【《基于普通钻床Z4012的数控改造研究》13000字】

基于普通钻床Z4012的数控改造研究目录TOC\o"1-2"\h\u2922摘要 摘要据资料介绍，我国拥有4000多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。本设计以普通钻床Z4012为例，介绍了机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，主要改造方向是：加装X-Y移动滑台，改装Z轴自动进给，改装开环伺服控制系统。改装结果表明：改造后的机床相对原机床大大提高了加工工艺精度，降低了人性化倾向，提升了加工效率。相对购置新机，改装机床周期较短，成本较低在中小企业广泛运用。绪论在科技飞速发达的今天，机械加工机床更新迭代逐渐朝着自动化智能化的方向发展。但在飞速发展的同时，也面临着许许多度的问题，例如更迭之前的老旧设备该如何处理。在国内，很多企业都面临这个难题，那么如何才能更好地解决这一问题呢，本论文将就这一现实问题展开讨论。数控机床与普通机床相比较，数控机床功能更丰富，性能更优越；由于简化了主轴箱，结构也更加简单，便于维护修理。在加工方面，数控机床能更好地解决复杂形状，降低了人工技术水平的需求。相对普通机床，数控机床能获得极高的加工质量，在加工效率上也远胜普通机床，在现代化生产中，数控机床的运用越来越广泛。但是，数控机床也受一些其他条件的闲置，例如：（1）相对于普通机床，数控机床的价格更加昂贵，对于中小企业而言，受资金制约，无法一次性大量投入使用。（2）就目前形势而言，各大企业都有大量的普通机床，想要完全实现更替困难较大，并且替换下来的普通机床如果不在使用，闲置下来就会造成资源的浪费，提升了经济成本，得不偿失。（3）在国内，机床生产厂家生产周期较长，购置新的数控机床需要很长时间才能投入生产使用，在生产急需的情况下，无法满足生产需求。在大部分的工厂里多多少少都有闲置的普通机床，他们是时代的淘汰品。但是，将闲置的普通机床置之不理又会造成经济上的损失，那么如何才能将损失降到最低呢。最好的解决办法就是走改造之路，将闲置的普通机床加装由微机控制的移动滑台，这样，一台简易的数控机床就诞生了。经过改装，不仅使原来闲置的设备得以使用，更降低了购置新机床的成本，对于中小企业来说，数控化改造无疑是最佳的选择。数控化改造的优点：（1）将闲置的普通机床加以改造，在保留原有机床的功能的痛时，还能增加改造后的新功能，大大提高了机床的使用价值；（2）改造后的机床能适应更多的加工零部件，加工工艺更加优良，能减少人为因素造成的产品误差；（3）改造后，机床的自动化程度更高，降低了人工成本，使加工效率得到了提升；（4）相对于普通机床，数控化改造后对操作工人的技术水平要求降低（5）数控化改造是在原有机床的基础上加装改造，相对购置新机床成本更低，经济性更好；（6）数控化改造周期较短，不存在交货延期，在分秒必争的现在，能适应生产需求。1、设计要求课题研究内容为Z4012普通钻床的数控化设计改造，即将一台普通钻床改造成一台由微机控制的自动化数控钻床，采用单片机控制系统，本单片机系统采用模块化设计。伺服电机驱动，伺服系统采用开环控制。1.去掉普通钻床手动X-Y移动，改装为数控x-y移动控制装置的设计；2.设计X-Y移动工作台；3.控制系统采用步进控制，设计控制系统；4.装置的总体模拟仿真。2、设计参数2.1改造器件基本参数查阅资料得出Z4012普通钻床基本数据如下：型号最大钻孔直径（mm）12.7立柱直径（mm）70主轴最大行程（mm）100主轴中心至立柱母线距离（mm）190主轴端至工作台面最大距离（mm）280主轴端至底座工作台面最大距离（mm）500主轴锥度B16主轴转速范围（r/min）480-4100主轴转速级数5工作台面尺寸（mm）250*250底座尺寸（mm）295*295总高（mm）1000电机功率（w）5502.2基本设计参数工作台质量m1=20kg工件质量m2=60kg行程长度横向Ls=270mm纵向Ls=190mm最大速度Vmax=0.1m/s加速时间t1=0.15s减速时间t2=0.15s每分钟往返次数10min-1无效行程0.15mm定位精度±0.1/最大行程反复定位精度±0.05mm最小进给量S=0.02mm/脉冲期望寿命时间3000h驱动马达AC伺服马达额定转速3000r/min导向面摩擦系数μ=0.01（滑动）导向面阻力f=60N（无负荷时）图SEQ图\*ARABIC1基本设计方案草图

