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1、目录铣床数控改装任务书2前言5第一章数控改造总体方案的设计6第二章机床进给伺服系统机械部分(纵向)的设计算10第一节 工作载荷分析及计算10第二节 滚珠丝杠螺母副的选型和校核12第三节 脉冲当量和传动比的确定23第三章 微机控制部分的设计39第一节 微机控制系统概述39第二节 系统介绍40第三节 步进电机驱动控制电路48第四节 其他辅助电路的设计60第四章 微机控制系统软件设计63设计小结66X502型立式铣床数控改装任务书一、已知条件1、机床型号：x502型立式升降台铣床2、主要参数 1）工作台面积（长宽）750225（mmmm） 2）工作台及夹具总重量：G=800N 其中:横、纵向丝杆负载
2、分别为总重量的1/2 3）工作台最大行程 纵向： 500mm 横向： 190mm 4）主轴中心（端面）至台面距离：80300mm 5）进给量：纵向： 20540mm/min横向： 14380mm/min 6）快速进给速度：纵向： 2400mm/min横向： 1600mm/min 7）立铣头最大回转角：45度 8）导轨类型：综合性导轨 9）主轴转速级数：8级 10）主轴转速公比：1：41 11）主轴转速：n=47.5，67，95，132，190，265，375，530r/min 12）主轴电机功率：N=2.2KW 13）主轴传动功率：N=1.45KW 14）主轴孔径：24mm 15）铣刀最大直径
3、：32mm3、工件材料 1）碳钢，合金钢 2）铸铁4刀具材料 1）硬质合金 2）高速钢二、设计内容将一台x502型立式升降台铣床改装成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床。该铣床用于加工中型或小型零件的平面或成型表面，也可加工具有一定斜度的平面。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。三、设计要求 1、改装后纵向横向进给精度可达：10m 2、改装后增加原铣床的功能 3、改装要方便，原铣床的改动应尽可能少，如果数控部分发生故障时仍能手工半自动操作，如果不需数控时，能很快改回原状。 4、控制部分要求运行可靠，维修方便。 5、控制部分须防尘及抗干扰。
4、 6、改造成本低。四、改装后应具有基本功能及技术指标 1、工艺范围：保持原有的铣床的工艺范围外，增加任意圆弧面或凸轮曲面的数控加工。 2、控制轴数：二坐标（纵向X、横向Y）。 3、同时控制纵、横向进给运动进行圆弧面或凸轮曲面的加工。 4、脉冲当量：0.01mm/step 5、重复定位精度：0.01mm 6、定位精度：0.01mm 7、加工精度：2级五、设计工作量 1、一张纵向（或横向）工作台的结构改装图（A1） 2、一张数控系统硬件原理图（A1） 3、一份设计说明书 包括以下主要内容： （1）前言（数控改装的意义、用途及目的等）； （2）设计的主要思路：系统方案的确定、系统控制方案设计、系统设
5、计框图等；（3）机械部分改装设计计算： 1）滚珠丝杠螺母副的确定； 2）传动齿轮的传动比和齿数的确定； 3）步进电机的选型；（4）控制系统硬件电路设计计算和参数选择；（5）步进电机接口及驱动电路设计；（6）总结及结束语六、参考书目 1、数字控制机床 廖效果、朱启逑主编，华中理工大学出版社 2、金属切削机床设计 戴曙主编，机械工业出版社 3、机床设计参考图册（车床部分） 上海纺织工学院机械制造专业教研室（学院资料室） 4、或【机床设计图册，华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编，上海科学技术出版社】（学院资料室） 5、机电一体化机械系统设计 赵松年 张奇鹏主编 机械工业出版社，1999年6
6、月 6、机电一体化系统设计 张建民 等编著 高等教育出版社 200年8月 7、机电一体化技术手册（上、下册）机电一体化技术手册编委会编 机械工业出版社 8、单片机原理及其接口技术 胡汉才编著 清华大学出版社 9、MCS-51系列单片机系统及其应用 蔡美琴等 高等教育出版社 10、有关的机床数控改装的期刊资料前 言一、机床数控化改造的意义 一般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。 1. 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2. 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。 3. 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人“修配
7、”。 4. 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5. 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6. 降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 二、机床改造的优缺点 减少投资额、交货期短，同购置新机床相比，改造费用低。同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。 机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种
8、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。 用户熟悉了解设备、便于操作维修，购买新设备时，不了解新设备是否能满足其工艺要求。有的新设备由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，新设备不仅不能创造新财富，反而消耗财富。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。 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。 可以采用最新的控制技术。 可根据技术革新的
9、发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。第一章 数控改造总体方案的设计一、系统总体改造方案的确定目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、
10、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如下图所示，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，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。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。开环控制系统框图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
11、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。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
12、实际条件，并考虑到经济成本问题，可以初步选用“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧（CMD）”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。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。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。3、拟订总体方案 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
13、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。二、机械传动系统的改造方案的确定 在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿数模数及齿数的确定，原有丝杠及导轨是否重新更换，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。 X502型铣床的外形及传动系统如图7-16所示。工件装在机床的工作台上，铣刀装在转动的刀杆上，铣刀和工件相互间的位置可用纵向、横向和升降进给机构进行调整。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43，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。三、微机控制系统方案的确定1.微型控制系统的设计内容包括：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
