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成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
X52K數(shù)控化改造
內(nèi)容摘要
本文提供了一種X52k銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造方案，改造的主要模塊有：機(jī)械部分和數(shù)字控制電路部分。機(jī)械部分主要是對(duì)絲杠、驅(qū)動(dòng)元件和減速齒輪的改造。改造后的系統(tǒng)是以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，以MCS-51型單片機(jī)為控制處理芯片，實(shí)現(xiàn)X、Y兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)改造,使得改造后的機(jī)床能加工除了銑削鍵槽、平面及孔等簡(jiǎn)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(jī)床具有高精、高效及加工產(chǎn)品范圍廣等特點(diǎn)。最后再對(duì)系統(tǒng)的誤差及精度進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)的方法、建議。
關(guān)鍵詞： X52k 數(shù)控化 改造 單片機(jī)
ABSTRACT
In this paper ,in base of our country’s eco- momic condition and the expensive CNC, in order to extend machining scope, high accuracy , small batch, and has a good condition in excitely complicative market .So,the numerization rebuilding of X52K is so necessary and feasible. This paper provides a way of how to implement the synchronied mo tion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open-loop control which use stepping motors as actuators on a X52K mill，and the microcomputer is MCS-51.
The numerization rebuilding of X52K milling machine not only is used for machining keywa y,plane and hole etc,but also, it can ma- nufacting complicated shap and the accuracy is high.
The technology of CNC has became the key and basic technology in the manufacturing in dustry .
Keywords: X52Kmill numerization rebuilding single chip computer
目 錄
前言 5
正文 10
1.整體改造方案 10
1.1總體設(shè)計(jì)方案 10
1.1.1機(jī)床改造的方案比較 10
1.1.2實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) 12
1.2主傳動(dòng)的系統(tǒng)改造 13
1.2.1機(jī)械部分的數(shù)控化改造 13
1.2.2電氣部分的數(shù)控化改造 13
1.3：進(jìn)給系統(tǒng)的改造 13
1.3.1進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 13
1.3.2X52K的改造要求 13
1.4微機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì) 14
1.4.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 14
1.4.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14
1.5改造后的布局 15
2.橫縱向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，計(jì)算過(guò)程 15
2.1縱向方向（X軸）的設(shè)計(jì) 15
2.1.1銑削力的計(jì)算 16
2.1.2滾珠絲杠所受的平均軸向載荷 的計(jì)算 18
2.1.3絲杠副工作負(fù)荷計(jì)算及絲杠型號(hào)的選擇 19
2.1.4傳動(dòng)效率的計(jì)算 20
2.1.5剛度驗(yàn)算 20
2.1.6穩(wěn)定性的驗(yàn)算 21
2.1.7齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的有關(guān)計(jì)算 22
2.1.8齒輪材料的選用及許用應(yīng)力 23
2.1.9直齒圓柱齒輪副的計(jì)算 23
2.1.10步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的計(jì)算選擇 25
2.2橫向(Y軸)的設(shè)計(jì) 31
3數(shù)控部分設(shè)計(jì) 32
3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 33
3.1.1主控制器（CPU） 33
3.1.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 34
3.1.3擴(kuò)展I/O接口 35
3.1.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 35
3.1.5行程控制 36
3.1.6鍵盤(pán)與顯示 36
3.1.7復(fù)位電路 37
3.1.8緊急停車(chē) 37
3.2編程時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 37
3.3步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)軟件控制 37
4誤差來(lái)源及精度分析 38
4.1誤差的來(lái)源 38
4.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)原因 38
4.1.2數(shù)控部分原因 38
4.2：誤差補(bǔ)償措施 38
4.2.1齒輪副誤差補(bǔ)償分析 38
4.2.2數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償分析 39
4.2.3滾珠絲杠副誤差補(bǔ)償分析 39
結(jié)論 41
致謝 42
參考文獻(xiàn) 43
前言：
該課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐的需要，利用大量閑置舊機(jī)床，對(duì)起進(jìn)行數(shù)控化改造后，成為一鐘高效的、多功能的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，是一種推陳出新、盤(pán)活存量資金的有效辦法，是低成本自動(dòng)化的必由之路。
數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品：數(shù)控機(jī)床；其技術(shù)范圍涉及很多領(lǐng)域：
機(jī)械制造技術(shù)；信息處理技術(shù)；自動(dòng)控制技術(shù)；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；傳感器技術(shù)；軟件技術(shù)等。
數(shù)控機(jī)床即是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都采用計(jì)算機(jī)（微型機(jī)算計(jì)）作為控制系統(tǒng)，它由CNC系統(tǒng)，機(jī)床主機(jī)及輔助裝置組成。
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及目前的狀況
數(shù)控技術(shù)是當(dāng)今工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)化發(fā)展中處于核心地位的一種高技術(shù)。
第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問(wèn)世于美國(guó)，是為了適應(yīng)航空工業(yè)制造復(fù)雜零件的需要而產(chǎn)生的，70年代初以前，美國(guó)處于領(lǐng)先的地位，70年代中期，前蘇聯(lián)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床在數(shù)量上趕超美國(guó)成為第一。1981年，日本超過(guò)了其他國(guó)家而成為世界上最大的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國(guó)家。
在國(guó)外數(shù)控機(jī)床的數(shù)量中，最多的是普通數(shù)控機(jī)床，特別是數(shù)控車(chē)床，但是發(fā)展最快的則是可以自動(dòng)換刀具的加工中心，目前國(guó)際上研制的數(shù)控設(shè)備則是由加工中心為主體的柔性加工單元及柔性制造系統(tǒng)。
