小型機床的數控改造設計【含CAD圖紙、說明書】

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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.TThis 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 benefitsKey words ： Multifunctional machine tools ； CNC Retrofit; Ball Screw; Transmission System目錄摘要IAbstractII第一章緒論11.1 引言11.2 數控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢11.2.1 數控系統(tǒng)的發(fā)展階段11.2.2 國外數控機床的發(fā)展狀況11.2.3 國內數控機床的發(fā)展狀況21.3 機床數控化改造的意義21.3.1 XZ50C 多功能銑鉆床簡介21.3.2 XZ50C 多功能機床改造的必要性31.3.3 XZ50C 多功能機床數控化改造的內容31.3.4 XZ50C 多功能銑鉆床數控化改造的優(yōu)缺點3第二章XZ50C 多功能銑鉆床數控改造總體方案12.1引言42.2.XZ50C 多功能銑鉆床數控化改造設計任務42.3 XZ50C 機床數控改造總體方案52.3.1 多功能機床的總體結構布置52.3.2 多功能機床的機械傳動方式52.3.3 多功能機床的傳動系統(tǒng)方案62.3.4 多功能機床的伺服系統(tǒng)82.3.5 多功能機床的數控系統(tǒng)結構及其工作原理82.3.6 多功能機床數控系統(tǒng)芯片的選擇82.3.7 多功能機床的單片機設計92.3.8 多功能機床的電器原理92.3.9 多功能機床的接口電路設計10第三章XZ50C 多功能機床進給系統(tǒng)設計123.1引言123.2 XZ50C 多功能機床縱向傳動系統(tǒng)設計123.2.1 多功能機床系統(tǒng)的脈沖當量123.2.2 多功能機床的切削力123.2.3 多功能機床縱向進給傳動系統(tǒng)滾珠絲杠的設計133.2.4 多功能機床縱向伺服電機的選擇及計算143.3 XZ50C 多功能銑鉆機床橫向進給系統(tǒng)的確定153.3.1 多功能機床橫向進給絲杠的選擇153.3.2 多功能機床橫向進給系統(tǒng)最大負載 C 的計算163.3.3 多功能機床橫向伺服電機的選擇及計算163.3.4 多功能機床空載加速轉矩計算173.4 XZ50C 多功能銑鉆機床垂直方向進給系統(tǒng)的確定183.4.1 多功能機床垂直方向絲杠的選擇183.4.2 多功能機床垂直方向進給傳動系統(tǒng)滾珠絲杠的計算183.4.3 多功能機床垂直方向伺服電機的選擇及計算183.4.4 多功能機床空載加速轉矩計算19第四章XZ50C 多功能銑鉆機床數控插補程序控制214.1引言214.2 XZ50C 多功能銑鉆機床數控插補程序控制概述214.3 XZ50C 多功能銑鉆機床直線、圓弧插補程序214.3.1 多功能機床直線及圓弧插補程序結構214.3.2 多功能機床直線插補程序224.3.3 多功能機床圓弧插補程序24結論28參考文獻29附錄 1 外文文獻29附錄 2 中文翻譯46致謝52小型機床的數控改造第一章緒論1.1 引言數控機床不但可以實現(xiàn)程序的輸入以及控制機床的啟動，還可以完成刀具的選擇、改造、工件的緊、釋放和冷卻啟動，停止等動作，使刀具和工件等輔助裝置嚴格按照 數控程序的要求來工作。這樣就可以實現(xiàn)機加工的數字化生產與控制，不光可以減少 人力，也可以減少零件材因為認為的原因而破壞讓費。1.2 數控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢1.2.1 數控系統(tǒng)的發(fā)展階段數控機床使得從人類在農業(yè)和工業(yè)社會創(chuàng)造上取得了質的飛躍，這些機床的出現(xiàn)增強了人類的勞動力，也為人類進入信息社會奠定了一定的基礎。