基于z5140a鉆床的數(shù)控化改造畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于Z5140A鉆床的數(shù)控化改造</p><p>　　Numerical Control Innovation Of Z5140A Drilling Machine</p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　學(xué) 院： </p><p>

2、;　　專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p>　　審 閱 教 師：

3、 </p><p>　　完 成 日 期： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前中國企業(yè)中機(jī)床設(shè)備老化，不能滿足新技術(shù)、新工藝的生產(chǎn)要求。本文重點(diǎn)介紹Z5140A型臺(tái)式鉆床的數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的機(jī)械與現(xiàn)有的數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，使其具有自動(dòng)進(jìn)給功能，為企業(yè)

4、進(jìn)行設(shè)備的數(shù)控化改造提供了一種有效可行的途徑。</p><p>　　現(xiàn)有的Z5140A型臺(tái)式鉆床經(jīng)改造后提高了加工精度，擴(kuò)大了機(jī)床的使用范圍，并提高了生產(chǎn)率。本論文說明了普通鉆床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過程，較詳盡地介紹了Z5140A機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。</p><p>　　通過該改造計(jì)劃,改造后的Z5140A型鉆床具備數(shù)控機(jī)床的精度要求，自動(dòng)化柔性生產(chǎn)的能力。機(jī)床整體能力達(dá)

5、到預(yù)期的要求。Z5140A數(shù)控鉆床主要用于加工各種孔及平面和曲面的銑削。它集中了立式鉆床和銑床的功能。數(shù)控鉆床需要很少人工操作，也沒有機(jī)械操作元件如手柄、搖把等。該鉆床如同其他CNC鉆床，全部工作循環(huán)是在微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)的。車削對象改變后，只需改變相應(yīng)的軟件就可適應(yīng)新的需要。由于利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不

6、宜做突破性的改造。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；滾珠絲杠；數(shù)控系統(tǒng)</p><p>　　Numerical Control Innovation Of Z5140A Drilling Machine</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　At present,Machine

7、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. Combinin

8、g the traditional machines with the CNC technology, it can realize automatically feed function and provides a feasible and effective way for the enterprise of equipment's transformation with NC.</p><p>　

9、　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

10、 general drilling with NC, introduces the design of the Z5140A mechanical transmission part and numerical control system part in detail.</p><p>　　After the transformation plan, Z5140A-type drill transformed

11、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

12、 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&

13、lt;/p><p>　　Key Word：Numerical Control Machine Tools ; Ball Screw; CNC System </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII&

14、lt;/p><p><b>　　一、緒論1</b></p><p>　?。ㄒ唬?shù)控機(jī)床的概念1</p><p>　　（二）數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢1</p><p>　　1.數(shù)控（NC）階段1</p><p>　　2.計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段1</p><p>　　3.

15、國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r2</p><p>　　4.國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r2</p><p>　?。ǘC(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性3</p><p>　　1.宏觀看改造的必要性3</p><p>　　2.微觀看改造的必要性3</p><p>　?。ㄈ㈱5140立式鉆床數(shù)控化改造的市場4</p>

16、;<p>　　1.機(jī)床數(shù)控化改造的市場4</p><p>　　2. Z5140立式鉆床簡介4</p><p>　?。ㄋ模㈱5140立式鉆床數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn)5</p><p>　　1.數(shù)控化改造的內(nèi)容5</p><p>　　2. Z5140立式鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn)5</p><p>　　

17、二、Z5140A鉆床總體方案的確定6</p><p>　　（一）Z5140A鉆床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)任務(wù)6</p><p>　?。ǘ┛傮w方案的確定7</p><p>　　1.Z5140A鉆床的總體結(jié)構(gòu)布置7</p><p>　　2.Z5140A鉆床機(jī)械傳動(dòng)方式選擇8</p><p>　　3.Z5140A鉆床傳動(dòng)系

18、統(tǒng)方案9</p><p>　　5.Z5140A鉆床數(shù)控系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)及其工作原理11</p><p>　　6.Z5140A鉆床數(shù)控系統(tǒng)芯片的選擇13</p><p>　　7.地址分配器及譯碼13</p><p>　　8.Z5140A鉆床電器原理介紹14</p><p>　　9.Z5140A鉆床接口電路設(shè)計(jì)

19、16</p><p>　　三、Z5140A鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)17</p><p>　?。ㄒ唬㈱5140A鉆床縱向傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)17</p><p>　　1.確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量17</p><p>　　2.切削力的計(jì)算17</p><p>　　3.Z5140A鉆床縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)滾珠絲杠的計(jì)算18</p>

20、;<p>　　4.Z5140A鉆床縱向伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算19</p><p>　?。ǘ㈱5140A鉆床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的確定21</p><p>　　1.Z5140A鉆床橫向進(jìn)給絲杠的選擇21</p><p>　　2.Z5140A鉆床橫向進(jìn)給系統(tǒng)最大負(fù)載C的計(jì)算22</p><p>　　3.Z5140A鉆床橫向伺服電機(jī)的

