数控铣床的改造.doc

毕业设计论文第一章 概述1.1 课题研究的背景必要性 随着科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂、而且产品的生产周期短、改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求提出了通用性与灵活的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等精密加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。因此机械产品部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是许多企业由于资金等方面的约束不能及时引进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员研究的一。数控，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，其对零件的加工相比普通机床有着很多的优点：（1）自动化程度高，劳动强度低。（2）加工精度、加工质量稳定可靠。（3）对零件加工的适应性强，灵活性好，能加工形状复杂的零件。（4）加工生产率高。（5）有利于生产管理的现代化。（6）对加工对像的适应性强。并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床的数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对X53K立式铣床进行了数控化改造。 1.2 数控技术的发展过程 随着计算机技术应用到机床上，机械产品的质量在很大程度上不再依赖于机床操作者的操作水平，能实现复杂零件的加工。 近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段、六代的发展。（1） 硬件数控阶段50年代至70年代初期，计算机的运算速度低，不能适应对机床进行实时控制的要求，人们不得不采用数字逻辑电路搭成机床专用的计算机，作为数控系统，被称为硬件数控系统。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代：1) 1952年开始的第一代电子管元件。2）1959年开始的第二代晶体管元件。3) 1965年开始的第三代小规模集成电路。（2） 软件数控阶段 软件数控阶段也叫计算机数控(CNC)阶段，是数控系统的第二阶段(1970年现在)，这个阶段同样经历了三代：1)1970年开始的第一代小型计算机。2)1974年开始的第二代微处理器。3)1990年以后的第三代PC机。 从1970年开始，通用小型计算机业己出现，并成批生产，它比专用计算机成本低，可靠性高，数控系统进入CNC阶段。1971，产生了微处理器，1974年，微处理器被应用于数控系统，1990年，PC机的性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量大，价格便宜，可靠性高，数控系统从此进入基于PC的阶段。 数控系统经历了几十年来的发展，到了20世纪70年代后期，才从根本上解决了可靠性低、价格昂贵、应用不便等关键问题。因此，即使在工业发达国家，数控机床也是在70年代末80年代初才开始得到大规模应用和普及的。1.3 数控技术的发展趋势随着计算机技术及信息处理的发展,数控技术未来发展的趋势主要体现在以下几个方面： （1）开放式、低成本、高可靠性 PC机所具有的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯诊断和维修将更加普遍。 （2）高速化、高精度数控系统高速处理并计算出伺服电机的移动量，并要求伺服电机能高速度地做出反应，为使在极短的时间内达到高速度和高速度下实现高定位精度，必须具备高加减速和高精度的位置检测系统和伺服品质。 （3）智能化 1)应用自适应控制技术、数字伺服驱动装置 数控系统能检测加工过程中的一些重要信息并自动调整系统的有关参数，使机床处于最佳工作状态。 2)引入专家系统指导加工、故障诊断将熟练工人和专家的经验、加工的一般规律与特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （4）网络化 通过网络连接，构成一个整体的系统解决方案，通过网络高速传输数据，进行整体化、一元化管理。 （5）直线交流伺服系统 直线交流伺服系统是21世纪数控机床不可缺少的功能部件。目前我国还没有成熟产品，因此应加强研究，开发和推广应用。1.4 国内外现状当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早己成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。