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摘 要
本文重點(diǎn)介紹 XZ50C 多功能立式機(jī)床的數(shù)字改造的設(shè)計(jì)方法和思路以及數(shù)控系統(tǒng)的硬件、軟件開(kāi)發(fā)，將現(xiàn)代信息化時(shí)代的數(shù)控技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域上。在加工領(lǐng)域使用微型計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)進(jìn)給的能力，為企業(yè)的數(shù)字化管理以及經(jīng)濟(jì)的提高開(kāi)創(chuàng)了一篇新天地。
本文針對(duì)以上該機(jī)床存在的缺陷進(jìn)行如下的數(shù)字化改造，具體如下：
（1） 分析國(guó)內(nèi)外機(jī)床數(shù)控機(jī)床發(fā)展的現(xiàn)狀，以及深究 XZ50C 多功能機(jī)床改造的價(jià)值與意義，并分析改造后的收益；
（2） 比對(duì)數(shù)控機(jī)床以及現(xiàn)有機(jī)床的性能，探討數(shù)控改造的方案，其中包括整體方案設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、伺服控制以及微電子 PLC 控制等設(shè)計(jì)；
（3） 針對(duì)不同的數(shù)控傳動(dòng)控制方式，詳細(xì)的探討了數(shù)控傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法， 其中包括機(jī)床的垂直、縱向、橫向的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，還包括詳細(xì)的電機(jī)選型、滾珠絲杠的校核計(jì)算等一系列安全設(shè)計(jì)；
（4） 采取插補(bǔ)程序降低了機(jī)床的機(jī)械誤差，同時(shí)增強(qiáng)了多功能機(jī)床的安全性， 很大程度上，多功能機(jī)床加工精度等級(jí)得到了提高，中小企業(yè)的經(jīng)濟(jì)有了一定的保障。
關(guān)鍵詞：多功能機(jī)床；數(shù)控改造；滾珠絲杠；傳動(dòng)系統(tǒng)
I
Abstract
This article focuses on the numerical control conversion scheme and single-chip microcomputer system design of the XZ50C multi-functional vertical milling drilling machine, combining the traditional machinery with the existing numerical control technology. The use of microcomputers in the processing field can realize the automatic feed function, providing an effective and feasible way for the enterprises to carry out numerical control transformation of the equipment.
T
This paper aims at the digital transformation of the machine tool for the above defects, as follows:
（1） Analyze the current status of the development of CNC machine tools at home and abroad, as well as the value and significance of the transformation of XZ50C multi-function machine tools, and analyze the benefits of the transformation;
（2） Compare the performance of numerically-controlled machine tools and existing machine tools, and discuss the plans for numerical control transformation, including overall design, transmission design, servo control, and micro-electronics PLC control;
（3） ） Aiming at different numerical control transmission control methods, the design method of the numerical control transmission system was discussed in detail, including the vertical, vertical and horizontal transmission design of the machine tool, as well as detailed motor selection and verification calculation of the ball screw. Safety design；
（ 4 ） adoption of interpolation procedures to reduce the mechanical error of the machine tool, but also increase the reliability of the machine tool, improve the machining accuracy of the machine tool, and greatly protect the economic benefits
