数控加工课程设计说明书_西华大学.doc

摘 要数控机床及其制造系统的柔性化、集成化和网络化水平进一步得到提高，可按照市场需求，实现生产能力快速重组，以适应用户多品种变批量生产的需求，更要在精度上满足客户的需求。一台机床的精度主要分散在进给系统上，所以若能在进给系统有更高精度的突破，高精度、反向误差小、高负载能力、高可靠性、运行平稳。若满足这些机床的性能指标，从而提高数控机床加工质量和刀具的使用寿命。经济型数控车床适宜加工各种形状复杂的轴、套、盘类零件, 如车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、切槽、倒角、车螺纹等，工艺适应性强，加工效率高，精度高，加工质量稳定，可降低对工人技术熟练程度的要求。数控加工编程容易，操作简单，可广泛适用于汽摩配件、家电、液压气动、轴承、仪器仪表、五金阀门等制造业中、小型零件的批量加工，是理想的中小型机械加工设备。通过技术调研，我们认为经济型数控机床的开发具有可行性。该项目的实施过程，是根据国内市场的需求分析及调研的结果，确定产品的性能，进行总体设计，部件研制，安装，以及整机的调试等一系列过程，需要设计，制造，供应，机加工，装配等一系列的密切配合。关键词：数控；经济型；设计目 录摘 要1目 录21. 总体方案设计31.1 设计任务31.2 总体方案确定32 经济型数控车床进给运动机械部件设计32.1 系统脉冲当量42.2 切削力计算42.2.1 纵车外圆42.2.2 横切端面52.3 滚动螺旋副选型计算与验算52.3.1 纵向进给丝杠52.3.2 横向进给丝杠72.3.3 滚珠丝杠副几何参数92.4 齿轮传动比计算92.4.1 纵向进给齿轮传动比计算92.4.2 横向进给齿轮传动比计算102.5 步进电机的计算与选型102.5.1 等效转动惯量计算102.5.2 电机力矩计算112.5.3 步进电机性能验算122.5.4 步进电机型号确定及主要参数列表：133.电气控制原理图设计143.1 CPU的选择143.2 芯片的介绍154.数控加工编程设计184.1 加工零件图184.2加工工艺卡的编写194.2 加工程序的编写20总 结25参考文献261. 总体方案设计1.1 设计任务设计一个经济型数控车床进给系统机械部件及数控加工编程设计。主要内容：（1）经济型数控车床进给运动机械部件设计：部件装配图2张：（横向，纵向各一张）；电气控制原理图12张。（2）数控加工编程：绘制教师指定的数控加工零件图；填写数控加工走刀路线图、数控加工工艺卡；完成零件的数控程序编制。具体要求：经济型数控车床进给系统设计参数：（1）纵向进给系统：工作台质量W=750N，行程S=700mm，脉冲当量=0.01mm/setp，快速进给速度V快=2m/min，最大切削进给速度V进=0.6m/min；（2）横向进给系统: 工作台质量W=320N, 行程S=230mm, 脉冲当量=0.005mm/setp, 快速进给速度V快=1m/min, 最大切削进给速度V进=0.3m/min.1.2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。2 经济型数控车床进给运动机械部件设计经济型数控车床进给运动机械部件设计内容包括：系统脉冲当量确定，切削力计算，滚动螺旋副选型计算与验算，滚动导轨选型计算与验算，步进电机选型计算和验算等几个部分，下面是进给系统的设计计算，已知设计参数：纵向进给系统：工作台质量 W=750N行程 S=700mm脉冲当量 =0.01mm/setp快速进给速度 V快=2m/min最大切削进给速度 V进=0.6m/min横向进给系统：工作台质量 W=320N行程 S=230mm脉冲当量 =0.005mm/setp快速进给速度 V快=1m/min最大切削进给速度 V进=0.3m/min2.1 系统脉冲当量脉冲当量是相对于每一脉冲信号的机床运动部件的位移量，又称作最小设定单位脉冲当量。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。根据设计任务书确定脉冲当量：纵向为=0.01mm/setp，横向为=0.005mm/setp。2.2 切削力计算2.2.1 纵车外圆根据经验公式计算主切削力，对于车削外圆加工时的主切削力可由下式进行估算：车床床身上的最大加工直径，由已知条件行程S=700mm，得出,经计算得再按照以下比例计算轴向分力和径向分力：,故FX=3102N, FY=4963N2.2.2 横切端面主切削力可取为纵切削力的1/2：此时走刀抗力为 ,吃刀抗力为。仍按上述比例粗略计算： 故=1551N ,=2481N2.3 滚动螺旋副选型计算与验算 滚动螺旋副工作原理：滚动螺旋副是一种在丝杠和螺母之间放入滚动体 滚珠的一种丝杠螺母副。由于放入滚珠，故，当丝杠相对螺母转动时，滚珠则在螺旋滚道内即自转又循环转动，迫使丝杠螺母之间产生轴向相对运动，于是将丝杠的旋转运动变为螺母的直线运动或将螺母的旋转运动变为丝杠的直线运动。滚动螺旋副特点：优点：传动效率高，所需驱动转矩小；传动精度高，反向精度高，定位精度高；传动刚度高；传动平稳，快速响应好，无爬行； 磨损小，精度保持性好，寿命长；具有运动可逆性；缺点：制造成本高；不能自锁，铅垂进给时需加制动机构。 滚动螺旋副的设计步骤是：计算进给牵引力，预选主要尺寸参数，计算最大动负荷，计算最大静负荷，初选滚珠丝杠副型号及列表主要参数，绘制进给系统计算简图，验算轴向刚度，验算传动效率，确定滚珠丝杠副型号。