X502型立式銑床數(shù)控化改造

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題目：X502立銑數(shù)控化改造設(shè)計姓名：學(xué)院：專業(yè)：班級：學(xué)號：指導(dǎo)老師：教研室主任：一、基本任務(wù)及要求：

1．設(shè)計任務(wù)：（1）硬件X502立銑控制電路設(shè)計PLC或單片機(jī)控制；啟動、中止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位按鍵；狀態(tài)指示燈；伺服放大、X軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)，能完成機(jī)床啟動、中止、回零、描述直線、圓弧等控制要求。（2）軟件設(shè)計部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)控制程序：直線、圓弧插補(bǔ)程序；啟動、中止、復(fù)位開關(guān)控制程序；演示程序（20ms）；變頻無極調(diào)速程序。

（3）機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計設(shè)計并繪制改造部分裝配圖。設(shè)計參數(shù)：脈沖當(dāng)量：0.01mm/step；運(yùn)動范圍：X、Y：0-100mm；v：0-1m/s；α：0-0.1m/s；定位、重復(fù)定位精度：10μm。2要求（1）繪制硬件接線框圖；系統(tǒng)控制流程框圖；改造部分機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，并保存手動操作功能。（2）撰寫設(shè)計說明書（5千字），并附程序清單及其功能解釋。

2

（3）控制程序必需調(diào)試通過；機(jī)械改造部分須做必要的設(shè)計計算。二、進(jìn)度安排及完成時間：

1.設(shè)計時間三周（從2023年12月3日至2023年12月21日）；2．進(jìn)度安排：第1周：布置設(shè)計任務(wù)；補(bǔ)充相關(guān)知識；查閱資料；撰寫緒論，確定系統(tǒng)組成方案。第2周：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。繪制工作臺改造部分的裝配圖、主要零件圖。硬件電路設(shè)計。選擇電氣元件，繪制系統(tǒng)組成框圖、外部接線圖第3周：軟件設(shè)計編寫主程序、功能子程序；調(diào)試主要功能子程序；并記錄存在的問題和解決的方法整理設(shè)計資料；按格式撰寫設(shè)計說明書；上交設(shè)計作業(yè)（打印稿及電子文檔），并參與辯論。注：程序設(shè)計2-4人；硬件電路設(shè)計2-3人；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計2人

目錄

第1章緒論1

1.1引言11.2X502型立銑數(shù)控化改造設(shè)計的背景和意義2第2章改造方案3

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案3

2.1.1主傳動的數(shù)控改造32.1.2進(jìn)給傳動的數(shù)控改造32.1.3機(jī)械結(jié)構(gòu)方案確定42.2控制部分的改造方案4第3章機(jī)械改造部分的設(shè)計計算6

3.1工作載荷的計算63.2滾珠絲杠螺母副的選型和校核7

3.2.1滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型的選擇73.3脈沖當(dāng)量及傳動比的選定11

3.3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量113.3.2傳動比的選定113.4步進(jìn)電動機(jī)的選擇12第4章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計13

4.1控制系統(tǒng)硬件概述134.2主要控制模塊設(shè)計簡介14

4.2.1單片機(jī)復(fù)位、晶振電路模塊設(shè)計144.2.2按鍵控制模塊電路設(shè)計154.2.3步進(jìn)電機(jī)控制電路模塊設(shè)計164.2.4電磁繼電器控制主軸模塊電路設(shè)計17

第5章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計19

5.1程序編譯調(diào)試環(huán)境keil3介紹195.2部分主要模塊軟件設(shè)計20

5.2.1啟動、中止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位開關(guān)控制模塊程序205.2.2延時程序模塊程序235.2.3插補(bǔ)程序模塊程序24

5.2.4步進(jìn)電機(jī)無極調(diào)速模塊程序30結(jié)論34參考文獻(xiàn)35附錄源程序36附錄b硬件電路圖

第1章緒論

1.1引言

數(shù)字控制（numericalcontrol——NC）簡稱數(shù)控，是一種利用數(shù)字化信息對設(shè)備運(yùn)動及加工過程進(jìn)行控制的一種自動化技術(shù)。

