机械设计毕业论文36097689.doc

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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作摘要此次毕业设计中，设计任务是将一台 XA6132 普通升降台卧式铣床，改造成三 坐标数控铣床。采用滚珠丝杠作为传动装置。共有三根丝杠分别在纵向，横向工 作台和垂直向升降台上。驱动元件为步进电机。微机数控系统由 CPU、存储扩展 电路和 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。数控系统的核心是微机， 其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。 数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，字长不仅影响系 统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是 MCS51 机，并扩展 2

2、 片 2764 芯片，1 片 6264 芯片，3 片 8155 可编程并行 I/O 等组成的 控制系统。结合毕业设计的的工作和时间的限制，机械部分主要解剖三个坐标轴，完成 机械结构设计，零件和参数的选择，部分计算过程；电气和微机部分主要有硬件 原理图和程序框图，以及部分程序段，共计五张 A0 图。此次毕业设计中，我熟悉了机电一体化设计的基本过程，并把各门所学的知 识融会贯通形成一个有机的整体，为以后的设计工作打下了良好的基础，同时我 也深深的体会到了不足之处，准备在今后的工作中不断学习，不断实践。关键词：XA6132 普通升降台卧式铣床，数控，改造IAbstractIn this time g

3、raduation design, the design mission is to reform a set of XA6132 common working panel lifter lying type miller into the three coordinate number controlling miller，adopting the ball guide screw as the transmission device .There are threesilk bar different totally at lengthways, horizontal work pedes

4、tal and perpendicularity to ascend and descend on the stage. The driving component is the stepping electrical engineering. The tiny machine number controls the system from the CPU, save to expand the electric circuit and I/ O connects a peoples electric circuit, servo electrical engineering to drive

5、 the electric circuit etc. several parts constitute. The number controls the core of the system is a tiny machine, the other equips to all carry on the work under the control of the tiny machine. The tiny machine use is directly related inthe function and systems of the system. The number controls t

6、he request of system to tiny machine is various, but the main index sign is a word to grow and speed, the wordis long not only affect the system biggest to process the size, and the accuracy that influence process and operation accuracy. What this design adoption is machines MCS-51s, and expand 2 sl

7、ices of 2764 chips, a slice of 6264 chips, 3 slices of 8155 programmable proceed together to constitute the control system .Because the work of graduation project and restriction of time, the mechanical part dissects three coordinate axes mainly, finishes mechanical structural design, the choicesof

8、the part and parameter, some computational processes; Electric and the computer part have principle pictures of hardware and procedure block diagram , and some procedure sections mainly, it is five A0 picture altogether.In this time graduation design, I acquainted with the machine electricity integr

9、al whole to turn the basic process of design, and integrate the knowledge that each one learn to become an organic whole, is a later design work to beat to descend the good foundation, I also realized the place of the shortage deeply at the same time, preparingto study continuously in the work of th

10、e aftertime, practicing continuously.Keywords: The XA6132 universal knee-type milling machine, the number control, reform.II目录摘要 . I Abstract . II 目录 . III 第一章绪论 . 11.1 数控机床改造的意义 . 11.2 国内外的数控机床的比较 . 11.3 数控未来发展的趋势 . 21.3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 . 21.3.2向高速化和高精度化发展 . 21.3.3向智能化方向发展 . 2第二章 设计任务和总体方案的确定

11、. 42.1 设计任务 . 42.2 总体方案设计的内容 . 42.2.1 伺服驱动 . 42.2.2 数控装置 . 52.2.3 系统功能 . 52.2.4 采用环形分配器 . 52.2.5 采用滚珠丝杠螺母副 . 5第三章 伺服系统机械部分设计计算 . 63.1 确定系统脉冲当量 . 63.2 滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型 . 63.2.1 纵向丝杠的选择 . 73.2.2 横向丝杠的选择 . 93.2.3 垂直向丝杠的选择 . 123.3 传动效率计算 . 143.4 齿轮传动比计算 . 153.4.1 纵向丝杠传动比 . 153.4.2 横向丝杠的传动比 . 153.4.3 垂直丝

