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江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） XA5032 普通铣床的数控化改造设计普通铣床的数控化改造设计-1 学院名称： 机械与汽车工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 08 机电 1W 学 号： 姓 名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 教 授 二一二 年 六 月 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） I XA5032 普通铣床的数控化改造设计-1 摘 要：数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进设 备。随着先进制造业的发展，对普通机床数控化改造已经成为摆在我们面前迫 切而艰巨的任务。本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过 对 XA5032 旧机床的分析，结合机床改造的总体思想，提出了数控化改造的技术 方案和新数控系统的选型配置方案。以 MCS-51 型单片机为控制处理芯片，进 行了机械传动系统的改造设计，机床各主要参数的优化和匹配及机床的调试运 行，实现 X、Y 两坐标联动改造,使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面 及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂的零件。改造后的数控机床具有高精、 高效及加工产品范围广等特点。 关键词：数控改造；数控系统；XA5032 铣床；单片机 NC Transformation of XA5032 Milling Machine Abstract: NC(numerical control)machine is the representative of advanced equipmemt in current mechanical manufacture industryWith the developing of modem manufacture industry,to study the ordinary milling-machines retrofitted with NC has becoming more urgent and arduous for usAfter introducing NC machines history and current status and the analysis of old machine XA5032,a novel scheme for NC machine retrofitted and new NC machine selection is proposed.By using MCS-51 singlechip as the control chip,the design and adjustment for the electric system have been completed. The main parameters of the machine have been confirmed and optimized too.The numerization rebuilding of XA5032 milling machine is used for machining keyway,plane and hole etc,but also,it can manufacturing complicated shap.The accuracy and function of machine in finally 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） II have been improved. Keywords: NC transformation,NC system,XA5032 Milling machine,SCM 目录 序 言.1 第 1 章 绪 论.2 1.1 数控系统的发展及趋势.2 1.1.1 数控 NC 阶段.2 1.1.2 计算机数控.2 1.1.3 数控未来发展的趋势.3 1.2 数控铣床加工的基本原理.3 1.3 数控加工工艺设计.5 1.4 机床数控化改造的必要性.6 1.4.1 微观看改造的必要性.6 1.4.2 宏观看改造的必要性.6 第 2 章 设计方案的确定.8 2.1 设计任务.8 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） III 2.2 总体设计方案的确定.8 2.2.1 动力的选定.8 2.2.2 控制部分的设计.9 第 3 章 数控系统硬件电路设计.11 3.1 数控系统基本硬件组成.11 3.2 单片机控制系统的设计.12 3.3 步进电机控制程序设计.13 第 4 章 机械部分改造与计算.15 4.1 原始数据分析.15 4.2 滚珠丝杠螺母副的选用设计（X 向）.16 4.2.1 滚珠丝杠副的传动原理.17 4.2.2 滚珠丝杠副的传动特点.17 4.2.3 滚珠丝杠副的结构与调整.18 4.2.3 轴向间隙的调整和加预紧力的方法.19 4.2.5 铣削力的计算.21 4.2.6 强度计算.22 4.2.7 刚度验算.22 4.2.8 效率计算.23 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） IV 4.2.9 稳定性验算.23 4.3 齿轮间隙消除弹簧的计算（X 轴）.23 4.4 运动部分转动惯量计算（X 轴）.24 4.5 伺服电机的选择（X 向）.25 第 5 章 零件的设计与计算.26 5.1 齿轮的设计与校核.26 5.1.1 Z3、Z4齿轮的强度校核.27 5.1.2 其他齿轮对的强度校核.31 5.2 轴系零部件的强度校核与寿命计算.32 第 6 章 经济分析.35 第 7 章 数控加工与典型零件加工程序设计.36 7.1 数控加工工艺特点.36 7.1.1 数控加工工艺的内容.36 7.1.2 数控加工工艺的特点.36 7.2 数控加工工艺分析与设计.37 7.2.1 数控加工的合理性分析.37 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） V 7.2.2 零件的工艺性分析.39 7.2.3 确定工艺过程和工艺路线.39 7.2.4 选择刀具和切削用量.40 7.3 零件加工程序设计列举.41 7.3.1 数控铣床的加工对象.41 7.3.2 零件加工程序设计举例.42 结 论.45 参考文献.46 致 谢.47 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） VI 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 47 页 序 言 该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对其进行数控化改 造后，成为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存 量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。 