1）數控（NC）階段一開始數控機床的數控部分計算速度非常低。 被稱為硬件連接數控（HARD-WIRED NC），簡稱為數控（NC）1。2）計算機數控（CNC）階段美國INTEL 公司首次在世界上將成為計算機的兩個最重要的組件-計算器和控制器 ， 集 成 在 芯 片 中 的 大 規(guī) 模 集 成 電 路 技 術 的 使 用 被 稱 為 微 處 理 器（MICROFROCESSOR），也被稱為中央處理單元（CPU）數控系統(tǒng)得到了質的飛躍。還應該指出的是，雖然外國長期以來更名為計算機數控（CNC），但中國仍然使用NC。1.2.2 國外數控機床的發(fā)展狀況在當今社會美國、日本、德國他們的數控機床的發(fā)展非常成熟，但因其社會條件不一樣，所以其發(fā)展的狀態(tài)也各不相同。（1） 美國的數控發(fā)展史美國政府為了提高國家的機械化生產能力，在數字改造上提供足夠的資金來不斷的創(chuàng)新機床技術，使得美國成為最具有機械效益的國家，也帶動著國家的經濟實力快速的增長。（2） 德國的數控發(fā)展史德國政府也非常重視機床在國家經濟中的重要戰(zhàn)略地位，別是在大規(guī)模，重型和精密數控機床在質量和性能方面位居世界前列。（3） 日本的數控發(fā)展史11日本政府也十分重視本國的機床科技的發(fā)展。從發(fā)展至今，其不斷地開發(fā)創(chuàng)新， 設計使得在機械領域猶如一批黑馬快速的沖進師姐錢二的位子，最終截止目前其數控機床的產量和出口量均占世界第一位的位子。1.2.3 國內數控機床的發(fā)展狀況1958 年，中國才開始研究和開發(fā)進行數控技術研究。后來，自 20 世紀 70 年代初以來，數控技術已廣泛應用于汽車，銑削，磨削，齒輪加工和電氣加工等領域。后來中國引進了日本，美國和其他國家的一些數控裝置和伺服單元技術來提高我國的生產效益，再后來我國也開始該方面的開發(fā)與研究。為了滿足機械行業(yè)不同層次的需求， 各種經濟型數控系統(tǒng)也已經開發(fā)并被廣泛使用。目前，中國已經建立了基于中低端數控機床的工業(yè)系統(tǒng)。1.3 機床數控化改造的意義數控機床的該著就是時期擁有自動化的功能，更換加工對象時，只需更換零件加工程序，不需要對機床進行調整，即可滿足經常變化的加工要求2。1.3.1 XZ50C 多功能銑鉆床簡介多年來，XZ50C 多功能銑鉆機（如圖 1.1 所示）以其極高的應用范圍和性價比， 占據了國內鉆機銷售市場的很大比例。其在某種程度上來說不具備自動化生產能力， 即缺少數字控制的能力，在當今這個信息化的社會，該型號的機床如果想一直長期的穩(wěn)定市場上地位就必須與時俱進裝上微型電腦、伺服電機等實現(xiàn)數字控制生產。圖 1.1XZ50C 多功能銑鉆床1.3.2 XZ50C 多功能機床改造的必要性從宏觀角度來看，1995 年中國機床擁有率（CNC 比例）中數控機床的比例僅為1.9 。從微觀角度來看，數控機床具有以下優(yōu)于傳統(tǒng)機床的突出優(yōu)點，而這些優(yōu)勢源于數控系統(tǒng)中所含計算機的強大功能。(1) 可以加工傳統(tǒng)機床無法加工的曲線，曲面等復雜零件。(2)可以實現(xiàn)加工的自動化(3) 能夠達到機加工零件表面的精度很高。另外，可以集中多個過程并減少機床之間部件的頻繁處理。(4) 具有自動補償等多種自律功能，可實現(xiàn)無人看守生產。1.3.3 XZ50C 多功能機床數控化改造的內容XZ50C 多功能銑鉆機數控改造的主要內容如下：（1） 恢復 XZ50C 多功能機床的精度;（2） 原 XZ50C 多功能機床中的控制系統(tǒng)改造成自動化的系統(tǒng);（3） 對 XZ50C 多功能銑鉆機床重新設計以提高其效率；（4） 革新原機床的設備結構，使其能夠處理級別和等級要求更高的零件。1.3.4 XZ50C 多功能銑鉆床數控化改造的優(yōu)缺點（1） 減少投資額、交貨期短與購買別國的新性機床相比，自主的開發(fā)改造可以節(jié)省 60至 80的成本，且轉換的成本也低。