X52K銑床的數(shù)控化改造設(shè)計及及

X52銑床的數(shù)控化改造摘要本文提供了一種X52銑床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造方案，改造的主要模塊有：機械部分和數(shù)字控制電路部分。機械部分主要是對絲杠、驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)速，并實現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制工作臺，實現(xiàn)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(shù)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(fù)雜（如加工圓弧面、斜面及凸輪等）的零件。改造后的數(shù)控機床具有高精、高效及加工產(chǎn)品范圍廣等特點。關(guān)鍵詞：X52k，數(shù)控化，改造，單片機

目錄TOC\o"1-3"\f\u前言 1第1章整體改造方案 3設(shè)計方案： 3實現(xiàn)的目標(biāo) 3機床改造的方案 3機構(gòu)和電氣控制的改造： 4X52的改造要求 4進給機構(gòu)的改造 5電氣控制部分的改造 5改造后的布局 6第2章機構(gòu)部分與控制部分的設(shè)計 7縱向方向（X軸）的設(shè)計： 7縱向步進電機選擇計算 7絲杠設(shè)計 13齒輪設(shè)計 19控制部分設(shè)計 22主控制器（CPU） 23存儲器擴展電路 24擴展I/O接口 24步進電機驅(qū)動電路 25行程控制 26鍵盤與顯示 27復(fù)位電路 27緊急停車 27結(jié)論 28謝辭 30參考文獻 31前言該課題來源于生產(chǎn)實踐的需要，利用大量閑置舊機床，對其進行數(shù)控化改造后，成為一種高效的、多功能的經(jīng)濟型數(shù)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(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)，對傳統(tǒng)機械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品：數(shù)控機床；其技術(shù)范圍涉及很多領(lǐng)域：機械制造技術(shù)；信息處理技術(shù)；自動控制技術(shù)；伺服驅(qū)動技術(shù)；傳感器技術(shù)；軟件技術(shù)等。數(shù)控機床即是采用了數(shù)控技術(shù)的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床?，F(xiàn)代數(shù)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(shù)控未來發(fā)展的趨勢（1）往高精，高速，高柔性化及高復(fù)合化加工方向。（2）集成化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)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(xué)計算可視化、插補和補償方式多樣化。（4）內(nèi)裝高智能PLC，多媒體技術(shù)的應(yīng)用。（5）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)，引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工，引入故障診斷專家系統(tǒng)。數(shù)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(jié)構(gòu)受限（3）熟悉了解設(shè)備，便于操作維修（4）可充分利用現(xiàn)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(shù)，充分利用社會資源機床數(shù)控改造的必要性數(shù)控機床是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它集精密，柔性，和集成與一身，它可以較好的解決形狀復(fù)雜，精密，小批多變的零件加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)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(shù)也日趨成熟，加之我國特有的經(jīng)濟實用產(chǎn)品“經(jīng)濟型數(shù)控裝置”的技術(shù)指標(biāo)不斷的提高，產(chǎn)品的更新和完善的進度不斷的加快，產(chǎn)量不斷的提高，故有廣闊的前景，其必要性還體現(xiàn)在：1.由于數(shù)控改造費用低，可充分利用原有的設(shè)備和閑置設(shè)備，把它們改造成數(shù)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(xiàn)有機床實現(xiàn)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(chǎn)效率。5數(shù)控改造可在企業(yè)技術(shù)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(chǎn)，維護，修理打下基礎(chǔ)。

第1章整體改造方案設(shè)計方案：實現(xiàn)的目標(biāo)在論文中主要討論在對X52立式升降臺式銑床進行數(shù)控化改造，將X52數(shù)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(zhuǎn)速，并實現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制工作臺，實現(xiàn)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(shù)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(zhǔn)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(shù)控機床。由于普通銑床的柔性差，不能滿足市場對形狀復(fù)雜、精度高、小批量、多品種零件需求。而數(shù)控化改造后系統(tǒng)采用步進電機為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)，并且采用CNC數(shù)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(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)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(fù)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。機床改造的方案方案：床身的上部內(nèi)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(shù)控系統(tǒng)顯示器及按鍵位于操作者的右邊，便于調(diào)試、和操作觀察。床身右側(cè)的電器箱內(nèi)裝有兩坐標(biāo)的進給伺服控制系統(tǒng)，床身左側(cè)的電器箱內(nèi)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(shù)字讀出裝置使用。數(shù)控系統(tǒng)采用為兩坐標(biāo)ＣＮＣ開環(huán)控制，由步進電機經(jīng)一級齒輪變速箱后減速驅(qū)動?？蓪崿F(xiàn)兩坐標(biāo)直線插補和兩坐標(biāo)圓弧插補。采用ＭＣＳ－５１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(yīng)能力較好，且功能強，速度高。數(shù)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ＭＣＳ－５１微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出脈沖信號，經(jīng)光電隔離電路，功率放大再傳給步進電機，步進電動機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)X、Y兩個方向的進給運動，加工零件。