贵州大学20xx级数控技术课程设计zx5型数控钻铣床工作台设计

贵州大学20xx级数控技术课程设计zx5型数控钻铣床工作台设计内容摘要：

32 致 谢 33 贵 州大学本科 课程设计 论文 I ZX5 型数控钻铣床工作台设计 摘 要 数控钻铣床是一种加工用途广泛的加工机械，本次设计的 ZX 型数控钻铣床工作台，主要用于经济型数控铣床，其精度要求不高，工作量要求 不大。 该设计 包括机械 系统 部分的设计和电气控制部分的控制。 其中机械传动部分的设计又包括机械本体、动力与驱动部分、执行机构的设计，主要涉及导轨副的选择、滚珠丝杠的计算和校验以及步进电动机的计算和选型。 而电气控制部分的设计包括控制系统的硬件和软件两部分的设计，硬件部分主要有环分电路、功率驱动电路和电流控制电路的设计，以及单片机的选用，软件部分主要是单片机控制程序的编写。 这是一个典型的机电一体化系统的设计。 关键词 ： 精度、工作台、滚珠丝杠、步进电机、控制系统。 贵 州大学本科 课程设计 论文 2 第一章 前 言 数控技术与数控机床概述 随着计算机技术、 微电子技术、现代控制技术、传感与检测技术、制造技术等多学科领域的发展，数控技术已经成为现代制造系统中不可或缺的基础技术，数控技术和数控机床的应用在制造业中日益普及，已成为机电一体化高新制造技术的基础和重要组成部分。 数控机床是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床，它具有 加工柔性好 、 加工精度高 、 生产率高 、自动化程度高、劳动力要求低等多种优点 ，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。 数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件。 一个国家工业化发展的程度，很大 程度在于数控机床的应用上。 我国目前机床现状 据资料介绍，我国拥有 400 多万台机床， 但 绝大部分都是多年累积生产的普通机床。 这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。 因为 新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省 50%以上的资金。 因此 尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造 又势在必行。 为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。 从上述 介绍 中 可以了解到 数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。 通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：可靠性高 、 柔性强 、 易于实现机电一体化 、 经济性可观。 为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。 贵 州大学本科 课程设计 论文 3 设计的目的及意义 此次课程设计的主要目的 及意义 有： 使大家对数控机床的基本组成及其相 关知识全面地、系统地了解和掌握。 从本次设计中可以 学习 导轨的计算与选型，以及滚珠丝杠的计算与校核。 掌握常用 步进 电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式； 使学生学会综合运用《数控技术》《机电一体化》《机械设计》《单片机原理及应用》等几门课程所学知识； 锻炼学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。 设计的任务 本次课程设计是 设计一台 ZX 两坐标工作台，供立式数控铣 铣 床使用。 具体内容如下： 机械 系统部分 设计：通过计算 ,正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等，根据计算 说明，绘制机械系统装配图。 电气控制部分 设计：根据系统要求，选择正确的控制策略，设计合理的控制系统，并绘制控制系统电路图。 撰写设计说明书。 主要设计参数 型号： ZX5 加速时间： 台面以上最大重量： 70Kg 工作台尺寸： 280*200 X 坐标行程： 240mm Y坐标行程： 160mm 脉冲当量： 定位精度： 重复定位精度： 工作台空载最快移动速度： 2020 mm/min 工作台进给最快移动速度： 500 mm/min 立铣刀最大直径： D=15mm 立铣刀齿数： Z=3 最大铣削宽度： 15ea mm 最大背吃刀量： a8p mm 每齿进给量 : 加工材料：碳素钢或有色金属 贵 州大学本科 课程设计 论文 4 第二章 总体方案的确定 总体方案的确定 根据课 程设计的要求，参考数控十字工作台的有关资料，确定总体方案如下图 所示：其原理为通过控制器对数据进行运算处理，将数据发送给驱动器，经过功率放大后驱动电机，电机通过联轴器与丝杠相连，从而驱动工作台的运动。 图 ：系统总体原理图 机械系统传动部件的选择 1. 