（2） 機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限諸如 XZ50C 多功能銑床和鉆床床身和立柱等基礎零件都是重型和強力鑄造零件， 而不是焊接零件的種類。XZ50C 高性能，高質量的鉆孔機可作為多年來的新設備。但由于原有的 XZ50C 多功能銑鉆機械結構的局限性，不宜進行突破性改造。（3） 對設備掌握熟悉、便于操作維修如果是買想裝備，可能一些功能還不是完全理解，但是使用原機床的基礎上改造， 那么操作人員已經了解了機床的特點，只需要稍加培訓，就可以快速的投入生產，且操作維護有效。（4） 可充分利用現(xiàn)有的條件現(xiàn)有的基礎可以充分利用，而不需要像購買新設備那樣重建基礎。第二章XZ50C 多功能數控機床改造總體方案2.1引言數控機床的整體改造可分為：伺服電機系統(tǒng)研發(fā)，驅動系統(tǒng)的確定和移動方法的設計，控制程序的芯片類型的選擇等。2.2. XZ50C 多功能數控機床改造設計任務XZ50C 多功能數控機床傳遞系統(tǒng)設計計算：設計并繪制 XZ50C 多功能機床的原理圖，并對 X 方向，Y 方向和 Z 方向的組裝圖進行數字化變換。(1) 技術要求：主要技術參數參數尺寸最大加工直徑（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主軸轉數（rmp）1603000電機功率（KW）1.1工作臺尺寸（mm）630x200轉速級數12(2) 多功能機床定位系統(tǒng)設定為了實現(xiàn)多功能數字控制，該數控系統(tǒng)應該尤 X 軸，Y 軸和 Z 軸組成的笛卡爾坐標系來實現(xiàn)精確定位以及一些插補算法的插補計算。2.3 XZ50C 機床數控改造總體方案2.3.1 多功能機床的總體結構布置實現(xiàn) XZ50C 多功能銑鉆床的數控化，是在該機床非自動化的裝置的基礎上進行添加電機、微型電腦、單片機、伺服電機等一些列電子控制設備，其數控的機床主要組成如圖 2.1 所示3。圖 2.1XZ50C 機床總體結構布置2.3.2 多功能機床的機械運動形式數控機床傳動系統(tǒng)需要滿足一定的準確性以及穩(wěn)定性，因此在開發(fā)機床傳動方式時，低慣性，高剛度，無間隙，高共振性。在設計過程中我們需要關注很多地方，但主要關注點如下：1） 盡可能使用低摩擦驅動和導向元件。2） 在傳動系統(tǒng)中，有必要避免傳動部件在開發(fā)過程中出現(xiàn)結構間隙。3） 增強新開發(fā)系統(tǒng)的強度。本設計課題，為了達到機床的加工精度，XZ50C 多功能銑鉆床就必須采用交流伺服電機減速后帶動滾珠絲杠來工作。1）絲杠 2）回路 3）螺帽 4）滾珠圖 2.2 絲杠部件結構簡圖如圖 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 多功能機床的傳動系統(tǒng)方案1）Z 向絲杠 2）Y 向絲杠 3）X 向絲杠圖 2.3多功能機床系統(tǒng)傳動圖多功能機床的滾珠絲杠能夠達到的傳動效率大約為0.94 ，其大小約是那些普通機床的絲杠傳遞效率的3倍 。且對于機床的傳動級數而言，為了能夠實現(xiàn) 912 級的傳動級數，在設計結構時，采用 3x2x2 的級數調節(jié)方法。具體的傳動級數如圖 2.4 所示。定位精度高，剛度好。圖 2.4系統(tǒng)的傳動級數在鉆銑床的設計中，總降速比可以設定為 u=125/1440=0.087。為了使降速變得緩慢，在一開始增加一對降速傳動齒輪副其齒數比為（ 24 / 34 ），再加上前面已確定的其傳動機構需要三次變速，所以在這里我們需要使用四組變速機構，在主軸 V 上標記 12 個速度：本設計的速度變化范圍是1251600r / min ,其中在第 軸上用A 點代表電動機的原始轉速n0 = 1440r/ min ，降速后的最低轉速可以用E 表 示，因此 A,E 兩點總降速傳動比為ut =1 。其齒輪傳動級數圖如圖 2.5 所示。