数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业 的渗透形成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域：机械制 造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技 术等。 数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。 现代数控机床都采用计算机（微型机算计）作为控制系统，它由 CNC 系统，机 床主机及辅助装置组成。 数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密，柔性，和集成与一身， 它可以较好的解决形状复杂，精密，小批多变的零件加工问题，能够稳定加工 质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可 靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装 置”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断 的提高，故有广阔的前景， 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 47 页 第 1 章 绪 论 1.1 数控系统的发展及趋势 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分 代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力 劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6 年后， 即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从 此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和 六代的发展。 1.1.1 数控 NC 阶段（1952 年-1970 年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但 不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床 专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC） ，简称为 数控（NC） 。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即 1952 年的第一代 电子管；1959 年的第二代晶体管；1965 年的第三代小规模集成电路。 1.1.2 计算机数控（CNC）阶段（1970 年-现在） 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为 数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应 有的“通用”两个字省略了） 。到 1971 年，美国 INTEL 公司在世界上第一次将 计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成 在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR） ，又可称为中央处理单 元（简称 CPU） 。 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 47 页 到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控 制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控） ，不如采用 微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度 和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计 算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了 1990 年，PC 机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很 高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC 的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代小型计算机； 1974 年的第五代微处理器和 1990 年的第六代基于 PC（国外称为 PC- BASED） 。 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国仍 习惯称数控（NC） 。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。 1.1.3 数控未来发展的趋势 1.继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点， 更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机， 来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断 和维修将更加普遍。 2.向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3.向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将 不断提高。 