資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 摘 要 本文主要對X5230普通銑床進行改造，首先分析銑床的加工特點和加工要求確定其主參數，運動和動力參數；根據主參數和改造要求進行主運動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)硬件電路設計。主要進行主運動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的機械結構改造及滾珠絲杠和步進電機的選型和校核；對于控制系統(tǒng)由于這里的改造要求是經濟型數控銑床，所以采用步進電機開環(huán)控制，計算機系統(tǒng)采用高性價比的MCS-51系列單片擴展系統(tǒng)，主要進行中央處理單元的選擇、存儲器擴展和接口電路設計。 關鍵詞： 數控技術；普通銑床；硬件電路；開環(huán)控制 Abstract This article mainly carries on the transformation to the X5230 general milling machine, first analyzes the vertical milling machine the processing characteristic and the processing request determines its host parameter, including movement and dynamic parameter; Carry on the host kinematic scheme according to the host parameter and the design request, enters for the system and the control system hardware circuit design. Mainly carries on the host kinematic scheme and enters for the system mechanism design and the ball bearing guide screw and electric stepping motor shaping and the examination; Regarding control system because here mainly aims at the economy numerical control milling machine the transformation of requirements, here uses electric stepping motor open-loop control, the computer system uses the high performance price compared to the MCS-51 series monolithic expansion system, mainly carries on the central processing element the choice, the memory expansion and the connection circuit design . Key words: Numerical control technology；General milling machine；Hardware circuit；Open-loop control 目 錄 1緒 論 …………………………………………………………………………………1 1.1引言………………………………………………………………………………1 1.2國內外研究的現狀………………………………………………………………1 1.3本文的選題及主要研究內容……………………………………………………2 1.3.1本文的選題………………………………………………………………2 1.3.2主要研究內容…………………………………………………………2 2 X5230銑床總體改造方案及機械部分設計……………………………………………3 2.1 設計要求………………………………………………………………………3 2.1.1設計基本思路……………………………………………………………3 2.1.2設備改造前后性能指標…………………………………………………4 2.2 改造方案的確定…………………………………………………………………5 2.2.1改造目的…………………………………………………………………..5 2.2.2總體方案設計……………………………………………………………5 2.3縱向進給系統(tǒng)的改造設計與計算………………………………………………6 3 X5230數控銑床硬件電路設計……………………………………………………24 3.1概述………………………………………………………………………………24 3.2控制系統(tǒng)硬件基本組成…………………………………………………………24 3.3控制系統(tǒng)設計……………………………………………………………………25 3.4坐標運動系統(tǒng)……………………………………………………………………31 3.5電源………………………………………………………………………………33 3.6 控制臺…………………………………………………………………………35 3.6.1 CNC裝置的工作過程……………………………………………………35 3.6.2 CNC裝置的主要功能……………………………………………………36 3.7其他輔助系統(tǒng)…………………………………………………………………39 3.7.1銑床的冷卻和溫度控制…………………………………………………39 3.7.2工件切削冷卻……………………………………………………………40 4 MCS-51系列單片機簡介……………………………………………………………40 4.1單片機的選擇…………………………………………………………………40 4.2 存儲器芯片的選擇……………………………………………………………42 4.3 I/O接口芯片選擇……………………………………………………………42 