普通銑床的數(shù)控化改造畢業(yè)設計 機電一體化畢業(yè)論文

XX大學本科生畢業(yè)設計（論文）摘 要數(shù)控機床是裝備制造業(yè)的工作母機，是實現(xiàn)制造技術和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。在全球倡導綠色制造的大環(huán)境下，機床數(shù)控化改造成為了熱點。它包括普通機床的數(shù)控化改造和數(shù)控機床的升級 本設計是對XA5032普通立式銑床進行數(shù)控化改造。為了實現(xiàn)把XA5032普通立式銑床改造成經(jīng)濟型數(shù)控銑床，我針對此銑床的主傳動系統(tǒng)，X,Y,Z向進給系統(tǒng)進行數(shù)控改造，并增加了CNC裝置和伺服系統(tǒng)。對主傳動系統(tǒng)，我選用FANUC AC 電動機通過帶傳動驅動主軸。對進給系統(tǒng)，我把原先的滑動絲杠換成滾珠絲杠，以提高精度和效率，并由原先的手動控制，改造成由電動機控制。通過變頻器實現(xiàn)主軸傳動和進給機構的無級變速。通過單片機的設計，構成控制系統(tǒng)。關鍵詞：數(shù)控改造，滾珠絲杠，伺服系統(tǒng)ABSTRACTNC machine tools is the Machine Tools and equipment manufacturing, is to achieve manufacturing technology and the cornerstone of modern equipment is to ensure that high-tech industry development and national defense modernization of the military strategy and equipment. Green Manufacturing in the global advocacy of the environment, transformation of CNC machine tools to become a hot spot. It includes general of the CNC machine tools to transform and upgrade the CNC machine tools This design is XA5032 ordinary vertical milling machine NC transformation. In order to achieve the XA5032 vertical milling machine into the general economy CNC milling machine, I am against this milling the main drive system, X, Y, Z to the feed system NC transformation, and to increase the CNC servo devices and systems. The main drive system, I choose FANUC AC motor drive through the belt drive spindle. The feed system, I replaced the original sliding screw ball screws, to improve accuracy and efficiency, and the original manual control, into the motor control. Converter to achieve through the main transmission and feed the CVT. SCM through the design of a control system. Key words: NC transformation, ball screw, Servo System 目 錄第1章 數(shù)控機床的概述 11.1 數(shù)控機床1 1.1.1 數(shù)控機床的概念 11.1.2 數(shù)控機床的特點 1 1.1.3 數(shù)控機床的組成 11.1.4 數(shù)控機床的分類 11.2 機床數(shù)控化改造 21.3 機床數(shù)控化改造的意義 2 第2章 銑床機械結構的改造設計32.1 概述 3 2.1.1 數(shù)控銑床機械結構的主要特點 32.1.2 數(shù)控銑床對機械結構的基本要求 32.2 數(shù)控化改造銑床的總體布局 3 2.2.1 XA5032型立式升降臺銑床的布局及簡介3 2.2.2 立式數(shù)控改造銑床的布局型式及簡介4 2.3 數(shù)控化改造銑床的主傳動系統(tǒng) 4 2.3.1 主傳動系統(tǒng)的基本要求和變速方式4 2.3.2 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)的設計5 2.3.3 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)計算設計62.4 數(shù)控化改造銑床的進給傳動系統(tǒng) 13 2.4.1 數(shù)控銑床對進給傳動系統(tǒng)基本要求14 2.4.2 數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng)的基本型式152.4.3 數(shù)控改造銑床進給系統(tǒng)的型式及介紹 15 2.4.4 數(shù)控改造銑床進給傳動系統(tǒng)的計算設計15 第3章 普通銑床的電氣改造部分 203.1 計算機數(shù)控裝置20 3.1.1 CNC系統(tǒng)的組成 203.1.2 CNC裝置的主要功能和特點20 3.1.3 CNC裝置的硬件結構20 3.1.4 CNC裝置的軟件結構24 3.2 數(shù)控改造銑床的數(shù)控系統(tǒng)設計 29 3.2.1 8031應用系統(tǒng)30 3.2.2 8031的數(shù)據(jù)存儲器的擴展 303.2.3 8031輸入/輸出口的擴展 30 3.3 數(shù)控改造的伺服系統(tǒng)30 3.3.