數(shù)控銑床的改造.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第一章 概述1.1 課題研究的背景必要性 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密、復(fù)雜、而且產(chǎn)品的生產(chǎn)周期短、改型頻繁。這不僅對(duì)機(jī)床設(shè)備提出精度與效率的要求提出了通用性與靈活的要求。特別是航空、造船、武器、模具生產(chǎn)等精密加工的零件具有精度高、形狀復(fù)雜、經(jīng)常變動(dòng)的特點(diǎn)。因此機(jī)械產(chǎn)品部件的生產(chǎn)設(shè)備機(jī)床也相應(yīng)的提出了高性能、高精度化的要求。利用計(jì)算機(jī)控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工使得零件的加工變得十分的方便、快速，很大程度上節(jié)約了人力和物力的使用，使得工業(yè)自動(dòng)化程度更高。但是許多企業(yè)由于資金等方面的約束不能及時(shí)引進(jìn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，這樣制約了生產(chǎn)率的提高，不利于自動(dòng)化程度的提高。因此各種機(jī)床的數(shù)控改造開(kāi)發(fā)成為眾多專業(yè)技術(shù)人員研究的一。數(shù)控，用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制，其對(duì)零件的加工相比普通機(jī)床有著很多的優(yōu)點(diǎn)：（1）自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。（2）加工精度、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。（3）對(duì)零件加工的適應(yīng)性強(qiáng)，靈活性好，能加工形狀復(fù)雜的零件。（4）加工生產(chǎn)率高。（5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。（6）對(duì)加工對(duì)像的適應(yīng)性強(qiáng)。并且目前在機(jī)械行業(yè)中，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)品更新周期越來(lái)越短，中小批量的生產(chǎn)所占有的比例越來(lái)越大，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的精度和質(zhì)量要求也在不斷地提高與推進(jìn)。所以普通機(jī)床越來(lái)越難以滿足加工的要求，同時(shí)由于技術(shù)水平的提高，數(shù)控機(jī)床的價(jià)格在不斷下降，因此，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械行業(yè)中的使用將越來(lái)越普遍，而對(duì)原有普通機(jī)床的數(shù)控化改造也應(yīng)是越來(lái)越廣泛，依照設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)對(duì)X53K立式銑床進(jìn)行了數(shù)控化改造。 1.2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展過(guò)程 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床上，機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上不再依賴于機(jī)床操作者的操作水平，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工。 近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段、六代的發(fā)展。（1） 硬件數(shù)控階段50年代至70年代初期，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，不能適應(yīng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的要求，人們不得不采用數(shù)字邏輯電路搭成機(jī)床專用的計(jì)算機(jī)，作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段經(jīng)歷了三代：1) 1952年開(kāi)始的第一代電子管元件。2）1959年開(kāi)始的第二代晶體管元件。3) 1965年開(kāi)始的第三代小規(guī)模集成電路。（2） 軟件數(shù)控階段 軟件數(shù)控階段也叫計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)階段，是數(shù)控系統(tǒng)的第二階段(1970年現(xiàn)在)，這個(gè)階段同樣經(jīng)歷了三代：1)1970年開(kāi)始的第一代小型計(jì)算機(jī)。2)1974年開(kāi)始的第二代微處理器。3)1990年以后的第三代PC機(jī)。 從1970年開(kāi)始，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)己出現(xiàn)，并成批生產(chǎn)，它比專用計(jì)算機(jī)成本低，可靠性高，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入CNC階段。1971，產(chǎn)生了微處理器，1974年，微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)，1990年，PC機(jī)的性能已發(fā)展到很高的階段，可滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機(jī)生產(chǎn)批量大，價(jià)格便宜，可靠性高，數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入基于PC的階段。 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了幾十年來(lái)的發(fā)展，到了20世紀(jì)70年代后期，才從根本上解決了可靠性低、價(jià)格昂貴、應(yīng)用不便等關(guān)鍵問(wèn)題。因此，即使在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)控機(jī)床也是在70年代末80年代初才開(kāi)始得到大規(guī)模應(yīng)用和普及的。1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息處理的發(fā)展,數(shù)控技術(shù)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）開(kāi)放式、低成本、高可靠性 PC機(jī)所具有的人機(jī)界面將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程通訊診斷和維修將更加普遍。 （2）高速化、高精度數(shù)控系統(tǒng)高速處理并計(jì)算出伺服電機(jī)的移動(dòng)量，并要求伺服電機(jī)能高速度地做出反應(yīng)，為使在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到高速度和高速度下實(shí)現(xiàn)高定位精度，必須具備高加減速和高精度的位置檢測(cè)系統(tǒng)和伺服品質(zhì)。 （3）智能化 1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)、數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置 數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)加工過(guò)程中的一些重要信息并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，使機(jī)床處于最佳工作狀態(tài)。 