12、杠的传动比 . 163.5 步进电机的计算和选用 . 163.5.1 纵向丝杠步进电机的计算 . 163.5.2 横向丝杠步进电机计算 . 193.5.3 垂直向丝杠步进电机的计算 . 21第四章 数控系统各部件的结构及其工作原理 . 24III4.1 主控器 . 244.2 选择芯片 . 264.3 地址分配器及译码 . 264.4 接口电路及辅助电路具体设计 . 27 专题部分：控制系统软件程序设计 . 32 第五章 绿色设计及环保分析 . 40 致谢 . 41 参考文献 . 42IV第一章绪论1.1 数控机床改造的意义企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更 新

13、和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不 断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床综合了数控技 术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状 复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需 对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是 全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本 功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进 电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精

14、度一般可达0.01mm 至 0.02mm， 已能满足 C620 车床改造后加工零件的精度要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件 几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准， 而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床的 改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。普通车床应用微机控 制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。1.2 国内外的数控机床的比较传统机床在我国占有比例相当大，我国目前机床总量 380 余万台，而其中 数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化

15、率不到 3%。近 10 年来，我国 数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化 率为 6%。我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上；10 年以下的机床中，自动/半自 动机床不到 20%，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动 机床占 60%以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是 传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的 产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内45 市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发

16、展。所以必须大力提高机床的数控化率。但废弃传统机床大量引进数控机床对 企业来说是一笔巨大的负担，利用现有设备，提升传统制造业的科技含量，是适 合我国国情的一条道路，它不仅完成企业设备的更新换代，而且也有良好的经济 价值。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业， 生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永 恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行 业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing

17、）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司 已在中国开办公司。在日本，机床改造造业称为机床改装（Retrofitting）业。 从事改装业的著名公司有：大畏工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野 崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。1.3 数控未来发展的趋势1.3.1继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多 的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人 机界面、编程

18、、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所具有的 友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加 普遍。1.3.2向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要1.3.3向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（

19、4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。第二章 设计任务和总体方案的确定2.1 设计任务（1）进给伺服系统设计计算 此部分为机械部分，它包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选用；设计并绘制总装配 图，其中包括横向，纵向工作台和垂直向升降台。（2）单片机控制系统设计 此部分包括设计并绘制控制系统线路图，编写直线差补程序和圆弧差补程序。2.2 总体方案设计的内容机床数控系统总体方案的拟订应包括以下内容：伺服系统的选择，执行机构 及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。一般应根据设计任务和要

20、求提出几 个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。2.2.1 伺服驱动 在我过设备数控化改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件。步进电机是一种特殊结构的电机,它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信 号的能量转换为机械位移的电机执行元件。当激磁绕组按一定规律获得分配脉冲 时，步进电机的转子就会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的 比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动 的速度和位移量。步进电机的优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻， 价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度

21、较好，对各种 干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，电机时间常数小，反应快。但步进 电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率低，工作效率也不够高，低频时振动 大，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高 的经济型简易型数控设备中。综上所述，综合了成功率，技术难度，精度和投资等因素，决定选用步进电 机开环伺服驱动2.2.2 数控装置微机数控系统由 CPU、存储扩展电路和 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路等 几部分组成。数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能 和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标 是字长和速度

22、，字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算 精度。本设计采用的是 MCS51 机，并扩展 2 片 2764 芯片，1 片 6264 芯片，3 片8155 可编程并行 I/O 等组成的控制系统。2.2.3 系统功能（1）横向，纵向，垂直方向进给伺服运动。（2）行程控制（3）键盘控制（4）功能：报警电路，复位电路，隔离电路，功放电路等。2.2.4 采用环形分配器 本系统采用软件环形分配器。由于铣床三个方向的三步进电机均为三相，所以直接与 8155（2）的 PA 口再加上 8155（1）的 PA 口相接就可以了，经光电耦合 电路，功放电路驱动电机。2.2.5 采用滚珠丝杠螺母副 采用

