(最正确的Z向设计图)X6132铣床数控化改造及垂直进给机构设计（全套含CAD图纸）
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(最正确的Z向设计图)X6132铣床数控化改造及垂直进给机构设计（全套含CAD图纸）,正确,设计图,X6132,铣床,数控,改造,垂直,进给,机构,设计,全套,CAD,图纸
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毕业设计(论文)6132万能升降台铣床数控化改造总体及垂直进给伺服系统设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日毕业设计任务书题目： 6132万能升降台铣床数控化改造总体及垂直进给伺服系统设计 学生姓名： 王俊杰 班级： 学号： 题目序号： 指导教师： 胡世军 一、设计参数1、工作台尺寸(长宽)： 1100mm300mm 2、工作台最大行程： 纵向 680mm 横向 270mm 垂直 380mm3、快速移动速度： 10m/min4、工作台定位精度 x、y、z 0.03mm；5、工作台重复定位精度 x、y、z 0.02mm；6、纵向、横向及垂直进给为微机控制，采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，脉冲当量0.010mm/脉冲。7、实现功能：铣削平面、斜面、沟槽、齿轮等。8、操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止二、设计内容及及要求(一)设计说明书 1、数控机床发展概述（1）数控机床及其特点。（2）数控机床的工艺范围及加工精度。（3）数控机床的经济分析。（4）数控机床的发展趋向。 2、数控机床总体方案的制订及比较 3、确定切削用量及选择刀具 4、传动系统图的设计计算5、机床硬件电路图的设计（二）、图纸部分1、机床尺寸联系图 A0一张 2、机床传动系统图 A0一张 3、垂直进给伺服系统装配图 A0一张（三）基本要求：能按时独立完成毕业设计规定的全部内容，方案选择正确，论据充分，对设计中的主要问题分析深入，解决合理，有独立见解，能很好运用所学理论和提供的资料解决设计中的问题，能独立查阅和正确引用中外文参考资料，说明书文字通顺、清楚、选用数据论证合理、计算准确，图面整洁。三、各阶段时间安排（2012年 月 日 月 日共15周）序号主 要 任 务时间1查阅文献，收集资料0.5周2工厂调研、参观1周2周3机床总体方案图1周2周4机床传动系统图1周2周5主要部件装配图1周2周6机床硬件电路图1周7设计说明书1周摘 要针对现有常规X6132万能升降台铣床的缺点提出数控改造方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了万能升降台铣床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了X6132万能升降台铣床机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现垂直的进给运动。改造过程如下：（1）机械部分的改造，包括总体改造方案的确定和进给方向的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及垂直进给机构装配图方案的制定。（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，改造IVABSTRACTConventional existing X6132 universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the disadvantages of the proposed scheme and design of a single chip microcomputer system, improve the processing precision and extend the machines usage, and to improve productivity. This paper illustrates the universal lifting platform milling machine numerical control transformation of the design process, a more detailed description of the X6132 universal lifting platform milling machine transformation part of the design and numerical control system design. Using 8031 as the CPU control system of signal processing by the I/O interface, and output the step pulse, through a gear reducer, drive the leading screw to roll, so as to realize the vertical movement of the feed.Reform process as follows: ( 1) the reformation of machine part, including the overall reconstruction scheme and vertical feed direction of reformation. Consisting mainly of ball screw pair and reaction stepper motor selection and calculation of vertical feeding mechanism assembly plan. ( 2) the electrical control design, including MCS-51 Series MCU and the expansion of the chip selection and electrical control diagram design.Keywords: numerical control ,single-chip ,stepping motor ,ball screw shaft ,reform 目 录第1章 数控机床发展概述11.1 我国数控机床发展现状及思考11.1.1 不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键11.1.2 制造水平与管理手段依然落后21.1.3 服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素21.1.4 加大数控专业人才的培养力度21.1.5 结语31.2 数控机床及其特点31.3 数控机床的经济分析41.3.1 中小企业数控机床选用中存在的问题41.3.2 数控机床选购的策略41.4 数控机床的工艺范围及加工精度61.5 数控机床的发展趋向7第2章 数控机床总体方案的制订及比较112.1 机床数控化改造的意义112.2 设计方案论证123.1 科学选择数控刀具143.1.1 选择数控刀具的原则143.1.2 选择数控铣削用刀具143.2 设置刀点和换刀点153.3 确定切削用量153.3.1 确定主轴转速163.3.2 确定进给速度163.3.3 确定背吃刀量16第4章 传动系统图的设计计算174.1 对数控铣床主传动系统简介174.2 对数控铣床主传动系统的要求174.3 主传动的类型及方案选择184.4 计算切削功率194.4.1 切削力的计算194.4.2 切削功率的计算204.4.3 主轴转速范围的确定204.5 计算主传动功率204.6 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定214.6.1 变速级数Z的确定214.6.2 电动机的功率的确定224.6.3 电动机参数224.6.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定23第5章 主要部件装配图的设计计算245.1 确定系统脉冲当量245.2 滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型245.3 传动效率计算275.4 垂直丝杠传动比计算285.5 垂直丝杠步进电机的计算28第6章 机床硬件电路图的设计316.1 微机控制系统组成及特点316.1.1 微机控制系统的组成316.1.2 微机数控系统的特点316.2 微机控制系统设备介绍326.2.1 主控制器CPU的选择326.2.2 存储器电路的扩展336.2.3 I/O口电路的扩展346.2.4 步进电机驱动电路356.2.5 其它辅助电路设计366.3 程序部分36总结与展望41参考文献42致 谢43 44X6132万能升降台铣床数控化改造总体及垂直进给伺服系统设计第1章 数控机床发展概述1.1 我国数控机床发展现状及思考 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大 的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进 口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美 元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元 (7624台)，2003年达27.1亿美元(23320台)，相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研 究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争 力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。 