Key words ： Multifunctional machine tools ； CNC Retrofit; Ball Screw; Transmission System
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史及趨勢(shì) 1
1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展階段 1
1.2.2 國(guó)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r 1
1.2.3 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r 2
1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 2
1.3.1 XZ50C 多功能銑鉆床簡(jiǎn)介 2
1.3.2 XZ50C 多功能機(jī)床改造的必要性 3
1.3.3 XZ50C 多功能機(jī)床數(shù)控化改造的內(nèi)容 3
1.3.4 XZ50C 多功能銑鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn) 3
第二章 XZ50C 多功能銑鉆床數(shù)控改造總體方案 1
2.1 引言 4
2.2. XZ50C 多功能銑鉆床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)任務(wù) 4
2.3 XZ50C 機(jī)床數(shù)控改造總體方案 5
2.3.1 多功能機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)布置 5
2.3.2 多功能機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)方式 5
2.3.3 多功能機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)方案 6
2.3.4 多功能機(jī)床的伺服系統(tǒng) 8
2.3.5 多功能機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理 8
2.3.6 多功能機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)芯片的選擇 8
2.3.7 多功能機(jī)床的單片機(jī)設(shè)計(jì) 9
2.3.8 多功能機(jī)床的電器原理 9
2.3.9 多功能機(jī)床的接口電路設(shè)計(jì) 10
第三章 XZ50C 多功能機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12
3.1 引言 12
3.2 XZ50C 多功能機(jī)床縱向傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12
3.2.1 多功能機(jī)床系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 12
3.2.2 多功能機(jī)床的切削力 12
3.2.3 多功能機(jī)床縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 13
3.2.4 多功能機(jī)床縱向伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算 14
3.3 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的確定 15
3.3.1 多功能機(jī)床橫向進(jìn)給絲杠的選擇 15
3.3.2 多功能機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)最大負(fù)載 C 的計(jì)算 16
3.3.3 多功能機(jī)床橫向伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算 16
3.3.4 多功能機(jī)床空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 17
3.4 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床垂直方向進(jìn)給系統(tǒng)的確定 18
3.4.1 多功能機(jī)床垂直方向絲杠的選擇 18
3.4.2 多功能機(jī)床垂直方向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)滾珠絲杠的計(jì)算 18
3.4.3 多功能機(jī)床垂直方向伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算 18
3.4.4 多功能機(jī)床空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 19
第四章 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床數(shù)控插補(bǔ)程序控制 21
4.1 引言 21
4.2 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床數(shù)控插補(bǔ)程序控制概述 21
4.3 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床直線、圓弧插補(bǔ)程序 21
4.3.1 多功能機(jī)床直線及圓弧插補(bǔ)程序結(jié)構(gòu) 21
4.3.2 多功能機(jī)床直線插補(bǔ)程序 22
4.3.3 多功能機(jī)床圓弧插補(bǔ)程序 24
結(jié) 論 28
參考文獻(xiàn) 29
附錄 1 外文文獻(xiàn) 29
附錄 2 中文翻譯 46
致 謝 52
小型機(jī)床的數(shù)控改造
第一章 緒論
1.1 引言
