立式钻床主轴系统数控改造的毕业设计论文.doc

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1、摘 要目前中国企业中机床设备老化，不能满足新技术、新工艺的生产要求。本文重点介绍Z5140A型台式钻床的数控改装方案和单片机系统设计，将传统的机械与现有的数控技术相结合，使其具有自动进给功能，为企业进行设备的数控化改造提供了一种有效可行的途径。 现有的Z5140A型台式钻床经改造后提高了加工精度，扩大了机床的使用范围，并提高了生产率。本论文说明了普通钻床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了Z5140A机械传动部分的设计及数控系统部分的设计。 通过该改造计划,改造后的Z5140A型钻床具备数控机床的精度要求，自动化柔性生产的能力。机床整体能力达到预期的要求。Z5140A数控钻床主要用于加工各种

2、孔及平面和曲面的铣削。它集中了立式钻床和铣床的功能。数控钻床需要很少人工操作，也没有机械操作元件如手柄、摇把等。该钻床如同其他CNC钻床，全部工作循环是在微机数控系统控制下实现的。车削对象改变后，只需改变相应的软件就可适应新的需要。由于利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 关键词：数控机床；滚珠丝杠；数控系统 AbstractAt present,Machine tools made in China is aging and can not meet the

3、 requirements of new technologies and new processes of production. This paper focuses on the NC Z5140A-type drill press conversion programs and MCU system design. Combining the traditional machines with the CNC technology, it can realize automatically feed function and provides a feasible and effect

4、ive way for the enterprise of equipments transformation with NC. Existing Z5140-type drill press improves the machining accuracy, expands the scope of machine use and increases the productivity after transformation. This paper describes the design process of the transformation of the general drillin

5、g with NC, introduces the design of the Z5140A mechanical transmission part and numerical control system part in detail. After the transformation plan, Z5140A-type drill transformed has the accuracy requirement of CNC machine tools and the automatic flexible production capacity. Machine tools achiev

6、e the desired overall capacity requirements. Z5140A CNC drilling machine is mainly used for processing a variety of holes and planar and surface milling. It contains the vertical drilling and milling function. CNC drilling and milling machine requires very little manual operation and no operation of

7、 machinery components such as handles, crank and so on. As with other CNC drilling of the drilling machine, all of the cyclic work is completed under the control of the computer numerical control system. As turning object changes, just change the corresponding software to adapt to new needs. Because

8、 lathebed, column and other basic items are heavy and casting equipments but not the welded components, machine tools transformed has higher performance and better quality, which can be used as a new equipment for years. However, limited by the mechanical structure of the original, it can not be tra

9、nsformed revolutionarily. Key Word：Numerical Control Machine Tools ; Ball Screw; CNC System 目 录摘 要- 1 -Abstract- 2 -1绪论- 6 -1.1 立式钻床的概述- 6 -1.2 数控立式钻床的发展- 6 -1.3 立式钻床数控化改造的市场- 8 -1.3.1 机床数控化改造的市场- 8 -1.3.2 立式钻床简介- 9 -1.4床数控化改造的内容及优缺点- 10 -1.4.1数控化改造的内容- 10 -1.4.2 立式钻床数控化改造的优缺点- 11 -2主传动系统的设计- 12 -2.

10、1 立式钻床数控化改造设计任务- 12 -2.2 总体方案的确定- 13 -2.2.1 Z向步进电机与进给滚珠丝杠的联结- 13 -2.2.2 传动形式的选择- 15 -2.2.3 滚珠丝杠副的参数- 16 -2.2.4 滚珠丝杠副的组成及特点- 17 -2.2.5 滚珠丝杠副的典型结构类型- 17 -2.2.6 滚珠丝杠的支撑形式选择- 19 - 2.3 Z向进给滚珠丝杠副的计算与校核- 22 -2.3.1主轴钻削力计算- 22 -2.3.2滚珠丝杠副的选择计算- 23 -2.3.3选择步进电动机- 26 -2.4 电主轴选用、冷却与润滑- 30 -2.4.1 电主轴的概述- 30 -2.4