數(shù)控機(jī)床作為一種使用廣泛、典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制、縝密測量和機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面的最新成就，是一種高效自動化機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)不僅能控制機(jī)床各種動作的先后順序，還能控制機(jī)床運(yùn)動部件的運(yùn)動速度以及刀具的運(yùn)動軌跡。由于數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度和高柔性代表了機(jī)床的主要發(fā)展方向，所以它已經(jīng)成為目前機(jī)加工自動化生產(chǎn)過程中最具代表性的核心設(shè)備，且成為計算機(jī)輔助設(shè)計與制造、柔性制造系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)等柔性加工和柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該課題來源于生產(chǎn)實踐的需要，利用大量閑置舊機(jī)床，對其進(jìn)行數(shù)控化改造后，成為一種高效的、多功能的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，是一種推陳出新、盤活存量資金的有效方法，是低成本自動化的必由之路。數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)，對傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品：數(shù)控機(jī)床；其技術(shù)范圍涉及好多領(lǐng)域：機(jī)械制造技術(shù)；信息處理技術(shù)；自動控制技術(shù)；伺服驅(qū)動技術(shù)；傳感器技術(shù)；軟件技術(shù)等。

數(shù)控未來發(fā)展的趨勢：

1、往高精，高速，高柔性化及高復(fù)合化加工方向。2、集成化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、通用型開放式閉環(huán)控制模塊。

3、高效多軸化、實時智能化、用戶界面圖形化、科學(xué)計算可視化、插補(bǔ)和補(bǔ)償

方式多樣化。

4、內(nèi)裝高智能PLC，多媒體技術(shù)的應(yīng)用。

5、應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)，引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工，引入故障診斷專家系統(tǒng)。

1.2X502型立銑數(shù)控化改造設(shè)計的背景和意義

數(shù)控銑床是當(dāng)今制造業(yè)中實現(xiàn)機(jī)電一體化的代表性先進(jìn)設(shè)備。本文在表達(dá)了數(shù)控技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過對國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的比較，遵從性價比高、綜合成本低的原則，最終確定采用SIEMENS802S數(shù)控系統(tǒng)。針對SIEMENS802S系統(tǒng)的特點和舊機(jī)床的要求，進(jìn)行了電氣系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)、電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。電氣部分分別對強(qiáng)電和弱電進(jìn)行了改造，應(yīng)用變頻器對主軸電機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)寬的調(diào)速范圍，進(jìn)給部分增加步進(jìn)驅(qū)動器及步進(jìn)驅(qū)動電機(jī)，實現(xiàn)數(shù)控化控制。通過對機(jī)床數(shù)控伺服驅(qū)動系統(tǒng)的接口匹配與連接，各項參數(shù)的設(shè)定和單片機(jī)程序編寫，實現(xiàn)機(jī)床電氣控制。并且，對所編寫的單片機(jī)程序進(jìn)行了仿真。最終闡述了改造后機(jī)床的精度和性能以及今后尚需完善之處。

數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它集縝密，柔性，和集成與一身，它可以較好的解決形狀繁雜，縝密，小批多變的零件加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，是一種高度自動化機(jī)床。其造價較低，改造周期短，可靠性高，改造技術(shù)也日趨成熟，加之我國特有的經(jīng)濟(jì)實用產(chǎn)品“經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置〞的技術(shù)指標(biāo)不斷的提高，產(chǎn)品的更新和完善的進(jìn)度不斷的加快，產(chǎn)量不斷的提高，故有廣闊的前景，其必要性還表達(dá)在：

1.由于數(shù)控改造費(fèi)用低，可充分利用原有的設(shè)備和閑置設(shè)備，把它們改造成數(shù)使它們的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用，提高了機(jī)床的使用價值。2.易于對現(xiàn)有機(jī)床實現(xiàn)自動化，而且針對性強(qiáng)，即可針對新加工的零件類型及機(jī)床來進(jìn)行改造，改造后機(jī)床沒有多余的功能。

3.改造后的機(jī)床加工精度得到提高，工人的勞動強(qiáng)度得到降低。4.減少了輔助加工時間，可提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。

5.數(shù)控改造可在企業(yè)技術(shù)人員參與下開發(fā)，所以他們可熟悉，把握改造后的機(jī)床性能，操作等，為以后的生產(chǎn)，維護(hù)，修理打下基礎(chǔ)。

機(jī)床改造后，顯示了機(jī)床強(qiáng)大的工作能力和高度的可靠性，加工精度和生產(chǎn)率有較大提高，是提高企業(yè)數(shù)控化率的一條切實可行的途徑。