2)引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工、故障診斷將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)、加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 （4）網(wǎng)絡(luò)化 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成一個(gè)整體的系統(tǒng)解決方案，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)高速傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行整體化、一元化管理。 （5）直線交流伺服系統(tǒng) 直線交流伺服系統(tǒng)是21世紀(jì)數(shù)控機(jī)床不可缺少的功能部件。目前我國(guó)還沒(méi)有成熟產(chǎn)品，因此應(yīng)加強(qiáng)研究，開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用。1.4 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)床工業(yè)高度重視，競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，歐、美、亞在國(guó)際市場(chǎng)上相互展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，己形成一條無(wú)形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早己成為四大國(guó)際機(jī)床展上各國(guó)機(jī)床制造商競(jìng)相展示先進(jìn)技術(shù)、爭(zhēng)奪用戶、擴(kuò)大市場(chǎng)的焦點(diǎn)。較著名的控制系統(tǒng)有:日本 FANUC系列、Mitsubishi系列、OKUMA系列、SODICK系列、日立系列、德國(guó)SIEMENS系列、DECKEL系列、Heidenhain系列、HELLER系列、美國(guó)ALLEN-BRADLEY (AB)系列、CINCINNANTI系列、法國(guó)Num系列、意大利FIDIA系列、西班牙FAGOR系列、瑞士的AG系列、國(guó)產(chǎn)系列等。 在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們將機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)“永恒”的課題。我國(guó)的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國(guó)、日本、德國(guó)，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，己形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有:Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司己在中國(guó)開(kāi)辦公司。在日本機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有:大限工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 趕上計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)前進(jìn)的步伐、加快數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度，已成為數(shù)控發(fā)展的最主要趨勢(shì)。以第四代計(jì)算機(jī)的工程結(jié)構(gòu)和微電子工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有微機(jī)的硬件、軟件資源，發(fā)展總線式、模塊式、開(kāi)放型、嵌入式的柔性數(shù)控系統(tǒng)，使之既適合加工復(fù)雜零件、分立式機(jī)床用的數(shù)控系統(tǒng)的組成，又適合未來(lái)自動(dòng)化升級(jí)時(shí)功能可擴(kuò)展的要求。 我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展具有以下3個(gè)特征:(1)高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)突破。如華中I型等數(shù)控系統(tǒng)，都具有多軸聯(lián)動(dòng)功能，快速進(jìn)給速度在1.67m/s以上，具有較強(qiáng)的通信、管理功能。(2)普及型數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟。如北京機(jī)床研究所的BS91系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般配有CRT顯示器，可配置直流和交流司服驅(qū)動(dòng)，24軸聯(lián)動(dòng)。(3)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)仍有廣闊的市場(chǎng)前景。由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，非常適合中小型企業(yè)，目前仍是我國(guó)應(yīng)用面最廣的數(shù)控系統(tǒng)。比較典型的有南京大方的JWK系列。我國(guó)是機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)，又是使用大國(guó)。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)品，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在機(jī)床產(chǎn)品中的比例總體水平低。但是我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，許多企業(yè)財(cái)力薄弱，不可能花費(fèi)大量的資金添置許多全新的數(shù)控機(jī)床，但是大量的通用機(jī)床不可能全部淘汰。 因此，把普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床則不失為是一條提高數(shù)控化率的有效途徑，機(jī)床改造花費(fèi)少，改造針對(duì)性強(qiáng)，時(shí)間短，改造后的機(jī)床大多能克服原機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題，生產(chǎn)效率高。 1.5主要研究?jī)?nèi)容和意義1.5.1課題的主要研究?jī)?nèi)容總述自80年代中期起，我國(guó)有些企業(yè)就陸續(xù)引進(jìn)了一些當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)外處于領(lǐng)先地位的數(shù)控機(jī)床，這些設(shè)備在這些企業(yè)的生產(chǎn)中都發(fā)揮了很大的作用。幾十年來(lái)雖然我國(guó)的數(shù)控技術(shù)得到了快速發(fā)展，但由于原有數(shù)控大國(guó)數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是國(guó)內(nèi)各方面條件的限制，使得我國(guó)的數(shù)控技術(shù)發(fā)展還處于相對(duì)被動(dòng)、落后的處境。比如由于資金限制和加工需要的局限性等，許多企業(yè)選擇對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行改造。就這一問(wèn)題，現(xiàn)以X53K立式銑床數(shù)控化改造為例淺述一種銑床數(shù)控化改造的思路：在保持機(jī)床原有結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)等方面的優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)易的改造，加上數(shù)控系統(tǒng)，使改造后的機(jī)床能夠具備正常數(shù)控銑床的功能。基于以上思考本課題研究的內(nèi)容如下：（1）課題名稱：基于X53K立式銑床的數(shù)控化改造說(shuō)明 （2）課題的總體要求：將銑床改造成用MCS-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，要求具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。