基于Z5140A钻床的数控化改造

摘 要目前中国企业中机床设备老化，不能满足新技术、新工艺的生产要求。本文重点介绍 Z5140A 型台式钻床的数控改装方案和单片机系统设计，将传统的机械与现有的数控技术相结合，使其具有自动进给功能，为企业进行设备的数控化改造提供了一种有效可行的途径。现有的 Z5140A 型台式钻床经改造后提高了加工精度，扩大了机床的使用范围，并提高了生产率。本论文说明了普通钻床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了 Z5140A 机械传动部分的设计及数控系统部分的设计。通过该改造计划,改造后的 Z5140A 型钻床具备数控机床的精度要求，自动化柔性生产的能力。机床整体能力达到预期的要求。Z5140A 数控钻床主要用于加工各种孔及平面和曲面的铣削。它集中了立式钻床和铣床的功能。数控钻床需要很少人工操作，也没有机械操作元件如手柄、摇把等。该钻床如同其他 CNC 钻床，全部工作循环是在微机数控系统控制下实现的。车削对象改变后，只需改变相应的软件就可适应新的需要。由于利用的床身、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。关键词：数控机床；滚珠丝杠；数控系统Numerical Control Innovation Of Z5140A Drilling MachineAbstractAt present,Machine tools made in China is aging and can not meet the requirements of new technologies and new processes of production. This paper focuses on the NC Z5140A-type drill press conversion programs and MCU system design. Combining the traditional machines with the CNC technology, it can realize automatically feed function and provides a feasible and effective way for the enterprise of equipments transformation with NC.Existing Z5140-type drill press improves the machining accuracy, expands the scope of machine use and increases the productivity after transformation. This paper describes the design process of the transformation of the general drilling with NC, introduces the design of the Z5140A mechanical transmission part and numerical control system part in detail.After the transformation plan, Z5140A-type drill transformed has the accuracy requirement of CNC machine tools and the automatic flexible production capacity. Machine tools achieve the desired overall capacity requirements. Z5140A CNC drilling machine is mainly used for processing a variety of holes and planar and surface milling. It contains the vertical drilling and milling function. CNC drilling and milling machine requires very little manual operation and no operation of machinery components such as handles, crank and so on. As with other CNC drilling of the drilling machine, all of the cyclic work is completed under the control of the computer numerical control system. As turning object changes, just change the corresponding software to adapt to new needs. Because lathebed, column and other basic items are heavy and casting equipments but not the welded components, machine tools transformed has higher performance and better quality, which can be used as a new equipment for years. However, limited by the mechanical structure of the original, it can not be transformed revolutionarily.Key Word：Numerical Control Machine Tools ; Ball Screw; CNC System 目 录摘 要 .IAbstract .II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 .31.宏观看改造的必要性 .32.微观看改造的必要性 .3（三）Z5140 立式钻床数控化改造的市场 .41.机床数控化改造的市场 .42. Z5140 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. Z5140 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 .6（一）Z5140A 钻床数控化改造设计任务 .6（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 钻床数控系统各部件的结构及其工作原理 .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 .17（一）Z5140A 钻床纵向传动系统设计 .171.确定系统的脉冲当量 .172.切削力的计算 .173.Z5140A 钻床纵向进给传动系统滚珠丝杠的计算 .184.Z5140A 钻床纵向伺服电机的选择及计算 .19（二）Z5140A 钻床横向进给系统的确定 .211.Z5140A 钻床横向进给丝杠的选择 .212.Z5140A 钻床横向进给系统最大负载 C 的计算 .223.Z5140A 钻床横向伺服电机的选择及计算 .234.