國(guó)際數(shù)控技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)過(guò)2個(gè)階段和6代的發(fā)展過(guò)程，如表1和表2所示。
我國(guó)的機(jī)床數(shù)控行業(yè)起步1961年，到現(xiàn)在已有45年多的歷史了，70年代中期開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段，但直至80年代處由于引進(jìn)了國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)及其關(guān)鍵器件，數(shù)控技術(shù)生產(chǎn)中才獲得較好的應(yīng)用，我國(guó)目前狀況是：數(shù)控系統(tǒng)已形成年產(chǎn)500套多功能數(shù)控機(jī)床和3000套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的能力。我國(guó)已建立了以中，低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系，20世紀(jì)90年代主要發(fā)展高檔數(shù)控機(jī)床。隨著科學(xué)生產(chǎn)力的發(fā)展，機(jī)床設(shè)備數(shù)控化率的提高已是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。據(jù)最近有關(guān)資料表明，我國(guó)機(jī)床總有量380余萬(wàn)臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率還不到3%，而一些發(fā)達(dá)國(guó)家早已達(dá)到20%以上，因此，我國(guó)機(jī)械制造水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距很大，設(shè)備陳舊，技術(shù)水平落后，嚴(yán)重的影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。
提高機(jī)床數(shù)控化率有兩個(gè)途徑：一是購(gòu)買(mǎi)新的數(shù)控機(jī)床；二是對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。這對(duì)于我國(guó)一個(gè)機(jī)床擁有量極大（其中大部分機(jī)床年齡較長(zhǎng)），而當(dāng)前經(jīng)濟(jì)財(cái)力又不足的發(fā)展中國(guó)家來(lái)說(shuō)，采用舊機(jī)床改造來(lái)提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率，是一個(gè)及其有效和實(shí)用的途徑。
表1 硬件數(shù)控發(fā)展階段
第一代
1952年的電子管
第二代
1959年的晶體管分離元件
第三代
1965年的小規(guī)模集成電路
表2 軟件數(shù)控發(fā)展階段
第四代
1970年的小型計(jì)算機(jī)
第五代
1974年的微處理器
第六代
1990年的基于PC機(jī)（PC—BASEO）
數(shù)控未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)
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(kāi)放式閉環(huán)控制模塊。
③高效多軸化、實(shí)時(shí)智能化、用戶界面圖形化、科學(xué)計(jì)算可視化、插補(bǔ)和補(bǔ)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(zhuān)家系統(tǒng)指導(dǎo)加工，引入故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)。
數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn)
①減少投資額，交貨期短
②機(jī)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(shí)采用最新技術(shù)，充分利用社會(huì)資源
數(shù)控改造對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求
①運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)無(wú)間隙。
②有高的靜動(dòng)態(tài)剛度。
③功率大，低振性，可靠性高。
④便于操作和維修
機(jī)床數(shù)控改造的必要性
數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)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(wèn)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(dòng)化機(jī)床。其造價(jià)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(guó)特有的經(jīng)濟(jì)實(shí)用產(chǎn)品“經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(fèi)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)控，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(jī)床的使用價(jià)值。
②易于對(duì)現(xiàn)有機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且針對(duì)性強(qiáng)，即可針對(duì)新加工的零件類(lèi)型及機(jī)床來(lái)進(jìn)行改造，改造后機(jī)床沒(méi)有多余的功能。
③ 改造后的機(jī)床加工精度得到提高，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得到降低。
④ 減少了輔助加工時(shí)間，可提高機(jī)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(kāi)發(fā)，所以他們可熟悉，掌握改造后的機(jī)床性能，操作等，為以后的生產(chǎn)，維護(hù)，修理打下基礎(chǔ)。
數(shù)控改造的可能性
從整體上說(shuō)我國(guó)的數(shù)控機(jī)床不多，僅占總機(jī)床的1.9%，這與西方工業(yè)國(guó)家一般達(dá)到20%相差甚遠(yuǎn)，差距巨大。但是，我們也應(yīng)該看到，往往國(guó)家越發(fā)達(dá)，那么數(shù)控機(jī)床所占的比例也就越大。從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械工業(yè)，由于對(duì)其機(jī)械工業(yè)進(jìn)行信息化改造，使得他們的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我國(guó)在這方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后近20年，數(shù)控化率極低。這也說(shuō)明了數(shù)控化改造的必要性。進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)，是符合我國(guó)國(guó)情的有效的機(jī)床更新途徑。在當(dāng)前的市場(chǎng)需求多變，競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中，企業(yè)需要迅速地開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品，以低價(jià)、好質(zhì)量、快速去滿足市場(chǎng)需求的變化。而數(shù)控機(jī)床最適宜加工小批量、多品種、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期短的零件；數(shù)控機(jī)床的柔性化加工，符合產(chǎn)品頻繁變化的要求。更何況，當(dāng)今工業(yè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床數(shù)量的擁有量反映了這個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)能力和國(guó)防實(shí)力。因此，我國(guó)進(jìn)行數(shù)控改造是可行的也是行的通的。
在數(shù)控改造中應(yīng)注意的問(wèn)題：
⑴車(chē)床改造的工藝流程 應(yīng)保留的部分：主軸箱，床身，大、中溜板，尾座等等。改造前，應(yīng)將機(jī)床大修處理：包括主軸箱傳動(dòng)，精度調(diào)整，主軸徑向跳動(dòng)及軸向竄動(dòng)精度修復(fù)，機(jī)床導(dǎo)軌平面度及直線度，卡盤(pán)裝夾精度調(diào)整等。改造部分包括：增加數(shù)控裝置，X，Y，Z軸驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，換裝X，Y，Z軸滾珠絲杠及電動(dòng)刀架，增加必要的控制電器開(kāi)關(guān)，冷卻液及潤(rùn)滑裝置改造等。
