畢業(yè)設計（論文）簡易立式鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)改造設計

1、（機電系2009級）畢業(yè)設計說明書學生姓名：學生班級：機械制造及其自動化091學生學號：設計題目：簡易立式鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)改造設計指導老師：教研室主任：系主任：機電工程系2012年3月15日30前言據(jù)資料介紹，我國擁有400多萬臺機床，絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機床。這些機床自動化程度不高，加工精度低，要想在短時期內(nèi)用自動化程度高的設備大量更新，替代現(xiàn)有的機床，無論從資金還是從我國機床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改造又勢在必行。為此，如何改造就成了我國現(xiàn)有設備技術改造迫切要求解決的重要課題。在過去的幾十年里，金屬切削機床的基本動作原理變化不大

2、，但社會生產(chǎn)力特別是微電子技術、計算機技術的應用發(fā)展很快。反映到機床控制系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工的精度，現(xiàn)已有一些企業(yè)在這方面做了有益的嘗試。實踐證明，改造后的機床既滿足了技術進步和較高生產(chǎn)率的要求，又由于產(chǎn)品精度提高，型面加工范圍增多也使改造后的設備適應能力加大了許多。這更加突出了在舊機床上進行數(shù)控技術改造的必要性和迫切性。由于新型機床價格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機床設備全部以新型機床替換，國家要花費大量的資金，而替換下的機床又會閑置起來造成浪費，若采用改造技術加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)省50%以上的資金。從我國的具體情況來講，一套經(jīng)濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝

3、置的1/3到1/5，一般用戶都承擔得起。這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術發(fā)展開創(chuàng)了新路，也對實力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟吸引力，起到了事半功倍的積極作用。據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計訂購新的數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機床的數(shù)控改造就成為滿足市場需求的主要補充手段。在機械工業(yè)生產(chǎn)中，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)是現(xiàn)代機械制造的基本特征，占有相當大的比重。要完成這些生產(chǎn)任務，不外乎選擇通用機床、專用機床或數(shù)控機床，其中數(shù)控機床是最能適應這種生產(chǎn)需要的。從上述分析中不難看出數(shù)控技術用于機床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)技術相結合的基礎之上。通過理論上的推導和實踐使用的證明，把微機

4、數(shù)控系統(tǒng)引入機床的改造有以下幾方面的優(yōu)點：1）可靠性高、柔性強、易于實現(xiàn)機電一體化；2）經(jīng)濟性可觀。為此在舊的機床上進行數(shù)控改造可以提高機床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較高的機床性能和較大的經(jīng)濟效益。本文針對企業(yè)的z512小型鉆床進行數(shù)控化改造。其內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設計計算（數(shù)控工作臺設計，伺服進給機構設計，鉆頭z向進給裝置）、數(shù)控裝置（8031單片機）等。對臺鉆進行數(shù)控系統(tǒng)改造設計符合我國國情，即適合我國目前的經(jīng)濟水平、教育水平和生產(chǎn)水平，又是國內(nèi)許多企業(yè)提高生產(chǎn)設備自動化水平和精密程度的主要途徑，在我國有著廣闊的市場。從另一個角度來說，該設計

5、既有機床結構方面內(nèi)容，又有機加工方面內(nèi)容，還有數(shù)控技術方面的內(nèi)容，有利于將大學所學的知識進行綜合運用，是個很好的學習機會。目錄前言設計任務書摘要緒論第一章 z512原機型說明及其改造方案第二章 xy工作臺的改造設計及其設計計算第三章 主軸鉆頭的z向進給改造第四章 數(shù)控系統(tǒng)電路及其軟件設計結語與致謝參考文獻設計任務書一、畢業(yè)設計目的：畢業(yè)設計是學生在教師的指導下進行的一次理論聯(lián)系實際的綜合訓練。學生通過畢業(yè)設計，在綜合運用所學的基礎理論與專業(yè)知識進行獨立分析和解決某一個專業(yè)技術問題的能力方面，應當?shù)玫揭淮稳娴腻憻捄吞岣?。二、畢業(yè)設計題目：簡易立式鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)改造設計三、技術要求： 1采用80

6、31單片機作為控制器，以標準步進電機為驅動元件，滾珠絲杠為傳動件，滾動導軌為支承，對鉆頭直徑小于13mm的簡易臺鉆（z512-1型或4112型臺式鉆床）進行數(shù)控系統(tǒng)改造設計，機構設計必須符合有關產(chǎn)品設計規(guī)范；2根據(jù)鉆削加工的機床運動需要，在原有工作臺的基礎上加裝數(shù)控工作臺；數(shù)控工作臺z向靜止高低工作位置調整采用手動方式進行，工作時，采用手動夾緊；3主軸鉆頭的z向進給由步進電機驅動，主軸鉆頭z向進給量（向下）為99mm，加工完成后，由軟件控制返回起始點；4主軸鉆頭轉速的調整采用原有的手動調速機構，實現(xiàn)人工三級調速；5數(shù)控工作臺（形狀與面積與原工作臺相似）在水平面（xy平面）內(nèi)的移動范圍為300m