2.3.1 纵向进给丝杠（1）进给系统牵引力计算纵向进给为综合型导轨，有式中：K考虑颠覆力矩时的影响系数，综合型导轨取K=1.15；导轨摩擦系数，=0.150.18（取=0.16）；G移动部件重量，G=750N代入公式计算得（2）滚珠丝杠副最大动负荷计算最大切削进给速度最大切削力条件下的进给速度取=0.4m/min滚珠丝杠转速，其中：滚珠丝杠导程初选，则滚珠丝杠寿命值，其中使用寿命假设为T=15000h，则运转状态系数，按一般运转取故（3） 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅设计手册，可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级选为3级。（4） 传动效率计算 式中：丝杠螺母升角； 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于10´。本设计中：（5） 刚度验算 先画出此纵向进给系统的示意图，如附图一所示。最大进给率引力为4304N，支承间距L=1500mm。丝杠螺母级轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3。 丝杠的拉伸或压缩变形量1。查手册，根据Fm=2530N,D0=40mm，查出L/L=1.2×10-5,可算出 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量为：滚珠与螺纹滚道间接触变形。查机械设计手册相关图表，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量: 因进行了预紧，故 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。采用8107型推力球轴承，滚动体直径，滚动体数量Z=18,故 因施加预紧力，故根据以上计算轴向总变形量为： 即轴向总变形小于定位精度。（6） 稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力轴承并施加预紧，不会产生失稳现象，不需要进行稳定性校核。2.3.2 横向进给丝杠（1） 横向进给率引力 横向导轨为燕尾型，计算如下： （2） 最大动负荷计算 (3)滚珠丝杠螺母副的选型 查阅设计手册，可采用W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为8800N，精度等级选为3级。(4)传动效率计算 式中：丝杠螺母升角； 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于10´。本设计中：（5）刚度验算 先画出此纵向进给系统的示意图，如附图三所示。最大进给率引力为1155N，支承间距L=450mm。丝杠螺母级轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3。 丝杠的拉伸或压缩变形量1。查手册，根据Fm=1155N,D0=20mm，查出L/L=0.9×10-5,可算出 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量为：滚珠与螺纹滚道间接触变形。查机械设计手册相关图表，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量: 因进行了预紧，故 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。采用8102型推力球轴承，滚动体直径，滚动体数量Z=12,故 因施加预紧力，故根据以上计算轴向总变形量为： 即轴向总变形小于定位精度。2.3.3 滚珠丝杠副几何参数表2-1滚珠丝杠副几何参数螺纹滚道公称直径4020导程（螺距）65接触角2º44´4º33´钢球直径3.9683.175螺纹滚道法面半径R2.0641.651偏心距0.0560.045螺纹升角2º44´4º33´丝杠丝杠外经3919.4丝杠内经35.98416.788螺母螺母外径(外循环）44.01623.212螺母内经(外循环）40.793820.6352.4 齿轮传动比计算2.4.1 纵向进给齿轮传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角为0.75º，可计算出传动比可选定齿轮齿数为即=32,=40 或 =20,=25 。2.4.2 横向进给齿轮传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角为0.75º，可计算出传动比 考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可以采用两级齿轮减速： 即=24,=40，=20,=25因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数如下表2-2：（单位：mm）齿数324024402025分度圆直径d=mZ648048804050齿顶圆直径688452844454齿根圆直径597543753545齿宽(610)m202020202020中心距A=7264452.5 步进电机的计算与选型2.5.1 等效转动惯量计算电机转子的转动惯量：参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量为 ；齿轮的转动惯量： ；齿轮的转动惯量：=；丝杠的转动惯量：=。