⑵滾珠絲杠的造用和安裝 滾珠絲杠分為1，2，3，4，5，7，10，七個(gè)等級(jí)，1級(jí)最高，10級(jí)最低，任意300mm 軸面行程內(nèi)變動(dòng)量應(yīng)該不能〉0.05mm，行程偏差〈0.02mm。安裝時(shí)應(yīng)注意調(diào)整絲杠間隙。
⑶驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)方式 PWM(脈寬調(diào)制)，電機(jī)每轉(zhuǎn)≥12000脈沖，以確保驅(qū)動(dòng)精度，V：300伏，電相位具有記憶功能，位置脈沖方式為單/雙脈沖控制，整/半步運(yùn)行模式，低速平穩(wěn)運(yùn)行，最高轉(zhuǎn)速≥1500r/min。
⑷主軸調(diào)速改造 自動(dòng)調(diào)速，通過(guò)指令設(shè)定。
⑸冷卻液及潤(rùn)滑系統(tǒng)的改造 一般采用手工打開(kāi)，可經(jīng)過(guò)CNC系統(tǒng)上有冷卻液接口，通過(guò)PLC設(shè)置，實(shí)現(xiàn)冷卻液的自動(dòng)開(kāi)和關(guān)。
⑹電器系統(tǒng)的改造 主要增加元件包括：主軸，絲杠，變壓器，X，Y，Z軸的驅(qū)動(dòng)器，電動(dòng)刀架控制器，以及必要的控制開(kāi)/關(guān)，繼電器等等，如所需增加變頻電機(jī)或變頻器。
⑺數(shù)控改造后機(jī)床應(yīng)該達(dá)到的基本技術(shù)要求 如表3所示
本文對(duì)X52K數(shù)控改造的主要過(guò)程：
①收集：收集資料，查與X52K相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。
②設(shè)計(jì)：對(duì)X52K數(shù)控改造的總體思路。
③計(jì)算：對(duì)橫向（X軸）和縱向（Y軸）的改造計(jì)算，
④繪圖：繪制改造后X軸、Y軸的裝配圖，和改造后外型布局圖。數(shù)控部分的電路原理圖。
⑤分析：分析在數(shù)控改造中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，以及解決問(wèn)題的參考方法。
表3 改造后的基本技術(shù)要求
床身導(dǎo)軌平行度
〈0.01mm
橫向?qū)к壍钠叫卸?
〈0.03mm
縱向?qū)к壴诖怪逼矫鎯?nèi)的直線度
〈0.02mm
溜板移動(dòng)在水平內(nèi)直線度
〈0.015mm
重復(fù)定位精度：
X〈0.01 Z<0.01
定位精度：
X軸〈0.02mm Z軸〈0.02mm
精車(chē)外圓精度：
圓度≤0.005mm
圓軸度≤0.03mm
端面平行度〈0.02mm /300mm
正文
1．整體改造方案
1.1總體設(shè)計(jì)方案：
1.1.1 機(jī)床改造的方案比較
方案1將Ｘ５２Ｋ數(shù)控化改造后，使系統(tǒng)能夠控制主軸的轉(zhuǎn)速，并實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)其縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及垂直方向的運(yùn)動(dòng)，控制冷卻和潤(rùn)滑。通過(guò)鍵盤(pán)輸入加工程序。X52K 銑床數(shù)控化改造后是升降臺(tái)式的。床身的上部?jī)?nèi)裝主軸傳動(dòng)系統(tǒng)為主軸變速系統(tǒng)，這部分采用原機(jī)床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)即保留原機(jī)床的電動(dòng)機(jī)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(jìn)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(qiáng)電系統(tǒng)。顯示器采用LED，用以顯示輸入的程序，機(jī)床的實(shí)際位置和已存儲(chǔ)的各種信息。手動(dòng)操作時(shí)，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(kāi)環(huán)控制，由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪變速箱后減速驅(qū)動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)和兩坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)。采用ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)組成微機(jī)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(qiáng)，速度高。數(shù)控系統(tǒng)還具有刀具長(zhǎng)度偏移和半徑補(bǔ)償功能，自診斷功能，可進(jìn)行自動(dòng)加、減速，并具有備用電池，停電是可做存儲(chǔ)已編程序的電極。采用ＭＣＳ－５１微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離電路，功率放大再傳給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)X、Y 兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加工零件?？傮w設(shè)計(jì)如圖1.1所示：
方案2將Ｘ５２Ｋ數(shù)控化改造后，使系統(tǒng)能夠控制主軸的轉(zhuǎn)速，并實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)其縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及垂直方向的運(yùn)動(dòng)，控制冷卻和潤(rùn)滑。通過(guò)鍵盤(pán)輸入加工程序。X52K 銑床數(shù)控化改造后是升降臺(tái)式的。如果床身的下部?jī)?nèi)裝主軸傳動(dòng)系統(tǒng)為主軸變速系統(tǒng)，這部分采用原機(jī)床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)即保留原機(jī)床的電動(dòng)機(jī)等等，還有添加的齒輪變速箱。如果床身的上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左邊。床身左側(cè)的電器箱內(nèi)裝有兩坐標(biāo)的進(jìn)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(qiáng)電系統(tǒng)。顯示器采用LED，用以顯示輸入的程序，機(jī)床的實(shí)際位置和已存儲(chǔ)的各種信息。手動(dòng)操作時(shí)，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。假如數(shù)控系統(tǒng)采用為兩坐標(biāo)ＮＣ閉環(huán)或者半閉環(huán)控制，那么必須要有電路反饋信息，反饋位移或角位移的電路，這樣可以有更加精確的加工路線，更加便于操作者的了解機(jī)床的行經(jīng)過(guò)程。仍由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪變速箱后減速驅(qū)動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)和兩坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)。采用ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)組成微機(jī)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(qiáng)，速度高。數(shù)控系統(tǒng)還具有刀具長(zhǎng)度偏移和半徑補(bǔ)償功能，自診斷功能，可進(jìn)行自動(dòng)加、減速，并具有備用電池，停電是可做存儲(chǔ)已編程序的電極。采用ＭＣＳ－５１微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離電路，功率放大再傳給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)X、Y 兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加工零件。如圖1.2所示．
控制部分
信號(hào)分配及放大電路
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
工作臺(tái)（X軸）
信號(hào)分配及放大電路
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
工作臺(tái)（Y軸）
圖1.1 無(wú)反饋控制電路
方案的取舍：比較兩者的改造方案，方案1的布置比較合理，完全按照機(jī)床的正常布置而設(shè)計(jì)，沒(méi)有其他什么多余的功能，是經(jīng)過(guò)了市場(chǎng)調(diào)查后而進(jìn)行的，依照原X52K機(jī)床的特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行了數(shù)控改造，比較符合大多數(shù)工廠的生產(chǎn)需要，可以說(shuō)適應(yīng)性還是比較強(qiáng)的，也很符合當(dāng)前社會(huì)市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)的需求。雖然沒(méi)有位移的反饋信息電路，加工精度也不如方案2高，但是卻可以節(jié)約資金，在很多加工要求不必太高，不需要反饋信息進(jìn)行控制的電路時(shí)，也是能夠達(dá)到精度要求的，所以在本設(shè)計(jì)中無(wú)須反饋電路，即采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。在很多的小工廠里也是可以進(jìn)行這種數(shù)控改造，其范圍廣。并且采用CNC和NC控制的區(qū)別也比較的啊，CNC的功能比NC強(qiáng)大許多，在現(xiàn)在軟件發(fā)展如此之快的情況下，CNC已經(jīng)完全取代了NC，采取CNC不但經(jīng)濟(jì)，而且功能又符合X52K機(jī)床的數(shù)控改造。綜合上訴，在本設(shè)計(jì)中，方案1.1是可行的方案。