數(shù)控機(jī)床不但可以實(shí)現(xiàn)程序的輸入以及控制機(jī)床的啟動(dòng)，還可以完成刀具的選擇、改造、工件的緊、釋放和冷卻啟動(dòng)，停止等動(dòng)作，使刀具和工件等輔助裝置嚴(yán)格按照 數(shù)控程序的要求來(lái)工作。這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)加工的數(shù)字化生產(chǎn)與控制，不光可以減少 人力，也可以減少零件材因?yàn)檎J(rèn)為的原因而破壞讓費(fèi)。
1.2 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史及趨勢(shì)
1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展階段
數(shù)控機(jī)床使得從人類在農(nóng)業(yè)和工業(yè)社會(huì)創(chuàng)造上取得了質(zhì)的飛躍，這些機(jī)床的出現(xiàn)增強(qiáng)了人類的勞動(dòng)力，也為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了一定的基礎(chǔ)。
1）數(shù)控（NC）階段
一開(kāi)始數(shù)控機(jī)床的數(shù)控部分計(jì)算速度非常低。 被稱為硬件連接數(shù)控
（HARD-WIRED NC），簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）[1]。2）計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段
美國(guó)INTEL 公司首次在世界上將成為計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最重要的組件-計(jì)算器和控制器 ， 集 成 在 芯 片 中 的 大 規(guī) 模 集 成 電 路 技 術(shù) 的 使 用 被 稱 為 微 處 理 器
（MICROFROCESSOR），也被稱為中央處理單元（CPU）數(shù)控系統(tǒng)得到了質(zhì)的飛躍。還應(yīng)該指出的是，雖然外國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)更名為計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC），但中國(guó)仍然使用NC。
1.2.2 國(guó)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r
在當(dāng)今社會(huì)美國(guó)、日本、德國(guó)他們的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展非常成熟，但因其社會(huì)條件不一樣，所以其發(fā)展的狀態(tài)也各不相同。
（1） 美國(guó)的數(shù)控發(fā)展史
美國(guó)政府為了提高國(guó)家的機(jī)械化生產(chǎn)能力，在數(shù)字改造上提供足夠的資金來(lái)不斷的創(chuàng)新機(jī)床技術(shù)，使得美國(guó)成為最具有機(jī)械效益的國(guó)家，也帶動(dòng)著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力快速的增長(zhǎng)。
（2） 德國(guó)的數(shù)控發(fā)展史
德國(guó)政府也非常重視機(jī)床在國(guó)家經(jīng)濟(jì)中的重要戰(zhàn)略地位，別是在大規(guī)模，重型和精密數(shù)控機(jī)床在質(zhì)量和性能方面位居世界前列。
（3） 日本的數(shù)控發(fā)展史
11
日本政府也十分重視本國(guó)的機(jī)床科技的發(fā)展。從發(fā)展至今，其不斷地開(kāi)發(fā)創(chuàng)新， 設(shè)計(jì)使得在機(jī)械領(lǐng)域猶如一批黑馬快速的沖進(jìn)師姐錢(qián)二的位子，最終截止目前其數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和出口量均占世界第一位的位子。
1.2.3 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r
1958 年，中國(guó)才開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)行數(shù)控技術(shù)研究。后來(lái)，自 20 世紀(jì) 70 年代初以來(lái)，數(shù)控技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車，銑削，磨削，齒輪加工和電氣加工等領(lǐng)域。后來(lái)中國(guó)引進(jìn)了日本，美國(guó)和其他國(guó)家的一些數(shù)控裝置和伺服單元技術(shù)來(lái)提高我國(guó)的生產(chǎn)效益，再后來(lái)我國(guó)也開(kāi)始該方面的開(kāi)發(fā)與研究。為了滿足機(jī)械行業(yè)不同層次的需求， 各種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)也已經(jīng)開(kāi)發(fā)并被廣泛使用。目前，中國(guó)已經(jīng)建立了基于中低端數(shù)控機(jī)床的工業(yè)系統(tǒng)。
1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的意義
數(shù)控機(jī)床的該著就是時(shí)期擁有自動(dòng)化的功能，更換加工對(duì)象時(shí)，只需更換零件加工程序，不需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)整，即可滿足經(jīng)常變化的加工要求[2]。
1.3.1 XZ50C 多功能銑鉆床簡(jiǎn)介
