畢業(yè)設(shè)計（論文）-XA5032普通立式銑床進行數(shù)控化改造

山東大學自學考試畢業(yè)設(shè)計(本科)PAGEPAGE37摘要數(shù)控機床即數(shù)字程序控制機床，是一種自動化機床，數(shù)控技術(shù)是數(shù)控機床研究的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床借助現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)、工序集約化和新的功能部件使機床的加工范圍、動態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高。本設(shè)計是對XA5032普通立式銑床進行數(shù)控化改造。為了實現(xiàn)把XA5032普通立式銑床改造成經(jīng)濟型數(shù)控銑床，Z進給系統(tǒng)進行數(shù)控改造，并增加了CNC裝置和伺服系統(tǒng)。對主傳動系統(tǒng)，我選用FANUC20MDC電動機通過帶傳動驅(qū)動主軸。對進給系統(tǒng)，我把原先的滑動絲杠換成滾珠絲杠，以提高精度和效率。通過單片機的設(shè)計，構(gòu)成控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：數(shù)控改造，滾珠絲杠，伺服系統(tǒng)ABSTRACTCNCmachinetoolsthatthedigitalprocesscontrolmachinetools,isanautomatedmachinetools,CNCnumericalcontrolmachinetooltechnologyisthecoreofthestudy,manufacturingautomation,networking,flexible,integratedbasis.Withthedevelopmentofmanufacturingtechnology,modernCNCmachinetoolswithmoderndesigntechniques,processintensificationandnewfeaturestomakemachinetools,machiningrange,dynamicperformance,machiningaccuracyandreliabilityhasimprovedgreatly.ThisdesignisXA5032ordinaryverticalmillingmachineNCtransformation.InordertoachievetheXA5032verticalmillingmachineintothegeneraleconomyCNCmillingmachine,IamagainstthismillingthemaindriveZtothefeedsystemNCtransformation,andtoincreasetheCNCservodevicesandsystems.Themaindrivesystem,IchooseFANUCKeyWords:NCtransformation,ballscrew,ServoSystem.前言隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快。因此，對數(shù)控機床的改造也就顯得比較重要，數(shù)控機床的設(shè)計與改造也成為工業(yè)發(fā)展的一個重要方面。該課題來源于生產(chǎn)實踐的需要，利用大量閑置舊機床，對其進行數(shù)控化改造后，成為一種高效的、多功能的經(jīng)濟型數(shù)控機床，是一種推陳出新、盤活存量資金的有效辦法，是低成本自動化的必由之路。數(shù)控機床即是采用了數(shù)控技術(shù)的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床?，F(xiàn)代數(shù)控機床都采用計算機（微型機算計）作為控制系統(tǒng)，它由CNC系統(tǒng)，機床主機及輔助裝置組成。數(shù)控機床的發(fā)展及目前的狀況：第一臺數(shù)控機床問世于美國，是為了適應(yīng)航空工業(yè)制造復雜零件的需要而產(chǎn)生的，70年代初以前，美國處于領(lǐng)先的地位，70年代中期，前蘇聯(lián)生產(chǎn)的數(shù)控機床在數(shù)量上趕超美國成為第一。1981年，日本超過了其他國家而成為世界上最大的數(shù)控機床生產(chǎn)國家。在國外數(shù)控機床的數(shù)量中，最多的是普通數(shù)控機床，特別是數(shù)控車床，但是發(fā)展最快的則是可以自動換刀具的加工中心，目前國際上研制的數(shù)控設(shè)備則是由加工中心為主體的柔性加工單元及柔性制造系統(tǒng)。我國的機床數(shù)控行業(yè)起步于1961年，到現(xiàn)在已有45年多的歷史了，70年代中期開始進入實用階段，但直至80年代初由于引進了國外數(shù)控系統(tǒng)及其關(guān)鍵器件，數(shù)控技術(shù)生產(chǎn)中才獲得較好的應(yīng)用，我國目前狀況是：數(shù)控系統(tǒng)已形成年產(chǎn)500套多功能數(shù)控機床和3000套經(jīng)濟型數(shù)控裝置的能力。我國已建立了以中、低檔數(shù)控機床為主的產(chǎn)業(yè)體系，20世紀90年代主要發(fā)展高檔數(shù)控機床。隨著科學生產(chǎn)力的發(fā)展，機床設(shè)備數(shù)控化率的提高已是衡量一個國家機械制造業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。據(jù)最近有關(guān)資料表明，我國機床總有量380余萬臺，其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率還不到3%，而一些發(fā)達國家早已達到20%以上，因此，我國機械制造水平與發(fā)達國家相比差距很大，設(shè)備陳舊，技術(shù)水平落后，嚴重的影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。