圖1.2 有反饋控制電路
1.1.2實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)
在論文中主要討論在對(duì)X52k立式升降臺(tái)式銑床進(jìn)行數(shù)控化改造。X52k立式銑床是銑削鍵槽、平面及銑孔的通用機(jī)床，它沒(méi)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(lái)保證，故其加工精度低于數(shù)控機(jī)床。由于普通銑床的柔性差，不能滿足市場(chǎng)對(duì)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(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，并且采用CNC數(shù)控系統(tǒng)控制X、Y工作臺(tái)，即采用以MCS-51單片機(jī)為控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)改造,使得改造后的機(jī)床能加工除了銑削鍵槽、平面及孔等簡(jiǎn)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(chǎng)的需求，且價(jià)格較廉，增加了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
1.2主傳動(dòng)的系統(tǒng)改造：
1.2.1機(jī)械部分的數(shù)控化改造：
數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：
① 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，自動(dòng)化程度高；
② 廣泛采用高效、無(wú)間隙傳動(dòng)裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品；
③ 具有適應(yīng)無(wú)人化、柔性化加工的特殊部件；
④ 對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件的要求高。
主傳動(dòng)系統(tǒng)不變，還是采用原有的電動(dòng)機(jī)（7.5KW）。進(jìn)給系統(tǒng)采用滾動(dòng)絲杠副螺母副代替原有絲杠副，以提高機(jī)床運(yùn)行精度和傳動(dòng)效率?？紤]到改造的目標(biāo)及成本的原因，決定X52K銑床的主軸支承仍采用滾動(dòng)軸承支承，導(dǎo)軌仍使用動(dòng)壓導(dǎo)軌。
1.2.2電氣部分的數(shù)控化改造
由于是將X52K銑床改造成為經(jīng)濟(jì)型的開(kāi)環(huán)控制的數(shù)控銑床，機(jī)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(jī)就能夠滿足加工要求。因此其主傳動(dòng)系統(tǒng)的電氣部分仍采用其原來(lái)配置的7.5KW的交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
1.3進(jìn)給系統(tǒng)的改造
1.3.1 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造
考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有位置反饋電路，故進(jìn)給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。本銑床的X，Y，Z兩軸進(jìn)給系統(tǒng)去掉了原來(lái)的進(jìn)給系統(tǒng)的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，直接采用了步進(jìn)電機(jī)＋一級(jí)減速齒輪＋滾珠絲桿的傳動(dòng)方案。拆除原來(lái)的絲桿，增加少量的機(jī)械附件，就可安裝步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲桿螺母副,帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為110BF004，步進(jìn)電機(jī)步距角選用，扭距是4.61Nm，電機(jī)脈沖當(dāng)量：。
1.3.2 X52K的改造要求
進(jìn)給伺服系統(tǒng)改造后性能的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能的好壞。也因此對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出了改造設(shè)計(jì)要求：
①提高傳動(dòng)部件的剛度，減小傳動(dòng)部件的慣量；
②減小傳動(dòng)部件的間隙，并減小系統(tǒng)的摩擦阻力；
③高精度 就是說(shuō)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(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。
⑤快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào) 它是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)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(jī)床加工的特點(diǎn)是在低速時(shí)進(jìn)行重切削。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。
⑦調(diào)速范圍寬 指機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在數(shù)控機(jī)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。
1.3.3導(dǎo)軌副的改造
X52K 銑床采用的是鑄鐵-淬火剛滑動(dòng)導(dǎo)軌，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差較大，低速易出現(xiàn)爬行，平穩(wěn)性和定位精度較低，能量損失大。在數(shù)控改造中可采用在原導(dǎo)軌上粘貼聚四乙炔軟帶涂層的方法，以減小摩擦系數(shù)，增加耐磨性，且具有良好的自潤(rùn)滑性和抗震性，該方法實(shí)現(xiàn)易、費(fèi)用底。
1.4微機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮：
①確定功能指標(biāo)；
②明確硬、軟件分工；
③重視接口設(shè)計(jì)；
④認(rèn)真選擇微機(jī)。
1.4.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用8031單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使機(jī)床移動(dòng)部件沿X、Y坐標(biāo)方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成零件加工。軟件系統(tǒng)由初始化模塊、鍵盤(pán)處理模塊、LED顯示模塊、輸入輸出處理模塊等組成。其中步進(jìn)電機(jī)控制程序由軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配（由８０３１單片機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)分），通過(guò)改變８２５５相應(yīng)端口的狀態(tài)完成控制過(guò)程。
1.4.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)芯片８０３１為控制器，１片８ＫＢ的ＥＰＲＯＭ２７６４作為程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)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(kuò)展的Ｉ／Ｏ口，對(duì)Ｘ、Ｙ軸步進(jìn)電機(jī)及主軸進(jìn)行控制,通過(guò)鍵盤(pán)的命令可使X、Y 工作臺(tái)聯(lián)動(dòng)，并可以靈活地輸入切削程序和數(shù)據(jù)。用１片８１５５做為機(jī)床開(kāi)關(guān)、刀架控制信號(hào)及主軸編碼器反饋信號(hào)Ｉ／Ｏ口用；１片８２７９作為鍵盤(pán)／顯示器接口，識(shí)別鍵盤(pán)按鍵信號(hào)，對(duì)顯示器自動(dòng)掃描，完成鍵盤(pán)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(duì)各步進(jìn)電機(jī)脈沖信進(jìn)行環(huán)形分配，如圖1.3所示。