多年來(lái)，XZ50C 多功能銑鉆機(jī)（如圖 1.1 所示）以其極高的應(yīng)用范圍和性價(jià)比， 占據(jù)了國(guó)內(nèi)鉆機(jī)銷售市場(chǎng)的很大比例。其在某種程度上來(lái)說(shuō)不具備自動(dòng)化生產(chǎn)能力， 即缺少數(shù)字控制的能力，在當(dāng)今這個(gè)信息化的社會(huì)，該型號(hào)的機(jī)床如果想一直長(zhǎng)期的穩(wěn)定市場(chǎng)上地位就必須與時(shí)俱進(jìn)裝上微型電腦、伺服電機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制生產(chǎn)。
圖 1.1 XZ50C 多功能銑鉆床
1.3.2 XZ50C 多功能機(jī)床改造的必要性
從宏觀角度來(lái)看，1995 年中國(guó)機(jī)床擁有率（CNC 比例）中數(shù)控機(jī)床的比例僅為
1.9 ％。
從微觀角度來(lái)看，數(shù)控機(jī)床具有以下優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)床的突出優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)勢(shì)源于數(shù)控系統(tǒng)中所含計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能。
(1) 可以加工傳統(tǒng)機(jī)床無(wú)法加工的曲線，曲面等復(fù)雜零件。(2)可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化
(3) 能夠達(dá)到機(jī)加工零件表面的精度很高。另外，可以集中多個(gè)過(guò)程并減少機(jī)床之間部件的頻繁處理。
(4) 具有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守生產(chǎn)。
1.3.3 XZ50C 多功能機(jī)床數(shù)控化改造的內(nèi)容
XZ50C 多功能銑鉆機(jī)數(shù)控改造的主要內(nèi)容如下：
（1） 恢復(fù) XZ50C 多功能機(jī)床的精度;
（2） 原 XZ50C 多功能機(jī)床中的控制系統(tǒng)改造成自動(dòng)化的系統(tǒng);
（3） 對(duì) XZ50C 多功能銑鉆機(jī)床重新設(shè)計(jì)以提高其效率；
（4） 革新原機(jī)床的設(shè)備結(jié)構(gòu)，使其能夠處理級(jí)別和等級(jí)要求更高的零件。
1.3.4 XZ50C 多功能銑鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn)
（1） 減少投資額、交貨期短
與購(gòu)買(mǎi)別國(guó)的新性機(jī)床相比，自主的開(kāi)發(fā)改造可以節(jié)省 60％至 80％的成本，且轉(zhuǎn)換的成本也低。
（2） 機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限
諸如 XZ50C 多功能銑床和鉆床床身和立柱等基礎(chǔ)零件都是重型和強(qiáng)力鑄造零件， 而不是焊接零件的種類。XZ50C 高性能，高質(zhì)量的鉆孔機(jī)可作為多年來(lái)的新設(shè)備。但由于原有的 XZ50C 多功能銑鉆機(jī)械結(jié)構(gòu)的局限性，不宜進(jìn)行突破性改造。
（3） 對(duì)設(shè)備掌握熟悉、便于操作維修
如果是買(mǎi)想裝備，可能一些功能還不是完全理解，但是使用原機(jī)床的基礎(chǔ)上改造， 那么操作人員已經(jīng)了解了機(jī)床的特點(diǎn)，只需要稍加培訓(xùn)，就可以快速的投入生產(chǎn)，且操作維護(hù)有效。
（4） 可充分利用現(xiàn)有的條件
現(xiàn)有的基礎(chǔ)可以充分利用，而不需要像購(gòu)買(mǎi)新設(shè)備那樣重建基礎(chǔ)。
第二章 XZ50C 多功能數(shù)控機(jī)床改造總體方案
2.1 引言
數(shù)控機(jī)床的整體改造可分為：伺服電機(jī)系統(tǒng)研發(fā)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的確定和移動(dòng)方法的設(shè)計(jì)，控制程序的芯片類型的選擇等。
2.2. XZ50C 多功能數(shù)控機(jī)床改造設(shè)計(jì)任務(wù)
XZ50C 多功能數(shù)控機(jī)床傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算：
設(shè)計(jì)并繪制 XZ50C 多功能機(jī)床的原理圖，并對(duì) X 方向，Y 方向和 Z 方向的組裝圖進(jìn)行數(shù)字化變換。
(1) 技術(shù)要求：
主要技術(shù)參數(shù)
參數(shù)尺寸
最大加工直徑（mm）
F 400
鉆削能力（mm）
F 32
平磨能力（mm）
F 120
立銑能力（mm）
F 25
鏜孔能力（mm）
F 100
主軸鉆孔（mm）
3 M.T.N
主軸轉(zhuǎn)數(shù)（rmp）
160~3000
電機(jī)功率（KW）
1.1
工作臺(tái)尺寸（mm）
630x200
轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)
12
(2) 多功能機(jī)床定位系統(tǒng)設(shè)定
為了實(shí)現(xiàn)多功能數(shù)字控制，該數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該尤 X 軸，Y 軸和 Z 軸組成的笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位以及一些插補(bǔ)算法的插補(bǔ)計(jì)算。
2.3 XZ50C 機(jī)床數(shù)控改造總體方案
2.3.1 多功能機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)布置
實(shí)現(xiàn) XZ50C 多功能銑鉆床的數(shù)控化，是在該機(jī)床非自動(dòng)化的裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行添加電機(jī)、微型電腦、單片機(jī)、伺服電機(jī)等一些列電子控制設(shè)備，其數(shù)控的機(jī)床主要組成如圖 2.1 所示[3]。