數(shù)控未來發(fā)展的趨勢①往高精，高速，高柔性化及高復合化加工方向。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、科學計算可視化、插補和補償方式多樣化。數(shù)控化改造的優(yōu)點(1)投資額少。同購置新機床相比，可以節(jié)省20％～30％的費用。(2)熟悉了解設(shè)備、便于操作維修。購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。(3)由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓時間短，見效快。(4)可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。因此可節(jié)約費用，降低改造成本，同時也可縮短生產(chǎn)準備周期。在數(shù)控改造中應(yīng)注意的問題：⑴車床改造的工藝流程應(yīng)保留的部分：主軸箱，床身，大、中溜板，尾座等等。改造前，應(yīng)將機床大修處理：包括主軸箱傳動，精度調(diào)整，主軸徑向跳動及軸向竄動精度修復，機床導軌平面度及直線度，卡盤裝夾精度調(diào)整等。改造部分包括：增加數(shù)控裝置，X，Y，Z軸驅(qū)動器驅(qū)動電機，換裝X，Y，Z軸滾珠絲杠及電動刀架，增加必要的控制電器開關(guān)，冷卻液及潤滑裝置改造等。⑵滾珠絲杠的選用和安裝。⑶應(yīng)盡量消除齒輪副和絲桿副的間隙，齒輪全部采用雙片薄齒輪錯齒法消除嚙合縫隙。也可采用軟件補償進給量的方法消除。⑷銑床工作臺重，而且銑削力也較大，垂直絲桿要配備較大功率的驅(qū)動電動機，要在工作臺上加配重或平衡液壓缸來平衡。改造的主要內(nèi)容(1)恢復原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復；(2)CNC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床；(3)翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部件重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；(4)技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。目錄前言 2第一章數(shù)控機床的概述 61.1數(shù)控機床 61.1.1數(shù)控機床的概念 61.1.2數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展簡史 61.1.3數(shù)控機床的特點 71.1.4數(shù)控機床組成 71.1.5機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 7第二章銑床機械機構(gòu)的改造設(shè)計 92.1概述 92.1.1數(shù)控銑床機械結(jié)構(gòu)的主要特點 92.2數(shù)控改造的計算設(shè)計 102.2.1縱向方向（X軸）的設(shè)計： 102.2.2銑削力Fc的計算 102.2.3滾珠絲杠所受的平均軸向載荷Fm的計算 112.2.4絲杠副工作負荷計算及絲杠型號的選擇 122.2.5傳動效率的計算 142.2.6剛度驗算 142.2.7穩(wěn)定性的驗算 152.2.8齒輪傳動設(shè)計的有關(guān)計算： 162.2.9步進電機型號的計算選擇 162.2.10縱向步進電機選擇計 172.2.11步進電機動載荷矩頻特性和運行矩頻特性 212.3橫向(Y軸)的設(shè)計 21第三章普通銑床的電氣改造部分 233.1數(shù)控系統(tǒng) 233.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 243.3鍵盤、顯示器接口設(shè)計 263.4控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 283.4.1步進電機控制程序設(shè)計 283.4.2LED動態(tài)顯示接口程序設(shè)計 31結(jié)論 33致謝 34參考文獻 35第一章數(shù)控機床的概述1.1數(shù)控機床1.1.1數(shù)控機床的概念數(shù)控機床是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床，既包括NC機床，也包括CNC機床，數(shù)字控制機床，簡稱NC機床。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它能控制機床的運動和加工過程。計算機數(shù)控機床簡稱CNC機床，是利用具有專門存儲程序的計算機來實現(xiàn)對機床的全部或部分控制系統(tǒng)。工作原理是:將數(shù)控加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制主運動的變速，起停，進給運動的方向、速度和位移大小、以及諸如刀具的選擇、交換、工作夾緊、松開和冷卻的起、停等動作，使刀具與工件及其他輔助裝置嚴格按數(shù)控程序的要求進行工作。1.1.2數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展簡史隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，因此對加工機械產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)設(shè)備機床也相應(yīng)地提出了高性能、高精度與高自動化的要求。在機械產(chǎn)品中，單位與小批量產(chǎn)品占到70%80%，這類產(chǎn)品一般都采用通用機床加工，當產(chǎn)品改變時，機床與工藝裝備均需作相應(yīng)的變換和調(diào)整，而且通用機床的自動化程度不高，基本上需要人工操作，難以提高生產(chǎn)效率和保證生產(chǎn)質(zhì)量。