圖1.3 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
為避免強(qiáng)電干擾可采用光電耦合電路(GO102)進(jìn)行光電隔離。因?yàn)?255輸出的信號(hào)功率很小，故用功率放大器對(duì)輸出的脈沖信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。
1.5改造后的布局
改造后的縱、橫向裝配圖、電路圖及外觀圖見(jiàn)附錄CAD圖。
2 橫縱向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，計(jì)算過(guò)程：
2.1縱向方向（X軸）的設(shè)計(jì)：
工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由一級(jí)消隙齒輪經(jīng)滾珠絲杠螺紋副，帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。其中在縱向（Ｘ軸）進(jìn)給系統(tǒng)的改造布置中，滾珠絲杠、軸承支架固定在工作臺(tái)上，隨工作臺(tái)移動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)降速齒輪和滾珠絲杠的螺母固定在床鞍上，通過(guò)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)與床鞍之間的相對(duì)移動(dòng)。滾珠絲杠螺母副，它的特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件，以減少摩擦，絲杠與螺母之間基本上為滾動(dòng)摩擦。
滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)有：
1） 傳動(dòng)效率高，摩擦損失小，使用壽命長(zhǎng)。
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(shí)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(yùn)動(dòng)件，故可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4） 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。
X52K機(jī)床的主要技術(shù)規(guī)格：如表2-1所示
機(jī)床進(jìn)給部件參數(shù)初選：
縱向工作臺(tái)及夾具重量： = 2200 N（估計(jì)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(jìn)給速度：取 = 2.5m/min（經(jīng)驗(yàn)值）
2.1.1銑削力的計(jì)算
現(xiàn)在以工作壽命和實(shí)際加工過(guò)程中的最大銑削力為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)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 ：22 mm
銑削深度 ：5 mm
刀具直徑 ：mm
每齒切厚 ：0.08 mm/Z
刃齒數(shù) ：4
刀具材料為 ：高速剛立銑刀
表2-1 X52K基本技術(shù)規(guī)格
主軸端面到工作臺(tái)的距離
400mm 30mm
主軸軸線到床身垂直導(dǎo)軌面的距離
350mm
面積： 寬×長(zhǎng)
320×1250mm
最大縱向行程手動(dòng)（機(jī)動(dòng)）
700（680）mm
最大橫向行程手動(dòng)（機(jī)動(dòng)）
260（240）mm
最大升降行程手動(dòng)（機(jī)動(dòng)）
370（350）mm
進(jìn)給級(jí)數(shù)
18級(jí)
進(jìn)級(jí)量范圍
縱向：23.5 ～ 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(chēng)直徑
32 ～ 50 mm
轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)
18級(jí)
轉(zhuǎn)速范圍
30 ～ 1500r/min
軸向調(diào)整距離
70 mm
主軸電動(dòng)機(jī)功率
7.5KW
工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率
1.5KW
最大工件質(zhì)量
150 Kg
機(jī)床進(jìn)給部件重量
橫向4410N 縱向 2200N
據(jù)?機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)? 有公式：
≈ 1500N
2.1.2滾珠絲杠所受的平均軸向載荷 的計(jì)算
用高速鋼立銑刀逆銑合金剛時(shí),工件的切削力可查?數(shù)控機(jī)床書(shū)?中得:
縱向進(jìn)給力 （取中間值：1.1）
=1.1=1.1×1500=1650N
橫向進(jìn)給力 （取中間值：0.375）
= 0.375=0.375×1500=562.5N
垂直進(jìn)給力 （取中間值：0.25）
=0.25=0.25×1500=375N
故可知在插補(bǔ)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 =×0.85=1275N
Mg 為縱向工作臺(tái)及夾具重量 Mg =2200N
為顛覆力矩影響系數(shù) 取 1.1
M 為當(dāng)量摩擦系數(shù) M 取 1.18
那么
=1.1×1162 + 0.18×(2200+1275)
=1903N
2.1.3絲杠副工作負(fù)荷計(jì)算及絲杠型號(hào)的選擇
初始估計(jì)絲杠的基本導(dǎo)程為 mm
現(xiàn)在根據(jù)最大當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算公式：
式中：
運(yùn)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
為絲杠平均轉(zhuǎn)速（r / min）
=156.3 r/min
式中：
最大切削力下的進(jìn)給速，可取最高進(jìn)給速度 的
則：
使用壽命時(shí)間，據(jù)查《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》取T=15000小時(shí)
L ≈140.625
從而，
根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得， 故可選絲杠型號(hào)為：（內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器），的基本尺寸為：
公稱(chēng)直徑： =50mm， 螺距：=8mm
剛球直徑： =5mm， 螺紋升角，=
絲杠外徑，d =- (0.2～0.3)= 48.9
螺紋底徑，=30mm
其動(dòng)載荷 =25000>=13194N 故選擇符合要求，絲杠可用。
2.1.4傳動(dòng)效率的計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》滾珠絲杠的傳動(dòng)效率η的計(jì)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%
2.1.5剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)荷引起的導(dǎo)程的變化量：
/EF
其中：彈性模量對(duì)于鋼為：E=21ⅹ
滾珠絲杠橫截面積：F（）
而：
F==
則：
/EF
cm
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：
=12.8/
查表得E級(jí)精度絲杠所允許的螺紋無(wú)廠誤差（1m長(zhǎng)）為15/，故剛度足夠。
2.1.6穩(wěn)定性的驗(yàn)算
(1)臨界壓縮載荷的驗(yàn)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(huì)受壓，又由于機(jī)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。
(2)臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算
由計(jì)算得已知絲杠平均工作轉(zhuǎn)速為：
因此，必須進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算，即：
其中式中符號(hào)表示：
絲杠的最大轉(zhuǎn)速：
絲杠支承方式系數(shù)取（因?yàn)闆](méi)有受壓）
=9910
=- 1.2=40-1.2×5 = 34mm
絲杠的長(zhǎng)度。 = 工作最大行程 + 螺母長(zhǎng)度 + 兩端余量（取40mm）
螺母長(zhǎng)度由《機(jī)床零部件設(shè)計(jì)》上可查得，絲杠設(shè)計(jì)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(jì)算長(zhǎng)度 = 680 + 131 + 40 +
= 811 + 40 + 39 = 890mm
=9533
可見(jiàn)滿足：
所以滿足穩(wěn)定性的要求。
2.1.7齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的有關(guān)計(jì)算：
由于初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（110BF004）的系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為=0.01mm/step。