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 47 页 1.2 数控铣床加工的基本原理 数控控制（Numerical Control）是用数字化信号对机床的运动及其加工过程 进行控制的一种控制方法。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化 工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术 为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品， 即所谓的数字化装备，其技术范围所覆盖的领域又：机械制造技术；微电子技 术；信息处理加工传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检验监控技术； 传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业 的是能技术和最基本的装备。在提高生产率，降低成本，保证加工质量及改善 工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代， 小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。 数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国 际信息处联盟（International Federation of Information Processing，IEIP）第五技 术委员会，对数控机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控制系统的 机床。该系统能逻辑的处理具有使用码或其他符号编码指令规定的程序。 数控铣床是发展最早的一种数控机床，以主轴位于垂直方向的立式铣床居 多。铣床的主轴只作旋转运动，工作台带动工件作纵，横，垂直三个方向的进 给运动，称为升降台式铣床。为了提高刚度，目前多采用主轴既作旋转主运动， 又随主轴箱升降台作垂直进给运动，工作台只作纵横 2 个方向的进给运动的不 升降类型铣床。立式数控铣床加工平面凸轮零件，只需要工作台沿横纵 2 个坐 标协调运动，即可以同时到达平面曲面的某一点这种加工轨迹的控制，称为两 坐标联动控制（两轴联动） 。当加工圆锥台零件时，依靠工作台纵横两坐标协调 运动完成圆周加工，加工完一圈后，再沿锥台高度方向提升一个高度，接着改 变圆的直径（X，Y 的合成值）加工另一圆周，如此下去，直至加工出整个锥 台，这称为两轴半控制。如果在圆锥上加工一条螺旋槽曲线，则要求 3 个坐标 进给每时每刻都必须协调运动，即同时到达空间的某一点，这称为三坐标联动 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 47 页 控制即三轴联动。三轴联动即可加工复杂的空间曲面。从机床数控系统控制的 坐标数量来看，目前 3 坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行 3 坐标联动 加工，但也有部分机床只能进行 3 坐标中的任意两坐标联动加工。此外，还有 机床主轴可以绕 X、Y、Z 坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的 4 坐标 和 5 坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动 的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而 来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程难度更大，设备的价 格也更高。 数控立式铣床可以附加数控转盘、采用自动交换台、增加靠模装置等来扩 大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。 1.3 数控加工工艺设计 与普通加工相比，数控加工的工艺过程设计并不是从毛坯到成品的整个工 艺过程，而是仅有几道数控加工工序工艺过程的具体描述。许多在通用机床加 工时由工人自行决定的工艺问题，在工艺设计时必须认真考虑，并将正确的选 择编入程序中。这就要求编程人员要有多方面的知识基础，不仅仅是懂得计算 机编程或了解某种软件的使用与操作。合格的编程员首先应是一个很好的数控 加工工艺人员，应对所编程的数控机床的性能、特点、切削范围、标准刀具系 统有全面的了解。一般来说，数控加工主要包括以下几个方面的内容： （1）选择并确定进行数控加工的零件及内容； （2）对零件图纸进行数控加工的工艺分析； （3）数控加工的工艺设计； （4）对零件图形的数学处理； （5）编写加工程序单； （6）按程序单制作控制介质； （7）程序的校验与修改； （8）首件试加工与现场处理； （9）数控加工工艺技术文件的定型与归档。 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 47 页 1.4 机床数控化改造的必要性 1.4.1 微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性 均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1.可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算 机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动 量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2.可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提 高 3 7 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储 下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更 换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自 动化，故被称为实现了 “ 柔性自动化 ” 。 3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 “ 修配 ” 。 4.可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、 自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 5.