21、選擇及計(jì)算23</p><p>　　4.空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算25</p><p>　?。ㄈ㈱5140A鉆床垂直方向進(jìn)給系統(tǒng)的確定25</p><p>　　1.Z5140A鉆床垂直方向絲杠的選擇25</p><p>　　2.Z5140A鉆床垂直方向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)滾珠絲杠的計(jì)算26</p><p>　　3.Z5140

22、A鉆床垂直方向伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算27</p><p>　　4.空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算29</p><p>　　四、Z5140A鉆床數(shù)控插補(bǔ)程序控制30</p><p>　?。ㄒ唬㈱5140A鉆床數(shù)控插補(bǔ)程序控制概述30</p><p>　?。ǘ㈱5140A鉆床直線、圓弧插補(bǔ)程序31</p><p>　　1.Z5

23、140A鉆床直線及圓弧插補(bǔ)程序結(jié)構(gòu)31</p><p>　　2.Z5140A鉆床直線插補(bǔ)程序32</p><p>　　3.Z5140A鉆床圓弧插補(bǔ)程序34</p><p>　　五、Z5140A鉆床進(jìn)給機(jī)構(gòu)部分零件的設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)仿真39</p><p>　?。ㄒ唬┲鬏S的設(shè)計(jì)39</p><p>　　（二）Z514

24、0A鉆床導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)39</p><p>　　（三）Z5140A鉆床立柱的設(shè)計(jì)41</p><p>　?。ㄋ模㈱5140A鉆床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的仿真模擬41</p><p>　?。ㄎ澹㈱5140A鉆床進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總成43</p><p><b>　　結(jié) 論44</b></p><p>　　參

25、 考 文 獻(xiàn)45</p><p><b>　　致 謝46</b></p><p><b>　　一、緒論</b></p><p>　?。ㄒ唬?shù)控機(jī)床的概念</p><p>　　數(shù)控機(jī)床是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，既包括NC機(jī)床，也包括CNC機(jī)床，其工作原理是：將數(shù)控加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)

26、控裝置控制主運(yùn)動(dòng)的變速、起停和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度及位移大小，也可完成刀具的選擇、變換、工件夾緊、松開和冷卻的起、停等動(dòng)作，使刀具與工件及其他輔助裝置嚴(yán)格按數(shù)控程序的要求進(jìn)行工作。</p><p>　?。ǘ?shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，因此對加工機(jī)械產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)設(shè)備——機(jī)床也相應(yīng)提出了高性能和精度

27、的要求。1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起到了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。</p><p>　　1.數(shù)控（NC）階段</p>

28、<p>　　最初計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，科學(xué)家不得不采用數(shù)字邏輯電路組合成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代——電子管；1959年的第二代——晶體管；1965年的第三代——小規(guī)模集成電路[1]。</p><p>　　2.計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段</p><p&

29、gt;　　到1970年，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)成為了數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，幷實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。于是數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段。次年，美國INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件——運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROFROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU），數(shù)控系統(tǒng)得到了質(zhì)的飛躍。</p><p>　　到1974

30、年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。到了1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC

31、的階段。</p><p>　　計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三次改革。即1970年的第四代——小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代——微處理器和1990年的第六代——基于PC（國外稱為PC—BASED）。</p><p>　　還要指出的是，雖然國外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的“數(shù)控”，實(shí)質(zhì)上已是指“計(jì)算機(jī)數(shù)控”。 </p><p&g

32、t;　　3.國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　1958我國開始著手在數(shù)控技術(shù)上開展研究，經(jīng)過研制、開發(fā)階段。從1965年進(jìn)入到晶體管數(shù)控裝置的研制。于70年代初研制成功我國第一臺(tái)數(shù)控銑床。</p><p>　　從20世紀(jì)70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面應(yīng)用。但由于電子元件的質(zhì)量和價(jià)格，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性沒有得到解決，因此未能廣泛推廣。<

33、;/p><p>　　20世紀(jì)80年代，中國先后從日本、美國等國家引進(jìn)了部分?jǐn)?shù)控裝置和伺服單元技術(shù)，并于1981年開始批量生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，包括數(shù)控裝置和伺服單元。在此期間，中國在引進(jìn)、消化吸收的基礎(chǔ)上，跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。為了適應(yīng)機(jī)械工業(yè)不同層次的需要，還開發(fā)出多種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并得到了廣泛應(yīng)用。如今，中國已經(jīng)建立了以中、低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系。</p><p>　　4.國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)

34、展?fàn)顩r</p><p>　　美國、德國、日本三國是當(dāng)今世界上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國家。因其社會(huì)條件不同，各有特點(diǎn)。</p><p>　?。?）美國的數(shù)控發(fā)展史</p><p>　　美國政府十分重視機(jī)床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù)，并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新。1952年

35、研制出世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床，1958年研制出加工中心等。</p><p>　　由于美國首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大批量生產(chǎn)自動(dòng)化所需的自動(dòng)線，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界上也一直領(lǐng)先。</p><p>　　（2）德國的數(shù)控發(fā)展史</p><p>　　德國政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。于1956年研制出

36、第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。德國數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床，在質(zhì)量、性能上居世界前列。</p><p>　?。?）日本的數(shù)控發(fā)展史</p><p>　　日本政府對機(jī)床工業(yè)的發(fā)展也十分重視，于1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，1978年產(chǎn)量（7342臺(tái)）超過美國（5688臺(tái)），至今產(chǎn)量、出口量一直居于世界首位。</p><p>　?。ǘC(jī)床