步距角為：
絲杠導(dǎo)程為：
如果不采取齒輪傳動(dòng)，那么每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的距離為：
==0.0167>脈沖當(dāng)量0.01mm
所以需要有減速機(jī)構(gòu)，也就是要設(shè)計(jì)齒輪減速。
采用減速齒輪具有如下特點(diǎn)：
①便于配置出所要求的脈沖當(dāng)量
②減小工作臺(tái)以及絲杠折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量
③放大電動(dòng)機(jī)輸出扭矩，即增大工作臺(tái)的推力
但采用減速齒輪會(huì)帶來(lái)額外的傳動(dòng)誤差，使機(jī)床的快速移動(dòng)速度降低，并且其自身又引入附加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這些應(yīng)引起注意。
2.1.8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(diǎn)蝕和輪齒折斷，因此按照齒面接觸強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)來(lái)計(jì)算，最后校合彎曲強(qiáng)度。初選7級(jí)精度。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)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
2.1.9 直齒圓柱齒輪副的計(jì)算
(1)計(jì)算減速器的傳動(dòng)比
由
和步距角為：，絲杠導(dǎo)程為：
則傳動(dòng)比：
=
(2)粗選小齒輪齒數(shù) ，則大齒輪齒數(shù)：
=53.44（可參照《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》169頁(yè)）
則實(shí)際傳動(dòng)比為：
滿足誤差要，取齒輪壓力角，初選模數(shù)m=2.5mm，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(bǔ)償安裝誤差通常使小齒輪齒寬略寬一些)
(3)齒輪彎曲強(qiáng)度應(yīng)力校核
查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表得齒性系數(shù)
處載荷系數(shù)為K=1.5，最大轉(zhuǎn)矩查步進(jìn)電機(jī)相關(guān)參數(shù)，轉(zhuǎn)矩取 F=4.9Nm
驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度（按最小齒寬50mm來(lái)計(jì)算）：
=136
這里
所以符合安全要求。
(4)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(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，可據(jù)初選步進(jìn)電機(jī)110BF004的運(yùn)行頻率： ，和步距角：0.75°來(lái)計(jì)算。
可知選用7級(jí)精度是滿足要求的。
2.1.10步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的計(jì)算選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成響應(yīng)角位移的機(jī)電元件。每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，它與普通的勻速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)不同，它是步進(jìn)式的，所以稱(chēng)步進(jìn)電機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)有：角位移輸出與輸入的脈沖數(shù)相對(duì)應(yīng),改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；步矩誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累；在負(fù)載范圍內(nèi)步矩角和轉(zhuǎn)速不受電源電壓波動(dòng)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(jī)便停在某一位置上不動(dòng)，即步進(jìn)電機(jī)有自整角能力，不需要機(jī)械制動(dòng)，步矩角可在很大的范圍內(nèi)變化；步進(jìn)電機(jī)的主要特性：步矩角、啟動(dòng)頻率、連續(xù)運(yùn)行頻率和加減速特性。步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是效率低，拖動(dòng)負(fù)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(guò)18000 Hz。
數(shù)控系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的基本要求是調(diào)速范圍寬，伺服電機(jī)需滿足調(diào)速要求。負(fù)載特性硬，在調(diào)速范圍內(nèi)電機(jī)應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，為了使步進(jìn)電機(jī)正常工作運(yùn)行（不失步、不超程），正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩（步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)），必須大于電機(jī)的實(shí)際最大啟動(dòng)力矩。電機(jī)的運(yùn)行頻率必須大于電機(jī)實(shí)際最高工作頻率。系統(tǒng)脈沖當(dāng)量是機(jī)床移動(dòng)部件相對(duì)于每一個(gè)進(jìn)給脈沖信號(hào)的位移量，其大小視機(jī)床的加工精度而定。根據(jù)X52K銑床工作狀況選系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.01mm/step。步矩角。
根據(jù)同類(lèi)型的機(jī)床及以往的經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)電動(dòng)機(jī)類(lèi)型，然后驗(yàn)算是否滿足使用要求，否則選取其它型號(hào)，最后直到滿足要求為止。
初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為：110BF004反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
2.1.11縱向步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算
(1)計(jì)算工作臺(tái)、絲杠以及齒輪折算到電機(jī)軸上的慣量
根據(jù)《機(jī)電一體化基礎(chǔ)》所提供的計(jì)算公式：
式中：------------折算到電機(jī)軸的慣量；
----------小,大齒輪的慣量；
--------------絲杠慣量；
--------------橫向工作臺(tái)及夾具重量,；
--------------絲杠螺距，；
齒輪及絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：由于有些傳動(dòng)件（如齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不易精確計(jì)算，可將其等效成圓柱體來(lái)近似計(jì)算。
圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可依據(jù)公式：
式中： 材料密度,對(duì)鋼??；
圓柱體直徑.(對(duì)于齒輪、絲杠等就是其等效直徑)；
圓柱體長(zhǎng)度,(對(duì)于齒輪、絲杠等就是其等效齒寬或長(zhǎng)度)
則：
則可算得：
≈2.03
(2)慣量匹配驗(yàn)算
初選的步進(jìn)電機(jī)110BF004的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：=4.61Kg
轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)的慣量匹配條件：
而：
所以慣量是匹配的。
(3)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩
依據(jù)公式：
式中：
---快速空載起動(dòng)力矩；
---空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上最大加速力矩；
---折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
---由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
又：
式中： --慣量和，；
--電機(jī)最大角加速度；
又：
其中： --電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；
--運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間取25ms
又：
則：
則：
故：
又因?yàn)椋?