特別是一些有曲線、曲面輪廓組成的復雜零件，只能借助靠模和仿形機床，或者借助劃線和樣板手工操作的方法來加工，加工精度和生產(chǎn)效率受到很大的限制。數(shù)字控制機床就是為了解決單位、小批量，特別是復雜型面零件加工的自動化，并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的。數(shù)控機床的發(fā)展簡史在美國誕生了第一臺數(shù)控機床后，可劃分為兩個階段：第一階段：數(shù)控階段（1952～1970年）。早期采用數(shù)字邏輯電路組合成一臺機床，專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控，簡稱為數(shù)控。第二階段：計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）。到1970年，通用小型計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控階段。1.1.3數(shù)控機床的特點與普通機床相比，數(shù)控機床有如下特點：1.加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；2.可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件；3.加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準備時間；4.機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高（一般為普通機床的3～5倍）；5.機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；6.對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高。1.1.4數(shù)控機床組成數(shù)控機床一般由下列幾個部分組成：1.主機，是數(shù)控機床的主體，包括機床身、立柱、主軸、進給機構(gòu)等機械部件。它是用于完成各種切削加工的機械部件。2.數(shù)控裝置，是數(shù)控機床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。3.驅(qū)動裝置，是數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。它在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進給驅(qū)動。當幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。4.輔助裝置，指數(shù)控機床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。5.編程及其他附屬設(shè)備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。1.1.5機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性數(shù)控機床是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它集精密、柔性和集成與一身，它可以較好的解決形狀復雜、精密、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)濟實用產(chǎn)品“經(jīng)濟型數(shù)控裝置”的技術(shù)指標不斷的提高，產(chǎn)品的更新和完善的進度不斷的加快，產(chǎn)量不斷的提高，故有廣闊的前景，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行改造。而我國在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家落后約20年。隨著我國現(xiàn)代化制造的不斷推進，每年都有大量機電產(chǎn)品進口，這就說明了機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。第二章銑床機械機構(gòu)的改造設(shè)計2.1概述隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快。因此，對數(shù)控機床的改造也就顯得比較重要，數(shù)控機床的設(shè)計與改造也成為工業(yè)發(fā)展的一個重要方面。銑床的應(yīng)用十分廣泛，主要用于加工面或成型表面。若要在立式銑床上加工圓弧、凸輪等特殊類平面時，就要借助于圓工作臺、分度頭等機床附件，并對機床進行整體調(diào)整。加工精度較低，基礎(chǔ)調(diào)整工作費事。所以，為提高工件的加工精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，便于加工圓弧面和凸輪的曲面等，可以利用數(shù)控方法對銑床進行數(shù)控化改造。普通銑床經(jīng)濟型數(shù)控化改造包括兩個方面，即機床電器的數(shù)控化改造和機床本體的數(shù)控化改造。2.1.1數(shù)控銑床機械結(jié)構(gòu)的主要特點(1)可以加工出傳統(tǒng)銑床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確的算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。(2)可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)銑床提高(3～7)倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控銑床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。