7、m198mm（x向為150mm，y向為99mm）；6數(shù)控工作臺在xy平面內(nèi)重復定位精度為15m，z向孔深定位精度在10m以內(nèi)；7鉆銑床坐標系遵循右手法則，z軸向上為正，鉆頭尖部為xy坐標系零點；8采用8031單片機和驅動電路對x、y、z三個方向的三個運動實現(xiàn)開環(huán)控制，數(shù)控工作臺的運動狀態(tài)用點位控制系統(tǒng)，按x、y、z三個坐標軸實現(xiàn)順序運動；9最終完成鉆銑床的控制系統(tǒng)組成一個開環(huán)無觸點控制元件的點位控制系統(tǒng)。10要求機械結構操作靈活方便、安全可靠，噪聲小，定位準確，數(shù)控系統(tǒng)控制精確，反應迅速靈敏，改造后的立鉆工作狀態(tài)不低于國家標準有關規(guī)定。 四、畢業(yè)設計要求： 1態(tài)度端正，嚴肅認真，細致耐心；聯(lián)系

8、實際，開拓創(chuàng)新，按質按量完成任務； 2注意培養(yǎng)自己耐心細致的嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L；注意培養(yǎng)自己勇于開拓創(chuàng)新的科學精神；注意培養(yǎng)自己吃苦耐勞、敢挑重擔的革命精神，獨立完成設計任務； 3全部設計圖樣應用繪圖軟件繪制。 五、畢業(yè)設計內(nèi)容： 1立式鉆銑床改造機械機構配置圖1套； 2立式鉆銑床改造機械機構零件圖張數(shù)及圖幅按需要；3撰寫設計說明書（字數(shù)不少于1.5萬字）1份；4將完成的畢業(yè)論文資料（圖紙、說明書等）刻錄光碟1張。 六、畢業(yè)設計時間： 第1-7周（2月13日-3月30日） 七、畢業(yè)設計進度： 1第1周，明確立式鉆銑床改造機械機構和數(shù)控系統(tǒng)設計要求，查閱資料，確定設計方案，繪制設計草圖； 2第2周，

9、初步完成立式鉆銑床改造機械機構和數(shù)控系統(tǒng)總體設計（總配置和關鍵零部件）草圖； 3第3-4周，完成立式鉆銑床改造機械機構總體配置圖和零件圖的設計、繪圖，打印設計圖紙； 4第5-6周，完成立式鉆銑床改造數(shù)控控制系統(tǒng)匯編語言程序編制； 5第6-7周，撰寫設計說明書，完成畢業(yè)答辯。 八、畢業(yè)設計中值得注意的幾個問題： 1設計前，應先對鉆銑床改造機械機構配置和數(shù)控系統(tǒng)的設計進行認真分析； 2在確定設計方案前，應盡可能多考慮幾個方案，從技術性和經(jīng)濟性各方面分析對比后，保證可行性，選擇一個最佳設計方案進行設計； 3設計過程中，要兼顧改造產(chǎn)品的生產(chǎn)、服務、市場推廣等，提高性價比。摘要以原機床為基礎，原機床的主

10、要結構基本不變。設計一套簡易微機數(shù)控xy工作臺，固定在z512型鉆床的工作臺上，可轉動下手柄使工作臺上下移動，位置調整好后將其鎖定。xy工作臺的位置控制采用步進電機數(shù)控系統(tǒng)。再將控制鉆頭上下運動的手柄和定位卡鐵拆去，改用步進電機通過減速裝置和聯(lián)軸器控制鉆頭上下運動。鉆頭的旋轉運動仍由原來的三相交流電動機驅動，其轉速可根據(jù)加工工件的材料、孔徑大小、板厚等進行調整。選用8031單片機和驅動電路對3個步電機進行開環(huán)控制。由于工件相對于刀具移動的過程中不進行鉆削，故采用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控制較為方便，采用匯編程序直接實現(xiàn)鉆孔加工控制，不需編制零件nc加工程序和專門的nc程序編譯、插補運

11、算等處理的數(shù)控系統(tǒng)。關鍵字：z512型鉆床、步進電機、數(shù)控系統(tǒng)、8031單片機由于本人經(jīng)驗不足，以及對知識掌握程度的限制，設計過程還存在某方面的錯漏，敬請老師提出寶貴意見。緒論1 數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)狀簡述近幾年來，機械加工業(yè)大量采用數(shù)控機床取代傳統(tǒng)的普通機床進行機械加工，普通機械逐漸被數(shù)控機械所代替。數(shù)控機床綜合了微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制、電機與拖動，電子和電力、精密測量、氣液壓及現(xiàn)代機械制造技術等多種先進技術的機電一體化產(chǎn)品，是數(shù)控機床的心臟。具有高精度，高效率，柔性自動化等特點決定了今后發(fā)展數(shù)控機床是我國機械制造業(yè)技術改造的必由之路，是工廠自動化的基礎。數(shù)控機床在各個機械制造企