圖 2.5齒輪傳動級數圖2.3.4 多功能機床的伺服系統(tǒng)由于改裝的XZ50C 數控鉆床應具有鉆孔和銑平面等功能，因此這里應該選擇連續(xù)的控制系統(tǒng)。根據機床要求，采用 8 位微機，且采用MCS - 51系列8031 單片機擴展系統(tǒng)4。(1) 系統(tǒng)運動方式的確定該系統(tǒng)可分為三種類型的控制：點控制，虛線和連續(xù)控制。(2) 電力系統(tǒng)中伺服電機模型的選擇一般機床上的伺服傳動系統(tǒng)可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)。其中閉環(huán)伺服控傳遞系統(tǒng)在機床運動部分安裝有檢測反饋元件，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，它得不到工作臺的移動距離，但是可以通過輸出軸的旋轉角度來實現(xiàn)一定的檢測與控制功能?？傊?，成功率，技術難度，準確性，投資等因素已經結合在一起。(3) 控制芯片的選擇數控系統(tǒng)的核心其實就是微型計算機的應用，使得其他設備在微型計算機的控制下按照一定的與其設計來正常工作，從而加工出我們所需要的零件。2.3.5 多功能機床的數控系統(tǒng)結構及其工作原理（1） 數控系統(tǒng)中的主控器目前在數控系統(tǒng)中常用的芯片有 8086、8088 等 16 位機的 CPU，在這里本文選用 MCS51 系列中的 8031 芯片。該芯片有很多的優(yōu)點而且操作可簡單，容易上手。（2） MCS51 單片芯片功能介紹MCS 51系列的單片機 的主要產品可分為8031、8051和8751 這三種。該系列產品是集成了 CPU ， I/ O端口和部分RAM的強大控制器。而且期功能開發(fā)完整，可編輯性強，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 CPU 共同運算；片內產生的時鐘電路平率高，且執(zhí)行元件的反映速度也非?？臁Ｒ虼?，從上述特征可以看出，塊 8031 的功能等同于微計算機系統(tǒng)5。2.3.6 多功能機床數控系統(tǒng)芯片的選擇組成多功能數控機床的芯片有很多，這里通過芯片的 EPROM 與 RAM 這兩種型號來作為選擇的依據。在選擇 EPROM 類型的時候需要關注其讀取速度，因為讀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 多功能機床的單片機設計與通用的存儲方式不同，8031 芯片只能支持一個存儲系統(tǒng)的正常運行，其中的程序存儲器和數據存儲器都是具有獨立的尋址地址。在本文選擇使用 EPROM 型號的， 其對應的地址為 0000H-1FFFH，需要擴展 RAM 和 I / O 端口和外圍設備地址一致6。2.3.8 多功能機床的電器原理多功能機器的電氣轉換是將原機器的電路連接到CNC 系統(tǒng)。數控系統(tǒng)控制的回路實現(xiàn)了銑床原有垂直運動，垂直，水平等坐標軸的驅動等功能。為了能夠實現(xiàn)該機床的數控化生產，那就需要首先修改原機床的電氣原理圖，通過改變其電氣原理圖來控制不同部件的通電得電從而實現(xiàn)對每一個步驟的進行有序的合理的實時操作，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） 多功能機床坐標軸的驅動方式為了使的機床連續(xù)工作，且工作平穩(wěn)，在結構上采用電纜將伺服電機與系統(tǒng)驅動柜相連接在一起， 通過這種方式，電機的數字控制可以通過供電來實現(xiàn)。（2） 主軸的開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繼電器來控制。1） 主軸的啟動：當主軸向前轉動時，將控制繼電器 KM1的一組常開觸點連接到啟動按鈕SB1 的兩端。2） 主軸的反轉：為了使轉換后的鉆機控制主軸，需要額外的交流接觸器 KM2來構成反向控制電路。2.3.9 多功能機床的電路設計在功能上所有的 8031 單片機的外接口都可以作為 I/ O 的外界連接接口，器具有很強的通用性。