式中：
---導(dǎo)軌的摩擦力；
---傳動(dòng)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(tái)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(shí)的傳動(dòng)效率， ；
故：
=140+9.8+3.7=153.5
(4)快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
依據(jù)公式：
而：
故有：
(5)最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
根據(jù)公式：
式中： 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩；
又有公式：
式中：
---進(jìn)給方向最大切削力，；
則：
故：
(6)最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
依據(jù)文獻(xiàn)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》上，有：
①對(duì)于在最大切削力下工作時(shí)所需要電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
② 對(duì)于空載起動(dòng)時(shí)所需要的電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
由①和②可知，以計(jì)算得：恒大于 所以就以作為選取步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。而初選的步進(jìn)電機(jī)為110BF003 ，它的最大靜轉(zhuǎn)矩為：
所以初選的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)符合要求。
2.1.12步進(jìn)電機(jī)動(dòng)載荷矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
由《數(shù)控技術(shù)》得：動(dòng)矩頻特性：
=4167Hz
運(yùn)行矩頻特性：
其中： ----- 最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度 的，現(xiàn)取中間值，即。
所以：=2431
由步進(jìn)電機(jī)110BF004的矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性參數(shù)可以看出所選步進(jìn)電機(jī)在起動(dòng)時(shí)力矩是滿足要求的。
所以最終就確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為：110BF004反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
2.2橫向(Y軸)的設(shè)計(jì)
Y軸的絲杠選擇與X軸一樣為FFZD5008，內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器
Y軸的齒輪副設(shè)計(jì)也與X軸相同，這里不再累贅。
Y軸方向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇：
Y軸銑削圓周力： =1500N
則有Y向絲杠牽引力：
= +1.414f=1500+1.414×4410×0.01=1562N
則有電機(jī)軸負(fù)載力矩：
T =
其中：-----導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.1
------步進(jìn)電機(jī)步矩角為0.75
-----Y向絲杠牽引力
f-------當(dāng)量摩擦系數(shù)取0.01
若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩為：
可取安全系數(shù)極限值0.3，則有：=
對(duì)于工作方式為無(wú)相十拍的五相步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)力矩：
電機(jī)最大工作頻率：
綜合以上可選取步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為：110BF004反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)110BF004的外型尺寸為：，軸徑為。
3.數(shù)控部分設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，擴(kuò)展部件為外圍器件，是比較經(jīng)濟(jì)的數(shù)控系統(tǒng)。既滿足了機(jī)床的數(shù)控加工能力，又經(jīng)濟(jì)可靠。
該系統(tǒng)是由數(shù)控單元和步進(jìn)伺服單元組成。數(shù)控部分采用MCS-51系列的8031單片機(jī)，它和擴(kuò)展系統(tǒng)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)算處理，發(fā)出所需要的脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大功率后，驅(qū)動(dòng)補(bǔ)進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副，從而使縱、橫向工作臺(tái)按零件加工所需的進(jìn)給速度及方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的開(kāi)環(huán)自動(dòng)控制。系統(tǒng)的定位精度由軟件中適當(dāng)?shù)慕殿l處理來(lái)保證，重復(fù)定位采用固定間隙來(lái)改善。最終使系統(tǒng)靈活性大 ，通用性強(qiáng)，數(shù)控功能豐富，可靠性高，且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，使用維護(hù)方便。
控制系統(tǒng)的主要功能
① 手動(dòng)暫停，手動(dòng)快速返回坐標(biāo)原點(diǎn)。
② 六個(gè)方向點(diǎn)動(dòng)傳給，手動(dòng)快速進(jìn)給。
③ 間隙補(bǔ)償功能，刀具補(bǔ)償功能。
④ 用戶指令掉電保護(hù)功能。
⑤ 具有程序暫停、延時(shí)、局部循環(huán)、自動(dòng)循環(huán)功能。
⑥ 用戶指令編輯、修改、刪除、清零功能。
⑦ 錯(cuò)誤操作診斷、錯(cuò)誤操作顯示功能。
⑧ 可自行進(jìn)行直線、斜線、圓弧的加工
3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件組成如下所示。主要有主控制器CPU、存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)顯示器、I/O接口和驅(qū)動(dòng)電路等。部分可參照《單片機(jī)原理》書(shū)中所述。如圖3-1所示
3.1.1主控制器（CPU）
CPU選用功能強(qiáng)、價(jià)格便宜的8031單片機(jī)。有4個(gè)8位的并行接口，一個(gè)串行接口，8031的口作為分時(shí)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(shí)、計(jì)數(shù)、讀寫(xiě)控制等特殊功能口。CPU的時(shí)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(gè)16位的定時(shí)、計(jì)數(shù)器和一個(gè)處理功能很強(qiáng)的中央處理器。該芯片不易受干擾，容易實(shí)現(xiàn)屏蔽，可靠性高，能在較惡劣的環(huán)境下工作，功能強(qiáng)，速度高。指令執(zhí)行時(shí)間短，且具備刀具長(zhǎng)度偏移和半徑補(bǔ)償功能、自診斷功能，可以進(jìn)行加、減速操作。
圖3.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖
3.1.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路
1）存儲(chǔ)器芯片的選擇。8031片內(nèi)只有128KB的RAM，所以必須對(duì)其進(jìn)行外部程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。選擇存儲(chǔ)器應(yīng)考慮的主要因素是速度和容量。凡是工作時(shí)間小于8031的工作時(shí)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(chǔ)器擴(kuò)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(chǔ)器擴(kuò)展芯片，并帶有3.6V的備用電池，使存放的加工數(shù)據(jù)能長(zhǎng)時(shí)間的保存。
