欧阳鹤X53K立式数控铣床纵向进给改造设计

毕 业 设 计(论文)

题 目 名 称 X53K立式数控铣床纵向进给改造设计

题 目 类 别 学 院（系） 专 业 班 级 学 生 姓 名 指 导 教 师

开题报告日期

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目 录

摘要----------------------------------------------------------------------3

第一章 概述 ------------------------------------------------------------------------5

1.1 课题概述与设计目的------------------------------------------------5 1.2 设计课题--------------------------------------------------------------9

第二章 设计说明-----------------------------------------------------------------10

2.1 总体方案的确定及框图-------------------------------------------10 2.2 机械部分设计计算 ------------------------------------------------11 2.3 进给伺服系统结构设计-------------------------------------------17 2.4硬件部分电路的设计----------------------------------------------19 2.5 凸轮加工程序------------------------------------------------------24

第三章 毕业设计体会----------------------------------------------------------26

3.1毕业设计体会-------------------------------------------------------26

参考资料----------------------------------------------------------------------------28

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摘要

在过去二十年间，工业上已应用机器人来完成使操作人员感到厌烦和紧张的那些单调而又不安全的操作。由于机器人完成某些操作要比人更快，更精确，故在各种制造工业中的应用愈来愈广泛。对多数大型制造业（如汽车工业）来说，为保持其具有竞争性，必须大规模采用机器人。目前，机器人已广泛应用在点焊和缝焊、装配部件、移动重物、喷漆、重复加工等操作中，。 为使机器人能完成上述这些操作，必须使用小型计算机对机器人进行编程。小型计算机不仅要对机器人发出完成所要求工步的指令，而且还要能记忆程序。由操作人员（或程序员）将信息反馈给小型计算机个CRT或视频显示所组成的控制装置。操作人员可以随时改编原有程序，即：删除或插入任何所要求的工步。

关键字：加工精度，设计方案，分配，参数

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ABSTRACT

Over the past two decades the robot has been introduced into industry to perform many monotonous and often unsafe operations which in the past had caused both boredom and stress among employees. Because robots can perform certain basic tasks more quickly and accurately than humans they are being increasingly used in various manufacturing industries. In order for most of the larger manufacturing industries, such as the automotive industry, to remain competitive it has been necessary for them to introduce robots on quite a large scale. Robots are now used extensively for such operations as spot and seam welding, assembling components, moving heavy parts, spray painting, and repetitive machining operations.

In order for a robot to perform these tasks it must be programmed by a minicomputer, which will not only direct the robot to perform the required steps but will also “remember” the sequence. Information is fed by the operator (or programmer) into a control unit consisting of the minicomputer and a cathode ray tube (CRT) or video display. The operator can, at any time, edit a previous program by deleting or adding any desired steps.

KeyWords: Accuracy of Process,Project Design,Allotment,Parameter

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第一章 概述

1.1 课题概述与设计目的

数控，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，其对零件的加工相比普通机床有着很多的优点： （1）动化程度高：

（2）加工精度、加工质量稳定可靠；

（3）对零件加工的适应性强灵活性好，能加工形状复杂的零件； （4）加工生产率高； （5）有利于生产管理的现代化

国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。

我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。

近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多

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的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。2001年国内数控金切机床产量已达1. 8万台，比上年增长28. 5%，机床行业产值数控化率从2000年的17. 4%提高到2001年的22. 7%。2001年，我国机床工业产值己进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47. 39亿美元，仅次于美国的53. 67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24. 06亿美元，比上年增长27％。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。

由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通铣床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有铣床上进行数控改造有着较好的市场前景。

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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，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，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展。所以必须大力提高机床的数控化率。我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979～1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反

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而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。

本课题是围绕将X53K立式铣床改造成经济型数控铣床展开设计的，经济型数控铣床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控铣床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通铣床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。

利用微机改造现有的普遍铣床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工铣床，即经济型数控铣床。

进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通铣床的数控改造，大有可为。

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它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床的数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对X53K立式铣床进行了数控化改造。

1.2 设计课题

X53K立式铣床的经济型数控化改造设计

1.2.1要求：将铣床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床，步进电机开环控制，要求具有直线和圆弧插补功能。机械部分要求计算，硬件电路部分要求用8031作CPU，控制系统中要求包括扩展程序存储器、扩展数据存储器、I/O接口芯片、译码电路及键盘、显示等外设、硬件电路要求包括3个坐标系统。 1.2.2参考设计参数：