總體設(shè)計如圖所示：信號分配及放大電路信號分配及放大電路步進電機工作臺（Z軸）控制部分機構(gòu)和電氣控制的改造：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(shè)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(fù)現(xiàn)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(diào)節(jié)后，達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)；（5）快速響應(yīng)，無超調(diào)它是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度；（6）低速大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩輸出；（7）調(diào)速范圍寬指機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在數(shù)控機床中，由于加工用刀具、被加工材質(zhì)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?qū)挼恼{(diào)速范圍。進給機構(gòu)的改造考慮到該數(shù)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(gòu)的主要特點：（1）結(jié)構(gòu)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(shù)、新產(chǎn)品；（3）具有適應(yīng)無人化、柔性化加工的特殊部件；（4）對機械結(jié)構(gòu)、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（）。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(biāo)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(dǎo)軌仍使用動壓導(dǎo)軌。電氣控制部分的改造1.由于是將X52銑床改造成為經(jīng)濟型的開環(huán)控制的數(shù)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的交流電動機驅(qū)動。2.控制系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮：（1）確定功能指標(biāo)；（2）明確硬件分工（3）重視接口設(shè)計；（4）認真選擇微機。本系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機芯片８０３１為控制器，１片８ＫＢ的ＥＰＲＯＭ２７６４作為程序存儲器擴展芯片；數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片用１片８ＫＢ的ＲＡＭ６２６４；而選用１片可編程并行Ｉ／Ｏ接口芯片８２５５作為系統(tǒng)擴展的Ｉ／Ｏ口，對Ｘ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(lián)動，并可以靈活地輸入切削程序和數(shù)據(jù)。用１片８１５５做為機床開關(guān)、刀架控制信號及主軸編碼器反饋信號Ｉ／Ｏ口用；１片８２７９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ＬＥＤ顯示控制功能；采用７４ＬＳ１３８做為統(tǒng)一地址譯碼器尋址，并用７４ＬＳ３４３為地址鎖存器，并由８０３１對各步進電機脈沖信號進行環(huán)形分配，如圖所示。圖1-2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(qū)動步進電機工作。改造后的布局改造后的縱向裝配圖、數(shù)控電氣原理圖及外觀圖見附錄CAD圖。

第2章機構(gòu)與電氣控制部分的設(shè)計縱向方向（X軸）的設(shè)計：步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電信號轉(zhuǎn)換成響應(yīng)角位移的機電元件。每輸入一個脈沖，步進電動機轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定角度，它與普通的勻速旋轉(zhuǎn)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(shù)相對應(yīng),改變通電順序可以改變步進電機的旋轉(zhuǎn)方向；步矩誤差不會長期積累；在負載范圍內(nèi)步矩角和轉(zhuǎn)速不受電源電壓波動的影響，而僅與脈沖頻率有關(guān)；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(nèi)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(dāng)量不能太小，調(diào)整范圍不大，最高輸入脈沖頻率一般不超過18000Hz。數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機的基本要求是調(diào)速范圍寬，伺服電機需滿足調(diào)速要求。負載特性硬，在調(diào)速范圍內(nèi)電機應(yīng)有足夠的驅(qū)動力矩，動態(tài)響應(yīng)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(zhuǎn)速的要求，電機最大靜轉(zhuǎn)矩（步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)），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(dāng)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(jù)X52銑床工作狀況選系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為step。步矩角。根據(jù)同類型的機床及以往的經(jīng)驗，結(jié)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?？v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(jù)《機電一體化基礎(chǔ)》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(zhuǎn)動慣量的計算：由于有些傳動件（如齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量可依據(jù)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.慣量匹配驗算初選的步進電機110BF004的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量：=轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇計算快速空載起動時所需力矩依據(jù)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(yù)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(zhuǎn)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(dǎo)軌的摩擦力；傳動鏈總效率，一般可取，現(xiàn)取；又：式中：垂直方向的切削力，；導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，(貼塑導(dǎo)軌)；橫向工作臺及夾具重量，；則：=103N故：又：式中：滾珠絲杠預(yù)加載荷，??；滾珠絲杠預(yù)緊時的傳動效率，；故：=140++=4.快速進給時所需力矩依據(jù)公式：而：故有：5.最大切削負載時所需力矩根據(jù)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(zhuǎn)矩選擇依據(jù)文獻《實用機床設(shè)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(zhuǎn)矩為：（2）對于空載起動時所需要的電機最大靜轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的依據(jù)。