5mm 和 6mm 的对比，依照承载能力以及精度要求选择公称直径为 50mm 的导程 5mm和 6mm 的滚珠丝杠。 刚度验算 (1)丝杠的拉伸或压缩变形量 1 当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的 1/3 时，其实际变形量为： 1 044 mFLL LL E F      (拉伸为＋，压缩为－ ) 上式中： E材料弹性模数，对于钢：  422 0 .6 1 0 N / m mE  L滚珠丝杠在支承间的受力长度 (mm) L= 工作长度 +螺纹长度 +轴承宽度 +端盖宽度  225mm F滚珠丝杠的截面积 ( 2mm )，可由下列几式计算 16 214dF  、 1022d D e R   sin2qdeR 、 qRd qd 滚珠直径 (mm)，  接触角 (45 )， R滚道法面半径 (mm)， e偏心距 (mm)，。