圖 2.1 XZ50C 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布置
2.3.2 多功能機(jī)床的機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式
數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)需要滿足一定的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，因此在開(kāi)發(fā)機(jī)床傳動(dòng)方式時(shí)，低慣性，高剛度，無(wú)間隙，高共振性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們需要關(guān)注很多地方，但主要關(guān)注點(diǎn)如下：
1） 盡可能使用低摩擦驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向元件。
2） 在傳動(dòng)系統(tǒng)中，有必要避免傳動(dòng)部件在開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)間隙。
3） 增強(qiáng)新開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的強(qiáng)度。
本設(shè)計(jì)課題，為了達(dá)到機(jī)床的加工精度，XZ50C 多功能銑鉆床就必須采用交流伺服電機(jī)減速后帶動(dòng)滾珠絲杠來(lái)工作。
1）絲杠 2）回路 3）螺帽 4）滾珠圖 2.2 絲杠部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
如圖 2.2 所示，絲杠和螺帽均采用帶有一定弧形的螺旋刀片加工而成，它們與螺旋槽一起形成滾珠的滾道。滾珠安裝在滾道上。
2.3.3 多功能機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)方案
1）Z 向絲杠 2）Y 向絲杠 3）X 向絲杠圖 2.3 多功能機(jī)床系統(tǒng)傳動(dòng)圖
多功能機(jī)床的滾珠絲杠能夠達(dá)到的傳動(dòng)效率大約為0.94 ，其大小約是那些普通機(jī)床的絲杠傳遞效率的3倍 。且對(duì)于機(jī)床的傳動(dòng)級(jí)數(shù)而言，為了能夠?qū)崿F(xiàn) 9~12 級(jí)的傳動(dòng)級(jí)數(shù)，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，采用 3x2x2 的級(jí)數(shù)調(diào)節(jié)方法。具體的傳動(dòng)級(jí)數(shù)如圖 2.4 所示。定位精度高，剛度好。
圖 2.4 系統(tǒng)的傳動(dòng)級(jí)數(shù)
在鉆銑床的設(shè)計(jì)中，總降速比可以設(shè)定為 u=125/1440=0.087。為了使降速變得緩慢，在一開(kāi)始增加一對(duì)降速傳動(dòng)齒輪副其齒數(shù)比為（ 24 / 34 ），再加上前面已確定的其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要三次變速，所以在這里我們需要使用四組變速機(jī)構(gòu)，在主軸 V 上標(biāo)記 12 個(gè)速度：本設(shè)計(jì)的速度變化范圍是125～1600r / min ,其中在第Ⅰ 軸上用A 點(diǎn)代表電動(dòng)機(jī)的原始轉(zhuǎn)速n0 = 1440r/ min ，降速后的最低轉(zhuǎn)速可以用E 表 示，因此 A,E 兩點(diǎn)總
降速傳動(dòng)比為ut =
1 。其齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)圖如圖 2.5 所示。
圖 2.5 齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)圖
2.3.4 多功能機(jī)床的伺服系統(tǒng)
由于改裝的XZ50C 數(shù)控鉆床應(yīng)具有鉆孔和銑平面等功能，因此這里應(yīng)該選擇連續(xù)的控制系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)，且采用MCS - 51系列8031 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)[4]。
(1) 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
該系統(tǒng)可分為三種類型的控制：點(diǎn)控制，虛線和連續(xù)控制。
(2) 電力系統(tǒng)中伺服電機(jī)模型的選擇
一般機(jī)床上的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)。
其中閉環(huán)伺服控傳遞系統(tǒng)在機(jī)床運(yùn)動(dòng)部分安裝有檢測(cè)反饋元件，其伺服控制精度高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的有所不同，它得不到工作臺(tái)的移動(dòng)距離，但是可以通過(guò)輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的檢測(cè)與控制功能?？傊?，成功率，技術(shù)難度，準(zhǔn)確性，投資等因素已經(jīng)結(jié)合在一起。
(3) 控制芯片的選擇
數(shù)控系統(tǒng)的核心其實(shí)就是微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得其他設(shè)備在微型計(jì)算機(jī)的控制下按照一定的與其設(shè)計(jì)來(lái)正常工作，從而加工出我們所需要的零件。
