X525立式铣床的数控改造

X525 立式铣床的数控改造1 绪论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。数字控制机床（Numerical Controlled Machine Tool） ，简称 NC 机床。数控系统是一种控制系统，它能控制机床的运动和加工过程。计算机数控机床（Computer-ized Numerical Controlled Machine Tool） ，简称 CNC 机床，是利用具有专门存储程序输入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变数、起停、进给运动的方向、速度和位移大小，以及诸如刀具的选择、交换、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。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；（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。国外利用数字计算机进行控制加工是从 40 年代开始的。1952 年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从 60 年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974 年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。我国数控机床的研制是从 1958 年开始的，经历了几十年的发展，直至 80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通铣床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有铣床上进行数控改造有着较好的市场前景。我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。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） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，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，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。我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项，大约 165.8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。数控化改造的优缺主要有：（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。特别大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高 23 倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。 （2）机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、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，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 （3）熟悉了解设备、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。 （5）可以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。本课题是围绕将 X525 立式铣床改造成经济型数控铣床展开设计的，经济型数控铣床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控铣床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通铣床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工” 和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。利用微机改造现有的普通铣床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工铣床，即经济型数控铣床。进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通铣床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。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 X525 立式铣床进行了数控化改造。要求原机床的改动尽量少，以降低成本，提高性价比。根据这个要求保留原机床的主轴旋转运动以及纵横向进给的机动部分，改造后的数控铣床要求结构简单、经济实用、易于推广普及。因此采用步进电机为饲服元件，用来驱动纵横向工作台的进给运动。拆除机床上原有的纵横向丝杠螺母元件，改用步进电机和减速齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。并选择合适的数控系统，使其扩大加工范围，适用于现阶段我国的中小型机械加工企业。2 设计要求2.1 总体方案设计要求对现有 X525 立式铣床功能分析，提出对其进行数控改造，选取合适的数控系统并进行分析，并分别对主运动和进给运动机构及回转刀架进行改造。如有必要需对相应机械结构进行改装设计，并对所选用数控系统及电气系统进行分析。具体目标和要求：1 进给伺服系统机械部分设计与计算；2 步进电动机的计算与选型；3 主轴交流伺服电机设计；4 对所选用数控系统及电气控制系统进行分析和设计。2.2 设计参数设计参数包括铣床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。