11、.2 电主轴的冷却与润滑- 33 -2.4.3 电主轴的选用- 35 -3数控系统电路设计- 37 -3.1绘制系统电气控制的结构框图- 37 -3.1.1 机床硬件电路有以下几部分组成- 38 -3.2 MCS-51单片机简介- 38 -3.2.1 8031单片机的基本特性- 38 -3.2.2 8031芯片引脚及其功能介绍- 40 -3.3存储器扩展电路设计- 42 -3.3.1 程序存储器的扩展- 42 -3.3.2 数据存储器的扩展- 44 -3.3.3 译码电路设计- 45 -3.4 /接口扩展电路设计- 45 -3.4.1 8155通用可编程接口芯片- 45 -3.4.2 8255

12、可编程接器芯片- 47 -3.4.3 8255的结构- 48 -3.5 其它辅助电路设计- 49 -3.5.1 8031的时钟电路- 49 -3.5.2 越界报警和急停处理电路- 49 -3.5.3 复位电路- 49 -3.5.4 掉电保护电路- 50 -3.5.5 键盘显示接口电路- 50 -4结论- 51 -致 谢- 53 -参 考 文 献- 54 -1绪论1.1 立式钻床的概述 立式钻床，是主轴竖直布置且中心位置固定的钻床，简称立钻，它主要分为方柱立钻和圆柱立钻两种。也分为排式立钻，多轴立式钻床，坐标立式钻床，转塔立式钻等。立式钻床的工作台和主轴箱可沿立柱导轨调整位置，以适应不同高度的工

13、件。在加工工件前要调整工件在工作台上的位置，使被加工孔中心线对准刀具轴线。加工时，工件固定不动，主轴在套筒中旋转并与套筒一起作轴向进给。由于立式钻床的主轴不能在垂直其轴线的平面内移动，转孔时要使钻头与工件孔的中心重合，就必须移动工件。因此，立式钻床只适合加工中小型工件，常用在机械制造和修配工厂加工中、小型工件的孔。 1.2 数控立式钻床的发展 随着经济的飞速发展和工业现代化的需要，各种自动化生产设备应用而生，钻床广泛地在我国纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的钻孔加工得到应用。 在很早以前，国内外就已经开始进行

14、机床设备的整修和技术的改造，不断提升机床的品质，不断改进机床的性能，以提高生产效率。 近些年来为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。例如专门为了加工曲轴上的油孔，连杆上的斜油孔，平行孔和饲料机械上料模的多个径向出料孔等。如：TBT公司生产的特别适用于加工摩托车到轻型卡车的各种中小型曲轴油孔的BW200-KW深孔钻床；特别适用于大中型卡车曲轴油孔的BW250-KW深孔钻床，它们均具有X、Y、Z、W四轴数控。该公司为了客户需要,在一条生产线上可以加工多种不同品种的曲轴油孔，于2000年设计制造了第一

15、台柔性曲轴加工中心，可以加工212缸不同曲轴上所有的油孔。英国MOLLART公司生产制造的专为加工颗粒挤出模具而开发的具有六等分六根主轴同时加工同一工件上六个孔的专用深孔钻床。该工件孔数量多达 36000个。全都是数控系统控制的。随着家电市场销售量增大，塑料制品增长速度加快，塑料模具制造业蓬勃发展，深孔钻床为了满足模具上的水孔、射销孔等孔系的深孔加工。由过去的单一座标轴的深孔钻床加工发展到需要加工座标孔系的多孔加工而开发的三座标数控深孔钻床近些年来发展很快。1995年我公司为了满足广东美的空调设备有限公司开发了我国第一台为塑料模具上多孔系加工的ZK2103型三座标数控深孔钻床，为了满足模具制造

16、业发展的需要，又开发了除了钻削深孔以外，还可以进行铣削、攻丝等多功能的ZXK2103深孔钻铣中心和三座标数控ZK2103A、ZKA2102型深孔钻床。 随着科学技术的不断发展，机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一，不仅能提高产品质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人的劳动条件。为此，许多企业采用自动机床、组合机床和专用机床组成自动或半自动生产线。但是，采用这种自动、高效的设备，需要很大的初期投资以及较长的生产准备周期，只有在大批量的生产条件（如汽车、拖拉机、家用电器等工业主要零件的

