基于Z5140A钻床的数控化改造毕业论文.doc

基于Z5140A钻床的数控化改造毕业论文目 录摘 要IAbstractII一、绪论1（一）数控机床的概念1（二）数控系统发展简史及趋势11.数控（NC）阶段12.计算机数控（CNC）阶段13.国内数控机床的发展状况24.国外数控机床的发展状况2（二）机床数控化改造的必要性和迫切性21.宏观看改造的必要性32.微观看改造的必要性3（三）Z5140A立式钻床数控化改造的市场41.机床数控化改造的市场42. Z5140A立式钻床简介4（四）Z5140立式钻床数控化改造的内容及优缺点51.数控化改造的内容52. Z5140A立式钻床数控化改造的优缺点5二、Z5140A钻床总体方案的确定7（一）Z5140A钻床数控化改造设计任务7（二）总体方案的确定71.Z5140A钻床的总体结构布置72.Z5140A钻床机械传动方式选择83.Z5140A钻床传动系统方案95.Z5140A钻床数控系统结构及其工作原理116.Z5140A钻床数控系统芯片的选择137.地址分配器及译码138.Z5140A钻床电器原理介绍149.Z5140A钻床接口电路设计16三、Z5140A钻床进给系统设计16（一）Z5140A钻床纵向传动系统设计161.确定系统的脉冲当量162.切削力的计算163.Z5140A钻床纵向进给传动系统滚珠丝杠的计算174.Z5140A钻床纵向伺服电机的选择及计算18（二）Z5140A钻床横向进给系统的确定201.Z5140A钻床横向进给丝杠的选择202.Z5140A钻床横向进给系统最大负载C的计算213.Z5140A钻床横向伺服电机的选择及计算224.空载加速转矩计算23（三）Z5140A钻床垂直方向进给系统的确定241.Z5140A钻床垂直方向丝杠的选择242.Z5140A钻床垂直方向进给传动系统滚珠丝杠的计算243.Z5140A钻床垂直方向伺服电机的选择及计算254.空载加速转矩计算27四、Z5140A钻床数控插补程序控制27（一）Z5140A钻床数控插补程序控制概述27（二）Z5140A钻床直线、圆弧插补程序281.Z5140A钻床直线及圆弧插补程序结构282.Z5140A钻床直线插补程序303.Z5140A钻床圆弧插补程序32五、Z5140A钻床进给机构部分零件的设计和机构仿真35（一）Z5140A钻床主轴的设计35（二）Z5140A钻床导轨的设计36（三）Z5140A钻床立柱的设计37（四）Z5140A钻床进给机构的仿真模拟38（五）Z5140A钻床进给机构设计总成39结 论41参 考 文 献42致 谢4344一、绪论（一）数控机床的概念数控机床是装备了数控系统的机床，既包括NC机床，也包括CNC机床，其工作原理是：将数控加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变速、起停和进给运动的方向、速度及位移大小，也可完成刀具的选择、变换、工件夹紧、松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格按数控程序的要求进行工作。（二）数控系统发展简史及趋势随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备机床也相应提出了高性能和精度的要求。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，起到了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。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.数控（NC）阶段最初计算机的运算速度低，科学家不得不采用数字逻辑电路组合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，这个阶段历经了三代，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。2.计算机数控（CNC）阶段到1970年，随着科学技术水平的提高，通用小型计算机业成为了数控系统的核心部件，并实现了批量生产。于是数控系统进入了计算机数控（CNC）阶段。次年，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（MICROFROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU），数控系统得到了质的飞跃。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。计算机数控阶段也经历了三次改革。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PCBASED）。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”。 3.国内数控机床的发展状况1958我国开始着手在数控技术上开展研究，经过研制、开发阶段。从1965年进入到晶体管数控装置的研制。于70年代初研制成功我国第一台数控铣床。从20世纪70年代开始，数控技术在车、铣、磨、齿轮加工、电加工等领域全面应用。但由于电子元件的质量和价格，致使数控系统的可靠性、稳定性没有得到解决，因此未能广泛推广。20世纪80年代，中国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服单元技术，并于1981年开始批量生产数控系统，包括数控装置和伺服单元。在此期间，中国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展。