现列出 X525 立式铣床的技术数据：名称 技术参数工作台面积（长宽）： 320mm1250mm工作台最大行程：横向（X 轴） 680mm纵向（Y 轴） 140mm垂向（Z 轴） 350mmT 型槽槽宽槽数槽间距： 16mm3mm80mm主轴转速范围： 301500mm/min升降台机动升降速度 8394mm/min主电机功率： 7.5 kw最大工件质量： 250 kg定位精度： m250/1.重复定位精度： 0.01mm加工精度平面度： 0.02平行度： 100：0.02垂直度： 100：0.02表面粗糙度： 2.5aR数控系统： mcs-51 单片机2.3 其它要求（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便3 进给伺服系统机械部分的设计与计算3.1 进给系统机械结构改造设计数控机床的进给系统是由伺服电机驱动(由于铣削时作用在电动机轴上的负载转矩较大，所以要选择大功率的步进电动机，而大功率步进电动机驱动较困难。步进电动机没有过载能力，在高速运动时转矩下降很多，容易丢步。要是改造后的铣床进给伺服性能较好，在改造中也常采用直流伺服电动机驱动)，通过滚珠丝杠带动刀具或工件完成各坐标方向的进给运动。为确定进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械装置时，以“无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度”为原则，具体措施有：采用低摩擦、轻拖动、高效率的滚珠丝杠和直线滚动导轨；采用大扭矩、宽调速的伺服电机直接与丝杠相联接，缩短和简化进给传动链；通过消隙装置消除齿轮、丝杠、联轴器的传动间隙；对滚动导轨和丝杠预加载荷，预拉伸。利用微机对纵横垂直进给系统进行半闭环控制，脉冲当量都为 0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。采用微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向、垂直进给运动。进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示：图 3.1 进给系统简图3.2 横向进给伺服系统机械部分的计算与选型3.2.1 横向进给系统的设计采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。3.2.2 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对X525 的技术参数中，要求纵向脉冲当量 fp 为 0.01mm/step，横向脉冲当量为fp=0.01mm/step，垂向脉冲当量为 fp=0.01mm/step。3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1）横向滚珠丝杠螺母副型号选择以工作寿命为选型原则进行计算，按实际加工过程中的最大铣削力为基准，确保正常工作状态下的安全。1）切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 KPc式中： N-电机功率，查机床说明书，N=7.5 KW；-主传动系统总效率，一般为 0.70.85 取 =0.7； K-进给系统功率系数，取为 K=0.96。则有： =7.50.70.96=5.04 kwKPc切向铣削力：F = 10 NZVc3式中： V-主轴传递全部功率时的最底切削速度（m/s）则有： V= D95/60000=1.7m/s=102m/min）（ NF7.29641064.5z进给工作台工作载荷计算从数控铣床中表 2-1 可得知，在一般立式铣削时，工作台纵向进给方向载荷：=1.0Fz=2964.7 NLF工作台横向进给方向载荷： =0.4Fz=0.42964.7=1185.8 NC工作台垂直进给方向载荷： =0.2Fz=0.22964.7=592.9 NVF2)滚珠丝杠设计计算：由数控技术可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力：采用矩型导轨 )(GFfKFCVLm式中 K=1.1 =0.15 G=1960 N则有： NFm 382)1960.859.2(15.0729641. 最大动载荷的计算寿命值： 610LnT0vn-为丝杆转速（r/min）v-为最大切削力下的进给速度（m/min）,取最高进给速度的 1/3T-额定寿命，查表得 T=15000h -滚珠丝杆导程，取 =6mm0L0L则有：v=min/5.13r/min836.0nL7.4156最大动负载 C 查表得：运转状态系数 ，硬度系数 则5.mf 1.fnC NFL 2.65938.17.433 根据最大动负荷 C 的值，可选则滚珠丝杠的型号。查表 2-5 得，选取滚珠丝杠直径为 50mm，型号为 ND5006，其额定载荷为 29350N，所以强度足够。(2) 横向滚珠丝杠螺母副的校核1）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 为：)(tg式中： -为丝杆螺旋升角，查得：12-为摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数 f=0.0030.004,其摩擦角约等于 10则有： %3.95.0)12(tg2）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 F 引起的导程的变化量m丝杆的拉压变形量 1EALm01式中： mm=0.6cm;60LE-为材料弹性模量，对钢 aMPE4106.2A-为滚珠丝杠截面积 =1963.4.3)25()(dA则有： cm1067.54.19306.28641 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2有预紧： )(013.22ZFDYJWm式中： -为滚珠直径，查表得 =3.969mmWDZ 圈数 列数E25 1 3=75-为预紧力YJFNFmYJ 127438则有:0.00163mm322 751496.01.