12、業(yè)已成為大、中型企業(yè)的主要技術裝備。2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，數(shù)控系統(tǒng)正在向電氣化、電子化、高速化、精密化等方面高速發(fā)展，其主要研究熱點有以下幾個方面：2.1 性能發(fā)展方面2.1.1 高精高速高效化速度效率、質量是先進制造技術關鍵的性能指標，是先進制造技術的主體。若采用高速cpu芯片、risc芯片、多cpu控制系統(tǒng)、高分辨率檢測元件、交流數(shù)字伺服系統(tǒng)、配套電主軸、直線電機等技術可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。在今后的幾年，超精密數(shù)控機床正在向精密化、高速化、智能化和納米化發(fā)展，匯合而成的新一代數(shù)控機床。2.1.2

13、柔性化數(shù)控系統(tǒng)采用新一代模塊化設計，功能覆蓋面更寬，可靠性更強，可滿足不同用戶的需求。同一群控系統(tǒng)能根據(jù)不同生產(chǎn)流程，自動進行信息流動態(tài)調整，發(fā)揮群控系統(tǒng)的功能。2.1.3 多軸化多軸聯(lián)動加工，零件在一臺數(shù)控機床上一次裝夾后，可進行自動換刀、旋轉主軸頭、旋轉工作臺等操作，完成多工序、多表面的復合加工，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。2.1.4 軟硬件開放化用戶可根據(jù)自己的需要，對數(shù)控系統(tǒng)軟件進行二次開發(fā)，用戶的使用范圍不再受生產(chǎn)商的制約。2.1.5 實時智能化在數(shù)控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著：自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等方面發(fā)展。如編程專

14、家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，當系統(tǒng)出了故障時，診斷、維修等實現(xiàn)智能化。3 z512臺鉆改造意圖本著對機床的改動盡可能少、控制部分要求抗干擾性強、改造成本低的原則。依據(jù)有關資料的技術要求，改造之前應對該機床的性能、數(shù)據(jù)有所掌握。以便針對機床本身的精度高低來確定改造后的精度和改裝范圍。使其在原有的功能上得以提升，達到數(shù)控化。而本身改造又具有經(jīng)濟、方便、實用、可靠等特點，適合中小型企業(yè)生產(chǎn)。4 z512臺鉆的數(shù)控化改造一般來講，普通立式鉆床的數(shù)控改造主要有兩部分，一是設計一套簡易微機數(shù)控xy工作臺，固定在鉆床的工作臺上。二是將控制鉆頭上、下運動的手柄拆去，改用微機控制步進電機通過一級減速裝置使鉆頭上下運

15、動。根據(jù)數(shù)控鉆床的性能要求，一般鉆床的加工精度在0.10.02之間。則鉆床步進電機的脈沖當量p可選為0.01mm/step，步進電機的步距角b=1.5。第一章 z512原機型說明及其改造方案一、z512臺鉆原機主要技術參數(shù)1.型號 z512-2 2.最大鉆孔直徑 12.7mm3.立柱直徑 70mm4.主軸最大行程 100mm5.主軸中心線至立柱表面距離 193mm6.主軸端至工作臺最大距離 326mm7.主軸端至底座最大距離 556mm8.主軸錐度 b169.主軸轉速范圍 480-4100rpm10.主軸轉速級數(shù) 511.工作臺面尺寸 250x250mm12.地面工作臺面尺寸 250x300m

16、m13.總高 1037mm14.電動機 370w15.毛重/凈重 109/86kg16.包裝尺寸 79x44x96cm17.電壓 380/220v二、z512臺鉆數(shù)控化改造方案1.保持原有機床基本結構不變，保留原機床主傳動鏈，保留鉆床工作臺和控制工作臺移動手柄，在原工作臺上安裝一套微機數(shù)控的xy工作臺。由于xy工作臺的運動部件重量和切削力不大。因此選用有預加載荷的雙v形滾珠導軌。采用滾動導軌可減小兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]到電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率0.01要求，需采用齒輪降速傳動。2.在x、y工作臺的下底板的4個角留有一個凸臺

17、，各開一個槽，把螺栓插入原工件臺的槽及此槽內(nèi)用螺母旋緊。原有工作臺上表面裝預加載雙v型滾珠導軌支撐工作臺，為實現(xiàn)工作臺水平面內(nèi)x、y向移動。3.將控制鉆頭進給運動的手柄拆去，在鉆床的主軸上加三相六拍步進電動機，步進電機通過一級減速，使齒輪與套筒上的齒條嚙合，從而實現(xiàn)了主軸向下進給或向上退出。通過減速器控制鉆頭在z向上、下移動，鉆頭z向進給量（向下）為99mm，加工完成后，由軟件控制返回起始點。4考慮到方便機床步進電動機的互檢，降低售后維修保養(yǎng)成本，所以x/y/z三個方向所選用的步進電動機可以盡量為同一型號。5.數(shù)控系統(tǒng)的設計，采用8031單片機和驅動電路對x、y、z三個方向實現(xiàn)開環(huán)控制，數(shù)控工