（2）：Fm=1.1532598.86+0.163(1588.19+400)=3306.7794(N)（3）組：Fm=1.153866.29+0.163(1588.19+400)=1314.34(N)由以上計算數(shù)據(jù)可知，第（2）組算得的Fm值較大。故最大工作載荷為Fm=3306.7994(N)2計算最大動負(fù)載FQ

最大動載荷FQ可由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》式3-23得：FQ=（3√Lo）fWfHFm

式中：fH硬度系數(shù)，選fH＝1.1(HRC≥60)

fw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表3-30，選fw＝1.0(有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn))

L滾珠絲杠副的壽命，單位為106r。L0=60nT/106（T使用壽命(h)，普通機(jī)床取T=5000~10000h，對于數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）轉(zhuǎn)速n可由下式計算：n=1000Vs/L0

式中：Vs最大切削力條件下的縱向進(jìn)給速度(m/min)，查指導(dǎo)書為540(mm/min)可取最高切削進(jìn)給速度的1/2～1/3，現(xiàn)取1/3，即Vs=（1/3）30.54(m/min)=0.18(m/min)

L0所選用絲杠的基本導(dǎo)程，考慮到傳動精度的要求，可選基本導(dǎo)程為4、5、6(mm)的絲杠。

基本導(dǎo)程為4mm時：

L=60nT/106=1000VS/L0=603150003100030.18/(100000034)=40.5C1=(3√40.5)31.031.133306.7794=12491.62N基本導(dǎo)程為5mm時：

L=60nT/106=1000VS/L0=603150003100030.18/100000035)=32.4C2=(3√32.4)31.031.133306.7794=11596.20N基本導(dǎo)程為6mm時：

L=60nT/106=1000VS/L0=603150003100030.18/(100000036)=27C3=(3√27)31.031.133306.7794=10912.44N

查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表3-32，得;當(dāng)公稱直徑d0=32mm時

當(dāng)L0=5時Ca=17798N>C2，所以合格當(dāng)L0=6時Ca=24373N>C3，所以合格

當(dāng)公稱直徑d0=40mm時

當(dāng)L0=5時Ca=19766>C2，所以合格當(dāng)L0=6時Ca=14820N>C3，所以合格

選用公稱直徑d0=40mm，基本導(dǎo)程為L0=5mm的絲杠，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表3-32可知道它們的承載能力Ca為19766N，螺旋升角γ為2023，（2.270）,，循環(huán)列數(shù)（圈數(shù)3列數(shù)）為2.532，滾珠直徑DW為3.175mm，接觸角β(45°)。3計算傳動效率η

滾珠絲杠副的傳動效率η一般在0.8-0.9之間，由傳動效率公式（3-24）得η=tanλ/tan（λ+φ）

式中：λ絲杠螺旋升角，由arctan(Ph/πd0)算得；φ摩擦角。滾珠絲杠副的摩擦角約100.當(dāng)公稱直徑d0=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時：

η=tanλ/tan（λ+φ）=tan2.270/tan（2.270+0.1670）=0.9314>0.9滿足設(shè)計要求4剛度驗算

(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量

絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1、δ1在總變形量中占的比重較大，由式3-25得δ1=（±Fma/ES）±（Ma2/2πIE)

式中：E絲杠材料彈性模數(shù)，對于鋼的E=2.13105MPa；Fm絲杠的最大工作載荷，單位為N；a絲杠兩端支撐間的距離，單位為mm；S絲杠按底勁d2確定的截面積，單位為mm2；M轉(zhuǎn)矩，單位為N.mm；

I絲杠按底勁d2確定的截面慣性矩（I=πd24/64),單位為mm4。

其中，“+〞號用于拉伸，“-〞號用于壓縮。由于轉(zhuǎn)矩M一般較小，式中第2項在計算時可酌情忽略。

S絲杠的截面積可由以下幾式計算F=πd12/4d1=D0+2e-2RE=（R-DW/2）sinβR=0.52DW

DW滾珠直徑（mm），β接觸角

R滾道法面半徑（mm），e偏心距（mm），D0絲杠公稱直徑（mm）當(dāng)公稱直徑d0=32mm、基本導(dǎo)程為5mm時：R=0.5233.175=1.651mmE=（1.651-3.175/20sin450=0.045d1=40+230.045-231.651=36.7878mmF=πd12=π336.78782/4=1062.9125mm2

δ1=（3306.79943700）/（4320.631000031062.9125）=0.002697mm（2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ

