X5032普通立式铣床数控化改造毕业设计完整版

青岛理工大学毕业设计（论文） I 摘 要 数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研 究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。 本设计是对 X5032 普通立式铣床进行数控化改造。本设计说明书主要是介 绍数控机床的改造过程。随着社会的发展与信息时代的到来，机械产品的性质和 质量不断提高， 原有的机床已经不能满足生产的需要， 因此数控改造就成为必然。 本设计实际上就是在原有的基础上，利用计算机来提高机床的精度和生产率。同 时作为毕业设计，它有助于提高学生运用所学知识进行工程实践的能力。在这个 设计中，我对两个坐标轴作了改造，运用计算机对数据进行处理，然后用脉冲控 制步进电动机，实现两个方向上的进给。 在纵向机构上将原来机床的丝杠和安装座拆除， 换上滚珠丝杠和相应的安装 装置。步进电动机和减速器安装在机床的尾座。 在横向机构上拆除原来机构的丝杠，换上滚珠丝杠和相应的安装装置。步进 电动机和减速器安装在机床的后侧。 关键词：数控改造；丝杆；脉冲；进给；控制系统 青岛理工大学毕业设计（论文） II ABSTRACT CNC machine tools that the digital process control machinetools, is an automated machine tools.CNC numerical control machine tool technology is the coreof the study, manufacturingautomation, networking, flexible,integrated basis. This design is X502 ordinary vertical milling machine NCtransformation.This paper mainly introduced how to reformate numerically controlled machine.Along with societys development and arrival of information ages,quality and the quality of mechanical product are constantly raised, so transforming numerically controlled machine is necessary.This design is on original foundation,and use the computer to come to raise precision and the productivity of machine tool.at the same time as the graduation project,it contributes to raising and the student using the knowledge learned to carry on the ability of engineering practice.In this design,I did the transformation to two coordinate axes directions and use the computer to deal with the data,then servo the electrical machinery with the pulse control and realizes two directional feeds. At length ways organization full general originally the screw of tool machine and install tore down and make change to balls crew with correspond of install equip.repeating and retarder install bed tail in tool machine. On the horizontal organization full general originally the screw of tool machine and install tore down and make change to ball crew with correspond of install equip.repeating and retarder install after the tool machine of side. Key words: NC transformation；screw；pulse and feed；control system 青岛理工大学毕业设计（论文） III 目录 摘要 . Abstract . 目录 . 前言 . 1 第 1 章 数控改造总体方案的设计 . 5 1.1 系统总体改造方案的确定 . 5 1.1.1 功能与技术参数分析. 5 1.1.2 传动机构的选择 . 6 1.1.3 拟定总体方案 . 6 1.2 机械传动系统的改造方案的确定 . 6 1.3 微机控制系统方案的确定 . 6 1.3.1 微机控制系统的设计内容 . 7 1.3.2 微机控制系统的总体组成 . 7 1.3.3 软硬件系统的设计 . 7 第 2 章 机械部分（纵向）的设计计算 . 8 2.1 工作载荷分析及计算 . 8 2.1.1 铣削抗力分析 . 8 2.1.2 计算进给工作台工作载荷 . 9 2.2 滚珠丝杠螺母副的设计 . 10 2.2.1 滚珠丝杠螺母副机构类型的选择 . 