_52K銑床的數控化改造設計.doc

X52銑床的數控化改造摘 要本文提供了一種X52銑床的經濟型數控化改造方案，改造的主要模塊有：機械部分和數字控制電路部分。機械部分主要是對絲杠、驅動元件和減速齒輪的改造。改造后的系統(tǒng)是以步進電機為驅動執(zhí)行元件的開環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)使系統(tǒng)能夠控制進給軸的轉速，并實現其正反轉控制工作臺，實現其縱、橫向進給運動，控制冷卻和潤滑，以MCS-51型單片機為控制處理芯片，通過鍵盤輸入加工程序控制X52K 銑床數控化改造后是升降臺式的。使得改造后的機床能加工除了銑削鍵槽、平面及孔等簡單的零件外，還能加工形狀復雜（如加工圓弧面、斜面及凸輪等）的零件。改造后的數控機床具有高精、高效及加工產品范圍廣等特點。關鍵詞： X52k，數控化，改造，單片機目 錄前 言1第1章 整體改造方案31.1設計方案：31.1.1 實現的目標31.1.2 機床改造的方案31.2 機構和電氣控制的改造：41.2.1 X52的改造要求41.2.2 進給機構的改造51.2.3 電氣控制部分的改造51.3改造后的布局6第2章 機構部分與控制部分的設計72.1 縱向方向（X軸）的設計：72.1.1 縱向步進電機選擇計算72.1.2 絲杠設計132.1.3 齒輪設計192.3 控制部分設計222.3.1 主控制器（CPU）232.3.2 存儲器擴展電路242.3.3 擴展I/O接口242.3.4 步進電機驅動電路252.3.5 行程控制262.3.6 鍵盤與顯示272.3.7 復位電路272.3.8 緊急停車27結 論28謝 辭30參 考 文 獻31前 言該課題來源于生產實踐的需要，利用大量閑置舊機床，對其進行數控化改造后，成為一種高效的、多功能的經濟型數控機床，是一種推陳出新、盤活存量資金的有效辦法，是低成本自動化的必由之路。數控技術及數控機床是以數控系統(tǒng)為代表的新技術，對傳統(tǒng)機械制造產業(yè)的滲透形成的機電一體化產品：數控機床；其技術范圍涉及很多領域：機械制造技術；信息處理技術；自動控制技術；伺服驅動技術；傳感器技術；軟件技術等。數控機床即是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統(tǒng)的機床?，F代數控機床都采用計算機（微型機算計）作為控制系統(tǒng)，它由CNC系統(tǒng)，機床主機及輔助裝置組成。數控未來發(fā)展的趨勢（1）往高精，高速，高柔性化及高復合化加工方向。（2）集成化、模塊化、網絡化、通用型開放式閉環(huán)控制模塊。（3）高效多軸化、實時智能化、用戶界面圖形化、科學計算可視化、插補和補償方式多樣化。（4）內裝高智能PLC，多媒體技術的應用。（5）應用自適應控制技術，引入專家系統(tǒng)指導加工，引入故障診斷專家系統(tǒng)。數控化改造的優(yōu)缺點（1）減少投資額，交貨期短（2）機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限（3）熟悉了解設備，便于操作維修（4）可充分利用現有的條件（5）可更好的因地制宜，合理刪選功能（6）可及時采用最新技術，充分利用社會資源機床數控改造的必要性數控機床是一種典型的機電一體化產品，它集精密，柔性，和集成與一身，它可以較好的解決形狀復雜，精密，小批多變的零件加工問題，能夠穩(wěn)定加工質量和提高生產效率，是一種高度自動化機床。其造價較低，改造周期短，可靠性高，改造技術也日趨成熟，加之我國特有的經濟實用產品“經濟型數控裝置”的技術指標不斷的提高，產品的更新和完善的進度不斷的加快，產量不斷的提高，故有廣闊的前景，其必要性還體現在：1. 由于數控改造費用低，可充分利用原有的設備和閑置設備，把它們改造成數使它們的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用，提高了機床的使用價值。2. 易于對現有機床實現自動化，而且針對性強，即可針對新加工的零件類型及機床來進行改造，改造后機床沒有多余的功能。