我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。 1.1.1 不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键 国产数控机床缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌，但其产品的功能、性能的可 靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对机床结构与精度、 可靠性、人性化设计等基础性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距，同样难以得到大多数用户的认可。 1.1.2 制造水平与管理手段依然落后 一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高，加工手段基本以普通机床与低效刀具为主，装配调试完全靠手工，加工质量在生产进度的紧逼下不能 得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式，工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机 床制造商能做到每周装调出产品，而国内的生产周期过长且很难控制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术改造和管理水平的提升。 1.1.3 服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素 由于数控机床产业发展迅速，一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，甚至对服务缺乏真正的理解，只注重推销而不注重售前与售后服务。 有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解，不会使用或使用不好数控机床，更不能指导用户使用好机床；有的对先进高效刀具缺乏基本了解，不能提供较 好的工艺解决方案，用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手，帮助用户进行设备选型，推荐先进工艺 与工辅具，配备专业的培训人员和良好的培训环境，帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品，这样才能逐步得到用户的认同，提高国产数控机床的 市场占有率。1.1.4 加大数控专业人才的培养力度 从我国数控机床的发展形式来看需要三种层次的数控技术人才：第一种是熟悉数控机床的操作及加工工艺、懂得简单的机床维护、能够进行手工或自动编程的车间技 术操作人员；第二种是熟悉数控机床机械结构及数控系统软硬件知识的中级人才，要掌握复杂模具的设计和制造知识，能够熟练应用UG、PRO/E等CAD /CAM软件，同时有扎实的专业理论知识、较高的英语水平并积累了大量的实践经验；第三种是精通数控机床结构设计以及数控系统电气设计、能够进行数控机床 产品开发及技术创新的数控技术高级人才。我国应根据需要有目标的加大人才培养力度，为我国的数控机床产业提供强大的技术人才支撑。 1.1.5 结语目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。 中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能 安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日 实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。1.2 数控机床及其特点数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 1、对加工对象的适应性强，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法； 2、加工精度高，具有稳定的加工质量； 3、可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 4、加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）； 5、机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6、有利于生产管理的现代化 数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础； 7、对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高； 8、可靠性高。1.3 数控机床的经济分析 近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。 由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性,以及品种型号、档次的多样性,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备, 成为中小型企业十分关心的问题。1.3.1 中小企业数控机床选用中存在的问题 目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才,在数控机床选购中存在着盲目性、片面性,主要表现在以下几方面： 1、决策者对数控机床的认识有误区,部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益,忽略性价比,盲目追求进口、高档,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。 2、机床选型混乱, 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品, 数控系统不统一, 购置后给操作、编程、维修带来困难。 3、购置数控机床时只重视主机性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。 4、对企业发展和产品变化预测不足, 所购设备的功能的发挥受到制约。 1.3.2 数控机床选购的策略 1、实用性。选购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。 2、 数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。 3 、数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能, 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外, 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基本功能比较便宜, 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中, 性能差别很大,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。 从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量, 合理地选择适合机床的可选功能,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC装置的投资往往占整机的30%50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC, 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 2.经济性。经济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下, 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的, 机床选得实用、经济, 可避免不必要的浪费, 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。 数控机床的设计使用寿命一般为7年, 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率, 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品, 已受到多数用户的青睐和肯定, 一般不会有太多的质量问题。 选购数控机床应考虑投资回报, 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价40万，三年后可能降至35万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。 