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求31 3.3.2 伺服系統(tǒng)的分類31 3.3.3 數(shù)控改造伺服系統(tǒng)的驅動元件32 3.3.4數(shù)控改造伺服系統(tǒng)驅動元件的連接電路 34結論 35 致謝36 參考文獻37第1章 數(shù)控機床的概述1.1 數(shù)控機床1.1 1數(shù)控機床的概念 數(shù)控機床是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床，既包括NC機床，也包括CNC機床。數(shù)字控制機床（Numerical Controlled Machine Tool），簡稱NC機床。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它能控制機床的運動和加工過程。計算機數(shù)控機床（Computerized Numerecal Controlled Machine Tool），簡稱CNC機床，是利用具有專門存儲程序的計算機來實現(xiàn)對機床的全部或部分控制功能。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)控裝置控制主運動的變速、起停、進給運動的方向、速度和位移大小，以及諸如刀具的選擇、交換、工件夾緊，松開和冷卻的起、停等動作，使刀具與工件及其他輔助裝置嚴格按數(shù)控程序的要求進行工作。數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展簡史1.1.2數(shù)控機床的特點數(shù)控機床在機械制造業(yè)中得到日益廣泛的應用，是因為它具有如下特點：1）能適應不同零件的自動加工。2）工序集中。3）生產(chǎn)效率和加工精度高、加工質量穩(wěn)定。4）能完成復雜型面的加工。5）減輕工人的勞動強度。1.1.3 數(shù)控機床的組成1)程序編制及程序載體 2)輸入裝置 3)數(shù)控裝置4)輔助控制裝置 5)驅動裝置和位置檢測裝置 6)機床的機械部件1.1.4 數(shù)控機床的分類按照不同的分類方式，數(shù)控機床有不同的類型。1、按控制運動軌跡分類 （1）點位控制數(shù)控機床 （2）直線控制機床 （3）輪廓控制的數(shù)控機床2、按驅動裝置的特點分類 （1） 開環(huán)控制數(shù)控機床 （2） 閉環(huán)控制數(shù)控機床 （3） 半閉環(huán)控制數(shù)控機床 1.2 機床數(shù)控化改造 機床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機床上增加微型計算機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預定的加工工藝目標。它是根據(jù)生產(chǎn)實際需要提出，并隨著機床行業(yè)以及技術的不斷進步而發(fā)展起來，它的內容是應用成熟數(shù)控技術和經(jīng)驗，以適應生產(chǎn)的具體要求為目的，對現(xiàn)有機床的局部結構進行改造，并安裝上新部件、新裝置、新附件，用計算機控制機床的工作，提高機床的技術性能指標，使之全部或局部達到新數(shù)控機床的水平。1.3 機床數(shù)控化改造的意義 眾所周知，制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，是推動國家技術進步的主要力量。加入WTO之后，我國制造業(yè)正面臨極大的考驗和挑戰(zhàn)。我國制造業(yè)水平與發(fā)達國家相比，總體水平偏低，這直接影響到我國工業(yè)產(chǎn)品質量的提高和制造成本的降低，影響到我國工業(yè)產(chǎn)品的國際市場競爭力。為改變這種落后狀況，必須提高制造業(yè)的裝備水平，特別是機床的數(shù)控化率。購置數(shù)控機床是提高機床數(shù)控化率的途徑；對舊機床進行數(shù)控化改造，也是提高機床數(shù)控化率的重要途徑之一。 我國機電行業(yè)（包括機械、電子、汽車、航空、航天、輕工、紡織、冶金、煤炭、郵電、船舶等）擁有的機床結構比較陳舊，操作系統(tǒng)復雜，控制系統(tǒng)落后，生產(chǎn)效率低下，如果靠購置新的數(shù)控機床取而代之，顯然耗資巨大，不符合國情。因此，采用數(shù)控技術對現(xiàn)有機床進行改造，符合國家的產(chǎn)業(yè)政策。 近年來，美國、日本、德國、英國、等發(fā)達國家，在制造大量數(shù)控機床的同時，也非常重視對普通機床的數(shù)控化改造，機床的技術改造市場十分活躍。在美國，機床改造業(yè)被稱為機床再生業(yè)；在日本，機床改造業(yè)被稱為機床改裝業(yè)。機床改造業(yè)正逐步從機床制造業(yè)中分化處理，形成了用數(shù)控技術改造機床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)和領域。第二章 銑床機械結構的改造設計2.1 概述 根據(jù)我國國情，八十年代在普通機床的改造方面，出現(xiàn)了以經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，尤其是普車、普銑數(shù)控化改造的熱潮，并逐步形成了經(jīng)濟型數(shù)控產(chǎn)業(yè)?！鞍宋濉焙笃诤汀熬盼濉?，國家把舊設備的改造列入企業(yè)技術進步，工藝更新的一個重要途徑，很多工廠把普通機床的數(shù)控化改造列入企業(yè)的發(fā)展計劃，作為企業(yè)適應市場經(jīng)濟、提高產(chǎn)品市場占有率的一項措施。普通銑床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造，除了選擇可靠性高、性能穩(wěn)定的數(shù)控系統(tǒng)外，對銑床自身的改造也是一個很重要的環(huán)節(jié)。