3. 改造后的機床加工精度得到提高，工人的勞動強度得到降低。4. 減少了輔助加工時間，可提高機床的生產效率。5 數控改造可在企業(yè)技術人員參加下開發(fā)，所以他們可熟悉，掌握改造后的機床性能，操作等，為以后的生產，維護，修理打下基礎。第1章 整體改造方案1.1設計方案：1.1.1 實現的目標在論文中主要討論在對X52立式升降臺式銑床進行數控化改造，將X52數控化改造后，通過控制系統(tǒng)使系統(tǒng)能夠控制進給軸的轉速，并實現其正反轉控制工作臺，實現其縱、橫向進給運動，控制冷卻和潤滑。通過鍵盤輸入加工程序控制X52K銑床數控化改造后是升降臺式的。X52立式銑床是銑削鍵槽、平面及銑孔的通用機床，它沒有準確可靠的定位裝置，銑孔與銑鍵槽的位置精度一般靠模板的精度和人工劃線的精度來保證，故其加工精度低于數控機床。由于普通銑床的柔性差，不能滿足市場對形狀復雜、精度高、小批量、多品種零件需求。而數控化改造后系統(tǒng)采用步進電機為驅動執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)，并且采用CNC數控系統(tǒng)控制X、Y工作臺，即采用以MCS-51單片機為控制系統(tǒng)，實現兩坐標聯動改造,使得改造后的機床能加工除了銑削鍵槽、平面及孔等簡單的零件外，還能加工形狀復雜（如加工圓弧面、斜面及凸輪等）的零件，且加工精度高、效率高，滿足市場的需求，且價格較廉，增加了市場的競爭力。1.1.2 機床改造的方案方案：床身的上部內裝進給軸傳動系統(tǒng)為進給軸變速系統(tǒng)，這部分采用原機床的進給軸傳動系統(tǒng)即保留原機床的電動機等等，還有添加的變速箱。床身的底部是可作冷卻液箱的底座，數控系統(tǒng)顯示器及按鍵位于操作者的右邊，便于調試、和操作觀察。床身右側的電器箱內裝有兩坐標的進給伺服控制系統(tǒng)，床身左側的電器箱內裝有主控器和強電系統(tǒng)。顯示器采用LED，用以顯示輸入的程序，機床的實際位置和已存儲的各種信息。手動操作時，顯示器可作為數字讀出裝置使用。數控系統(tǒng)采用為兩坐標開環(huán)控制，由步進電機經一級齒輪變速箱后減速驅動?？蓪崿F兩坐標直線插補和兩坐標圓弧插補。采用系列單片機組成微機控制系統(tǒng)，它的可靠性高、能在惡劣的環(huán)境下工作，適應能力較好，且功能強，速度高。數控系統(tǒng)還具有刀具長度偏移和半徑補償功能，自診斷功能，可進行自動加、減速，并具有備用電池，停電時可做存儲已編程序的電極。采用微機對數據進行計算處理，由I/O接口輸出脈沖信號，經光電隔離電路，功率放大再傳給步進電機，步進電動機驅動滾珠絲杠轉動，從而實現X、Y 兩個方向的進給運動，加工零件?？傮w設計如圖1.1所示： 信號分配及放大電路 步進電機工作臺（Z軸）控制部分1.2 機構和電氣控制的改造：1.2.1 X52的改造要求進給伺服系統(tǒng)改造后性能的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的性能的好壞。也因此對進給伺服系統(tǒng)提出了改造設計要求：（1）提高傳動部件的剛度，減小傳動部件的慣量；（2）減小傳動部件的間隙，并減小系統(tǒng)的摩擦阻力；（3）高精度 就是說伺服系統(tǒng)的輸出量能復現輸入量的精確程度；（4）穩(wěn)定性好 指系統(tǒng)在給定輸入或受外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)；（5）快速響應，無超調 它是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度；（6）低速大轉矩 機床加工的特點是在低速時進行重切削。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉矩輸出；（7）調速范圍寬 指機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。