37、數(shù)控化改造的必要性和迫切性</p><p>　　機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在機(jī)床上增加微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)訂的加工工藝目標(biāo)。</p><p>　　數(shù)控機(jī)床是綜合了微電子、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測等先進(jìn)技術(shù)的新型機(jī)床，適宜加工單件或小批量、高精度、品種多、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)變更加工對象時(shí)只需要更換零件加工程序，無需對機(jī)床作任何調(diào)整，所以能很好地滿足產(chǎn)品頻

38、繁變化的加工要求。勞動(dòng)量大大減少，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。</p><p>　　雖然數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢很大，但是對于制造企業(yè)，單純地靠購買數(shù)控機(jī)床來解決現(xiàn)狀，一方面需要大量的資金投人，另一方面，將原有的普通機(jī)床閑置，勢必造成一種浪費(fèi)。眾所周知，制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，是推動(dòng)國家技術(shù)進(jìn)步的中堅(jiān)力量。我國制造業(yè)水平與西方發(fā)達(dá)國家相比，總體水平偏低，企業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)力有待進(jìn)一步提高。因此為了節(jié)約資金、降低成本，在

39、原來普通機(jī)床的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)控化改造，是一種一舉兩得的有效途徑，既經(jīng)濟(jì)又快捷.。</p><p>　　1.宏觀看改造的必要性</p><p>　　從宏觀上看，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的機(jī)械工業(yè)，在20世紀(jì)70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CA

40、E、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電

41、產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。</p><p>　　2.微觀看改造的必要性</p><p>　　從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。</p><p>　　(1)可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。</p><p>　　計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能

42、力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。</p><p>　　(2)可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化</p><p>　　效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)

43、了“柔性自動(dòng)化”。</p><p>　　(3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。而且可以實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。</p><p>　　(4) 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。</p><p>　　這些優(yōu)越性的發(fā)揮，使數(shù)控機(jī)床的性能有了質(zhì)的提高，大力推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展。傳

44、統(tǒng)機(jī)床經(jīng)過改造后，得到了近似于數(shù)控機(jī)床的性能，也意味著我國制造業(yè)整體水平的提高。</p><p>　?。ㄈ㈱5140A立式鉆床數(shù)控化改造的市場</p><p>　　1.機(jī)床數(shù)控化改造的市場</p><p>　　我國目前機(jī)床總量約為400萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有15.49萬臺(tái)，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到4％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺(tái)，年產(chǎn)

45、值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國機(jī)床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60％以上）。裝備水平不高，更新速度低是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原因之一。我國大多數(shù)制造行業(yè)使用的裝備是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長等缺點(diǎn)，從而在國

46、際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。</p><p>　　2. Z5140A立式鉆床簡介</p><p>　　Z5140A鉆床（如圖1.1）是由遼寧省丹東市機(jī)床有限責(zé)任公司研發(fā)、生產(chǎn)幷銷售的立式鉆床，具有精度高，剛性好，扭矩大，噪聲低，變速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，操作集中，使用維修方便。機(jī)床具有攻絲自動(dòng)反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，主攻絲可

47、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)正反轉(zhuǎn)，對于盲孔和定深孔攻絲極為方便。</p><p>　　多年來Z5140A型立式鉆床憑借其極高的適用范圍和性價(jià)比，在國內(nèi)鉆床銷售市場占有很大的比例。</p><p>　　圖1.1Z5140立式鉆床</p><p>　?。ㄋ模㈱5140立式鉆床數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　1.數(shù)控化改造的內(nèi)容</p>

48、<p>　　Z5140A立式鉆床數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　（1）對Z5140A立式鉆床精度的恢復(fù)以及對鉆床存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；</p><p>　?。?）數(shù)控化改造，在原Z5140A立式鉆床上加數(shù)顯裝置，或數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機(jī)床；</p><p>　?。?）翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對Z5140A立式鉆床機(jī)械

49、、電氣部分進(jìn)行翻新，對機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新；</p><p>　?。?）技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，滿足新工藝、新技術(shù)的要求，在原有Z5140立式鉆床基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高加工水平和檔次。</p><p>　　2. Z5140A立式鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn)</p><

50、p>　?。?）減少投資額、交貨期短</p><p>　　同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60％～80％的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3，交貨期短。</p><p>　　（2）機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限</p><p>　　所利用的Z5140A立式鉆床床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的Z5140A鉆床性能高、質(zhì)量好

51、，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來Z5140A立式鉆床機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。</p><p>　?。?）對設(shè)備掌握熟悉、便于操作維修</p><p>　　購買新設(shè)備時(shí)，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計(jì)算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷

52、運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　（4）可充分利用現(xiàn)有的條件</p><p>　　可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時(shí)那樣需重新構(gòu)筑地基。</p><p>　　二、Z5140A鉆床總體方案的確定</p><p>　　一般鉆床數(shù)控系統(tǒng)改造的總體方案的應(yīng)包括以下內(nèi)容：進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式的確定，控制芯片的選擇等內(nèi)容。根據(jù)設(shè)計(jì)任

