（机械工程专业论文）普通铣床专用化数控改造设计.pdf

四j 大学工程硕士学位论文 普通铣床专用化数控改造设计 机械工程 研究生詹锐指导教师侯力 随着科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化传统的 普通加工设备已很难适应市场竞争的高质量、商效率的要求，以数控技术 为核心的现代制造技术是机械制造行业现代化的重要的标志微机控制的 数控机床、数控加工中心的高精度以及适合加工复杂零件的性能，能够 很好的满足当今市场竞争与工艺发展的需要本文针对目前机械制造业生 产现场中的数控机床应用现状，提出了专门化数控机床，专用化数控机床 的观点，并论述了在大批量生产条件下，专用机床向数控方向发展的趋势 和可能性本文着重研究了由体积小、价格低、高品质的单片微型计算机 组成专用数控机床控制系统的基本模式，以1 8 0 型柴油机连杆的铣削工序 为例，对构成专用数控铣床的核心部分：机械伺服进给系统，硬件控制电 路和控制软件进行了设计研究，组成了专用数控铣床的基本模型，采用实 时仿真的方法，验证了用8 0 3 1 单片机构成的微机控制系统，可以用较少的 硬件及简洁的控制软件实现对专用铣床的控制。最后，针对控制系统的应 用状况，提出了实用性较强的改进方案论文在理论与实践中的主要成果 和特色如下： ( 1 ) 本文阐述了机床数控化改造的基本原理、特点和发展趋势。针 对当前机械制造业中的普通机床的应用实际情况，提出并论述了专门化数 控机床，专用化数控机床的新观点 ( 2 ) 分析了加工对象的工艺过程，确定了专用机床的主要技术指标， 详细地计算了该机床的切削力和主要参数，选定了伺服电机和主电机。 ( 3 ) 介绍了8 0 3 1 芯片的性能特点，完成了主要的接口电路设计，详 细地设计出了操作面板相应的接口电路 ( 4 ) 对经济型数控机床的编程方法进行了探讨，较详细地比较了各种 插补算法的优缺点，细致地研究了直线和圆弧插补程序的设计，以及铣刀 四川大学工程硕士学位论文 的半径补偿方法和棱角的处理方法，设计出了系统的主控程序。 ( 5 ) 介绍了控制系统软硬件调试的方法和步骤，对加工出的零件进行 了误差分析，提出了系统存在的问题，以及相应的改进措施。 ( 6 ) 在解决控制系统的软、硬件问题后，还要进行系统软、硬件的联 合调试，进行了实验结果分析，并对整个系统进行总结。对系统中存在的 问题进行了讨论，并提出了改进的措施。通过改进可以达到更高效、经济， 功能也更加强大的目的，并能够满足专用化的需要。 关键词：数控机床：单片微型计算机；插补算法 i i 暇川大学t 程硕士学位论文 r e e o n s t r u c t i o na n dd e s i g no f n u m e r i c a lc o n t r o la b o u t c u s t o m i z a t i o nf o r t h ec o m m o n m i l l i n gm a c h i n e p o s t g r a d u a t e ：t a n g r u i s u p e r v i s o r ：h o ul iz h o ur u z h o n g a l o n gw i t ht h ev e r yf a s td e v e l o p m e n to ft h es c i e n t i f i ct e c h n o l o g y , m a n y p r o f o u n dc h a n g e sh a v eb e e nh a p p e n e di nt h et e c h n o l o g y o f m a c h i n em a n u f a c t u f e t h et r a d i t i o n a lc o m m o n p r o c e s s i n ge q u i p m e n t sb e c o m eh a r d l y s u i tt h e r e q u i r e m e n to ft h eh i g hq u a l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yo ft h em a r k e tc o m p e t i t i o n b e c a u s ei nt h ec o r eo fn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ep r e s e n tt e c h n o l o g yo f m a n u f a c t u r ei st h ei m p o r t a n ts i g na tt h ei n d u s t r yo fm a c h i n em a n u f a c t u r e n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o la n dn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n gc