工作台尺寸：320×1250 mm2 工作台行程：纵向：660mm

工作台及夹具工作重力：纵向：2800 N 工作台进给速度：纵向：2 m/min 最大进给速度： 0.8 m/min

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主电机功率：7.5KW 起动加速时间：30ms 定们精度：±0.05mm 代码制：ISO

输入方式：增量值、绝对值通用 控制坐标数：3

最小指令值：0.01～0.005/脉冲 自动升降速性能：有

第二章 设计说明

2.1总体方案的确定及框图 2.1.1总体方案的确定

根据设计任务的要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易，为确保数控系统的传动精度和工作平衡性，采用低摩擦的传动和导向元件，此工作台采用滚珠丝杆螺母副和液动导轨，为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙，计算机系统采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。 2.1.2总体方案框图

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CP环形分配器方向光电耦合光电耦合光电耦合功率放大功率放大功率放大X步进电机工作台微机CP环形分配器Y步进电机方向CP环形分配器Z步进电机升降台方向

2.2 机械部分设计计算 2.2.1工作台外形尺寸及重量估算 纵向：X=1250mm

工作加工范围：纵向：X=320mm 工作台及夹具工件策略：Gx=2800N 横向：z=400

工作加工范围：横向：z=300mm 工作台及夹具工件策略：Gz=5500N

2.2.2钻削计算 Pz1=GFdXFfYFKF

查得：CF=304.11,XF=1,YF=0.8,KF=1取f=0.005mm/r

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则：Pz1= 304.11×41×0.050.8×1=111N 2.2.3铣削力计算

.86Pz2=9.81×22.6a0afe0.72dt?0.86apz

ae=0.05dt(铣凸轮) — 铣削接触弧深 af=0.1mm/z 每齿进给量 铣刀直径：dt=12 铣削深度：ap=8 铣刀齿数：z=3

Pz2=9.81×22.6×20.860.10.72×12?0.86×8×3=217 查表得：PH/PF=1,则走刀抗力PH=PF=217N 2.2.4滚动导轨的参数确定

（1）导轨形式：在原有滑动导轨的基础上，采用贴塑处理，摩擦特性好，耐磨性好，减振特性好等特点，且工艺较简单。 2.2.5滚珠丝杆的设计计算

滚珠丝杆的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时情况计算。

（1）最大动负荷Q的计算：Q=3LfwP

运转系数fw=2，寿命值L=

1000Vs60nT，n= 610L0式中 L — 寿命 ，以106转为一单位 n — 丝杆转速（r/min）

Vs— 为最大切前力条件下的进给速度（m/min） 可取最高进给速度的1/2 — 1/3纵向: Vs=0.6m/min

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L0 — 丝杆导程（mm）

T — 为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h; fw — 运转系数，表3 — 14

初选丝杆螺距L0=6mm，得丝杆转速n为：n=

所以L=

60?60?150001061000Vs=60r/min L0=54

X向丝杆牵引力：Px=Pz2+1.414fGx

=217+1.414×0.001×3500=222N

式中 f — 当量摩擦系数，取0.01 所以最大动负荷：

X向：Qx=3LfwP=2229N

查表取滚珠丝杆直径d0=30,选用滚珠丝杆螺母副的型号为NL3005型，单螺母变导程预紧，见附录A表A—7 （2）滚珠丝杆螺母几何参数计算如下： 螺纹滚道 名称 公称直径 螺距 接触角 钢球直径 螺纹滚道法面半径 偏心距 符号 计算公式和结果/mm d0 t ? dq R e 30 6 450 3.969 2.064 E=(R-dq/z)sinβ=0.045 13