3、设计方案根据设计要求，要设计X-Y移动工作台即要求工作台能沿X-Y做直线运动及主轴垂直直线运动。预期方案有三种：方案一：采用直线电机为主原件方案二：采用齿轮齿条传动结构方案三：采用滚珠丝杠传动结构综合已知条件以、设计要求以及经济成本，选用方案三最合理。根据已知Z4012型钻床基本尺寸参数，设定XY移动工作台未安装夹具情况下工作台最大尺寸幅面为250*250mm，最大承重80kg，工作台具体结构如图所示

4、横向进给传动链的设计计算4.1滚珠丝杠螺母副的设计选型4.1.1确定滚珠丝杠精度等级表SEQ表\*ARABIC1滚珠丝杠精度等级参照表根据设计要求，将250mm工作行程误差±0.05mm换算为每300mm允许的误差如下：根据表1可查得，要满足±0.06mm/300mm的误差精度，须选择滚珠丝杠的精度等级为C7，查得滚珠丝杠导程误差为±0.05mm/300mm，丝杠轧制加工。4.1.2确定滚珠丝杠的轴向最大间隙丝杠轴外径最大轴向间隙6～120.0514～280.130～320.1436～450.17500.2表SEQ表\*ARABIC2轧制滚珠丝杠轴向间隙参照表已知设计条件为X-Y移动工作台最大轴向间隙为0.15mm，则设计选型丝杠轴向间隙参数须小于0.15mm，查轧制滚珠丝杠轴向间隙参照表可知，选取滚珠丝杠轴向间隙为0.14mm可满足设计要求，同理，即滚珠丝杠轴径为32mm以下。4.1.3初步估算丝杠轴长度根据已知设计条件，X-Y移动滑台横向最大行程为270mm，估算轴长，假定滚珠丝杠螺母的长度为100mm，丝杠轴端支承长度为100mm，则可计算出丝杠轴长度为：4.1.4计算滚珠丝杠的导程根据已知设计条件：驱动电机的额定转速为3000r/min，滚珠丝杠与电机采用联轴器直联，X-Y移动工作台的最高速度为0.2m/s，计算滚珠丝杠导程为：其中，——滚珠丝杠的导程，mm——最大进给速度，m/s——电机至丝杠的减速比，当电机与丝杠直联时为1——电机额定转速，r/min 4.1.5选定滚珠丝杠直径/导程选择要求1.按制造标准选取2.满足设计需求（最大轴向间隙）3.按精度等级选取表SEQ表\*ARABIC3轧制滚珠丝杠外径与导程标准组合表根据上述要求，查表3选得滚珠丝杠直径/导程组合如下：丝杠直径导程丝杠直径导程1282525188153015102040201025502510306032101616152020204.1.6初定丝杠型号初步选择丝杠直径18mm/导程8mm与直径15/导程10两组丝杠。查阅资料得出其基本参数如下：丝杠轴外径导程公称型号钢球中心直径沟槽谷径基本额定载荷额定静载荷额定动载荷188BTK1808.3.619.314.43113.11510BLK1501-5.615.7512.525.29.84.1.7丝杠轴端尺寸设计1.固定端2.支承端4.1.8校核容许轴向载荷1.最大轴向载荷的计算导向面的阻力f=15N工作台质量m1=20kg工件质量m2=60kg纵向移动滑台质量（估值）m3=30kg导向面上的摩擦系数μ=0.01最大速度Vmax=0.1m/s重力加速度g=9.807m/s2加速时间t1=0.15s计算加速度a其中，——最大速度——加速时间计算丝杠的最大轴向载荷去路加速时去路等速时去路减速时返程加速时返程等速时返程减速时作用在丝杠上的最大轴向载荷其中，——导向面上的摩擦系数——工作台质量，kg——工件质量，kg——重力加速度，m/s2f——导向面阻力，Na——加速度，m/s校核丝杠轴的挫曲载荷其中，——与安装方法相关的系数——丝杠轴沟槽谷径——安装距离，：与安装方法相关的系数固定——自由η1=0.025η2=1.3固定——支承η1=2η2=10固定——固定η1=4η2=20外径18/mm导程8mm，丝杠轴满足条件外径15mm/导程10mm，丝杠轴满足条件校核丝杠轴容许拉伸压缩载荷外径18/mm导程8mm，丝杠轴满足条件外径15mm/导程10mm，丝杠轴满足条件4.1.9校核容许转速1.最高转速其中，——最大进给速度——丝杠导程外径18/mm导程8mm外径15mm/导程10mm2.由丝杠轴的危险速度所决定的容许转速其中，——与安装方法相关的系数——丝杠轴沟槽谷径——安装距离,：与安装方法相关的系数固定——自由λ1=1.875λ2=3.4固定——支承λ1=3.927λ2=15.1固定——固定λ1=4.73λ2=21.9外径18/mm导程8mm，丝杠轴满足条件外径15mm/导程10mm，丝杠轴满足条件3.