e n t e r , w h i c hi nt h ec o n t r o lo ft h em i c r o c o m p u t e r , h a v et h eh i g hp r e c i s i o n , a n ds o m e c a p a b i l i t i e s ，w h i c hc a l ls u i tt h ep r o c e s s i n go fc o m p l e xp a r t s o , i tc a nc o n t e n t w i t ht h er e q u i r e m e n to f t h em a r k e tc o m p e t i t i o na n dc r a f t sd e v e l o p m e n t v e r yw e l l i nt h el i g h to fp r e s e n ta p p l i a n c eo fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o li nt h e p r o d u c es o 黜o fm a c h i n em a n u f a c t u r e t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ev i e w p o i n to f t h es p e c i a l i z e dn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e , a n dt h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e t o o lf o rs p e c i a lp u r p o s e , t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h et r e n da n dp o s s i b i l i t yo f t l m d e v e l o p m e n t o ft h en u m e r i c a lc o n t r o lt h a tc o m i n gf r o mt h es p e c i a lm a c h i n et o o l 戤t h ec o n d i t i o no f m a s sp r o d u c t i o n t h ep a p e r m a i n l ys t u d i e st h eb a s i cm o d eo f s p e c i a ln u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l sc o n t r o l - s y s t e m , w h i c hi sc o m p o s e do f t h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e i w i t hs m a l lb u l k , l o wp r i c ea n dh i g hq u a l i t y 1 1 l e l i n kb a u l m sc i r c u m j a e e n tr i l i u m gw o r k i n gp r o c e d u r ef o rt h e1 8 0t y p ed i e s e l e n g i n e , f o re x a m p l e ，t h ed e s i g na n ds t u d yo ft h ek e ，e l e m e n t s ( s u c ha st h e m e c h a n i c a lf e e ds e r v o - s y s t e m , l 嘧r d w a r ec o n t r o l l i n gc i r c u i t sa n dc o n t r o l l i n g 四川大学t 程硕士学位论文 s o f t w a r e ) o f t h es p e c i a ln u m e r i c a lc o n t r o lm i l l e rh a v e b e e nm a d e , t h e s ec o n s t i t u t e t h eb a s i cm o d e lo ft h es p e c i a ln u m e r i c a lc o n t r o lm i l l e r w i t ht h em e t h o do ft h e t e a tt i m ee m u l a t i o n , w eh a v ev a l i d a t e d t h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e mt h a t i sc o m p o s e do fs c m 8 0 3 