螺杆 螺纹升角 螺杆直径 螺杆内径 螺杆接触直径 螺母 螺母螺纹外径 螺母内径 ? ?=arctgt=3o21 ?d0d d1 dz D D1 D=d0-0.2dq=29.5 d1= d0+2e-2R=26.8 dz= d0- dqcos?=27.8 D=60 D1= 50 (3)传动效率的计算 ? =

tan?=0.96

tan(???)式中? — 摩擦角 约等于10ˊ ? — 螺纹升角 （4）刚度验算

滚珠丝杆受工作负载P引起的导程L0的变化量为 ΔL1=±

PL0 EF式中ΔL1 — 在工作负载P作用下引起每一导程的变化量（mm）； P — 工作负载，即进给牵引力（N）； L0 — 滚珠丝杆导程（mm）；

E — 材料弹性模数（N/mm2）,对钢为20.6×104N/mm2; F — 滚珠丝杆截面积（按内径确定） X向：

P=222N. L0=5mm, E=20.6×104 N/mm2

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F=?R2=5.638cm2 所以ΔL1=±

295?0.56=±1.27×10cm 620.6?10?5.638丝杆因受扭矩而引起的导的变化量ΔL2很小，可忽略所以导程总误差 Δ=ΔL×100/ L0=2.53?m/m

查表知E级精度的丝杆允许误差1.5?m，故刚度足够。 6）步进电机的选用

（1）步进电机的步距角?b：对步进电机施加一个脉冲信息，步 进电机就回转一个固定的角度。

因为系统分辨率为0.01mm，所以取系统脉冲当量

?p=0.01mm/step

初选步进电机步距角?b=1.5o （2）步进电机启动转距的计算

设步进电机等效负载转矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理 电机所做的功与负载力做的功有如下关系：T??=Ps 式中 ? — 电机转角；

s — 移动部件的相应位移； ? — 机械传动效率

若取?=?b=1.5o，则s=?p,p=pH+?(G+Pz) 所以T=

36?p2??b?[PH+?（G+Pz）]

式中： pH — 铣削时走刀抗力（N）；

G — 移动部件重量（N）；

Pz — 与策略方向一致的切削力（N）；

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芯片内部没有ROM故始终要选外部存储器，故其EA必须接地。 2.4.3T/O接口电路

由于8031只有P1口和P3部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从附录H图H-2可以看出，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。8155的片选信号CE接74LS138的

Y，8255芯片片选信号CS接到74LS138的Y2端。74LS138译

码器有三个输入A、B、C分别接到8031的P2.5、P2.6、P2.7，输出Y0~Y78个输出，低电平有效。Y0~Y7对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中Y0对应A、B、C为000，Y7对应A、B、C为111。74LS138还有三个使能端，其中2上（G2A和GB）为低电平使能，另一个G1为高电平使能，只有当使能端处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。

I/O接口芯片与外设的连接是这样安排的，8155芯片PA0~PB7是显示器的位选信号输出，PC0~PC45要线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2.0，因为使用8155的I/O口，故P2.0为高电平。

8255芯片PA0~PA6接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出PB~PB为三个方向的点动及回零输入，PC~PC为面板上的选择开关是输入，设有编辑单步运行，单段

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运行、自动、手动I、手动II等方式。

系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片的地址编码如下表：

接芯片 74LS138地址选择线 引脚 2764（1） 0 0 0 ×××××××8KB ×××××× 2764（2） 0 0 1 ×××××××8KB ×××××× 6264 0 0 1 ×××××××8KB ×××××× RAM 8155 I/O 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 6B 1 ×××× 8255 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 4B 1 1 ×××

X向、Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，3-2相通电五相十拍方式工作，故A0、A1引脚均接+5V，Z向步进电机硬件环形分配器采用

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片内地址单元 0000H～1FFFH 2000H～3FFFH 2000H～ 3FFFH 9E00H～256B ×××××× 9EFFH 9FF8H～5FFFH 5FFCH～5FFFH 地址编码 1 0 0 1 1 1 1 0 ××YB014，是以2-3相通电四相八拍试工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA，正反转8255的PA2、PA4、PA6，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以决定脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片定时/计数器中设置不同的时间常数。

（1）其他辅助电路

此控制系统中设有越界报警和急停处理电路。±X、±Y、±Z方向的越界和急停信号经或门引入 8031的P3.2中断源、，同时接到8031的P1口，采用硬件申请中断和软件查询的方法，这样无论哪个方向，越界都会引起中断，在中断服务程序中通过软件查询的方法，便可确定是哪个方向越界，当±X、±Y、 ±Z等方向越界，则相应的红灯这报警，另外，还有上电和按钮，相结合的复位电路、光电隔离电路和功率放大电路等。