丝杠螺母副的选择 步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选 脉冲当量，因为定位精度 ， 要求较高，而丝杠螺母副主要有滑动丝杠螺母 机构和滚珠丝杠螺母机构两种，相比之下，滑动丝杠螺母机构传动效率低，仅仅为 30%40%，而 滚动丝杠螺母机构具有 传动效率高，约 92%— 98%，灵敏度高，无颤动、无爬行，同步性好，定位精度高，使用寿命长等优点。 虽然 相对于 滑动 丝杠价位偏高， 制造复杂， 但是性价比 较高，也更加符合设计所需满足条件，因此选用滚珠丝杠螺母机构。 同时 选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸 控 制 器 驱 动 器 驱 动 器 步进 电机 步进 电机 X 向工作台 Y 向工作台 联轴器 联轴器 贵 州大学本科 课程设计 论文 5 结构紧凑，轴向刚度高。 由于定位精度不高，故选择 双螺母螺纹预紧调整 式，这种调隙方式结构简单，刚性好， 预紧可靠，使用中调整方便。 由于工 作台最快的移动速度 为 2020mm/min，故 所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即两端固定的轴承配置形式。 2. 导轨副的选用 本次设计的十字工作台所配合的是数控钻铣床，脉冲当量较小，要求定位精度较高而负载较小，考虑滚动导轨点接触或者是线接触，所以其抗震性 较 差，接触应力大，对导轨的表面硬度和表面形状精度及尺寸精度要求高。 而且其结构复杂，制造困难，成本较高，所以考虑还是选用滑动导轨，滑动导轨制造简单，性价比好，承受负载能力强。 且使用矩形导轨，因其有制造、检验和维修方便，刚度高等特点。 3. 联轴器的选用 考虑到丝杠 的转速不高，可以选用刚性联轴器，它结构简单，容易制造，而且能保证严格对中。 4. 步进 电机的选用 选用步进电动机，可选开环控制，也可选闭环控制。 任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量 和 定位精度 要求不高 ，空载最快移动速度也只有 2020mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。 电气控制系统的设计 设计的 XY工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控 制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。 对于步进电动机的开环控制系统，选用 MCS51系列的 8位单片机 AT89S52 作为控制系统的 CPU，能够满足任务书给定的相关指标。 要设计一台完整的控制系统，在选择 CPU 之后，还要扩展程序存储器， I/O 接口电路， D/A 转换电路，串行接口电路等。 选择合适的驱动电源，与步进电动 机配套使用 ，由于现在使用的多数都是模块电路，因此本设计中只需选择合适的驱动器即可。 贵 州大学本科 课程设计 论文 6 第三章 机械部分的设计计算 导轨上移动部件的重量估算 在该设计中，由于下部分导轨和滚珠丝杠副是受 力最严重的导轨和滚珠丝杠副，因此设计中的计算和校核都是基于下部分的，首先估计的是下部分导轨上的所受重力的大小； 根据任务书给出的数据， Y 向以上质量（含台面、工件及夹具等） 为 70kg，因此留 10%20%的余量，初步估算导轨上所受重力的大小为 800N。 切削力的计算 零件采用的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳素钢。 查下表 可得立铣时的铣削力计算公式为： znadf pz 0 . 1 31 . 0 0 . 7 30 . 7 50 . 8 5eC 1 1 8 aF  表 cF 的计算公式（单位 N） 铣刀类型 工件材料 铣削力计算公式 面铣刀 碳素钢 灰铸铁 可锻铸铁 znadf pz . . 1eC 4 8 2 5 aF  圆柱铣刀 碳素钢 zadf pz 1 . 0 0 . 8 70 . 7 50 . 8 8eC 1 0 0 0 aF  灰铸铁 zadf pz 0 . 8 . 9eC 596aF  三面刃铣刀 碳素钢 znadf pz . . 9eC 2 5 6 0 aF  两面刃铣刀 zadf pz . 8eC 2 7 4 6 aF  立铣刀 znadf pz 0 . 1 31 . 0 0 . 7 30 . 7 50 . 8 5eC 1 1 8 aF  由任务书给出的数据可以求出 最大铣削力： 贵 州大学本科 课程设计 论文 7 118118aF 0 . 1 31 . 0 0 . 7 30 . 7 50 . 8 5eC  znadf pz 3 = 采用立铣刀进行圆柱铣削时， 根据相关资料表 查得，各铣削力之间的比值范围如下： cfncecfFFFFFF）（）（~~)~( 考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的工况 ，其如图。 