5 控制系統(tǒng)選型設計…………………………………………………………………43 5.1主控微機8031的性能特點……………………………………………………45 5.2 鍵盤和顯示器接口…………………………………………………………….46 5.3 操作按鈕的設置及操縱面板…………………………………………………48 5.4 固態(tài)繼電器的控制接口電路………………………………………………49 6 X5230數控銑床軟件設計………………………………………………………………50 6.1各軟件流程圖……………………………………………………………………50 6.1.1 管理軟件的設計…………………………………………………………51 6.1.2控制軟件的設計…………………………………………………………52 6.2逐點比較插補法的軟件設計……………………………………………………52 6.2.1逐點比較法直線插補……………………………………………………53 6.2.2逐點比較法圓弧插補……………………………………………………54 6.2.3逐點比較法的速度分析…………………………………………………55 6.2.4逐點比較法的象限處理…………………………………………………56 6.3 銑刀半徑補償的方法…………………………………………………………57 6.4 棱角過渡處理及嘗試…………………………………………………………62 參考文獻 ………………………………………………………………………………64 結 論……………………………………………………………………………………65 1緒 論 1.1引言 現在數控機床的應用越來越廣泛，與普通機床相比，數控機床采用計算機控制，自動化程度高，加工精度好，對于單件小批量及形狀復雜零件的加工尤為合適。目前，設備數控化程度的高低已經直接影響到了企業(yè)的生存。擁有大量普通機床的工廠，正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這些廠家效益不好的主要原因，一方面是大量普通機床閑置造成浪費，另一方面是沒有足夠的資金購買新的數控設備。因此，投入較少的資金，把原有機床進行升級改造，使之變成數控機床，就成了解決問題的最好辦法?，F在，機床的改造，特別是把普通機床改造成經濟型數控機床，已成為企業(yè)設備投資的重要組成部分。而在數控機床改造中，由于經濟型數控機床具有優(yōu)良的性價比，因此很有市場前景，同時適合我國國情。據此，我們將在普通銑床的基礎上進行數控化改造。這樣將普通銑床發(fā)展成為經濟型數控銑床，既節(jié)省資金，縮短開發(fā)周期，又可以滿足加工要求，減輕工人勞動強度，提高工作效率。 將X5230普通銑床改造為數控銑床，在設計上，我們主要從主軸、傳動系統(tǒng)、電氣、頭架以及工作臺等方面著手進行改進，同時盡量保持X5230原有的結構及零件。 1.2國內外研究的現狀 由于歷史的原因，我國普通加工設備多，數控加工設備少；老設備多，新設備少。許多企業(yè)的機床精度差、故障率高。通過機床數控改造使普通機床不僅具有好的加工精度，而且還具有數控機床的功能。對于中小型企業(yè)，沒有足夠的資金來購買全功能的數控機床。使用單片機控制步進電機的經濟型開環(huán)數控機床，具有花錢少、見效快的特點。采用經濟型數控技術改裝加工批量零件的機床非常合適。 在美國、日本等發(fā)達國家，機床改造被稱為新的經濟增長行業(yè)，春意盎然，正處在黃金時代。我國的機床改造業(yè)，也從老行業(yè)進入到以數控技術為主的新行業(yè)，機床改造業(yè)稱為機床再生業(yè)。同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60%～80%的費用?，F在原有的普通機床已越來越不能適應目前市場競爭激烈、高效率和多變的要求，所以，數控機床已越來越受到市場的青睞。數控技術是制造業(yè)實現自動化、柔性化、集成化生產的基礎；數控機床主要由數控裝置、伺服機構和機床主體組成。輸入數控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數控裝置的鍵盤直接手動輸入。數控機床加工零件不僅效率高，能多變，而且，只需對程序進行修改，就可以滿足客戶的加工能力要求。但為了節(jié)省資金，不淘汰原有的普通機床設備，對舊機床加以改造。這樣既可節(jié)約成本，又能獲得數控機床的性能，滿足生產的需要。 近年來，隨著對機加工產品要求的不斷提高和數控技術的飛速發(fā)展，數控機床以其精度高、效率高和工人勞動強度低等諸多普通機床無法比擬的優(yōu)勢，成為當今制造業(yè)的主流加工設備。 1.3本文的選題及主要研究內容 1.3.1本文的選題 目前，在機械加工企業(yè)中，有許多舊式普通銑床，為了讓機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工需求，充分利用普通銑床，就需要對普通銑床進行數控化改造。因此，本文的選題是對普通銑床進行數控化改造。 機床數控化改造是提高我國機床數控化程度的主要手段之一，到現在已有20多年的歷史，取得了不少經驗，但也走了許多彎路。其中失敗的原因主要是機床數控化改造工藝不完善，如：機床改造以前沒有進行可行性分析或只定性分析；所設計或選擇的數控系統(tǒng)性能不穩(wěn)定；機床的關鍵部件選擇不合理及接口設計電路不合理等。目前數控化改造大都局限在中、小型銑和車床上。 1.3.2 主要研究內容 對普通銑床進行數控化改造，主要有以下幾種方法：第一種是以微機作為控制元件，通過對機床的進給系統(tǒng)進行改造，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)；第二種是以可編程控制器作為控制元件，替代機床繼電器和接觸器組成的電氣控制部分，這樣可提高機床電氣控制系統(tǒng)的可靠性；第三種方法是采用數控設備來控制機床的伺服進給系統(tǒng)，其伺服進給為步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 本機床的數控化改造分兩部分進行： 一是維修機械部分，更換、修理磨損的零件，調整基礎零件，恢復和提高機床精度和性能。