折算到电机轴上的总转动惯量： 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题，,基本满足惯量匹配要求。2.5.2 电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面按个工况计算。（1） 快速空载启动力矩 在快速空载启动阶段，加速力矩占得比例较大，具体计算如下： 将上述数据代入，式中各符号意义同上： 启动加速时间 折算到电机轴上的摩擦力矩： 附加摩擦力矩M0 上述三项合计：（2） 快速移动时所需力矩： （3）最大切削负载时所需力矩Mj 从上面计算可以看出，Mq、Mk、Mj三种工况下，以快速空载启动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。查表可得，当步进电机为五项十拍时，则最大静力矩为 。按此最大静转矩，查教材表3.11得出，150BF002型最大静转矩为13.72N·m，大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。2.5.3 步进电机性能验算 (1)电机最高空载启动频率和运行频率（2）频率验算查表知150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率和运行频率分别为2800HZ和8000HZ，由于 故运行频率频率满足要求。但 不满足要求，可以通过采用步进电机快速启动升降速控制，将启动频率降到1000Hz，启动力矩可增高到588.4N·cm，然后在电路上再采用高低压驱动电路。2.5.4 步进电机型号确定及主要参数列表：表2-3步进电机型号确定及主要参数列表型号相数步距角电压相电流最大静转矩最高启动频率运行频率转子转动惯量150BF00250.7580/121213.722800800036.3553. 电气控制原理图设计3.1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。3.2 芯片的介绍一、8031芯片：（1）主电源引脚Vss和Vcc Vss接地 Vcc正常操作时为+5伏电源（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/ ， 和 /Vpp RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 ALE/ 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的 ）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。 对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（ 功能） 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间， 在每个机器周期内两次有效。 同样可以驱动八LSTTL输入。 /Vpp 、 /Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当 /Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。二、74LS138芯片：74LS138 为3 线8 线译码器，共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式。其工作原理如下： 当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2)和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。可用在8086的译码电路中，扩展内存。三、2764芯片：2764是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。各引脚的含义为：  A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；O0-O7为数据输出线；CE为片选线；OE为数据输出选通线；PGM为编程脉冲输入端；Vpp是编程电源；Vcc是主电源。正常工作（只读）时，Vpp=Vcc=+5V,PGM=+5V。编程时，Vpp+25V（高压），PGM端加入宽度为50ms的负脉冲。四、Intel 6264芯片：Intel 6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造 A12A0（address inputs）：地址线，可寻址8KB的存储空间。 D7D0（data bus）：数据线，双向，三态。 OE（output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。 WE（write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。 