在數控機床中，由于加工用刀具、被加工材質及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠寬的調速范圍。1.2.2 進給機構的改造考慮到該數控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋電路，故進給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動環(huán)節(jié)。本銑床的X軸進給系統(tǒng)去掉了原來的進給系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié)，直接采用了步進電機一級減速齒輪滾珠絲桿的傳動方案。拆除原來的絲桿，增加少量的機械附件，就可安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副,帶動工作臺移動。機構的主要特點：（1）結構簡單，操作方便，自動化程度高；（2）廣泛采用高效、無間隙傳動裝置和新技術、新產品；（3）具有適應無人化、柔性化加工的特殊部件；（4）對機械結構、零部件的要求高。主傳動系統(tǒng)不變，還是采用原有的電動機（7.5KW）。進給系統(tǒng)采用滾動絲杠副螺母副代替原有絲杠副，以提高機床運行精度和傳動效率?？紤]到改造的目標及成本的原因，決定X52銑床的主軸支承仍采用滾動軸承支承，導軌仍使用動壓導軌。1.2.3 電氣控制部分的改造1. 由于是將X52銑床改造成為經濟型的開環(huán)控制的數控銑床，機床加工的零件多屬中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流電機就能夠滿足加工要求。因此其主傳動系統(tǒng)的電氣部分仍采用其原來配置的7.5KW的交流電動機驅動。2. 控制系統(tǒng)設計的總體考慮：（1）確定功能指標；（2）明確硬件分工（3）重視接口設計；（4）認真選擇微機。本系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機芯片為控制器，片的作為程序存儲器擴展芯片；數據存儲器擴展芯片用片的；而選用片可編程并行接口芯片作為系統(tǒng)擴展的口，對軸步進電機及主軸進行控制,通過鍵盤的命令可使X工作臺聯動，并可以靈活地輸入切削程序和數據。用片做為機床開關、刀架控制信號及主軸編碼器反饋信號口用；片作為鍵盤顯示器接口，識別鍵盤按鍵信號，對顯示器自動掃描，完成鍵盤輸入和顯示控制功能；采用做為統(tǒng)一地址譯碼器尋址，并用為地址鎖存器，并由對各步進電機脈沖信號進行環(huán)形分配，如圖1.2所示。 圖1-2 數控系統(tǒng)硬件結構框圖為避免強電干擾可采用光電耦合電路(GO102)進行光電隔離。因為8255輸出的信號功率很小，故用功率放大器對輸出的脈沖信號放大，以驅動步進電機工作。1.3改造后的布局改造后的縱向裝配圖、數控電氣原理圖及外觀圖見附錄CAD圖。第2章 機構與電氣控制部分的設計2.1 縱向方向（X軸）的設計：步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電信號轉換成響應角位移的機電元件。每輸入一個脈沖，步進電動機轉軸就轉過一定角度，它與普通的勻速旋轉的電動機不同，它是步進式的，所以稱步進電機。它的優(yōu)點有：角位移輸出與輸入的脈沖數相對應,改變通電順序可以改變步進電機的旋轉方向；步矩誤差不會長期積累；在負載范圍內步矩角和轉速不受電源電壓波動的影響，而僅與脈沖頻率有關；維持控制繞組的電流不變，電機便停在某一位置上不動，即步進電機有自整角能力，不需要機械制動，步矩角可在很大的范圍內變化；步進電機的主要特性：步矩角、啟動頻率、連續(xù)運行頻率和加減速特性。步進電機的缺點是效率低，拖動負載的能力不大，脈沖當量不能太小，調整范圍不大，最高輸入脈沖頻率一般不超過18000 Hz。數控系統(tǒng)對伺服電機的基本要求是調速范圍寬，伺服電機需滿足調速要求。負載特性硬，在調速范圍內電機應有足夠的驅動力矩，動態(tài)響應快，為了使步進電機正常工作運行（不失步、不超程），正常啟動并滿足對轉速的要求，電機最大靜轉矩（步進電機技術數據），必須大于電機的實際最大啟動力矩。