18、作臺的運動狀態(tài)用點位控制系統(tǒng)，按x、y、z三個坐標軸實現(xiàn)順序運動。定位方式采用增量坐標控制，驅動電路選用無觸點控制元件電路，整個控制系統(tǒng)組成了一個開環(huán)無觸點控制元件的點位控制系統(tǒng)。橫向絲桿縱向絲桿系統(tǒng)設計框圖第二章xy工作臺的改造設計及其設計計算一 xy工作臺傳動方式的確定xy工作臺中 x、y方向的移動，可采用螺旋機構或齒輪齒條傳動機構，這兩種均可把旋轉運動變?yōu)橹本€運動。因為此機構以傳遞運動為主，要求有較高的傳動精度，又要求結構緊湊，所以選用螺旋機構。但常用的螺旋機構中絲桿和螺母之間的相對運動是滑動，磨損較嚴重，影響傳動精度，壽命短，效率低，不能滿足高速度、高效率和高精度等傳動要求。為了使運動

19、靈敏又能滿足精度要求，選用滾珠螺旋機構，也就是采用了間隙可調的滾珠絲桿傳動。要使運動穩(wěn)定可靠，采用絲桿傳動，螺母帶著工作臺作移動的傳動形式。螺母帶著工作臺在底座的導軌上移動，因為運動部件重量不大，切削力也不大，行程較小，所以確定采用有預加載荷雙v形滾珠導軌。系統(tǒng)總體框圖如下:y向絲桿x向絲桿二 xy工作臺的設計計算要求：數(shù)控工作臺（形狀與面積與原工作臺相似）在水平面（xy平面）內(nèi)的移動范圍為300mm198mm（x向為150mm，y向為99mm）；根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算x向和y向工作臺承載重量wx和wy。設計工作臺簡圖如下:估計：z512鉆床加裝的數(shù)控工作臺縱向工作臺20kg

20、，橫向工作臺35kg，工作臺夾具的最大質量約為10kg。一.脈沖當量的確定根據(jù)機床精度要求數(shù)控工作臺在xy平面內(nèi)重復定位精度為15m確定脈沖當量，考慮到機械傳動系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當量值必須小于定位精度值。本次設計確定脈沖當量為0.01mm/步.二滾珠絲桿螺母副的計算和選型(1)額定動載荷和額定靜載荷額定動載荷是指一批相同參數(shù)的滾珠絲杠螺母副，在n=10r/min的相同工作條件下運轉1000000轉后，90%的螺旋副（指螺紋滾道和滾動體）不發(fā)生疲勞點蝕損傷所能承受的最大軸向載荷，定義為額定動載荷cam。額定靜載荷是指把滾珠絲杠副在靜態(tài)或低轉速（n=10r/min）條件下，受接觸應力最大的滾珠和

21、滾道接觸面間產(chǎn)生的塑性變形量之和達到滾珠直徑0.0001倍時的最大軸向載荷，定義為額定靜載荷c0am。(2)縱向絲杠螺母副的選擇強度校核根據(jù)機床設計手冊，燕尾槽導軌工作時軸向力：fm=kfx+f(fy+2fc+g)式中：k考慮力矩影響的系數(shù)f導軌上的摩擦系數(shù)因為導軌為燕尾槽導軌，所以可取：k=1.4 f=0.2fx、fy、fz分別為沿鉆頭軸向的軸向切削力、沿徑向的徑向切削力、沿切向的切向切削力。g工作臺重量（縱向）+夾具和工件的重量取鉆頭的周向切削力為f=1800n，則fy=0取工作臺橫向進給方向載荷fc=800ng=（20+10）9.8=294n由此得：fm=1.41200+0.2(2800

22、+294)=2058.8n其壽命值為：l=60nt/106式中：l工作壽命 以106r為1個單位n滾珠絲杠的轉速 考慮額定靜載荷下的情況，故取n=10r/min參考計算t使用壽命時間，一般取t=15000h則有：滾珠絲杠最大動載荷為： 式中：kp為載荷系數(shù)，一般取1.21.5，本例取kp=1.5ka為精度系數(shù)，對于本絲杠取ka=1 根據(jù)最大動載荷c的值，初選縱向的滾珠絲杠螺母副代號為：rm2006-fl-v-250/450-p3，精度等級p3的預壓型fl螺母，公稱直徑為20mm，基本導程為6mm，絲杠總長為450mm，螺紋部分的長度為250mm。查表得其基本參數(shù)：滾珠絲杠的額定動載荷cam=1

23、1500n滾珠絲杠的額定靜載荷c0am=15500n滾珠絲杠的螺旋升角=244camc，則強度足夠。預緊力fp=cam/4=11500/4=2875n，只要軸向載荷達不到或不超過3fp，就不必對預緊力提出額外的要求，此時fm=2058.8n遠遠小于3fp，故不計算預緊力。傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為：其中：=244 （為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)，f=0.0030.004，其摩擦角約為10）則：故根據(jù)上面的計算和校核可以選用rm2006-fl-v-250/450-p3型滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠的支承由于本絲杠屬短絲杠，考慮經(jīng)濟性與實用性，故選用兩端軸向固定，并加預拉伸的結構等提