(3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。(4)可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在銑床間的頻繁搬運。(5)由以上四條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力(一個人可以看管多臺銑床)，減少了裝卸，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求做出快速反應(yīng)等。2.2數(shù)控改造的計算設(shè)計2.2.1縱向方向（X軸）的設(shè)計：工作臺的進給運動是由步進電動機由一級消隙齒輪經(jīng)滾珠絲杠螺紋副，帶動工作臺移動。其中在縱向（Ｘ軸）進給系統(tǒng)的改造布置中，滾珠絲杠、軸承支架固定在工作臺上，隨工作臺移動。步進電動機經(jīng)降速齒輪和滾珠絲杠的螺母固定在床鞍上，通過滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)工作臺與床鞍之間的相對移動。滾珠絲杠螺母副，它的特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦，絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點有：（1）傳動效率高，摩擦損失小，使用壽命長。（2）給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，防止失步；定位精度高，剛度好。（3）有可逆性絲杠和螺母都可以作為主運動件，故可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。（4）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。XA5032機床的主要技術(shù)規(guī)格：如表2-1所示機床進給部件參數(shù)初選：縱向工作臺及夾具重量：=2200N（估計值）滾珠絲杠的基本導程： =8mm螺紋升角：行程：S=680mm（最大縱向行程）快速進給速度：取=2.5m/min（經(jīng)驗值）2.2.2銑削力Fc的計算現(xiàn)在以工作壽命和實際加工過程中的最大銑削力為基礎(chǔ)進行設(shè)計計算，以確保平常工作狀態(tài)下的工作安全和可靠。工件材料為：40鍛件并調(diào)質(zhì)銑削寬度：22mm銑削深度：5mm刀具直徑：mm每齒切厚：0.08mm/Z刃齒數(shù)：4刀具材料為：高速剛立銑刀表2-1XA5032基本技術(shù)規(guī)格：工作臺工作面積寬*長mm320*1250承載重量kg500T型槽數(shù)目個3T型槽寬度mm18T型槽間距mm70行程X向（工作臺縱向）手動/機動mm700/680Y向（滑座橫向）手動/機動mm255/240Z向（升降臺垂向）手動/機動mm370/350進給切削進給速度mm/minX，Y：23.5-1180，Z：8-394快速移動進給速度mm/minX，Y：2300Z：770進給級數(shù)Step18進給電機功率KW1.5其他機床外形尺寸（長*寬*高）mm2272*1770*2094機床凈重（約）kg2800據(jù)?機床設(shè)計手冊?有公式：≈1500N2.2.3滾珠絲杠所受的平均軸向載荷Fm的計算用高速鋼立銑刀逆銑合金剛時，工件的切削力可查?數(shù)控機床書?中得:縱向進給力（取中間值：1.1）=1.1=1.1×1500=1650N橫向進給力（取中間值：0.375）=0.375=0.375×1500=562.5N垂直進給力（取中間值：0.25）=0.25=0.25×1500=375N故可知在插補平面內(nèi)的合力為:=1734N那么絲杠所受的平均工作載荷：所以絲杠軸向所受載荷：＝其中為橫向分力=×0.85=1275NMg為縱向工作臺及夾具重量Mg=2200N為顛覆力矩影響系數(shù)取1.1M為當量摩擦系數(shù)M取1.18那么=1.1×1162+0.18×(2200+1275)=1903N2.2.4絲杠副工作負荷計算及絲杠型號的選擇初始估計絲杠的基本導程為mm現(xiàn)在根據(jù)最大當量動載荷計算公式：式中： 運轉(zhuǎn)系數(shù)，取 精度系數(shù)，取 絲杠所受軸向載荷（）， 壽命值，可據(jù)公式 為絲杠平均轉(zhuǎn)速（r/min）=156.3r/min式中：最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的則： 使用壽命時間，據(jù)查《經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計手冊》取T=15000小時L ≈140.625從而， 根據(jù)《機床設(shè)計手冊》得，故可選絲杠型號為：（內(nèi)循環(huán)浮動返向器），的基本尺寸為：公稱直徑：=50mm，螺距：=8mm剛球直徑：=5mm，螺紋升角，=絲杠外徑，d=-(0.2～0.3)=48.9螺紋底徑，=30mm其動載荷=25000>=13194N故選擇符合要求，絲杠可用。2.2.5傳動效率的計算根據(jù)《機械設(shè)計原理》滾珠絲杠的傳動效率η的計算公式為： 式中：絲杠的螺旋升角，由以上參數(shù)表知，=摩擦角，滾珠絲杠副的摩擦角θ≈10′則可得：=97%2.2.6剛度驗算滾珠絲杠受工作負荷引起的導程的變化量：其中：彈性模量對于鋼為：滾珠絲杠橫截面積：F（）而：則：/EFcm滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可以忽略，故；故導程的變形誤差為：查表得E級精度絲杠所允許的螺紋誤差（1m長）為15/，故剛度足夠。2.2.7穩(wěn)定性的驗算(1)臨界壓縮載荷的驗算由于縱向（X軸）的滾珠絲杠兩端采用的是滾珠絲杠螺紋副固定，絲杠一般不會受壓，又由于機床的原普通絲杠的直徑大于滾珠絲杠的直徑，故穩(wěn)定性一定能滿足要求。