53、務(wù)、機(jī)床實(shí)際情況和要求提出幾個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析，比較和論證，最后選出一個(gè)合理的總體方案。</p><p>　?。ㄒ唬㈱5140A鉆床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)任務(wù)</p><p>　　Z5140A鉆床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算：</p><p>　　此處為數(shù)控鉆床機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)，包括脈沖當(dāng)量的確定、滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)計(jì)算；伺服電機(jī)的計(jì)算和選用；設(shè)計(jì)并繪制

54、Z5140A鉆床示意圖，還有數(shù)控化改造X向、Y向、Z向裝配圖。</p><p><b>　　(1)技術(shù)要求：</b></p><p>　　工作臺(tái)重量：80kg</p><p>　　工件最大重量:150kg</p><p>　　機(jī)床定位精度: mm</p><p>　　機(jī)床重復(fù)定位精度: mm<

55、;/p><p>　　工作臺(tái)進(jìn)給速度: 1～400mm/min</p><p>　　工作最快移動(dòng)速度: 10m/min</p><p>　　X軸行程: 500mm</p><p>　　Y軸行程: 500mm</p><p>　　Z軸行程：600mm</p><p>　　工作臺(tái)尺寸為：1000×

56、;460 </p><p><b>　　(2)機(jī)床坐標(biāo)設(shè)定</b></p><p>　　本機(jī)床使用X軸、Y軸和Z軸組成的直角坐標(biāo)系進(jìn)行定位和插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。其中，X軸為鉆床平面的左右方向，Y軸為鉆床平面的前后方向，Z軸為主軸的上下方向。</p><p>　?。ǘ┛傮w方案的確定</p><p>　　1.Z5140A鉆床的總體

57、結(jié)構(gòu)布置</p><p>　　圖2.1鉆床總體結(jié)構(gòu)布置</p><p>　　2.Z5140A鉆床機(jī)械傳動(dòng)方式選擇</p><p>　　為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1）盡量采用低磨擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如

58、采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。</p><p>　　2）盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用間隙齒輪等。</p><p>　　3）提高系統(tǒng)剛度。縮短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差。</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的精度，Z5140A型鉆床采用交流伺服電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)至絲桿。保證了一定的傳動(dòng)精度跟平穩(wěn)性，拆掉了原Z5140A鉆床的絲杠螺母

59、機(jī)構(gòu),更換上用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副是一種在絲杠與螺母間裝有滾珠作為中間元件的絲杠副。</p><p>　　1）絲杠2）回路管道3）螺母4）滾珠</p><p>　　圖2.2滾珠絲杠結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　如圖2.2中絲杠和螺母上都加工有圓弧形的螺旋槽，它們對合起來就形成了螺旋滾道。在滾道內(nèi)裝有滾珠，當(dāng)絲杠與螺母相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺旋槽向

60、前滾動(dòng)，在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過回程引導(dǎo)裝置，逐個(gè)地又滾回到絲杠與螺母之間，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的回路。</p><p>　　3.Z5140A鉆床傳動(dòng)系統(tǒng)方案</p><p>　　1）Z向傳動(dòng)絲杠2）Y向傳動(dòng)絲杠3）X向傳動(dòng)絲杠</p><p><b>　　圖2.3傳動(dòng)系統(tǒng)圖</b></p><p>　　采用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三坐

61、標(biāo)兩軸聯(lián)動(dòng)控制，工作臺(tái)縱向、橫向及垂直方向的運(yùn)動(dòng)分別由交流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過齒輪或聯(lián)軸器減速后，由滾珠絲杠螺母副拖動(dòng)。采用滾珠絲杠副的特點(diǎn)是傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率=0.92～0.96，是普通絲杠螺母副的3～4倍。定位精度高，剛度好。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4.Z5140A鉆床伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　由于改造

62、后的Z5140A數(shù)控鉆床應(yīng)具有鉆孔、鉸孔、攻絲和銑削平面等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用MCS—51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。</p><p>　　控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、伺服電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯

63、示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息[4]。</p><p>　?。?）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定</p><p>　　數(shù)按系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)</p><p>　?。?）伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇</p><p>　　伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>

64、;　　開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號(hào)是單方向送的，指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測反饋元件，用來檢測實(shí)際位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用交流伺服電機(jī)或位流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺(tái)的位移量

65、，而是用檢測元件出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺(tái)實(shí)際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。</p><p>　　在我國設(shè)備數(shù)控化改造的一段時(shí)間里，較多采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。本設(shè)計(jì)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，相比于直流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、制造成本低、應(yīng)用環(huán)境廣等特點(diǎn)。且交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較直流電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。</p><p>　　綜上所述，綜合

66、了成功率，技術(shù)難度，精度和投資等因素，決定選用交流伺服電機(jī)半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)</p><p>　?。?）控制芯片的選擇</p><p>　　微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)擴(kuò)展電路和I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。數(shù)控系統(tǒng)的核心是微機(jī)，其它裝置均在微機(jī)的控制下進(jìn)行工作。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用的微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長和速度，字長不僅影響系統(tǒng)的最大加