4、稳定可靠性。数控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题, 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率, 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准(规定为500h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本FANUC、德国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全,服务队伍的素质是否能胜任工作,服务能否及时,是否能履行承诺等。1.4 数控机床的工艺范围及加工精度数控铣床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控铣床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控铣床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通铣床要宽得多。1、精度要求高的零件由于数控机床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。2、表面粗糙度要求高的零件数控铣床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控铣床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。3、轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的零件由于数控铣床具有直线和圆弧插补功能，部分铣床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的零件。1.5 数控机床的发展趋向数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机 床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。1、美国的数控发展史美国政府重视机床工业，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，且网罗世界人才，特别讲究“效 率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、 1987年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批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， 因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数 控机床，其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超 过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。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后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科 研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进 实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控 系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。3、日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质 量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688 台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机 床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展 市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在 世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。4、中国数控行业现状及前景“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年 51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39%；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的 4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快 所致。 2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产 量增幅18.4个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额 3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。 2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96%。 长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水 平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时中国在应用技术及技术集成方面的 能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务 网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。 国外公司在中国数控系统销量中的80%以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品 快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发 和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。 “十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控铣床1996-2005年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控铣床销售数量将达8.9万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心1996-2005年消费增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达2.8万台，较2005年年均增长率为17.8%。技术发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1、机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 五轴联动加工中心2、数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3、机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4、精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前 的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达 0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5、功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。第2章 数控机床总体方案的制订及比较数控机床可以较好的解决形状复杂、精密多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已经成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。机床的数控化改造一般是指对现有某台普通铣床的某些部位做一定的改装，配上经济型数控装置或标准型数控数控系统，从而使原机床具有数控加工能力。这种技术工作有其独特的特点。2.1 机床数控化改造的意义 1、节约资金数控机床的价格昂贵，一次性投资大，对中小企业常是心有余而力不足。机床的数控化改造同购置新的机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3，即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床的一半2、性能稳定可靠因原机床各基础件经过长期实效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3、提高生产率机床经出数控改造后即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3到5倍。