1c a nr e a l i z et h ec o n t r o l l i n gt ot h es p e c i a lm i l l i n g m a c h i n ea tt h ec o n d i t i o no f u s i n gl i t t l eh a r d w a l 屯a n ds i m p l ec o n t r o l l i n gs o f t w a r e a tt h ee n do ft h ep a p e r , i tp u t sf o r w a r dt h ei m p r o v e da n dm o r ep r a c t i c a lp l a nf o r t h ea p p l i c a t i o no ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e m i nt h ep a p e r , m a i na c h i e v e m e n t sa n d c h a r a c t e r i s t i c sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e r s e t sf - o n hr a t i o n a l e 、c h a r a c t e r i s t i ca n dd e v e l o p m e n t a lt r e n da b o u t t h er e c o n s t r u c t i o nf o rm a c h i n et o o l sn u m e r i c a lc o n t r 0 1 i na l l u s i o nt oa p p l i e d a c t u a li n s t a n c eo f t h ec o m m o nm a c h i n et o o li nt h ep r e - s e n tm a c h i n em a n u f a c t u r e ， i tp u t sf o r w a r da n dd i s c u s s e st h ev i e w p o i n to ft h es p e c i a ln u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n et 0 0 1 ( 2 ) t h ep a p e ra n a l y z e st h ec r a f tp r o c e s so ft h eo b j e c t , m a k i n gs u r et h em a i n t e c h n i q u ei n d e xo ft h es p e c i a lm a c h i n et o o l ，c o m p u t i n gt h ef o r c eo fc u t t i n ga n d m a i np a r a m e t e ro ft h em a c h i n et o o l ，m a k i n gs e l e c t i o no ft h es c t v oe l e c t r o m o t o r a n dm a i ne l e c t r o m o t o r ( 3 ) t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e ro ft h e8 0 3 1c h i p 耵尬 m a i nd e s i g no fi n t e r f a c ec i r c u i ti s c o m p l e t e d , e s p e c i a l l y t h e p a n e lo f m a n i p u l a t i o n ( 4 ) mm e t h o do fp r o g r a m m ef o rt h ee c o n o m i c a ln u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e t o o li sd i s c u s s e di nt h ep a p e r , a n dt h e ni tc o m p a r e sm e r i ta n ds h o r t c o m i n gt oe a c h o t h e ra b o u tv a r i o u sa r i t h m e t i co fi n t e r p o l a t i o n n 掂i n t e r p o l a t i v ea r i t h m e t i co f b e e l i n ea n da r ci ss t u d i e di nd e t a i l ，a sw e l la st h em e a s u r e so fr a d i u sc o m p e n s a t e f o rm i l l i n gc u t