(2)臨界轉(zhuǎn)速的驗算由計算得已知絲杠平均工作轉(zhuǎn)速為： 因此，必須進行臨界轉(zhuǎn)速的驗算，即：其中式中符號表示： 絲杠的最大轉(zhuǎn)速： 絲杠支承方式系數(shù)?。ㄒ驗闆]有受壓）=9910絲杠的長度。=工作最大行程+螺母長度+兩端余量（取40mm）螺母長度由《機床零部件設(shè)計》上可查得，絲杠設(shè)計部分=680+（131+40）×2=680+342=1022mm支撐跨距應(yīng)略大于取=1100臨界轉(zhuǎn)速計算長度=680+131+40+=811+40+39=8=9533可見滿足： 所以滿足穩(wěn)定性的要求。2.2.8齒輪傳動設(shè)計的有關(guān)計算：由于初選的步進電動機（110BF004）的系統(tǒng)脈沖當量為=0.01mm/step。步距角為：絲杠導程為：如果不采取齒輪傳動，那么每個脈沖對應(yīng)的絲杠螺母傳動的距離為：所以需要有減速機構(gòu)，也就是要設(shè)計齒輪減速。采用減速齒輪具有如下特點：=1\*GB3①便于配置出所要求的脈沖當量；=2\*GB3②減小工作臺以及絲杠折算到電動機軸上的慣量；=3\*GB3③放大電動機輸出扭矩，即增大工作臺的推力。但采用減速齒輪會帶來額外的傳動誤差，使機床的快速移動速度降低，并且其自身又引入附加的轉(zhuǎn)動慣量，這些應(yīng)引起注意。2.2.9步進電機型號的計算選擇步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電信號轉(zhuǎn)換成響應(yīng)角位移的機電元件。每輸入一個脈沖，步進電動機轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定角度，它與普通的勻速旋轉(zhuǎn)的電動機不同，它是步進式的，所以稱步進電機。它的優(yōu)點有：角位移輸出與輸入的脈沖數(shù)相對應(yīng)，改變通電順序可以改變步進電機的旋轉(zhuǎn)方向；步矩誤差不會長期積累；在負載范圍內(nèi)步矩角和轉(zhuǎn)速不受電源電壓波動的影響，而僅與脈沖頻率有關(guān)；維持控制繞組的電流不變，電機便停在某一位置上不動，即步進電機有自整角能力，不需要機械制動，步矩角可在很大的范圍內(nèi)變化；步進電機的主要特性：步矩角、啟動頻率、連續(xù)運行頻率和加減速特性。步進電機的缺點是效率低，拖動負載的能力不大，脈沖當量不能太小，調(diào)整范圍不大，最高輸入脈沖頻率一般不超過18000Hz。數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機的基本要求是調(diào)速范圍寬，伺服電機需滿足調(diào)速要求。負載特性硬，在調(diào)速范圍內(nèi)電機應(yīng)有足夠的驅(qū)動力矩，動態(tài)響應(yīng)快，為了使步進電機正常工作運行（不失步、不超程），正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，電機最大靜轉(zhuǎn)矩（步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)），必須大于電機的實際最大啟動力矩。電機的運行頻率必須大于電機實際最高工作頻率。系統(tǒng)脈沖當量是機床移動部件相對于每一個進給脈沖信號的位移量，其大小視機床的加工精度而定。根據(jù)XA5032銑床工作狀況選系統(tǒng)脈沖當量為0.01mm/step。步矩角。根據(jù)同類型的機床及以往的經(jīng)驗，結(jié)合重量輕、功耗小、外觀尺寸和與步距角相配合的原則，初選步進電動機類型，然后驗算是否滿足使用要求，否則選取其它型號，最后直到滿足要求為止。初選步進電機型號為：110BF004反應(yīng)式步進電動機。2.2.10縱向步進電機選擇計算(1)根據(jù)《機電一體化基礎(chǔ)》所提供的計算公式：式中：折算到電機軸的慣量；小大齒輪的慣量；絲杠慣量；橫向工作臺及夾具重量，；絲杠螺距，；(2)負載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇計算快速空載起動時所需力矩依據(jù)公式：式中：快速空載起動力矩；空載起動時折算到電機軸上最大加速力矩；折算到電機軸上的摩擦力矩；由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩；又：式中：--慣量和，；--電機最大角加速度；又： 其中：--電機最大轉(zhuǎn)速；--運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間取25ms又：則： 則： 故： 又因為： 式中：導軌的摩擦力；傳動鏈總效率，一般可取，現(xiàn)?。挥郑菏街校?垂直方向的切削力，； 導軌摩擦系數(shù)，(貼塑導軌)； 橫向工作臺及夾具重量，；則：=103N故：又：式中：滾珠絲杠預加載荷，??；滾珠絲杠預緊時的傳動效率，；故： =140+9.8+3.7=153.5(4)快速進給時所需力矩依據(jù)公式：而：故有：(5)最大切削負載時所需力矩根據(jù)公式：式中：折算到電機軸上的切削負載力矩；又有公式： 式中：進給方向最大切削力，；則：故： (6)最大靜轉(zhuǎn)矩選擇依據(jù)文獻《實用機床設(shè)計手冊》上，有：①對于在最大切削力下工作時所需要電機最大靜轉(zhuǎn)矩為： ②對于空載起動時所需要的電機最大靜轉(zhuǎn)矩為： 由①和②可知，以計算得：恒大于所以就以作為選取步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。而初選的步進電機為110BF004，它的最大靜轉(zhuǎn)矩為：所以初選的步進電機型號符合要求。2.2.11步進電機動載荷矩頻特性和運行矩頻特性由《數(shù)控技術(shù)》得：動矩頻特性： =4167Hz運行矩頻特性： 其中： 最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的，現(xiàn)取中間值，即。