機(jī)械部分要求計(jì)算，硬件電路部分要求用8031作CPU，控制系統(tǒng)中要求包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口芯片、譯碼電路及鍵盤(pán)、顯示等外設(shè)、硬件電路要求包括3個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)軟件系統(tǒng)部分進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明。1.5.2 機(jī)床改造各系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路按照課題設(shè)計(jì)的總體要求，結(jié)合實(shí)際情況。我們必須全面考慮機(jī)械部分和伺服系統(tǒng)部分各方面的改造，并協(xié)調(diào)好各部分設(shè)計(jì)的配合。現(xiàn)各系統(tǒng)部分的主要改造思路如下： (1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用點(diǎn)位控制，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。內(nèi)循環(huán)更換為滾珠絲杠螺母副，內(nèi)循環(huán)螺紋調(diào)整用雙螺母滾珠絲杠螺母副，齒輪箱裝有三個(gè)齒輪。（2）進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)縱向、橫向、垂向進(jìn)給箱齒輪全部拆除，拆縱向、橫向、垂向進(jìn)給手柄，在該處將手輪軸通過(guò)一對(duì)減速齒輪和縱向、橫向及垂向步進(jìn)電機(jī)相連。絲杠拆去，換上滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，使改造后的機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)部分具有高靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度；運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦因數(shù)小，傳動(dòng)無(wú)間隙；功率大；便于操作和維修。改造后的X53K銑床定位精度、重復(fù)定位精度都將得到很大提高。（3）將原來(lái)機(jī)床橫向進(jìn)給手輪，刻度盤(pán)及前面的護(hù)蓋拆去，將螺桿換成NL3005滾珠絲桿，仍利用原來(lái)的一對(duì)圓錐滾子軸承，齒輪箱體直接裝在升降臺(tái)上。為了將步進(jìn)電機(jī)裝在升降臺(tái)右側(cè)，齒輪箱體的后面，以便工人操作，必須加大絲桿中心與電機(jī)軸的中心距。（4）數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 采用高性能價(jià)格比的MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。CPU采用8031單片機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)考慮到8031內(nèi)部只有128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也遠(yuǎn)不能滿足控制的要求。故擴(kuò)展了16KB程序存儲(chǔ)器由兩片2764組成，又?jǐn)U展了一片6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8031芯采用模塊化設(shè)計(jì)方案，從總體上分為人機(jī)界面模塊、坐標(biāo)進(jìn)給模塊、變頻調(diào)速控制模塊、串行通信模塊、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)。利用變頻調(diào)速的原理，設(shè)計(jì)主軸的無(wú)級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)；通過(guò)插補(bǔ)算法，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定位以便達(dá)到工件的精確度；通過(guò)鍵盤(pán)和顯示模塊，實(shí)現(xiàn)程序的編輯和顯示；通過(guò)其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床功能的數(shù)控化。 1.5.3 課題研究的相關(guān)參數(shù)及改造機(jī)床的功能分析（1）銑床數(shù)控化改造的相關(guān)參數(shù)銑床數(shù)控化改造應(yīng)用參數(shù)主要包括銑床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)所需的參數(shù)。主要參數(shù)如下:數(shù)控化改造參數(shù)：工作臺(tái)尺寸：4001600mm工作臺(tái)行程：縱向：880mm工作臺(tái)及夾具工作重力：縱向：3500N工作臺(tái)進(jìn)給速度：縱向：1.4m/min主電機(jī)功率：10KW起動(dòng)加速時(shí)間：30ms定們精度：0.01mm代碼制：ISO輸入方式：增量值、絕對(duì)值通用控制坐標(biāo)數(shù)：3最小指令值：0.010.005/脈沖自動(dòng)升降速性能：有控制系統(tǒng)用CPU ：8031單片機(jī) （2） 改造后的數(shù)控銑床功能分析根據(jù)設(shè)計(jì)要求，改造后的數(shù)控銑床應(yīng)具有以下功能:1） 可以實(shí)現(xiàn)程序的編輯和存儲(chǔ)功能。2） 可以在平面或空間范圍內(nèi)按設(shè)定曲線(直線、圓弧等)恒速或變速運(yùn)行。3） 可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值的任意設(shè)定并顯示。4） 可以實(shí)現(xiàn)輔助控制系統(tǒng)的任意起停和故障報(bào)警。5) 可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。1.5.4 課題研究完成的主要內(nèi)容(1) 數(shù)控銑床常識(shí)1) 數(shù)控銑床的主要系統(tǒng)組成及工作原理。2) 數(shù)控銑床的加工范圍及分類。3) 數(shù)控銑床的主要功能。4）數(shù)控銑床的選用。（2）X53K立式銑床簡(jiǎn)介1） X53K立式銑床的概述及部分結(jié)構(gòu)圖。2) X53K立式銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。（3） 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)1) 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介。2) 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)組成及其控制對(duì)象。（4）步進(jìn)電機(jī)和用微機(jī)控制下的步進(jìn)電機(jī)的原理以及兩者的對(duì)比（5）銑床改造中應(yīng)注意的問(wèn)題及總結(jié)1）銑床數(shù)控化改造中應(yīng)注意的問(wèn)題。2）銑床數(shù)控化改造總結(jié)。（6）銑床數(shù)控化系統(tǒng)改造的總體要求總體方案和框圖的擬定1）銑床數(shù)控化改造的總體要求。2）系統(tǒng)總體方案的確定。3）系統(tǒng)總體方案框圖。（7）進(jìn)給機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算1）工作臺(tái)外形尺寸及重量估算。2）鉆削計(jì)算。3）銑削力計(jì)算。4）滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定。5）滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算。6）步進(jìn)電機(jī)的選用。7）確定齒輪傳動(dòng)比及模數(shù)和有關(guān)尺寸。8）設(shè)計(jì)繪制縱橫向進(jìn)行機(jī)構(gòu)裝配圖。（8）微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件部分1）控制系統(tǒng)的功能。2）CPU和存儲(chǔ)器。3）I/O接口電路。4）控制線及其他輔助電路。（9）數(shù)控系統(tǒng)軟件部分簡(jiǎn)介1）數(shù)控系統(tǒng)軟件部分概述。2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)的介紹。 （10）工作總結(jié)與展望1）工作總結(jié)。 