2.3.5 多功能機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理
（1） 數(shù)控系統(tǒng)中的主控器
目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有 8086、8088 等 16 位機(jī)的 CPU，在這里本文選用 MCS—51 系列中的 8031 芯片。該芯片有很多的優(yōu)點(diǎn)而且操作可簡(jiǎn)單，容易上手。
（2） MCS—51 單片芯片功能介紹
MCS — 51系列的單片機(jī) 的主要產(chǎn)品可分為8031、8051和8751 這三種。該系列產(chǎn)品
是集成了 CPU ， I
/ O端口和部分RAM
的強(qiáng)大控制器。而且期功能開(kāi)發(fā)完整，可編
輯性強(qiáng)，其可使用的硬件種類也非常廣泛。
其中 8031 的基本功能是：一般特性中具有 8 個(gè) CPU 共同運(yùn)算；片內(nèi)產(chǎn)生的時(shí)鐘電路平率高，且執(zhí)行元件的反映速度也非常快。
因此，從上述特征可以看出，塊 8031 的功能等同于微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[5]。
2.3.6 多功能機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)芯片的選擇
組成多功能數(shù)控機(jī)床的芯片有很多，這里通過(guò)芯片的 EPROM 與 RAM 這兩種型號(hào)來(lái)作為選擇的依據(jù)。
在選擇 EPROM 類型的時(shí)候需要關(guān)注其讀取速度，因?yàn)樽x取的速度才是確定系統(tǒng)能否正常工作的必要條件。
2.3.7 多功能機(jī)床的單片機(jī)設(shè)計(jì)
與通用的存儲(chǔ)方式不同，8031 芯片只能支持一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其中的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都是具有獨(dú)立的尋址地址。在本文選擇使用 EPROM 型號(hào)的， 其對(duì)應(yīng)的地址為 0000H-1FFFH，需要擴(kuò)展 RAM 和 I / O 端口和外圍設(shè)備地址一致[6]。
2.3.8 多功能機(jī)床的電器原理
多功能機(jī)器的電氣轉(zhuǎn)換是將原機(jī)器的電路連接到CNC 系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)控制的回路實(shí)現(xiàn)了銑床原有垂直運(yùn)動(dòng)，垂直，水平等坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)等功能。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)該機(jī)床的數(shù)控化生產(chǎn)，那就需要首先修改原機(jī)床的電氣原理圖，通過(guò)改變其電氣原理圖來(lái)控制不同部件的通電得電從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)步驟的進(jìn)行有序的合理的實(shí)時(shí)操作，最終能夠加工出我們所需要的零件。在原先的電氣原理圖的理解掌握基礎(chǔ)上其修改后的電氣原理圖分別如圖 2.6 和圖 2.7 所示。
圖 2.6 電器原理圖 1
圖 2.7 電氣原理圖 2
（1） 多功能機(jī)床坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)方式
為了使的機(jī)床連續(xù)工作，且工作平穩(wěn)，在結(jié)構(gòu)上采用電纜將伺服電機(jī)與系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)柜相連接在一起， 通過(guò)這種方式，電機(jī)的數(shù)字控制可以通過(guò)供電來(lái)實(shí)現(xiàn)。
（2） 主軸的開(kāi)啟以及冷卻液的使用
主軸以及冷卻液的控制全部由控制電路中的的五個(gè)繼電器來(lái)控制。
1） 主軸的啟動(dòng)：當(dāng)主軸向前轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將控制繼電器 KM1的一組常開(kāi)觸點(diǎn)連接到啟動(dòng)按鈕SB1 的兩端。
2） 主軸的反轉(zhuǎn)：為了使轉(zhuǎn)換后的鉆機(jī)控制主軸，需要額外的交流接觸器 KM2
來(lái)構(gòu)成反向控制電路。
2.3.9 多功能機(jī)床的電路設(shè)計(jì)
在功能上所有的 8031 單片機(jī)的外接口都可以作為 I/ O 的外界連接接口，器具有很強(qiáng)的通用性。這里本文就采用 8031 單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)，在一定的層度上也可以擴(kuò)展數(shù)控機(jī)床的外界接口 [7]。
最終本文按照以上的設(shè)計(jì)方案確定的結(jié)構(gòu)總圖如圖 2.6 所示。
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圖 2.8 機(jī)床總圖
第三章 XZ50C 多功能機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 引言
通用多功能機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括：確定系統(tǒng)負(fù)載、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量、確定伺服電機(jī)的型號(hào)、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)等，本文具體的設(shè)計(jì)與選型如下。