由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ， 减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应 等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机 床数控化还是推行 FMC （柔性制造单元） 、 FMS （柔性制造系统）以及 CIMS （计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为 制造业自动化的核心技术和基础技术。 1.4.2 宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年代 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 47 页 初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、 民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 FMC 、 FMS 外，还包括在产品开发中推行 CAD 、 CAE 、 CAM 、虚拟制造以及在生产 管理中推行 MIS （管理信息系统） 、 CIMS 等等。以及在其生产的产品中增 加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工 业进行深入改造（称之为信息化） ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市 场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9% ，而日本在 1994 年已达 20.8% ，因此每年都有大量机电产品进口。这 也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 47 页 第 2 章 设计方案的确定 2.1 设计任务 将一台 XA5032 普通立式升降台铣床，由于长期使用严重磨损，故障频繁， 既费时又费力，急需改造。用微电子技术改造机械设备是当前世界新技术发展 的潮流，是提高产品质量，生产效率和经济效益的重要手段。改造成三坐标数 控铣床。改造后的数控铣床主要用于加工不同品种的制动凸轮轴，轴最长为 650mm，该制动轮轴所需加工的轮廓外形含有直线、圆弧和渐开线；要求的轮 廓公差为 0.1mm，对称度公差为 0.1mm，表面粗糙度为=1.6；工件材料为 a R 40Cr 锻件，调质；设计生产节拍为 7 件/每分钟。 2.2 总体设计方案的确定 2.2.1 动力的选定 经济型数控机床的改造，为了保证改造后的性能不低于原铣床，选 X、Z 坐标快进速度不低于 2.4m/min，水平拖动力按 15KN 计算。则要求的功率为 P=FV=152.4/60=0.6W，如果采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机达不 到功率要求。例如，200BF001 反应式步进电机，最大静转距 16.8N.m 最高运行 频率为 11000step/s，步距角为 1/6 度，若取最高频率下的工作扭距为静扭距的 1/4，则高速下的功率为 )(1344 . 0 )( 4 . 134 1806 11000 8 . 164/1KWWPH 因此，如果选用步进电机，必须相应的降低机床的某些性能，主要是快速 性，另一方面由于步进电机在低速工作时有明显的冲动，易自激震荡，而且激 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 47 页 震频率很可能落如洗削加工所用的进给速度范围内，这对加工极为不利，造成 工件超差。此外，由于步进电机没有过载能力，高速时扭距下降很多，容易丢 步，大功率步进电机的驱动较困难等，选用步进电机驱动是不合适的。 若采用直流或交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度较大， 调试和维修困难很多，造价也高，闭环控制可达到很好的机床精度，能补偿机 械传动系统中的各种误差，消除间隙，干扰等对加工精度的影响，一般用于要 求高的数控设备中，由于所改造的数控铣床工件的加工精度不十分高，采用闭 环系统的必要性不大。 若直流或交流伺服电机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间， 由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电机的 开环控制；反馈环节不包括大部分机械元件，调试比闭环简单，系统的稳定性 较易保证，所以闭环容易实现。但是采用闭环控制，调试要比开环控制的步进 电机要困难些设计上也有自身的特点。在直流和交流伺服电机之间进行比较时， 交流调速逐渐扩大了其使用范围，似乎有取代直流伺服电机的优势。但交流伺 服的控制结构复杂，技术难度高，普及不广，而且价格高，直流伺服电机原理 接近于直流电机，控制系统技术也较成熟，普及广。 2.2.2 控制部分的设计 要能控制三个坐标轴的运动，根据工件加工要求，至少要控制两轴联动完 成圆弧插补，为了在加工中使用不同尺寸的刀具，数控装置应具有刀具的半径 和长度的补偿功能，以便数控加工中按轮廓编制程序而能适应刀具尺寸的变化。 综上所述，整个改造方案如图 2-1 所示。 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 47 页 图 2-1 XA5032 数控改造结构布局图 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 47 页 第 3 章 数控系统硬件电路设计 3.1 数控系统基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础， 其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运 行机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。 (1)中央处理单元 CPU (2)总线。包括数据总线（DB） 、地址总线（AB）和控制总线（CB） 。 (3)存贮器。包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。 (4)I/O 输入/输出接口电路。 其中 CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路 直协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。 I/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存贮器、以及其 它转换电路联接的纽带，是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。 