由DN值所决定的容许转速其中,D——钢球中心直径外径18/mm导程8mm，丝杠轴满足条件外径15mm/导程10mm，丝杠轴满足条件4.1.10校核额定静载荷其中，——容许轴向负荷——基本额定静载荷——静态安全系数外径18/mm导程8mm与最大轴向载荷148N相比，，所以丝杠满足条件外径15mm/导程10mm与最大轴向载荷148N相比，，所以丝杠满足条件使用机械负荷条件fs的下限一般工业机械无振动或冲击时1～1.3有振动或冲击时2～3工具机无振动或冲击时1～1.5有振动或冲击时2.5～7表SEQ表\*ARABIC4静态安装系数（fs）4.1.11根据额定动载荷校核丝杠使用寿命1.计算运行距离最大速度Vmax加速时间t1减速时间t2加速时的运行距离等速时的运行距离减速时的运行距离根据以上计算，轴向负载和运动距离关系如下：动作轴向负载FaN（N）运行距离lN1.去路加速时1027.52.去路等速时252553.去路减速时-517.54.返程加速时-1027.55.返程等速时-252556.返程减速时517.52.计算平均载荷正向轴向平均载荷因为负荷方向不同，按，来计算轴向平均载荷负向轴向平均载荷因为负荷方向不同，按，来计算轴向平均载荷因为，所以轴向平均载荷为3.计算额定寿命其中，——额定动载荷——载荷系数——平均载荷L——额定寿命（rev）外径18/mm导程8mm外径15mm/导程10mm负荷系数振动、冲击速度（V）f微小微速时0.25＜V1～1.2小低速时0.25＜V≤1m/s1.2～1.5中中速时1＜V≤2m/s1.5～2大高速时V＞2m/s2～3.54.计算每分钟平均转数其中，——每分钟平均转数——每分钟往返次数——行程——导程外径18/mm导程8mm外径15mm/导程10mm5.根据额定寿命计算工作寿命时间其中，——额定寿命——每分钟平均转数外径18/mm导程8mm外径15mm/导程10mm设计要求实际工作寿命大于期望工作寿命3000h，综上计算，BTK1808.3.6、BLK1501-5.6两种型号滚珠丝杠均符合设计要求，从设计成本方面考虑，选择型号为BLK1501-5.6滚珠丝杠。4.2伺服电机计算选型4.2.1旋转速度最高使用转速：马达额定转速：4.2.2电机分辨率根据移动滑台最小进给量，滚珠丝杠的导程、电机减速比计算伺服电机需求分辨率B其中，——角度测试仪和驱动器所需要的分辨率（p/rev）——滚珠丝杠的导程——减速比——脉冲当量选取分辨率为500以上的伺服电机可满足设计要求4.2.3电机扭矩1.由外部负荷引起的摩擦扭矩其中，——轴向载荷——滚珠丝杠的导程——机械传动效率（0.9～0.95）——减速比2.加速时所需的扭矩惯性力矩：每单位长度的丝杠轴惯性扭矩为则丝杠全长470mm的惯性力矩为其中，——惯性力矩——运送质量——滚珠丝杠的导程——减速比——丝杠轴的惯性力矩角加速度：其中，——角加速度——电机工作最高转速——加速时间综上，所需扭矩如下：加速时等速时减速时因此伺服电机的瞬时最大扭矩必须在以上3.由滚珠丝杠予压引起的扭矩对滚珠丝杠没有施加予压4.2.4扭矩的有效值其中，——扭矩的有效值——变动扭矩——承受扭矩的时间t——循环时间（）因此，伺服马达的额定扭矩必须在57N·mm以上4.2.5电机型号型号：60ST-M00630额定功率额定转速额定扭矩额定线电压额定线电流峰值力矩重量0.2kw3000r/min0.6N·m220V1.2A1.91N·m1.16kg4.3轴承的选型设计4.3.1确定轴承型号轴承类型型号内径（mm）外径（mm）宽度（mm）Cr（KN）Cor（KN）脂润滑转速（min-1）有润滑转速（min-1）重量（kg）角接触球轴承7002C153296.63.735000470000.0354.3.2轴承的寿命计算表SEQ表\*ARABIC5轴承的径向和轴向动载荷系数X和Y1.当量动载荷其中，——当量动载荷——冲击载荷系数——径向动载荷系数——轴向动载荷系数——径向载荷——轴向载荷根据线性插值法求出对应的e的值为，对应的X、Y的值为综上，可计算P的值为载荷性质举例平稳运输或有轻微冲击1.0～1.2电动机、通风机、水泵、汽轮机等中等冲击1.2～1.8机床、车辆、冶金设备、起重机等强大冲击1.8～3.0轧钢机、破碎机、振动筛、钻探机等表SEQ表\*ARABIC6载荷系数的值2.