如：主要提高機床基礎件的幾何精度和主軸系統(tǒng)的旋轉精度等；選配數控系統(tǒng)，改造成CNC機床。 1．進給系統(tǒng)的改造設計 從強度、效率、剛度和穩(wěn)定性等方面對縱、橫向進給系統(tǒng)分別進行計算，進而選擇縱、橫、垂向滾珠絲杠；從轉動慣量、轉動力矩、最大靜轉矩和頻率等方面對縱、橫、垂向步進電機分別進行計算，進而選擇縱、橫、垂向步進電動機；通過設計計算選擇縱、橫、垂向步進電機和滾珠絲杠之間配套的減速齒輪。此減速齒輪自行設計制造。 2．主傳動系統(tǒng)的改造設計 為降低改裝的費用，保持機床的原有精度，主傳動系統(tǒng)基本不變，保持原機床的手動變速，改造后使主運動和進給運動分離，數控系統(tǒng)只用于控制主軸的起、停、升、降和正、反轉及冷卻液的開、關。主傳動系統(tǒng)仍采用原電動機驅動，只是將主軸改裝成由步進電機經滾珠絲杠帶動的可升降主軸。 二是電氣部分的改造，機床的主軸、冷卻、風扇等均需系統(tǒng)自動控制，為此需設計接口轉換電路和強電控制電路。電器元件可保留原機床中的變壓器、自動斷路器、接觸器等。拆除電控箱，原位安裝改造后的電控箱。 數控機床開機后需回參考點操作，可在合適的位置設置接近開關。返回參考點過程中收到開關信號減速停止，在此位置即為參考點位置。在加工過程中防止工作超程，在X、Y、Z軸正負極限位置也設置相應的接近開關進行超程保護。 2 X5230銑床總體改造方案及機械部分設計 2.1 設計要求 2.1.1設計基本思路 普通機床進行數控化改造后，系統(tǒng)應能控制主軸啟停、升降并實現其正反轉；控制工作臺應能實現縱向、橫向和垂直方向的進給運動；控制冷卻和潤滑；通過鍵盤輸入加工程序；由顯示器顯示加工狀態(tài)等。 1．數控部分 機床中的主軸、冷卻、潤滑、風扇等均需系統(tǒng)自動控制，為此需設計接口轉換電路和強電控制電路。電器元件可保留使用原機床中的變壓器、自動斷路器、接觸器等。拆除原電控箱，原位置安裝改裝后的電控箱。 2．機械部分 X5230普通銑床，主要用于加工平面、溝槽，也可以加工各種曲面、臺階平面等，改造后的機床要求具有自動加工方式。 2.1.2設備改造前后性能指標 1．設備改造前技術參數 X軸最大行程 mm 550 Y軸最大行程 mm 320 Z軸最大行程 mm 120 工作臺垂直行程 mm 380 主軸端工作臺距離 mm 40～420 主軸中心到機身距離 mm 170～760 主電機功率 Kw 1.5kw 主軸孔錐度 mm R8 控制方式 人工 改造前，設備的操作必須由工人控制完成，無法進行自動加工。由于設備老化，加工精度已降低，而且維護費用、故障率都居高不下。 2．設備改造后技術參數 X軸最大行程 mm 550 Y軸最大行程 mm 320 Z軸最大行程 mm 120 工作臺垂直行程 mm 380 主軸端工作臺距離 mm 40～420 主軸中心到機身距離 mm 170～760 主電機功率 Kw 1.5kw 主軸孔錐度 mm R8 X軸脈沖當量 mm 0.01 Y軸脈沖當量 mm 0.01 Z軸脈沖當量 mm 0.005 重復定位精度 mm 0.01 控制方式 程序控制 改造后，設備的操作改由單片機控制，實現了自動化加工和柔性加工，加工精度也得到了提高。同時，使設備的故障率明顯降低，維護費用也減少了。工人的勞動強度也跟著減輕，而工作效率得到了極大的提高，從前一些無法加工的工件，現在也可以加工了。例如，可以進行直線和圓弧插補計算等。通過改造設備，使普通銑床的加工范圍得到了提高。 2.2 改造方案的確定 2.2.1改造目的 企業(yè)要在當前競爭激烈的市場環(huán)境中生存和發(fā)展，就必須能夠迅速地更新和開發(fā)出新產品，以最低的價格、最好的質量、最短的時間去滿足市場需求。相比較而言， 普通機床已不適應市場對多品種、小批量零件的生產加工要求， 而數控機床是綜合了微電子、計算機、自動控制、自動檢測等先進技術的新型機床， 最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要更換零件及加工程序，就可以滿足加工要求，因此能很好地適應產品頻繁變化的需要。 改造的目的主要有以下幾個方面： 1．節(jié)約資源，降低加工成本。利用原來的普通機床進行數控化改造，提高機械設備的數控化程度。 2．實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運，從而有效提高零件加工精度，減小尺寸分散度，使裝配容易，不需要再修配。 3．實現加工的自動化和柔性化，效率可比普通機床提高三到七倍。 4．降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力，減少工裝，縮短新產品試制周期和生產周期，并可以對市場作出快速反應。 2.2.2總體方案設計 普通銑床經過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大， 主要傳動零件幾經更換和調整，故障率居高不下，采用傳統(tǒng)的修理方法很難達到大修驗收標準，而且費用較高。因此合理選擇改造方案是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數控機床的改造目的是要求機床穩(wěn)定可靠，以盡可能低的故障率運轉。因此，用來進行改造的機床最好是七八成新的機床。 總體方案設計如下： 1．將進給機構的絲杠、操作杠全部拆除，縱、橫、垂向進給系統(tǒng)的傳動部分改由步進電機經滾珠絲杠直接帶動； 2．將主軸電機的啟、停、正反轉改由數控系統(tǒng)控制。 2.3 縱向進給系統(tǒng)的改造設計與計算 1．改造參數（如表2-1所示）： 表2-1 改造參數 工作臺工作面積 mm 1220×300 X軸最大行程 mm 550 Y軸最大行程 mm 320 Z軸最大行程 mm 120 工作臺垂直行程 mm 380 主軸端工作臺距離 mm 40～420 主軸中心到機身距離 mm 170～760 主電機功率 Kw 1.5kw 主軸孔錐度 mm R8 X軸脈沖當量 mm 0.01 Y軸脈沖當量 mm 0.01 Z軸脈沖當量 mm 0.005 重復定位精度 mm 0.01 電源 V/Hz 380/50 2．