2）課題展望。1.5.5機(jī)床數(shù)控化改造的意義舊機(jī)床數(shù)控化系統(tǒng)改造具有多方面的意義:首先，對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行升級(jí)改造，使機(jī)床“起死回生”,增加了機(jī)床的使用壽命，拓展了機(jī)床的適用范圍，提高了機(jī)床的加工性能。再有，由于是對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行的改造，使企業(yè)節(jié)省了成本，減少了機(jī)床廢棄的浪費(fèi)；使本企業(yè)的原有操作人員更容易加快熟悉其全部的操作流程。由此可見(jiàn)，對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，對(duì)資金和技術(shù)要求相對(duì)較低。對(duì)像我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家的企業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義。1. 6本章小結(jié)本章節(jié)首先介紹了數(shù)控技術(shù)的背景發(fā)展歷程，進(jìn)而分析了數(shù)控技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)，最后介紹了研究的主要內(nèi)容和意義。第2章 銑床簡(jiǎn)介和計(jì)算機(jī)控制概述2.1 數(shù)控銑床概述2.11數(shù)控銑床組成及工作原理數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，兩者的加工工藝相同，結(jié)構(gòu)也有些相似，但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動(dòng)加工機(jī)床，所以其結(jié)構(gòu)也與普通銑床有較大區(qū)別。數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)等幾大部分組成：(1) 主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對(duì)加工有直接影響。(2) 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(3) 控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機(jī)床進(jìn)行加工。(4) 輔助裝置 如液壓、氣動(dòng)、冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。(5) 機(jī)床基礎(chǔ)件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。數(shù)控銑床加工過(guò)程示意圖如下： 圖 2-1數(shù)控銑床加工過(guò)程示意圖2.1.2 數(shù)控銑床加工范圍及分類數(shù)控銑床主要能銑削平面、溝槽和曲面，還能加工復(fù)雜的型腔和凸臺(tái)。數(shù)控銑床主軸安裝銑削刀具，在加工程序控制下，安裝工件的工作臺(tái)沿著X、Y、Z三根坐標(biāo)軸的方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)不斷改變銑削刀具與工件之間的相對(duì)位置，可加工出符合圖紙要求的工件。數(shù)控銑床的分類：(1）根據(jù)主軸位置布置分類：根據(jù)主軸位置布置的不同，數(shù)控銑床可分為立式數(shù)控銑床和臥式數(shù)控銑床等。(2）按系統(tǒng)功能分類：按系統(tǒng)功能的不同，數(shù)控銑床可分為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床、全功能數(shù)控銑床、高速數(shù)控銑床和龍門(mén)數(shù)控銑床等。2.1.3 數(shù)控銑床的主要功能數(shù)控銑床的主要功能有：（1） 平面直線插補(bǔ)功能；（2） 空間直線插補(bǔ)功能；（3） 平面圓弧插補(bǔ)功能；（4） 逼近圓弧插補(bǔ)功能；（5） 孔加工固定循環(huán)功能。2.1.4 數(shù)控銑床的選用對(duì)于加工不同情況的零件，需選用不同的數(shù)控銑床?，F(xiàn)相關(guān)選擇方法如下：（1）根據(jù)被加工零件的尺寸選擇 規(guī)格較小的升降臺(tái)式數(shù)控銑床，其工作臺(tái)寬度多在400mm以下，它最適宜中小零件的加工和復(fù)雜形面的輪廓銑削任務(wù)。規(guī)格較大的如龍門(mén)式銑床，工作臺(tái)在500600mm以上，用來(lái)解決大尺寸復(fù)雜零件的加工需要。（2）根據(jù)加工零件的精度要求選用我國(guó)已經(jīng)制定了數(shù)控銑床的精度標(biāo)準(zhǔn)，其中數(shù)控立式銑床升降臺(tái)銑床已有專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的定位精度為0.04/300mm，重復(fù)定位精度為0.025mm,銑圓0.035mm。實(shí)際上，機(jī)床出廠精度均有相當(dāng)?shù)膬?chǔ)備量，比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的允許差值大約壓縮20%左右。因此，從精度選擇來(lái)看，一般的數(shù)控銑床即可滿足大多數(shù)零件的加工需要。對(duì)于精度要求比較高的零件，則應(yīng)考慮選用精密型的數(shù)控銑床。（3）根據(jù)加工零件的加工特點(diǎn)來(lái)選擇對(duì)于加工部位是框形平面或不等高的各級(jí)臺(tái)階，選用點(diǎn)位直線系統(tǒng)的數(shù)控銑床即可。如果加工部位是曲面輪廓，應(yīng)根據(jù)曲面的幾何形狀決定選擇兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)和三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的系統(tǒng)。也可根據(jù)零件加工要求，在一般的數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上，增加數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，這時(shí)機(jī)床的系統(tǒng)為四坐標(biāo)的數(shù)控系統(tǒng)，也可以加工螺旋槽、葉片零件等。（4）根據(jù)零件的批量或其他要求選擇對(duì)于大批量的零件加工，可采用專用銑床。如果是中小批量而又是經(jīng)常周期性重復(fù)投產(chǎn)的話，那么采用數(shù)控銑床是非常合適的，因?yàn)榈谝慌恐袦?zhǔn)備好的夾具、程序等可以存儲(chǔ)起來(lái)重復(fù)使用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，自動(dòng)化程度高的銑床代替普通銑床，減輕勞動(dòng)者的勞動(dòng)量提高生產(chǎn)率的趨勢(shì)是不可避免的。 22 X53K立式銑床簡(jiǎn)介2.2.1 概述及部分結(jié)構(gòu)圖（1）X53K立式銑床是一種具有廣泛用途的通用銑床，該機(jī)床由端面銑刀及各種成型銑刀來(lái)加工多種類型的零件。并且該型號(hào)機(jī)床一般都具備足夠的功率和較廣的調(diào)速范圍（主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量），因此，可以充分利用硬質(zhì)合金刀具來(lái)進(jìn)行高速銑削。X53K立式銑床外形圖如圖 2-2所示。 圖 2-2 X53K立式銑床外形圖（2）相關(guān)參數(shù)如表 2-1 所示。表2-1 X53K立式銑床的相關(guān)參數(shù)機(jī)床參數(shù)名稱單位數(shù)值或數(shù)值范圍主軸端面至工作臺(tái)距離mm35-500主軸中心線到床身垂直導(dǎo)軌的距離mm450主軸孔錐度7:24主軸孔徑mm29主軸安裝刀桿直徑mm32-50主軸安裝刀桿直徑mm30-1500立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度。