额定寿命计算其中，——额定寿命，单位为h——轴承转速——轴承额定动载荷——当量动载荷——寿命指数，球轴承取3，滚子轴承取10/35、纵向进给传动链的设计计算5.1滚珠丝杠螺母副的设计选型5.1.1确定滚珠丝杠的进度等级根据已设计条件，将190mm工作行程误差±0.05mm换算为每300mm允许的误差如下：根据表1可查得，要满足±0.08mm/300mm的误差精度，选择精度等级为C7的轧制滚珠丝杠可满足设计要求，其导程误差为±0.05mm/300mm。5.1.2确定滚珠丝杠轴的轴向最大间隙同横向进给链设计相同5.1.3初步估算丝杠轴长度已知滚珠丝杠纵向最大行程为190mm，假设滚珠丝杠螺母长度为100mm，丝杠轴端安装长度为100mm，初步估算丝杠轴长度为：5.1.4计算滚珠丝杠的导程已知驱动电机的额定转速为3000r/min，X-Y移动工作台的最高速度为0.2m/s，滚珠丝杠与电机采用联轴器直联，计算滚珠丝杠导程为：其中，——滚珠丝杠的导程，mm——最大进给速度，m/s——电机至丝杠的减速比，当电机与丝杠直联时为1——电机额定转速，r/min 5.1.5选定滚珠丝杠直径/导程查表3选得丝杠直径/导程组合如下：丝杠直径导程丝杠直径导程1282525188153015102040201025502510306032101616152020205.1.6初定丝杠型号由于丝杠长度为390mm，整体长度较短。因此，从机构刚度、经济成本等方面考虑，初步选择丝杠直径12mm/导程8mm。查阅资料选定丝杠型号为BTF1208V-2.6其额定静载荷为6.8KN，额定动载荷为3.8KN。丝杠轴外径导程公称型号钢球中心直径沟槽谷径基本额定载荷额定静载荷额定动载荷128BTF1208V-2.612.669.76.83.85.1.7丝杠轴端尺寸设计同横向丝杆轴端尺寸设计相同5.1.8校核容许轴向载荷1.最大轴向载荷的计算导向面的阻力f=15N工作台质量m1=20kg工件质量m2=60kg导向面上的摩擦系数μ=0.01最大速度Vmax=0.1m/s重力加速度g=9.807m/s2加速时间t1=0.15s计算加速度a其中，——最大速度——加速时间计算丝杠的最大轴向载荷去路加速时去路等速时去路减速时返程加速时返程等速时返程减速时作用在丝杠上的最大轴向载荷其中，——导向面上的摩擦系数——工作台质量，kg——工件质量，kg——重力加速度，m/s2——导向面阻力，N——加速度，m/s2.校核丝杠轴的挫曲载荷其中，——与安装方法相关的系数——丝杠轴沟槽谷径——安装距离，丝杠轴满足条件3.校核丝杠轴容许拉伸压缩载荷，丝杠轴满足条件5.1.9校核容许转速1.最高转速其中，——最大进给速度——丝杠导程2.由丝杠轴的危险速度所决定的容许转速其中，——与安装方法相关的系数——丝杠轴沟槽谷径——安装距离，丝杠轴满足条件3.由DN值所决定的容许转速其中,D——钢球中心直径，丝杠轴满足条件5.1.10校核额定静载荷其中，——容许轴向负荷——基本额定静载荷——静态安全系数与最大轴向载荷79N相比，，所以丝杠满足条件5.1.11根据额定动载荷校核丝杠使用寿命1.计算运行距离加速时的运行距离等速时的运行距离减速时的运行距离根据以上计算，轴向负载和运动距离关系如下：动作轴向负载FaN（N）运行距离lN1.去路加速时797.52.去路等速时232553.去路减速时-337.54.返程加速时797.55.返程等速时-232556.返程减速时337.52.计算平均载荷正向轴向平均载荷因为负荷方向不同，按，来计算轴向平均载荷负向轴向平均载荷因为负荷方向不同，按，来计算轴向平均载荷因为，所以轴向平均载荷为3.计算额定寿命其中，——额定动载荷——载荷系数——平均载荷L——额定寿命（rev）4.计算每分钟平均转数其中，——每分钟平均转数——每分钟往返次数——行程——导程5.根据额定寿命计算工作寿命时间其中，——额定寿命——每分钟平均转数实际工作寿命Lh大于期望工作寿命3000h，综上计算，选择丝杠型号为BTF1208V-2.6满足设计要求5.2伺服电机计算选型5.2.1旋转速度最高使用转速：马达额定转速：5.2.2电机分辨率伺服电机分辨率由工作台最小进给量，即脉冲当量、滚珠丝杠的导程和电机减速比计算求出：其中，——角度测试仪和驱动器所需要的分辨率（p/rev）——滚珠丝杠的导程 ——减速比——脉冲当量选取分辨率为400以上的伺服电机可满足设计要求5.2.3马达扭矩1.由外部负荷引起的摩擦扭矩其中，——轴向载荷——滚珠丝杠的导程——机械传动效率（0.9～0.95）——减速比2.加速时所需的扭矩惯性力矩：每单位长度的丝杠轴惯性扭矩为则丝杠全长390mm的惯性力矩为其中，——惯性力矩——运送质量——滚珠丝杠的导程——减速比——丝杠轴的惯性力矩角加速度：其中，——角加速度——马达工作最高转速——加速时间综上，所需扭矩如下：加速时等速时减速时因此伺服马达的瞬时最大扭矩必须在以上3.