23、滚珠丝杠螺母副传动结构,具有精度高,效率高,寿命长,低能耗,摩擦系数小,较高紧凑,通用性强等特点.第三章 伺服系统机械部分设计计算3.1 确定系统脉冲当量铣床脉冲当量应选 0.01mm/脉冲3.2 滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型最大回转直径：工作台宽 320mm 电机功率 P：7.5KW 纵向快进速度：2.3m/min 横向快进速度：1.2m/min 垂向快进速度：0.77m/min 纵向切削数据：0.06m/min 横向切削速度：0.06m/min 垂向切削速度：0.06m/min 定位精度：0.015mm 纵向移动部件重量：220kg 横向移动部件重量：450kg 垂向移动部件重量：10

24、00kg 加速时间：30ms机床效率：0.8 机动范围：680mm/240mm/300mm 工艺数据：工件加工余量-最大铣削宽度：，最大铣削深度：刀具数据-高速钢圆柱铣刀，直径 32-40mm，刀齿书 3-4 工艺数据-主轴转速 150-190rpm;40-60mm/min;每齿切厚 0.05-0.2mm 取 0.1mm。 根据机床设计手册，对高速钢圆柱铣刀，以工件为碳钢计算FZ =9.81 CFZ0.86ae0.72afa p Z d0-0.86CFZ =68.2， d0 ae =7， a f =0.1，a p =40,Z=4, d0 =323.2.1 纵向丝杠的选择（1）计算进给牵引力 F

25、m在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铣削条件为准，FZ =9.81 CFZ0.86aae0.72fa p Z d0-0.86=5528（N）(4-1)PH =1.1 FZ ; PV =0.25 FZ ; P0 =0.375 FZPH =1.1 FZ =6081N;PV =0.25 FZ =1382N;P0 =0.375 FZ =2073N；导轨类型为燕尾导轨P2得 FX =3VH2 + P 2= 1558N ; FY= 0 N ; FZ= P0 = 2073NFm = kFX + f (FZ + 2FY + G) = 1.41558+0.2(2073+20+2200) = 3.0

26、358 (KN)式中：f 导轨上的摩擦系数 0.2(4-2)G移动部件重量 G = 2200 N（2）计算最大负载 C 选用滚珠丝杠副的d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝 杠所能承受的最大动负载C，计算如下：C=3 L f F(4-3)wmL = 60 n T106n = 1000 vsL 0式中： L0 滚珠丝杠导程 L0 = 6 mmvs 最大切削力下的进给速度 vs= 0.03m/minT 使用寿命 对于数控机床取 T = 15000 hf w 运转系数，无冲击运转f w = 1.01.2，此处取

27、f w = 1.0L 寿命 ， 以10 6 转为单位。n =1000 vsL 0= 1000 0.036= 5r/minL = 60 n T10 63= 60 5 150001063= 4.5C=L f w Fm =4.5 1.0w3035.8=5012N=5.012kN（3）滚珠丝杠副螺母的选型查阅精密滚珠丝杠副可采用 BNF4006-5 型外循环插管式，导管埋入式法兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为（4）刚度验算Ca = 27.7KN滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量d1 在总的变形量中占很大的

28、比重，所以要计算d1 是否满足要求：计算如下：d 总 3d1 （不预紧）在工作负载 Fm 的作用下引起导程 L0 的变化量 L ：L =Fm L0(4-4)E F式中： L 在工作负载 Fm 作用下引起每一导程的变化量（mm）Fm 工作负载，即进给牵引力（N）L0 滚珠丝杆导程（mm）E 材料弹性模量，对于钢 E = 20.6 10 4N/mm 2F 滚珠丝杠横截面积 （按内径确定）（mm 2 ）Fm = 3035.8NL0 = 6mmE = 20.6 10 4N/mm 222F = p d = 40 =1256mm 2 2 p 2 L =Fm L0=E F3035.8 6=20.6 10 4

29、 12560.704 10 -4 mm滚珠丝杠总长度上的变形量d1 :d1 =L L L00.704 10 -4=61000 = 0.0117 mm 刚度d 总 3d1= 30.0117 = 0.0351 mm 0.015 (定位精度)因此，丝杠需预紧。（5）稳定性校核 无需进行稳定性校核。3.2.2 横向丝杠的选择（1）计算进给牵引力 Fm在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铣削条件为准，FZ =9.81 CFZ0.86aae0.72fa p Z d0-0.86=5528（N）PH =1.1 FZ ;PV =0.25 FZ ;P0 =0.375 FZ222得 FX =3PH +