17、生产）下，电子电器才会有显著的经济效益。 1.3 立式钻床数控化改造的市场 机床的数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预订的加工工艺目标。数控机床是综合了微电子、自动控制、自动检测等先进技术的新型机床，适宜加工单件或小批量、高精度、品种多、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，所以能很好地满足产品频繁变化的加工要求。劳动量大大减少，降低了工人的劳动强度。虽然数控机床的优势很大，但是对于制造企业，单纯地靠购买数控机床来解决现状，一方面需要大量的资金投人，另一方面，将原有的普通机床闲置，势必造成一种浪

18、费。众所周知，制造业是我国国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的中坚力量。我国制造业水平与西方发达国家相比，总体水平偏低，企业经济实力有待进一步提高。因此为了节约资金、降低成本，在原来普通机床的基础上，进行数控化改造，是一种一举两得的有效途径，既经济又快捷.。1.3.1 机床数控化改造的市场 我国目前机床总量约为400万台，而其中数控机床总数只有15.49万台，即我国机床数控化率不到4。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自

19、动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。装备水平不高，更新速度低是制约我国经济发展的重要原因之一。我国大多数制造行业使用的装备是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等缺点，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 1.3.2 立式钻床简介 Z5140A钻床（如图1.1）是由辽宁省丹东市机床有限责任公司研发、生产幷销售的立式钻床，具有精度高，刚性好，扭矩大，噪声低，变速范围广等优点，操作集中，使用维修方便

20、。机床具有攻丝自动反转机构，主攻丝可实现自动正反转，对于盲孔和定深孔攻丝极为方便。 多年来Z5140A型立式钻床凭借其极高的适用范围和性价比，在国内钻床销售市场占有很大的比例。 图1.1Z5140立式钻床1.4床数控化改造的内容及优缺点 1.4.1数控化改造的内容 立式钻床数控化改造主要内容有以下几点： （1）对立式钻床精度的恢复以及对钻床存在的故障部分进行诊断并恢复； （2）数控化改造，在原立式钻床上加数显装置，或数控系统，改造成NC机床； （3）翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对立式钻床机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CN

21、C进行更新； （4）技术更新或技术创新，为提高性能或档次，满足新工艺、新技术的要求，在原有立式钻床基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高加工水平和档次。 1.4.2 立式钻床数控化改造的优缺点 （1）减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。只花新机床购置费用的1/3，交货期短。 （2）机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的立式钻床床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的钻床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来立式钻床机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 （3）对设备掌握熟悉、便于操作维修购买

22、新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 （4）可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 2主传动系统的设计一般钻床数控系统改造的总体方案的应包括以下内容：Z向步进电机与进给滚珠丝杠的联结，滚珠丝杠支承结构选择等；电主轴选用，冷却与润滑；Z向进给滚珠丝杠副的计算与校核。然后根据设计任务、机床实际情况和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。

23、2.1 立式钻床数控化改造设计任务立式钻床进给伺服系统设计计算： 此处为数控钻床机械部分改造设计，包括脉冲当量的确定、滚珠丝杠螺母副的设计、进给伺服系统的传动计算；伺服电机的计算和选用；设计并绘制床示意图，还有数控化改造的装配图。 (1)技术要求： 工作台重量：80kg 工件最大重量:150kg 机床定位精度: 0.01mm 机床重复定位精度: 0.005mm工作台进给速度: 1400mm/min工作最快移动速度: 10m/min X轴行程: 600mmY轴行程: 600mmZ轴行程：500mm工作台尺寸为：1200600 钻孔直径d=20mm；进给量f=0.3mm/s；主轴行程L=1200m

24、m。步距角=1.5；脉冲当量=0.01mm/step；启动加速时间T=25ms。 (2)机床坐标设定 本机床使用X轴、Y轴和Z轴组成的直角坐标系进行定位和插补运动。其中，X轴为钻床平面的左右方向，Y轴为钻床平面的前后方向，Z轴为主轴的上下方向。 2.2 总体方案的确定2.2.1 Z向步进电机与进给滚珠丝杠的联结 数控机床的进给机构，采用伺服电机或步进电机与滚珠丝杆连接。一般采用连轴器直连，齿形同步带连接或运用齿轮相连。在许多场合，因结构上的限制。特别是才用的伺服电机或混合式步进电机后，连轴器直连便成为电机与滚珠丝杆最为常见的的连接方法。 由于数控机床进给机构速度快，如快进，快退的速度有是高速达