銑削力的計算 圖2-1 縱向進給系統(tǒng)計算圖 縱向進給系統(tǒng)的計算圖如圖2-1所示。根據《簡明銑工手冊》，對高速鋼圓柱銑刀，銑削力的計算公式為： Fz=9.81CFzapxffzyfaeufzKF/[d0qf(60n)wf] 式中：CFz—系數，其值取決于切削條件和工件材料。當工件為碳鋼時，根據《簡明銑工手冊》表3-13，取CFz=65，ae=4mm； fz—每齒進給量，取fz=0.1mm； ap—背吃刀量， 取ap=30mm； z—銑刀齒數， 取z=4； d0—銑刀直徑， 取d0=27mm； n—銑刀轉數； xf、yf、uf及wf—公式中各個參數的指數； KF—切削條件改變時，切削力的修正系數。 其中參數按實際加工過程中平均銑削條件為標準來選擇。 由已知條件，取xf=1.0、yf=0.72、uf=0.86、wf=0、qf=0.73，加工碳鋼時，σb=637Mpa，其修正系數KF由《簡明銑工手冊》表3-14得： KF=（σvb /673）0.3=（637/673）=1，Fz=4313N 用圓柱銑刀進行逆銑加工時： 水平銑削分力PH=（1～1.2）Fz，取PH=1.1 Fz 垂直銑削分力PV=（0.2～0.3）Fz，取PV=0.25 Fz 軸向分力P0=（0.35～0.4）Fz，取P0=0.375 Fz 由此可算出： 軸向銑削力P0=0.375×4313=1.617（kN）； 周向銑削力P= Fz（PH2+PV2）1/2=4313×（1.12+0.252）1/2=4.865（kN） 3．滾珠絲杠螺母副的計算和選型 ① 強度校核計算 根據《機床設計手冊》，燕尾形導軌工作時軸向力Pm為： Pm=kPx+f＇(Py+Pz+G) 式中：k—考慮顛覆力矩影響的系數，取1.4； f＇—導軌上的摩擦系數，取0.2； Px、Py、Pz—切削分力， Px=2P/3=（2/3）×4.865=3.243（kN）， Py=0，Pz= P0=1.617（kN）。 G—工作臺重量，G=80×9.8=784=0.784（kN）。 由此可得： Pm=1.4×3.243+0.2×（1.617+0.784）=4.54+0.48=5.02（kN） 壽命值為： L=60NT=60×10×1500=9×105（r） 式中：L—工件壽命（r）； N—滾珠絲杠的轉速（r/min）； T—使用壽命時間（h），數控機床一般為1500h； fH—滾珠絲杠工作載荷，fw=1.2、fH=1.1。 最大負荷為： C=L1/3fHfWPm=(9×105)1/3×1.2×1.1×5.02=6.37（kN） 初選滾珠絲杠的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷Ca不得小于最大動載荷C，即Ca≥C。 假如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉（N≤10r/min）下工作并受載，那么還需要考慮另一種失效形式——滾珠絲杠接觸面上的塑性變形。即考慮滾珠絲杠的額定載荷C0a是否大大超過了滾珠絲杠的工作載荷fh，一般使C0a/Pm=2～3。 根據最大動載荷C的值，可查表選取滾珠絲杠的型號，如選用CDM3206-5（表示外循環(huán)插管式雙螺母墊片預緊，公稱直徑Dm為32mm，基本導程為6mm，螺紋旋向為右旋），其Ca的值為22.78kN，所以強度足夠。 ② 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率η為： η=tanλ/tan（λ+φ） 絲杠螺旋升角λ=3°25′，滾珠絲杠螺母副的滾動摩擦系數f=0.003～0.004，φ≈10′，則： η=tan3°25′/ tan3°35′= tan3.41°/ tan3.58°=0.0596/0.0625=0.95 ③ 滾珠絲杠螺母副的選型 a.絲杠的導程和轉速 電動機最大轉速為1440r/min，取使用時最高轉速為1000r/min，電動機經過聯軸器、齒輪傳動和絲杠相連，工作臺最大速度，故絲杠的導程應為。絲杠轉速：強力切削30r/min，一般切削50r/min，精細車削60r/min，快移80r/min。 b．當量載荷和當量轉速 c. 初選滾珠絲杠副 查表可采用型號為CDM3206-5，即為滾珠外循環(huán)插管埋入式反向器，雙螺母墊片預緊的滾珠絲杠副。d0=32mm，Ph=6mm。額定動負荷為22.78kN，大于算出的C值，精度等級選3 級。，預緊力FP=0.25Ca=4.5kN。大于最大軸向載荷的三分之一，這種絲杠是可用的。 d. 絲杠螺紋部分長度Lu Lu等于工作臺最大行程（550mm）加螺母長度（150mm），再加上兩端余量（40mm）。 Lu=550+150+402=780mm。 e. 支撐跨距L1 L1應略大于Lu，取為L1=900mm。 f. 臨界轉速 = 查《機床設計手冊》，可知一端固定，一段游動時，f2=3.93 LC= 一端固定，一端游動時，絲杠一般不會受壓，故不需要壓桿進行壓桿校核。 g. 預拉伸計算 (a) 溫升引起的伸長量，設溫升為，則螺線部分伸長量為： 絲杠全長的伸長量為： 為此，絲杠的目標行程可定為比公比行程小0.04/1.30mm。絲杠在安裝時，進行預拉伸。拉伸量為0.05mm。 (b) 預拉伸力Ft，根據《材料力學》歐拉公式： h. 軸承的選擇 根據《機床設計手冊》圖3.7—21選用深溝球軸承，軸承型號采用6204，d=20，D=47，B=14。 （a） 預負荷 軸承的負荷不應小于最大載荷的1/3，絲杠一端固定，故軸承的最大載荷等于預拉伸力Ft加最大外載荷的一半。 故符合要求。 （b）疲勞壽命的計算 軸承要求的動負荷可按式（3.8—2）計算 考慮到數控機床本身的特點，上式中系數KpKlKNKn均取1。 進給力的方向是可變的，軸承負荷可能是P=Fm，也可能是P=Ft-，兩者機會均等。故取其平均值P=Ft。 當量轉速nm=53.5r/min，故fn=0.932， 如軸承壽命為15000h，則fh=3.11，CC= 可以看出，6204型號的軸承額定動負荷69500N夠用，。所以可以選軸承型號為6204。 ④ 剛度驗算 滾珠絲杠副工作負載Fm引起的導程變化量 式中 L0=6mm，彈性模量，工作負載Fm=1594N，滾珠絲杠截面積 則： 滾珠絲杠副受扭矩引起的導程變化量引起的導程變化量很小，可以忽略不計。