+45主軸軸轉(zhuǎn)向移動(dòng)距離mm85工作臺(tái)工作面（寬度長(zhǎng)度）mm400X1600縱向（手動(dòng)/機(jī)動(dòng)）mm900/880橫向（手動(dòng)/機(jī)動(dòng)）mm315/300垂向（手動(dòng)/機(jī)動(dòng)）mm385/365縱向工作臺(tái)進(jìn)給范圍（18級(jí)）m/min23.5-1180橫向工作臺(tái)進(jìn)給范圍（18級(jí)）m/min15-786垂向工作臺(tái)進(jìn)給范圍（18級(jí)）m/min8-394縱向工作臺(tái)快速移動(dòng)速度m/min2300垂向工作臺(tái)快速移動(dòng)速度m/min770橫向工作臺(tái)快速移動(dòng)速度m/min1540電機(jī)總?cè)萘縦w13.125外形尺寸（長(zhǎng)寬高）mm2556x2159x2258重量kg4250（3）利用UG三維軟件對(duì)組成銑床的各部分進(jìn)行繪制，通過(guò)上面的方法建立的數(shù)控銑床幾何模型如圖 2-3所示。圖 2-3數(shù)控銑床幾何模型我們首先對(duì)銑床進(jìn)行拆分，將在數(shù)控機(jī)床加工中的一些輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略而只保留一些重要的部分。一般數(shù)控銑床的基本組成包括:床身、主軸、工作臺(tái)(X軸、Y軸、Z軸)、刀具等部分。下圖是銑床的一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)劃分圖:圖2-4銑床的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)劃分圖（4）銑頭簡(jiǎn)介機(jī)床的銑頭是機(jī)床結(jié)構(gòu)中較靈活的部件之一，它各方面的參數(shù)性能的好壞將直接影響其所加工工件的精度高低、質(zhì)量好壞。1）銑頭的三維模型如圖2-5所示。圖 2-5 用UG三維設(shè)計(jì)的立式銑頭裝配圖2）立銑頭局剖圖如圖 2-6所示。1-法蘭盤(pán) ；2-鐵絲； 3-軸承； 4-半圓環(huán)； 5-M6螺釘；6-擋油環(huán)； 7-主軸圖 2-6 立銑頭局部圖2.22 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) X53K立式銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有:(1) 機(jī)床結(jié)構(gòu)剛性好,能承載重負(fù)荷切削。(2) 機(jī)床主軸電機(jī)功率高,變速范圍廣，充分發(fā)揮刀具效能.可進(jìn)行高速切削。(3) 機(jī)床易磨損鑄鐵采用釩鈦耐磨鑄鐵,重要的傳動(dòng)零件采用優(yōu)質(zhì)合金鋼保證機(jī)床的耐用性和穩(wěn)定性。(4) 機(jī)床有完善的潤(rùn)滑系統(tǒng)。2.3 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)23.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的概念及構(gòu)成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是建立在計(jì)算機(jī)控制理論的基礎(chǔ)上的一種以計(jì)算機(jī)為手段的控制系統(tǒng)。若計(jì)算機(jī)是微型機(jī)，則稱微型機(jī)控制系統(tǒng)。由模擬控制系統(tǒng)構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制最直接的方法是將圖中的模擬控制器轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)，再配以A/D, D/A等，即可構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這也是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系。如圖2-7、圖2-8所示。圖 2-7模擬控制系統(tǒng)圖 2-8 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 2.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及組成（1） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn): 1) 出入計(jì)算機(jī)的信號(hào)均為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，因此需要D/A, A/D。 2)控制信號(hào)通過(guò)軟件加工處理，充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、邏輯判斷和記憶能力，因此，改變控制算法只要改變程序而不會(huì)改動(dòng)硬件電路。（2） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的組成：1) 被控制對(duì)象a. 生產(chǎn)過(guò)程b. 檢測(cè)元件c. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)2) 計(jì)算機(jī)組成a. 主機(jī)、外設(shè)、接口、I/O通訊。b. 系統(tǒng)軟件: 系統(tǒng)軟件是指幫助人們使用和管理計(jì)算機(jī)的一些軟件，如一些高級(jí)語(yǔ)界時(shí)編譯系統(tǒng)等。c. 應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件是指用戶自己編制的為完成具體任務(wù)的一些程序，如數(shù)據(jù)處理、控制算法、報(bào)警、事故處理等程序。2.4 步進(jìn)電機(jī)和用微機(jī)控制下的步進(jìn)電機(jī)的對(duì)比2.4.1 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)及特點(diǎn) 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖2-9所示。 圖 2-9 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制主要是由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)控制器是由緩沖寄存器、環(huán)行分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門(mén)等組成。它的作用就是能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)行脈沖，以便控制步進(jìn)電機(jī)，并能進(jìn)行正、反向控制。功率放大器的作用是把控制器輸出的環(huán)行脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 在這種控制方式中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜、成本高，因而限制了它的應(yīng)用。2.4.2 用微型機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)及工作原理如果采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由軟件代替章節(jié)2.4.1講述的步進(jìn)控制器，則問(wèn)題將大大簡(jiǎn)化，這不僅簡(jiǎn)化了線路，降低了成本，而且可靠性也大大提高。所以在數(shù)控化系統(tǒng)改造中我們我們通常采用微型計(jì)算機(jī)控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-10所示。圖 2-10 用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理圖用微型機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)與典型的步進(jìn)電機(jī)的區(qū)別主要在于用微型機(jī)代替了步進(jìn)控制器，并且用微機(jī)控制采用的是細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方式。因此，微型機(jī)的主要作用是把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)方向控制。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入線上得到一個(gè)脈沖，它便沿著轉(zhuǎn)向控制線信號(hào)所確定的方向走一步。