为了适应机械工业不同层次的需要，还开发出多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。如今，中国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。4.国外数控机床的发展状况美国、德国、日本三国是当今世界上在数控机床科研、设计、制造和使用上技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。（1）美国的数控发展史美国政府十分重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务，并且提供充足的经费，因而在机床技术上不断创新。1952年研制出世界上第一台数控铣床，1958年研制出加工中心等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大批量生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床技术在世界上也一直领先。（2）德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。于1956年研制出第一台数控机床。德国数控机床质量及性能良好、先进实用。尤其是大型、重型、精密数控机床，在质量、性能上居世界前列。（3）日本的数控发展史日本政府对机床工业的发展也十分重视，于1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量（7342台）超过美国（5688台），至今产量、出口量一直居于世界首位。（二）机床数控化改造的必要性和迫切性机床的数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预订的加工工艺目标。数控机床是综合了微电子、自动控制、自动检测等先进技术的新型机床，适宜加工单件或小批量、高精度、品种多、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，所以能很好地满足产品频繁变化的加工要求。劳动量大大减少，降低了工人的劳动强度。虽然数控机床的优势很大，但是对于制造企业，单纯地靠购买数控机床来解决现状，一方面需要大量的资金投人，另一方面，将原有的普通机床闲置，势必造成一种浪费。众所周知，制造业是我国国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的中坚力量。我国制造业水平与西方发达国家相比，总体水平偏低，企业经济实力有待进一步提高。因此为了节约资金、降低成本，在原来普通机床的基础上，进行数控化改造，是一种一举两得的有效途径，既经济又快捷.。1.宏观看改造的必要性从宏观上看，一些工业发达国家的机械工业，在20世纪70年代末、80年代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。2.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。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，可以复合成复杂的曲线或曲面。(2)可以实现加工的自动化效率可比传统机床提高37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”。而且可以实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。(4) 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。这些优越性的发挥，使数控机床的性能有了质的提高，大力推动了制造业的发展。传统机床经过改造后，得到了近似于数控机床的性能，也意味着我国制造业整体水平的提高。（三）Z5140A立式钻床数控化改造的市场1.机床数控化改造的市场我国目前机床总量约为400万台，而其中数控机床总数只有15.49万台，即我国机床数控化率不到4。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。装备水平不高，更新速度低是制约我国经济发展的重要原因之一。我国大多数制造行业使用的装备是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等缺点，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。2. Z5140A立式钻床简介Z5140A钻床（如图1.1）是由辽宁省丹东市机床有限责任公司研发、生产幷销售的立式钻床，具有精度高，刚性好，扭矩大，噪声低，变速范围广等优点，操作集中，使用维修方便。机床具有攻丝自动反转机构，主攻丝可实现自动正反转，对于盲孔和定深孔攻丝极为方便。多年来Z5140A型立式钻床凭借其极高的适用范围和性价比，在国内钻床销售市场占有很大的比例。图1.1Z5140立式钻床（四）Z5140立式钻床数控化改造的内容及优缺点1.数控化改造的内容Z5140A立式钻床数控化改造主要内容有以下几点：（1）对Z5140A立式钻床精度的恢复以及对钻床存在的故障部分进行诊断并恢复；（2）数控化改造，在原Z5140A立式钻床上加数显装置，或数控系统，改造成NC机床；（3）翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对Z5140A立式钻床机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；（4）技术更新或技术创新，为提高性能或档次，满足新工艺、新技术的要求，在原有Z5140立式钻床基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高加工水平和档次。