而初選的步進電機為110BF003，它的最大靜轉(zhuǎn)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(shù)控技術(shù)》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(xiàn)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(shù)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(yīng)式步進電動機。絲杠設(shè)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(jīng)滾珠絲杠螺紋副，帶動工作臺移動。其中在縱向（Ｘ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(jīng)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(zhuǎn)動，實現(xiàn)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(dāng)預(yù)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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。（4）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。X52K機床的主要技術(shù)規(guī)格：如下表所示表2-1X52基本技術(shù)規(guī)格主軸端面到工作臺的距離400mm30mm主軸軸線到床身垂直導(dǎo)軌面的距離350mm面積：寬×長320×1250mm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(shù)18級進級量范圍縱向：～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32～50mm轉(zhuǎn)速級數(shù)18級轉(zhuǎn)速范圍30～1500r/min軸向調(diào)整距離70mm主軸電動機功率工作臺進給電動機功率最大工件質(zhì)量150Kg機床進給部件重量橫向4410N縱向2200N 機床進給部件參數(shù)初選：縱向工作臺及夾具重量：=2200N（估計值）滾珠絲杠的基本導(dǎo)程： =8mm螺紋升角：行程：S=680mm（最大縱向行程）快速進給速度：取=min（經(jīng)驗值）現(xiàn)在根據(jù)最大當(dāng)量動載荷計算公式：式中： 運轉(zhuǎn)系數(shù)，取 精度系數(shù)，取 絲杠所受軸向載荷（）， 壽命值，可據(jù)公式 n為絲杠平均轉(zhuǎn)速（r/min）=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(jù)查《經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計手冊》取T=15000小時L ≈從而， 2.銑削力的計算現(xiàn)在以工作壽命和實際加工過程中的最大銑削力為基礎(chǔ)進行設(shè)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(diào)質(zhì)銑削寬度：22mm銑削深度：5mm刀具直徑：mm每齒切厚：mm/Z刃齒數(shù)：4刀具材料為：高速剛立銑刀據(jù)?機床設(shè)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(shù)控機床書?中得:縱向進給力（取中間值：）==×1500=1650N橫向進給力（取中間值：）==×1500=垂直進給力（取中間值：）==×1500=375N故可知在插補平面內(nèi)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=×=1275NMg為縱向工作臺及夾具重量Mg=2200N為顛覆力矩影響系數(shù)取M為當(dāng)量摩擦系數(shù)M取那么=×1162+×(2200+1275)=1903N根據(jù)《機床設(shè)計手冊》得，故可選絲杠型號為：（內(nèi)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=-～=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(jù)《機械設(shè)計原理》滾珠絲杠的傳動效率η的計算公式為： 式中：絲杠的螺旋升角，由以上參數(shù)表知，=摩擦角，滾珠絲杠副的摩擦角θ≈10′則可得：=97%5.剛度驗算滾珠絲杠受工作負荷引起的導(dǎo)程的變化量：/EF其中：彈性模量對于鋼為：E=21ⅹ滾珠絲杠橫截面積：F（）而：則：/EFcm滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略，故；故導(dǎo)程的變形誤差為：=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(zhuǎn)速的驗算由計算得已知絲杠平均工作轉(zhuǎn)速為： 因此，必須進行臨界轉(zhuǎn)速的驗算，即：其中式中符號表示： 絲杠的最大轉(zhuǎn)速： 絲杠支承方式系數(shù)?。ㄒ驗闆]有受壓）=9910=-=×5=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(shè)計》上可查得，絲杠設(shè)計部分=680+（131+40）×2=680+342=1022mm支撐跨距應(yīng)略大于取=1100臨界轉(zhuǎn)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(nèi)循環(huán)浮動返向器）。齒輪設(shè)計1.齒輪材料的選用及許用應(yīng)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(shè)計來計算，最后校合彎曲強度。初選7級精度。查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》，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(shè)計的有關(guān)計算：由于初選的步進電動機（110BF004）的系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為=step。步距角為：絲杠導(dǎo)程為：如果不采取齒輪傳動，那么每個脈沖對應(yīng)的絲杠螺母傳動的距離為：==>脈沖當(dāng)量所以需要有減速機構(gòu)，也就是要設(shè)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(dāng)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(zhuǎn)動慣量，這些應(yīng)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(dǎo)程為：則傳動比：=粗選小齒輪齒數(shù)，則大齒輪齒數(shù)：=（可參照《機械設(shè)計基礎(chǔ)》169頁）則實際傳動比為：滿足誤差要，取齒輪壓力角，初選模數(shù)m=，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(yīng)力校核查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》中表得齒性系數(shù)處載荷系數(shù)為K=，最大轉(zhuǎn)矩查步進電機相關(guān)參數(shù)，轉(zhuǎn)矩取F=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(jù)公式： 上式中：為小齒輪的轉(zhuǎn)速即步進電機軸的轉(zhuǎn)速，可據(jù)初選步進電機110BF004的運行頻率：，和步距角：°來計算?？芍x用7級精度是滿足要求的。橫向(Y軸)的設(shè)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：=+=1500+×4410×=1562N則有電機軸負載力矩：T=其中：導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取步進電機步矩角為Y向絲杠牽引力f當(dāng)量摩擦系數(shù)取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(shù)極限值，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(yīng)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(nèi)循環(huán)浮動返向器Y軸的齒輪副設(shè)計也與X軸相同，這里不再累贅?？