查《機床設計手冊》可知，三級精度的絲杠允許的軸向誤差為4mm，故剛度足夠。 4．減速齒輪副的設計 初選脈沖當量δp=0.01mm，步進電動機步距角θb=0.72°，絲杠螺距L0=6mm 所求減速比: i= Z2/ Z1=θb×L0/（360δp）=0.72°×6/(360×0.01)=1.2 減速齒輪副的設計: 此處設計的減速齒輪副是開式齒輪傳動，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動力的齒輪模數一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數ha*=1，頂隙系數c*=0.25。為了提高開式齒輪傳動的耐磨性，要求有較大的模數，因而齒數應少一些，一般取Z1=17～20，此處取Z1=20，故Z2= Z1i =20×1.2=24，取Z2=24。 因此，齒輪1的主要幾何尺寸為： 分度圓直徑：d=zm=20×2=40mm 齒頂圓直徑：da1=m（Z1+2 ha*）=2×（20+2×1）=44mm 齒根圓直徑：df1=m（Z1－2 ha*－2c*）=2×（20－2×1－2×0.25）=35mm 基圓直徑：db1= d1cosα=40×cos20°=37.59mm 節(jié)圓直徑：d1＇= db1/cosα=37.59/cos20°=40.002mm 齒輪2的主要幾何尺寸為： 分度圓直徑：d=zm=24×2=48mm 齒頂圓直徑：da2=m（Z2+2 ha*）=2×（24+2×1）=52mm 齒根圓直徑：df2=m（Z2－2 ha*－2c*）=2×（24－2×1－2×0.25）=43mm 基圓直徑：db2= d2cosα=48×cos20°=45.11mm 節(jié)圓直徑：d2＇= db2/cosα=45.11/cos20°=48.01mm 步進電機的選擇 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 1．等效轉動慣性量計算 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上總的轉動慣量： JΣ =J1+(z1/z2)2[( J2+ Js)+(pM/2π)] 式中 JM ———步進電機轉子轉動慣量，kgcm2 ; J1 ， J2 ———齒輪z1 ，z2 的轉動慣量，kgcm2 ; J s ———滾珠絲杠轉動慣量，kgcm2 。 參考同類機床，初選混合式步進電機110BYG ， 其轉子轉動慣量：JM = 4.6 kgcm2 ， J1 = 0.77 ×10-8d41 L1 = 0.32 gcm2 ， J2 = 0.77×10-8d42 L2 = 0.72 kgcm2 ， JS=7.35×10-3 ×1.1 ×104= 80.85kgcm2 ， 又p=6mm，M = 700 N ， 得： JΣ = 95.33kgcm2 2．電機力矩計算 機床在不同的工況下，所需轉矩不同，下面分別按各階段計算: 快速空載起動所需力矩Mq 最大轉數nmax=500 r/min 起動加速時間ta = 25 ms 加速力矩Mamax = JΣ ×nmax /（9.6×ta) =1.979 Nm 折算到電機軸上的摩擦力矩 Mf=F0p/2πηi=0.574Nm 附加摩擦力矩M0 = Famaxp/2πηi（1-η02）= 0.908 Nm 則： Mq = Mamax + Mf + M0 = 3.461 Nm 以此項作為初選步進電機的依據。查表，110BYG5502型最大靜轉矩為16Nm。大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。 3．步進電機空載起動頻率和銑削時的工作頻率 110BYG5502型步進電機允許的最高空載起動頻率為2300 Hz ，運行頻率為20000 Hz。當快速運動和銑削進給時，110BYG5502型步進電機運行頻率。特性完全可以滿足要求。 3 X5230數控銑床硬件電路設計 3.1概述 隨著微電子技術在數控領域中的廣泛應用和數控系統(tǒng)的功能不斷擴大，體積和價格已有大幅度降低，可靠性有很大提高(平均無故障時間為1萬小時)。但全功能數控系統(tǒng)價格仍然較貴，而在許多應用場合，其功能卻不能充分利用。為了降低造價，又具有適用的功能，便出現了適應不同范圍、簡化功能的經濟型數控系統(tǒng)和數控機床。經濟型數控的主要特點是價格低廉、功能簡化、編程簡單和數控裝置的體積小。鑒于經濟型數控的特點，它特別適合于形狀簡單的中小批量、多品種零件批量生產。 3.2控制系統(tǒng)硬件基本組成 經濟型數控機床應用較廣的是開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒有位置和速度反饋電路，不像閉環(huán)伺服系統(tǒng)那樣需要進行復雜的設計計算與試驗校正。因此，系統(tǒng)具有結構簡單、使用維護方便、可靠性高和制造成本低等一系列優(yōu)點，特別適用于此次對普通銑床進行數控化改造的技術要求?？刂葡到y(tǒng)硬件基本組成框圖如圖3-1所示。 圖3-1 控制系統(tǒng)基本組成框圖 從經濟性要求出發(fā)，此次改造我們選用步進式控制系統(tǒng)。步進式伺服系統(tǒng)主要由步進電動機的驅動控制線路和步進電動機兩部分組成，如圖3-2所示。系統(tǒng)中指令信號是單向傳遞的，驅動控制線路接收數控裝置發(fā)出的進給脈沖信號，并將其轉換為控制步進電動機各相定子繞組依次通、斷電的信號，使步進電動機運轉。步進電動機的轉子與機床絲杠連在一起（也可通過齒輪傳動接到絲杠上），帶動絲杠轉動，從而使工作臺運動。也就是說，步進式伺服系統(tǒng)受驅動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電信號通過步進電動機轉變?yōu)榫哂幸欢ù笮『头较虻臋C械角位移，通過機械傳動帶動工作臺移動。 圖3-2驅動控制線路框圖 3.3控制系統(tǒng)設計 根據步進式伺服系統(tǒng)的工作原理，步進電動機驅動控制線路的功能是將具有一定頻率f、一定數量和方向的進給脈沖轉換成控制步進電動機各相定子繞組通斷電的電平信號。電平信號的變化頻率、變化次數和通電順序與進給指令脈沖的頻率、數量和方向對應。