xa6132铣床的数控化改造.docx

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xa6132铣床的数控化改造

内容提要

按照毕业设计的要求，将一台XA6132普通升降台卧式铣床改造成三坐标数控铣床。

由于毕业设计的时间限制，本次设计任务的要求如下：

机械部分主要解剖一个坐标轴，完成机械结构设计，零部件及参数的选择，完成部分计算过程：

电气和微机部分结合机械结构的设计特点主要完成数控系统控制部分整体方案的论证和选择，使整个系统能够较完美地结合，并完成硬件接线设计以及系统框图。

最后，总结本次毕业设计，完成毕业论文撰写。

第一章绪论

1.1数控机床的发展

在社会生产和科学技术迅猛发展的今天，机械产品的性能和质量不断提高，产品更新换代的周期也不断缩短，因此，对机械加工设备的要求也不断地在提高。

使它不仅具有较高的生产效率和加工精度，而且能迅速地适应加工零件的变更。

数控机庆就是在这种情况下产生和发展。

电子技术、特别是计算机技术的发展又促进了数控机床的迅速发展。

数控岂庆在当今世界已进入了批量生产，它的机械加工中所占的比重也愈来愈大，在航天、航空和汽车行业已经成为不可缺少的机械加工设备。

机床的数控比率不断提高。

它集计算机技术、传感技术、自动控制技术、机床的数控化率不断提高。

它集计算机技术、传感技术、自动控制技术、自动检测技术为一体，能自动、高效、高精度、高质量地从事单位小批及复杂形面的加工，使机械制造业的发展进入了一个崭新的阶段。

数控机床代表着现代制造业科技发展的方向和水平，目前已由单台机床数控发展到FMS（柔性制造系统），CAMS（计算机集成制造系统），从而使数控机床成为组成现代生产系统，实现设计（CAD）、制造（CAM）、检验（CAT）与生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。

我国从1958年开始研制数控机床，在研制与推广数控机床方面取得了一定的成绩。

近年来，由于收进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，我国数控机床在品种数量和质量方面得到了迅速发展。

目前，我国数控机床的发展不仅从技术水平上已研制出五坐标数控铣床；加工中心：

CNC系统和自动编程系统等，同时也拥有了一定数量的数控机床。

但我国目前数控机床的开发、生产、使用及拥有量仍与先进国家有较大差距，要达到世界先进水平，还需迅速发展我国数控机床行业。

随着工厂、企业技术改造的深入发展、各行各业对数控机床的需要量将会有大幅度的增长，这将有力地促进数控机床的发展。

毫无疑问，数控机床必然会在我国现代化建设中发挥越来越大的作用。

1.2数控改造给企业带来的好处

数控改造是对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工的能力。

提高了机床的性能价值比用较低的价格，得到较高的机床性能。

数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，因为它具有以下特点：

（1）能适应不同零件的自动加工：

数控机床按照被加工零件的程序自动加工，要改变零件只需改变程序，而不必改变有关工装。

（2）生产效率和加工精度高，质量稳定。

（3）工序集中，一机多用：

采用自动换刀装置，可以在一次装夹下几乎完成零件的全部加工。

（4）能完成复杂形面的加工。

（5）数控机床是高技术产品，价格较高，而且要求有较高技术水平的人员操作维修。

尽管如此，数控机床的经济效益还是十分可观的。

第二章设计参数的选择

2.1设计内容

将一台XA6132普通降台卧式铣床改造成三坐标数控铣床。

结合毕业设计的工作量和时间限制。

机械部分主要解剖不轴，完成机械结构设计，零件及参数的选择，部分计算过程；电气和微机部分主要完成数控系统控制部分整体方案的选择，硬件接线图，程序框图。

2.2资料准备

一、工件资料

本铣床改造后主要为加工几个品种的制动凸轮轴，轴最长为650mm；该制动凸轮轴所需加工的轮廊外形含有直线、圆弧和渐开线；要求的轮廊公差0.1mm，对称度公差为0.1mm，表面粗糙度Ra1.6；工件材料为40Cr锻件；设计生产节拍为7nin/件。

二、原机床资料

由于轴是细长杆件，决定选择卧式铣削加工。

采用XA6132升降台卧式改造，原机床有关资料为：

进给电机1.5KW/1400rpm，最大水平拖动力1500kgf；快进速度横向、纵向为2.3m/min；升降台快进速度为0.77m/min；工作最大重量为500kg；机动范围纵向为680mm、横向为240mm、升降为300mm。

三、工艺资料

工件加工余量：

最大铣削宽度7mm，最大铣削深度40mm。

刀具资料：

高速钢圆柱铣刀直径φ32-φ40，刀齿数3-4。

工艺资料：

主轴转速150-190rpm，走刀速度40-60mm/min，每齿切厚为0.05-0.2mm,取0.1计算。

四、主切削力计算

根据机床设计手册3，对高速钢圆柱铣刀以工件为碳钢计算：

FG=Cf·ae0.86·af0.72·dt-0.86·ap·z

其中：

Cf：

系烽，取cf=68；

ae：

铣销接弧深（mm），取ae=7mm;

af：

每齿进给量（mm/齿），取af=0.1mm;

dt：

铣刀直径（mm），取dt-32mm；

ap：

铣削深度（mm），取ap=40mm

z：

铣刀齿数，z=4

FG=68×70.86×0.10.72×32–0.86×40×4

=550.9kgf

如以af=0.2mm代入,则FGM=910kgf。

FG=1200kgf。

因此，以最大水平拖动力1200kgf计算，可以满足最大切削力的要求。

其它有关主轴功率核算，夹紧工件用夹用具所需夹紧力计算这里不作介绍。

五、机床进给部件重量估计

纵向工作台：

长1.335m，加上夹具等约重220kg。

横向工作台：

约重445kg。

升降台：

约重1000kg。

第三章方案比较和选择

3.1伺服驱动

一、步进电机

在我国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组件。

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机电执行组件。

当激磁按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子会转动。

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置量。

步进电机优点是结构简单，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。

位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会累积。

另外，机电时间常数小，反应快。

但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率也不够高，低频时振动大，冲击大，有时还有自激振荡。

步进电机没有过载能力，当工作条件上变动时，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经济型简易型数控制设备中。