只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，那么，每個(gè)脈沖將使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角度，根據(jù)步距角度的大小和實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置。2.5 銑床改造中應(yīng)注意的問(wèn)題及總結(jié)2.5.1 銑床數(shù)控化改造中應(yīng)注意的問(wèn)題a. 應(yīng)盡量保留銑床的手動(dòng)功能，以便操作人員對(duì)刀及調(diào)整機(jī)床。b. 改造前先測(cè)出絲杠傳動(dòng)間隙，并在編程時(shí)予以補(bǔ)償，改造后應(yīng)測(cè)出有關(guān)參數(shù)，如最大實(shí)載切削速度、最大背刀吃刀量等，作為編程時(shí)參考依據(jù)。c. 應(yīng)盡量消除齒輪副和絲杠副的間隙，齒輪全部采用雙片薄齒輪錯(cuò)齒法消除嚙合間隙。也可采用軟件補(bǔ)償進(jìn)給量的方法消除。d. 銑床工作臺(tái)重，而且銑削力也較大，垂直絲杠要配備較大功率的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，要在工作臺(tái)上加配重或平衡液壓缸來(lái)平衡。e. 滾動(dòng)絲杠沒(méi)有自鎖能力，垂直坐標(biāo)不能鎖住，工作臺(tái)會(huì)自動(dòng)下降，可采用超越離合器和摩擦離合器產(chǎn)生制動(dòng)達(dá)到自鎖。2.5.2 銑床數(shù)控化改造總結(jié)普通銑床數(shù)控化改造，實(shí)質(zhì)就是在普通銑床上增加微機(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)定的加工工藝目標(biāo)，其目的是使原機(jī)床具有一定的柔性，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，解決復(fù)雜零件的加工問(wèn)題。用單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)將普通銑床改造為經(jīng)濟(jì)型銑床，簡(jiǎn)便易行，能保證零件的加工精度，對(duì)復(fù)雜零件尤其是對(duì)弧面和曲面的加工效果顯著。2.6 本章小結(jié)本章節(jié)首先介紹了數(shù)控銑床的組成、工作原理等關(guān)于數(shù)控銑床的相關(guān)知識(shí)和X53K立式銑床的參數(shù)、部分部件圖及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)和步進(jìn)電機(jī)原理作了大概介紹，最后闡述了普通銑床數(shù)控化改造中應(yīng)注意的問(wèn)題及總結(jié)。第3章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案3.1 數(shù)控銑床改造設(shè)計(jì)總體要求3.1.1數(shù)控銑床改造設(shè)計(jì)主要考慮因素?cái)?shù)控銑床改造設(shè)計(jì)主要考慮以下四方面因素:(1)經(jīng)濟(jì)性 既然是用于普通銑床的數(shù)控化改造，因此，必須充分考慮系統(tǒng)的成本，這是保證達(dá)到系統(tǒng)包括數(shù)控系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等設(shè)計(jì)目的關(guān)鍵。(2)方便性 數(shù)控系統(tǒng)的方便性主要反映在系統(tǒng)的人機(jī)界面。人機(jī)界面應(yīng)當(dāng)對(duì)用戶友好，對(duì)此系統(tǒng)應(yīng)從以下幾個(gè)途徑來(lái)體現(xiàn):1) 漢化按鍵，方便各種層次的操作者使用。2) 輸入、檢索、修改盡量一體化。即輸入時(shí)可以檢索、修改，檢索時(shí)可以修改、輸入，并且自動(dòng)顯示程序段號(hào)。3)快速檢索，即能對(duì)程序進(jìn)行上下翻頁(yè)顯示。(3)實(shí)用性 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不應(yīng)追求功能的大而全，應(yīng)以實(shí)用為原則。一般的機(jī)械加工只要能具有以下功能即可滿足需要:1）直線、圓弧插補(bǔ)。2）插補(bǔ)速度要充分考慮被改造機(jī)床本身的內(nèi)在素質(zhì)，如剛性、抗震性、耐磨性等，不宜過(guò)高。3）速度銜接技術(shù)，即速度升/降速控制。速度銜接技術(shù)可以保證系統(tǒng)在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)2段程序間的速度平滑連接，從而避免造成加工刀痕，保證精度。4）變頻調(diào)速。5）加工程序的掉電保護(hù)能力。(4)可靠性 由于數(shù)控系統(tǒng)工作環(huán)境十分惡劣，必須有足夠的可靠性才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。32數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定及框圖3.2.1 系統(tǒng)總體方案的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，決定采用點(diǎn)位控制，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平衡性，采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，此工作臺(tái)采用滾珠絲杠螺母副和液動(dòng)導(dǎo)軌，為盡量消除傳動(dòng)間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動(dòng)齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用高性能價(jià)格比的MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。3.2.2 系統(tǒng)總體方案框圖圖 3-1 系統(tǒng)總體方案圖3.3 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算包括的內(nèi)容X53K立式銑床數(shù)控化改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算、一些基本部件相關(guān)計(jì)算和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。（1） 基本部件相關(guān)計(jì)算主要有工作臺(tái)的外形尺寸及重量的計(jì)算、鉆銑削力的計(jì)算以及滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)的計(jì)算等。（2） 絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算包括縱向、橫向、垂向絲杠螺母副的選用。 (3) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算包括步進(jìn)電機(jī)選型、減速齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算。(4) 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要是齒輪的相關(guān)參數(shù)計(jì)算選擇。3.3.2 基本部件相關(guān)計(jì)算基本部件相關(guān)計(jì)算如下:a.工作臺(tái)外形尺寸及重量估算1) 縱向：X=1600mm2) 工作加工范圍：縱向：X=880mm3) 工作臺(tái)及夾具工件策略：Gx=3500N 4) 橫向：Z=4005) 工作加工范圍：橫向：Z=300mm6) 工作臺(tái)及夾具工件策略：Gz=5500Nb. 鉆削計(jì)算7) Pz1=GFdfK8) 查得：CF=304.11,XF=1,YF=0.8,KF=1取f=0.005mm/r9) 則：Pz1= 304.1140.051=111Nc. 銑削力的計(jì)算根據(jù)簡(jiǎn)明銑工手冊(cè)，對(duì)高速鋼圓柱銑刀，切削力的計(jì)算公式:式中:C系數(shù)，其值取決于切削條件和工作材料，當(dāng)工件為碳鋼時(shí)，查簡(jiǎn)明銑工手冊(cè)，可得其值。ap- 銑削寬度（銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量)ae - 背吃刀量z - 銑刀齒數(shù)d0- 刀直徑n 銑刀轉(zhuǎn)數(shù)xF、 yF 、uF 、 wF-公式中各個(gè)系數(shù)的指數(shù)。