67、工尺寸，而且影響加工的精度和運(yùn)算精度。本設(shè)計(jì)采用的是MCS—51機(jī)，并擴(kuò)展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可編程并行I/O等組成的控制系統(tǒng)。</p><p>　?。?）微機(jī)數(shù)控制系統(tǒng)功能</p><p>　　1）橫向，縱向進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　2）程控制</b></p><p>&l

68、t;b>　　3）盤控制</b></p><p>　　4）其他功能：報(bào)警電路，復(fù)位電路，隔離電路，功放電路等</p><p>　　5.Z5140A鉆床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理</p><p><b>　?。?）主控器</b></p><p>　　1）主控制器及主控制芯片的選擇</p><

69、;p>　　目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有8086，8088，80286，80386以及8098，8096等16位機(jī)的CPU，在一般的數(shù)控系統(tǒng)中推薦采用MCS—51系列單片機(jī)作為主控制器。這里選用MCS—51系列中的8031芯片。 </p><p>　?。?）MCS—51系列單片機(jī)介紹</p><p>　　1）MCS—51系列單片機(jī)的基本特征</p><p>　

70、　MCS—51系列單片機(jī)主要有三種：8031，8051和8751。該系列產(chǎn)品是集CPU、I/0口及部分RAM等為一體的功能很強(qiáng)的控制器，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)。并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，編程靈活性大，硬件資料也很豐富。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許差別，可以說8031是沒有ROM的8051，而8751是EPROM代替ROM的8051。工業(yè)控制中應(yīng)用最多的是8031。</p>

71、<p>　　8031的基本特征如下：</p><p>　　具有8位中央處理單元（CPU）。</p><p>　　片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（6MHz 或12MHz）,每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2μs或者1μs。</p><p>　　具有128字節(jié)的RAM。</p><p>　　具有21個(gè)特殊功能寄存器。</p><p>

72、;　　可尋址64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64KB的外部程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　具有四個(gè)I/O口，32根I/O線。</p><p>　　具有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。</p><p>　　具有5個(gè)中斷源，配備兩個(gè)優(yōu)先級(jí)</p><p>　　具有一個(gè)全雙工串行接口</p><p>　　具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算&

73、lt;/p><p>　　從上述特性可知:一塊8031的功能相當(dāng)于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。</p><p>　　2）管腳功能分析及特性簡介</p><p><b>　　引腳功能分類表：</b></p><p>　　I/O口線：，，，共四個(gè)8位口。</p><p>　　控制線：（中斷取指令控制），ALE（地址鎖存

74、控制），（中斷存儲(chǔ)器選擇），RESET（復(fù)位控制）</p><p><b>　　電源及時(shí)鐘：，，，</b></p><p><b>　　應(yīng)用特性：</b></p><p>　　I/O口線不能都用作用戶I/O線，除8051，8751外真正可完全為用戶使用的I/O口線，只有口以及部分作為第一功能使用的口。</p>

75、<p>　　I/O口的驅(qū)動(dòng)功能為：口驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路，而、只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門電路。</p><p>　　口具有提升電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位均可獨(dú)立的定義為第一I/O口功能或者第二I/O口功能。</p><p>　　時(shí)鐘頻率：外接時(shí)鐘頻率可在1.2～12MHz間選取。</p><p><b>　　3）總線結(jié)構(gòu)</b>

76、</p><p><b>　　地址總線AB</b></p><p>　　地址總線寬度為16位，故其外部存儲(chǔ)器直接選址范圍達(dá)到64KB，16位地址總線由口經(jīng)地址鎖存器提供低8位，～由直接提供。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)總線DB</b></p><p>　　數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由口直接提供。&l

77、t;/p><p><b>　　控制總線CB</b></p><p>　　由口的第二功能狀態(tài)和四根獨(dú)立的控制線RESET，，ALE，組成。</p><p><b>　　4）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　單片機(jī)的存儲(chǔ)器包括程序存儲(chǔ)器（EPROM或ROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），它們是可以選用并可直

78、接尋址的存儲(chǔ)器。</p><p><b>　　5）擴(kuò)展芯片</b></p><p>　　I/O口擴(kuò)展集成電路中有三種專用I/O口擴(kuò)展芯片。I/O口擴(kuò)展復(fù)合芯片，TTL電路芯片，在本次設(shè)計(jì)中，除了采用I/O口外還能擴(kuò)展其他外圍功能電路，主要有8155（2×8+6并行I/O口，256個(gè)靜態(tài)RAM，一個(gè)14位定時(shí)器），TTL電路芯片，也廣泛用作MCS-51單片機(jī)I

79、/O擴(kuò)展芯片，主要有74LS373，273，374，244等[5]。</p><p>　　6.Z5140A鉆床數(shù)控系統(tǒng)芯片的選擇</p><p>　?。?）EPROM的選擇</p><p>　　芯片的型號(hào)不同，應(yīng)用參數(shù)也不同，主要有最大讀出速度，工作溫度及容量。在確定容量內(nèi)選擇EPROM的型號(hào)，主要考慮因素是讀取速度，這是決定系統(tǒng)能否正確工作隊(duì)的前提。根據(jù)CPU與E