对于数控铣床的改造，为了保证铣床的性能，选X、Z坐标快进速度不低于2.4m/min，取为10m/min。

水平拖动力按15KN计算，则要求的功率为p=fv=15×10/60-2.5kw。

一般步进电机达不到此功率要求。

因此，如要选用步进电机，必须相应就降低机床的某些性能，主要是快速性。

另一方面，由于步进电机在低速下工作时有明显的冲动，易自激振荡，而且其激振频率很可能落入铣削加工所用的进给速度范围内，这对加工极为不利，甚至造成失败。

可见采用步进电机不但要降低性能，而且很可能失败。

此外，由于步进电机没有过载能力，高速时扭矩下降很多，容易丢步。

开环由于没有反馈校正作用，一旦丢步会造成工件报废，严重时甚至发生事故，而且如果不能及时发现还会造成工件的成批报废，因此实际应用时不可靠。

二、直流或交流伺服电机

1、闭环控制：

采用直流或交流伺服电机闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，试调和维修困难得多，造价也高。

闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控制设备中。

另外，由于闭环控制使机械传动的各个环节设计制作不当都可能造成系统失稳，所以相应地要求系统中每一个影响因素都严格控制把关。

由于所设计的数控铣床的目标工件加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。

2、半闭环控制：

采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。

由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电机开环控制；反馈环节不包括大部分机械传动无件，调试比闭环简单，系统的稳定性交易保证，所以比闭环容易实现。

但是采用半闭环控制，调试比开环控制步进电机要困难些，设计上也要有其自身的特点；另外反馈环节外的传动元件将会直接影响机床精度和加工精度，因此在设计中也必须给予足够重视。

在直流和交流伺服电机之间比较时，直流伺服主要缺点是体积大，重量大，还要用整流子和电刷，增加了维修工作量。

交流调速逐渐扩大了其使用范围，已经取代直流伺服。

控制技术已经趋于成熟，其性能远优于直流伺服系统。

经过上述比较，综合了成功率、技术难度、精度和投资等因素。

决定选用交流伺服半闭环控制。

3.2CNC数控系统

一、模板化设计、总线式结构

本系统硬件部分采用模板化设计，总线式结构的思想，其目的是使系统具有大的灵活性和可扩充性。

所谓总线，是各种信号线集合，它是组成微机系统的各插件或组成插件的各芯片间的标准信息通路。

该系统采用由美国PRO-LOG公司于1978年制定，IEEE协会1987年推荐的STD工业标准微型机总线。

STD总线标准规模较小，但规定较为周密，因而适应性好，是一般流行的8位微处理器和单片机均可使用的标准总线，有通用标准总线之称，广泛用于工业微型计算机控制之中，与其他总线相比，STD总线具有以下优点：

（1）小板结构：

所有模板尺寸都为27（英寸）

（2）高可靠性：

（3）开放式结构：

STD总线提供了开放式结构，可由大量模板根据要求向搭积木一样拼装自己的控制总线。

总线驱动。

（4）兼容式的总线结构：

适合多种CPU。

（5）产品配套，功能齐全：

STD接中板可与现场的各种机动设备直接连接，如：

驱动步进电机、交直流伺服电机等。

（6）模板化设计：

为了针对不同控制对象的不同要求，可以选择不同模板进行组合，构成不同的工业新社会制机，每种模板功能较单一，很易维修。

STD总线是56线的同步总线，由下列几种总线组成：

6根逻辑电源线，8根双向数据线，16根地址线，22根控制线，4根辅助电源线。

数据总线和地址总线都是三态隔离式的。

所有插板在不用时必须让数据总线处于高阻状态。

地址总线也是三态的通常受CPU操作的控制线。

配有供逻辑电路用的±5V电源及±12V直流辅助电源。

16根地址线可对64KB存储器直接寻址。

二、系统总体框图

数据总线

控制总线

地址总线

电源

三、各组成部分功能

系统由CPU及存储器板、键盘及显示器板、工关量I/0板、直流伺服电机接口板组成。

各部分功能如下：

（1）CPU及存储器板：

整个系统的控制中心，具备运算、控制和程序存储等功能，并可为系统提供工作时钟。

（2）键盘及显示器板：

操场作人员与数控系统交换信息的主要接口。

操作人员通过键盘干预控制流程、修改零件和序、设定系统参数、操纵数控机床完成各种运动，也可通过显示器了解数控系统中的有关数据和运行情况。

（3）开关量I/0板：

系统全部开关量的输入输出通道。

一方面可将机床侧的32路输入信号输入给计算机；另一方面可将计算机的控制命令经过变换后作为给执行机构的控制信号，以实现对机床开关的控制。

（4）交流伺服电机接口板：

根据计算机的位置命令完成对直流伺服电机速度控制，从而驱动执行机构实现一定的速度和位移量。

四、CNC系统的主要功能

本系统采用8098单片作为控制核心，控制程序因化在EPROM中。

采用直流伺服电机和编码器构成半闭环系统，最小设定单位0.001mm。

系统选用CMOSRAM作为零件程序存储器，最小存储容量为8K。

零件程序可以采用手动输入，也可通过普通IBM-PC微型计算机用串行通讯