這里本文就采用 8031 單片機來控制步進電機的啟動，在一定的層度上也可以擴展數控機床的外界接口 7。最終本文按照以上的設計方案確定的結構總圖如圖 2.6 所示。19圖 2.8機床總圖第三章XZ50C 多功能機床進給系統(tǒng)設計3.1 引言通用多功能機床的進給系統(tǒng)設計一般包括：確定系統(tǒng)負載、確定系統(tǒng)脈沖當量、確定伺服電機的型號、滾珠絲杠的設計等，本文具體的設計與選型如下。3.2 XZ50C 多功能機床縱向傳動系統(tǒng)設計3.2.1 多功能機床系統(tǒng)的脈沖當量根據多功能數控鉆機的精度要求，本文可以首先確定該機床所需要的脈沖當量為0.01mm / setp 。3.2.2 多功能機床的切削力在參考 XZ50C 機床的使用說明書與相應的產品參數后發(fā)現(xiàn)，XZ50 C 多功能機床的銑刀的銑削力、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作為設計計算的考察點，則：F = 9.81C a 0.86 f 0.72a zd -0.86 = 4427(N)（3.1）zFZ ezp0上式中， Fz 做為機床的主銑削力， CFZ 做為機床選擇的刀具的刀具系數， ae 為零件需要銑削時道具的接觸弧深度，z 為多功能機床的銑刀系數， fz 為刀具的切削三要素中的進給量， d0 為該工步過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當開始進行反向銑削時，其對應的各分力為 F那么：= 1.1 Fz ，F(xiàn)fN0.25 Fz ，F(xiàn)0 = 0.38 FzF0 =0.38FZ =0.384472=1.699（KN）（3.2）那么通過以上計算可以得到其對應的合力為：F = FZ 1.13FZ= 5404( N )（3.3）在計算中，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 )X33（3.4）在刀具開始工作時，其軸向的靜壓力為：Fm = kFx +m(Fz + 2Fy + G)（3.5）在設計時，由于其采用的是三角形形導軌，因此次中的參數分別為 k = 1.15 ，m= 0 .2 ，而 Fy =0， Fz =F0 =169（9 N）， G = 1.（4KN），有上而得:Fm =1.153.6103+0.（2 1.699103+1.4103）= 4753.（8 N）3.2.3 多功能機床縱向進給傳動系統(tǒng)設計F在傳遞中，機床的最大進給力f= 169（9N ），在這里通過了解現(xiàn)有的產品，工作臺的重量為 M = 140 kg ，其中設計時，導軌與導軌都為鋼鐵結構，因此參考文獻可得其之間的摩擦系數為0.1，即計算其對應的摩擦力大小為：Fm in =f G = 0 .1 1 4 0 1 0 = 1 4（0N ）（3.6）其對應的絲杠最大預緊力為：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；在設計時可以采用主軸的轉速在為 1603000 rmp，所以折中取絲杠的最高轉速為1500r / min ，且按照設計時機床需要的最小進給速度為1mm / min ，因此絲杠的最低轉速為0.1r / min ，所以平均轉速為n =（1500 + 001）/ 2 750r / min 。因此絲杠的使用壽命為：L = 60nT106= 60 750 15000106= 675（3.8）上式中， L為機床的使用壽命，以106 r為1個單位， N 為滾珠絲杠的轉速（ r / min），其中的T 為滾珠絲杠的使用壽命 ，在這里按照工程經驗可以取數控機床的使用壽命為T =15000h 。當量動載荷 C m 為：C m =mLk p =F3k a0.9= 69.4（9KN）（3.9）pk上式中，為加載載荷的屬性系數，在無影響情況下取1 : 1.2 ，一般大小1.2 : 1.5 ，pa采用 1.52.5 時有較大的沖擊振動。這種設計k=1.5k ，其中ka 為精度影響因素，對于滾珠絲杠，取 ka = 0.9。