较著名的控制系统有:日本 FANUC系列、Mitsubishi系列、OKUMA系列、SODICK系列、日立系列、德国SIEMENS系列、DECKEL系列、Heidenhain系列、HELLER系列、美国ALLEN-BRADLEY (AB)系列、CINCINNANTI系列、法国Num系列、意大利FIDIA系列、西班牙FAGOR系列、瑞士的AG系列、国产系列等。 在美国、日本和德国等发达国家，它们将机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，己形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 赶上计算机体系结构前进的步伐、加快数控系统的开发速度，已成为数控发展的最主要趋势。以第四代计算机的工程结构和微电子工艺技术为基础，充分利用现有微机的硬件、软件资源，发展总线式、模块式、开放型、嵌入式的柔性数控系统，使之既适合加工复杂零件、分立式机床用的数控系统的组成，又适合未来自动化升级时功能可扩展的要求。 我国数控系统发展具有以下3个特征:(1)高档数控系统技术已经突破。如华中I型等数控系统，都具有多轴联动功能，快速进给速度在1.67m/s以上，具有较强的通信、管理功能。(2)普及型数控系统技术已经成熟。如北京机床研究所的BS91系统，这些系统一般配有CRT显示器，可配置直流和交流司服驱动，24轴联动。(3)经济型数控系统仍有广阔的市场前景。由于这类系统结构简单，价格便宜，非常适合中小型企业，目前仍是我国应用面最广的数控系统。比较典型的有南京大方的JWK系列。我国是机床生产大国，又是使用大国。数控机床是机械工业发展的关键产品，我国的数控机床在机床产品中的比例总体水平低。但是我国是发展中国家，许多企业财力薄弱，不可能花费大量的资金添置许多全新的数控机床，但是大量的通用机床不可能全部淘汰。 因此，把普通机床改造为数控机床则不失为是一条提高数控化率的有效途径，机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高。 1.5主要研究内容和意义1.5.1课题的主要研究内容总述自80年代中期起，我国有些企业就陆续引进了一些当时在国内外处于领先地位的数控机床，这些设备在这些企业的生产中都发挥了很大的作用。几十年来虽然我国的数控技术得到了快速发展，但由于原有数控大国数控技术的飞速发展，尤其是国内各方面条件的限制，使得我国的数控技术发展还处于相对被动、落后的处境。比如由于资金限制和加工需要的局限性等，许多企业选择对原有机床进行改造。就这一问题，现以X53K立式铣床数控化改造为例浅述一种铣床数控化改造的思路：在保持机床原有结构、传动系统等方面的优势的基础上，进行相对简易的改造，加上数控系统，使改造后的机床能够具备正常数控铣床的功能。基于以上思考本课题研究的内容如下：（1）课题名称：基于X53K立式铣床的数控化改造说明 （2）课题的总体要求：将铣床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床，步进电机开环控制，要求具有直线和圆弧插补功能。机械部分要求计算，硬件电路部分要求用8031作CPU，控制系统中要求包括扩展程序存储器、扩展数据存储器、I/O接口芯片、译码电路及键盘、显示等外设、硬件电路要求包括3个坐标系统。对软件系统部分进行简要的说明。1.5.2 机床改造各系统设计的思路按照课题设计的总体要求，结合实际情况。我们必须全面考虑机械部分和伺服系统部分各方面的改造，并协调好各部分设计的配合。现各系统部分的主要改造思路如下： (1)驱动系统设计采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易。内循环更换为滚珠丝杠螺母副，内循环螺纹调整用双螺母滚珠丝杠螺母副，齿轮箱装有三个齿轮。（2）进给传动系统设计纵向、横向、垂向进给箱齿轮全部拆除，拆纵向、横向、垂向进给手柄，在该处将手轮轴通过一对减速齿轮和纵向、横向及垂向步进电机相连。丝杠拆去，换上滚珠丝杠，并由齿轮箱与滚珠丝杠连接，使改造后的机床的机械传动部分具有高静态、动态刚度；运动副之间的摩擦因数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。改造后的X53K铣床定位精度、重复定位精度都将得到很大提高。（3）将原来机床横向进给手轮，刻度盘及前面的护盖拆去，将螺杆换成NL3005滚珠丝杆，仍利用原来的一对圆锥滚子轴承，齿轮箱体直接装在升降台上。为了将步进电机装在升降台右侧，齿轮箱体的后面，以便工人操作，必须加大丝杆中心与电机轴的中心距。（4）数控系统的设计 采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。CPU采用8031单片机控制系统。