電機的運行頻率必須大于電機實際最高工作頻率。系統(tǒng)脈沖當量是機床移動部件相對于每一個進給脈沖信號的位移量，其大小視機床的加工精度而定。根據X52銑床工作狀況選系統(tǒng)脈沖當量為0.01mm/step。步矩角。根據同類型的機床及以往的經驗，結合重量輕、功耗小、外觀尺寸和與步距角相配合的原則，初選步進電動機類型，然后驗算是否滿足使用要求，否則選取其它型號，最后直到滿足要求為止。2.1.1 縱向步進電機選擇計算1. 計算工作臺、絲杠以及齒輪折算到電機軸上的慣量 根據機電一體化基礎所提供的計算公式：式中：-折算到電機軸的慣量；-小 大齒輪的慣量；-絲杠慣量；-橫向工作臺及夾具重量,；-絲杠螺距，；齒輪及絲杠轉動慣量的計算：由于有些傳動件（如齒輪、絲杠等）的轉動慣量不易精確計算，可將其等效成圓柱體來近似計算。圓柱體的轉動慣量可依據公式：式中： 材料密度,對鋼取； 圓柱體直徑.(對于齒輪、絲杠等就是其等效直徑)； 圓柱體長度,(對于齒輪、絲杠等就是其等效齒寬或長度)則： 則可算得： 2.032. 慣量匹配驗算初選的步進電機110BF004的轉子的轉動慣量：=4.61Kg轉動系統(tǒng)與步進電機的慣量匹配條件：而：所以慣量是匹配的。3. 負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇計算快速空載起動時所需力矩 依據公式： 式中：-快速空載起動力矩；-空載起動時折算到電機軸上最大加速力矩；-折算到電機軸上的摩擦力矩；-由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩；又： 式中： -慣量和，；-電機最大角加速度；又：其中： -電機最大轉速；-運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間取25ms 又：則： 則： 故： 又因為：式中： -導軌的摩擦力；-傳動鏈總效率，一般可取 ，現取 ；又： 式中： 垂直方向的切削力，； 導軌摩擦系數， (貼塑導軌)； 橫向工作臺及夾具重量，；則：=103N故： 又： 式中： -滾珠絲杠預加載荷，?。?滾珠絲杠預緊時的傳動效率， ； 故： =140+9.8+3.7=153.54. 快速進給時所需力矩 依據公式：而： 故有： 5. 最大切削負載時所需力矩 根據公式： 式中： 折算到電機軸上的切削負載力矩；又有公式： 式中：-進給方向最大切削力，；則： 故： 6. 最大靜轉矩選擇依據文獻實用機床設計手冊上，有：（1）對于在最大切削力下工作時所需要電機最大靜轉矩為：（2）對于空載起動時所需要的電機最大靜轉矩為：由（1）和（2）可知，以計算得：恒大于 所以就以作為選取步進電機最大靜轉矩的依據。而初選的步進電機為110BF003 ，它的最大靜轉矩為：所以初選的步進電機型號符合要求。7. 步進電機動載荷矩頻特性和運行矩頻特性由數控技術得：動矩頻特性： 運行矩頻特性： 其中： -最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度 的，現取中間值，即。所以：=2431由步進電機110BF004的矩頻特性和運行矩頻特性參數可以看出所選步進電機在起動時力矩是滿足要求的。所以最終就確定步進電機的型號為：110BF004反應式步進電動機。 2.1.2 絲杠設計1. 絲杠副工作負荷計算及絲杠型號的選擇 工作臺的進給運動是由步進電動機由一級消隙齒輪經滾珠絲杠螺紋副，帶動工作臺移動。其中在縱向（軸）進給系統(tǒng)的改造布置中，滾珠絲杠、軸承支架固定在工作臺上，隨工作臺移動。步進電動機經降速齒輪和滾珠絲杠的螺母固定在床鞍上，通過滾珠絲杠的轉動，實現工作臺與床鞍之間的相對移動。滾珠絲杠螺母副，它的特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦，絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點有：（1）傳動效率高，摩擦損失小，使用壽命長。