数控系统硬件框图如 31 所示。 图 3-1 数控系统硬件框图 由于 MCS51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套 芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 47 页 床改造的需要。C6140 数控改造以 8031CPU 组成的单片机为数控控制系统。也 可直接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置，如南京大方数控设备 公司生产的 JWK 系列数控产品。 3.2 单片机控制系统的设计 1.硬件配置 存贮器选用 1 片 4K8 的 2732EPROM 和 1 片 8K8 位的 6234RAM。监 控程序固化在 2732EPROM 内，各功能模块程序及常用零件的的加工存放在 2732EPROM 内。1 片 6234RAM 做为调试程序存放和运行程序的中间数据存放 用。 I/O 接口芯片选用 8155 可编程 I/O 扩展接口，它的 A 口做为 X、Y 进给系 统步进脉冲的输出口，其中 PA0PA2 为 X 向的输出口，PA3PA5 为 Y 向输出 口。B 口为为位控方式，其中 PB4PB7 为-Y、+Y、-X、+X 的行程越位信号输 入。显示由 8 位 LED 构成，具有 24 键的键盘。 2.存贮器空间分配 单板机可寻址范围是 64K 字节，板上提供的插座占 16K，已插入的芯片占 10K，其余以备扩展使用。其存贮空间分配如下。 0000H07FFH 2KB EPROM 放监控程序 0800H0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序 1000H17FFH 2KB RAM 调试程序 2000H27FFH 2KB RAM 测试程序等 3. I/O 口地址分配 单片机设置 I/O 口地址为 809FH 共 32 个口地址，分配如下。 80H83H MCS51 8031 84H87H 字形锁存 88H8BH 字位锁存 8CH8FH 读键值 90H9FH 用户使用 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 47 页 4.光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。 由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器 直接相联，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计 算机和接口电路损坏。所以一般在接口电路功率放大器之间都要接上隔离电路。 3.3 步进电机控制程序设计 MCS-51 单片机数控系统的步进电机驱动系统，可以用软件来代替可变频 率脉冲源和环形分配器等硬件，对步进电机进行控制。用软件完成环形分配的 优点是线路简单，成本低，可以灵活的改变步进电机的控制方案，驱动功率放 大功能仍由硬件完成。环形分配器逻辑序列的产生可用循环移动和查表法实现， 本次数控改造采用 JBF 系列三相六拍步进电动机，因此，脉冲分配采用三相六 拍分配方式。 1.步进电机的转向控制 以 X 向步进电机为例，其环形分配器的输出状态如表 3-1： 表 3-1 环形分配器的输出状态表 节拍序号地址代码C 相B 相A 相通电顺序 00700H01H001001 10701H03H011011 20702H02H010010 30703H06H110110 40704H04H100100 50705H05H101101 将上述步进电机所需的环形分配器输出状态表存入 EPROM 中，根据加工 程序的需要，依次取出表地址至 PA 口，驱动 X 向步进电机。按以上顺序进行 通电，电机正传，反之电机反转。X 向电机与 X 向相同，其脉冲输出状态表略。 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 47 页 2.步进电机速度控制 控制步进电机的速度，实际上是改变输出状态码之间的间隔时间，通过调 用软件延时子程序，或者用微机定时器，通过设定时间常数加以控制，数控系 统发出不同频率的时钟脉冲，实现不同的电机转速。本系统，采取调用软件延 时子程序的方法。 3.软件环形分配器的设计 在数控系统中，专门将一些寄存器作为步进电机的控制寄存器。控制字 FCW 用来控制电机转动，通过控制寄存器中的状态，使步进电机按确定的运行 方式工作。在 FCW 控制字中，对步进电机的方向控制位，转动控制位以及停 止控制位。分别进行定义。 FCW 中各个控制位含义如下：D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1，D0，且 D0-X 向转停控制位（1-转动；0-停止） ；D1-X 向方向位（1-正转；0-反转） ； D2-Y 向转停控制位（1-转动；0-停止） ；D3-Y 向方向位（1-正转；0-反转） 。 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 47 页 第 4 章 机械部分改造与计算 4.1 原始数据分析 1原 XA5032 铣床的数据如表 4-1 所示 表 4-1 XA5032 铣床数据 项目名称 Item 单位 Unit 参数 Paraments 工作面积（宽长）Working surface(WL)mm 3201250 承载重量 Loadkg500 T 型槽数目 No.of T-slots3 T 型槽宽度 Width of T-slotsmm18 工作台 Working Table T 型槽间距 Distance between T-slotsmm70 X 向（工作台纵向）手动/机动 Longitudinal（manual/auto） mm700/680 Y 向（滑座横向）手动/机动 Cross（manual/auto）mm255/240 行程 Length Z 向（升降台垂向）手动/机动 Vertical（manual/auto） mm370/350 最大回转角度 Max.swivel angledeg 45 转速 Speedr/min301500 转速级数 No.of spindle speedsStep18 锥孔 TaperISO7:24 No.50 轴向移动距离 Axial motionmm85 主轴 Spindle 主轴端面至工作台面距离最小/最大 Distance from spindle nose to table surface Min./Max. mm45/415 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 47 页 主轴中心线至床身垂直导轨面距离 Distance from center line of spindle to vertical guide way surface of column mm350 切削进给速度 Cutting feed ratemm/min X，Y:23.5- 1180 Z:8-394 快速移动速度 Rapid feed ratemm/min X，Y:2300 Z:770 进给 Feedrates 进给级数 No.of feedsStep18 主轴电机功率 Power of spindle motorkW7.5电动机 Motor 进给电机功率 Power of feed motorkW1.5 机床外形尺寸（长宽高）Overall dimension (LWH) mm 227217702 094 其他 Other 机床净重（约）Net weight of machine(approximately) kg2800 2.