KFC- 切削條改變時(shí)，切削力的修正指數(shù)，其中參數(shù)按實(shí)際加工過(guò)程中平均銑削條件為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇?，F(xiàn)走刀抗力計(jì)算如下：Pz2=9.8122.6aafdtapz a=0.05d(銑凸輪) 銑削接觸弧深af=0.1mm/z 每齒進(jìn)給量銑刀直徑：dT=12銑削深度：aP=8銑刀齒數(shù)：z=3Pz2=9.8122.620.11283=217查表得：PH/PF=1,則走刀抗力PH=PF=217Nd.滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定導(dǎo)軌形式：在原有滑動(dòng)導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上，采用貼塑處理，摩擦特性好，耐磨性好，減振特性好等特點(diǎn)，且工藝較簡(jiǎn)單。3.3.3絲杠螺母副的相關(guān)計(jì)算（1）滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲桿的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時(shí)情況計(jì)算。1）最大動(dòng)負(fù)荷Q的計(jì)算：Q=fw P運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)fw=2，壽命值， 式中： L 壽命 ，以10轉(zhuǎn)為一單位 n 絲杠轉(zhuǎn)速（r/min） Vs 為最大切前力條件下的進(jìn)給速度（m/min）可取最高進(jìn)給速度的1/2 1/3縱向: Vs=0.6m/min L0 絲杠導(dǎo)程（mm） T 為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取15000h; fw 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)， 初選絲杠螺距L0=6mm，得絲杠轉(zhuǎn)速n為：=60r/min所以L=54 X向絲杠牽引力：Px=Pz2+1.414fGx =217+1.4140.0013500=222N式中: f 當(dāng)量摩擦系數(shù)，取0.01所以最大動(dòng)負(fù)荷：X向：Q=fwP=2229N查表取滾珠絲杠直徑d0=30,選用滾珠絲杠螺母副的型號(hào)為NL3005型，單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊。（見(jiàn)下表）表 3-1滾珠絲杠螺母幾何參數(shù)計(jì)算名稱符號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果/mm螺紋滾道公稱直徑d30螺距t6接觸角 45鋼球直徑d 3.969螺紋滾道法面半徑R 2.064螺桿偏心距eE=(R-dq/z)sin=0.045螺紋升角=arctg=32螺桿直徑dD=d-0.2d=29.5螺桿內(nèi)徑dd= d+2e-2R=26.8螺桿接觸直徑dzd= d- dcos=27.8螺母螺母螺紋外徑DD=60螺母內(nèi)徑D1D1= 502)傳動(dòng)效率的計(jì)算=0.96式中 摩擦角 約等于10 螺紋升角3）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程L0的變化量為 L=式中: L1 在工作負(fù)載P作用下引起每一導(dǎo)程的變化量（mm）； P 工作負(fù)載，即進(jìn)給牽引力（N）； L0 滾珠絲杠導(dǎo)程（mm）； E 材料彈性模數(shù)（N/mm）,對(duì)鋼為20.610N/mm; F 滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）X向： P=222N. L0=5mm, E=20.610 N/mm F=R=5.638cm所以L1=1.2710cm絲桿因受扭矩而引起的導(dǎo)的變化量L2很小，可忽略所以導(dǎo)程總誤差=L100/ L0=2.53m/m查表知E級(jí)精度的絲杠允許誤差1.5m，故剛度足夠。3.3.4 步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方案比較及論證步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。(1) 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度。(2) 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 (3) 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相:兩相步進(jìn)角一般為1.8度，而五相步進(jìn)角一般為0.72度。步進(jìn)電機(jī)有步距角(涉及到相數(shù))、靜轉(zhuǎn)矩及電流三大要素組成。三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。（1）步進(jìn)電機(jī)的步距角：對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)脈沖信息，步進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度。因?yàn)橄到y(tǒng)分辨率為0.01mm，所以取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量=0.01mm/step初選步進(jìn)電機(jī)步距角b=1.5（2）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)距的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理,電機(jī)所做的功與負(fù)載力做的功有如下關(guān)系：T=Ps 式中: 電機(jī)轉(zhuǎn)角； s 移動(dòng)部件的相應(yīng)位移； 機(jī)械傳動(dòng)效率若取=1.5，則s=,p=pH+(G+P)所以T=PH+（G+P）式中： pH 銑削時(shí)走刀抗力（N）；G 移動(dòng)部件重量（N）；P 與策略方向一致的切削力（N）； 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.005； 步進(jìn)電機(jī)的步距角；T 電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)距（Ncm）。代入數(shù)據(jù)得：T=10.45N估算起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：Tq=Ncm=34.8N.cm對(duì)工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)，=0.866；可求出最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=46.4(3)步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率fmax及運(yùn)行頻率fg計(jì)算fmax=2333Hzfg=1000Hz（4）確定步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 綜合考慮，并參考機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)和機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)，根據(jù)以上計(jì)算，選出130BF001型電機(jī)可以滿足要求，因?yàn)榧庸げ牧蠟榍嚆~，切削力小，故不再進(jìn)行校核計(jì)算。尺寸如下圖：圖 3-2 130BF001型電機(jī)尺寸圖3.3.5 確定齒輪傳動(dòng)比及模數(shù)和有關(guān)尺寸因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)中距角=1.5，滾珠絲杠螺距離t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量p=0.01mm/step，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一級(jí)齒輪降速傳動(dòng)，降速傳動(dòng)比：I=0.48（選Z1=24，Z2=50）因傳遞的扭矩較小，取模數(shù)m=2,齒輪有關(guān)尺寸如下表：表 3-2 齒輪相關(guān)尺寸關(guān)系式 ZZ Z 24 50 d=mz 48 100 d=d+2m 52 104 d=d-21.25 43 95 B=(36 )mm 10 10 a=74在X53K立銑上(見(jiàn)圖3-3)，裝上傳動(dòng)軸II及滾比掛輪裝置ABCD。