25、20M/MIN以上，在整个过程中正反转换频繁。连轴器承受的瞬间冲击较大，容易引起连轴器松动和扭转，随使用时间的增长，其松动和扭转的情况加剧。实际加工时主要表现为各方向运动正常，编码器反馈也正常，系统无报警，而运动却始终无法与指令值相符，加工误差越来越大，甚至造成加工零件的报废。出现这种情况时，建议检查一下连轴器。 7 H3 Q9 W, O7 E& 连轴器按结构可分为刚性连轴器和绕性连轴器两种形式，可按其结构分别加以处理。 （1）刚性连轴器刚性连轴器目前主要采用连轴套和锥销的连接方法，而且大多进给电机轴上都备有平键。这种连接经过一段时间使用圆锥销开始松动，键槽侧面的间隙逐渐增大，有时甚至引起锥销

26、脱落，造成加工零件尺寸不稳定，解决的方法有两种： ! J ?) u- S3 g2 y1 采用特制的小头带有螺纹的圆锥销，用螺母加弹性垫片锁紧，防止圆锥销因快速转换而引起的松动。该方法能很好的解决圆锥销松动的问题。弹性销具有一定的弹性，能分解部分平键承受的饿的扭矩。当然这种方法因圆锥销小头有螺母，必须确保连轴器有一定的回转空间。 采用一大一小的弹性销取代圆锥销连接，这种方法虽没有用圆锥销的连接的精度高，但能很好的解决圆锥销松动问题，弹性销具有一定的弹性，能分解部分平键的扭矩，而且结构紧凑，装配也十分方便。经在维修中应用，效果很好，但装配时要注意，大小弹性要求互成180度装配，否则会影响零件加工的

27、精度。 % T% m4 t% X1 N c（2）绕性连轴器 绕性连轴器是数控机床广泛采用的连轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象。在结构容许的情况下，大部分数控机床的伺服进给机构都采用绕性连轴器。但绕性连轴器装配是很难把握锥套的松紧，如果锥形套涨开后的摩擦力不足，就使丝杆轴头与电机轴头之间产生相对的滑移扭转，造成数控机床工作运行中，被加工零件的尺寸呈现有规律的逐渐变化（有大变小或由小变大，每次的变化基本是恒定的。如果调整机床快速移动速度后，这个变化量也会起变化，此时CNC系统并不报警，因为电机转动是正常的。一旦机床出现这种情况，单纯靠拧紧两端螺钉的方法不一定奏效。解决方法是设法

28、锁紧连轴器的弹性锥形套，若锥形套过松，可将锥形套轴向切开一条缝，拧紧两端的螺钉后，就能彻底消除故障。 综上，连轴器直连便成为电机与滚珠丝杆最为常见的的连接方法。 2.2.2 传动形式的选择 由于选择的传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此应选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻运动平稳、传动转矩大的传动部件。本设计X、Y工作台的运动方式选择丝杠螺母机构传动形式。它主要用来将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。（1）滑动摩擦机构优点：结构简单；制造成本低；具有自琐功能。缺点

29、：摩擦阻力大；传动效率低。（2）滚动摩擦机构优点：摩擦阻力小；传动效率高。缺点：结构复杂；制造成本高。综上结合本设计的实际情况选用滚动摩擦机构。根据丝杠和螺母相对运动的组合情况起基本传动形式有以下四种：螺母固定、丝杠转动并移动 优点：结构简单；可消除丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动；可获得叫高的 传动精度；缺点：轴向尺寸不易太长；刚性较差。适用范围：工作行程较小的场合。丝杠转动、螺母移动 优点：结构紧凑；刚性较好、轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长；缺点：必须限制螺母的转动需加导向装置、不能自锁，在用作升降传动机构时需采取制动装置，适用范围：工作行程较大的场合。 螺母转动、丝杠移动 它需要限制螺母移动个丝杠转动其结构复杂切占用轴向空间较大 故很少使用。丝杠固定、螺母转动并移动 优点：结构简单紧凑;缺点：使用不方便 一般也很少使用。综上结合本设计的实际情况选用第二种。2.2.3 滚珠丝杠副的参数（1）螺距t 根据本设计的实际要求 选择t=10。（2）名义直径D0 按工作滚珠中心圆而定的直径称为名义直径D0，它与承载能力有关，对于数控机床常用的进给丝杠，其名义直径一般为2080毫米。（3）滚