24、高傳動剛度。(3)橫向絲杠螺母副的選擇強度校核根據(jù)機床設計手冊，燕尾槽導軌工作時軸向力： fm=kfx+f(fy+2fc+g)式中：k考慮力矩影響的系數(shù) f導軌上的摩擦系數(shù)因為導軌為燕尾槽導軌，所以可?。簁=1.4 f=0.2 fx、fy、fz分別為沿鉆頭軸向的軸向切削力、沿徑向的徑向切削力、沿切向的切向切削力。g工作臺重量（橫向）+夾具和工件的重量橫向絲杠螺母副切削力與縱向的一致，故取鉆頭的周向切削力為f=1800n，則 fy=0取工作臺橫向進給方向載荷fc=800ng=（35+10）9.8=441n由此得：fm=1.41200+0.2(2800+441)=2088.2n其壽命值為：l=60

25、nt/106式中：l工作壽命 以106r為1個單位n滾珠絲杠的轉速 考慮額定靜載荷下的情況，故取n=10r/min參考計算t使用壽命時間，一般取t=15000h則有：滾珠絲杠最大動載荷為：式中：kp為載荷系數(shù)，一般取1.21.5，本例取kp=1.5ka為精度系數(shù)，對于本絲杠取ka=1 根據(jù)最大動載荷c的值，初選橫向的滾珠絲杠螺母副代號為：rm2006-fl-v-350/550-p3，精度等級p3的預壓型fl螺母，公稱直徑為20mm，基本導程為6mm，絲杠總長為550mm，螺紋部分的長度為350mm。查表得其基本參數(shù)：滾珠絲杠的額定動載荷cam=11500nc，則強度足夠。滾珠絲杠的額定靜載荷c

26、0am=15500n滾珠絲杠的螺旋升角=244預緊力fp=cam/4=11500/4=2875n，此時fm=2088.2n遠遠小于3fp，故不計算預緊力。傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為：其中：=244 （為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)，f=0.0030.004，其摩擦角約為10）則：故根據(jù)上面的計算和校核可以選用rm2006-fl-v-350/550-p3型滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠的支承由于本絲杠屬短絲杠，考慮經(jīng)濟性與實用性，故選用兩端軸向固定，并加預拉伸的結構等提高傳動剛度。三.滾動導軌副的計算、選擇根據(jù)給定的工作載荷fz和估算的wx和wy計算導軌的靜安全系數(shù)fsl=co/p，式

27、中：co為導軌的基本靜額定載荷，kn；工作載荷p=0.5(fz+w)； fsl=1.0-3.0(一般運行狀況)，3.0-5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結果查有關資料初選導軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取根據(jù)計算額定靜載荷初選導軌:選擇漢機江機床廠hjg-d系列滾動直線導軌,其型號為:hjg-d25基本參數(shù)如下:額定載荷/n靜態(tài)力矩/n*m滑座重量導軌重量導軌長度動載荷靜載荷l(mm)17500260001981982880.603.1760滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復次數(shù)m40.64導軌的額定動載荷n依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kn)驗算導軌的工作壽命ln：

28、額定行程長度壽命: 導軌的額定工作時間壽命: 綜合得：導軌的工作壽命足夠四步進電機的選擇（1）步進電機簡介步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電動機按設定的方向旋轉一個固定的角度（稱為步距角），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（vr）、永磁式步進電機（pm）

29、、混合式步進電機（hb）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積小，步進角一般為7.5度或15度。反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁格由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步距角一般為1.8度，而五相步距角一般為0.75度。步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉矩及電流三大要素組成。三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了?？紤]到經(jīng)濟性和實用性，選擇反應式步進電機。（2）步進電動機的選型已知條件 本次改造主要是根據(jù)

30、最大靜轉距和最高工作頻率進行選擇電動機。根據(jù)上面的計算，已知：p=0.01mm/step，b=0.75，l0=6mm 則：故初選b合理，滿足要求。啟動力矩： 式中：p為脈沖當量，取p=0.01mm/stepfs為移動部件負載：fs=1.1fz=1.11000=1100nfe為作用在移動部件上的負載: fe= 0.25fz =0.251000=250nf為導軌摩擦系數(shù)，取f=0.2 (燕尾槽導軌)b為步進電動機步距角,取b=0.75為機械傳動的效率，一般取=0.6g為縱向移動部件重量：g=（20+10）9.8=294n代入公式（4-2-1）得:確定步進電動機最高工作頻率:式中vmax運動部件最大

31、快速進給速度取數(shù)控平臺縱向工作臺最大進給速度為：vmax=1.5m/min代入公式：綜合考慮并參考機械設計手冊，選擇110bf003步進電機，110bf003步進電機的主要技術參數(shù)為：步距角b=0.75；最大靜轉距tm= 7.84nmt=1.540nm且步進電動機最高工作頻率fmax=2500hz,在此選擇的電機的最高工作效率f為空載啟動頻率1500hz和空載運行頻率7000hz；相數(shù)為3；電壓為80v；相電流6a；電感35.5mh；線圈電阻為r=0.37；分配方式為三相六拍；外形尺寸為110mm160mm；質量為6kg。通過以上計算和分析，傳動系統(tǒng)應用110bf003步進電動機?？紤]到方便機