（2）給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，防止失步；定位精度高，剛度好。（3）有可逆性絲杠和螺母都可以作為主運動件，故可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉運動。（4）運動平穩(wěn)，無爬行現象，傳動精度高。X52K機床的主要技術規(guī)格：如下表所示表2-1 X52基本技術規(guī)格主軸端面到工作臺的距離 400mm 30mm主軸軸線到床身垂直導軌面的距離350mm面積： 寬長3201250mm最大縱向行程手動（機動） 700（680）mm最大橫向行程手動（機動）260（240）mm最大升降行程手動（機動）370（350）mm進給級數 18級進級量范圍 縱向：23.5 1180mm/min橫向：15 786mm/min垂直：8 394mm/min 孔徑 29mm主軸孔錐度7：24刀桿公稱直徑32 50 mm轉速級數 18級轉速范圍30 1500r/min軸向調整距離70 mm主軸電動機功率7.5KW工作臺進給電動機功率1.5KW最大工件質量 150 Kg機床進給部件重量橫向4410N 縱向 2200N機床進給部件參數初選：縱向工作臺及夾具重量： = 2200 N（估計值）滾珠絲杠的基本導程： = 8mm螺紋升角： 行程：S= 680mm（最大縱向行程）快速進給速度：取 = 2.5m/min（經驗值） 現在根據最大當量動載荷計算公式：式中：運轉系數，取 精度系數，取 絲杠所受軸向載荷（）， 壽命值，可據公式 n為絲杠平均轉速（r / min） =156.3 r/min式中：最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度 的 則： 使用壽命時間，據查經濟型數控機床設計手冊取T=15000小時L 140.625從而， 2. 銑削力的計算現在以工作壽命和實際加工過程中的最大銑削力為基礎進行設計計算，以確保平常工作狀態(tài)下的工作安全和可靠。工件材料為 ：40 鍛件并調質 銑削寬度 ：22 mm銑削深度 ：5 mm 刀具直徑 ：mm每齒切厚 ：0.08 mm/Z 刃齒數 ：4刀具材料為 ：高速剛立銑刀據機床設計手冊 有公式： 1500N3. 滾珠絲杠所受的平均軸向載荷 的計算用高速鋼立銑刀逆銑合金剛時,工件的切削力可查數控機床書中得:縱向進給力 （取中間值：1.1）=1.1=1.11500=1650N橫向進給力 （取中間值：0.375）= 0.375=0.3751500=562.5N垂直進給力 （取中間值：0.25） =0.25=0.251500=375N故可知在插補平面內的合力為:=1734N那么絲杠所受的平均工作載荷： 所以絲杠軸向所受載荷 ：其中為橫向分力 =0.85=1275NMg 為縱向工作臺及夾具重量 Mg =2200N 為顛覆力矩影響系數 取 1.1M 為當量摩擦系數 M 取 1.18那么=1.11162 + 0.18(2200+1275)=1903N根據機床設計手冊得， 故可選絲杠型號為：（內循環(huán)浮動返向器），的基本尺寸為：公稱直徑： =50mm， 螺距：=8mm 剛球直徑： =5mm， 螺紋升角，=絲杠外徑，d =- (0.20.3)= 48.9螺紋底徑，=30mm其動載荷 =25000=13194N 故選擇符合要求，絲杠可用。4. 傳動效率的計算根據機械設計原理滾珠絲杠的傳動效率的計算公式為：式中： 絲杠的螺旋升角，由以上參數表知，= 摩擦角，滾珠絲杠副的摩擦角10則可得： =97%5. 剛度驗算滾珠絲杠受工作負荷引起的導程的變化量： /EF其中：彈性模量對于鋼為：E=21滾珠絲杠橫截面積：F（）而：則：/EF cm滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可以忽略，故 ；故導程的變形誤差為： =12.8/查表得E級精度絲杠所允許的螺紋無廠誤差（1m長）為15/，故剛度足夠。6. 