同时考虑到8031内部只有128B的数据存储器也远不能满足控制的要求。故扩展了16KB程序存储器由两片2764组成，又扩展了一片6264数据存储器。8031芯采用模块化设计方案，从总体上分为人机界面模块、坐标进给模块、变频调速控制模块、串行通信模块、液压系统、冷却系统、润滑系统。利用变频调速的原理，设计主轴的无级变频调速系统；通过插补算法，实现步进电机的准确定位以便达到工件的精确度；通过键盘和显示模块，实现程序的编辑和显示；通过其他辅助系统的设计，实现机床功能的数控化。 1.5.3 课题研究的相关参数及改造机床的功能分析（1）铣床数控化改造的相关参数铣床数控化改造应用参数主要包括铣床的部分技术参数和设计数控进给系统所需的参数。主要参数如下:数控化改造参数：工作台尺寸：4001600mm工作台行程：纵向：880mm工作台及夹具工作重力：纵向：3500N工作台进给速度：纵向：1.4m/min主电机功率：10KW起动加速时间：30ms定们精度：0.01mm代码制：ISO输入方式：增量值、绝对值通用控制坐标数：3最小指令值：0.010.005/脉冲自动升降速性能：有控制系统用CPU ：8031单片机 （2） 改造后的数控铣床功能分析根据设计要求，改造后的数控铣床应具有以下功能:1） 可以实现程序的编辑和存储功能。2） 可以在平面或空间范围内按设定曲线(直线、圆弧等)恒速或变速运行。3） 可以实现数值的任意设定并显示。4） 可以实现辅助控制系统的任意起停和故障报警。5) 可以实现与上位机的通讯。1.5.4 课题研究完成的主要内容(1) 数控铣床常识1) 数控铣床的主要系统组成及工作原理。2) 数控铣床的加工范围及分类。3) 数控铣床的主要功能。4）数控铣床的选用。（2）X53K立式铣床简介1） X53K立式铣床的概述及部分结构图。2) X53K立式铣床的结构特点。（3） 计算机数控系统的基础1) 计算机数控系统简介。2) 计算机数控系统组成及其控制对象。（4）步进电机和用微机控制下的步进电机的原理以及两者的对比（5）铣床改造中应注意的问题及总结1）铣床数控化改造中应注意的问题。2）铣床数控化改造总结。（6）铣床数控化系统改造的总体要求总体方案和框图的拟定1）铣床数控化改造的总体要求。2）系统总体方案的确定。3）系统总体方案框图。（7）进给机床进给伺服系统机械部分计算1）工作台外形尺寸及重量估算。2）钻削计算。3）铣削力计算。4）滚动导轨的参数确定。5）滚珠丝杠的设计计算。6）步进电机的选用。7）确定齿轮传动比及模数和有关尺寸。8）设计绘制纵横向进行机构装配图。（8）微机数控系统硬件部分1）控制系统的功能。2）CPU和存储器。3）I/O接口电路。4）控制线及其他辅助电路。（9）数控系统软件部分简介1）数控系统软件部分概述。2）步进电动机程序设计的主要任务的介绍。 （10）工作总结与展望1）工作总结。 2）课题展望。1.5.5机床数控化改造的意义旧机床数控化系统改造具有多方面的意义:首先，对原有机床进行升级改造，使机床“起死回生”,增加了机床的使用寿命，拓展了机床的适用范围，提高了机床的加工性能。再有，由于是对原有机床进行的改造，使企业节省了成本，减少了机床废弃的浪费；使本企业的原有操作人员更容易加快熟悉其全部的操作流程。由此可见，对原有机床进行数控化改造，对资金和技术要求相对较低。对像我国这样的发展中国家的企业具有深远的意义。1. 6本章小结本章节首先介绍了数控技术的背景发展历程，进而分析了数控技术的国内外现状及未来趋势，最后介绍了研究的主要内容和意义。第2章 铣床简介和计算机控制概述2.1 数控铣床概述2.11数控铣床组成及工作原理数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的，两者的加工工艺相同，结构也有些相似，但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床，所以其结构也与普通铣床有较大区别。数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：(1) 主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接影响。(2) 进给伺服系统 由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。(3) 控制系统 数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。(4) 辅助装置 如液压、气动、冷却和润滑系统和排屑、防护等装置。(5) 机床基础件 通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。数控铣床加工过程示意图如下： 图 2-1数控铣床加工过程示意图2.1.2 数控铣床加工范围及分类数控铣床主要能铣削平面、沟槽和曲面，还能加工复杂的型腔和凸台。