则丝杆的总变形量 0.15m3.0.57.21 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为 0.015mm，故所选丝杠合格3)稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为 Fk2LEIfFzK式中:E-为丝杆材料弹性模量,对钢 aMPE4106.2I-为截面惯性矩,对丝杆圆截面 )(41mdI-为丝杆底径, =48mm1d1则有：260444648IL-为丝杆最大工作长度,取 L=900mm-为丝杆支承方式系数,参考表 3-2,取 =2.0zf zf方式 两端端自由 一端固定一端自由 两端固 定 两端简 支Fz 0.25 2.0 4.0 1.0表 3.2 支承系数表则有: NFK 2903668041.2稳定安全系数 ：kn2.59382mKkF所选丝杆稳定安全系数 ，查表得：kn4k则有 ，故稳定性不存在问题。kn3.3 纵向进给伺服系统机械部分的计算与选型3.3.1 纵向进给系统的设计采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。3.3.2 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对X525 的技术参数中，要求纵向脉冲当量 fp 为 0.01mm/step。3.3.3 纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1）纵向滚珠丝杠螺母副型号选择以工作寿命为选型原则进行计算，按实际加工过程中的最大铣削力为基准，确保正常工作状态下的安全。1）切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 KPc式中： N-电机功率，查机床说明书，N=7.5 KW；-主传动系统总效率，一般为 0.70.85 取 =0.7； K-进给系统功率系数，取为 K=0.96。则有： =7.50.70.96=5.04 kwKPc切向铣削力：F = 10 NZVc3式中： V-主轴传递全部功率时的最底切削速度（m/s）则有： V= D95/60000=1.7m/s=102m/minF = =2964.7（N）Z10264.5进给工作台工作载荷计算从数控铣床中表 2-1 可得知，在一般立式铣削时，工作台纵向进给方向载荷：=1.0Fz=2964.7 NLF工作台横向进给方向载荷： =0.4Fz=0.42964.7=1185.8 NC工作台垂直进给方向载荷： =0.2Fz=0.22964.7=592.9 NVF2)滚珠丝杠设计计算：由数控技术可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力：采用矩型导轨)(GFfKFLVLm式中 K=1.1 =0.15 G=1960 N则有： NFm 6.517)907.2649.5(1.0729641. 最大动载荷的计算寿命值： 610LnT0vn-为丝杆转速（r/min）v-为最大切削力下的进给速度（m/min）,取最高进给速度的 1/3T-额定寿命，查表得 T=15000h -滚珠丝杆导程，取 =6mm0L0L则有：v=min/5.13r/min836.0nL7.4156最大动负载 C 查表得：运转状态系数 ，硬度系数 则5.mf 1.fnC NFfL 97.384657.17.433 根据最大动负荷 C 的值，可选则滚珠丝杠的型号。查表 2-5 得，选取滚珠丝杠直径为 50mm，型号为 ND5012，其额定载荷为 50700N，所以强度足够。(2) 纵向滚珠丝杠螺母副的校核1）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 为：)(tg式中： -为丝杆螺旋升角，查得：253-为摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数 f=0.0030.004,其摩擦角约等于 10则有： %3.95.0)12(tg2）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 F 引起的导程的变化量m丝杆的拉压变形量 1EALm01式中： mm=0.6cm;60LE-为材料弹性模量，对钢 aMP4106.2A-为滚珠丝杠截面积 =1963.4.3)25()(dA则有： cm108.4.19630.27641 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2有预紧： )(013.22ZFDYJWm式中： -为滚珠直径，查表得 =3.969mmWDZ 圈数 列数E25 1 3=75-为预紧力YJFNFmYJ 2.18396.573则有:021.752.18396.013.2 则丝杆的总变形量 .m.0.21 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为 0.015mm，故所选丝杠合格3)稳定性验算失稳时的临界载荷 kF2LEIfzK式中:E-为丝杆材料弹性模量,对钢 aMP4106.I-为截面惯性矩,对丝杆圆截面 )(41mdI-为丝杆底径, =48mm1d1则有： 26048IL-为丝杆最大工作长度,取 L=140mm-为丝杆支承方式系数,参考表 3.3, 取 =2.0zf zf方式 两端端自由 一端固定一端自由 两端固 定 两端简 支Fz 0.25 2.0 4.0 1.0表 3.3 支承系数表则有: NFK 9.5403214026.2稳定安全系数 ：kn4.9732.513mKkF所选丝杆稳定安全系数 ，查表得：kn4k则有 ，故稳定性不存在问题。