32、床步進電動機的互檢，降低售后維修保養(yǎng)成本，所以x/y/z三個方向所選用的步進電動機可以盡量為同一型號。所以這里選擇三個110bf003步進電動機。第三章主軸鉆頭的z向進給改造1. 改造方法將控制鉆頭進給運動的手柄拆去，在鉆床的主軸上加三相六拍步進電動機，步進電機通過一級減速，使齒輪與套筒上的齒條嚙臺，從而實現(xiàn)了主軸向下進給或向上退出。通過減速器控制鉆頭在z向上、下移動，鉆頭z向進給量（向下）為99mm，加工完成后，由軟件控制返回起始點。2.步進電機的選擇由上可得，此處選擇和xy方向相同的110bf003步進電動機。3.減速齒輪副的選擇減速比計算出來后，是采用一級齒輪減速，還是兩級齒輪減速，主要

33、考慮結構上的安排，齒輪減速箱的大小不能影響溜板在有效行程內(nèi)的運動。由于進給伺服系統(tǒng)的功率都不大，所以，減速齒輪的模數(shù) 取m=2mm；壓力角取=20（標準）；初選齒輪齒數(shù)z1=20；故大齒輪為z2=z1i=201.25 =25。故初選減速齒輪副的參數(shù)如下：z1=20 z2=25m=2mm=20（標準）同樣可以計算出其它參數(shù)，見下表。齒輪1齒輪2齒數(shù)z2025模數(shù)m(mm)22分度圓d(mm)4050齒頂圓da(mm)4454齒根圓df(mm)3545中心距a(mm)45第四章數(shù)控系統(tǒng)電路及其軟件設計一.步進電機控制系統(tǒng)原理如圖所示，為步進電機控制系統(tǒng)原理圖。本電路的主要工作原理是：從單片機803

34、1的p1.0、p1.1、p1.2分別發(fā)出三相繞組a、b、c。脈沖經(jīng)反向驅動器接到三極管的基極驅動三極管導通或關斷，使得繞組通電或不通電。當p1.0口輸出為0，經(jīng)反向驅動器74ls06變?yōu)楦唠娖?，使三極管導通，a相繞組導通。當從p1.0口輸出為1，經(jīng)反向驅動器74ls06變?yōu)榈碗娖?，使三極管截止，a相繞組截止；同理，其他兩相繞組也以同樣的方式導通或截止，由此可見，改變p1.0p1.2管腳的電平，可實現(xiàn)a、b、c相的通斷電控制。如果改變a、b、c三相繞組之間導通或關斷的頻率即可改變電動機的轉速。其他兩個電機的工作原理相同。因此，通過控制三個電機的轉速或方向，并通過插補算法，就能準確的定位，加工工件

35、。步進電機接口原理圖二.控制系統(tǒng)硬件的基本組成 mcs-51系列 8031芯片三、微機控制系統(tǒng)及其接口該數(shù)控系統(tǒng)是以8031單片機芯片為控制核心的八位微機處理系統(tǒng)。以步進電機為執(zhí)行裝置，微機控制系統(tǒng)由8031單片機加上eprom、ram、鍵盤顯示和控制等擴展電路構成。(1)8031的p1.0p1.2、p1.4p1.6、p3.0p3.2分別接通x、y、z向三臺步進電機的三相電路；步進電機線圈通電的時序（即正反轉）和步數(shù)由程序來完成；通電時間（即頻率）由延時程序來完成。8031單片機的p0口用來傳送低位地址和數(shù)據(jù)，地址和數(shù)據(jù)復用。外接地址鎖存器74ls373，用ale控制，p2口用做傳遞高位地址、

36、外部程序存儲器eprom-27256，選通信號為，選通時讀取程序代碼，讀取數(shù)據(jù)用move查表指令。用于外部ram的讀寫控制，當執(zhí)行外部數(shù)據(jù)存儲器ram操作指令movc時，這兩個控制信號自動生成，8031內(nèi)部無rom，故內(nèi)部與外部存儲器選擇端接地。p1口用做輸出口，p3口低4位用做輸出口，高4位使用其第二功能，8031主機頻率為12mhz。(2)程序存儲器eprom的擴展 8d鎖存器74ls373作為地址鎖存器，鎖存控制端g直接與8031單片機鎖存控制信號ale相連，用作地址鎖存器時，使輸出允許為低電平。eprom 27256有15根地址線（a0a14），聯(lián)接8d地址鎖存器8根（a0a7），其余