2,

δ2可從產(chǎn)品型號中查出，或由下式計算，由于絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，且預(yù)緊力達(dá)軸向工作載荷的1/3，δ2值可減少一半左右。δ2=0.0013Fm/(10(3√DWFYJZ2∑/10))上式中：DW滾珠直徑，單位為mm；

Z∑滾珠總數(shù)量，Z∑-=Z3圈數(shù)3列數(shù)；

Z單圈滾珠數(shù)，Z=πd0/DW（外循環(huán)），Z=πd0/DW-3（內(nèi)循環(huán)）；FYJ預(yù)緊力，單位為N。當(dāng)公稱直徑d0=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時Z=40π/3.175=39.5791Z∑=31.6632.532=158.3

δ2=0.0013Fm/(10(3√DWFYJZ2∑/10))=0.00133330.67994/(10(3√3.1753110.2273158.32))=0.00293mm由于絲杠進(jìn)行了預(yù)緊,所以：δ

’2

=δ2/2=0.00293/2=0.001465mm

當(dāng)公稱直徑d0=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時，查《機(jī)械設(shè)計、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計》手冊表15-8，選用型號為5127的推力球軸承，其具體參數(shù)如下：

型號內(nèi)徑外徑厚度額定動載d（mm）D（mm）T（mm）荷Ca（kN）5120735621830.2絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=0.002697+0.001465=0.004162。一般總變形量δ不應(yīng)大于機(jī)床規(guī)定的定位精度的一半；也可以由絲杠精度等級，查出基準(zhǔn)長度上允許的行程偏差，再將折算到絲杠總長上的行程偏差與總變形量δ進(jìn)行比較。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表3-26與表3-27可知，當(dāng)公稱直徑d0=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時，選用型號為5127的推力球軸承適合。

3.3脈沖當(dāng)量及傳動比的選定

3.3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量

由題設(shè)條件知脈沖當(dāng)量δ=0.01mmstep

3.3.2傳動比的選定

1、縱向進(jìn)給部分設(shè)計

對于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量確定和初選定步進(jìn)電機(jī)的步距角后，可根據(jù)下式計算出該伺服傳動系統(tǒng)總的傳動比：

i=αPh/360δ=0.75035/(360030.01)=1.04上式中：Ph滾珠絲杠的基本導(dǎo)程5(mm)

α步進(jìn)電機(jī)的步距角，今初選步0.75°

從步進(jìn)電機(jī)到滾珠絲杠尋常為減速運(yùn)動，其目的是為了獲得整量化的脈沖當(dāng)量或?qū)⒉竭M(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行放大。對于進(jìn)給私服系統(tǒng)，尋常傳遞的轉(zhuǎn)矩不是很大，一般模數(shù)取m=1-2，b=6-9mm在這次設(shè)計中取了m=2。查《機(jī)械原理》表7.3得：Z1≥17，取Z1=39，m=2.，則d1=mZ1=2339=78mmb1=6-9mm,取b1=632.5=15mmZ2=Z1i=3931.04=40.56，取Z2=45d2=mZ2=2345=90mm

中心距a=（d1+d2）/2=（78+90）/2=84mm2、橫向進(jìn)給部分設(shè)計

對于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量確定和初選定步進(jìn)電機(jī)的步距角后，可根據(jù)下式計算出該伺服傳動系統(tǒng)總的傳動比：

i=αPh/360δ=1.5034/(360030.01)=1.66

對于進(jìn)給私服系統(tǒng)，尋常傳遞的轉(zhuǎn)矩不是很大，一般模數(shù)取m=1-2，b=6-9mm在這次設(shè)計中取了m=2。查《機(jī)械原理》表7.3得：Z3≥17，取Z1=18，m=2.，則d3=mZ3=2318=36mmb1=6-9mm,取b1=632.5=15mmZ4=Z3i=1831.66=29.88，取Z4=30D4=mZ4=2330=60mm

中心距a=（d3+d4）/2=（36+60）/2=48mm

3.4步進(jìn)電動機(jī)的選擇

步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算Tq=36δ[Ff+μ（G+FfN）/（2παη）式中，δ脈沖當(dāng)量，mmFf銑削進(jìn)給抗力，N；μ摩擦因數(shù)；

G工作臺及工件夾具總重力，N；FfN垂直分力，N；η總機(jī)械效率

取η=0.6，μ=0.2，G-=1500N，則

Tq=3630.01