kn4 齿轮有关计算4.1 横向齿轮及转矩的有关计算1）脉冲当量设定及传动比的计算根据机械产品精度要求，并参照同类数控机床，现将脉冲当量定为：脉冲当量: p=0.01mm/step将步进电机的步距角定为: =0.75/step传动比 i = = 0*36pL.7512.082）确定齿轮的模数及齿数变速箱内齿轮的传动比 i=2.08齿轮的有关参数选取如下: Z1=20 , Z2=42 ,模数 m=2齿宽 b=20mm 压力角 =20齿轮的直径 d 1=mz1=220=40mmd2=mz2=242=84mmd2 =d1+2ha*=43mmd2 =d2+2ha*=87mm两齿轮的中心矩 d= mm62840d213）转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量:2221 kg.cm5.01.94)75.0*139()0( ZWJP对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算:J=7.810 D L kg.cm2 4式中 D-圆柱形零件的直径/cmL-零件的轴向长度/cm所以,丝杠的转动惯量:J1=7.810-4+D4L1=7.810-44468=13.58 kg.cm2齿轮的转动惯量: =7.810-4442=0.4 kg.cm2 1z=7.810-48.442=7.77 kg.cm22zJ电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J= （J +Jz2）+Jz1+J1= （13.58+7.77）+0.4+0.55221is 21.08=5.89 kg.cm =57.73N. cm2丝杠名义直径/mm 导程/mm1m 长丝杠的转动惯量kg.cm2丝杠名义直径/mm 导程/mm1m 长丝杠的转动惯量kg.cm24 0.94 10 35.76205 0.84 50 12 31.985 2.24 8 81.58256 2.00 10 78.025 4.916012 74.96306 4.47 8 157.355 9.26 10 150.476 8.727012 145.13358 8.30 10 263.495 16.29 80 12 255.846 15.45 10 420.31408 15.18 90 12 392.756 26.13 12 649.568 24.54 16 615.164510 22.6310020 562.446 39.75 20 1233.93508 37.64 120 24 1144.60表 4.1 丝杠系数4）负载转矩计算及最大静转矩选择根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩 TF = 3.7Nm3012PiL08.295.0413若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩q 0.35F取安全系数为0.4，则q3.7/0.4 M9.25M对于工作方式为三相六拍的步进电机jmax 9.25/0.866=10.7N.M0.86qT因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时应满足快速空载起动时所需转矩的要求。amax T0f式中 amax 空载快速起动时所需的转矩（m）； 服摩擦所需的转矩（m）；fTT0 丝杠预紧所引起，折算到电动机上的附加转矩（m）。当工作台快速移动时，电动机的转速min/41608.2*axa rLivn由动力学知，amax J式中 角加速度，计算公式为 30nt则amax 57.73 Nm 10.1m4125.16 m0.11mfT 08.93.0280w33iLT0 m0.43M.25.1403 iF式中 F0 预加载荷，一般为最大轴向载荷的/3。则 Tamax （ 10.10.110.43）m10.64Mf（2） 纵向齿轮及转矩的有关计算1）脉冲当量设定及传动比的计算根据机械产品精度要求，并参照同类数控机床，现将脉冲当量定为：脉冲当量: p=0.01mm/step将步进电机的步距角定为: =0.75/step传动比 i = = 0*36pL.75*81.62）确定齿轮的模数及齿数变速箱内齿轮的传动比 i=1.67齿轮的有关参数选取如下: Z1=20 , Z2=34 ,模数 m=2齿宽 b=20mm 压力角 =20齿轮的直径 d =mz1=220=40mm=mz =234=68mm2d =d1+2ha*=43mmad =d2+2ha*=71mm两齿轮的中心矩 d= mm54268013）转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量:2221 kg.cm5.01.94)75.0*139()0( ZWJP对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算:J=7.810 D L kg.cm2 4式中 D-圆柱形零件的直径,cmL-零件的轴向长度,cm所以,丝杠的转动惯量:J1=7.810-4+D4L1=7.810-44414=2.8 kg.cm2齿轮的转动惯量: =7.810-44.042=0.4 kg.cm2 1z=7.810-46.8423.34 kg.cm 22zJ电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量5.04)3.82(67.1)(i112s2 JJJZ=3.15kg.cm2=30.87N. cm24）负载转矩计算及最大静转矩选择根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩TF = 1.58Nm3012PiL67.19805.4273若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩q 0.35F取安全系数为0.4，则q1.58/0.4 M3.95M对于工作方式为三相六拍的步进电机jmax 3.95/0.866=4.56N.m0.86qT因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时应满足快速空载起动时所需转矩的要求。amax T0f式中 amax 空载快速起动时所需的转矩（m）； 服摩擦所需的转矩（m）；fTT0 丝杠预紧所引起，折算到电动机上的附加转矩（m）。当工作台快速移动时，电动机的转速min/576.120axa rLivn由动力学知，amax 式中 角加速度，计算公式为 30nt则amax 30.87N Nm 7.2m4125.7 m0.08mfT 6.19803.280w33iLT0 m0.32M7.5.1403 iF式中 F0 预加载荷，一般为最大轴向载荷的/3。则 Tamax （ 7.20.080.32）m 7.6Mf0T5 步进电动机的计算与选型5.1 步进电动机选用的基本原则合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：5.1.1 步距角 步距角应满足 iamn式中， i传动比； min系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角。