对复杂零件而言加工难度越高功效提高得越多。且只需一次或少数几次安装就能加工完零件的全部。目前，国内数控机床的广泛应用受到一些条件的限制。现在我国机床数控化率不到5%。用普通机床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、影响企业德生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。数控铣床用途广泛，不仅可以加工各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面和孔。而且还能加工各种平面曲线和空间曲线等复杂型面。适用于各种模具、凸轮、板类及箱体类零件的加工。本设计课题就是立足于实际情况，将普通的X6132万能升降台铣床（机械部分）进行数控化改造。2.2 设计方案论证机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控铣床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有相似之处。然而，现代的数控机床不是简单将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足，抗震性差，热变形大，滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度，表面质量，生产率以及使用寿命等要求。现代机床的部件结构，整体布局，外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此，我们在对数控机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能的 与数控机床相接近。机床的改造主要应具备两个条件1.机床基础件必须有足够的刚度2.改装的费用要合适，经济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定，改装后其各项指标能达到数控加工的要求。将一台X6132万能升降台铣床改装成微机数控铣床，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。机械部分数控化改造需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。1、伺服驱动元件进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横垂直进给电机均选用同一型号以便于改造和日后维修。脉冲当量t=0.01mm/脉冲，选用步距角=0.6 。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。2、机床导轨的选择由于原机床采用滑动导轨，在低速时容易发生“爬行”现象，直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。3、进给传动系统数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。滚珠丝杠螺母副安装时需要预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。即通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单，轴向刚度好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好如图2-1。为消除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，传动元件连接采用无键锥环连接。图2-1 滚珠丝杆的结构第3章 确定切削用量及选择刀具3.1 科学选择数控刀具3.1.1 选择数控刀具的原则刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定. 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时 间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时 间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度 来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整 方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。3.1.2 选择数控铣削用刀具在数控加工中，铣削平面零件内外轮廓 及铣削平面常用平底立铣刀，该刀具有关参数的经验数据如下:一是铣刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度H 0.015 (定位精度)因此，丝杠需预紧。（5）稳定性校核无需进行稳定性校核。5.3 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 = (4-6)式中： 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f =0.0030.004，摩擦角约为,即0.1667 r 丝杠螺旋升角 丝杠中径 d = (d1+d2)/2 = (19+16.7)/2 = 17.85 mmr = acrtan = arctan = 5.0977 = = = 0.9685.4 垂直丝杠传动比计算传动比i： i = (4-7)式中： 脉冲当量（mm）， = 0.01mm 基本导程 = 6mm 步进电机的步距角（初选） = 0.75i = = = 根据实际结构要求取 ： , ,取m=2。5.5 垂直丝杠步进电机的计算（1）转动惯量的计算齿轮的转动惯量： kg .cm (4-8) =；齿轮的转动惯量 ： = 齿轮的转动惯量 ： =丝杠的转动惯量 =1959.4 折算到电机轴上的转动惯量： =4126.8kg/m 其中： 齿轮的转动惯量 （kg .cm） 齿轮的转动惯量 （kg .cm） 齿轮的转动惯量 （kg .cm） 主轴的转动惯量 （kg .cm）（2）电动力矩的计算 电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、工进负载时所需力矩等几部分分别计算。快速空载起动时所需力矩 = 式中： 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 折算到电机轴的摩擦力矩 由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩电机最大转速 由技术要求得知 起动加速时间 =30 ms摩擦力矩：式中: 导轨摩擦力N（空起时） 传动链总效率 降速比 =1.25附加摩擦力矩：式中： 滚珠丝杠预加载荷 滚珠丝杠传动效率 = = 7.9N.m快速进给时所需力矩， = 0工进时需力矩 =式中： 工进时折算到电机轴上摩擦力矩（N.m） 折算到电机轴上的负载力矩从上面的计算可以看出，在、三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，当步进电机为三相六拍时， 0.79 按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BC380B型最大静转矩转矩为10N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。（3）计算电机工作频率步进电机快速运行 Hz最高工作频率 Hz从电机表中查出110BC380A型步进电机的空载起动频率为1400Hz，运行频率为15000Hz。X6132万能升降台铣床数控化改造总体及垂直进给伺服系统设计第6章 机床硬件电路图的设计6.1 微机控制系统组成及特点6.1.1 微机控制系统的组成微机控制系统主要由微型计算机和伺服系统两大部份组成，其中微机又包括硬件和软件两部分。1、微机控制系统基本硬件组成硬件时组成系统的基础，有了硬件软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。数控系统的硬件电路概括起来由以下部分组成。(1）主控制器，即中央处理单元CPU(2）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写数据存储器（3）接口2、微机数控系统软件软件是指为实现微机控制系统各项功能编制的专用程序，它一般由以下几部分组成：（1）输入数据处理程序它接受输入的零件加工程序，用标准代码表示的加工指令和数据整理成便于解释执行的格式后存放。（2）插补运算程序它完成普通数控系统中插补器的功能。（3）速度控制程序它根据给定的速度代码或每分毫米数控制插补运算的频率，以保证预定速度进给。（4）管理程序和诊断程序管理程序对数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序进行调度，还可以对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示故障类型。6.1.2 微机数控系统的特点1、可高。由于采用大规模集成电路、软件连接以及资诊断功能，所以大大提高了无故障运行时间，即使又极少的故障也能及时发现和排除。