t e ra n dt h ed i s p o s a lw a y so fe d g e sa n dc o r r l c r s m e a n w h i l e , t h e m a s t e rc o n t r o lp r o g r a m m e ri sw o r k e do u t ( 5 ) t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em e t h o da n ds t e po ft h ed e b u g g i n ga b o u tt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e m 1 1 e r r o ra n a l y s i sa b o u tp r o c e s s e d p a r t sc a nf i n di nt h ep a p e r i nt h ee n d , t h ep a p e rs e t sf o r t hs o m es h o r t a g e so f t h e h 、 、 璺型查兰三堡堡主兰堡堡苎 s y s t e ma n dc o r r e s p o n d i n gm e t h o d so f b e t t e r m e n t ( 6 ) w h e n t h ep r o b l e m so f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei r tt h es y s t e mo f c o n t r o l a r er e s o l v e d , t h ep a p e rm a k e st h eu n i t e dd e b u g g i n gf o rt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o f t h es y s t e m t h eo u t c o m e so f e x p e r i m e n ta 糟a n a l y z e d a n dt h ew h o l e s y s t e mi s s u m m a r i z e di nt h ee n do f t h ep a p e r m e a n w h i l e , t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep r o b l e m s o ft h es y s t e m , a n dp u t sf o r w a r dt h em e 型q o r e $ o fi t s i m p r o v e m e n t a f t e r i m p r o v e m e n t , t h es y s t e mc a na t t a i nah i g h e rp e r f o r m a n c e ，s u c h 舔h i g he f f i c i e n c y , m o 豫e c o n o m y , a n di t sf u n c t i o na l s ob e c o m em o l es t r o n g , a n dt h e n , i tc a nf u l l y c o n t e n tw i t ht h ed e m a n do f t h ec u s t o m i z a t i o n k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r i n t e r p o l a t i v ea r i t h m e t i c l 四川大学工程顽十学位论文 l 绪论 1 1数控机床的产生与发展 随着科学技术的飞速发展，现代制造技术日新月异对机械产品的质量 和生产率提出了越来越高的要求，机械加工工艺过程的自动化是完成上述要 求的最重要的措施，它不仅能够提高产品质量，提高劳动生产率、降低生产 成本，还能够极大地降低工人的劳动强度为此，许多生产企业采用了自动 机床、组合机床的专用自动生产线。但是，对于形状复杂而且精度要求很高 的零件，还只能采用仿形机床、由于仿形机床必须首先制造靠模，制造靠模 的劳动强度和费用巨大，而且延长了生产准备周期。由于形状非常复杂的零 件，有时用仿形机床根本加工不出来或加工精度不能保证，严重制约了像宇 宙航行，航空等高新科技的发展，为了解决这类问题，1 9 5 2 年美国帕森 f f a r s o n s ) 公司和麻省理工学院( m i d 联合研制成功了基于电子管和继电器的 机床数控装置，诞生了第一台数控铣床。主要用于加工直升飞机叶片轮廓， 检验样板。