5.1.2 精度步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： mi s 式中， m -步进电动机的累积误差；s-系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。 5.1.3 转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件，一般选取为MqMLo/0.3-0.5 式中，Mq- 电动机起动力矩；MLo-电动机静负载力矩。根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（4）所示，表中 MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。相数 3 3 4 4 5 5 6 6运行方式 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12Mg/Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866表 5.1 步进电动机相数、拍数启动力矩表在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。5.1.4 启动频率由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：Ftfopm式中，f t-极限启动频率；fopm-要求步进电动机最高启动频率。5.2 步进电动机的选择5.2.1 X525 横向进给系统步进电机的确定步进电机的名义启动转矩 cmNMkqm.38724.093.为满足最小步距要求，电机选用五相十拍工作方式，查表知 51.maxjq所以，步进电机最大静转矩： cNMmqj .27915.038791.ax步进电机最高工作频率： HzVfb0.6max综合考虑，查表选用 130BF001 型直流步进电机，能满足使用要求。5.2.2 X525 纵向进给系统步进电机的确定步进电机的名义启动转矩 cmNMkqm.958104.32.0为满足最小步距要求，电机选用五相十拍工作方式，查表知 .maxjq所以，步进电机最大静转矩：cmNMmqj .7385291.05.ax步进电机最高工作频率： HzVfb.6max综合考虑，查表选用 130BF001 型直流步进电机，能满足使用要求。6 主轴交流伺服电机6.1 主轴的变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围 Rn，即 Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化 很大，所以主轴变速范围很宽。由于 20nmax14nmiijj/则 in/1824rnj 这里 为电动机的额定转速。jn该机床主轴要求的恒功率调速范围 Rn 为：Rn= jmaxn/=1800/118=15.2 主轴电机的功率是：7.5 kw6.2 初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE 系列交流主轴驱动系统型号为1HP6173-3CB3，连续负载 PH/KW=13.5，间隙负载（ 60%）/kw=16.5kw, 短时负载（20min）/kw=18.75kw, 额定负载 n/r.min-1=6000,最大转速 / r/min=9000，maxn额定转矩 277N.m,惯性矩 0.203/kg.m2 晶体管 PWM 变频器型号为 6SC6067-3AA026.3 主轴电机的校核电动机恒恒功率调速范围：minax/Rn=9000/500 =15所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。7 控制系统设计7.1 绘制控制系统结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求，XK5040 立式铣床控制系统选用MCS-51 系列单片机组成，纵向、横向及垂直方向均采用步进电机控制，三个坐标均采用硬件环形分配器，控制系统的功能包括：、X 向、Y 向、Z 给伺服运动；、键盘显示；、面板管理；、行程控制；、其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示。硬件电路主要由以下几部分组成：1、主控制器，即中央处理单元（CPU） ；2、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；3、存储器，包括 RAM 和 ROM；4、接口，即 I/O 输入输出接口电路；5、外部设备，如键盘，显示器及光电输入等。图 7.1 控制系统结构框图7.2 选择中央处理单元（CPU）的类型在微机控制系统中 CPU 的选择主要考虑以下因素：(1) 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度；(2) 可扩展存储器的容量；(3) 指令系统功能，影响编程的灵活性；(4) I/O 口扩展能力，即对外部设备控制的能力；(5) 开发手段，包括支持开发的软件和硬件。此外，还应考虑到系统的应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。综合考虑以上因素，这里我们选用 8031 芯片作为 CPU7.3 存储器扩展电路设计由于 8031 芯片内部无程序存储器，需要扩展外部程序存储器支持，同时8031 内部只有 128B 的数据存储器供用户使用，也不能满足控制系统的要求，故需要扩展程序存储器和数据存储器。7.3.1 程序存储器的扩展8031 的程序存储器的寻址空间为 64字节，8031 片内不带 ROM，用作程序存储器的器件是 EPROM。根据控制系的要求，这里，我们扩展 2 片 2764 程序存储器。1）地址锁存器由于 8031 芯片的 口是分时传送低 8 位地址线和数据线的，故 8031 扩展oP系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是 742S373，742S373 是带三态缓冲输出的 8D 触发器。2）译码电路设计由于这里扩展的容量较大，扩展多个外围芯片。因此，这里使用译码法来进行编址。