2、灵活性强。由于系统的硬件是通用、标准化的，对于不同机床的控制要求只需更换可编程只读存储器中的系统程序就可实现。3、易于实现机电一体化。采用大规模集成电路时控制框尺寸大为缩小，采用可编程接口又可将M、S、T等顺序控制部分逻辑电路与数控装置结合一起，使结构更为紧凑。4、价格低。采用微机数控，使数控机床电气部分成本大为下降，对功比较齐全的数控机床价格幅度下降更大。5、由于微机的功能强，存储量大，可实现多功能控制、多路运行控制及数据和图形显示等，给操作人员和监视生产过程带来方便。6.2 微机控制系统设备介绍6.2.1 主控制器CPU的选择CPU的选择应考虑以下要素：（1） 控制数据处理的速度。（2） ROM/RAM的容量。（3） 指令系统功能的强弱（即编程的灵活性）。（4） I/O口扩展的能力（即对外设控制的能力）。（5）开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。目前在数控系统中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及8098、8096等16位机的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位机的CPU。但从性能价格比上，我们拟采用MCS-51系列单片机中的8031作为主控制器。下面介绍MCS-51单片机的硬件结构，如图（4）。下面对各功能部件作进一步的说明：（1）数据存储器（RAM）：片内为128个字节，片外最多可扩至64K字节。（2）程序存储器（ROM/EPROM）：8031无此部件；8051为4KROM；8751为4KEPROM。片外最多可外扩至64K字节。（3）中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。（4）定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。（5）串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。（6）P1口、P2口、P3口、P0口：为四个并行8位I/O口。（7）特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。（8）微处理器（CPU）：为8位的CPU，且内含一个1位CPU（位处理器），不仅可处理字节数据，还可以进行位变量处理。图6.1 MCS-51单片机内结构6.2.2 存储器电路的扩展1、程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片，其型号分别为：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别位2k、4k、8k、16k、32k。在选择芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配。即8031所能读取的时间必须大于EPROM多要求的读取时间。此外，还要考虑最大读出速度、工作温度计存储器的容量。在满足容量要求是应尽量选择大容量芯片、以减少芯片数量，是系统简化。在本系统中，我们拟采用2764作为扩展芯片。2764与8031主要是三总线的联接。2764中的低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相联。当地址锁存允许信号ALE位搞点评，则P0口输出地址有效。8位数据线直接与8031P0口相联；高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，OE引脚直接同8031PSEN引脚相联，片选信号CE接地，以便总能选中。由于8031只能选通外部程序存储器，因而其EA引脚接地。2、数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，须扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116和6264静态RAM数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存储器的要求相同。本系统拟采用6264芯片作为数据存储器的外扩芯片。6264低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相接，高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，8位数据线直接接至8031P0口，读写控制引脚OE、WE与8031的读写控制引脚RD、WR直接相联，片选端CE1通过译码电路与8031相联。6.2.3 I/O口电路的扩展1、并行口的扩展8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免地要进行I/O口的扩展。通用可编程接口芯片8155具有2k位的静态RAM、2个8位和一个6位的可编程并行I/O口、一个14位的计数器。由于8155与单片机的接口简单，是单片机系统广泛使用的芯片。8155与8031的联接可归结为三总线的联接。8155本身具有地址锁存信号控制线和地址锁存器，故可直接将地址、数据线AD0AD7直接与8031口线对应的相联，8155的ALE与8031的ALE直接相联，高8位地址的P2.5P2.7经译码器74LS139提供8155的片选信号CE,IO/M控制端接P2.0口，其它读写信号WR、RD也都对应相联。8155的地址与8031统一编址。2、键盘、显示器接口电路键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，按键设置在行列的交点上。本系统中所设计的是由48键和8位LED显示器组成。为了简化电路，键盘的列线及LED显示器的段码共用一个口，即8155的PB口，键盘的行线由8155的PA口提供，LED的字位控制则由PC口经74154后提供。6.2.4 步进电机驱动电路步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济性数控机床最主要的一种伺服驱动元件。1、计算机接口在控制系统中，步进电机的接口电路至关重要，没有它将无法实现微机对步进电机的控制。如前所述，8031系列单片机含有4个并行输入/输出口，其中P1口可以提供给用户使用，作为步进电机及其它控制对象的接口。也可采用8155或8255A等可编程并行输入、输出接口芯片设计扩展接口电路，来控制步进电机即其它外部设备。本系统即采用8155的PA口作为步进电机的控制端口。2、脉冲分配器脉冲分配器又叫做环形分配器，是驱动步进电机必不可少的环节。步进电机的控制方式由环形分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列脉冲指令按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各项绕组，实现电机的正传或反转。在数控系统中使用较多的是集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。而在本系统中使用的是软件脉冲分配，通过编程来达到脉冲分配的目的，从而控制步进电机的各项绕组。3、隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大，如果将输出信号直接与功率放大器相联，将会引起强电器干扰，轻则影响计算机程序的正常进行，重则导致计算机和接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。图为光电耦合器与步进电机的接口电路。图6.2光电隔离与步进电机接口电路6.2.5 其它辅助电路设计1、8031的时钟电路单片机的时钟可以有两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，如图(5.3) 所示。晶体可在1.212MHz之间任选，耦合电容在530Pf之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。2、8031的复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上保持10ms以上的高电平，单片机便实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。一般数控系统都采用上电与按钮复位组合。图6.3时钟电路和复位电路6.3 程序部分ORG2000KZCH:PUSHAH；保护;现场PUSHBCMOVR2,#NH；送步数给R2LOOP0:MOVR3,#00HMOVDPTR,#POINT；送控制码指针JNB00H,LOOP2LOOP1:MOVA,R3；取控制码MOVCA,A+DPTRJZLOOP0；控制码为00H转LOOP0MOVP1,A；输出控制码CALLYANS；调延时子程序INCR3；指针指向下一个控制码JNZR2,LOOP1；步数未完，继续POPBC；恢复现场POPAFRETLOOP2:MOVA,R3；取反向控制码ADDA,#7HMOVR3,AAJMPLOOP1POINT:DB01H；正向转动控制码DB03HDB02HDB06HDB04HDB05HDB00HDB01H；反向转动控制码DB05HDB04HDB06HDB02HDB03HDB00HPOINT:EQU150HN0EQU20HNLLEQ
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