数控铣床主轴安装铣削刀具，在加工程序控制下，安装工件的工作台沿着X、Y、Z三根坐标轴的方向运动，通过不断改变铣削刀具与工件之间的相对位置，可加工出符合图纸要求的工件。数控铣床的分类：(1）根据主轴位置布置分类：根据主轴位置布置的不同，数控铣床可分为立式数控铣床和卧式数控铣床等。(2）按系统功能分类：按系统功能的不同，数控铣床可分为经济型数控铣床、全功能数控铣床、高速数控铣床和龙门数控铣床等。2.1.3 数控铣床的主要功能数控铣床的主要功能有：（1） 平面直线插补功能；（2） 空间直线插补功能；（3） 平面圆弧插补功能；（4） 逼近圆弧插补功能；（5） 孔加工固定循环功能。2.1.4 数控铣床的选用对于加工不同情况的零件，需选用不同的数控铣床。现相关选择方法如下：（1）根据被加工零件的尺寸选择 规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在400mm以下，它最适宜中小零件的加工和复杂形面的轮廓铣削任务。规格较大的如龙门式铣床，工作台在500600mm以上，用来解决大尺寸复杂零件的加工需要。（2）根据加工零件的精度要求选用我国已经制定了数控铣床的精度标准，其中数控立式铣床升降台铣床已有专业标准标准规定其直线运动坐标的定位精度为0.04/300mm，重复定位精度为0.025mm,铣圆0.035mm。实际上，机床出厂精度均有相当的储备量，比国家标准的允许差值大约压缩20%左右。因此，从精度选择来看，一般的数控铣床即可满足大多数零件的加工需要。对于精度要求比较高的零件，则应考虑选用精密型的数控铣床。（3）根据加工零件的加工特点来选择对于加工部位是框形平面或不等高的各级台阶，选用点位直线系统的数控铣床即可。如果加工部位是曲面轮廓，应根据曲面的几何形状决定选择两坐标联动和三坐标联动的系统。也可根据零件加工要求，在一般的数控铣床的基础上，增加数控分度头或数控回转工作台，这时机床的系统为四坐标的数控系统，也可以加工螺旋槽、叶片零件等。（4）根据零件的批量或其他要求选择对于大批量的零件加工，可采用专用铣床。如果是中小批量而又是经常周期性重复投产的话，那么采用数控铣床是非常合适的，因为第一批量中准备好的夹具、程序等可以存储起来重复使用。从长远考虑，自动化程度高的铣床代替普通铣床，减轻劳动者的劳动量提高生产率的趋势是不可避免的。 22 X53K立式铣床简介2.2.1 概述及部分结构图（1）X53K立式铣床是一种具有广泛用途的通用铣床，该机床由端面铣刀及各种成型铣刀来加工多种类型的零件。并且该型号机床一般都具备足够的功率和较广的调速范围（主轴转速和进给量），因此，可以充分利用硬质合金刀具来进行高速铣削。X53K立式铣床外形图如图 2-2所示。 图 2-2 X53K立式铣床外形图（2）相关参数如表 2-1 所示。表2-1 X53K立式铣床的相关参数机床参数名称单位数值或数值范围主轴端面至工作台距离mm35-500主轴中心线到床身垂直导轨的距离mm450主轴孔锥度7:24主轴孔径mm29主轴安装刀杆直径mm32-50主轴安装刀杆直径mm30-1500立铣头最大回转角度。+45主轴轴转向移动距离mm85工作台工作面（宽度长度）mm400X1600纵向（手动/机动）mm900/880横向（手动/机动）mm315/300垂向（手动/机动）mm385/365纵向工作台进给范围（18级）m/min23.5-1180横向工作台进给范围（18级）m/min15-786垂向工作台进给范围（18级）m/min8-394纵向工作台快速移动速度m/min2300垂向工作台快速移动速度m/min770横向工作台快速移动速度m/min1540电机总容量kw13.125外形尺寸（长宽高）mm2556x2159x2258重量kg4250（3）利用UG三维软件对组成铣床的各部分进行绘制，通过上面的方法建立的数控铣床几何模型如图 2-3所示。图 2-3数控铣床几何模型我们首先对铣床进行拆分，将在数控机床加工中的一些辅助结构进行省略而只保留一些重要的部分。一般数控铣床的基本组成包括:床身、主轴、工作台(X轴、Y轴、Z轴)、刀具等部分。下图是铣床的一个简单的结构划分图:图2-4铣床的简单结构划分图（4）铣头简介机床的铣头是机床结构中较灵活的部件之一，它各方面的参数性能的好坏将直接影响其所加工工件的精度高低、质量好坏。1）铣头的三维模型如图2-5所示。图 2-5 用UG三维设计的立式铣头装配图2）立铣头局剖图如图 2-6所示。1-法兰盘 ；2-铁丝； 3-轴承； 4-半圆环； 5-M6螺钉；6-挡油环； 7-主轴图 2-6 立铣头局部图2.22 结构特点 X53K立式铣床的结构特点主要有:(1) 机床结构刚性好,能承载重负荷切削。(2) 机床主轴电机功率高,变速范围广，充分发挥刀具效能.可进行高速切削。(3) 机床易磨损铸铁采用钒钛耐磨铸铁,重要的传动零件采用优质合金钢保证机床的耐用性和稳定性。