普通銑床經(jīng)濟型數(shù)控化改造包括兩個方面，即機床電氣的數(shù)控化改造和機床本體的數(shù)控化改造。 2.1.1 數(shù)控銑床機械結構的主要特點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(chǎn)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 2.1.2 數(shù)控銑床對機械結構的基本要求1. 具有較高的靜、動剛度和良好的抗振性 2. 具有良好的熱穩(wěn)定性 3. 具有較高的運動精度與良好的低速穩(wěn)定性4. 具有良好的操作、安全防護性能2.2 數(shù)控化改造銑床的總體布局選擇機床的總體布局是銑床設計的重要步驟，它直接影響到機床的結構和性能，合理選擇機床布局，不但可以滿足銑床數(shù)控化的要求，而且能使機械結構更簡單、合理、經(jīng)濟。2.2.1 XA5032型立式升降臺銑床的布局及簡介XA5032立式升降臺銑床是一種使用范圍很廣的機床，它適應與用各種棒狀、銑刀、角度銑刀及銑切平面、斜面、溝槽、齒輪等。該銑床上裝置分度頭是，可以銑切直齒齒輪和鉸刀等零件，分度由手動來完成，如果在裝上分度頭的同時，把分度頭的傳動軸與工作臺的縱向絲杠用掛輪架聯(lián)系起來，尚能銑切螺旋面。該銑床還可以裝上園工作臺，用以銑切凸輪及弧形槽。該銑床適應與各種機械加工工業(yè)，從小規(guī)模的機械修理站到大量生產(chǎn)的部門的都可以使用。2.2.2 立式數(shù)控改造銑床的布局型式及簡介 機床本體的數(shù)控化改造，是將原工作臺進給電機，進給箱及其傳動鏈拆除，然后進行如下改造：用三個步進電機分別驅動升降，縱向，橫向坐標軸，根據(jù)各輪的脈沖當量配置相應的傳動系統(tǒng)，換成滾珠絲杠傳動。（1）改造前對原機床的要求 機床主軸傳動精度，工作臺兩個運動軸導軌面的集合精度，即垂直度、半行度等，均應達到國家標準。由于工作臺三個軸的傳動系統(tǒng)要更換，故可不必嚴格要求，對于精度差的機床，可通過大修恢復其精度，然后進行改造。（2）傳動系統(tǒng)的方案選擇 第一種方案是采用齒輪傳動，單螺母滾珠絲杠作為傳動系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是價格便宜，根據(jù)實際需要可保留原機床的手動和機動功能，但存在潛在缺陷；齒輪傳動噪聲打，齒輪磨損后消隙難，單螺母滾珠絲杠螺距的一致性難以調整。 第二種方案是采用圓弧齒型同步帶傳動，雙螺母滾珠絲杠作為傳動系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單，可克服上方案的缺點，能提高加工精度1-2級。 我采用第二種傳動方案，主軸采用H型同步帶傳動，進給系統(tǒng)采用雙螺母滾珠絲杠傳動。2.3 數(shù)控化改造銑床的主傳動系統(tǒng)2.3.1 主傳動系統(tǒng)的基本要求和變速方式數(shù)控銑床和普通銑床一樣，主傳動系統(tǒng)也必須通過變速，才能使主軸獲得不同的轉速，以適應不同的加工要求，在變速的同時，還要求傳遞一定的功率和足夠的扭矩，滿足切削的需要。數(shù)控銑床作為高度自動化的設備，它對主傳動系統(tǒng)的基本要求如下：（1） 為了達到最佳切削效果，一般都應在最佳切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能自動實現(xiàn)無級變速。（2） 要求機床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉速和足夠大的功率，以適應高速、高效的加工需要。（3） 為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動，主傳動系統(tǒng)應簡化結構，減少傳動件。（4） 在加工中心上，還必須具有安裝刀具和刀具交換所需要的自動夾緊裝置，以及主軸定向準停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫、機械手的正確嚙合。（5） 為了擴大機床功能，實現(xiàn)對C軸位置（主軸回轉角度）的控制，主軸還需要安裝位置檢測裝置，以便實現(xiàn)對主軸位置的控制。主傳動的無級變速通常有以下三種方法：（1） 采用交流主軸驅動系統(tǒng)實現(xiàn)無級變速傳動，在早期的控制機床或大型數(shù)控機床（主軸功率超過100kw）上，也有采用直流主軸驅動系統(tǒng)的情況。（2） 在經(jīng)濟型、普及型數(shù)控機床上，為了降低成本，可以采用變頻器帶變頻電動機或普通交流電動機實現(xiàn)無級變速的方式。（3） 在高速加工機床上，廣泛使用主軸和電動機一體化的新穎功能部件電主軸。電主軸的電動機轉子和主軸一體，無需任何傳動件，可以使主軸達到數(shù)萬轉，甚至十幾萬轉的高速。但是，不管采用任何型式，數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)結構都要比普通機床簡單的多。2.3.2 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)的設計1 主傳動 主傳動由FANUC 8 AC驅動，經(jīng)一對減速為1：2的齒形帶輪和同步齒形帶傳到主軸。 機床主軸電機7.5kw，交流變頻調速，主軸具有恒轉矩，恒功率調速特性及失速防止、過流、過載保護等功能。 2 主軸箱 主軸箱結構見圖2.2，箱體材料為HT20-40鑄鐵件，主軸軸承采用前軸承軸向固定，后軸承可游動的支承方式，前軸承用兩個角接觸向心球D46118軸承，后軸承用一個深溝球E317軸承。 主軸錐孔的錐度為NO3（7：24），用于安裝銑夾頭或鉆夾頭刀柄，并用二個端面鍵，傳遞銑削或鉆削扭矩，銑夾頭或鉆夾頭刀柄，用拉桿拉緊在主軸錐孔內。 為保證主軸箱在伺服電機斷電后，不會因自重而下滑，在立柱內腔設有與主軸箱相連結的鋼絲繩、滑輪、平衡塊等組成的平衡裝置。 