2. Z5140A立式钻床数控化改造的优缺点（1）减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。只花新机床购置费用的1/3，交货期短。（2）机械性能稳定可靠，结构受限所利用的Z5140A立式钻床床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的Z5140A钻床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来Z5140A立式钻床机械结构的限制，不宜做突破性的改造。（3）对设备掌握熟悉、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。（4）可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。二、Z5140A钻床总体方案的确定一般钻床数控系统改造的总体方案的应包括以下内容：进给伺服系统的设计计算，执行机构及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。根据设计任务、机床实际情况和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。（一）Z5140A钻床数控化改造设计任务Z5140A钻床进给伺服系统设计计算：此处为数控钻床机械部分改造设计，包括脉冲当量的确定、滚珠丝杠螺母副的设计、进给伺服系统的传动计算；伺服电机的计算和选用；设计并绘制Z5140A钻床示意图，还有数控化改造X向、Y向、Z向装配图。(1)技术要求：工作台重量：80kg工件最大重量:150kg机床定位精度: mm机床重复定位精度: mm工作台进给速度: 1400mm/min工作最快移动速度: 10m/minX轴行程: 500mmY轴行程: 500mmZ轴行程：600mm工作台尺寸为：1000460 (2)机床坐标设定本机床使用X轴、Y轴和Z轴组成的直角坐标系进行定位和插补运动。其中，X轴为钻床平面的左右方向，Y轴为钻床平面的前后方向，Z轴为主轴的上下方向。（二）总体方案的确定1.Z5140A钻床的总体结构布置图2.1钻床总体结构布置2.Z5140A钻床机械传动方式选择为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。2）尽量消除传动间隙。例如采用间隙齿轮等。3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。为实现机床所要求的精度，Z5140A型钻床采用交流伺服电机经齿轮减速再传动至丝杆。保证了一定的传动精度跟平稳性，拆掉了原Z5140A钻床的丝杠螺母机构,更换上用伺服电动机驱动的滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副。1）丝杠2）回路管道3）螺母4）滚珠图2.2滚珠丝杠结构图如图2.2中丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠与螺母之间，构成一个闭环的回路。3.Z5140A钻床传动系统方案1）Z向传动丝杠2）Y向传动丝杠3）X向传动丝杠图2.3传动系统图采用微机数控系统实现三坐标两轴联动控制，工作台纵向、横向及垂直方向的运动分别由交流伺服电动机经过齿轮或联轴器减速后，由滚珠丝杠螺母副拖动。采用滚珠丝杠副的特点是传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率=0.920.96，是普通丝杠螺母副的34倍。定位精度高，刚度好。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。4.Z5140A钻床伺服系统的选择由于改造后的Z5140A数控钻床应具有钻孔、铰孔、攻丝和铣削平面等功能，故应选择连续控制系统。根据机床要求，采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、伺服电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息4。（1）系统运动方式的确定数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统（2）伺服驱动电机的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的，指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用交流伺服电机或位流伺服电机驱动。半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。在我国设备数控化改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件。本设计采用交流伺服电动机，相比于直流电动机，交流电动机具有转速高、制造成本低、应用环境广等特点。且交流电动机转子转动惯量较直流电动机小，使得动态响应更好。综上所述，综合了成功率，技术难度，精度和投资等因素，决定选用交流伺服电机半闭环伺服驱动（3）控制芯片的选择微机数控系统由CPU、存储扩展电路和I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是MCS51机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。