在上面的計算后我們參照絲杠的選擇標準，這里可以確定滾珠絲杠副的型號為 FYND3206 - 4 - P3 （如圖 2.2），也就是說，內圈，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。額定動載荷C m= 6 9 .4 9 K N， Cm Ca ，比較其大小符合要求。其對應的軸向剛度kc = 1138 N /m 。其中最大負載 Fmax =1.83（9 KN），其大小在數值上遠小于3Fp 9。3.2.4 多功能機床縱向伺服電機的選型（1） 伺服電機的選型選擇伺服電機時，有必要考慮最大切削負載轉矩不能超過選定的電機額定轉矩。這里就先不做詳細介紹。（2） 最大切削力矩的計算在設計中，最大切削力矩T 可根據下式計算， 即 ：T= ( Fmax Ph +T+T )i = 16990.01 +1.595+ 0.64 = 5.23（5 N m）（3.10）2php0f 02p0.9其中，從以前的計算中其最大進給力 Fmax =1699 N ，絲杠的導程 Ph =6 mm，預緊力 Fp = 4753.8 N ，參考資料中滾珠絲杠副的機械效率h = 0 .9 ，其中由于附加的摩擦力矩會引起的滾珠絲杠對于其他結構有一定的于經理的作用。其預緊力Tp0為：T = FP Ph = 4753.8 0.006 = 0.957 （ N m ）（3.11）p029.829.8在參考“角接觸推力球軸承組件技術手冊”中，已知單個軸承的摩擦扭矩大小為0.32N m ，那么由于軸承是成對出現(xiàn)，所以一對軸承的摩擦扭矩Tf 0 =其中伺服電機直接連接在絲桿上，其傳動比i = 110。（3） 負載慣量0.64 N m 。1） 將所有的工作臺上的重量折算到電機軸上的慣量 J1 上，工作臺的重量為M = 140 kg ，那么:m() = m(= m() = 140()J =v 2p h np h 20.006 2 =0.000128(kgm2)（3.12）1w2pn2p2pv為工作臺的平均移動速度（ m / s）， w為伺服電機的平均角速度（ rad / s），m為該多功能機床在使用中直線移動工件、工作臺的質量(kg )。2） 絲杠加在電機軸上的慣量J2 ，絲杠的直徑 D= 3 2 m m ， L = 839mm ，其0材料的密度r= 7.8 103 kg / m 3 。其大小為：J = 1 prlD 4 = 1 p 7.8 103 0.839 0.0324 = 0.00067 ( kgm2 )（3.13）2320323） 其聯(lián)軸器的慣量 J3 可查手冊得到：J3 =0.001( kgm2 )4） 負載總慣量為：J = J + J + J =0.000128+0.00067+0.001=0.001798（ kgm2 ）（3.14）r123這里在選擇電機時，我們需要根據數控機床的慣性匹配條件，1 JMJr 4 ，因此M伺服電機的慣量J 應該控制在0.0032 : 0.0312kgm2 范圍內。代入數值，可以得出轉速 nN ， 轉動慣量 JN ， 轉矩 MN 以及最大轉矩 Mmax 。依據以上的計算結果選擇130ST-M10015H 這個型號的伺服電機。其中130 ST - M 10015 H 型交流伺服電機 的主要參數如下：表 3.1交流伺服電機的主要參數最高轉速（ n m ax ）1500r/min額定轉矩（ Te ）最大轉矩（ Tmax ）轉 子 慣 量M( J )0.0071機械時間常數( tm )輸出功率(P)重量(m)17.6 N m154 N.mkgm215.2ms1.4kw30kg（4） 電機空載轉矩計算當執(zhí)行器在數控操作下尤步進停止加速到快速移動時，所需的加速轉矩為：J nTa =9.6 tac（ N m ）（3.15）1） 當機床不需要技工零件時，機床的電機會處于空載狀態(tài)，此時機床主要克服的是機械的轉動慣量。其大小為：J = J + J= 0 .00187 + 0 .0071 = 0 .00897 （ kgm2 ）（3.16）rMm2） 加速時間tac通常取t 的 3 4 倍 ，?。