由滚珠丝杠予压引起的扭矩对滚珠丝杠没有施加予压5.2.4扭矩的有效值其中，——扭矩的有效值——变动扭矩——承受Tn扭矩的时间t——循环时间（）因此，伺服马达的额定扭矩必须在103N·mm以上5.2.5马达型号型号：60ST-M00630额定功率额定转速额定扭矩额定线电压额定线电流峰值力矩重量0.2kw3000r/min0.6N·m220V1.2A1.91N·m1.16kg5.3轴承的选型设计5.3.1确定轴承型号轴承类型型号内径（mm）外径（mm）宽度（mm）Cr（KN）Cor（KN）脂润滑转速（min-1）有润滑转速（min-1）重量（kg）角接触球轴承70200C1030952.3540000540000.0315.3.2滚动轴承的寿命计算1.当量动载荷其中，——当量动载荷——冲击载荷系数——径向动载荷系数——轴向动载荷系数——径向载荷——轴向载荷根据线性插值法求出对应的e的值为，对应的X、Y的值为综上，可计算P的值为载荷性质举例平稳运输或有轻微冲击1.0～1.2电动机、通风机、水泵、汽轮机等中等冲击1.2～1.8机床、车辆、冶金设备、起重机等强大冲击1.8～3.0轧钢机、破碎机、振动筛、钻探机等表SEQ表\*ARABIC7载荷系数的值2.额定寿命计算其中，——额定寿命，单位为h——轴承转速——轴承额定动载荷——当量动载荷——寿命指数，球轴承取3，滚子轴承取10/3

6、垂直进给传动链的设计计算6.1滚珠丝杠螺母副的设计选型6.1.1确定滚珠丝杠的进度等级根据已设计条件，将380mm工作行程误差±0.05mm换算为每300mm允许的误差如下：根据表1可查得，要满足±0.08mm/300mm的误差精度，选择精度等级为C7的轧制滚珠丝杠可满足设计要求，其导程误差为±0.05mm/300mm。6.1.2确定滚珠丝杠轴的轴向最大间隙同横向进给链设计相同6.1.3初步估算丝杠轴长度已知滚珠丝杠垂直最大行程为380mm，假设滚珠丝杠螺母长度为100mm，丝杠轴端安装长度为100mm，初步估算丝杠轴长度为：6.1.4计算滚珠丝杠的导程已知驱动电机的额定转速为3000r/min，主轴的最高速度为0.2m/s，滚珠丝杠与电机采用联轴器直联，计算滚珠丝杠导程为：其中，——滚珠丝杠的导程，mm——最大进给速度，m/s——电机至丝杠的减速比，当电机与丝杠直联时为1——电机额定转速，r/min 6.1.5选定滚珠丝杠直径/导程查表3选得丝杠直径/导程组合如下：丝杠直径导程丝杠直径导程1282525188153015102040201025502510306032101616152020206.1.6初定丝杠型号由于丝杠长度为580mm，整体长度较短。因此，从机构刚度、经济成本等方面考虑，初步选择丝杠直径12mm/导程8mm。查阅资料选定丝杠型号为BTF1208V-2.6其额定静载荷为6.8KN，额定动载荷为3.8KN。丝杠轴外径导程公称型号钢球中心直径沟槽谷径基本额定载荷额定静载荷额定动载荷128BTF1208V-2.612.669.76.83.86.1.7丝杠轴端尺寸设计同横向丝杆轴端尺寸设计相同6.1.8校核容许轴向载荷1.最大轴向载荷的计算导向面的阻力f=15N工作台质量m1=20kg主轴电机及钻头质量m2=40kg导向面上的摩擦系数μ=0.01最大速度Vmax=0.1m/s重力加速度g=9.807m/s2加速时间t1=0.15s计算加速度a其中，——最大速度——加速时间计算丝杠的最大轴向载荷去路加速时去路等速时去路减速时返程加速时返程等速时返程减速时作用在丝杠上的最大轴向载荷其中，——导向面上的摩擦系数——工作台质量，kg——工件质量，kg——重力加速度，m/s2——导向面阻力，N——加速度，m/s2.校核丝杠轴的挫曲载荷其中，——与安装方法相关的系数——丝杠轴沟槽谷径——安装距离，丝杠轴满足条件3.校核丝杠轴容许拉伸压缩载荷，丝杠轴满足条件6.1.9校核容许转速1.最高转速其中，——最大进给速度——丝杠导程2.由丝杠轴的危险速度所决定的容许转速其中，——与安装方法相关的系数——丝杠轴沟槽谷径——安装距离，丝杠轴满足条件3.由DN值所决定的容许转速其中,D——钢球中心直径，丝杠轴满足条件6.1.10校核额定静载荷其中，——容许轴向负荷——基本额定静载荷——静态安全系数与最大轴向载荷79N相比，，所以丝杠满足条件6.1.11根据额定动载荷校核丝杠使用寿命1.