（4）微机数控制系统功能1）横向，纵向进给伺服运动。2）程控制3）盘控制4）其他功能：报警电路，复位电路，隔离电路，功放电路等5.Z5140A钻床数控系统结构及其工作原理（1）主控器1）主控制器及主控制芯片的选择目前在数控系统中常用的芯片有8086，8088，80286，80386以及8098，8096等16位机的CPU，在一般的数控系统中推荐采用MCS51系列单片机作为主控制器。这里选用MCS51系列中的8031芯片。 （2）MCS51系列单片机介绍1）MCS51系列单片机的基本特征MCS51系列单片机主要有三种：8031，8051和8751。该系列产品是集CPU、I/0口及部分RAM等为一体的功能很强的控制器，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机控制系统。并且开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，硬件资料也很丰富。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差别，可以说8031是没有ROM的8051，而8751是EPROM代替ROM的8051。工业控制中应用最多的是8031。8031的基本特征如下：具有8位中央处理单元（CPU）。片内有时钟发生电路（6MHz 或12MHz）,每执行一条指令时间为2s或者1s。具有128字节的RAM。具有21个特殊功能寄存器。可寻址64KB的外部数据存储器和64KB的外部程序存储器。具有四个I/O口，32根I/O线。具有两个16位定时器/计数器。具有5个中断源，配备两个优先级具有一个全双工串行接口具有位寻址能力，适用逻辑运算从上述特性可知:一块8031的功能相当于微型计算机系统。2）管脚功能分析及特性简介引脚功能分类表：I/O口线：，共四个8位口。控制线：（中断取指令控制），ALE（地址锁存控制），（中断存储器选择），RESET（复位控制）电源及时钟：，应用特性：I/O口线不能都用作用户I/O线，除8051，8751外真正可完全为用户使用的I/O口线，只有口以及部分作为第一功能使用的口。I/O口的驱动功能为：口驱动8个TTL门电路，而、只能驱动4个TTL门电路。口具有提升电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立的定义为第一I/O口功能或者第二I/O口功能。时钟频率：外接时钟频率可在1.212MHz间选取。3）总线结构地址总线AB地址总线宽度为16位，故其外部存储器直接选址范围达到64KB，16位地址总线由口经地址锁存器提供低8位，由直接提供。数据总线DB数据总线宽度为8位，由口直接提供。控制总线CB由口的第二功能状态和四根独立的控制线RESET，ALE，组成。4）存储器结构单片机的存储器包括程序存储器（EPROM或ROM）和数据存储器（RAM），它们是可以选用并可直接寻址的存储器。5）扩展芯片I/O口扩展集成电路中有三种专用I/O口扩展芯片。I/O口扩展复合芯片，TTL电路芯片，在本次设计中，除了采用I/O口外还能扩展其他外围功能电路，主要有8155（28+6并行I/O口，256个静态RAM，一个14位定时器），TTL电路芯片，也广泛用作MCS-51单片机I/O扩展芯片，主要有74LS373，273，374，244等5。6.Z5140A钻床数控系统芯片的选择（1）EPROM的选择芯片的型号不同，应用参数也不同，主要有最大读出速度，工作温度及容量。在确定容量内选择EPROM的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否正确工作队的前提。根据CPU与EPROM的匹配要求，应满足8031能提供的读取时间大于EPROM所需要的读取时间。实际设计中，应考虑在满足容量要求的同时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数。（2）RAM的选择选RAM是主要考虑因素是RAM的读写速度与CPU提供的读写时序的匹配要求，还应满足这样一个关系：即8031所能提供的读写时间应大于RAM所需求的读写时间，常用RAM主要有6116和6264两种。7.地址分配器及译码（1）地址分配与一般存储系统不同，8031所支持的存储系统其程序存储器与数据存储器独立编址。因此，EPROM和RAM的地址分配较自由，不必考虑是否发生冲突。由于8031复位后从0000H单元开始执行程序，故程序存储器地址应从0000H就开始。在这里只用EPROM，地址为0000H-1FFFH，扩展RAM与I/O口及外围设备实行统一编址。（2）EPROM、RAM与8031存储器与单片机的连接主要是三总线的连接，应考虑单片机的总线驱动能力是否够，若不够应当加以驱动，如总线驱动器74LS244，74LS245等，根据单片机8031的驱动特性，在本次设计中，不必加以驱动，下面给出EPROM，RAM与8031的具体连接。地址总线将与EPROM的一一对应连接。与RAM的一一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。数据总线分别与存储器一一对应连接。地址总线将与EPROM的一一对应连接。与RAM的一一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。数据总线分别与存储器一一对应连接6。