穩(wěn)定性的驗算由于縱向（X軸）的滾珠絲杠兩端采用的是滾珠絲杠螺紋副固定，絲杠一般不會受壓，又由于機床的原普通絲杠的直徑大于滾珠絲杠的直徑，故穩(wěn)定性一定能滿足要求。7. 臨界轉速的驗算由計算得已知絲杠平均工作轉速為：因此，必須進行臨界轉速的驗算，即：其中式中符號表示：絲杠的最大轉速： 絲杠支承方式系數取（因為沒有受壓） =9910 =- 1.2=40-1.25 = 34mm絲杠的長度。 = 工作最大行程 + 螺母長度 + 兩端余量（取40mm）螺母長度由機床零部件設計上可查得，絲杠設計部分 = 680 + （131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022mm支撐跨距 應略大于 取 = 1100臨界轉速計算長度 = 680 + 131 + 40 + = 811 + 40 + 39 = 890mm=9533可見滿足：所以滿足穩(wěn)定性的要求，故可選絲杠型號為：（內循環(huán)浮動返向器）。2.1.3 齒輪設計1. 齒輪材料的選用及許用應力：由于閉式齒輪主要失效形式是齒面點蝕和輪齒折斷，因此按照齒面接觸強度來設計來計算，最后校合彎曲強度。初選7級精度。查機械設計基礎，取小齒輪材料為45#鋼；則齒輪硬度為220HBS。大齒輪也采用45#鋼，其齒輪硬度為180HBS。由于：560Mpa， 530Mpa 取=509Mpa=482Mpa又， 取 2. 齒輪傳動設計的有關計算：由于初選的步進電動機（110BF004）的系統(tǒng)脈沖當量為=0.01mm/step。 步距角為： 絲杠導程為： 如果不采取齒輪傳動，那么每個脈沖對應的絲杠螺母傳動的距離為： =0.0167脈沖當量0.01mm所以需要有減速機構，也就是要設計齒輪減速。采用減速齒輪具有如下特點：（1）便于配置出所要求的脈沖當量（2）減小工作臺以及絲杠折算到電動機軸上的慣量（3）放大電動機輸出扭矩，即增大工作臺的推力但采用減速齒輪會帶來額外的傳動誤差，使機床的快速移動速度降低，并且其自身又引入附加的轉動慣量，這些應引起注意。 3. 直齒圓柱齒輪副的計算（1）計算減速器的傳動比由 和步距角為：，絲杠導程為：則傳動比：=粗選小齒輪齒數 ，則大齒輪齒數： =53.44（可參照機械設計基礎169頁）則實際傳動比為：滿足誤差要，取齒輪壓力角，初選模數m=2.5mm，則：小齒輪直徑：mm大齒輪直徑：mm小齒輪大徑：mm大齒輪大徑：mm中心距：mm 圓整中心距：取mm齒寬為：大齒輪：mm 圓整為：mm小齒輪： mm(為了補償安裝誤差通常使小齒輪齒寬略寬一些)（2）齒輪彎曲強度應力校核查機械設計基礎中表得齒性系數 處載荷系數為K=1.5，最大轉矩查步進電機相關參數，轉矩取 F=4.9N.m驗算齒輪彎曲強度（按最小齒寬50mm來計算）： =136 這里所以符合安全要求。齒輪的圓周速度可據公式： 上式中： -為小齒輪的轉速即步進電機軸的轉速，可據初選步進電機110BF004的運行頻率： ，和步距角：0.75來計算?？芍x用7級精度是滿足要求的。2.2 橫向(Y軸)的設計Y軸方向步進電動機的選擇：Y軸銑削圓周力： =1500N則有Y向絲杠牽引力：= +1.414f=1500+1.41444100.01=1562N則有電機軸負載力矩： T = 其中：-導軌摩擦系數，取0.1-步進電機步矩角為0.75-Y向絲杠牽引力 f-當量摩擦系數取0.01若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為： 可取安全系數極限值0.3，則有：=對于工作方式為無相十拍的五相步進電機最大啟動力矩： 電機最大工作頻率：綜合以上可選取步進電機型號為：110BF004反應式步進電動機。步進電機110BF004的外型尺寸為：，軸徑為。 Y軸的絲杠選擇與X軸一樣為FFZD5008，內循環(huán)浮動返向器Y軸的齒輪副設計也與X軸相同，這里不再累贅。2.3 控制部分設計本系統(tǒng)以單片機為控制核心，擴展部件為外圍器件，是比較經濟的數控系統(tǒng)。既滿足了機床的數控加工能力，又經濟可靠。該系統(tǒng)是由數控單元和步進伺服單元組成。