1 9 5 5 年该类机床进入实用化阶段，在复杂曲线，曲面的加工中发 挥了重要作用6 0 年代以后，点位控制的机床迅速发展，出现了数控钻床、 数控冲床和数控坐标镗床这类机床不需要复杂的控制算法就可以实现加 工数控加工中心机床的出现，使数控机床的发展进入一个新的阶段加工 中心具有的自动换刀装置能做到一次装夹，多工序加工，从而大大缩短机床 上零件的装卸时间和更换刀具的时间这种机床不仅有立式、卧式等用于箱 体类零件加工的镗铣类加工中心，还有用于回转体类零件加工的车削中心， 以及磨削中心等 我国从1 9 5 8 年开始研制数控技术和数控机床，一直到6 0 年代中期处于 研制、开发阶段由于引进了国外数控系统与伺服系统的制造技术，使我国 数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展目前，我国已有百余 家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心 数控机床是实现先进制造技术的重要基础装备，它关系到国家发展的战 略地位因此，立足国内实际，加速发展具有较强竞争能力的国产高精度数 四川大学工程硕士学位论文 控机床，研究和掌握核心技术，不断扩大市场占有率，是我国数控机床研究 开发部门和生产厂家所面临的重要任务 随着工厂企业技术改造的深入，本世纪7 0 年代硬件数控风行全国各个 工厂企业但由于当时硬件数控成本高，元器件质量差，运行不可靠，加上 编程，维修人员缺乏，使得硬件数控机床大部分没有很好地发挥作用。进入 二十世纪8 0 年代，微处理器以惊人的速度发展，微型计算机和应用已深入 到多个领域，自然也包括机床的数控系统。大多数工厂企业多采用8 位单板 微型计算机加上步进电机驱动系统，组成简易的机床计算机数控柜，以取代 原有的硬件数控柜，用以控制或改造机床。这种经济型的计算机数控投资少， 见效快，是更新改造旧设备的有效途径。近年来，单片微型计算机以其体积 小，功能强，可靠性高，运算速度快的特点已逐渐取代原8 位单板机的地位 单片机的出现也为改善经济型数控机床的性能、信息处理速度及运算精度方 面奠定了技术基础 未来五年我国数控机床产业发展的任务突出集中在以下四个方面： l 、加快开发高档数控机床品种。 2 ，积极促进功能部件产业化 3 、进一步发展普及型数控机床。 4 、努力提高国产数控机床市场占有率。 1 2 课题的由来及其研究的目的和意义 我国是机床生产大国，又是机床消费大国数控机床是机械工业发展的 关键产品，我国的机床产品总体水平低目前，数控机床的品种和规格很多。 据不完全统计，已有4 0 0 多个品种规格f i 】在通常的工厂企业中，可以见到 以下三种类型的数控机床。 l 、一般数控机床。如数控车、铣、磨床等 2 、多坐标数控机床通常用于加工三个坐标机床无法加工的零件，如 螺旋桨、飞机曲面等。 3 、数控加工中心通常带有几十把乃至上百把刀具的刀库和自动换刀 装置 2 四川大学工程硕士学位论文 当前，在许多工厂中，甚至在产品定型且产量较大的机器制造厂，在数 控机床的使用中，或多或少存在着这样一种现象，就是将多功能数控机床当 专用机床使用如有的工厂用价值5 0 0 万美元，外加1 8 0 万元人民币从西德 进口的加工中心仅用于加工柴油机机体上的曲轴孔；用日本进口的m c 6 5 加 工中心只加工曲轴主轴承盖上的定位止口：用多坐标数控铣床专门铣削二坐 标即可胜任的连杆等等。这样的使用方法不仅没有充分发挥加工中心、多坐 标数控铣床的自身功能，而且在经济上也是相当大的浪费 透过这种较为普遍的现象，说明在产品定型的工厂或大批量生产的工厂 里需要一种适应零件加工特征的专用数控机床，以保证加工零件的精度，保 证零件的尺寸一致性，提高劳动生产率此外，有些劳动强度大的手上操作 也完全可以用专用数控机床去完成，把人从繁重的体力劳动中解放出来。总 之。从各个工厂的情况看，需要有为某一特定工序设计的专用数控机床为 此，提出了微机数控专用铣床设计的研究课题。 专用数控铣床设计研究的目的是为那些复杂曲线加工工序，劳动强度大 的加工工序，难以保证加工精度的加工工序以及需要有较高生产率的加工工 序等，提供一种专用数控机床的结构模式，并以结构简单，稳定性好，造价 低的专用数控机床解放出全功能数控机床，让其发挥更大的作用从另一个 角度讲，微机与机床的结合也是提高加工自动化的一个有效途径 1 3课题研究的可行性分析 一个课题的可行性是研究者对一个课题有无解决的可能，以及能否达到 既定目的的一种估计和判断而一个课题的必要性则是能否解决这一课题的 前提条件：科学性则是能否解决的基础 从目前机械企业生产现场的实际情况看，数控专用机床是需要的，它是 满足复杂曲线，高精度零件加工的一种有效途径。从对生产现场的调查结果 看，在产品定型和大批量生产的企业中，有越来越多的多功能数控机床承担 着专用数控机床的角色这充分体现了生产实践对专用数控机床的一种需 要所以，这一课题的设计研究是必要的 专用数控机床就是单一功能的数控机床，这与数控机床的概念是相违背 四川大学工程硕士学位论文 的数控机床是为了解决单件、小批量、复杂、多变、精密的零件的加工而 出现的。而专用数控机床的提出就意味着大批量、单一零件、不变工序的加 工虽然这一点与现代制造技术是相违背的，但是它符合我国当前许多企业 的实际生产状况，尤其是专业的、产品定型的中小企业，因此这与本课题的 科学性并不矛盾我认为有以下四点导致了专用数控机床的出现 首先是生产规模有许多产品的生产规模必然越来越大，如汽车、拖拉 机、自行车等。