所以：=2431由步進電機110BF004的矩頻特性和運行矩頻特性參數(shù)可以看出所選步進電機在起動時力矩是滿足要求的。所以最終就確定步進電機的型號為：110BF004反應(yīng)式步進電動機。2.3橫向(Y軸)的設(shè)計Y軸的絲杠選擇與X軸一樣為FFZD5008，內(nèi)循環(huán)浮動返向器。Y軸的齒輪副設(shè)計也與X軸相同，這里不再累贅。Y軸方向步進電動機的選擇：Y軸銑削圓周力：=1500N則有Y向絲杠牽引力：=+1.414f=1500+1.414×4410×0.01=1562N則有電機軸負載力矩：其中：導軌摩擦系數(shù)，取0.1步進電機步矩角為0.75Y向絲杠牽引力f當量摩擦系數(shù)取0.01若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為：可取安全系數(shù)極限值0.3，則有：對于工作方式為五相十拍的五相步進電機最大啟動力矩：電機最大工作頻率：綜合以上可選取步進電機型號為：110BF004反應(yīng)式步進電動機。步進電機110BF004的外型尺寸為：，軸徑為。第三章普通銑床的電氣改造部分3.1數(shù)控系統(tǒng)機電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)的控制對象主要包括各種機床，如車床、銑床、磨床等等?？刂葡到y(tǒng)的基本組成如圖3-1所示:通信接口通信接口軟件微機步進電機驅(qū)動電路步進電機機床開關(guān)量控制電路主運動驅(qū)動電路主軸電動機圖3-1EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)所屬的數(shù)控標準委員會的定義：“CNC是用一個存儲程序的計算機，按照存儲在計算機內(nèi)的讀寫存儲器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計算機之外的唯一裝置是接口”。ISO（國際標準化組織）的定義：“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機床移動和加工零件?！睌?shù)控系統(tǒng)分輪廓控制和點位控制系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運算、處理和控制的計算機，即數(shù)字控制裝置。數(shù)控裝置有兩種類型：一是完全由硬件邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控裝置，即NC裝置，NC裝置是數(shù)控技術(shù)發(fā)展早期普遍采用得數(shù)控裝置；二是由計算機硬件和軟件組成的計算機數(shù)控裝置，即CNC裝置，它是由硬件和軟件共同完成或是在硬件的支持下由軟件單獨實現(xiàn)全部數(shù)控功能。從外部特征看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。它們二者是互相支持，不可分割的，CNC的工作是在硬件的支持下，由軟件來實現(xiàn)或大部分數(shù)控功能。3.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(1)數(shù)控部分采用MCS-51系列的8031單片機實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的主控制。用8031外接3片2764（E-PROM），一片6264（RAM）及一片8255（擴展I/O），一片8155芯片，擴一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。2764用作程序存儲器，6264用來擴展8031的RAM存儲器，8155用作鍵盤和顯示接口，8255用于接收控制面板上多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制信號。圖3-2為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖。圖3-2當單片機系統(tǒng)控制X、Y軸某一臺步進電機單動時，可實現(xiàn)銑床橫向、縱向的直線進給；當控制X-Y軸配合聯(lián)動時，可實現(xiàn)水平面內(nèi)直線、斜線、圓弧及復合軌跡的加工，可以近似地復合出水平面內(nèi)非圓曲線。在銑床原有加工功能的基礎(chǔ)上，其控制精度和加工精度遠高于普通銑床。(2)MCS-51單片機的時鐘電路時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。MCS-51片內(nèi)有一個反相放大器，XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器，產(chǎn)生的時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件。單片機的時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，大多單片機應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式。最常用的內(nèi)部時鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，不論是HMOS還是CHMOS型單片機，其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。如圖3-3所示:圖3-3內(nèi)部時鐘方式的時鐘電路MCS-51單片機允許的振蕩晶體可在1.2MHz-24MHz之間可以選擇，一般取11.0592MHz。電容C1、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1、C2可在20pF-100pF之間選擇，一般當外接晶體時典型取值為30pF，外接陶瓷諧振器時典型取值為47pF，取60pF-70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。