圖 2.22.3.3 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)計算設計 1 主傳動中同步帶傳動設計 （1）給出傳動要求 1）傳動的功率 Pw=7.5Kw 2）主動軸轉速 n1=1500r/min；傳動比 i=2； 3）中心距要求 300mm左右； 4）電動機 7.5Kw FANUC 8 AC； 5）動轉時數(shù) 每天16小時； 6）其它 帶輪直徑不受限制； （2）選擇帶的型號和節(jié)距 1）計算設計功率Pd a.查書實用電子機械設計手冊，由表6-61得載荷Ko=1.7，因未使用張緊輪，又是減速運動，故表的附加修正系數(shù)為零。 b.計算設計功率Pd=KoPm=1.77.5=12.75Kw 2）選擇帶的型號和節(jié)距 由Pd=12.75Kw和n1=1500r/min，從實用電子機械設計手冊圖6-9查得帶的節(jié)距代號為H，對應的節(jié)距為Pb=12.700mm （3）確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 1）確定帶輪直徑d由實用電子機械設計手冊表6-69的：H型帶，小帶輪轉速n1=1500r/min時，帶輪最小許用齒數(shù)為Z1=18。取小帶輪齒數(shù)Z1=24。傳動比i=2，Z2=224=48小帶輪直徑為d1=PbZ1/=12.724/3.14=97.07mm大帶輪直徑為d2=PbZ2/=12.748/3.14=194.14mm 2）選擇帶長Lp Lp=2acos+（d1+d2）/2+（d2-d1）/180 式中，=arcsin（d2-d1/2a）=arcsin（97.07/600）=9.31。 所以Lp=592.096+457.19+15.765=1065.05mm 按表6-59取標準值Lp=1066.8mm 該帶齒數(shù)為Zb=84 3）傳動中心距的計算 按近似公式計算： M=Pb（2Zb-Z1-Z2）/8=12.7（284-24-48）/8=152.4mm a=M+ （4）選擇標準帶寬 1）確定基準額定功率 小帶輪齒數(shù)=24，轉速=1500r/min，由表6-66內插法得H型帶的基準額定功率 2）確定額定功率P a嚙合齒數(shù)系數(shù) 嚙合齒數(shù)，故 b帶寬系數(shù) （查表6-62） c額定功率P 3）選擇帶寬根據(jù)設計要求， 故帶寬按表6-58選擇帶寬，（標準值） 4）工作能力驗算a許用工作拉力有表6-61得b單位長度質量由表6-61得c帶的圓周速度 d工作能力驗算 （5）額定功率大于設計功率，故帶的傳動能力足夠 結果整理 1）帶選用H型同步帶 2) 帶輪 3）傳動中心距2.主軸的設計（1）初步估算軸的直徑選取軸的材料為調質處理，由式得， ，取軸端銑削力（見金屬切削刀具表4-3）由機械制造工程學表2-3知：橫向進給力 縱向進給力 垂直進給力同步齒形帶作用在主軸上的力為：主軸上轉距為： 圓周力徑向力（2）軸的結構設計 確定各軸段直徑和長度段 ，由螺母（GB812-88）厚度定， 段 為固定螺母，由同步帶大帶輪段 為固定軸承，由套筒長度得段 ，由軸承長度， 段 參考原主軸，（3） 繪制軸的彎矩圖和扭矩圖L1=100mm，L2=189mm，L3=208mmH水平面Fr=168.318N，V垂直面Ft=462.449N，求彎矩H水平面， V垂直面，合成彎矩M明顯判斷出C點為危險截面，所以扭矩T彎矩圖、扭矩圖見下圖（4）按彎矩合成強度校核軸的強度當量彎矩軸的材料為調質處理，查表得根據(jù)計算結果可知，該軸滿足強度要求。（3）精確校核軸的疲勞強度 1）判斷危險截面危險截面應該是應力較大，同時應力集中較嚴重的截面。從受載情況觀察，兩角接觸軸承中心雖最大，但應力集中不大，而且這是軸徑較大，故不是危險截面，危險截面在前端軸承左側，該截面較大，應力較集中。2）計算危險截面應力截面右側彎矩為截面上的扭矩T為：抗彎截面系數(shù)： 抗扭截面系數(shù)： 截面上的彎曲應力： 截面上的扭轉剪應力： 彎曲應力幅：彎曲平均應力：扭轉剪應力的應力幅與平均應力相等，即3）確定影響系數(shù)軸的材料為調質處理，查表得軸肩圓角處的有效應力集中系數(shù)、 取由上面結果可得查機械設計表8.13中的許用安全系數(shù)值：由，可知該軸安全。（4）主軸軸承的校核 由主軸的校核計算中，得知主軸軸承的受力情況，現(xiàn)對主軸后端軸承校核如下：由公式得，A/R=788.88/1356.849=0.581<e由機械設計課程設計手冊查表得，E317軸承的參數(shù)： 由機械設計查表10.5的：X=1,Y=0所以當量動載荷： 由軸承壽命公式得溫度系數(shù)：載荷系數(shù)：極限轉速：壽命指數(shù)：對球軸承故 由表10.4查得24小時連續(xù)工作的機械的軸承由此可見：故E317軸承壽命足夠。2.4 數(shù)控化改造銑床的進給傳動系統(tǒng)數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng)常用伺服進給系統(tǒng)來工作，伺服進給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息，進行放大以后控制執(zhí)行部件的運動，不僅控制進給運動的速度，同時還要精確控制刀具相對于工作的移動位置和軌跡，因此，數(shù)控銑床進給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對經(jīng)運動的位置和運動的速度兩方面實現(xiàn)自動控制。與普通銑床相比，對數(shù)控銑床進給系統(tǒng)的設計要求除了具有較高的定位精度之外，還應具有良好的動態(tài)響應特性，系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快，穩(wěn)定性要好。一個典型的數(shù)控銑床閉環(huán)控制的進給系統(tǒng)，通常有位置比較、放大元件、驅動單元、機械傳動裝置和檢測反饋元件等幾部分組成，而其中的機械傳動裝置是位置控制環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)。這里所說的機械傳動裝置，是指將驅動源旋動運動變?yōu)楣ぷ髋_直線運動的整個機械傳動鏈，包括減速裝置、絲杠螺母副等中間傳動機構。 