8.Z5140A钻床电器原理介绍铣床电气的改造，是将原铣床电气电路改为与数控系统连接，幷受数控系统控制的电路，以实现铣床原有的升降、纵向、横向等各坐标轴的驱动，主轴起、停和正、反转等功能；幷增加了紧急停机、机床原点的设置、各坐标轴的限位等功能。Z5140A数控系统采用广州数控设备厂的GSK928MA钻床数控系统，伺服驱动系统采用广州数控设备厂DA98全数字式交流伺服系统。该机床是三座标（X、Y、Z）连续控制机床，具有完善的控制机能，通过加工程序自动进行工件加工。当机床出现故障时, 通过系统的自诊断功能, 能及时显示出故障，便于维修人员检修。图2.3电器原理图1 图2.4电气原理图2电气改造如图2.1、2.2所示。（1）各坐标轴的驱动用随机电缆分别将各轴伺服电动机与系统驱动柜相应插座相连，即可实现坐标轴的驱动控制。（2）主轴起、停和正反转以及冷却液的开关主轴起、停和正反转以及冷却液的开关均通过系统控制KM1-KM5五个继电器的吸合或断开，从而使钻床中相应的交流接触器吸合或断开来实现以上功能。1）主轴启动：即主轴正转，将主轴正转控制继电器KM1的一组常开触点并接到原Z5140钻床启动按钮SB1的两端即可。2）主轴反转：原Z5140钻床设置有一个主轴电动机电源反向开关，将开关转到反转位置，按下启动按钮即可实现反转。若要使改造后的钻床控制主轴，还需增设一个交流接触器KM2，构成反转控制回路，幷使其与正转控制回路互锁，以实现对主轴反转的控制。3）切削液的开闭:将切削液控制继电器KM3的一组常开触点并接到原Z5140钻床切削液开关两端即可。9.Z5140A钻床接口电路设计8031单片机的口可以作为I/O接口，为管理上述接口电路，还需要扩展接口电路，现在用8031的管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。8155的内部RAM和I/O的选择由引脚IO/控制，当IO/=0时，CPU访问RAM，RAM的低8位编制为：00HFFH；IO/时，CPU访问I/O口，其低8位编址见教材的真值表，8155的工作方式选择通过对8155内部命令，寄存器通过设定控制命令来实现。8155具有两种基本操作，即用8155中的256字节RAM及扩展I/O口使用，作RAM时与系统RAM无区别；作I/O口使用时，可通过工作方式以满足不同需要。8155有一个状态寄存器，锁存I/O口和定时器的当前状态，使CPU查询用。状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，只能读入，不能写入。CPU读地址时，做状态寄存器，读出时是当前I/O口和定时器的状态，而写时则作为命令寄存器写入命令7。三、Z5140A钻床进给系统设计（一）Z5140A钻床纵向传动系统设计1.确定系统的脉冲当量 根据本数控钻床精度要求确定脉冲当量0.01mm/setp。2.切削力的计算钻床切削力与刀具材料、工件、刀具进给量有关，选用圆柱铣刀，则： （3.1）其中，为主铣削力，为刀具系数，为铣削接触弧深度，z为铣刀系数，为每齿进给量，为铣刀直径8。在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工过程平均铣削条件为准，因此取=2.5mm，=0.2mm/齿，=70mm，z=4， =50mm，对圆柱高速铣刀，=68.2。选择圆柱铣刀逆铣加工，各切削分力有=11.2，0.20.3，=0.350.4，取中间值即=1.1，=0.25，=0.38，则：=0.38=0.384472=1.699（KN） （3.2）而插补平面内合力为：F=5404（N） （3.3）在一周的切削过程中取平均切削力为： =FF=5404=3603（N） （3.4）工作时的周向压力为： （3.5）对于三角形形导轨，k=1.15，=0.2，而=0，=1699（N），G=1.4（KN），则:=1.153.6103+0.2（1.699103+1.4103）=4753.8（N）3.Z5140A钻床纵向进给传动系统滚珠丝杠的计算滚珠丝杠的名义直径，滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷选择。丝杠的最大载荷，当切削时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。已知最大进给力=1699（N），工作台加工件的质量M=140kg，导轨的摩擦因数为0.1，故丝杠的最小载荷（即摩擦力）为:=0.114010=140（N） （3.6）丝杠最大载荷为： =1699+140=1839（N） （3.7）纵向工作载荷（平均载荷）为：=4753.8（N）其中，分别为丝杠最大、最小轴向载荷；丝杠的最高转速为1500r/min，工作台最小进给速度为1mm/min，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=（1500+0）/2=750r/min。故丝杠工作寿命为： （3.8）其中，L工作寿命，以r为1个单位，N丝杠转速（r/min），T-丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h。计算当量动载荷为：=69.49（KN） （3.9）其中载荷性质系数，无冲击11.2，一般情况取1.21.5，有较大冲击振动时取1.52.5。本设计=1.5精度影响系数，对于3、4级滚珠丝杠取=0.9。由此确定滚珠丝杠副的型号为FYND3206-4-P3（如图3.1），即内循环，双螺母垫片调隙式、公称直径为32mm、螺距为6mm、P3级精度、左旋、滚珠直径为3.969mm。额定动载荷=69.49KN，符合设计要求。轴向刚度=1138N/m。预紧力=/4=69.49/4=17.37（KN），只要轴向载荷值不达到或不超过预紧力的3倍，因此不必对预紧力提出额外的要求。