CE1（chip enable）：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。 CE2（chip enable）：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。 VCC：+5V工作电压。 GND：信号地。Intel 6264的操作方式由, CE1 , CE2的共同作用决定 写入：当和CE1为低电平，且和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7D0写入被选中的存储单元。 读出：当和CE1为低电平，且和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7D0上。 保持：当为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。4. 数控加工编程设计4.1 加工零件图由于涉及的系统中零件很难用车床加工直接实现，大多都是用加工中心，所以找了一个符合本设计的所有要求，并且能用车床全部的实现的一个零件如下图4-1:图4-1零件图根据我的零件图，设计的走刀图如下走刀图一和走刀图二：图4-2走刀图一图4-3走刀图二4.2 加工工艺卡的编写根据设计的走刀图，设计出工艺卡如下：表4-1走到图一工艺卡工序号程序编号夹具名称使用设备车间001O1000三爪卡盘C616数控车床数控加工中心工步号工步内容刀具号刀具规格/ mm主轴转速/r.min 进给速度/mm.min背吃刀量/ mm备注1粗加工一端外圆及端面T01主偏角90º 8001501.52精加工一端外圆及端面T02主偏角93º18001000.25编制审核批准2012年3月3日共 页第 页 表4-2走到图二工艺卡工序号程序编号夹具名称使用设备车间002O2000三爪卡盘C616数控车床数控加工中心工步号工步内容刀具号刀具规格/ mm主轴转速/r.min 进给速度/mm.min背吃刀量/ mm备注1粗车端面T01主偏角90800100保证总长为165.5mm2粗加工一端外圆及端面T01主偏角90º 8001501.53精加工一端外圆及端面T02主偏角93º18001000.25保证总长165mm4切槽T03宽4mm 6003045车螺纹T0460°100编制审核批准2012年3月3日共 页第 页4.2 加工程序的编写加工程序如下：加工图（毛料55*170）O1000%1230T0101(外圆车刀粗刀)M03S1000G0X55Z50M00Z5G71U1.5R1P10Q20X0.5Z0.1F150G01X55F120G40G00Z200T0202（外圆精刀）G00X50Z5S1800N10G42G01X0F100Z0X56Z-10.947X34Z-52Z-54N20X55G0G40X60Z200M30加工图O2000%1230T0101(外圆车刀粗刀)M03S1000G0X55Z50M00Z5G71U1.5R1P10Q20X0.5Z0.1F150G01X55F100G40G00Z200T0202（外圆精刀）G00X50Z5S1800N10G42G01X0F100Z0X26X29.8Z-2Z-20X26Z-24Z-25X36Z-35Z-45G02X30Z-54R15X48Z-69R25G03X40Z-99R25G02X34Z-108R15G01Z-115N20X55G0G40X60Z200S700T0303（4mm切槽刀）G0X35Z5Z-25G01X30F30X31X26X35Z-24X31X26X35Z-22X30X26Z-24X35G0X50Z200S1000T0404(60°螺纹刀)G0X30Z5G82X29Z-2 C2F32G01X35G00Z5G82X28Z-2 C2F32G01X35G00Z5G82X27Z-2 C2F32G01X35G00Z5G82X26.102Z-2 C2F32G01X35G00Z5G82X26.102Z-2 C2F32G01X35G00Z5G00X100Z200M30总 结这次的课程设计是数控装备及加工编程的课程设计，我们需要完成一个经济型数控车床进给系统机械部件及数控加工编程设计，这是我们这两个学期以来综合性最强的一个课程设计题目了，这是一次对我们阶段学习的检验，也是我们自己作为一名机电专业即将毕业的学生应该具备的能力。在这次课程设计的过程中，我的指导老师宋老师，还有班上热心的同学给了我非常大的帮助，因为以前在专科阶段，我就没有学习过数控编程这方面的知识，属于自己完全陌生的领域，刚开始的时候，我真的是连门都摸不到，但是在宋老师的悉心指导下，我渐渐理清了头绪，学会了用CAD画图。也在同学的指导下，对数控编程有了一定的理解，会分析加工工艺了。我觉得我在这个过程中真的收获了不少，这其中不仅仅是知识，还有主动学习的态度。通过这次课程设计，我对数控加工有了全新的认识，让自己能把学过的知识结合在一起，培养了我们初步计算设计机电产品的能力以及处理机电方面技术问题的能力。参考文献1陈志雄数控机床与数控编程技术北京：电子工业出版社，20032 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,20043周利平等.数控技术及加工编程.成都.西南交通大学出版社,20074懂霖等.数控技术及加工编程实训教程.成都.西南交通大学出版社,20075张新义.经济型数控机床系统设计.北京:机械工业出版社,1994