X52K铣床X向进给系统数控改造要点.docx

陕西理工学院课程设计目录1 .引言： 32 .设计任务 43 .总体方案的确定 53.1 机械传动部件的选择3.1.1 导轨副的选用3.1.2 丝杠螺母副的选用3.1.3 减速装置的选用3.1.4 伺服电机的选用3.1.5 检测装置的选用3.2 控制系统的设计 73.3 绘制总体方案图 74 .机械传动部件的计算与选型 84.1 导轨上移动部件的重量估算 84.2 铳削力的计算 84.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） 84.3.1 块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取4.3.2 距离额定寿命L的计算4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 94.4.1 最大工作载荷Fm的计算4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算4.4.3 初选型号4.4.4 传动效率”的计算4.4.5 刚度的验算4.4.6 压杆稳定性校核4.5 步进电动机减速箱的选用 114.6 步进电动机的计算与选型 114.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定4.6.4 步进电动机的性能校核5 .增量式旋转编码器的选用 146 .绘制进给传动系统示意图 147 .工作台控制系统的设计 148 .步进电动机的驱动电源选用 179 .选择AT89S52单片机的控制系统计 1810 .致谢 19参考文献 20201 .引言:现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的 技术革命与改造。

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械 工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产 方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了 “机电一体化”为 特征的发展阶段X52K铳床数控改造是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵一横向进刀机 构、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等模块化的 X52K铳床数控改造，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成其中伺 服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运 动，完成工作台在X、Y方向的直线移动导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以 标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可2 .设计任务题目：X52K铳床X向进给系统数控改造主要参数如下：1 .X方向的脉冲当量 0.005mm/step;2 .定位精度均为0.01mm;3 .最大快移速度：4000mm/min.具体要求：1 .机械部分设计计算，选择适当元器件；2 .确定总体方案，绘制系统组成框图一张 A3;3 .绘制X向机械部分改造装配图一张 A0;4 .设计控制系统，画出电器原理图一张 A1.5 .编写说明书一份3 .总体方案的确定X52K基本技术规格主轴端面W工作台的距离dmax 400mm dmin 30mm主轴轴线到床身垂直导轨面的距离350mm面积：宽X长320 x 1250mm最大纵向行程手动（机动）700 (680) mm最大横向行程手动（机动）260 (240) mm最大升降行程手动（机动）370 (350) mm进给级数18级进级量范围纵向：23.5 〜1180mm/min横向：15 〜786mm/min垂直：8 〜394mm/min孔径29mm主轴孔锥度7: 24刀杆公称直径32 〜50 mm转速级数18级转速范围30 〜1500r/min轴向调整距离70 mm主轴电动机功率7.5KW工作台进给电动机功率1.5KW取大工件质里150 Kg机床进给部件重量横向4410N 纵向2200N3.1 机械传动部件的选择3.1.1 导轨副的选用腰设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此 选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方 便等优点。

3.1.2 丝杠螺母副的选用伺服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 0.005m喻中当量和0.01mm勺定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚 珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向问 隙3.1.3 减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构， 选用无间隙齿轮传动减速箱3.1.4 伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到 0.001mm定位精度也未达到微米级，空载最快移动 速度也只有因此4000mm/min故本设计不必采用高档次的伺服电动机， 因此可以选用混合式步进电动机以降低成本，提高性价比3.1.5 检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，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高，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，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用 以检测电动机的转角与转速增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹 配。

3.2 控制系统的设计1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，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2）对于步进电动机的半闭环控制，选用 MCS-51系列的8位单片机AT89S52乍为控制系统 的CPU能够满足任务书给定的相关指标3）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，键盘与显示电 路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用3.3 绘制总体方案图总体方案图如图所示微型机机电接口驱 动 电 路步进电机步进电机Y万向传动机构X 方向传动机构人机接口4 .机械传动部件的计算与选型4.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算包括工件、夹具、工作台、上层电动机、 减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等，估计重量约为800N4.2 铳削力的计算设零件的加工方式为立式铳削，采用硬质合金立铳刀，工件的材料为碳钢则由表3-7 查得立铳时的铳削力计算公式为：0.851 0.75 . -0.73 1.0 0.13_Fc=118ae fz d ap n Z (6-11)今选择铳刀的直径为d=15mm齿数Z=3,为了计算最大铳削力，在不对称铳削情况下， 取最大铳削宽度为 ae =15mm ,背吃刀量ap=5mm,每齿进给量fz = 0.4mm ,铳刀转速 n=300r/min。

则由式(6-11)求的最大铳削力：Fc =118 150.85 0.40.75 1573 51.0 3000.13 3N 2586N(1)主切削力错误！未找到引用源总切削力F在铳刀主运动方向上的分力，即沿 铳刀外圆切线方向上的分力，是主要消耗功率的力(2)进给力错误！未找到引用源总切削力错误！未找到引用源 在纵向进给方 向上的分力(3)横向进给力错误！未找到引用源总切削力错误！未找到引用源在横向进给方向上的分力(4)垂直进给力错误！未找到引用源总切削力错误！未找到引用源在垂直进给 方向上的分力采用立铳刀进行圆柱铳削时，各铳削力之间的比值可由表查得，考虑逆铳时的情况，可估算三个方向的铳削力分别为：Ff =1.1Fc定2845N , Fe = 0.38FC & 983N ,c e cFfn =0.25% %647N图3-4a为卧铳情况，现考虑立铳，则工作台受到垂直方向的铳削力Fz =Fe =983N ,受到水平方向的铳削力分别为 Ff和Ffn今将水平方向较大的铳削力分配给工作台的纵向，则纵向铳削力 Fx = Ff=2845N,径向铳削力为Fy = Ffn = 647N4.3直线滚动导轨副的计算与选型(X向)4.3.1 块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。

本例中的 X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部 由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：(6-12)F G- Fmax4其中，移动部件重量G= 800N,外加载荷F=Fz=983N ,代入式(6-12),得最大工作载荷 Fmax=1183N=1.183kN查表根据工作载荷Fmax=1.183kN,初选直线滚动导轨副的型号为 KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94kN ,额定静载荷Coa=9.5kN任务书规定加工范围为 200X 150 mm,考虑工作行程应留有一定余量，查表选取导轨的长度为520mm4.3.2 距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC工作温度不超过1002 c，每 根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大分别取硬度系数f h=1.0, 温度系数f t=1.00,接触系数fc=0.81,精度系数f r=0.9,载荷系数fw=1.5,代入式 (3-33),得距离寿命：fh ft fc fr Ca 3L=(—~~t~~c~~L -^)3 50 5625Km f F1 w max远大于期望值50Km故距离额定寿命满足要求。

4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型4.4.1 最大工作载荷Fm的计算如前所述，在立铳时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行） Fx=2845N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=647N受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=983N.已知移动部件总重量G=800N按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数 K=1.1,滚动导轨上的摩擦系数==0.005 o求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+（Fz+Fy+G尸［1.1 2845+0.005 （983+647+800）］N : 3142N4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算设工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度 v=400mm/min初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min 取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106，得丝杠寿命系数L0=72 （单位为： 106r）o查表，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRCM,取硬度系数fH=1.0,代入式（3-23）, 求得最大动载荷：Fq=3 Lo fw fH Fm 15685N4.4.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列4006-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为 40mm导程为5mm循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为15960N,大于Fq, 满足要求。

4.4.4 传动效率”的计算将公称直径 do=40mm导程 Ph=5mm代入 人=ar。