(4) 机床有完善的润滑系统。2.3 计算机数控系统的基础23.1 计算机数控系统的概念及构成 计算机控制系统是建立在计算机控制理论的基础上的一种以计算机为手段的控制系统。若计算机是微型机，则称微型机控制系统。由模拟控制系统构成计算机控制最直接的方法是将图中的模拟控制器转化为计算机，再配以A/D, D/A等，即可构成计算机控制系统。这也是计算机控制系统与模拟控制系统的区别与联系。如图2-7、图2-8所示。图 2-7模拟控制系统图 2-8 计算机控制系统 2.3.2 计算机控制系统的特点及组成（1） 计算机控制系统的基本特点: 1) 出入计算机的信号均为二进制数字信号，因此需要D/A, A/D。 2)控制信号通过软件加工处理，充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆能力，因此，改变控制算法只要改变程序而不会改动硬件电路。（2） 计算机系统控制的组成：1) 被控制对象a. 生产过程b. 检测元件c. 执行机构2) 计算机组成a. 主机、外设、接口、I/O通讯。b. 系统软件: 系统软件是指帮助人们使用和管理计算机的一些软件，如一些高级语界时编译系统等。c. 应用软件：应用软件是指用户自己编制的为完成具体任务的一些程序，如数据处理、控制算法、报警、事故处理等程序。2.4 步进电机和用微机控制下的步进电机的对比2.4.1 典型的步进电机控制系统及特点 典型的步进电机控制系统如图2-9所示。 图 2-9 步进电机控制系统的组成步进电机控制主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进控制器是由缓冲寄存器、环行分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环行脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控制。功率放大器的作用是把控制器输出的环行脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。 在这种控制方式中，由于步进控制器线路复杂、成本高，因而限制了它的应用。2.4.2 用微型机控制的步进电机及工作原理如果采用计算机控制系统，由软件代替章节2.4.1讲述的步进控制器，则问题将大大简化，这不仅简化了线路，降低了成本，而且可靠性也大大提高。所以在数控化系统改造中我们我们通常采用微型计算机控制。其结构框图如图2-10所示。图 2-10 用微型机控制步进电机原理图用微型机控制的步进电机与典型的步进电机的区别主要在于用微型机代替了步进控制器，并且用微机控制采用的是细分驱动的方式。因此，微型机的主要作用是把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着转向控制线信号所确定的方向走一步。只要负载是在步进电机允许的范围之内，那么，每个脉冲将使电动机转动一个固定的步距角度，根据步距角度的大小和实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。2.5 铣床改造中应注意的问题及总结2.5.1 铣床数控化改造中应注意的问题a. 应尽量保留铣床的手动功能，以便操作人员对刀及调整机床。b. 改造前先测出丝杠传动间隙，并在编程时予以补偿，改造后应测出有关参数，如最大实载切削速度、最大背刀吃刀量等，作为编程时参考依据。c. 应尽量消除齿轮副和丝杠副的间隙，齿轮全部采用双片薄齿轮错齿法消除啮合间隙。也可采用软件补偿进给量的方法消除。d. 铣床工作台重，而且铣削力也较大，垂直丝杠要配备较大功率的驱动电动机，要在工作台上加配重或平衡液压缸来平衡。e. 滚动丝杠没有自锁能力，垂直坐标不能锁住，工作台会自动下降，可采用超越离合器和摩擦离合器产生制动达到自锁。2.5.2 铣床数控化改造总结普通铣床数控化改造，实质就是在普通铣床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标，其目的是使原机床具有一定的柔性，提高生产效率和质量，解决复杂零件的加工问题。用单片机扩展系统将普通铣床改造为经济型铣床，简便易行，能保证零件的加工精度，对复杂零件尤其是对弧面和曲面的加工效果显著。2.6 本章小结本章节首先介绍了数控铣床的组成、工作原理等关于数控铣床的相关知识和X53K立式铣床的参数、部分部件图及其结构特点，进而对计算机数控系统的基础和步进电机原理作了大概介绍，最后阐述了普通铣床数控化改造中应注意的问题及总结。第3章 数控系统设计的总体方案3.1 数控铣床改造设计总体要求3.1.1数控铣床改造设计主要考虑因素数控铣床改造设计主要考虑以下四方面因素:(1)经济性 既然是用于普通铣床的数控化改造，因此，必须充分考虑系统的成本，这是保证达到系统包括数控系统、主传动系统、伺服驱动系统及机械传动系统等设计目的关键。