30、PV= 1558 N ; FY= 0 N ; FZ= P0 = 2073N导轨类型为矩形导轨。Fm = kFX + f (FZ + 2FY + G) = 1.21965(KN)式中：f 导轨上的摩擦系数 0.15G移动部件重量 G = 4500 N（2）计算最大负载 C 选用滚珠丝杠副的d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝 杠所能承受的最大动负载C，计算如下：C=3 L f FwmL = 60 n T10 6n = 1000 vsL 0式中： L0 滚珠丝杠导程 L0 = 6 mmvs 最大切削力下的进给

31、速度 vs= 0.03m/minT 使用寿命 对于数控机床取 T = 15000 hf w 运转系数，无冲击运转f w = 1.01.2，此处取f w = 1.0L 寿命 ， 以10 6 转为单位。n =1000 vsL 0= 1000 0.036= 5r/minL = 60 n T10 6= 60 5 15000106= 4.53C=L f w Fm =34.5 1.0w1219.65= 2014 N=2.014kN（3）滚珠丝杠副螺母的选型查阅精密滚珠丝杠副可采用 BNF3606-3 型外循环插管式，导管埋入式法兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为（4）刚度验算Ca = 15KN滚

32、珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量d1 在总的变形量中占很大的比重，所以要计算d1 是否满足要求：计算如下：d 总 3d1 （不预紧）在工作负载 Fm 的作用下引起导程 L0 的变化量 L ：L =Fm L0E F式中： L 在工作负载 Fm 作用下引起每一导程的变化量（mm）Fm 工作负载，即进给牵引力（N）L0 滚珠丝杆导程（mm）E 材料弹性模量，对于钢 E = 20.6 10 4N/mm 2F 滚珠丝杠横截面积 （按内径确定）（mm 2 ）Fm = 1219.65NL0 = 6mmE = 20.6 10

33、 4N/mm 222F =p d = 36 =1017.4mm 2 2 p 2 L= Fm L0=E F1219.65 620.6 10 41017.4= 0.35 10 - 4 mm滚珠丝杠总长度上的变形量d1 :d1 =L L L00.35 10 -4=6 500 = 0.003 mm 刚度d 总 3d1= 30.003= 0.009mm 0.015 (定位精度)因此，丝杠不需预紧。（5）稳定性校核 无需进行稳定性校核。3.2.3 垂直向丝杠的选择（1）计算进给牵引力 Fm在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铣削条件为准，FZ =9.81 CFZ0.86aae0.72fa p

34、Z d0-0.86=5528（N）PH =1.1 FZ ;PV =0.25 FZ ;P0 =0.375 FZ222得 FX =3PH + PV= 1558 N ; FY= 0 N ; FZ= P0 = 2073N导轨类型为燕尾导轨Fm = kFX + f (FZ + 2FY + G)= 5.5254 (KN)式中：f 导轨上的摩擦系数 0.2G移动部件重量 G = 10000 N（2）计算最大负载 C 选用滚珠丝杠副的d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝 杠所能承受的最大动负载C，计算如下：C=3 L f

35、 FwmL = 60 n T10 6n = 1000 vsL 0式中： L0 滚珠丝杠导程 L0 = 6 mmvs 最大切削力下的进给速度 vs= 0.03m/minT 使用寿命 对于数控机床取 T = 15000 hf w 运转系数，无冲击运转f w = 1.01.2，此处取f w = 1.0L 寿命 ， 以10 6 转为单位。n =1000 vsL 0= 1000 0.036= 5r/minL = 60 n T10 63= 60 5 150001063= 4.5C=L f w Fm =4.5 1.0w5525.4= 9122 N=9.122kN（3）滚珠丝杠副螺母的选型查阅精密滚珠丝杠副可采用 BNF6306-5 型外循环插管式，导管埋入式法兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为Ca = 45KN（4）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量d1 在总的变形量中占很大的比重，所以要计算d1 是否满足要求：计算如下：d 总 3d1 （不预紧）在工作负载 Fm 的作用下引起导程 L0 的变化量 L ：L =Fm L0E F式中： L 在工作负载 Fm 作用下引起每一导程的变化