译码电路可使用现有的译码芯片，这里我们选用 3-8 译码器（74LS138）这种芯片，输入端占用 3 根最高位地址线，剩余的 13 根低位地址线可作为片内地址线，74LS138 译码器的 8 根输出线分别对应 8 个 8K 字节的地址空间。3）8031 与 2764 芯片的连接(1) 地址线的连接8031 芯片的 和 用来传送地址和数据。 口传送高 8 位地址， 口传oP2 2PPo送低 8 位地址和数据，因此采用 74LS373 锁存器，锁存低 8 位地址，以实现口地址和数据的分时传送 ALE 作为 74LS373 的选用信号，当 ALE 为高电平Po时，锁存器的输入和输出透明，此时不需锁存。当 ALE 从高电平变为低电平，出现下降沿时，低 8 位地址锁存入地址锁存器中，74LS373 的输出不再随输入变化，这样 口就用来传送数据，6031 芯片的 口和 74LS373 的送出 口工组成 16oP2PoP位地址线，2764 是 8KB 需要 13 根地址线， 低 8 位接 74LS373 的芯片的07A:输出， 接 8031 芯片的 。系统采用全地址译码，两片 2764 芯片812A:2.0.4:的片选信号 分别接 74LS373 译码器的 和 ，系统复位后程序从 0000H 开CE0Y1始执行。（2）数据线的连接2764 芯片的 8 位数据线 与 8031 口 直接连接单片机规定07D:oP0.7:指令码火热数据都是由 口读入，数位对应即可。oP（3）控制线的连接8031 芯片的 （外部程序存储器的读选通信号）与 2764 芯片的SEN端相连，8031 芯片的 ALE（地址锁存允许信号）接地址锁存器 74LS373 的OEG 引脚。7.3.2 数据存储器的扩展由于 8031 芯片内部 RAM 只有 128 字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM） 。常用的数据存储器有 6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，这里我们选用 6264(8Kx8)，扩展片 6264，8031 与 6264 的连接方式与 6031 和 2764 的连接大致相同，不同的是，RAM 读输信号 与 8031OE芯片的 引脚连接，RAM 写输信号 与 8031 的 相连。由于程序存储器RDWDR与数据存储器独立编址，地址可以重复使用，因此，片 6264 的片选信号也分别接 74LS373 译码器的 和CE0Y17.4 I/O 接口电路及辅助电路设计7.4.1 I/O 接口电路设计8031 单片机共有四个位并行 I/O，但可供用户使用的只有 口和部分1P口，不能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这3P里根据系统功能及需要,扩展一片 8155 和一片 8255 可编程接 I/O 口芯片.8155 的片选信号 接 74LS138 的 端,8255 芯片的片选信号 接 74LS138 的 。 CE2YCS3Y74LS138 三八译码器有三个输入 A、B、C 分别接 8031 ，输出2.5.62.7,P个输出，低电平有效。 对应输入 A、B 、C 的 000 到 111 的种07Y:07:组合，其中 对应位 000， 对应位 111。74LS138 还有三个使能端，其中两07Y个（ 和 ）为低电平使能，另一个 为高电平使能。只有当使能端均处2GAB1G于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。 I/O 接口芯片与外部设备的连接是这样安排的，8155 芯片的 作07PA:为显示器段选信号输出， 是显示器的为选信号输出， 是键07PB: 4C盘扫描输入。8155 芯片的 IO/M 引脚接 8031 的 因为使用 8155 的 I/O，故2.0P为高电平。2.0P8255 芯片 接 X 向、Y 向和 Z 向步进电机硬件环形分配器，为输07AP:出， 为三个方向的点动及回零输入， 为面板上的选择开关07B05PC:键输入，设有编辑、单步运行、自动、手动、手动等方式。X 向、Y 向和 Z 向步进电机硬件环形分配器采用 YB015，相通五相十拍方式工作，故 ， 引脚接+5V，三个芯片的选同输出控制 分别接0A1 0E8255 的 、 、 ，清零 接 8255 的 ，正反转控制端接 8255 的 、0P35R1PA2PA、 ，时钟输入端 CP 接 8155 芯片的 TIMROUT，用以解决脉冲分配器输4A6出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给 8155 芯片定时记数器中设置不同的时钟常数。7.4.2 步进电机接口及驱动电路通常在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制，步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲转变成相应的角位移的电机，其角位移两与电脉冲成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机转速。驱动步进电机的脉冲需要按所需的顺序供给电机个相。脉冲分配器就是实现步进电机个相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定的功率，需要有足够的功率提供给步进电机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微机接口芯片，工作电压一般为 5V，而作为电机电源的许符合步进电机要求的额定值，为避免干扰，在它们之间采用光电隔离电路1）脉冲分配器（环形分配器）这里 X 向、Y 向和 Z 向三个方向均采用 YB015 环形分配器。2）光电隔离电路在步进待年纪驱动电路中，一般在接口电路与功率放大器之间家上光电隔离电路，实现电气隔离，通常使用光电偶合器作为光电隔离电路。3）功率放大器环型分配器的输出脉冲很小，还远不能满足步进电机的要求，不许将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，这里采用的功率放大电路如下图 7.2 所示：图 7.4 功率放大器简图7.4.3 其他辅助电路1) 8031 的时钟电路单片机的时钟可由内部方式产生，内部方式利用芯片内部的振荡电路，在XTA ，XTA 引脚上外接定时