(2)方便性 数控系统的方便性主要反映在系统的人机界面。人机界面应当对用户友好，对此系统应从以下几个途径来体现:1) 汉化按键，方便各种层次的操作者使用。2) 输入、检索、修改尽量一体化。即输入时可以检索、修改，检索时可以修改、输入，并且自动显示程序段号。3)快速检索，即能对程序进行上下翻页显示。(3)实用性 经济型数控系统的设计不应追求功能的大而全，应以实用为原则。一般的机械加工只要能具有以下功能即可满足需要:1）直线、圆弧插补。2）插补速度要充分考虑被改造机床本身的内在素质，如刚性、抗震性、耐磨性等，不宜过高。3）速度衔接技术，即速度升/降速控制。速度衔接技术可以保证系统在加工过程中实现2段程序间的速度平滑连接，从而避免造成加工刀痕，保证精度。4）变频调速。5）加工程序的掉电保护能力。(4)可靠性 由于数控系统工作环境十分恶劣，必须有足够的可靠性才能保证系统稳定运行。32数控系统总体设计方案的拟定及框图3.2.1 系统总体方案的确定根据设计任务的要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易，为确保数控系统的传动精度和工作平衡性，采用低摩擦的传动和导向元件，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和液动导轨，为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙，计算机系统采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。3.2.2 系统总体方案框图图 3-1 系统总体方案图3.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算3.3.1 机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容X53K立式铣床数控化改造机械系统设计主要包括伺服驱动系统的设计计算，丝杠螺母副的设计计算、一些基本部件相关计算和传动系统的设计计算。（1） 基本部件相关计算主要有工作台的外形尺寸及重量的计算、钻铣削力的计算以及滚动导轨参数的计算等。（2） 丝杠螺母副的设计计算包括纵向、横向、垂向丝杠螺母副的选用。 (3) 伺服驱动系统的设计计算包括步进电机选型、减速齿轮副的设计计算。(4) 传动系统的设计计算主要是齿轮的相关参数计算选择。3.3.2 基本部件相关计算基本部件相关计算如下:a.工作台外形尺寸及重量估算1) 纵向：X=1600mm2) 工作加工范围：纵向：X=880mm3) 工作台及夹具工件策略：Gx=3500N 4) 横向：Z=4005) 工作加工范围：横向：Z=300mm6) 工作台及夹具工件策略：Gz=5500Nb. 钻削计算7) Pz1=GFdfK8) 查得：CF=304.11,XF=1,YF=0.8,KF=1取f=0.005mm/r9) 则：Pz1= 304.1140.051=111Nc. 铣削力的计算根据简明铣工手册，对高速钢圆柱铣刀，切削力的计算公式:式中:C系数，其值取决于切削条件和工作材料，当工件为碳钢时，查简明铣工手册，可得其值。ap- 铣削宽度（铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量)ae - 背吃刀量z - 铣刀齿数d0- 刀直径n 铣刀转数xF、 yF 、uF 、 wF-公式中各个系数的指数。KFC- 切削条改变时，切削力的修正指数，其中参数按实际加工过程中平均铣削条件为标准来选择。现走刀抗力计算如下：Pz2=9.8122.6aafdtapz a=0.05d(铣凸轮) 铣削接触弧深af=0.1mm/z 每齿进给量铣刀直径：dT=12铣削深度：aP=8铣刀齿数：z=3Pz2=9.8122.620.11283=217查表得：PH/PF=1,则走刀抗力PH=PF=217Nd.滚动导轨的参数确定导轨形式：在原有滑动导轨的基础上，采用贴塑处理，摩擦特性好，耐磨性好，减振特性好等特点，且工艺较简单。3.3.3丝杠螺母副的相关计算（1）滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杆的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时情况计算。1）最大动负荷Q的计算：Q=fw P运转系数fw=2，寿命值， 式中： L 寿命 ，以10转为一单位 n 丝杠转速（r/min） Vs 为最大切前力条件下的进给速度（m/min）可取最高进给速度的1/2 1/3纵向: Vs=0.6m/min L0 丝杠导程（mm） T 为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h; fw 运转系数， 初选丝杠螺距L0=6mm，得丝杠转速n为：=60r/min所以L=54 X向丝杠牵引力：Px=Pz2+1.414fGx =217+1.4140.0013500=222N式中: f 当量摩擦系数，取0.01所以最大动负荷：X向：Q=fwP=2229N查表取滚珠丝杠直径d0=30,选用滚珠丝杠螺母副的型号为NL3005型，单螺母变导程预紧。