本设计中丝杠最大载荷=1.839（KN），远小于39。图3.1 纵向丝杠实体模型4.Z5140A钻床纵向伺服电机的选择及计算（1）选择伺服电机伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配；快移时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。（2）最大切削负载转矩计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最达切削负载转矩T可根据下式计算，即：T=5.235（） （3.10）其中，从前面的计算已知最大进给力=1699N，丝杠导程=6mm，预紧力=4753.8N，查手册，滚珠丝杠副的机械效率=0.9，因滚珠丝杠预加载荷引起附加摩擦力矩为：=（） （3.11）查角接触推力球轴承组配技术手册得单个轴承的摩擦力矩为0.32，故一对轴承的摩擦力矩=0.64。另一端直接铰接，其摩擦力可忽略不计。伺服电机与丝杠直连，其传动比i=110。（3）负载惯量计算伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配，负载惯量可按以下次序计算。1） 工件、工作台折算到电机轴上的惯量，工件与工作台的最大质量M=140kg，可按下式计算，即:=m （3.12）其中，v-工作台移动速度（m/s），w-伺服电机的角速度（rad/s），m-直线移动工件、工作台的质量(kg)。2）丝杠加在电机轴上的惯量，丝杠名义直径=32mm，L=839mm，丝杠材料钢的密度=7.8kg/。根据下式公式，丝杠加在电机轴上的惯量为：=7.80.839=0.00067() （3.13）3）联轴器加在锁紧螺母等得惯量可直接查手册得到：=0.001()4） 负载总惯量为： =+=0.000128+0.00067+0.001=0.001798（） （3.14）按照数控机床惯量匹配条件，14，所选伺服电机的转子惯量应在0.00320.0312范围内。根据以上计算公式，代入具体数值后得到额定转速、额定转动惯量、额定转矩、最大转矩。根据这些参数选择满足要求的130ST-M10015H型伺服电动机。130ST-M10015H型交流伺服电机的主要参数如下：表3.1 130ST-M10015H型交流伺服电机的主要参数最高转速（）额定转矩 （）最大转矩（）转子惯量 ()机械时间常数()输出功率(P)重量(m)1500r/min17.6154 N.m0.007115.2ms1.4kw30kg（4）空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到快移速度时，所需的空载加速转矩为：=（） （3.15）1） 空载加速时，主要克服的是惯量。如选用130ST-M10015H型交流伺服电机总惯量为：J=+=0.00187+0.0071=0.00897（） （3.16）2） 加速时间通常取得3倍，取：=3=315.2=45.6ms=0.046（s ） （3.17）所以：=（） （3.18）空载加速转矩不允许超过伺服电机的最大输出转矩，由此可见，130ST-M10015H型交流伺服电机的=85.2，满足设计要求11。（二）Z5140A钻床横向进给系统的确定1.Z5140A钻床横向进给丝杠的选择由式（3.1）（3.18）得：（1）计算进给牵引力选择导轨类型为矩形导轨，则：=4397.16（N）其中，为导轨上的摩擦系数0.14；为移动部件重量。2.Z5140A钻床横向进给系统最大负载C的计算（1）横向进给传动系统滚珠丝杠的计算滚珠丝杠的名义直径，滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷选择。丝杠的最大载荷，当切削时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。已知最大进给力=1699（N），工作台加工件的质量M=140kg，导轨的摩擦因数为0.1，故丝杠的最小载荷（即摩擦力）=0.114010=140（N）丝杠最大载荷为：=1699+140=1839（N）X向工作载荷（平均载荷）为：=4397.16（N）其中，分别为丝杠最大、最小轴向载荷；丝杠的最高转速为1500r/min，工作台最小进给速度为1mm/min，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=（1500+0）/2=750r/min.故丝杠工作寿命为： 其中，L工作寿命 ，以r为1个单位,N丝杠转速（r/min）,T丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h计算当量动载荷为：=64.27（KN）式中 载荷性质系数，无冲击11.2，一般情况取1.21.5，有较大冲击振动时取1.52.5。本设计=1.5精度影响系数，对于3、4级滚珠丝杠取=0.9。由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸为内循环FYND3206-4-P3（如图3.2），底径31.5mm，名义直径d=32，额定动载荷=64.27KN，符合设计要求。轴向刚度=1138 N/m。预紧力=/4=64.27/4=16.07KN，只要轴向载荷值不达到或不超过预紧力的3倍，因此不必对预紧力提出额外的要求。本设计中丝杠最大载荷为=1.839（KN），远小于3。