80、PROM的匹配要求，應(yīng)滿足8031能提供的讀取時(shí)間大于EPROM所需要的讀取時(shí)間。</p><p>　　實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮在滿足容量要求的同時(shí)盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合數(shù)。</p><p><b>　?。?）RAM的選擇</b></p><p>　　選RAM是主要考慮因素是RAM的讀寫速度與CPU提供的讀寫時(shí)序的匹配要求，還應(yīng)滿足這樣

81、一個(gè)關(guān)系：即8031所能提供的讀寫時(shí)間應(yīng)大于RAM所需求的讀寫時(shí)間，常用RAM主要有6116和6264兩種。</p><p>　　7.地址分配器及譯碼</p><p><b>　?。?）地址分配</b></p><p>　　與一般存儲(chǔ)系統(tǒng)不同，8031所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)其程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址。因此，EPROM和RAM的地址分配較自由，不

82、必考慮是否發(fā)生沖突。</p><p>　　由于8031復(fù)位后從0000H單元開始執(zhí)行程序，故程序存儲(chǔ)器地址應(yīng)從0000H就開始。在這里只用EPROM，地址為0000H-1FFFH，擴(kuò)展RAM與I/O口及外圍設(shè)備實(shí)行統(tǒng)一編址。</p><p>　?。?）EPROM、RAM與8031</p><p>　　存儲(chǔ)器與單片機(jī)的連接主要是三總線的連接，應(yīng)考慮單片機(jī)的總線驅(qū)動(dòng)能力

83、是否夠，若不夠應(yīng)當(dāng)加以驅(qū)動(dòng)，如總線驅(qū)動(dòng)器74LS244，74LS245等，根據(jù)單片機(jī)8031的驅(qū)動(dòng)特性，在本次設(shè)計(jì)中，不必加以驅(qū)動(dòng)，下面給出EPROM，RAM與8031的具體連接。</p><p><b>　　地址總線</b></p><p>　　將～與EPROM的～一一對應(yīng)連接?！cRAM的～一一對應(yīng)連接，其余地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。</p><

84、p><b>　　數(shù)據(jù)總線</b></p><p>　　～分別與存儲(chǔ)器～一一對應(yīng)連接。</p><p><b>　　地址總線</b></p><p>　　將～與EPROM的～一一對應(yīng)連接。～與RAM的～一一對應(yīng)連接，其余地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)總線&l

85、t;/b></p><p>　　～分別與存儲(chǔ)器～一一對應(yīng)連接[6]。</p><p>　　8.Z5140A鉆床電器原理介紹</p><p>　　銑床電氣的改造，是將原銑床電氣電路改為與數(shù)控系統(tǒng)連接，幷受數(shù)控系統(tǒng)控制的電路，以實(shí)現(xiàn)銑床原有的升降、縱向、橫向等各坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)，主軸起、停和正、反轉(zhuǎn)等功能；幷增加了緊急停機(jī)、機(jī)床原點(diǎn)的設(shè)置、各坐標(biāo)軸的限位等功能。<

86、;/p><p>　　Z5140A數(shù)控系統(tǒng)采用廣州數(shù)控設(shè)備廠的GSK928MA鉆床數(shù)控系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用廣州數(shù)控設(shè)備廠DA98全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。該機(jī)床是三座標(biāo)（X、Y、Z）連續(xù)控制機(jī)床，具有完善的控制機(jī)能，通過加工程序自動(dòng)進(jìn)行工件加工。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí), 通過系統(tǒng)的自診斷功能, 能及時(shí)顯示出故障，便于維修人員檢修。</p><p>　　圖2.3電器原理圖1</p><

87、p>　　圖2.4電氣原理圖2</p><p>　　電氣改造如圖2.1、2.2所示。</p><p>　?。?）各坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)</p><p>　　用隨機(jī)電纜分別將各軸伺服電動(dòng)機(jī)與系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)柜相應(yīng)插座相連，即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)控制。</p><p>　?。?）主軸起、停和正反轉(zhuǎn)以及冷卻液的開關(guān)</p><p>　　主

88、軸起、停和正反轉(zhuǎn)以及冷卻液的開關(guān)均通過系統(tǒng)控制KM1-KM5五個(gè)繼電器的吸合或斷開，從而使鉆床中相應(yīng)的交流接觸器吸合或斷開來實(shí)現(xiàn)以上功能。</p><p>　　1）主軸啟動(dòng)：即主軸正轉(zhuǎn)，將主軸正轉(zhuǎn)控制繼電器KM1的一組常開觸點(diǎn)并接到原Z5140鉆床啟動(dòng)按鈕SB1的兩端即可。</p><p>　　2）主軸反轉(zhuǎn)：原Z5140鉆床設(shè)置有一個(gè)主軸電動(dòng)機(jī)電源反向開關(guān)，將開關(guān)轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)位置，按下啟動(dòng)按鈕

89、即可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。若要使改造后的鉆床控制主軸，還需增設(shè)一個(gè)交流接觸器KM2，構(gòu)成反轉(zhuǎn)控制回路，幷使其與正轉(zhuǎn)控制回路互鎖，以實(shí)現(xiàn)對主軸反轉(zhuǎn)的控制。</p><p>　　3）切削液的開閉:將切削液控制繼電器KM3的一組常開觸點(diǎn)并接到原Z5140鉆床切削液開關(guān)兩端即可。</p><p>　　9.Z5140A鉆床接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　8031單片機(jī)的口可以作為I/O