10 2.2.2 滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤 . 10 2.3 脉冲当量和传动比的确定 . 18 2.3.1 确定系统脉冲当量 . 18 2.3.2 传动比的选定 . 18 2.3.3 齿轮传动的确定 . 18 第 3 章 进给伺服系统传动计算 . 20 青岛理工大学毕业设计（论文） IV 3.1 转动惯量的计算 . 20 3.1.1 齿轮、丝杠等圆柱体惯量的计算. 20 3.1.2 工作台折算到丝杠的转动惯量 . 20 3.1.3 传动系统折算到电机轴上的转动惯量 . 20 3.1.4 电机的转动惯量的确定 . 21 3.1.5 系统总的转动惯量 . 21 3.2 步进电机的计算和选用 . 21 3.2.1 电机力矩的计算. 21 3.2.2 步进电机的选择与校核 . 22 第 4 章 微机控制部分的设计 . 25 4.1 微机控制系统概述 . 25 4.1.1 微机控制系统的设计思路 . 25 4.1.2 微机控制系统基本硬件组成 . 26 4.2 系统介绍 . 26 4.2.1 单片机的选择 . 26 4.2.2 存储器的扩展 . 26 4.2.3 I/O 口的扩展 . 39 4.3 步进电机驱动控制电路 . 30 4.3.1 确定步进电机运行频率 . 30 4.3.2 驱动回路的时间常数 . 31 4.3.3 选用线路简单的串联电阻法 . 31 4.3.4 高压电源电压的确定. 31 4.3.5 元器件型号的确定 . 31 4.4 其他辅助电路的设计 . 34 4.4.1 急停、超程报警电路. 34 4.4.2 ISP 在线编程接口 . 34 4.4.3 复位电路. 35 4.4.4 时钟电路 . 35 青岛理工大学毕业设计（论文） V 第 5 章 微机控制系统软件设计 . 36 5.1 模块组成 . 36 5.2 缓冲区设置 . 36 5.2.1 键盘缓冲区 . 36 5.2.2 显示缓冲区 . 36 5.3 中断优先级 . 36 5.4 各模块说明及流程图 . 37 5.4.1 主模块 . 37 5.4.2 暂停键“STOP”子模块 . 38 5.4.3 中断模块 . 38 5.4.4 实时修改显示缓冲区数据模块. 39 第 6 章 数控机床的安装调试与验收 . 40 6.1 数控机床的安装调试 . 40 6.1.1 安装前的准备 . 40 6.1.2 机床主体初就位和连接 . 40 6.1.3 数控系统的连接和调试 . 41 6.2 数控机床的验收. 42 6.2.1 数控设备调试验收的必要性 . 42 6.2.2 数控设备调试验收的流程 . 44 6.2.3 数控设备调试验收的常见标准 . 45 设计小结 . 46 致谢 . 48 参考文献 . 49 附录 1 . 50 附录 2 . 66 青岛理工大学毕业设计（论文） 1 前言 随着科学技术的不断发展， 对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要 求，产品的更新换代也不断加快。因此，对数控机床的改造也就显得比较重要， 数控机床的设计与改造也成为工业发展的一个重要方面。 数控技术是通过计算机用数字化信息控制生产过程的一门自动化技术。 数控 技术是数控机床的核心技术，是机械制造业技术改造和技术更新的必由之路，是 未来工厂自动化的重要基础。 数控技术的的应用和发展正在改变着机械制造业的 面貌。数控技术不仅具有较强的理论性，更具有较强的实用性，其内容范围覆盖 很多领域：机械设计与制造技术、信息处理加工与传输技术、伺服驱动与控制技 术、传感器技术、软件开发与网络技术等。数控技术是由各种技术相互交叉、渗 透、有机结合而成的一门综合学科。 改造的主要内容 (1)恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； (2)CNC 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 NC 机床、CN C 机床； (3)翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新， 对机械部件重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新； (4)技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术， 在原有基础上较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 数控机床发展趋势 （1）精密化 近十年来，普通数控机床的加工精度已由 10um 提高到 5um，精密级加工中 心则从 3-5um 提高到 1-1.5um，而超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01um）。 目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到 1um。通过机床结构优化、制造和 装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振 青岛理工大学毕业设计（论文） 2 动误差补偿技术的应用等， 提高机床加工的几何精度、 运动精度、 减少形位误差、 表面粗糙度，从而进一步提高数控机床的加工精度。 （2） 高速化 要提高数控机床加工效率，首先就必须提高数控机床高切削速度、进给速 度和减少换刀时间。目前，高速主轴单元转速已达 100000r/min，有的主轴最高 转速达 200000r/m。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广 泛的适用性。因此，今后对数控机床加工的高速化要求越来越高。 （3） 工序集约化 工序集约化是指在一台数控机床上尽可能加工完一个零件的全部工序，同 时又保持机床的通用性，能够迅速适应加工对象的改变。由于一个零件的加工全 部在一台机床上完成，大大减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中 间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产 效率和制造商的市场反应能力， 相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优 势。由于工序集约化是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，因此必然会出现复 合机床多样性的创新结构。 （4） 智能化 随着计算机控制技术，信息技术和人工智能技术的发展成熟和其在数控机 床领域的广泛应用，新一代的数控机床不仅要完成必要的“体力劳动”而且要像 人一样具备“头脑”，能够独立自主地管理自己，并与企业的管理系统和人通信， 从而使企业管理人员和操作者、 供应商和用户能够随时知道机床的状态和加工能 力。 （5） 柔性化和开放性 随着数控机床的发展和应用，人们逐渐发现不同的专用计算机数控系统之 间不兼容所带来的很多弊病。因此，迫切需要配置灵活、功能扩展简便、便于统 一管理的数控系统的出现。另外，产品更新换代快和人们对产品多样化的需求， 使得市场对具有良好柔性和具有多种加工功能的制造系统的需求超过了对大型 单一制造系统的需求，这些趋势促使机床的数控系统朝着模块化、可重构、可扩 充的柔性化、开放性的方向发展。 （6） 极端化 青岛理工大学毕业设计（论文） 3 极端化是指数控机床有朝着极小化和极大化方向发展的趋势。 超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略技术。超精密加工技术和微 纳米技术发展需要有能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装 备，所以数控机床必然会朝着极小化（即微型机床）方向发展。 在国防、航空、航天、能源等基础产业中大型化装备的制造方面，需要有 大型且性能良好的数控机床的支撑，这是数控机床极大化（即巨型机床）方向发 展。 （7） 网络化 随着网络技术日趋成熟和在各行各业中的广泛应用， 使得网络技术在企业整 个运行过程中的地位越来越重要，网络化已经成为新一代数控系统的重要特征。 (8)绿色化 随着能源危机的加剧和日趋严格的环境保护政策的出台，对数控机床的设 计、制造、使用和回收等方面提出了更高的要求。数控机床在设计时要考虑：绿 色材料设计、可拆卸性设计、节能性设计、可回收性设计、模块化设计、绿色包 装设计等。 （8） 高可靠性 与传统机床相比，在数控机床中应用了大量的电气、液压和机电装置，增加 了数控系统和相应的监控装置等，使得机床出现失效的概率增大。为了减少因故 障停机造成机器闲置、提高机床利用率，这就要求数控机床具有较高的可靠性。 通过数控改造，可实现多品种、小批量零件的生产，可加工出传统机床加工 不出来的曲线、曲面等复杂的零件；降低操作工人的劳动强度，缩短生产周期， 对市场作出快速反应；易实现自动化，当拥有自动报警、监控、补偿等功能时可 实现无人看管加工；使用改造后的机床，技术等级较低的人员也可以加工出质量 高的产品，生产率也能得到提高。 该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对其进行数控化改造 后，成为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资 金的有效办法，是低成本自动化的必由之路 青岛理工大学毕业设计（论文） 4 通过该设计，提高运用所学的知识解决实际工程问题的能力，加深对所学知 识的理解，并且在实践中能扩大和补充知识，培养调查研究的习惯；增强查阅资 料、工具书、合理选择计算公式、科学计算、最后能以说明书和图纸表达设计思 想的能力。提高动手动脑能力，树立实事求是、认真严肃的工作学习态度。 青岛理工大学毕业设计（论文） 5 第1章 数控改造总体方案的设计 1.1 系统总体改造方案的确定 用微机控制实现机电一体化的改造能使机床适应小批量、多品种、复杂零件 的加工，提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。本设计 中利用微机实现机床的机电一体化改造的方法是采用标准的步进电机数字控制 系统作为主要控制系统，选用国内标准化的微机数控系统。这种标准的微机数控 系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，其 结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进 行插补运算产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲。微机进行 插补运算的速度较快可以让单片机每完成一次插补、 进给就执行一次延时程序由 延时程序控制进给速度。 X502 型铣床的外形及传动系统如图 1.1 所示。工件装在机床的工作台上， 铣刀装在刀杆上，铣刀和工件相互间的位置可用纵向、横向和升降台进给机构进 行调整。根据实际要求可对机械部分进行如下的改动，保留机床的原有主轴旋转 部分，保留原机床纵向进给的机动部分，将离合器脱开，去掉手轮 3、4，将手 轮轴通过一对齿轮与步进电机相连，用步进电机控制系统控制纵向工作台的移 动，工作台横向运动改为通过一对齿轮与步进电机相连的数控系统控制，工作台 升降移动仍然用手动。 为了保证精度要求横向及纵向工作台的丝杠为滚珠丝杠副 传动。 1.1.1 功能与技术参数分析 设计的最初环节必须理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。 