37、7根（a8a14）連接p2.0p2.6，8根數(shù)據(jù)線（d0d7）聯(lián)接po口，存儲容量為32kb。將epprom片選端接地。(3)數(shù)據(jù)存儲器ram的擴展 外接一片6264（8k8）隨機存儲器ram，用于存放加工程序和數(shù)據(jù)。6264有13根地址線（a0a12）,其中8根聯(lián)接po口，5根聯(lián)接p2.0p2.4端口，8根數(shù)據(jù)線（d0d7）聯(lián)接po口，、分別為讀寫信號線，6264有兩個片選端，接p2.7進行片選。p2.7端口總是低電平。ce2保持高電平用于ram的掉電保護。(4)8279通用可編程鍵盤、顯示器接口 采用8279通用可編程鍵盤、顯示器接口器件，完成加工程序和數(shù)據(jù)的輸入顯示和加工過程中的動態(tài)顯示

38、、采用44陳列鍵盤、顯示16位led顯示器、led顯示器呈三排排列，每排最左邊第一位用以顯示x、y、z項數(shù)據(jù)的“+”、“-”上。一排有5位7段碼管，用以顯示x值，第二第三行均只有4位7段碼管，用以顯示y，z項十進制百位以內(nèi)數(shù)值，構成16位顯示器。數(shù)值輸入以絲米為單位0.01mm，實際上是在輸入步進電機的步數(shù)。當進行加工子程序輸入時，顯示器從最左上面開始顯示，但輸完x值的“+”或“-”及5位數(shù)值后，按enter確認鍵后顯示轉入第二行y值的輸入。當輸完“+”或“-”號及4位數(shù)值后，按下enter確認鍵轉入第三行z值的輸入。一般情況下，z值輸入無正值。每次鉆頭下移完成預定的深度，由程序控制返回下鉆頭

39、起始高度。若需要鉆頭單純上移時，可編程操作，z值輸入完成，按enter確認鍵開始另一組x、y、z值的輸入。加工程序輸入完成，在第一行輸入“o”按enter確認鍵，在第二行輸入“o”回車，第三行輸入“o”后回車完成加工程序輸入，返回主程序。dd為雙向三態(tài)數(shù)據(jù)總線，用于cpu和8279之間的數(shù)據(jù)和命令傳送。irq為中斷請求信號，再當按下一個鍵后，8279便向cpu申請中斷處理。是8279的片選信號。當=0（低電平）時，8279才被允許讀出或寫入信息，、為來自8031的讀寫控制信號，a=0時，輸入輸出皆為數(shù)據(jù)。reset為復位信號線。系統(tǒng)時鐘clk從8031的ale端獲取主機頻1/6分頻2mhz時針

40、信號。在8279內(nèi)部再將時鐘信號分頻100khz為鍵盤掃描提供適當?shù)闹鹦袙呙桀l率和顯示掃描時間，鍵盤數(shù)據(jù)輸入采用鍵盤掃描方式。鍵盤工作方式設置為雙鍵互領方式，每當按下一個鍵時，便由8279自動編碼并進入先進先出寄存器fifo讀取數(shù)據(jù)（鍵值）以后，irq信號將自動撤銷。8279內(nèi)部有一個顯示ram用來存儲顯示數(shù)據(jù)，容量為168位。在顯示過程中，存儲的顯示數(shù)據(jù)輪流從顯示寄存器輸出，顯示寄存器分為a、b兩組，其輸出為out a0a3和out b0b3。這8個輸出口是顯示數(shù)據(jù)的輸出總線，分別送出16個顯示ram單元內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)。顯示數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)總線d0d7，分別寫入顯示ram的任何一個單元，一旦數(shù)

41、據(jù)寫入后，8279的硬件便自動管理顯示存儲器的輸出及同步掃瞄信號。如圖為微機控制系統(tǒng)的原理圖：微機控制系統(tǒng)的原理圖四、 軟件設計1.程序采用模塊化設計，主程序為無分支直線程序，方便修改程序。主程序包括鍵盤輸入和顯示、加工程序、步進電機運轉完成鉆孔加工程序。外部中斷：在鉆孔加工工序過程中響應“stop停止”鍵，停止步進電機運轉，但不能停止鉆頭旋轉交流電機。“reset復位”按鈕能使控制系統(tǒng)復位到初始化狀態(tài)。加工工序以十進制bcd碼輸入，有8279自動處理轉換成二進制b碼存入ram。并在加工過程中以bcd碼的形式動態(tài)同步顯示。加工工序的輸入完成后，對x、y、z值輸入一組#ooh，以便控制系統(tǒng)比較判

42、別是否已完成全部加工工序。步進電機運轉加工程序存儲在eprom區(qū)域16kb范圍內(nèi)，能方便調出本設計對三個步進電機采用順序控制操作。步進電機步數(shù)取決于相對坐標值，這樣控制步進電機會在生產(chǎn)中增長定位時間。降低生產(chǎn)效率，若能對xy向電機驅動使用直線插補，兩電機同步動作。有利于生產(chǎn)效率的提高。但硬件配置和軟件編程將復雜化。數(shù)據(jù)和命令的輸入與顯示主要是利用8279的鍵盤輸入服務程序和動態(tài)顯示程序的功能，當有鍵按下時，由74ls138（3-8）譯碼器對sl0sl2譯出鍵掃描線，由74ls154（4-16）譯碼器對sl0sl3譯出顯示器的位掃描線。本設計中采用了44編碼式陳列鍵盤16位led顯示器。并對三排