90、接口，為管理上述接口電路，還需要擴(kuò)展接口電路，現(xiàn)在用8031的管理步進(jìn)電機(jī)，用擴(kuò)展接口管理鍵盤和顯示電路。</p><p>　　8155的內(nèi)部RAM和I/O的選擇由引腳IO/控制，當(dāng)IO/=0時(shí)，CPU訪問RAM，RAM的低8位編制為：00H～FFH；IO/＝１時(shí)，CPU訪問I/O口，其低8位編址見教材的真值表，8155的工作方式選擇通過對8155內(nèi)部命令，寄存器通過設(shè)定控制命令來實(shí)現(xiàn)。8155具有兩種基本操作，

91、即用8155中的256字節(jié)RAM及擴(kuò)展I/O口使用，作RAM時(shí)與系統(tǒng)RAM無區(qū)別；作I/O口使用時(shí)，可通過工作方式以滿足不同需要。</p><p>　　8155有一個(gè)狀態(tài)寄存器，鎖存I/O口和定時(shí)器的當(dāng)前狀態(tài)，使CPU查詢用。狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個(gè)地址，只能讀入，不能寫入。CPU讀地址時(shí)，做狀態(tài)寄存器，讀出時(shí)是當(dāng)前I/O口和定時(shí)器的狀態(tài)，而寫時(shí)則作為命令寄存器寫入命令[7]。</p><

92、;p>　　三、Z5140A鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　（一）Z5140A鉆床縱向傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　1.確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 </p><p>　　根據(jù)本數(shù)控鉆床精度要求確定脈沖當(dāng)量0.01mm/setp。</p><p><b>　　2.切削力的計(jì)算</b></p><p

93、>　　鉆床切削力與刀具材料、工件、刀具進(jìn)給量有關(guān)，選用圓柱銑刀，則：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中，為主銑削力，為刀具系數(shù)，為銑削接觸弧深度，z為銑刀系數(shù)，為每齒進(jìn)給量，為銑刀直徑[8]。</p><p>　　在以工作壽命為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)按實(shí)際加工過程平均銑削條件為準(zhǔn)，因此取=2.5mm，=

94、0.2mm/齒，=70mm，z=4， =50mm，對圓柱高速銑刀，=68.2。</p><p>　　選擇圓柱銑刀逆銑加工，各切削分力有=1～1.2，＝0.2～0.3，=0.35～0.4，取中間值即=1.1，=0.25，=0.38，則：</p><p>　　=0.38=0.38×4472=1.699（KN） （3.2

95、）</p><p>　　而插補(bǔ)平面內(nèi)合力為：</p><p>　　F==5404（N） （3.3）</p><p>　　在一周的切削過程中取平均切削力為： </p><p>　　=FF=×

96、;5404=3603（N） （3.4）</p><p>　　工作時(shí)的周向壓力為：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　對于三角形形導(dǎo)軌，k=1.15，=0.2，而=0，==1699（N），G=1.4（KN），則:</p>&

97、lt;p>　　=1.15×3.6×103+0.2（1.699×103+1.4×103）=4753.8（N）</p><p>　　3.Z5140A鉆床縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)滾珠絲杠的計(jì)算</p><p>　　滾珠絲杠的名義直徑，滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動(dòng)載荷選擇。</p><p>　　絲杠的最大載荷，當(dāng)切削時(shí)的最大進(jìn)給力加摩

98、擦力，最小載荷即為摩擦力。已知最大進(jìn)給力=1699（N），工作臺(tái)加工件的質(zhì)量M=140kg，導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)為0.1，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）為:</p><p>　　==0.1×140×10=140（N） （3.6）</p><p><b>　　絲杠最大載荷為： </b>

99、</p><p>　　=1699+140=1839（N） （3.7）</p><p>　　縱向工作載荷（平均載荷）為：=4753.8（N）</p><p>　　其中，，分別為絲杠最大、最小軸向載荷；絲杠的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為1mm/min，故絲杠的最低

100、轉(zhuǎn)速為0.1r/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=（1500+0）/2=750r/min。故絲杠工作壽命為： </p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　其中，L—工作壽命，以r為1個(gè)單位，N—絲杠轉(zhuǎn)速（r/min），T-絲杠使用壽命，對數(shù)控機(jī)床可取T=15000h。</p><p><b>　　計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷

101、為：</b></p><p>　　===69.49（KN） （3.9）</p><p>　　其中—載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊1～1.2，一般情況取1.2～1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取1.5～2.5。本設(shè)計(jì)=1.5—精度影響系數(shù)，對于3、4級(jí)滾珠絲杠取=0.9。由此確定滾珠絲杠副的型號(hào)為FYND3206-4-P3（如圖3.1），即內(nèi)循環(huán)，雙