為了能夠實現以上功能，一個較完善的步進電動機驅動控制線路由脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路、環(huán)形分配器和功率放大器組成，如圖3-2所示，其中脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路和環(huán)形分配器可用硬件來實現，也可用軟件來實現。 3.3.1脈沖混合電路 無論是來自于數控系統(tǒng)的插補信號，還是各種類型的誤差補償信號、手動進給信號及手動回原點信號等，其目的無非是使工作臺正向進給或反向進給。首先必須將這些信號混合為使工作臺正向進給的“正向進給”信號或使工作臺反向進給的“反向進給”信號。 3.3.2加減脈沖分配電路 當機床在進給脈沖的控制下正在沿某一方向進給時，由于各種補償脈沖的存在，可能還會出現極個別的反向進給脈沖，這些與正在進給方向相反的個別脈沖指令的出現，意味著執(zhí)行元件即步進電動機正在沿著一個方向旋轉時，再向相反的方向旋轉極個別幾個步距角。一般采用的方法是，從正在進給方向的進給脈沖指令中抵消相同數量反向補償脈沖，因此，我們采用軟件來實現這種功能。 3.3.3加減速電路 加減速電路又稱自動升降速電路。根據步進電動機加減速特性，進入步進電動機定子繞組的電平信號的頻率變化要平滑，而且應有一定的時間常數。但由加減脈沖分配電路來的進給脈沖頻率的變化是有躍變的。因此，為了保證步進電動機能夠正常、可靠地工作，此躍變頻率必須首先進行緩沖，使之變成符合步進電動機加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進電動機的定子繞組。加減速電路就是為此而設置的。如圖3-3所示是一種加減速電路的原理框圖。 圖3-3加減速電路的原理框圖 該加減速電路由同步器、可逆計數器、數模轉換電路和RC變頻振蕩器四部分組成。同步器的作用是使得進給脈沖（其頻率為）和由RC變頻振蕩器來的脈沖（其頻率是）不會在同一時該出現，以防止和同時進入可逆計數器，使可逆計數器在同一時刻既作加法又作減法，產生計數錯誤。RC變頻振蕩器的作用是將經數模轉換器輸出的電壓信號轉換成脈沖信號，脈沖的頻率與電壓值的大小成正比。數模轉換線路的作用是將數字量轉換為模擬量。 系統(tǒng)工作前，先將可逆計數器清“0”，振蕩器輸出脈沖的頻率=0。 進給開始時，進給脈沖的頻率由0躍變到，而=0，可逆計數器的存數i以頻率變化增長。但由于開始時計數器內容為0，RC變頻振蕩器輸出脈沖的頻率也就由0以對應于計數器存數增長的速度逐漸增大，增加以后，又反饋回去使可逆計數器作減法計數，抑制計數器存數的增長。計數器存數i增長速度減小之后，振蕩器輸出脈沖的頻率增加的速度也隨之減小，經時間t1后，=（=），達到平衡，如圖3-4所示，這就是升速過程。 圖3-4加減速電路輸入輸出特性曲線 在=后，計數器存數i增長速度為0，即存數不變，因而振蕩器的頻率亦穩(wěn)定下來，這就是勻速過程。 若經過一段時間t2后，進給脈沖由f2突變?yōu)?，計數器的存數便以=的頻率下降，相應地，振蕩器輸出的脈沖頻率隨之下降，直到計數器為0，=0，步進電動機停止運轉，這就是降速過程。 在整個升速、勻速和降速過程中，進給脈沖使可逆計數器作加法計數，RC變頻振蕩器的輸出脈沖使可逆計數器作減法計數，而最后計數器的內容為0，故進給脈沖的個數和RC變頻振蕩器的輸出脈沖的個數相等。由于RC變頻振蕩器輸出的脈沖是進入步進電動機的工作脈沖，因此，經過該加減速電路保證不會產生丟步。 3.3.4環(huán)形分配器 環(huán)形分配器的作用是把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉換成控制步進電動機定子繞組通電、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。如對于三相三拍步進電動機，若“1”表示通電，“0”表示斷電，A，B，C是其三相定子繞組，則經環(huán)形分配器后，每來一個進給脈沖指令，A，B，C應按（100）→（010）→（001）→（100）→…的順序改變一次。環(huán)形分配器有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種形式。 硬件環(huán)形分配器是由觸發(fā)器和門電路構成的硬件邏輯線路。實際上現在市場上已經有集成度高、抗干擾性強的PMOS和CMOS環(huán)形分配器芯片供選用。下面主要介紹用計算機軟件實現脈沖序列分配的軟件環(huán)形分配器。 下面是基于查表法的軟環(huán)形分配器的程序設計方法，本次銑床改造我們采用五相混合式步進電動機。 圖3-5三坐標步進電動機伺服進給系統(tǒng)框圖 如圖3-5所示為三坐標步進電動機伺服進給系統(tǒng)框圖。x向y向和z向步進電動機的五相定子繞組分別為A1、B1、C1、D1、E1相，A2、B2、C2、D2、E2相和A3、B3、C3、D3、E3相，分別經各自的放大器、光電耦合器與計算機的PIO（并行輸入/輸出接口）的PA0—PA14相連。環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表如表3-1、表3-2和表3-3所示。表中的內容即是步進電動機的勵磁狀態(tài)，與接口接線緊密相關。 