在設(shè)計印刷電路板時，晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機XTAL1、XTAL2引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。(3)MCS-51單片機的復位電路計算機在啟動運行時都需要復位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的，MCS-51單片機有一個復位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發(fā)輸入，當振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期(即24個時鐘周期)以上的高電平，使器件復位，只要RST保持高電平，MCS-51便保持復位狀態(tài)。此時ALE，，P0，P1，P2，P3口都輸出高電平。RST變位低電平后，退出復位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作復位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容。MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。通常因為系統(tǒng)運動等的需要，常常需要人工按鈕復位，如圖3-4所示:圖3-4對于CMOS型單片機因RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻，故電阻R2可不接。單片機在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個機器周期以上的高電平(因為振蕩器從起振到穩(wěn)定大約要10ms)，就能使單片機有效復位。當晶體振蕩頻率為12MHz時，RC的典型值為C=10μF，R=8.2KΩ。簡單復位電路中，干擾信號易串入復位端，可能會引起內(nèi)部某些寄存錯誤復位，這時可在RST引腳上接一去耦電容。上圖那上電按鈕復位電路只需將一個常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復位電路，按下開關(guān)一定時間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機復位。3.3鍵盤、顯示器接口設(shè)計（1）矩陣式鍵盤接口設(shè)計矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列交叉點上。如一個4×4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個含有16個按鍵的鍵盤等等。在按鍵數(shù)量較多時，矩陣鍵盤比獨立鍵盤節(jié)省了很多I/O口。按鍵設(shè)置在行、列線分別連接到按鍵開關(guān)兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平亦為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平。所以，必須將行、列線信號配合起來并作適當?shù)奶幚恚拍艽_定閉合鍵的位置。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，所以分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩值合成一個字節(jié)，高4位是行號，低4位是列號將是非常直觀的。（2）顯示器接口設(shè)計在單片機系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED。LED顯示塊由發(fā)光二極管顯示字段組成，有7段和“米”字型之分，一片顯示塊顯示一位字符。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的段被顯示。由于7段LED顯示塊有7個段發(fā)光二極管，所以其字形碼為一個字節(jié)；“米”字形LED顯示塊有15段發(fā)光二極管，所以字形碼為兩個字節(jié)。由n片LED顯示塊可拼接成n位LED顯示器，共有n根位選線和8×n根段選線，根據(jù)顯示方式不同，位選線和段選線的連接也各不相同，段選線控制顯示字符的字型，而位選線則控制顯示位的亮、暗。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。在多位LED顯示時，為了節(jié)省I/O口線，簡化電路，降低成本，一般采用動態(tài)顯示方式。動態(tài)顯示方式是一位一位地分別輪流點亮各位顯示器，對每位顯示器來說，每隔一段時間輪流點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關(guān)，也與點亮和熄滅時間的比例有關(guān)。這種顯示方式將七段LED顯示器的所有段選位并聯(lián)在一起，由一個8位I/O口控制，實現(xiàn)各位顯示器的分時選通。下圖3-5是LED顯示器采用共陰極方式，6個顯示器的段選碼由8155的PB口提供，位選碼由8155的PA口提供（PA口同時也提供行列式未編碼鍵盤的列線），行列式未編碼鍵盤的行線由PC口提供。圖中設(shè)置了36個鍵。如果繼續(xù)增加PC口線，設(shè)全部PC口線（PC0-PC5）用作鍵盤的行線，全部PA口線（PA0-PA7）作鍵盤列線，則按鍵最多可達8×6個。下圖3-5中8155的PB口掃描輸出總是只有一位為高電平，即PB口經(jīng)反相后僅有一位公共陰極為低電平，8155的PA口則輸出相應(yīng)位（PB口輸出為高對應(yīng)的位顯示器）的顯示數(shù)據(jù)，使該位顯示與顯示緩沖器相對應(yīng)的字符，而其余各位均為熄滅，依次改變8155的PB口輸出為高的位，PB口輸出對應(yīng)的顯示緩沖器的數(shù)據(jù)。