數控部分采用MCS-51系列的8031單片機，它和擴展系統(tǒng)以及電機驅動電源一起組成連續(xù)控制的數控系統(tǒng)。控制核心按照所輸入的加工程序數據，經計算處理，發(fā)出所需要的脈沖信號，經驅動電路放大功率后，驅動補進電機，由步進電機帶動滾珠絲杠副，從而使縱、橫向工作臺按零件加工所需的進給速度及方向移動，實現機床的開環(huán)自動控制。系統(tǒng)的定位精度由軟件中適當的降頻處理來保證，重復定位采用固定間隙來改善。最終使系統(tǒng)靈活性大 ，通用性強，數控功能豐富，可靠性高，且易于實現機電一體化，使用維護方便?？刂葡到y(tǒng)的主要功能 （1）手動暫停，手動快速返回坐標原點。（2）六個方向點動傳給，手動快速進給。（3）間隙補償功能，刀具補償功能。（4）用戶指令掉電保護功能。（5）具有程序暫停、延時、局部循環(huán)、自動循環(huán)功能。（6）用戶指令編輯、修改、刪除、清零功能。（7）錯誤操作診斷、錯誤操作顯示功能。（8）可自行進行直線、斜線、圓弧的加工系統(tǒng)的硬件組成如下所示。主要有主控制器CPU、存儲器、鍵盤顯示器、I/O接口和驅動電路等。部分可參照單片機原理書中所述。如圖2-1所示 圖2-1 數控系統(tǒng)硬件框圖2.3.1 主控制器（CPU）CPU選用功能強、價格便宜的8031單片機。有4個8位的并行接口，一個串行接口，8031的口作為分時服用的低8位地址/數據總線接口，口作為顯示器的字型輸出口，口作為高8位地址總線接口，口作為中斷、定時、計數、讀寫控制等特殊功能口。CPU的時鐘采用內部方式，晶振頻率為6MHz。此芯片具有高集成度，應用廣泛，有2 個16位的定時、計數器和一個處理功能很強的中央處理器。該芯片不易受干擾，容易實現屏蔽，可靠性高，能在較惡劣的環(huán)境下工作，功能強，速度高。指令執(zhí)行時間短，且具備刀具長度偏移和半徑補償功能、自診斷功能，可以進行加、減速操作。2.3.2 存儲器擴展電路1. 存儲器芯片的選擇。8031片內只有128KB的RAM，所以必須對其進行外部程序存儲和數據存儲器進行擴展。選擇存儲器應考慮的主要因素是速度和容量。凡是工作時間小于8031的工作時間均可滿足要求。這里選用1片容量為8K8的2764EPROM芯片作為程序存儲器擴展芯片，用1片容量為8K8的6264靜態(tài)RAM芯片作為數據存儲器擴展芯片，并帶有3.6V的備用電池，使存放的加工數據能長時間的保存。2. 存儲器地址分配及接線。8031芯片所支持的存儲系統(tǒng)，其程序存儲器與數據存儲器獨立編址，因此，EPROM和RAM的地址分配比較自由，不必考慮是否沖突。由于復位后8031從0000H單元開始執(zhí)行程序故8K EPROM的地址空間從0000H-1FFFH，8K RAM的地址空間也設為0000H-1FFFH。8031的地址鎖存允許信號ALE與地址鎖存器74LS373的輸入端G相連，從而將口輸出的地址信息鎖存在373中，2764需要13根地址線，低8 位與口相連，高5位分別與相連。8位數據線直接與口連，將2764的片選端接地，由于8031只能選通外部程序存儲器，因而將8031的接地。RAM6264的數據線和地址線的連接方法與2764相同，其讀寫控制端與8031的對應端相連。由于6264的地址分配為0000H-1FFFH，故其片選端應與74LS138譯碼器相連。2.3.3 擴展I/O接口為了滿足銑床數控系統(tǒng)的需要，選用可編程并行接口芯片8155作為I/O接口，各個端口的功能定義和地址分配如下表所示。8155的片選端與74LS138譯碼器的相連，地址空間為2000H-2FFFH，地址鎖存控制端及讀寫控制分別與8031的控制線對應相接，8155的對應接至8031的口線。如表2-2所示 表2-2 138155I/O口功能定義和地址分配端口工作方式功能地址PA輸出提供步進電機的控制信號及知識信號2001HPB輸入鍵盤和行程控制2002HPC輸出顯示和鍵盤管理2003H用片做為機床開關、刀架控制信號及主軸編碼器反饋信號口；用片作為鍵盤顯示器接口，識別鍵盤按鍵信號，對顯示器自動掃描，完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能,為了增加數碼管的亮度,可分別在字型口和字位口處增加7407 驅動器。