（见下表）表 3-1滚珠丝杠螺母几何参数计算名称符号计算公式和结果/mm螺纹滚道公称直径d30螺距t6接触角 45钢球直径d 3.969螺纹滚道法面半径R 2.064螺杆偏心距eE=(R-dq/z)sin=0.045螺纹升角=arctg=32螺杆直径dD=d-0.2d=29.5螺杆内径dd= d+2e-2R=26.8螺杆接触直径dzd= d- dcos=27.8螺母螺母螺纹外径DD=60螺母内径D1D1= 502)传动效率的计算=0.96式中 摩擦角 约等于10 螺纹升角3）刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程L0的变化量为 L=式中: L1 在工作负载P作用下引起每一导程的变化量（mm）； P 工作负载，即进给牵引力（N）； L0 滚珠丝杠导程（mm）； E 材料弹性模数（N/mm）,对钢为20.610N/mm; F 滚珠丝杠截面积（按内径确定）X向： P=222N. L0=5mm, E=20.610 N/mm F=R=5.638cm所以L1=1.2710cm丝杆因受扭矩而引起的导的变化量L2很小，可忽略所以导程总误差=L100/ L0=2.53m/m查表知E级精度的丝杠允许误差1.5m，故刚度足够。3.3.4 步进电机的选用 步进电机控制系统方案比较及论证步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。(1) 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。(2) 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 (3) 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度。步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩及电流三大要素组成。三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。（1）步进电机的步距角：对步进电机施加一个脉冲信息，步进电机就回转一个固定的角度。因为系统分辨率为0.01mm，所以取系统脉冲当量=0.01mm/step初选步进电机步距角b=1.5（2）步进电机启动转距的计算 设步进电机等效负载转矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理,电机所做的功与负载力做的功有如下关系：T=Ps 式中: 电机转角； s 移动部件的相应位移； 机械传动效率若取=1.5，则s=,p=pH+(G+P)所以T=PH+（G+P）式中： pH 铣削时走刀抗力（N）；G 移动部件重量（N）；P 与策略方向一致的切削力（N）； 导轨摩擦系数，取0.005； 步进电机的步距角；T 电机轴负载转距（Ncm）。代入数据得：T=10.45N估算起动转矩：Tq=Ncm=34.8N.cm对工作方式为三相六拍的步进电机，=0.866；可求出最大静转矩Tjmax=46.4(3)步进电机的最高起动频率fmax及运行频率fg计算fmax=2333Hzfg=1000Hz（4）确定步进电机型号 综合考虑，并参考机电一体化技术手册和机电综合设计指导，根据以上计算，选出130BF001型电机可以满足要求，因为加工材料为青铜，切削力小，故不再进行校核计算。尺寸如下图：图 3-2 130BF001型电机尺寸图3.3.5 确定齿轮传动比及模数和有关尺寸因为步进电机中距角=1.5，滚珠丝杠螺距离t=5mm,要实现脉冲当量p=0.01mm/step，在传动系统中应加一级齿轮降速传动，降速传动比：I=0.48（选Z1=24，Z2=50）因传递的扭矩较小，取模数m=2,齿轮有关尺寸如下表：表 3-2 齿轮相关尺寸关系式 ZZ Z 24 50 d=mz 48 100 d=d+2m 52 104 d=d-21.25 43 95 B=(36 )mm 10 10 a=74在X53K立铣上(见图3-3)，装上传动轴II及滚比挂轮装置ABCD。当横向丝杆I由走刀机构带动时，经齿轮传至轴B.滚比挂轮ABCD，而使分度头回转，实现工件齿形的展成运动。当工作台横向移动d (d为工件分度圆直径)距离，分度头应转一周。其传动系统及轴齿轮参数如下图： 图 3-3 X53K立式铣床的传动系统图3.3.6 纵横向进行机构装配图（1）经过计算,本设计采用130BF001型步进电机，内循环NL3005滚珠丝杠副，齿轮箱中装有三个齿轮Z1=24，Z2=52，Z3=25，模数m=2。