由此可估算三个方向的铣削力分别为： NNFFNNFFNNFFcfncecf 5 6 5 6 7 1 5 6  图 铣刀切削力分析比较 贵 州大学本科 课程设计 论文 8 因为铣削方式是 立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力 NFF ez  ，受到水平方向的铣削力分别为 fF 和 fnF。 现 将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向 (丝杠轴线方向 )，则纵向 （轴向） 铣削力 xF ，横向（径向）铣削力为 yF。 NeFzFNfnFyFNfFxF 4 7 9 0 7 1 9 滚珠丝杠副的设计计算 滚珠丝杠螺母副 最大工作载荷 的计算 在立铣时，工作台受到纵向进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）NFF fx  ，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直） NFF fny 8 7 9 0 ，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直） NFF ez 。 已知移动部件总重量 G=800N，按矩形导轨进行计算，最大工作载荷 Fm实验计算公式及参考系数 如表 所示 ： 表 ： 最大工作载荷 Fm实验计算公式及参考系数 导 轨类型 实验公式 K μ 矩形导轨 )( GFFKFF yzxm   燕尾导轨 )2( GFFKFF yzxm   三角形或综合导轨 )( GFKFF zxm   . 8 注：表中 摩擦因数  均为滑 动导轨 的摩擦因 素。 对 于 滑动 导轨~ ， 取 。 求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：  NNNNGFFKFF yzxm)(][)(  贵 州大学本科 课程设计 论文 9 滚珠丝杠螺母副最大动载荷的计算 由任务书 数据，该 工作台 在承受 最大铣削 力时的 最快进 给速度v=500mm/min，初选丝杠导程 Ph=5mm,则此时丝杠转速 n=v/Ph=100r/min。 任务书指出，该设备的使用寿命为 10 年；年均工作 280 天；每天 8小时。 则该 滚珠丝杠 螺母副 的使用寿命 T必须满足： T=10 280 8=22400h 将其 代入 式60 1060nTL 得丝杠寿命系数 : )10()10(10 2240010060 6660 rrL  计算滚珠丝杠螺母副的最大动载荷的公式为下式： mHWQ FffLF 3 0 式 中： L0 为 滚珠丝杠副的寿命，单位（ 106r）。 Wf 为 载荷系数，由表 查得。 Hf 为 硬度系数（ ≥58HRC 时，取 ；等于 55HRC 时，取 ；等于 时，取 ；等于 50HRC 时，取 ；等于 45HRC 时，取 ）。 Fm为 滚珠丝杠副的最大工作载荷， 其 单位为 N。 取载荷系数 wf ，轨道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 Hf 则 有 ： NNFffLF mHWQ)( 33 0 即滚珠丝杠副的最大动载荷为。 表 ： 滚珠丝杠载荷系数 运转状态 载荷系数Wf 平稳或轻度冲击 ～ 中等冲击 ～ 较大冲击或振动 ～ 贵 州大学本科 课程设计 论文 10 初选滚珠丝杠副型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程， 查相关资料选择的滚珠丝杠副型号为 FFZD32055型 内循环浮动式螺纹预紧滚珠丝杠副 滚珠丝杠副， 如图 为该滚珠丝杠的安装及外形尺寸，其几何参数如表。 图 ： FFZD32055滚珠丝杠螺母副安装及外形尺寸 表 ： FFZD32055型滚珠丝杠螺母副几何参数（单位 mm） 公称直径 0d 基本导程 Ph 丝杠外径 1d 丝杠底径 2d 循环圈数 钢球直径 wd 额定动载荷 Co/KN 额定静载荷 Coa/KN 32 5 5 螺母安装尺寸 L1 B h D3 D4 D5 D6 D7 108 13 7 82 67 7 12 62 确定滚珠丝杠副的螺纹长度：由式 cq LLLL 22   确定， 该式中， L 为有效行程， L =行程 +螺母长度 =240+108=348mm； L 为安全行程， L =5 0L =25mm；cL 为余程， cL =2 0L =10mm。 则计算得： mmLLLL cq 41822   贵 州大学本科 课程设计 论文 11 支承方式的选择与轴承寿命校核 支承方式的选择 根据丝杆尺寸和有关数据， 经过查阅 轴承选取的相关 资料，并结合本设计具体情况选择 “ 单推－单推 ”的 支承方式 ，选用的轴承为 60 度接触角推力角接触球轴承，其主要参数如表 所示；图 ； 表 ：角接触球轴承主要参数 轴承名称 轴承型号 结构尺寸 安装尺寸 额定载荷 数量 角接触 球轴承 760205TIN d=25mm,B=15mm,D=52mm D1=32mm D2 =45mm 2 图 ：角接触球轴承尺寸结构 轴承寿命校核 验算角接触球轴承的寿命， 根据丝杠的设计尺寸，初选用轴承型号为760205TIN 的轴承，其相关参数 为 ， 额定动载荷 kNCr 。 由计算知 最大工。