2.3.4 步進電機驅動電路用步進電機作為執(zhí)行元件的數控系統(tǒng)，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經濟型數控機床最為主要的一種驅動元件，步進電機的驅動電路一般由4部分組成：計算機接口、脈沖分配器、光電隔離電路和功率放大電路。本設計采用8155的口作為控制步進電機的接口，由該口的提供步進電機所需的控制信號。脈沖分配器的作用是為步進電機提供符合控制指令要求的脈沖序列，其實現方法有硬件和軟件2種。為降低硬件的成本及故障源，本設計采用軟件方法進行實現。步進電機驅動電路中，脈沖信號經過放大后送給步進電機勵磁繞組，為防止強電干擾，在功放電路之前接上光電耦合電路進行隔離。步進電機所需電流較大，必須將光電耦合器輸出的信號放大后才能驅動步進電機正常運轉。步進電機的驅動電路由三部分構成：環(huán)形分配器；光電耦合器；功率放大器。1. 環(huán)形分配器 環(huán)行分配器的主要作用是把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉換成控制步進電機定子繞組通電、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數及順序與進給脈沖的數量及方向對應。硬件環(huán)型分配器是有觸發(fā)器和門電路構成的硬件邏輯電路（如型號YB015）。2. 光電耦合器 選用 GO102 型光電耦合器，其電路圖如圖2-2所示：圖2-2 光電耦合電路圖3. 功率放大器 因為輸出的脈沖功率很小，電流只有幾毫安，故需要進行功率放大，使脈沖電流達到110 A，才足以驅動步進電機正常工作。其電路圖如圖2-3所示： 圖2-3 單電壓供電功放電路通過綜合的考慮本設計決定采用： 高低壓驅動電路2.3.5 行程控制為防止工作臺越界，設置了4個限位開關，8155的分別為工作臺+X、-X、+Y、-Y四個方向的行程控制信號，計算機隨時巡回檢測的電平，當某一個為低電位時，立即停止步進電機的運行。2.3.6 鍵盤與顯示鍵盤與顯示設計在一起，8155的PC口的擔任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制（字位線），PB口的為鍵盤的行線，8031的P1口為顯示器自形輸出口，該采用38共24個矩陣式鍵盤和六位八段共陰極LED顯示器，為了增加數碼管的亮度,可分別在字型口和字為口處增加驅動器進行驅動。2.3.7 復位電路 此單片機是靠外部電路實現，在時鐘電路工作后，只要在8031的RESET引角上出現10ms以上的高電平，單片機即可復位。本系統(tǒng)采用上電復位和手動按紐復位組合。2.3.8 緊急停車系統(tǒng)中設置了一個緊急按紐，利用8031的外部中斷INT1 。在加工過程中如果出現緊急情況，按此按紐就可以緊急中斷信號，整個系統(tǒng)就立即停止工作。見A0圖數控電氣原理圖結 論依照我國目前的數控機床發(fā)展狀況及我國的國情，對原有的普通機床進行數控化改造是符合當前國情的。對普通立式銑床X52K的數控化改造是為了擴大產品加工范圍和提高加工精度、效率、質量，進而滿足市場多變的要求：小批量、多品種、柔性化加工。改造后的X52K銑床不僅能夠完成加工鍵槽、平面和孔等一般加工，還能加工復雜的零件，且精度高。對普通X52K銑床改造的總體思路是把X52K改造成X，Y兩坐標能聯動的經濟型數控銑床，由程序控制實現柔性化加工。從總體方案設計開始，確定了改造的目標經濟型數控銑床，全文進行了機械部分和數控部分的改造設計，最后進行了系統(tǒng)的誤差分析。在X52K的數控化改造中有如下特點：（1）為了控制改造成本，不進行升降臺方向（即Z向）機械部分的改造，而仍采用手動方式升降。（2）為了不大量改變原有的機械結構，本設計保留原有手動功能手柄，且只把原機床的普通絲杠改為滾動絲杠。（3）在橫向和縱向的改造設計計算中，突出步進電機、減速箱和滾珠絲杠設計計算的連貫性，計算合理的準確性。（