计算运行距离加速时的运行距离等速时的运行距离减速时的运行距离根据以上计算，轴向负载和运动距离关系如下：动作轴向负载FaN（N）运行距离lN1.去路加速时637.52.去路等速时212553.去路减速时-217.54.返程加速时637.55.返程等速时-212556.返程减速时217.52.计算平均载荷正向轴向平均载荷因为负荷方向不同，按，来计算轴向平均载荷负向轴向平均载荷因为负荷方向不同，按，来计算轴向平均载荷因为，所以轴向平均载荷为3.计算额定寿命其中，——额定动载荷——载荷系数——平均载荷L——额定寿命（rev）4.计算每分钟平均转数其中，——每分钟平均转数——每分钟往返次数——行程——导程5.根据额定寿命计算工作寿命时间其中，——额定寿命——每分钟平均转数实际工作寿命Lh大于期望工作寿命3000h，综上计算，选择丝杠型号为BTF1208V-2.6满足设计要求6.2伺服电机计算选型6.2.1旋转速度最高使用转速：马达额定转速：6.2.2电机分辨率伺服电机分辨率由工作台最小进给量，即脉冲当量、滚珠丝杠的导程和电机减速比计算求出：其中，——角度测试仪和驱动器所需要的分辨率（p/rev）——滚珠丝杠的导程 ——减速比——脉冲当量选取分辨率为400以上的伺服电机可满足设计要求6.2.3马达扭矩1.由外部负荷引起的摩擦扭矩其中，——轴向载荷——滚珠丝杠的导程——机械传动效率（0.9～0.95）——减速比2.加速时所需的扭矩惯性力矩：每单位长度的丝杠轴惯性扭矩为则丝杠全长390mm的惯性力矩为其中，——惯性力矩——运送质量——滚珠丝杠的导程——减速比——丝杠轴的惯性力矩角加速度：其中，——角加速度——马达工作最高转速——加速时间综上，所需扭矩如下：加速时等速时减速时因此伺服马达的瞬时最大扭矩必须在以上3.由滚珠丝杠予压引起的扭矩对滚珠丝杠没有施加予压6.2.4扭矩的有效值其中，——扭矩的有效值——变动扭矩——承受Tn扭矩的时间t——循环时间（）因此，伺服马达的额定扭矩必须在97N·mm以上6.2.5马达型号型号：60ST-M00630额定功率额定转速额定扭矩额定线电压额定线电流峰值力矩重量0.2kw3000r/min0.6N·m220V1.2A1.91N·m1.16kg6.3轴承的选型设计6.3.1确定轴承型号轴承类型型号内径（mm）外径（mm）宽度（mm）Cr（KN）Cor（KN）脂润滑转速（min-1）有润滑转速（min-1）重量（kg）角接触球轴承70200C1030952.3540000540000.0316.3.2滚动轴承的寿命计算1.当量动载荷其中，——当量动载荷——冲击载荷系数——径向动载荷系数——轴向动载荷系数——径向载荷——轴向载荷根据线性插值法求出对应的e的值为，对应的X、Y的值为综上，可计算P的值为载荷性质举例平稳运输或有轻微冲击1.0～1.2电动机、通风机、水泵、汽轮机等中等冲击1.2～1.8机床、车辆、冶金设备、起重机等强大冲击1.8～3.0轧钢机、破碎机、振动筛、钻探机等表SEQ表\*ARABIC7载荷系数的值2.额定寿命计算其中，——额定寿命，单位为h——轴承转速——轴承额定动载荷——当量动载荷——寿命指数，球轴承取3，滚子轴承取10/3控制系统设计7.1控制系统改造思路对Z4012型钻床进行数控改造。台钻的机械本体部分主轴的旋转运动和转速调节不需要改造。所需要改造的部分是：1.设计一套X—Y移动数控工作台及Z轴移动设备；2.设计一套简易的X—Y工作台及Z轴移动设备微机数控装置。X—Y工作台的位置控制采用步进伺服电机电机；同时根据实际的改造情况，主控器选用MCS—51单片机，和3个步步进伺服电机采用开环控制的驱动方式。因为工件相对刀图8—1 控制系统的总体设框图ＣＰX步进电机Y步进电机Z步进电机Y工作台执行元件Ｘ工作台执行元件复位电路超程报警电路极限位置控制电路器8279ＣＰX步进电机Y步进电机Z步进电机Y工作台执行元件Ｘ工作台执行元件复位电路超程报警电路极限位置控制电路器8279器数据存储器扩展电路器8031数据存储器扩展电路Z轴上下移动执行元件7.1.1微机控制系统的改造措施考虑改造成本、改装方便、效率等因素，因此选用PLC、MCS—单片机、计算机三种控制方案。而MCS—单片机单片机的性价比高、改装方便，故选用该系列中的8031芯片作为数控系统的控制器。下图8—1.1为微机控制系统设计框图。图8—1.1 微机控制系统设计框图7.1.2软件的改造措施由于模块化设计便于修改和扩充，编制程序较为方便。