圖3-53.4控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.4.1步進電機控制程序設(shè)計我們知道步進電動機的控制需要變頻信號源、環(huán)形分配器以及功率放大器等硬件。而在微機控制步進電機的驅(qū)動的系統(tǒng)中，變頻信號和環(huán)形分配器可用軟件代替，并且還可以方便地實現(xiàn)步進電機的加減速控制。我們設(shè)計所選用的步進電機是五相十拍的。8255的PA口為輸出口，分別控制步進電機的A、B、C、D、E五相，由軟件實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能，PA口分別輸出時序脈沖，經(jīng)光電隔離，驅(qū)動放大使步進電機轉(zhuǎn)動。五相十拍的步進電機的通電方式為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA。按以上順序通電，步進電機正轉(zhuǎn)，按反相通電，步進電機反轉(zhuǎn)。由8255的PA口輸出控制字，即可實現(xiàn)對步進電機的正反轉(zhuǎn)控制。同時在兩控制字之間加入一定的延時時間，延時時間的長短決定可步進電機運行一拍得時間，從而也就決定了步進電機的轉(zhuǎn)速。步進電機控制程序的框圖如圖3-6：保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場設(shè)步長計數(shù)器轉(zhuǎn)向標志為1？置正轉(zhuǎn)控制字指針置反轉(zhuǎn)控制字指針輸出控制字延時、控制字地址指針+1是結(jié)束標志總步數(shù)為0？恢復控制字首指針恢復現(xiàn)場返回YYN圖3-6步進電機控制的程序框圖步進電動機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序如下：PUSHA；保護現(xiàn)場MOVR4，#N；設(shè)步長計數(shù)器CLRC；ORLC，D5H；轉(zhuǎn)向標志為1轉(zhuǎn)移JCROTE；MOVR0，#20H；正轉(zhuǎn)控制字首指針AJMPLOOP；ROTE:MOVR0，#27H；反轉(zhuǎn)控制字首指針LOOP:MOVA，@R0；MOVP1，A；輸出控制字ACALLDELAY；延時INCR0；指針加1MOVA，#00H；ORLA，@R0；JZTPL；是結(jié)束標志轉(zhuǎn)移LOOP1:DJNZR4，LOOP；步數(shù)不為零轉(zhuǎn)移POPA；恢復現(xiàn)場RET；返回TPL:MOVA，R0；CLRC；SUBBA，#06H；MOVR0，A；恢復控制字首指針AJMPLOOP1DELAY:MOVR2，#M；DELAY1:MOVA，#M1；LOOP:DECA；JNZLOOP；DNJZR2，DELAY1；RET；上述程序的延時是由循環(huán)程序完成的，在CPU繁忙的情形下，可通過定時器延時，中斷方式輸出控制字。3.4.2LED動態(tài)顯示接口程序設(shè)計LED動態(tài)顯示接口MOD：PUSHACC；保護現(xiàn)場PUSHDPHPUSHDPLSETBRS0MOVR0，#CWR；指向8155控制口MOVA，#4DH；設(shè)置8155工作方式字MOVX@R0，A；設(shè)A口、C口都為輸入DIR：MOVR0，#DIS5；指向顯示緩沖區(qū)首單元MOVR6，#20H；選中最左數(shù)碼管MOVXR7，#00H；設(shè)定顯示時間MOVDPTR，#TAB；指向字形表首址DIRI：MOVA，#00HMOVR1，#POC；指向8155A口（字形口）MOVX@R1，AMOVXA，@R0；取要顯示的數(shù)MOVCA，@A+DPTR；查表得字形碼MOVR1，#POA；指向8155A口（字形口）MOV@R1，A；送字形碼MOVA，R6；取位選字MOVR1，#POC；指向位選口MOV@R1，A；送位選字HERE：DJNZR7，HERE；延時INCR0；更新顯示緩沖單元CLRCMOVA，RaRRCA；位選字移位MOVRa，AJNZDIR1；未掃描完繼續(xù)循環(huán)CLRRS0；恢復現(xiàn)場POPDPLPOPDPHPOPACCRETTAB：DB3FH，06，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07；0—7DB7FH，6FH，77H，7CH，39H，5EH，79H，71H；8—0FH結(jié)論依照我國目前的數(shù)控機床發(fā)展狀況及我國的國情，對原有的普通機床進行數(shù)控化改造是符合當前國情的。對普通立式銑床XA5032改造為了擴大產(chǎn)品加工范圍和提高加工精度、效率、質(zhì)量，進而滿足市場多變的要求：小批量、多品種、柔性化加工。改造后的XA5032能夠完成加工鍵槽、平面和孔等一般加工，還能加工復雜的零件，且精度高。在做畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，針對普通銑床的數(shù)控化改造設(shè)計的這個課題，我查閱了大量資料，制訂出了改造方案，使XA5032普通立式銑床達到數(shù)控銑床的要求，實現(xiàn)數(shù)控銑床的功能，是一種成本低，性能高的優(yōu)選方案。但是由于本人知識、經(jīng)驗的不足，在有些地方可能有些錯誤，希望各位老師能夠見諒。致謝在完成本設(shè)計過程中，各位輔導老師的認真負責，不厭其煩的教學態(tài)度給我留下了深刻的印象。為我們講解知識難點和修正錯誤，教導我們在設(shè)計中要注意的問題，以及查找資料等等，才能讓我能順利地完成該課題的論文。各位輔導老師的教學態(tài)度和追求科學真理的精神永遠值得我們學習。我不僅僅是學到了知識，更是學到了一種做人的道理和理念。在各位輔導老師身上，我看到了作為老師的偉大和崇高。在我以后的生活和工作中，所有的這一切都讓我受益匪淺，對完美的不懈追求的精神及做事的科學態(tài)度，將讓我終身受益，各位輔導老師是值得尊敬的。在校學習的四年期間，各個任課老師的言傳身教，解答疑問，為我們學習到最基礎(chǔ)，最扎實的公共課程和專業(yè)知識做出了