3.2 XZ50C 多功能機(jī)床縱向傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2.1 多功能機(jī)床系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量
根據(jù)多功能數(shù)控鉆機(jī)的精度要求，本文可以首先確定該機(jī)床所需要的脈沖當(dāng)量為
0.01mm / setp 。
3.2.2 多功能機(jī)床的切削力
在參考 XZ50C 機(jī)床的使用說(shuō)明書(shū)與相應(yīng)的產(chǎn)品參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，XZ50 C 多功能機(jī)床的銑刀的銑削力、鉆頭切削力、磨刀的銑削力中，只要滿足銑刀的銑削力后其余均可滿足，因此這里選用圓柱銑刀來(lái)作為設(shè)計(jì)計(jì)算的考察點(diǎn)，則：
F = 9.81C a 0.86 f 0.72a zd -0.86 = 4427(N)
（3.1）
z FZ e z p 0
上式中， Fz 做為機(jī)床的主銑削力， CFZ 做為機(jī)床選擇的刀具的刀具系數(shù)， ae 為零件需要銑削時(shí)道具的接觸弧深度，z 為多功能機(jī)床的銑刀系數(shù)， fz 為刀具的切削三要素中的進(jìn)給量， d0 為該工步過(guò)程中所選銑刀的直徑[8]。
這里取ae =2.5mm， fz =0.2mm/齒，ap = 70mm，z = 4 ，d0 =25mm， CFZ =68.2。
f
當(dāng)開(kāi)始進(jìn)行反向銑削時(shí)，其對(duì)應(yīng)的各分力為 F
那么：
= 1.1 Fz ，F(xiàn)fN＝0.25 Fz ，F(xiàn)0 = 0.38 Fz
F0 =0.38FZ =0.38′4472=1.699（KN） （3.2）
那么通過(guò)以上計(jì)算可以得到其對(duì)應(yīng)的合力為：
F = = FZ
? 1.13FZ
= 5404( N )
（3.3）
在計(jì)算中，為了獲得一定的平均切削力，一周的平均值為：
F = 2 F = 2 ′ 5404 = 3603( N )
X 3 3
（3.4）
在刀具開(kāi)始工作時(shí)，其軸向的靜壓力為：
Fm = kFx +m(Fz + 2Fy + G)
（3.5）
在設(shè)計(jì)時(shí)，由于其采用的是三角形形導(dǎo)軌，因此次中的參數(shù)分別為 k = 1.15 ，
m= 0 .2 ，而 Fy =0， Fz =F0 =169（9 N）， G = 1.（4
KN），有上而得:
Fm =1.15′3.6′103+0.（2 1.699′103+1.4′103）= 4753.（8 N）
3.2.3 多功能機(jī)床縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
F
在傳遞中，機(jī)床的最大進(jìn)給力
f
= 169（9
N ），在這里通過(guò)了解現(xiàn)有的產(chǎn)品，工作
臺(tái)的重量為 M = 140 kg ，其中設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)軌與導(dǎo)軌都為鋼鐵結(jié)構(gòu)，因此參考文獻(xiàn)可得
其之間的摩擦系數(shù)為0.1，即計(jì)算其對(duì)應(yīng)的摩擦力大小為：
Fm in =
f G = 0 .1 ′ 1 4 0 ′ 1 0 = 1 4（0
N ） （3.6）
其對(duì)應(yīng)的絲杠最大預(yù)緊力為：
Fm ax = 1699 + 140 = 183（9 N ） （3.7）
其絲桿的平均載荷為： Fm = 4753 .（8 N ）
上式中， Fmax， Fmin為絲杠在所需要的最大和最小的載荷；在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用主軸的轉(zhuǎn)速在為 160~3000 rmp，所以折中取絲杠的最高轉(zhuǎn)速為1500r / min ，且按照設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)床需要的最小進(jìn)給速度為1mm / min ，因此絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r / min ，所以平均轉(zhuǎn)速為n =（1500 + 001）/ 2 ? 750r / min 。因此絲杠的使用壽命為：
L = 60nT
106
= 60 ′ 750 ′ 15000
106
= 675
（3.8）
上式中， L為機(jī)床的使用壽命，以106 r為1個(gè)單位， N 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（ r / min），其中的T 為滾珠絲杠的使用壽命 ，在這里按照工程經(jīng)驗(yàn)可以取數(shù)控機(jī)床的使用壽命為T(mén) =15000h 。
當(dāng)量動(dòng)載荷 C m 為：
C m =
m Lk p =
F
3
k a
0.9
= 69.4（9
KN） （3.9）
p
k
上式中，
為加載載荷的屬性系數(shù)，在無(wú)影響情況下取
1 : 1.2 ，一般大小1.2 : 1.5 ，
p a
采用 1.5?2.5 時(shí)有較大的沖擊振動(dòng)。這種設(shè)計(jì)k
=1.5k ，其中ka 為精度影響因素，
對(duì)于滾珠絲杠，取 ka = 0.9。在上面的計(jì)算后我們參照絲杠的選擇標(biāo)準(zhǔn)，這里可以確
定滾珠絲杠副的型號(hào)為 FYND3206 - 4 - P3 （如圖 2.2），也就是說(shuō)，內(nèi)圈，帶間隙型
雙螺母墊圈，公稱直徑為 32 毫米，間距為 6 毫米，精度為 P3，左手和球直徑為 3.969
毫米。額定動(dòng)載荷C m
= 6 9 .4 9 K N
， Cm
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