比 如，普通铣床的数控改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来控制铣 床的运动提高铣床的加工精度和自动化水平， 满足多品种小批量零件加工的功能 要求。改装的目的一方面要提高加工的精度，另一方面利用数控方法加工任意圆 弧面或凸轮的曲面。设计任务提出了纵向走刀横向走刀的定位精度、走刀速度、 主轴变速等诸多技术参数。 保持原有的铣床的工艺范围外增加任意圆弧面或凸轮 青岛理工大学毕业设计（论文） 6 曲面的数控加工，同时控制纵、横向进给运动进行圆弧面或凸轮曲面的加工。并 且要求能够进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示 和通信功能，缩短非生产准备时间提高生产率。 1.1.2 传动机构的选择 针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一些原理性的构思。 因为所要 改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整并且加 工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题可以初步 选用 FFZD 型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠。它具有结构简单，工艺性优良， 承载能力较高，刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。之所以使用齿轮传动是因 为齿轮传动有以下特点： （1） 能保持瞬时传动比恒定，平稳性高，传递运动准确可靠； （2） 传递的功率和速度范围较大； （3） 结构紧凑、工作可靠，可实现较大传动比； （4） 传动效率高，使用寿命长； （5） 通过使用齿轮减速传动的作用可以使得对电动机的要求没有那么高。 1.1.3 拟定总体方案 通过对传动方式的选择之后，我们还要对运动、布局、结构、控制以及软件 等方面作出总体方案设计。方案可以同时作几个，经过技术和经济评价后选择其 中一种较合理的作为最优方案加以采用。比如普通铣床的数控化改造方案，应该 在满足改造设计任务的前提下尽可能对普通铣床作较少改动， 这样可以降低改造 成本。 1.2 机械传动系统的改造方案的确定 系统的机械传动改造方案中主要包括电机型号的选择，减速比的确定，齿轮 模数及齿数的确定，原有丝杠及导程是否重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时丝 杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。 1.3 微机控制系统方案的确定 青岛理工大学毕业设计（论文） 7 1.3.1 微机控制系统的设计内容 （1）控制系统硬件电路设计计算和参数选择。 （2）步进电机接口及驱动电路设计 1.3.2 微机控制系统的总体组成 数控部分采用单片机为核心的控制系统。 存储芯片的选择依据系统控制程序 的大小及 CPU 的字长，I/O 扩展芯片的个数根据整个系统需要的 I/O 通道的个数 来确定。 1.3.3 软硬件系统的设计 涉及软硬件任务分配的有控制步进电机的脉冲， 发生于脉冲分配数码显示的 字符，发生键盘扫描管理。硬件系统包括：(1)基本组成最小系统； （2）系统扩 展，其中包括：1)程序存储器扩展 2）数据存储器扩展 3）输入输出端口扩展 4） 综合功能扩展;（3）接口技术，其中包括：1）键盘接口技术 2）显示器接口； （4） 步进电机控制硬件电路。上述三个任务都可以用专用硬件芯片实现，也可以用软 件编程实现。用硬件实现编程比较简单，但同时硬件成本较高及故障较多。用软 件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时 应统筹兼顾同时还应根据设计者的软硬件方面的实际经验及能力。 软件系统包括： （1）软件结构与基本组成； （2）插补原理及软件程序； （3）步进 电机控制软件。 青岛理工大学毕业设计（论文） 8 第 2 章 机械部分（纵向）的设计计算 2.1 工作载荷分析及计算 根据指导书的分析，对于数控铣床来说，可采取按切削用量计算切削力法和 按主电机功率法计算切削力计算切削力法两种。 一般来说， 对于经济型数控铣床， 可采用按主电机功率计算切削力法。 其中主要计算铣削抗力及进给工作台工作载 荷。 2.1.1 铣削抗力分析 通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上。 设刀齿受到的铣削抗力的合力为 F,将 F 延铣刀轴线、径向和切向进行分解， 则分别为轴向铣削力 Fx、径向铣削力 Fy和切向铣削力 Fz。切向铣削力 Fz是延铣 刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电机功率及铣削功率最多，因此切向铣削力 Fz可按铣削功 Pm、Kw或主电机功率 P、Kw算出。 对于现有的机床的改装设计， 可以从已知机床的电机的功率和主轴上的功率 反推出工作台进给时的铣削力。若该机床的主传动和进给传动均用一个电机，进 给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数。由机床设计手册查得铣床 传动系数 k=0.85。 主传动功率 N 包括切削功率 Nc、空载功率 Nmo、附加功率 Nmc三部分，即： N=Nc+Nmo+Nmc。空载功率 Nmo是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率， 对于一般轻载高速的中、小型机床，可达总功率的 50%，现取 Nmo=0.5N 附加功率 Nmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率， 它直接与载荷大小有关。 