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面板

2.5 凸轮加工程序

数控铣床铣削加工程序：

图示为压缩机壳焊接机上的仿形零件，零件曲线是二段圆弧和三条直线构成，零件的上下两面和中心孔已加工好，现要在数控铣床上铣削零件的轮廓曲线，并一次铣削加工成形。

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零件的交点坐标：A（-40，-20），B（-40，20），C（0，40），D（40，0），E（20，-20）。刀具偏移号为H08偏移方向为刀具的左侧。设工件表面Z=0，厚度为25mm。

在数控铣床上铣削加工程序如下：

O0012

N0010 G00 Z25.0

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N0020 G90 G17 G41 X-40.0 Y-20.0 H08 N0030 S20 M03

N0040 G01 Z-25 F100 N0050 Y20.0 N0060 X0 Y40.0

N0070 G02 X40.0 Y0 R40.0 N0080 X20.0 Y-20.0 R20.0 N0090 G01 X-40.0 N0100 G00 Z25.0 N0110 G40 X0 Y0 N0120 M02

第三章 毕业设计体会

3.1毕业设计体会

也许是一开始就对毕业有种恐惧感吧，接到设计任务书，想着自己

要单独的面对设计，想着设计搞好后的答辩，答辩之后的离校。种种烦人思绪一下子全涌上了心头，即将结束学生的生涯，走上社会，是我最不愿意想的，可是我无法不面对现实。匆匆地要自己结束一幕幕的幻想，要自己坦然的面对，还是在老师的指引下，开始了设计，过程中的查资

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料，眼花的数据，繁复的计算，不时的让我产生了退缩的念头，可“这是自己学习生涯的最后一个设计了”让我继续着。慢慢的发现原来自己四年中还是学了挺多东西的，这次设计涉及到数控、单片机、机械设计及制图，工艺等，而我要把他们综合，这比以前的设计难多了，我也是在不知不觉中用到了它们，偶尔遇到难题百思不得其解的困惑，偶尔不经意的解决难题后的欣喜都让我深深的体味着毕业设计，而四年中我也学了不少东西，却是我这次毕业设计的最大体会和最大的收获了。 在本次设计过程中，我得到了教授的精心指导和技术资料方面的帮助，才使得设计得以顺利进行，借此表示谢意

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参考资料

1．《机床设计手册》编写组《机床设计手册》机械工业出版社，1979年 2．郝忠军 雷晓玲《综合作业指导书》全国高等教育自考指导委员会 3．陆玉、何在洲、佟延伟主编：《机械设计课程设计》，机械工业出版社，2000年8月第3版

4．华东纺织工学院，哈尔滨工业大学，天津大学主编：《机床设计图册》，上海科学技术出版社，1979年6月

5．石光源、周积义、彭福荫主编：《机械制图》，高等教育出版社，1990年5月第3版

6．李广弟主编：《单片机基础》，北京航空航天大学出版社，1994年6月第一版

7．中国机械工业教育协会组编 .数控技术. 北京：机械工业出版社， 2001出版

8．《机械设计手册》编写组编 机床设计手册2 机械工业出版社 1980年8月出版

9．《机械设计手册》编写组编 机床设计手册3 机械工业出版社 1986年12月出版

10．东北大学《机械零件设计手册》编写组编 机床零件设计手册 第三版 冶金工业出版社 1994年5月出版

11．华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编 机床设计图册 上海科学技术出版社 1979年6月出版

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一、原始依据（资料）

工作台尺寸：400×1600 工作台行程：纵向：880mm

工作台及夹具工作重力：纵向：3500N 工作台进给速度：纵向：1.4m/min 主电机功率：10KW 起动加速时间：30ms 定们精度：±0.01mm 代码制：ISO

输入方式：增量值、绝对值通用 控制坐标数：3

最小指令值：0.01～0.005/脉冲 自动升降速性能：有

二、设计内容和要求：（说明书、专题、绘图、试验结果等）

1．要求：将铣床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床，步进电机开环控制，要求具有直线和圆弧插补功能。机械部分要求计算，硬件电路部分要求用8031作CPU，控制系统中要求包括扩展程序存储器、扩展数据存储器、I/O接口芯片、译码电路及键盘、显示等外设、硬件电路要求包括3个坐标系统。 2.数控铣床纵向进给装配图（用AutoCAD绘制） A0（1张）

3.典型零件加工编程图（用AutoCAD绘制） A1（1张）

4.设计说明书（不少于15000字） 1份

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6se3.html