2.4.1 數(shù)控銑床對進給傳動系統(tǒng)的基本要求進給傳動系統(tǒng)的精度、靈敏度、穩(wěn)定性直接影響了數(shù)控銑床的定位精度和輪廓加工精度。從系統(tǒng)控制的角度分析，其中其決定作用的因素主要有：（1）傳動系統(tǒng)的剛度和慣量，它直接影響進給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度。（2）傳動部件的精度與傳動系統(tǒng)的非線性，他直接影響系統(tǒng)的位置精度和輪廓加工精度，在閉環(huán)系統(tǒng)中還影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 傳動系統(tǒng)的剛度和慣量主要決定于機械結構設計，而傳動系統(tǒng)的間隙、摩擦死區(qū)則是造成傳動系統(tǒng)非線性的主要原因。因此，數(shù)控銑床對機械傳動系統(tǒng)的要求可以概況如下：1 提高傳動部件的剛度2 減小傳動部件的慣量3 減小系統(tǒng)的摩擦阻力2.4.2 數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng)的基本型式 數(shù)控機床的進給運動可以分為直線運動和圓周運動兩大類。直線進給運動包括機床的基本坐標軸（X、Y、Z軸）以及和基本坐標軸平行的坐標軸（U、V、W等）的運動；圓周進給運動是指繞基本坐標軸X、Y、Z回轉的坐標運動。在數(shù)控機床上實現(xiàn)直線進給運動主要有三種型式：（1）通過絲杠（通常為滾珠絲杠或靜壓絲杠）螺母副，將伺服電動機的旋轉運動變成直線運動。（2）通過齒輪、齒條副、將伺服電動機的旋轉運動變成直線運動。（3）直接采用直線電動機進行驅動，實現(xiàn)圓周運動除少數(shù)情況直接使用齒輪副外，一般都采用蝸輪蝸桿副。2.4.3 數(shù)控改造銑床進給系統(tǒng)的型式及介紹 XA5032型銑床數(shù)控化改造進給系統(tǒng)，X、Y、Z三軸在滿足傳遞扭矩的前提下采用FANUC 20M 直流伺服電機并配有直流功能驅動系統(tǒng)，提高了驅動性能。步進電機通過精密膜片抗繞性聯(lián)軸器與滾珠絲杠直接相連，提高了傳動精度，效率較高，其中Z向通過圓錐齒輪轉換成垂直方向的傳動。 X、Y、Z三軸采用帖塑導軌，靜，動摩擦系統(tǒng)變化小，快速移動響應快，振動小，低速移動是無爬行，穩(wěn)定性好。2.4.4 數(shù)控改造銑床進給傳動系統(tǒng)的計算設計 滾珠絲杠螺母副的設計 （1）縱向滾珠絲杠螺母副設計 用于計算的下列數(shù)據(jù)是已知的： 工作臺質量：，最大加工受力： 快進速度： 工進速度： 最大加速度： 工作臺導軌摩擦力： 工作進程： 軸承軸向剛度：，絲杠螺母剛度： 螺母支座剛度：絲杠傳動效率： 絲杠長度： 絲杠軸承、絲杠螺母摩擦力距： 軸承平均間距：導程： 確定最大轉速的常熟： 軸承支承方式：雙推雙推 伺服電機轉子慣量： 鋼的密度： （2）橫向滾珠絲杠螺母副設計 橫向滾珠絲杠長度要求為：354mm 同縱向滾珠絲杠螺母副設計得知，足夠滿足要求，故選用。 （3）Z向滾珠絲杠螺母副設計 Z向滾珠絲杠長度要求為：469mm，同縱向滾珠絲杠螺母副設計得知，海雄聯(lián)精密配件有限公司滾珠絲杠副的產(chǎn)品，可采用CDM3206-5型滾珠絲杠副，滾珠絲杠的直徑為32mm，基本導程為6mm，滿足要求。 2.垂直進給系統(tǒng)中的圓錐齒輪設計 已知：圓錐齒輪需要傳遞的功率為1.5,小齒輪轉速，傳動比，雙向運轉，工作平穩(wěn)，每天工作8小時，每年工作300天，預期壽命8年。 （1）選擇齒輪材料 查機械設計表6.2 小齒輪選用45調質,大齒輪選用45正火 （2）按齒面接觸疲勞強度設計計算 確定齒輪傳動精度等級，按，估取圓周速度，參靠表6.8選取公差組8級。 齒寬系數(shù)，小齒輪齒數(shù)選取，大齒輪齒數(shù) 齒數(shù)比 傳動比誤差為最佳 小輪轉矩 使用系數(shù) 查表6.3得 動載荷系數(shù)的初值 由推薦值， 齒向載荷分布系數(shù) 由推薦值， 載荷系數(shù)K的初值 彈性系數(shù) 查表6.4 得 節(jié)點影響系數(shù) 查圖6-3得 接觸疲勞極限 查圖6-4得 接觸壽命系數(shù) 應力循環(huán)次數(shù)N 有式6-7得 查圖6-5得 硬化系數(shù) 接觸安全系數(shù) 則 故的設計初值為 齒輪模數(shù)m m 按表6.6圓整 小輪大端分度圓直徑的計算值為 小輪平均分度圓直徑： 圓周速度 動載荷系數(shù) 由推薦值 載荷系數(shù) 小輪分度圓直徑 取 大輪大端分度圓直徑 錐距R: 齒寬 圓整 （3）齒根彎曲疲勞強度校核計算 由式6-10 齒形系數(shù)由當量齒數(shù) 查表6.5得 應力修正系數(shù) 查表6.5得 許用彎曲應力 由式6-12得， 彎曲疲勞極限 查圖6-7得 彎曲壽命系數(shù) 查圖6-8得 尺寸系數(shù) 查圖6-9 安全系數(shù) 則 第三章 普通銑床的電氣改造部分3.1 計算機數(shù)控裝置3.1.1 CNC系統(tǒng)的組成CNC是用一個存儲程序的計算機，按照存儲在計算機內的讀寫存儲器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計算機之外的唯一裝置是接口。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機床移動和加工零件。數(shù)控裝置有兩種類型：一是完全由硬件邏輯電路構成的專用硬件數(shù)控裝置，即NC裝置，NC裝置是數(shù)控技術發(fā)展早期普遍采用的數(shù)控裝置。二是由計算機硬件和軟件組成的計算機數(shù)控裝置，即CNC裝置，它是由硬件和軟件共同完成或是在硬件的支持下由軟件單獨實現(xiàn)全部數(shù)控功能。3.1.2 CNC裝置的主要功能和特點1.數(shù)控裝置的主要功能CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段。包括：基本功能數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備功能。