2）存儲(chǔ)器地址分配及接線。8031芯片所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)，其程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)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(kāi)始執(zhí)行程序故8K
EPROM的地址空間從0000H-1FFFH，8K RAM的地址空間也設(shè)為0000H-
1FFFH。8031的地址鎖存允許信號(hào)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如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為數(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(chǔ)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(xiě)控制端與8031的對(duì)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。
3.1.3擴(kuò)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(gè)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(xiě)控制分別與8031的控制線對(duì)應(yīng)相接，8155的對(duì)應(yīng)接至8031的口線。如表3-1所示
如表3-1 138155I/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(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)及知識(shí)信號(hào)
2001H
PB
輸入
鍵盤(pán)和行程控制
2002H
PC
輸出
顯示和鍵盤(pán)管理
2003H
用１片８１５５做為機(jī)床開(kāi)關(guān)、刀架控制信號(hào)及主軸編碼器反饋信號(hào)Ｉ／Ｏ口用；用１片８２７９作為鍵盤(pán)／顯示器接口，識(shí)別鍵盤(pán)按鍵信號(hào)，對(duì)顯示器自動(dòng)掃描，完成鍵盤(pán)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為口處增加7407 驅(qū)動(dòng)器。
3.1.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)，可采用較為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床最為主要的一種驅(qū)動(dòng)元件，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路一般由4部分組成：計(jì)算機(jī)接口、脈沖分配器、光電隔離電路和功率放大電路。
本設(shè)計(jì)采用8155的口作為控制步進(jìn)電機(jī)的接口，由該口的提供步進(jìn)電機(jī)所需的控制信號(hào)。
脈沖分配器的作用是為步進(jìn)電機(jī)提供符合控制指令要求的脈沖序列，其實(shí)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(jì)采用軟件方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后送給步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組，為防止強(qiáng)電干擾，在功放電路之前接上光電耦合電路進(jìn)行隔離。
步進(jìn)電機(jī)所需電流較大，必須將光電耦合器輸出的信號(hào)放大后才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(lái)自于加減速電路的一系列進(jìn)給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電、斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)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(mén)電路構(gòu)成的硬件邏輯電路（如型號(hào)YB015）。
2) 光電耦合器 選用 GO102 型光電耦合器，其電路圖如圖3.2所示：
圖3.2 光電耦合電路圖
3) 功率放大器 因?yàn)檩敵龅拿}沖功率很小，電流只有幾毫安，故需要進(jìn)行功率放大，使脈沖電流達(dá)到1～10 A，才足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常工作。本設(shè)計(jì)決定采用： 高低壓驅(qū)動(dòng)電路。其電路圖如圖3.3所示：
3.1.5行程控制
為防止工作臺(tái)越界，設(shè)置了4個(gè)限位開(kāi)關(guān)，8155的分別為工作臺(tái)+X、-X、+Y、-Y四個(gè)方向的行程控制信號(hào)，計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測(cè)的電平，當(dāng)某一個(gè)為低電位時(shí)，立即停止步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。
3.1.6鍵盤(pán)與顯示
鍵盤(pán)與顯示設(shè)計(jì)在一起，8155的PC口的擔(dān)任鍵盤(pán)的列線及顯示器的掃描控制（字位線），PB口的為鍵盤(pán)的行線，8031的P1口為顯示器自形輸出口，該采用3×8共24個(gè)矩陣式鍵盤(pán)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(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
3.1.7復(fù)位電路
此單片機(jī)是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)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(jī)即可復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位和手動(dòng)按紐復(fù)位組合。
圖3.3 單電壓供電功放電路
3.1.8緊急停車(chē)
系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)緊急按紐，利用8031的外部中斷INT1 。在加工過(guò)程中如果出現(xiàn)緊急情況，按此按紐就可以緊急中斷信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)就立即停止工作。
3.2編程時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題
① 應(yīng)準(zhǔn)確地測(cè)量出銑床縱向絲杠、橫向絲杠、銑頭垂直絲杠、圓盤(pán)工作臺(tái)與分度頭蝸輪副中反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的間隙，以便編程時(shí)，用消除間隙指令后運(yùn)行指令中予以糾正；
② 應(yīng)在銑床上用多種進(jìn)給速度值，進(jìn)行空載后負(fù)載切削的調(diào)試，測(cè)定空載時(shí)允許的最高運(yùn)行速度，負(fù)載時(shí)的最大吃刀量及此時(shí)的運(yùn)行速度值，作為銑床改造大編程的最大許用值的依據(jù)；
③ 在改造后應(yīng)該用危機(jī)調(diào)試其運(yùn)行方向，如果方向不對(duì)，可調(diào)試步進(jìn)電機(jī)的電源接頭的連線，使其運(yùn)行方向變反。編程人員不可對(duì)此問(wèn)題做硬性的統(tǒng)一規(guī)定。
3.3步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)軟件控制
步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要是指步進(jìn)電機(jī)的控制程序設(shè)計(jì)，控制步進(jìn)電機(jī)各進(jìn)給軸的進(jìn)給速度和進(jìn)給方向。其控制流程圖主要包括初始化程序、計(jì)算運(yùn)行總步數(shù)和兩軸的速度、步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，然后調(diào)用步進(jìn)電