表3-1 X向步進電動機環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 X向步進電動機 節(jié)拍 序號 E1 D1 C1 B1 A1 存儲單元 方向 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 地址 內容 0 0 0 0 0 1 2A00H 01H 反轉 ↑ ↓ 正轉 1 0 0 0 1 1 2A01H 05H 2 0 0 0 1 0 2A02H 02H 3 0 0 1 1 0 2A03H 04H 4 0 0 1 0 0 2A04H 03H 5 0 1 1 0 0 2A05H 10H 6 0 1 0 0 0 2A06H 06H 7 1 1 0 0 0 2A07H 09H 8 1 0 0 0 0 2A08H 07H 9 1 0 0 0 1 2A09H 08H 表3-2 Y向步進電動機環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 Y向步進電動機 節(jié)拍 序號 E2 D2 C2 B2 A2 存儲單元 方向 PB4 PB3 PB2 PB1 PB0 地址 內容 0 0 0 0 0 1 2A10H 04H 反轉 ↑ ↓ 正轉 1 0 0 0 1 1 2A11H 24H 2 0 0 0 1 0 2A12H 05H 3 0 0 1 1 0 2A13H 15H 4 0 0 1 0 0 2A14H 14H 5 0 1 1 0 0 2A15H 45H 6 0 1 0 0 0 2A16H 25H 7 1 1 0 0 0 2A17H 44H 8 1 0 0 0 0 2A18H 34H 9 1 0 0 0 1 2A19H 35H 表3-3 Z向步進電動機環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 Z向步進電動機 節(jié)拍 序號 E3 D3 C3 B3 A3 存儲單元 方向 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 地址 內容 0 0 0 0 0 1 2A20H 08H 反轉 ↑ ↓ 正轉 1 0 0 0 1 1 2A21H 28H 2 0 0 0 1 0 2A22H 10H 3 0 0 1 1 0 2A23H 20H 4 0 0 1 0 0 2A24H 18H 5 0 1 1 0 0 2A25H 50H 6 0 1 0 0 0 2A26H 30H 7 1 1 0 0 0 2A27H 48H 8 1 0 0 0 0 2A28H 38H 9 1 0 0 0 1 2A29H 40H 查表法的關鍵是根據步進電動機當前勵磁狀態(tài)和要求的正向或反向運轉的要求，如何從表中找到相應單元地址，并取出地址的內容輸出。當然要用查表程序中用的基址（表格首址）加索引值（序號）的方法。正轉時，只要步進電動機當前狀態(tài)序號不是表底序號，序號加1就是一下狀態(tài)的序號：若是表底序號，需要將表底序號修改成表首序號。反轉時，須判斷當前序號是不是表首序號，若不是表首序號則序號減1；若是表首序號，需要將表首序號修改成表底序號。 3.3.5功率放大器 從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電動機的定子繞組需要幾安培電流。因此，需要對環(huán)形分配器來的信號進行功率放大，以提供幅值足夠、前后沿較好的勵磁電流。常用的有單電壓供電功放電路和雙電壓供電功放電路。這里我們選擇雙電壓供電功放電路。雙電壓供電功率放大器又稱高低電壓供電功放器，如圖3-6所示為高低壓供電定時切換電路的工作原理。 該電路包括功率放大級（由功率管Vg，Vd組成）、前置放大器和單穩(wěn)延時電路。二級管VDd是用作高低壓隔離的，VDg和Rg是高壓放電回路。高壓導通時間由單穩(wěn)延時電路整定，通常為100～600μs，對功率步進電動機可達幾千微秒。 當環(huán)形分配器輸出高電平時，兩只功率放大管Vg，Vd同時導通，電動機繞組以+80V電壓供電，繞組電流按L/（Rd+r）的時間常數向電流穩(wěn)定值ug/（Rd+r）上升，當達到單穩(wěn)延時時間時，Vg管截止，改由+12V供電，維持繞組額定電流。若高低壓之比為ug/ud，則電流上升率也提高ug/ud倍，上升時間明顯減小。當低壓斷開時，電感L中儲能通過Rg，VDg及ug和ud構成的回路放電，放電電流的穩(wěn)態(tài)值為（ug-ud）/(Rg+Rd+r)，因此也加快了放電過程。這種供電電路由于加快了繞組電流的上升或下降過程，故有利于提高步進電動機的起動頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是低壓維持的，只需較小的限流電阻，所以功耗大為減小。 圖3-6 雙電壓供電功率放大器 （a）原理方框圖 （b）波形圖 3.4坐標運動系統(tǒng) 數控機床的坐標運動系統(tǒng)也就是進給系統(tǒng)必須保證由計算機發(fā)出的控制指令轉換成符合要求的相應角位移或直線位移，帶動運動部件運動。根據工件加工的需要，在機床上各運動坐標的數字控制可以是相互獨立的，也可以是聯動的。總的來說，數控機床對進給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應三個方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅動電機，同時也需要高質量的機械結構與之匹配。鑒于此次我們選用的是步進電機，為提高進給系統(tǒng)機械結構性能，可以采用下述的幾項主要措施。 3.4.1提高系統(tǒng)機械結構的傳動剛度 傳動剛度高對于開環(huán)數控進給系統(tǒng)的重要性在于開環(huán)進給系統(tǒng)需將計算機控制指令忠實可靠地轉換成要求的機械位移。由于開環(huán)系統(tǒng)不再有檢測元件檢查運動部件的實際位移，這種轉換精度決定了加工的精度。提高進給系統(tǒng)機械結構傳動剛度的措施主要有以下幾項。 （1）提高傳動元件的剛度。 （2）消除傳動元件之間的間隙。 （3）盡可能縮短進給傳動運動鏈的長度。 （4）采用預緊措施。預加載荷可以消除滾動摩擦傳動副的間隙和提高其傳動剛度，也可以提高傳動元件的剛度。如絲杠可采用兩端軸向固定和預拉伸的方法來提高其傳動剛度。 3.4.2采用低而穩(wěn)定摩擦的傳動副 數控機床進給系統(tǒng)多采用剛度高、摩擦系數小而穩(wěn)定的滾動摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌等。聚四氟乙烯導軌和靜壓導軌由于其摩擦系數小，阻尼大，也被數控機床進給傳動所采用。 3.4.3最佳慣量匹配 為保證伺服驅動電機的工作性能和滿足傳動系統(tǒng)對控制指令的快速響應的要求，進給傳動系統(tǒng)的慣量必須滿足： 0.5≤≤0.8 式中，Jm為伺服電機轉子的轉運慣量，可由伺服電機的樣本中查得；Jk為系統(tǒng)所有元件折算到電機軸上的全部轉動慣量，其計算公式為： 式中：Ji——轉動件的轉動慣量（kg·m2）； ni，nk——各轉動件和電機軸的轉數（r/min）； mj——各移動件的質量（kg）； vj——各移動件的速度（m/min）。 