102、螺母墊片調(diào)隙式、公稱直徑為32mm、螺距為6mm、P3級(jí)精度、左旋、滾珠直徑為3.969mm。額定動(dòng)載荷=69.49KN，＜，符合設(shè)計(jì)要求。軸向剛度=1138N/m。預(yù)緊力=/4=69.49/4=17.37（KN），只要軸向載荷值不達(dá)到或不超過預(yù)緊力的3倍，因此不必對預(yù)緊力提出額外的要求。本設(shè)計(jì)中絲杠最大載荷=1.839（KN），遠(yuǎn)小于3[9]。</p><p>　　圖3.1 縱向絲杠實(shí)體模型</p>

103、<p>　　4.Z5140A鉆床縱向伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算</p><p><b>　?。?）選擇伺服電機(jī)</b></p><p>　　伺服電機(jī)的選用，應(yīng)考慮三個(gè)要求：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不得超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配；快移時(shí)，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。</p><p>　?。?）最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

104、</p><p>　　所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最達(dá)切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)下式計(jì)算，即：</p><p>　　T=5.235（） （3.10）</p><p>　　其中，從前面的計(jì)算已知最大進(jìn)給力=1699N，絲杠導(dǎo)程=6mm，預(yù)緊力=4753.8N，查手冊，滾珠絲杠副的機(jī)械效率=0.9，因滾珠絲杠預(yù)加載荷引起附加摩擦力矩為：&

105、lt;/p><p>　　==（） （3.11）</p><p>　　查《角接觸推力球軸承組配技術(shù)手冊》得單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.32，故一對軸承的摩擦力矩=0.64。另一端直接鉸接，其摩擦力可忽略不計(jì)。伺服電機(jī)與絲杠直連，其傳動(dòng)比i=1[10]。</p><p><b>　?。?）負(fù)載慣量計(jì)算</b

106、></p><p>　　伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配，負(fù)載慣量可按以下次序計(jì)算。</p><p>　　1） 工件、工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的慣量，工件與工作臺(tái)的最大質(zhì)量M=140kg，可按下式計(jì)算，即:</p><p>　　=m （3.12）</p><p>　　其中，v-工作臺(tái)移動(dòng)速度（m/s），w-伺服電機(jī)

107、的角速度（rad/s），m-直線移動(dòng)工件、工作臺(tái)的質(zhì)量(kg)。</p><p>　　2）絲杠加在電機(jī)軸上的慣量，絲杠名義直徑=32mm，L=839mm，絲杠材料鋼的密度=7.8×kg/。根據(jù)下式公式，絲杠加在電機(jī)軸上的慣量為：</p><p>　　=×7.8××0.839×=0.00067() （3.13）</p>

108、<p>　　3）聯(lián)軸器加在鎖緊螺母等得慣量可直接查手冊得到：</p><p><b>　　=0.001()</b></p><p>　　4） 負(fù)載總慣量為： </p><p>　　=++=0.000128+0.00067+0.001=0.001798（） （3.14）</p><p>　

109、　按照數(shù)控機(jī)床慣量匹配條件，1＜＜4，所選伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在0.0032～0.0312范圍內(nèi)。根據(jù)以上計(jì)算公式，代入具體數(shù)值后得到額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)這些參數(shù)選擇滿足要求的130ST-M10015H型伺服電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　130ST-M10015H型交流伺服電機(jī)的主要參數(shù)如下：</p><p>　　表3.1 130ST-M10015H型交流伺服電

110、機(jī)的主要參數(shù)</p><p>　?。?）空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算</p><p>　　當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到快移速度時(shí)，所需的空載加速轉(zhuǎn)矩為：</p><p>　　=（） （3.15）</p><p>　　1） 空載加速時(shí)，主要克服的是慣量。如選

111、用130ST-M10015H型交流伺服電機(jī)總慣量為：</p><p>　　J=+=0.00187+0.0071=0.00897（） （3.16）</p><p>　　2） 加速時(shí)間通常取得3～４倍，?。?lt;/p><p>　　=3=3×15.2=45.6ms=0.046（s ）

112、 （3.17）</p><p><b>　　所以：</b></p><p>　　=（） （3.18）</p><p>　　空載加速轉(zhuǎn)矩不允許超過伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，由此可見，130ST-M10015H型交流伺服電機(jī)的=85.2<，滿足設(shè)計(jì)要求[

113、11]。</p><p>　?。ǘ㈱5140A鉆床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的確定</p><p>　　1.Z5140A鉆床橫向進(jìn)給絲杠的選擇</p><p>　　由式（3.1）～（3.18）得：</p><p>　　（1）計(jì)算進(jìn)給牽引力</p><p>　　選擇導(dǎo)軌類型為矩形導(dǎo)軌，則：</p><p>　

114、　=4397.16（N）</p><p>　　其中，為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)0.14；</p><p><b>　　為移動(dòng)部件重量。</b></p><p>　　2.Z5140A鉆床橫向進(jìn)給系統(tǒng)最大負(fù)載C的計(jì)算</p><p>　?。?）橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)滾珠絲杠的計(jì)算</p><p>　　滾珠絲杠的名義

115、直徑，滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動(dòng)載荷選擇。</p><p>　　絲杠的最大載荷，當(dāng)切削時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。已知最大進(jìn)給力=1699（N），工作臺(tái)加工件的質(zhì)量M=140kg，導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)為0.1，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）</p><p>　　==0.1×140×10=140（N）</p><p><b>