图3.2 横向丝杠实体模型3.Z5140A钻床横向伺服电机的选择及计算（1）选择伺服电机伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配；快移时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。（2）最大切削负载转矩计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最达切削负载转矩T可根据下式计算，即：T=3.335（）其中，从前面的计算已知最大进给力=1699N，丝杠导程=6mm，预紧力=4397.16N，查手册，滚珠丝杠副的机械效率=0.9，因滚珠丝杠预加载荷引起附加摩擦力矩为：=()查角接触推力球轴承组配技术手册得单个轴承的摩擦力矩为0.32，故一对轴承的摩擦力矩=0.64。另一端直接铰接，其摩擦力可忽略不计。伺服电机与丝杠直连，其传动比i=1。（3）负载惯量计算伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配，负载惯量可按以下次序计算。1） 工件、工作台折算到电机轴上的惯量，工件与工作台的最大质量M=140kg，可按下式计算，即：=m其中，v工作台移动速度，m/s; w伺服电机的角速度，rad/s; m直线移动工件、工作台的质量（kg）;2）丝杠加在电机轴上的惯量，丝杠名义直径=32mm，L=1201mm，丝杠材料钢的密度=7.8kg/。根据下式公式，丝杠加在电机轴上的惯量为：=7.81.201=0.00096（）3）联轴器加在锁紧螺母等得惯量可直接查手册得到：=0.001（）4）负载总惯量为： =+=0.000128+0.00096+0.001=0.011088（）按照数控机床惯量匹配条件，14，所选伺服电机的转子惯量应在0.010.05范围内。根据以上计算公式，代入具体数值后得到额定转速、额定转动惯量、额定转矩、最大转矩。根据这些参数选择满足要求的130ST-M07720H型伺服电动机。130ST-M07720H型交流伺服电机的主要参数如下：表3.2 130ST-M07720H型交流伺服电机的主要参数最高转速()额定转矩()最大转矩()转 子 惯 量()机械时间常数（）输出功率（P）重量（m）1500r/min16.5N.m150N.m0.014515.2ms1.4kw30kg4.空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到快移速度时，所需的空载加速转矩为：=（）（1）空载加速时，主要克服的是惯量。如选用130ST-M07720H型交流伺服电机总惯量，则：J=+=0.011088+0.0145=0.02588（）（2）加速时间通常取得3倍，取：=3=315.2=45.6ms=0.046（s）所以： =（）空载加速转矩不允许超过伺服电机的最大输出转矩，由此可见，130ST-M07720H型交流伺服电机的=86.92，满足设计要求。（三）Z5140A钻床垂直方向进给系统的确定1.Z5140A钻床垂直方向丝杠的选择由式（3.1）（3.18）得：（1）计算进给牵引力选择导轨类型为矩形导轨，则:=4663.1（N）其中，为导轨上的摩擦系数0.2；为移动部件重量。2.Z5140A钻床垂直方向进给传动系统滚珠丝杠的计算滚珠丝杠的名义直径，滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷选择。丝杠的最大载荷，当切削时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。已知最大进给力=1699（N），工作台加工件的质量M=180kg，导轨的摩擦因数为0.1，故丝杠的最小载荷（即摩擦力）为：=0.118010=180（N）丝杠最大载荷为：=1699+180=1879（N）垂向工作载荷（平均载荷）为：=4663.1（N）其中，分别为丝杠最大、最小轴向载荷；丝杠的最高转速为1500r/min，工作台最小进给速度为1mm/min，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=(1500+0)/2=750r/min。故丝杠工作寿命为： 其中，L工作寿命 ，以r为1个单位； N丝杠转速（r/min）； T丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h；计算当量动载荷为：=68.17（KN）其中载荷性质系数，无冲击11.2，一般情况取1.21.5，有较大冲击振动时取1.52.5。本设计=1.5精度影响系数，对于3、4级滚珠丝杠取=0.9。由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸为内循环FYND3406-4-P3（如图3.3），底径32.6mm，名义直径d=34，额定动载荷=68.17KN，符合设计要求。轴向刚度=1138 N/m。预紧力=/4=68.17/4=17.04KN，只要轴向载荷值不达到或不超过预紧力的3倍，因此不必对预紧力提出额外的要求。本设计中丝杠最大载荷为=1.839（KN），远小于3。图3.3 垂向丝杠实体模型3.Z5140A钻床垂直方向伺服电机的选择及计算（1）选择伺服电机伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配；快移时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。（2）最大切削负载转矩计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最达切削负载转矩T可根据下式计算，即：T=3.384（）其中，从前面的计算已知最大进给力=1699N，丝杠导程=6m