工艺数据 工件加工余量：铣削宽度 40mm，铣削深度 7mm。 刀具数据：硬质合金端铣刀，直径 mm，铣刀齿数 6。 工艺数据：主轴转速 150-190r/min，走刀速度 40-60mm/min，每齿进给量 为 0.05-0.2mm/z，取 0.1mm 计算。 3.机床进给部件重量估计 轴向（X 轴）工作台，长 1335mm，约重 220kg=2200N 纵向（Y 轴）工作台约为 450kg=4500N 升降（Z 轴）部分运动件 约重 1000kg=10000N 为防止升降台自行下划，原机床设置有单向超越离合器及摩擦片制动器， 而且为了保证工件可靠，将摩擦阻力调到略大于升降台的重力，在数控改造后 仍要保留此功能，这样在实际运动时下降的阻力最大，按 12KN 计算。 4.2 滚珠丝杠螺母副的选用设计（X 向） 铣床工作台的进给运动，由步进电机的转动带动铣床丝杠转动。在数控铣 床上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也可以应用滚珠丝杠来转动。原因 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 47 页 是普通丝杠传动摩擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以 用一些办法来补偿，修正，但总是不太稳定。 所以，在数控铣床上要采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点， 但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控机 床的发展，它的使用将会更加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动角位移， 变换成数控车床工作台的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝 杠和螺母的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。 4.2.1 滚珠丝杠副的传动原理 丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形 成螺旋线的滚道，在滚道内装有许多滚珠。当丝杠旋转时，滚珠相对于螺母上 的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦。为防止滚珠从螺母 中吊出来，在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住，并设有回路滚道使它的两端 连接起来.使滚珠从滚道的一端滚出后，沿着这个回路滚道重新返回到滚道的另 一端，可以循环进行不断地滚动。 4.2.2 滚珠丝杠副的传动特点 滚珠丝杠副的优点是：传动效率高，因为它是滚动摩擦，传动效率可达 0.92-0.96，比普通的丝杠传动提高 3-4 倍.由此带来了一系列的优点，如功率损 耗小，传动平稳，磨损小，无爬行现象等等。除此之外还有两个特点，一是： 一般的丝杠传动总是有间隙，而滚珠丝杠可以消除间隙，所以当丝杠反向转动 时，可以没有空程，提高了反向的定位精度，也增强了传动刚度。二是：一般 的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动，而滚珠丝杠既能把旋转运动转变 为直线运动，也可以从直线运动转变为螺旋运动，滚珠丝杠副由于具有传动的 可逆性，因此可以作为主动件，也可以作为从动件。 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 47 页 它也有缺点，主要是元件的精度要求高，光洁度要求也高，所以制造工艺 很复杂，成本也高。对于丝杠和螺母上的螺旋槽，一般要求磨削成型，因而制 造困难，也限制了使用。 又由于传动的可逆性，所以不能自锁，当应用在垂直传动装置时，由于自 重和惯性的关系，在下降过程中不能立刻停止，因此还需要备有制动装置。 4.2.3 滚珠丝杠副的结构与调整 滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚道 的型面形状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。 （1）螺纹滚道型面的形状 螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和 双圆弧型面两种，如图 41 所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂 线之间的夹角，称为接触角（） 。 （a）单圆弧 （b）双圆弧 图 4-1 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形 （2）单圆弧型面 一般滚道的圆弧半径要比滚珠的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺纹滚 道，接触角是随着轴向负载大小而变化的，当轴向负载为零时，接触角也为零； 当负载逐渐增大，接触角也逐渐增大。实验证明：当接触角增大时，传动效率， 轴向刚度，承载能力都随之增大。 （3）双圆弧型面 双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（e）决定后，滚珠与滚 道的圆弧角接处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，但不至于 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 47 页 堵塞，反而对滚珠的滚动有利。从传动效率，轴向刚度，承载能力等要求出发， 接触角大一些好，但接触角过大制造就会困难。一般接触角为 45，滚道的圆 弧