選擇功能用戶可根據(jù)實際要求選擇的功能。3.1.3 CNC裝置的硬件結構1. CNC裝置的硬件構成CNC裝置是在硬件支持下，通過系統(tǒng)軟件控制來進行工作的。其控制功能在相當程度上取決于硬件結構。硬件結構根據(jù)控制功能的復雜程度可分別采用單處理器結構和多處理器結構，簡易的經(jīng)濟型采用單微處理器結構,中高檔的CNC裝置以多微處理機結構為多。隨著機械制造技術的發(fā)展，對數(shù)控機床提出了復雜功能、高進給速度和高加工精度的要求，因此多處理器結構得到了迅速發(fā)展。2. CNC裝置的體系結構單微處理器硬件結構裝置內的所有信息處理工作都由一個CPU來完成，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實現(xiàn)各種數(shù)控功能。它的優(yōu)點是投資小，結構簡單易于實現(xiàn)。但系統(tǒng)的功能則受CPU的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素限制。CPUROMRAMIN接口OUT接口閱讀機接口MDI/CRT接口位置控制其它接口總線單微處理器硬件結構圖多微處理機CNC裝置的結構（1） 主從結構該裝置中只有一個CPU，對整個裝置的資源有控制權和使用權，處于主導地位，而其它CPU處于從屬地位。（2） 多主結構該裝置中有兩個或更多CPU對裝置資源有控制權和使用權。通過總線仲裁器來解決爭用總線問題，通過公共存儲器來交換裝置內的信息。（3）分布式結構該裝置有兩個或更多CPU模塊，每個模塊有自己獨立的運行環(huán)境，它們之間采用通訊方式交換信息。此外，還有一種多通道結構。3單微處理機數(shù)控裝置的硬件結構單微處理機數(shù)控裝置：單微處理器的CNC是指系統(tǒng)只有一個微處理器作為核心，這個CPU通過總線連接存儲器和各種接口，采用集中控制、分時處理的方法來完成諸如輸入/輸出、插補計算、伺服控制等各種任務。這種系統(tǒng)硬件和軟件結構都比較簡單。單微處理機結構：微處理器、存儲器、總線、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、數(shù)控技術中的控制單元部件和接口電路，如位置控制單元、可編程控制器、主軸控制單元、穿孔機和紙帶閱讀機接口，以及其它選件接口等。典型的單微處理器CPU外部存儲RS-232人機交互選件ROMRAMPLC接口位控位控位控位控速度控制單元D/A轉換電路MMMMM、S、T微機系統(tǒng)機床的控制部分典型的單微處理器裝置結構框圖微處理器（CPU）是CNC的核心，CPU執(zhí)行系統(tǒng)程序，首先讀取工件加工程序，對加工程序段進行譯碼和數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理后得到的指令，進行對該加工程序段的實時插補和機床位置伺服控制；它還將輔助動作指令通過可編程控制器（PLC）送到機床，同時接收由PLC返回的機床各部分信息并予以處理，以決定下一步的操作。 位置控制單元接收插補運算得到的每一個坐標軸在單位時間間隔內位移量，控制伺服電機工作，并根據(jù)接收到的實際位置反饋信號，修正位置指令，實現(xiàn)機床運動的準確控制。同時產(chǎn)生速度指令送往速度控制單元。 速度控制單元將速度指令與速度反饋信號相比較，修正速度指令，用其差值去控制伺服電機以恒定速度運轉。 數(shù)據(jù)輸入/輸出接口與外圍設備是CNC與操作者之間交換信息的橋梁。如通過MDI方式或串行通信，可以將工件加工程序送入CNC裝置；通過CRT顯示器，可以顯示工件的加工程序和其他信息。 總線是CPU與各組成部件、接口等之間的信息公共傳輸線，包括控制、地址和數(shù)據(jù)三總線。傳輸信息的高速度和多任務性，使總線結構和標準也在不斷發(fā)展。 CNC裝置中的存儲器包括只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）兩類。系統(tǒng)程序存放在只讀存儲器EROM中；運算的中間結果、需顯示的數(shù)據(jù)、運行中的狀態(tài)、標志信息等存放在隨機存儲器RAM中；加工的零件程序、機床參數(shù)、刀具參數(shù)存放在磁泡存儲器中。 4. 多微處理機數(shù)控裝置的硬件結構 多微處理器結構的CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，各個CPU之間采用緊耦合，資源共享，有集中的操作系統(tǒng)，甚至有兩個或兩個以上微處理器構成的功能模塊，模塊之間采用松耦合，多重操作系統(tǒng)有效地實現(xiàn)并行處理。（1）多微處理機CNC裝置的典型結構 互聯(lián)方式：總線互聯(lián)方式。典型的結構：共享總線型、共享存儲器型及混合型結構。1）功能模塊 CNC管理模塊 ；負責管理和組織協(xié)調整個CNC系統(tǒng)的工作，完成諸如初始化、終端管理、總線仲裁、系統(tǒng)錯誤識別和處理、系統(tǒng)軟硬件診斷等。 CNC插補模塊 ；完成數(shù)控代碼編譯、坐標計算和轉換、刀具半徑補償、速度規(guī)劃和處理等工作，按規(guī)定的插補類型通過插補計算為各坐標提供位置給定值。 位置控制模塊 ；負責比較插補后的位置給定值與檢測到的位置實際值，并根據(jù)比較結果完成加減速、回基準點、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和補償運算，最后得到速度控制的模擬電壓，用以驅動進給電動機，完成相應操作，實現(xiàn)位置閉環(huán)。 PLC模塊 ；零件程序中的開關功能和由機床來的信號在這個模塊中作邏輯處理，實現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，機床電氣設備的啟停、刀具交換、回轉工作臺的分度、工件數(shù)量和運轉時間的計數(shù)等。 人機接口模塊。負責處理零件程序、參數(shù)、操作控制、數(shù)據(jù)的輸入/輸出和顯示等。 存儲器模塊 。