这种大规模的生产所需的就是单一功能机床其次是工业的 自动化工业自动化是高效生产的一种手段，高效率的生产是目前和未来工 厂企业所刻意追求的，而数控机床是制造行业工业自动化的一个支柱再者。 微型计算机的出现，正以其价格低、性能优良逐渐取代硬件数控。随着微机 在数控方面的日趋成熟，用微机来控制机床也将越来越多地为生产厂家所接 受和采用。最后是产品造型的日趋美观化及高新科技的涌现，导致了更多的 复杂形体的零件出现，这就必然会导致对专用数控机床的需求 可以断言，未来数控机床的发展必然出现两大分支，一是不断扩大数控 机床的功能、加工范围、加工精度。这样可以以较少的机床加工更多的零件 或表面。它的加工对象仍然是复杂、精密、小批多变零件的加工，不改其初 衷另一分支是单一功能或小功能的专用数控机床，以其高的自动化程度取 代普通专用机床它的加工对象是单一工序、高精度、复杂曲线的零件。从 目前组合机床的数控化，自动车床的数控化等，也充分说明了这一发展趋势 这就是提出专用数控铣床设计研究的科学依据 关于可行性问题，仅从课题所采用的技术这一客观条件方面论述专用 数控机床的设计目的，就是莱一特定工件的特定工序的加工从机械结构看， 它比全功能数控机床简单得多，全功能数控的结构是成熟的，制造技术是可 行的，所以专用数控机床的设计和制造是完全有可能，从单片机的应用和接 口技术来看，单片机的推广和应用技术在我国已有十多年历史。在工业控制 方面，有p c 8 0 3 1t 业控制器1 2 j ，k c s i 1 数控车床，s c - 4 8 a 自动控温仪【口i 等都采用了单片机为系统主机。也就是说，单片机无论是对开关量、模拟量 的实时检测控制，还是对数据的运算、处理都能胜任专用数控机床的控制要 求。从控制软件的设计开发来看，t p s 0 1 单片机在经济型数控机床的改造上 四川大学工程硕士学位论文 已获得成功，其控制软件也较成熟，是可以借鉴的所以对单片机的软件设 计开发是具有成功把握的从以上三个方面看，专用数控机床的设计研究课 题是可以行得通的 综上所述，本课题的提出是必要的、科学的、并且也是可行的 1 4课题实验方案的确定 课题的实验是用一定的仪器和设备，控制和模拟研究对象，5 ；【验证和获 取科学事实及数据的一种手段专用数控铣床涉及到机械，硬件电路和控制 软件三个方面的内容这三个方面都必须通过实验的方法来验证，修改设计 参数和数据，特别是硬件电路的控制软件为了达到这一目的，实验方案按 照典型、简明、经济，易控原则，硬件电路用n c l i s 单片机系统模板组装 成实际控制电路硬件电路中的故障可用示波器，脉冲发生器等常规测试工 具测试，必要时编制适当的测试程序进行测试控制系统软件是用汇编语言 编写的源程序，极易出错，软件中的故障用j d 1 型通用多功能单片机开发 装置【4 l 排错。机械系统用步进电机驱动的x y 两坐标绘图仪模拟，用以验证 所控制的曲线的正确性当软、硬件调试通过后，进行机械系统，硬件电路 的控制软件的联合仿真调试，以进一步排除软、硬件调试中未涉及的电路和 软件中的错误，以及修正加工程序中的数据最后进行脱机运行调试，以检 查程序固化的正确性和脱机后单片机的驱动能力等当脱机运行通过时，整 个实验工作就可以结束 1 5 本文所做的工作 专用数控机床在今后的发展中将起到提高生产效率，降低成本的关键作 用，但目前我国仍以普通机床为主，只有那些特殊的、复杂的加工是运用专 用机床本文是在普通铣床的基础上进行其专用化数控改造和设计。由于专 用数控铣床涉及到机械部分、硬件电路和控制软件三个方面的内容，所以本 文有如下几个方面的工作： 1 在普通机床的总体认识上，对专用机床在总体上进行研究设计，解 决机床的机械部分其中包括工艺分析、确定机床主要的技术指标，同时给 5 四川大学工程硕士学位论文 出了机床伺服进给系统的运动和动力设计。通过必要的一系列计算，为机床 的进一步设计打下理论上的基础。 2 着手解决机床控制系统的硬件电路，研究的是微机和微机相连的接 口电路。通过8 0 3 1 主控微机来控制电路，并对键盘和显示器接口、操纵按钮 及操纵面板进行了设计 3 在完成机床控制系统硬件电路设计后，接着进行机床控制系统软件 设计，即解决具体在加工过程中的加工方法和其他一些重要问题。主要讨论 了软件直线插补程序设计、软件圆弧插补程序设计以及刀具补偿功能在完 成控制系统的软、硬件问题后，还要进行系统软、硬件的联合调试。 4 在完成设计后，进行实验结果分析，并对整个系统进行总结。对系 统中存在的问题进行了讨论，并提出了改进的措旅。通过改进可以达到更高 效、经济，功能也更加强大的目的，以满足专用化的需要 6 四川大学工程硕士学位论文 2 机床总体布局及伺服进给系统设计 2 1加工对象工艺分析瞄j 微机数控专用铣床的主要加工对象是东方红调车的1 8 0 连杆f 6 l ，其示意 图见图2 1 l 图2 1 连杆示意图 主要针对的工序是连杆体周边的铣削，由于连杆是处在高速往复运动和 摆动下的运动构件为了减少连杆往复惯性力和离心力，对连杆的重量有严 格的限制，并要求在同一柴油机上各连杆的重量的相互偏差不许超过0 3 k g 周边铣削的目的，一是便于控制连杆组的重量，可使得同一柴油机上各连杆 组的重量的相互偏差较小；二是为了便于连杆周边的抛光，提高连抗体的疲 劳强度。