内循环螺纹调整的双螺母滚珠丝杠副,NL4006.（2） 齿轮箱体在工作台的右侧,设计中将一对齿轮水平放置(图中没画出),避免箱体高工作台面影响工人操作.步进电机装在齿轮箱盖14上,为了保证电机与滚珠丝杠平衡度,在装配之前,应将端盖14与箱体11用螺钉坚固后打销孔.在上镗床,在一次装夹中镗出100H8和68H8两个孔,再将端盖坼下,进行装配。（3） 将原回转台8中的锥齿轮,滑动螺母等零件去掉，将回转台稍作加工，装入滚珠螺母，再装调左端的丝杠支架和右端的箱体11，使滚珠丝杠与导轨平行，滚珠丝杠带动工作台运行灵活，无阻滞现象，再坚固螺钉，并打定位销。（4） 在水平面内应使丝杠中心线距导轨的距离尽量小，否则将会产生颠复力矩，增大摩擦力使运动不平稳。此外设计中常见的错误是为了在大齿轮端面与箱壁的矩，任意加长电机伸出轴这是不允许的。如果齿轮端面与箱壁矩离太小，不便于装配，可以用加长齿轮轮毂的方法来解决。（5） 本图的消隙齿轮，是采用两个薄片齿轮，中间开有三个月牙形的槽放入压簧，并用三个内六角螺钉固定（MM和NN）。这种消隙齿轮的装配顺序是：首先将双片齿轮相对转过一个齿距，使双片齿轮对齐，弹簧29受压，上紧螺钉26装入箱体后，将螺钉26松开，弹簧40将双片齿轮沿周向错开，以消除与齿轮23的侧隙，此时再将螺钉26上紧。设计时弹簧两端用削扁的销子压住。（6）将原来机床横向进给手轮，刻度盘及前面的护盖拆去，将螺杆换成NL3005滚珠丝杠，仍利用原来的一对圆锥滚子轴承，齿轮箱体直接装在升降台上。为了将步进电机装在升降台右侧，齿轮箱体的后面，以便工人操作，必须加大丝杆中心与电机轴的中心距，故此设计中采用齿数为52的中间介轮。因Z=52齿轮直径较大做成双片齿轮，用以消除齿侧间隙。箱体上的电机止口孔100，中间轴轴承外圈孔42，及与升降台上寂位座圈7作止口配合的孔75，是在镗床上一次镗出，其也中心距分别是770.023与760.023，装配时将箱体止口孔75H8装在定位座圈4上，则保证了滚珠丝杆上装的齿轮8（Z=25，m=2）与箱体中问轴上的齿轮10（Z=52,m=2）的中心距，使齿轮能正确啮合。旋塞件4是为了旋下后，能从孔中伸进内六角杆，用来松紧介轮上的3个螺钉，使消隙齿轮错齿，以消除上下齿轮与之啮合的侧隙。(具体见装配图)3.4 数控系统硬件部分电路的设计3.4.1 数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都有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，软件才能有效的运行。机床数控系统的硬件电路由四部分组成：（1） 中央处理单元CPU；（2） 总线。包括数据总线（DB）、地址总线(AD)、控制总线（CB）；（3） 存储器。包括只读可编程存储器和随即读写存储器；（4） I/O输入/输出接口电路。该控制的组成如下：存储系统主控制器 键盘 显示器电机接口图3-4 控制系统图主控器：单片机存储器：EPROM RAMI/O接口：键盘、显示及步进电机系统总体确定后，进行各部分设计 3.4.2控制系统的功能（1） X向、Y向、Z向的进给伺服运动；（2） 键盘显示；（3） 面板管理；（4） 行程控制；(5) 其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示。3.4.3 CPU和存储器控制系统的主控微机是Intel公司的MCS-51系列的8031单片机。MCS-51系列单片机采用40引脚双列且插式封装。其引脚分配和逻辑符号见图3-5。(1) 8031单片机的主要特性如下：图3-5 MCS-51单片机的引脚分配及逻辑符号1） 8位CPU；2） 12MHz-12MHz的外部晶振选择范围，内部有时钟电路；3） 16根I/0口线；4） 64K字节外部数据存储器地址空间；5） 12个16位定时计数器，四种工作方式；6） 5个中断源，2个优先级别；7） 1个全双工串行口；8） 片内有布尔处理器；9） 片内有128字节RAM；10） 片内有213个用户寻址单元。(2) 选用8031单片机为系统主机，而不用TP801单片机。主要考虑因素如下: a. 集成度高8031单片机将构成微型计算机的基本单元，如CPU,数据存储器、定时计数器、输入输出口和时钟电路等集成在一个单一的芯片上。而TP801构成一个完整微机需用不同逻辑功能的多个芯片组装。 b. 体积小 8031单片机的大小与Z80CPU芯片一样大，且仅有40个引脚。 c. 可靠性高 8031单片机属于工业用品，而Z80CPU属于商用品，8031比ZSOCPU高一个级别。另外，单片机的总线大部分集成在芯片内，不易受干扰。而TP801多个芯片的三总线连接是暴露在外部，易于受干扰或断线。所以8031 的可靠性高。 d. 寻