當(dāng)橫向絲桿I由走刀機(jī)構(gòu)帶動(dòng)時(shí)，經(jīng)齒輪傳至軸B.滾比掛輪ABCD，而使分度頭回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件齒形的展成運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作臺(tái)橫向移動(dòng)d (d為工件分度圓直徑)距離，分度頭應(yīng)轉(zhuǎn)一周。其傳動(dòng)系統(tǒng)及軸齒輪參數(shù)如下圖： 圖 3-3 X53K立式銑床的傳動(dòng)系統(tǒng)圖3.3.6 縱橫向進(jìn)行機(jī)構(gòu)裝配圖（1）經(jīng)過(guò)計(jì)算,本設(shè)計(jì)采用130BF001型步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)循環(huán)NL3005滾珠絲杠副，齒輪箱中裝有三個(gè)齒輪Z1=24，Z2=52，Z3=25，模數(shù)m=2。內(nèi)循環(huán)螺紋調(diào)整的雙螺母滾珠絲杠副,NL4006.（2） 齒輪箱體在工作臺(tái)的右側(cè),設(shè)計(jì)中將一對(duì)齒輪水平放置(圖中沒(méi)畫(huà)出),避免箱體高工作臺(tái)面影響工人操作.步進(jìn)電機(jī)裝在齒輪箱蓋14上,為了保證電機(jī)與滾珠絲杠平衡度,在裝配之前,應(yīng)將端蓋14與箱體11用螺釘堅(jiān)固后打銷孔.在上鏜床,在一次裝夾中鏜出100H8和68H8兩個(gè)孔,再將端蓋坼下,進(jìn)行裝配。（3） 將原回轉(zhuǎn)臺(tái)8中的錐齒輪,滑動(dòng)螺母等零件去掉，將回轉(zhuǎn)臺(tái)稍作加工，裝入滾珠螺母，再裝調(diào)左端的絲杠支架和右端的箱體11，使?jié)L珠絲杠與導(dǎo)軌平行，滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)行靈活，無(wú)阻滯現(xiàn)象，再堅(jiān)固螺釘，并打定位銷。（4） 在水平面內(nèi)應(yīng)使絲杠中心線距導(dǎo)軌的距離盡量小，否則將會(huì)產(chǎn)生顛復(fù)力矩，增大摩擦力使運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。此外設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的錯(cuò)誤是為了在大齒輪端面與箱壁的矩，任意加長(zhǎng)電機(jī)伸出軸這是不允許的。如果齒輪端面與箱壁矩離太小，不便于裝配，可以用加長(zhǎng)齒輪輪轂的方法來(lái)解決。（5） 本圖的消隙齒輪，是采用兩個(gè)薄片齒輪，中間開(kāi)有三個(gè)月牙形的槽放入壓簧，并用三個(gè)內(nèi)六角螺釘固定（MM和NN）。這種消隙齒輪的裝配順序是：首先將雙片齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，使雙片齒輪對(duì)齊，彈簧29受壓，上緊螺釘26裝入箱體后，將螺釘26松開(kāi)，彈簧40將雙片齒輪沿周向錯(cuò)開(kāi)，以消除與齒輪23的側(cè)隙，此時(shí)再將螺釘26上緊。設(shè)計(jì)時(shí)彈簧兩端用削扁的銷子壓住。（6）將原來(lái)機(jī)床橫向進(jìn)給手輪，刻度盤(pán)及前面的護(hù)蓋拆去，將螺桿換成NL3005滾珠絲杠，仍利用原來(lái)的一對(duì)圓錐滾子軸承，齒輪箱體直接裝在升降臺(tái)上。為了將步進(jìn)電機(jī)裝在升降臺(tái)右側(cè)，齒輪箱體的后面，以便工人操作，必須加大絲桿中心與電機(jī)軸的中心距，故此設(shè)計(jì)中采用齒數(shù)為52的中間介輪。因Z=52齒輪直徑較大做成雙片齒輪，用以消除齒側(cè)間隙。箱體上的電機(jī)止口孔100，中間軸軸承外圈孔42，及與升降臺(tái)上寂位座圈7作止口配合的孔75，是在鏜床上一次鏜出，其也中心距分別是770.023與760.023，裝配時(shí)將箱體止口孔75H8裝在定位座圈4上，則保證了滾珠絲桿上裝的齒輪8（Z=25，m=2）與箱體中問(wèn)軸上的齒輪10（Z=52,m=2）的中心距，使齒輪能正確嚙合。旋塞件4是為了旋下后，能從孔中伸進(jìn)內(nèi)六角桿，用來(lái)松緊介輪上的3個(gè)螺釘，使消隙齒輪錯(cuò)齒，以消除上下齒輪與之嚙合的側(cè)隙。(具體見(jiàn)裝配圖)3.4 數(shù)控系統(tǒng)硬件部分電路的設(shè)計(jì)3.4.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都有硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由四部分組成：（1） 中央處理單元CPU；（2） 總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線(AD)、控制總線（CB）；（3） 存儲(chǔ)器。包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨即讀寫(xiě)存儲(chǔ)器；（4） I/O輸入/輸出接口電路。該控制的組成如下：存儲(chǔ)系統(tǒng)主控制器 鍵盤(pán) 顯示器電機(jī)接口圖3-4 控制系統(tǒng)圖主控器：?jiǎn)纹瑱C(jī)存儲(chǔ)器：EPROM RAMI/O接口：鍵盤(pán)、顯示及步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)總體確定后，進(jìn)行各部分設(shè)計(jì) 3.4.2控制系統(tǒng)的功能（1） X向、Y向、Z向的進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)；（2） 鍵盤(pán)顯示；（3） 面板管理；（4） 行程控制；(5) 其他功能、例如光隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示。3.4.3 CPU和存儲(chǔ)器控制系統(tǒng)的主控微機(jī)是Intel公司的MCS-51系列的8031單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)采用40引腳雙列且插式封裝。其引腳分配和邏輯符號(hào)見(jiàn)圖3-5。(1) 8031單片機(jī)的主要特性如下：圖3-5 MCS-51單片機(jī)的引腳分配及邏輯符號(hào)1） 8位CPU；2） 12MHz-12MHz的外部晶振選擇范圍，內(nèi)部有時(shí)鐘電路；3） 16根I/0口線；4） 64K字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間；5） 12個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，四種工作方式；6） 5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)別；7） 1個(gè)全雙工串行口；8） 片內(nèi)有布爾處理器；9） 片內(nèi)有128字節(jié)RAM；10） 片內(nèi)有213個(gè)用戶尋址單元。(2) 選用8031單片機(jī)為系統(tǒng)主機(jī)，而不用TP801單片機(jī)。主要考慮因素如下: a. 集成度高8031單片機(jī)將構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)的基本單元，如CPU,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)計(jì)數(shù)器、輸入輸出口和時(shí)鐘電路等集成在一個(gè)單一的芯片上。而TP801構(gòu)成一個(gè)完整微機(jī)需用不同邏輯功能的多個(gè)芯片組裝。 b. 體積小 8031單片機(jī)的大小與Z80CPU芯片一樣大，且僅有40個(gè)引腳。 c. 可靠性高 8031單片機(jī)屬于工業(yè)用品，而Z80CPU屬于商用品，8031比ZSOCPU高一個(gè)級(jí)別。另外，單片機(jī)的總線大部分集成在芯片內(nèi)，不易受干擾。而TP801多個(gè)芯片的三總線連接是暴露在外部，易于受干擾或斷線。所以8031 的可靠性高。 d. 尋