刂撇糠衷O(shè)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(jīng)濟的數(shù)控系統(tǒng)。既滿足了機床的數(shù)控加工能力，又經(jīng)濟可靠。該系統(tǒng)是由數(shù)控單元和步進伺服單元組成。數(shù)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(qū)動電源一起組成連續(xù)控制的數(shù)控系統(tǒng)?？刂坪诵陌凑账斎氲募庸こ绦驍?shù)據(jù)，經(jīng)計算處理，發(fā)出所需要的脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大功率后，驅(qū)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(xiàn)機床的開環(huán)自動控制。系統(tǒng)的定位精度由軟件中適當(dāng)?shù)慕殿l處理來保證，重復(fù)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(shù)控功能豐富，可靠性高，且易于實現(xiàn)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(biāo)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(qū)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(shù)控系統(tǒng)硬件框圖主控制器（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(shù)據(jù)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(shù)、讀寫控制等特殊功能口。CPU的時鐘采用內(nèi)部方式，晶振頻率為6MHz。此芯片具有高集成度，應(yīng)用廣泛，有2個16位的定時、計數(shù)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(xiàn)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。存儲器擴展電路1.存儲器芯片的選擇。8031片內(nèi)只有128KB的RAM，所以必須對其進行外部程序存儲和數(shù)據(jù)存儲器進行擴展。選擇存儲器應(yīng)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8Kχ8的2764EPROM芯片作為程序存儲器擴展芯片，用1片容量為8Kχ8的6264靜態(tài)RAM芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片，并帶有的備用電池，使存放的加工數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fù)位后8031從0000H單元開始執(zhí)行程序故8KEPROM的地址空間從0000H-1FFFH，8KRAM的地址空間也設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)端相連。由于6264的地址分配為0000H-1FFFH，故其片選端應(yīng)與74LS138譯碼器相連。擴展I/O接口為了滿足銑床數(shù)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(yīng)相接，8155的對應(yīng)接至8031的口線。如表2-2所示表2-2138155I/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１片８１５５做為機床開關(guān)、刀架控制信號及主軸編碼器反饋信號Ｉ／Ｏ口；用１片８２７９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ＬＥＤ顯示控制兩種功能,為了增加數(shù)碼管的亮度,可分別在字型口和字位口處增加7407驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動電路用步進電機作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟型數(shù)控機床最為主要的一種驅(qū)動元件，步進電機的驅(qū)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(shè)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(xiàn)方法有硬件和軟件2種。為降低硬件的成本及故障源，本設(shè)計采用軟件方法進行實現(xiàn)。步進電機驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)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(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。步進電機的驅(qū)動電路由三部分構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)及順序與進給脈沖的數(shù)量及方向?qū)?yīng)。硬件環(huán)型分配器是有觸發(fā)器和門電路構(gòu)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1～10A，才足以驅(qū)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(shè)計決定采用：高低壓驅(qū)動電路行程控制為防止工作臺越界，設(shè)置了4個限位開關(guān)，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(dāng)某一個為低電位時，立即停止步進電機的運行。鍵盤與顯示鍵盤與顯示設(shè)計在一起，8155的PC口的擔(dān)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3×8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(shù)碼管的亮度,可分別在字型口和字為口處增加驅(qū)動器進行驅(qū)動。復(fù)位電路此單片機是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在8031的RESET引角上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機即可復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位和手動按紐復(fù)位組合。緊急停車系統(tǒng)中設(shè)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(xiàn)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(shù)控電氣原理圖

結(jié)論依照我國目前的數(shù)控機床發(fā)展?fàn)顩r及我國的國情，對原有的普通機床進行數(shù)控化改造是符合當(dāng)前國情的。對普通立式銑床X52K的數(shù)控化改造是為了擴大產(chǎn)品加工范圍和提高加工精度、效率、質(zhì)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(fù)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(biāo)能聯(lián)動的經(jīng)濟型數(shù)控銑床，由程序控制實現(xiàn)柔性化加工。從總體方案設(shè)計開始，確定了改造的目標(biāo)—經(jīng)濟型數(shù)控銑床，全文進行了機械部分和數(shù)控部分的改造設(shè)計，最后進行了系統(tǒng)的誤差分析。在X52K的數(shù)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