43、中的第一位顯示器進行改造，使他們顯示“+” 、“-”（如采用米字14段碼管只接部分管腳）。經(jīng)74ls154對掃描線譯碼后，一方面接鍵盤列線，同時通過16位去定期接顯示器。在加工過程中同樣通過74ls154經(jīng)驅動器接16位顯示器，分別對x、y、z軸變化情況實現(xiàn)動態(tài)顯示。各軟件流程圖 圖5-4 主流程圖 圖5-5 鍵盤掃描流程圖 圖5-6鍵盤掃描流程圖2、步進電機控制程序設計在計算機控制的步進電動機驅動系統(tǒng)中，可以采用軟件的方法實現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。軟件環(huán)形分配器的設計方法有很多，如查表法、比較法、移位寄存器法等，它們各有特點，其中常用的是查表法。單片機控制的步進電動機驅動電路框圖圖示是一個8031單

44、片機與步進電動機驅動電路接口連接的框圖。p1口的三個引腳經(jīng)過光電隔離、功率放大之后，分別與電動機的a、b、c三相連接。當采用三相六拍方式時，電動機正轉的通電順序為aabbbcccaa；電動機反轉的順序為aacccbbbaa。它們的環(huán)形分配如表5-1所示。把表中的數(shù)值按順序存入內(nèi)存的eprom中，并分別設定表頭的地址為tab0，表尾的地址為tab5。計算機的p1口按從表頭開始逐次加1的順序變化，電動機正向旋轉。如果按從tab5，逐次減1的順序變化，電動機則反轉。采用軟件進行脈沖分配雖然增加了軟件編程的復雜程度，但它省去了硬件環(huán)形脈沖分配器，系統(tǒng)減少了器件，降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。步序導

45、電相工作狀態(tài)數(shù)值（16進制）程序的數(shù)據(jù)表正轉 反轉cbataba0 0 101htab0 db 01hab0 1 103htab1 db 03hb0 1 002htab2 db 02hbc1 1 006htab3 db 06hc1 0 004htab4 db 04hca1 0 105htab5 db 05h計算機的三相六拍環(huán)形分配表3、單片機編程org ooooh ；主程序ljmp in-show ；調鍵入和顯示子程序ljmp pro ；調加工子程序ljmp startrun ；調電機運轉加工子程序endin-show: mov sp #60h ；鍵入和顯示子程序堆棧指針push pew ；保

46、護現(xiàn)場push accmov dptr、 #7fffh ；指向8279命令/狀態(tài)口地址mov a、 #0d1h ；設8279清除命令movx dptr、 a ；送入命令字wait： movx a、pptr ；讀入狀態(tài)字jb acc、7、wait ；等待清除mov a、#09h ；置鍵盤/顯示器工作方式命令，16字符顯示，左邊輸入movx dptr、a ；送入命令字mov ie，#84h ；開中斷1lcall key ；調鍵輸入子程序lcall dir ；調顯示子程序pop accpop pswretkey: org ；鍵輸入子程序push psw ；保護現(xiàn)場push accpush dphpu

47、sh dplmov a,#40h ；設置讀fifo命令字mov dptr,#7fffh ；指向命令狀態(tài)扣movx dptr,amov dptr,#7ffeh ；指向數(shù)據(jù)口地址movx a,dptr ；讀入鍵值ljmp key1 ；轉鍵值處理程序push dplpush dphpush accpush pswretikey1: org ；鍵值處理子程序acall ks ；調用ks判別有鍵按下jnz k1 ；有鍵按下轉移acall 10msdel ；無鍵按下，調延時10ms子程序ajmp key1k1: acall 10msdel acall 10msdel ；加延長時，消除抖動acall ks

48、；調用ks子程序，再次判別jnz k2 ；鍵按下，轉查列掃描ajmp key1 ；誤讀鍵，返回k2: mov r2,#ofeh ；首列掃描字送r12mov r4,#ooh ；首列號送r4k3: mov dptr,#sl ；sl經(jīng)譯碼后送dptrmov a,r2 ；使第0列線為0movx dptr,a ；列掃描字送sl口inc dptr ；指向rl口inc dptrmovx a,dptr ；讀取行掃描值jb acc.o,l1 ；第0行無鍵按下，轉查第1行mov a,#ooh ；第0行有鍵按下，該行行首鍵號#oh送aajmp lk ；轉求鍵號l1: jb acc.1,l2 ；第1行無鍵按下，轉查第2行mov a,#08h ；第1行有鍵按下，該行行首鍵號#08h送aajmp lk ；轉求鍵號l2: jb acc.2,l3 ；第2行無鍵按下，轉查第3行mov a,#1oh ；第2行有鍵按下，該行的行首鍵號#10h送aajmp lk ；轉求鍵號l3: jb acc.3,nex