指程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，或功能模塊間數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲器。2）共享總線結構在共享總線結構中，將各功能模塊插在配有總線插座的機框內，由系統(tǒng)總線把各個模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種控制指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各種預定的功能。只有主模塊有權控制和使用系統(tǒng)總線。但對于同時有多個主模塊請求使用總線時，由總線仲裁器根據(jù)預先排好的優(yōu)先級別的順序來判別出各模塊的優(yōu)先權高低。仲裁方式有兩種：串行方式和并行方式。3）共享存儲器結構插補（CPU2）來自機床的控制信號輸?shù)綑C床的控制信號軸控制（CPU3）I/O CPU1CRT（CPU4）共享存儲器共享存儲器結構框圖3.1.4 CNC裝置的軟件結構CNC軟件是為實現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項功能而編制的專用軟件，又稱為系統(tǒng)軟件，其管理作用類似于計算機的操作系統(tǒng)的功能。不同的廠家的軟件并不兼容，其功能和控制方案也不同，結構和規(guī)模上差別也較大。CNC系統(tǒng)是一個專用的實時多任務計算機系統(tǒng)，在它的控制軟件中，融會了當今計算機軟件技術中的許多先進技術。都具有多任務并行處理和多重實時中斷的特點。軟件結構特點1. CNC裝置軟件硬件的界面CNC軟件的結構取決于CNC裝置中軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身所應完成的工作內容。軟件與硬件在實現(xiàn)各種功能方面的關系CNC裝置由軟件和硬件組成，硬件為軟件的運行提供了支持環(huán)境，是軟件的運行基礎，而軟件反過來則可以優(yōu)化硬件的設計，增強系統(tǒng)的功能和柔性。 從理論上講，硬件能完成的功能也可以用軟件來完成。從實現(xiàn)功能的角度看，軟件與硬件在邏輯上是等價的。軟件與硬件在實現(xiàn)各種功能方面的特點硬件處理速度快，但靈活性差，實現(xiàn)復雜控制的功能困難。軟件設計靈活，適應性強，但處理速度相對較慢。功能界面劃分的準則系統(tǒng)的性能價格比。軟件、硬件實現(xiàn)功能的分配就是軟件、硬件功能界面的劃分。下圖就是CNC的軟、硬件界面。2. 系統(tǒng)軟件的內容及結構類型系統(tǒng)軟件的組成：（管理和控制）管理部分：輸入、I/O處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序。控制部分：譯碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制等軟件。系統(tǒng)軟件管理軟件程序輸入輸出顯示診斷控制軟件刀具補償速度控制插補運算位置控制譯碼通訊管理方式：單微處理機數(shù)控系統(tǒng)：前后臺型和中斷型的軟件結構。多微處理機數(shù)控系統(tǒng)：將微處理機作為一個功能單元。3. 多任務并行處理（1）CNC裝置的多任務性在許多情況下CNC的管理工作和控制工作必須同時進行，即所謂的并行處理。例如，加工控制時必須同步顯示系統(tǒng)的有關狀態(tài)、位置控制與I/O控制同步處理，并始終伴隨著故障診斷功能；控制本身的插補、位置控制、預處理之間的并行處理。（2）并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點是提高了運行速度。并行處理的分類： “資源重復”，“時間重疊”和“資源共享”。資源共享：根據(jù)“分時共享”的原則，使多個用戶按時間順序使用同一套設備。時間重疊：根據(jù)流水線處理技術，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套設備的幾個部分。硬件結構中使用“資源重復”技術；軟件結構中采用“時間重疊”和“資源共享”方法。1）資源分時共享并行處理（對單一資源的系統(tǒng)）VSVS診斷I/O處理輸入插補準備顯示初始化插補位控鍵盤中斷級別高中斷級別低資源（CPU）分時共享圖在單CPU結構的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時共享”并行處理技術。資源分時共享在規(guī)定的時間長度（時間片）內，根據(jù)各任務實時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們分時共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時共享”的技術關鍵：其一：各任務的優(yōu)先級分配問題。其二：各任務占用CPU的時間長度，即時間片的分配問題。資源分時共享技術的特征在任何一個時刻只有一個任務占用CPU；在一個時間片（如8ms或16ms）內，CPU并行地執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務。因此，資源分時共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個任務還是逐一執(zhí)行的。 2) 并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)） 在多CPU結構的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務之間的關聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術：若任務間的關聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時執(zhí)行 并發(fā)處理；若任務間的關聯(lián)程度較高，即一個任務的輸出是另一個任務的輸入，則可采取流水處理的方法來實現(xiàn)并行處理。