空载加速转矩计算 .25（三）Z5140A 钻床垂直方向进给系统的确定 .251.Z5140A 钻床垂直方向丝杠的选择 .252.Z5140A 钻床垂直方向进给传动系统滚珠丝杠的计算 .263.Z5140A 钻床垂直方向伺服电机的选择及计算 .274.空载加速转矩计算 .29四、Z5140A 钻床数控插补程序控制 .30（一）Z5140A 钻床数控插补程序控制概述 .30（二）Z5140A 钻床直线、圆弧插补程序 .311.Z5140A 钻床直线及圆弧插补程序结构 .312.Z5140A 钻床直线插补程序 .323.Z5140A 钻床圆弧插补程序 .34五、Z5140A 钻床进给机构部分零件的设计和机构仿真 .39（一）主轴的设计 .39（二）Z5140A 钻床导轨的设计 .39（三）Z5140A 钻床立柱的设计 .41（四）Z5140A 钻床进给机构的仿真模拟 .41（五）Z5140A 钻床进给机构设计总成 .43结 论 .44参 考 文 献 .45致 谢 .46一、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，幷实现了批量生产。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: mm0.2机床重复定位精度: mm.4工作台进给速度: 1400mm/min工作最快移动速度: 10m/minmaxVX 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。0P123P控制线： （中断取指令控制），ALE（地址锁存控制），SEN（中断存储器选择），RESET（复位控制）EA电源及时钟： ， ， ，CVS1XATL2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1P的 口。3PI/O 口的驱动功能为： 口驱动 8 个 TTL 门电路，而 、 只0 2P3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3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 0P口经地址锁存器提供低 8 位， 由8A15直接提供。2P数据总线 DB数据总线宽度为 8 位，由 口直接提供。0控制总线 CB由 口的第二功能状态和四根独立的控制线3RESET， ，ALE， 组成。EAPSEN4）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0A120A12 0A12 一一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。012数据总线 分别与存储器 一一对应连接。P070D7地址总线将 与 EPROM 的 一一对应连接。 与 RAM 的A12A12 0A12 一一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。012数据总线 分别与存储器 一一对应连接 6。P07078.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，1P还需要扩展接口电路，现在用 8031 的 管理步进电机，用扩展接1P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MIO/ =0 时 ， CPU 访问 RAM，RAM 的低 8 位编制为：M00HFFH；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：0.86.720.869.1427()zFZezpCafdN（3.1）其中， 为主铣削力， 为刀具系数， 为铣削接触弧深度，ZFZCeaz 为铣刀系数， 为每齿进给量， 为铣刀直径 8。zf 0d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， eazfp=50mm，对圆柱高速铣刀， =68.2。0d FZ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fFZfNF0ZF=1.1 ， =0.25 ， =0.38 ，则：fZ0Z=0.38 =0.384472=1.699（KN） 0c（3.2）而插补平面内合力为：F= =5404（N） 221.05.13ffNZFZF（3.3）在一周的切削过程中取平均切削力为： =F F= 5404=3603（N） XF32（3.4）工作时的周向压力为： )2(GFkyzxm（3.5）对于三角形形导轨，k=1.15， =0.2，而=0， = =1699（N），G=1.4（KN），则:yFz0=1.153.6103+0.2（1.69910 3+1.4103）m=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。mC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fF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） minFGf（3.6）丝杠最大载荷为： =1699+140=1839（N） max（3.7）纵向工作载荷（平均载荷）为： =4753.8（N）mF其中， ， 分别为丝杠最大、最小轴向载荷；丝杠的最maxFin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： 67510756106nTL（3.8）其中，L工作寿命，以 r 为 1 个单位，N丝杠转速0（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：mC= = =69.49（KN） mCapkLF33475.861.509（3.9）其中 载荷性质系数，无冲击 11.2，一般情况取p1.21.5，有较大冲击振动时取 1.52.5。本设计 =1.5 精pka度影响系数，对于 3、4 级滚珠丝杠取 =0.9。由此确定滚珠丝ak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mCmCa计要求。轴向刚度 =1138N/ m。预紧力ck= /4=69.49/4=17.37（KN），只要轴向载荷值不达到或不超pFaC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p中丝杠最大载荷 =1.839（KN），远小于 3 9。maxFpF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MJrJ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（ ） max01690.()590.6422hpfFPiNm（3.10）其中，从前面的计算已知最大进给力 =1699N，丝杠导程maxF=6mm，预紧力 =4753.8N，查手册，滚珠丝杠副的机械效率hp=0.9，因滚珠丝杠预加载荷引起附加摩擦力矩 为：0pT= = （ ） 0pT8.29hPF4753.06.957N（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Nm 0fTNm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MJrJ可按以下次序计算。1