故本单片机系统采用模块化设计，主要包括主模块、字程序模块、和中断处理模块等。主模块即系统管理程序，开机后即执行该程序。主模块的功能为：初始化和监控。MCS—51系列单片机改造的普通机床其加工精度、生产率都有较大提高，而且价格低廉，系统性能稳。因此选用MCS—51系列的单片机。7.1.3开环控制系统的改造措施步进电动机采用专用的CH250环行分配器实现脉冲分配。系统将单片机的脉冲信号经环行分配器送出，同时设计一个光电隔器避免各电路的相干扰。又因为单片机的信号很机信号很弱，所以设计一个功率放大电路将信号放大。图7—1.3为开环控制系统的设计框图。图7—1.3开环控制系统框图7.2主控器的选用设计选用MCS—51系列的8031芯片。它采用40引脚的双列直插封装（DIP）方式。其引脚图如图7—2.2。各引脚的功能如表7—2.1

引 脚功 能Vss与VccVss：接地；Vcc：正常操作时接+5V电源。这里MCS—51的时钟采用内部方式外接晶体或外接陶瓷谐振器与电容C1、C2构成并联谐振器REF_Ref26862\r\h[19]。RST/VPDALE/PROGPSENEA/VppRST/VPD：当振荡器正常运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平使单片机复位。Vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，已保持内部RAM的数据。当Vcc下降掉到低于规定的水平，而VPD在其规定的电压范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源REF_Ref26862\r\h[19]。ALE/PROG：当ALE（允许地址锁存信号）为高电平时，P0口送出低8位地址，通过ALE信号锁存；反之，则P0口传送数据。对于8751型单片机，在EPROM编程期间，PROG引脚用于输入编程脉冲REF_Ref26862\r\h[19]。PSEN：程序存储器读选通信号，低电平有效。当从外部程序存储器取指令期间每个机器周期两次PSEN有效，P2和P0口送出的地址为持续存储器地址；当访问外部数据存储器时这两次有效的PSEN信号将不出现。外部数据存储器是靠RD及WR信号控制。PSEN同样可以驱动8个LSTTL输入REF_Ref26862\r\h[19]。EA/Vpp：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器（4KB），但当PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器（从0000H地址开始），不管单片机内部是否有程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，Vpp引脚用于施加21V的编程电源REF_Ref26862\r\h[19]。输入输出引脚P0.0~P0.7 P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线，同时激活内部上拉电阻。在EPROM编程时它接收指令字节，而在验证程序时则输出指令字节且要求外接上拉电阻REF_Ref26862\r\h[19]。P1.0~P1.7：P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址REF_Ref26862\r\h[19]。P2.0~P2.7：P2口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址REF_Ref26862\r\h[19]。P3.0~P3.7：P3口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在MCS—51中，这8个引脚还兼有专用功能REF_Ref26862\r\h[19]。如表7—2.3所示。图7—2.18031引脚功能表图7—2.28031引脚图P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输入口P3.2INT0外部中断0P3.3INT1外部中断1P3.4T0定时器0的外部输入P3.5T1定时器1的外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通表7—2.3 P3各口线与专用功能7.2.1程序存储器（EPROM）的选用由于8031单片机没有内部程序存储器，所以必须外加一个程序存储器。