有 公式 Nmc=(1- )Nc，所以总功率为 N=Nc+0.5N+(1- )Nc 则：Nc= 2 5.0 N 在进给传动中切削功率： Nct=KNc=k 2 5.0 N (2-1) 青岛理工大学毕业设计（论文） 9 上式中 k-铣床的传动系数 -传动效率 = 主电机的功率 主动轴上的传动功率 主轴上的传动功率 N=1.45KW，主电机的功率 N=2.2KW。因此可得 = 2.2 45.1 =0.6591 查手册得：k=0.85，因此可得 Nct= 6364.0-2 ）4.15.0（85.0 =0.4596(KW) 切削时在主轴上的扭矩为： Mn= n Nct0.01955000 = 5.47 4596.09550 =92.403(N/m) 上式中 n-主轴的最小转速 已知 n=47.5（r/min） 切向切削力： Fz= d Mn = 2.3 3789.9240 =2887.6189(N) 上式中：d铣刀的最大直径（cm）,由题设条件知 d=3.2cm 2.1.2 计算进给工作台工作载荷 作用在进给工作台上的合力F与铣刀刀齿受到的铣削抗力的合力F大 小相同，方向相反。合力 F就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工 作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力，工作台纵向进给方 向载荷 Fl，工作台横向进给方向载荷 Fc 和工作台垂直进给方向载荷 Fv。 下面是三组 Fl、Fv、Fc 范围之内的最大值计算 （1） 组端铣-对称铣削 Fl=0.4Fz=0.42887.6189=1155.05（N） Fc=0.95Fz=0.952887.6189=2473.24(N) Fv=0.55Fz=0.552887.6189=1588.19(N) （2） 组端铣-逆铣 青岛理工大学毕业设计（论文） 10 Fl=0.9Fz=0.92887.6189=2598.86（N） Fc=0.7Fz=0.72887.6189=2021.33（N） Fv=0.55Fz=0.552887.6189=1588.19(N) （3） 组端铣-顺铣 Fl=0.3Fz=0.32887.6189=866.29（N） Fc=1.0Fz=1.02887.6189=2887.62（N） Fv=0.55Fz=0.552887.6189=1588.19(N) 由于铣床是两轴联动，所以只考虑端铣，无需考虑周铣，则考虑采用第 三组数据。 2.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 2.2.1 滚珠丝杠螺母副结构类型的选择 因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中 不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件，并考虑 到经济成本问题，可以初步选用“内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副” 。它 具有结构简单，工艺性优良，承载能力较高，刚度高，预紧可靠，不易松弛 等优点。它主要适用于重载荷、高刚度、高速驱动及较精密的定位系统，是 目前应用得较广泛的结构。 2.2.2 滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤 1.计算最大工作载荷 有题设已知条件，铣床导轨的类型为综合导轨。查手册可得最大工作载 荷 Fm Fm=KFt+f(Fv+G) (2-2) 该式中 K=1.15; 取 f=0.16（f=0.150.18） （摩擦系数） ；G 为工作台及夹具总重量 的 1/2;有题设已知条件可得 G=400N。 将以上数据及先前计算得到的三组 Fl、Fv、Fc数据代入公式（2-2） ，可 得到三组相应的 Fm 的最大值： （1） 组 Fm=1.151155.05+0.16（1588.19+400）=1646.42(N) 青岛理工大学毕业设计（论文） 11 （2） 组 Fm=1.152598.86+0.16（1588.19+400）=3306.7794(N) （3） 组 Fm=1.15866.29+0.16（1588.19+400）=1314.34(N) 由以上计算数据可知，第（2）组算得的 Fm值较大。故最大工作载荷为 Fm=3306.7794(N) 2.计算最大动负载 C 最大动负载 C 可由下式计算： C= 3 LfwfHFm (2-3) 式中，各参数见专业课程设计指导书 fH硬度系数，选 fH=1.1(HRC60) fw运转系数，选 fw=1.0（有冲击运转） L寿命，可由公式（2-4）计算 （2-4） （2）式中：T使用寿命（h）,对于数控铣床 T=15000(h) N丝杠转速（r/min）,可由公式（2-5）计算 （2-5） (3) 式中：vs最大切削力条件下的纵向进给速度（m/min） ，查手册得 540 （mm/min）可取最高切削进给速度的 2 1 - 3 1 ，现取 3 1 。 即 V=(1/3)0.54（m/min）=0.18(m/min) Lo所选用丝杠的基本导程，考虑到传动精度的要求可选基本 导程为 4、5、6（mm）的丝杠。 基本导程为 4mm 时： L= 1000000 60nT =60T/(1000000) 1000Vs/Lo=60 15000 1000 0.18/(10000004)=40.5（mm） C1=( 3 5.40)1.01.13306.7794=12491.62（N） 基本导程为 5mm 时： 青岛理工大学毕业设计（论文） 12 L=60nT/(1