连杆体的有关数据如下： 连杆材料：4 2 c r m o a ，整体模锻 毛坯尺寸：5 7 0 咖1 8 0 姗x7 5 哪 周边单边余量：1 5 m r - 2 0 帆 硬度：h b 2 8 6 h b 3 2 1 抗拉强度：r = 9 3 2 m p a 7 四川丈学工程硕士学位论文 连杆体周边铣削工序排在半精加工，小头孔及两端面加工后进行为了 使周边加工的开敞性好，便于操作，连杆体在机床上的定位采用一面两销式 的定位方式f 7 j 其示意图见图2 2 。 所选用刀具参数1 6 j 如下： 名称：7 ：2 4 锥柄立铣刀， 主轴序号：4 0 材料：高速钢 总长度：l = 2 3 0 m 切削刀长度：l = 7 5 m m 直径：d = 5 0 m m 齿数：z = 6 见图2 3 。 圈2 2 连杆的定位与夹紧 哟黪 二i 垡蛭l 2 2机床主要技术指标及参数的确定 图2 3 锥柄立铣刀 根据连杆毛坯尺寸，铣床工作台台面尺寸确定为2 4 0 - n u n x 8 4 0 m m 。为了便 于装卸工件并留有足够的退刀空间，工作行程分别选取为： 纵向( x 方向) ：7 2 0 m 横向( y 方向) ：2 6 0 m 垂向( z 方向) ：1 2 0 m m 由于该铣床属于大批量生产的专用铣床，为了简化结构，采用交换齿轮 变速，为了适应切削条件在一定范围内的变化，转速设置四级，公比# = 1 2 6 1 9 ： 1 0 0 ，1 2 5 ，1 6 0 ，2 0 0 r m i n 为了能适当扩大该机床的加工对象和适应切削条件的变化，进给量设置 三级，公比 i = 1 2 6 ： 6 0 ，7 5 ，9 0m m i n 快速移动谏度：1 5 0 0 m m m i n 为了便于操作者操纵机床，机床的工作状态用键盘选择，由八段l e d 显 示器显示由于连杆的轮廓是由圆弧和直线组成的，控制系统只具有圆弧插 补和直线插补功能采用两坐标联动开环控制形式刀具的磨损、刃磨和更 换刀具等都会改变刀具的实际尺寸，为了不使刀具尺寸的变化影响被加工零 s 四川大学工程颂士学位论文 件的尺寸精度。设置了刀具半径补偿功能机床主要技术指标和性能参数汇 总于表2 1 和表2 2 表2 1 基本规格 工作台面尺寸 2 4 0 m i n x 8 4 0 m m 工作行程 x7 2 0 m 工作行程 y2 6 0 m 工作行程 z1 2 0 r a m 主轴转速( 4 级) 1 0 0 - 2 0 0 r p m 主轴锥孔( 7 ：2 4 ) i s 0 4 0 最大铣刀直径5 0 m 进给速度( 3 级)6 伊- 9 5 m r a i n 快速移动速度 1 5 0 0 m m i n 最小设定单位0 0 0 5 m 表2 2控制系统 两坐标联动 五位八段l e d 显示 e p r o 4 固化加工程序 直线、圆弧插补功能 刀具半径补偿0 - 9 9 9 9 m m 点动 回机械原点 加工暂停 急停 9 四川大学工程硕士学位论文 2 3机床总体布局【1 0 l 该专用数控铣床主要是铣削连杆周边，故采用立式布局，总体布局简图 见图2 4 由工作台实现纵向运动，横向运动由立柱上的滑枕实现。由于主 运动采用交换齿轮变速，铣头的结构尺寸较小，重量较轻，且工作行程短， 垂向运动由滑枕前端的铣头上下移动实现操纵台安装在底座前端。这样的 布局形式在加工时，工件相对操作者的变化范围较小，便于观察和操纵。但 这种布局，当滑枕伸缩时会影响加工精度，由于连杆周边的加工精度要求不 高，这样的布局还是可行的。 图2 4 机床总体布局简图 2 4伺服进给系统的运动和动力设计 2 4 1 铣削力的计算”1 1 根据连杆工艺分析，铣削用量和铣刀参数为： 每齿进给量：a ，= 0 1 0 m m 铣削深度：a d = 7 0 m m 铣削宽度：；2 0 m m 刀具直径；以= 5 0 m 肼 刀具前角：r o = 1 0 。1 2 。 刀具齿数；z = 6 工件材料的抗拉强度：6 - 0 9 3 2 g p a 1 0 四川大学工程硕士学位论文 切向切削力 c = 龟x x a ，”2 x 硭以。0 。6 x z x k p z ( 2 1 ) 其中；铣削力参数 龟= 6 4 1 ( 2 2 ) 铣削力修正系数 镌2 蚝屹吒，巴+ ( 2 3 ) 其中：工件材料修正系数 巴= ( 志厂 亿4 ， 已知材料的抗拉强度6b = o 9 3 2 g p a 代入式2 4 中得 k 。，z _ 、0 0 6 9 3 3 8 2 ，。= i 3 5 4 ( 2 5 ) 前角修正系数 h 巴= 1 0 ( 2 6 ) 主偏角修正系数 吒，f z = 1 0 ( 2 7 ) 将式2 5 ，式2 6 ，式2 7 代入式2 3 得 k = 1 o x l o x l 3 5 4 f f i l 3 5 4 ( 2 8 ) 将式2 ，2 ，式2 8 及己知铣削用量和刀具参数代入式2 1 中得 e = 6 4 1 x 7 0 x o i 。