由于在通常情況下，傳動系統(tǒng)機械結構的慣量總是大于要求的數值，故而在設計時為得到最佳的慣量匹配，總是希望傳動系統(tǒng)中元件的質量和慣量要小一些，降速比則要大一些。 3.4.4提高傳動件精度 高質量的機械傳動配合與高性能的伺服電機使現代數控機床進給系統(tǒng)性能有了大幅度提高，。隨著控制系統(tǒng)分辨率從0.001mm提高到0.0001mm，普通精度級數控機床的定位精度目前已從0.012mm/300mm提高到±0.005～0.008mm/300mm，精密級的定位精度已從0.005mm/全行程提高到±0.0015～0.003mm/全行程，重復定位精度也已提高到0.001mm。 由于在提高傳動精度和剛度、消除間隙以及在慣量匹配等方面的努力，使數控機床進給傳動系統(tǒng)的快速響應能力，即伺服系統(tǒng)的響應能力和機械傳動裝置的加速能力方面有了大幅度提高，過渡過程時間已能控制在200ms之內，正在向提高到幾十毫秒之內發(fā)展。隨著快速響應能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，進給速度已能達到24m/min（分辨率0.1μm），快速進給速度已能達到100m/min（分辨率0.1μm） 3.5電源 眾所周知，高速加工技術發(fā)展迅速，而推動這種發(fā)展趨勢的正是數控機床，如何合理利用好數控機床的各項性能和維護好機床的精度，就顯得至關重要。電源是維持系統(tǒng)正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接結果是造成系統(tǒng)的停機或毀壞整個系統(tǒng)。另外，數控系統(tǒng)部分運行數據，設定數據以及加工程序等一般存儲在RAM存儲器內，系統(tǒng)斷電后，靠電源的后備蓄電池或鋰電池來保持數據。因而，停機時間比較長，插拔電源或存儲器都可能造成數據丟失，使系統(tǒng)不能運行。同時，由于數控設備使用的是三相交流380V電源，所以安全性也是數控設備安裝前期工作中重要的一個環(huán)節(jié)，基于以上的原因，對數控設備作用的電源有以下的要求： 1．電網電壓波動應該控制在+10%～－15%之間，而我國電源波動較大，質量差，還隱藏有如高頻脈沖這類的干擾，加上人為的因素（如突然拉閘斷電等）。電高峰期間，例如白天上班或下班前的一個小時左右以及晚上，往往超差較多，甚至達到±20%。使機床報警而無法進行正常工作，并對機床電源系統(tǒng)造成損壞。甚至導致有關參數數據的丟失等。這種現象，在CNC加工中心或車削中心等機床設備上都曾發(fā)生過，而且出現頻率較高，應引起重視。建議在CNC機床較集中的車間配置具有自動補償調節(jié)功能的交流穩(wěn)壓供電系統(tǒng)；單臺CNC機床可單獨配置交流穩(wěn)壓器來解決。 2．建議把機械電氣設備連接到單一電源上。如果需要用其他電源供電給電氣設備的某些部分（如電子電路、電磁離合器），這些電源宜盡可能取自組成為機械電氣設備一部分的器件（如變壓器、換能器等）。對大型復雜機械包括許多以協同方式一起工作的且占用較大空間的機械，可能需要一個以上的引入電源，這要由場地電源的配置來定。除非機械電氣設備采用插頭/插座直接連接電源處，否則建議電源線直接連到電源切斷開關的電源端子上。如果這樣做不到，則應為電源線設置獨立的接線座。電源切斷開關的手柄應容易接近，應安裝在易于操作位置以上0.6m～1.9m之間。上限值建議為1.7m。這樣可以在發(fā)生緊急情況下迅速斷電，減少損失和人員傷亡。 3．數控設備對于壓縮空氣供給系統(tǒng)的要求。數控機床一般都使用了不少氣動元件，所以廠房內應接入清潔的、干燥的壓縮空氣供給系統(tǒng)網絡。其流量和壓力應符合要求。壓縮空氣機要安裝在遠離數控機床的地方。根據廠房內的布置情況、用氣量大小，應考慮給壓縮空氣供給系統(tǒng)網絡安裝冷凍空氣干煤機、空氣過濾器、儲氣罐、安全閥等設備。 4．數控設備對于工作環(huán)境的要求。精密數控設備一般有恒溫環(huán)境的要求，只有在恒溫條件下，才能確保機床精度和加工精度。一般普通型數控機床對室溫沒有具體要求，但大量實踐表明，當室溫過高時數控系統(tǒng)的故障率大大增加。潮濕的環(huán)境會降低數控機床的可靠性，尤其在酸氣較大的潮濕環(huán)境下，會使印制線路板和接插件銹蝕，機床電氣故障也會增加。因此中國南方的一些用戶，在夏季和雨季時應對數控機床環(huán)境有去濕的措施。 a．工作環(huán)境溫度應在0～35°C之間，避免陽光對數控機床直接照射，室內應配有良好的燈光照明設備。 b．為了提高加工零件的精度，減小機床的熱變形，如有條件，可將數控機床安裝在相對密閉的、加裝空調設備的廠房內。 c．工作環(huán)境相對溫度應小于75%。數控機床應安裝在遠離液體飛濺的場所，并防止廠房滴漏。 d．遠離過多粉塵和有腐蝕性氣體的環(huán)境。 3.6 控制臺 控制臺也就是計算機數字控制裝置，即CNC系統(tǒng)。它是由程序、輸入/輸出設備、CNC裝置、可編程控制單元等組成。CNC裝置是數控系統(tǒng)的核心，它是一臺專用計算機，控制各種執(zhí)行部件的位移量并使之協調運動。在CNC裝置中，一般將顯示器和機床操作面板做在一起，以便實現手動數據輸入，將CPU、存儲器、位置控制器、輸出接口等做在一起，構成CNC裝置。 計算機數控系統(tǒng)是一種以計算機為硬件，并在計算機中存儲控制程序（根據不同機床的工作需要編制的），計算機運行控制程序，執(zhí)行對機床運動的數字控制功能。數控系統(tǒng)分輪廓控制和點位控制系統(tǒng)，輪廓控制系統(tǒng)比較復雜、功能齊全，有的甚至還包括了點位控制功能的內容；點位控制系統(tǒng)比較簡單。 由圖3-7可以看出，CNC系統(tǒng)由程序、輸入/輸出設備、計算機數字控制（CNC）裝置、可編程控制單元、主軸控制單元和速度控制單元等組成。而且，數控系統(tǒng)能自動閱讀輸入載體上事先給定的數字值、并將其譯碼，從而使機床動作和加工出零件。 圖3-7 CN