流水處理技術的涵義流水處理技術是利用重復的資源（CPU），將一個大的任務分成若干個子任務，這些小任務是彼此關系的，然后按一定的順序安排每個資源執(zhí)行一個任務，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。并發(fā)處理和流水處理的特征在任何時刻（流水處理除開始和結束外）均有兩個或兩個以上的任務在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和流水處理的關鍵是時間重疊，是以資源重復的代價換得時間上的重疊，或者說以空間復雜性的代價換得時間上的快速性。3）并行處理中的信息交換和同步在CNC裝置中信息交換主要通過各種緩沖區(qū)來實現(xiàn)。各緩沖區(qū)數(shù)據(jù)交換和更新的同步是靠同步信號指針來實現(xiàn)的。加工程序譯 碼譯碼緩沖區(qū)刀補處理刀補緩沖區(qū)速度預處理插補緩沖區(qū)插補處理運行緩沖區(qū)伺服驅動位控處理位置反饋PLC控制CNC裝置數(shù)據(jù)轉換流程示意圖4. 實時中斷處理當數(shù)控系統(tǒng)運行時，出現(xiàn)某種非預期的事件，CPU暫時停下現(xiàn)行程序，轉向為該事件服務，待事件處理完畢，再恢復執(zhí)行原程序，這個過程稱為中斷。中斷賦予數(shù)控系統(tǒng)中的CPU應變能力，把有序的運行和無序的事件統(tǒng)一起來，大大增強了系統(tǒng)的處理能力。 中斷的處理過程（1）CNC系統(tǒng)的中斷類型1）外部中斷：紙帶光電閱讀機中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤操作面板輸入中斷。2）內部定時中斷：插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。3）硬件故障中斷：各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。4）程序性中斷：程序中出現(xiàn)異常情況的報警中斷。（2）CNC系統(tǒng)中斷結構模式1）前后臺軟件結構中的中斷模式前后臺型軟件結構適合于采用集中控制的單微處理器CNC裝置。在這種軟件結構中，前臺程序為實時中斷程序，承擔全部實時功能，這些功能都與機床動作直接相關，如位置控制、插補、輔助功能處理、面板掃描及輸出等。后臺程序主要用來完成準備工作和管理工作，包括輸入、譯碼、插補準備及管理等，通常稱為背景程序。背景程序是一個循環(huán)運行程序，在其運行過程中實時中斷程序不斷插入。前后臺程序相互配合完成加工任務。背景程序初始化實施中斷程序 2）中斷型軟件結構中的中斷模式：除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各種任務模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序中，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)。其管理功能主要通過各級中斷服務程序之間的相互通訊來解決。3.2 數(shù)控改造銑床的數(shù)控系統(tǒng)設計MCS-51系統(tǒng)結構緊湊，硬件設計簡單靈活，特別是8031單片機以其構成系統(tǒng)的成本低及不需要特殊的開發(fā)手段等，在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應用。根據(jù)前面的數(shù)控知識和大學課程的學習，我為X5032型普通銑床設計了數(shù)控系統(tǒng)，其結構圖如下圖所示 3.2.1 8031應用系統(tǒng) 8.31內部不帶ROM，需外接ERPOM作為外部程序存儲器。又因為8031在外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時地址的低8位信息及數(shù)據(jù)信息分時送出，故還需要采用一片74LS373來鎖存低8位地址信息。這樣，一片，EPROM2764及一片74LS373組成了一個最小的計算機系統(tǒng)。3.2.2 8031的數(shù)據(jù)存儲器的擴展在8031單片機應用系統(tǒng)中，最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器RAM芯片有6116和兩種。3.2.3 8031輸入/輸出口的擴展 在使用單片機的實時控制系統(tǒng)中，往往需要通訊的外部設備或控制對象比較多，單片機本身的口無法滿足要求，因而需要擴展口。3.3 數(shù)控改造的伺服系統(tǒng)近幾十年來，伺服技術得到突飛猛進的發(fā)展和越來越廣泛的應用。數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件（如工作臺、主軸和刀具等）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)，數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅動機床運動部件實現(xiàn)運動，以保證動作的快速性和準確性。數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控機床的精度和速度等技術指標很大程度上取決與伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對高性能伺服系統(tǒng)的研究和開發(fā)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之一。3.3.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求 隨著數(shù)控技術的發(fā)展，對數(shù)控伺服系統(tǒng)提出了較高的要求，可以歸納為以下幾個方面。 （1）精度高（2） 穩(wěn)定性好 （3） 快速響應好 （4）調速范圍寬 （5）低速大轉矩 3.3.2 伺服系統(tǒng)的分類（1）開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)無位置