住2 0 拍5 0 4 撕x 6 x 1 3 5 4 = 4 3 6 2 n ( 2 9 ) 各铣削分力与切向切削力只的比值关系为( 逆铣) ： 纵向分力( x 方向) 正= ( i 0 0 一i 2 0 ) 兄 ( 2 1 0 ) 横向分力( y 方向) e = ( o 3 5 一o 4 0 ) f z ( 2 1 1 ) 垂向分力( z 方向) 四川大学工程硕士学位论文 昂= ( o 2 0 0 3 0 ) 尼 ( 2 1 2 ) 将式2 9 分别代入式2 1 0 ，式2 1 1 ，式2 1 2 得： 只= ( 4 3 6 2 5 2 3 4 4 ) n e = ( 1 5 2 6 7 l7 4 4 8 ) n e = ( 8 7 2 4 13 0 8 6 ) n 2 4 2 传动比及齿轮参数确定【1 0 l 取脉冲当量6 = 0 0 0 5 ，滚珠丝杠螺距s = 6 ，步进电机步距角q 为o 7 5 伺服进给系统传动比f ；二 拟 f , ：型 ( 2 1 3 ) = 一 厶o ， o s 将已知各参数代入式2 1 3 得 ：! ! 竺：! ! ：旦堕：0 4( 2 1 4 ) o 7 5 。x 6 所以，i - 二；2 5 ” 按最小惯量原则，由图2 5 可以看出，当取一对齿轮传动时，减速箱总 惯量j 与主动齿轮惯量j l 之比k - 7 ；当取两对齿轮传动时，k = 5 可以看出， 取两对齿轮传动时，惯量虽 有所减少，但是效果不是明 显为简化传动结构选用一 对齿轮传动。 齿轮参数为 z l = 2 0 ，z r = 5 0 ，m = 2 衄， 扣2 5 b n 采用齿轮传动时，齿侧 间隙会影响定位精度，并会 增大死区误差。为消除齿轮 iii 门 t 勘l ：| j 1i w爿 茧 麦辨 r， 。j r i _ ，一 1 ，ll 一一b 卜蚓。 i - - r 一】一吖 iil 1 月一= iiil i li 】 l l l i vl | | 传动间隙，z 2 采用双片齿轮错齿消隙， 图2 5 选择啮合对数的曲线 具体结构见图2 6 ，0 一 四川大学工程硕士学位论文 l 齿轮2 齿轮3 弹簧4 凸耳5 螺钉7 螺母8 凸耳 图2 6 双片齿轮错齿消隙法 2 4 3 传动系统惯量计算【i o l 纵向进给( x 方向) 传动链示意图见图2 7 。其中，滚珠丝杠副型号为 n c h 4 5 0 6 内循环齿差调整预紧的双螺母滚丝杠副【1 2 】，结构见图2 8 。 步进电机型号为：1 3 0 b f 0 0 1 主要参数为： 2 8 齿差调隙式滚珠丝杠副 四川大学t 程硕士学位论文 相数：5 步距角：0 7 5 0 1 5 静态电流：1 0 a 额定电压：8 0 1 2 v 最大静转矩：1 0 n 埘 空载启动频率：3 0 0 0 h z 空载运行频率：1 6 0 0 0 h z 转子转动惯量：4 6 x 1 0 。2 n c 晰j 2 齿轮z l 的转动惯量：以- - 0 7 8 d 4 l x l 0 4 ( 册s 2 ) 已知：d = 4 c ml = 2 5 c m 代入上式得 以= o 7 8 x 4 4 2 5 x 1 0 4 = o 4 9 9 1 0 - 2 ( n 删s 2 l 齿轮z 2 的转动惯量 以= o 7 8 d 4 l x l o 。5 ( 册j 2 ) 已知：d = 1 0 c ml = 2 5 c m 代入上式( 2 1 6 ) 得 以= 0 7 8 x 1 0 4 2 5 1 0 4 = 1 9 5 1 0 - 2 f n 册，1 丝杠的转动惯量 以= o 7 8 d 4 l x l o - 5 ( 册f 2 ) 已知：d ：4 3 c ml = 1 2 0 c m 代入式2 1 8 以= o 7 8 x 4 3 4 x 1 2 0 x 1 0 。5 = 3 2 x i 0 。2 ( n 硎j 2 ) 工作台折算到丝杠上的惯量 以= ( 掰詈( c 2 ) 已知：丝杠螺距s = o 6 c m 工作台估算重量f 2 0 0 0 n 重力加速度g = 9 8 0 c m l s 2 代入式2 1 9 得 = ( 喾) 2 器0 乩s s 圳。n c m s ) 1 4 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 四川大学工程硕士学位论文 传动系统折算到步进电机轴上的转动惯量 正= 以+ u ( 以+ 以+ 以) 2 ( c m $ 2 ) ( 2 2 2 ) 将式2 1 4 ，式2 1 5 ，式2 1 7 ，式2 1 9 ，式2 2 l 代入式2 2 2 得： 以= o 4 9 9 x io - 2 + o 4 x ( 1 9 5 x 1 0 - 2 + 3 2 lo - 2 + i 8 6 x lo 2 r = l1 8 9 x 1 0 - 2 ( c 埘，2 ) 步进电机轴上的总惯量 j r = j u + j l 已知：步迸电机转子的转动惯量 厶- - 4 6 10 2 ( c m j 2 ) 并将式2 2 7 代入式2 2 8 得 4 = 4 6 x l0 - 2 + l1 8 9 x 10 = 5 7 8 9 x l0 - 2 ( c m j 2 ) ( 2 2 3 ) 2 4 4 步进电机转矩验算h 伽及主电机功率的确定【i l l 在数控机床