读取速度是所要考虑的主要问题，根据CPU和EPROM时序匹配要求，要满足8031提供的读取时间大于EPROM所要求的读取时间。图7—2.427256引脚图同时8031单片机访问EPROM时其所能提供的读取时间t，约为3T（时钟周期）。选用晶体频率为6MHz，则约为480ns。所以故选用一片27256。它的引脚图如图7—2.4；引脚功能图表如表7—2.5；与8031的连接图如图7—2.6。图7—2.68031与27256连接图芯 片引 脚功 能27256/62256Vcc工作电压27256/62256Vss接地27256/62256OE（-）数据输出选通信号线27256/62256CE（-）片选信号线27256/62256O0—O7数据线27256/62256A0—A14地址线27256Vpp编程电压62256WE（-）写信号线注：“（-）”表示低电平有效表7—2.5 27256与62256的引脚功能表7.2.2数据存储器（RAM）扩展的选用因为机床的加工数据存储量较大，所以仅片内的RAM存储器的存储空间是不够的，须外扩。在选用RAM时主要考虑因素同样是RAM的读写速度与CPU锁提供的读写时序的匹配的要求。它也应满足8031所能提供的读写时间应大于RAM所要求的读写时间。RAM可分静态与动态，静态不须考虑保持数据而设置刷新电路，扩展电路简单。综上所述本系统选用62256（32K×8）一片。它的引脚图如图7—2.7；引脚功能如表7—2.4；62256与8031的连接图如图7—2.8。图7—2.88031与62256连接图图7—2.762256引脚图7.2.3译码器、锁存器芯片的选用译码器选TTL芯片74LS138。锁存器选用TTL芯片74LS273，与8282可兼容。由于系统的复杂性扩展的芯片较多，考虑到8031的P0口最多可负载8个TTL电路，P2口可负载4个TTL电路，所以8031的总线负载过重，因而在P0口扩展双向数据总线驱动器74LS245。她们的引脚功能如表7—2.9REF_Ref27779\r\h[21]。芯 片引 脚功 能74LS373/74LS138Vcc工作电压74LS373/74LS138GND接地74LS373OE（-）片选信号线Q1—Q8输出端D1—D8输入端G/STB锁存控制信号线74LS138A、B、C译码选择Y0—Y7输出端E1、E2、E3译码选择表7—2.9 74LS273与74LS138引脚功能表7.2.4键盘、显示器接口芯片的选用9876Z上Z下输入演示复位5432电机正转电机反转电机转速输入急停10小数点负号结束返回修改暂停回车表7—2.10 键盘示意图引 脚功 能引 脚功 能Vcc工作电压IRQ（-）中断请求输出信号Vss接地RL0—RL7回复输入端CS(-)片选信号线SHIFT移位信号输入端RD/WR(-)读写控制信号CNTL/STB控制选通信号输入端A0数据/命令选择信号输入端A组显示信号输出端D0—D7数据总线OUTB0—OUB3B组显示信号输出端CLK时钟信号输入端BD(-)显示消隐信号输出端RESET复位信号输入端SL0—SL3扫描信号输出端表—2.11 8279的引脚功能表31VCCOUTB0RL2OUTB1RL3OUTB2 CLKOUTB3 IRQOUTA0 RL4OUTA1RL5OUTA2RL6OUTA3 BD RDCS WRA0D0SL0D1SL1 D2SL2 D3SL3 D4SHIFTD5CNTL/STBRSTRL0 D6RL1GND D7401302928272623456257248231022112112321333143415351636173793818391920图7—2.128279引脚图图—2.13 8031与8279连接图8279是通用可编程键盘和显示器接口电路芯片。它可以实现对键盘和显示器的自动扫描，识别闭合键的键号，完成显示器的动态显示。从而大大节省了CPU处理键盘和显示器的时间，提高了CPU的工作效率。另外8279与单片机的接口简单，显示稳定，工作可靠，在数控机床及普通机床的数控改造上应用非常广泛。8279采用40引脚双列直插封装。引脚图如图7—2.12，与8031的连接如图7—2.13。本设计中根据钻床改造的实际需要设置了24小键盘示意图如表7—2.10；表7—2.118279引脚功能图REF_Ref27779\r\h[21]。电路设计驱动步进电机的脉冲需要按所要求的顺序供给电机各相。因此必须有脉冲分配器。为使电机正常