簃tac=3 t = 3 15 .2 = 45 .6 ms = 0 .04（6s）（3.17）所以：J naT =9.6tac= 0.008971500 = 30.47 （ N m ）（3.18）9.60.046amax空載加速轉矩T 不允許超過伺服電機的最大輸出轉矩 T11，因此該型號的電機滿足設計要求。3.3 XZ50C 多功能銑鉆機床橫向進給系統(tǒng)的確定3.3.1 多功能機床橫向進給絲杠的選擇由式（3.1）（3.18）可以計算出進給牽引力 Fm 選擇導軌類型為矩形導軌，則：Fm = K Fx + f ( Fz + 2 F y + G ) = 1 .1 3 6 0 3 + 0 .1 4 (1 6 9 9 + 1 4 0 0 ) = 4 3 9 7 .1（6 N ）其中， f 為摩擦系數，大小為0.14 ；G 為移動部件重量。3.3.2 多功能機床橫向進給系統(tǒng)計算（1）機床橫向進給絲杠的計算機床旋轉時絲杠所需要克服的摩擦力為其最小載荷。已知最大進給力F f = 1 6 9 （9N ），工 作 臺 加 工 件 的 質 量 M= 1 4 0 kg ， 導 軌 的 摩 擦 因 數 為 0 .1 ，因此最小載荷大小為絲杠最大載荷為：Fmin= fG= 0 .1 1 4 0 1 0 = 1 4 （0 N ）其平均載荷為：Fmax =1699 +140 =183（9 N）Fm =4 3 9 7 .1 （6 N ）根據上面的計算方法與步驟其滾珠絲杠的使用壽命為：L = 60nT106= 60 750 15000106= 675計算當量動載荷 C m 為：pC m =k a上式中，為加載載荷的屬性系數，在無影響情況下取kp0.9=64.2（7 KN）1 : 1.2 ，一般大小1.2 : 1.5 ，pa采用1.5 : 2.5 時有較大的沖擊振動。這種設計k=1.5k ，其中ka 為精度影響因素，對于滾珠絲杠，取 ka = 0.9。因此滾珠絲杠滿足要求，在考慮機床安裝等方便的角度上，這 里 也 選 擇 上 面型 號 的 滾 珠 絲 杠 ， 軸 向 剛 度 k c = 1138 N / m m 。 預 緊 力aFp = C / 4 = 6 4 .2 7 / 4 = 1 6 .0 7 K N小于3Fp 。在設計中絲杠的最大載荷為 Fmax =1.83（9 KN），遠3.3.3 多功能機床橫向伺服電機的選型（1） 伺服電機的選型在這里對于伺服電機的選擇，同上面描素一樣。（2） 最大切削負載轉矩計算最大切削負載轉矩T 可根據下式計算， 即T= ( Fmax Ph +T+T )i = 16990.006 + 0.89 + 0.64 = 3.335 （ N m ）2php0f 02p0.9其中，從前面的計算已知， Fmax =1699N ， Ph = 6mm，預緊力 Fp = 4397.16N ， 其已知機械效率h = 0 .9 ， Tp0大小為：T = FP Ph = 4397.16 0.006 = 0.89 ( N m )p029.829.8通過上面已知其選取的軸承的一對摩擦扭矩大小為Tf 0 =（3）負載慣量的計算0.64 N m1） 將所有的工作臺上的重量折算到電機軸上的慣量 J1 上，工作臺的重量為M = 140 kg ，：J1=m( v )2 = m( p h n = m( p h )2 = 140( 0.006 )2 =0.000128(kgm2)w2pn2p2p2） 在前面的參考計算可知，滾珠絲杠的慣量 J2 為：J = 1 prlD 4 = 1 p 7.8 1.201 0.0324 = 0.00096 （ kgm2 ）2320323） 慣量 J3 可直接查手冊得到：3J =0.001（ kgm2 ）4） 那么其對應的負載總慣量為：J = J + J + J =0.000128+0.00096+0.001=0.011088（ kgm2 ）r123從上面已知，1 JMJr4，這里也選擇和上面一樣的電機，其參數如表 3.1 所示。3.3.4 多功能機床空載計算從上面計算所知，所需的空載加速轉矩T a 為：J nT a =9.6 tac（ N m ）（1） 按照上面的機選結果可以得出，這里的交流伺服電機總慣量大小為：J= J + J= 0 .011088 + 0 .0145 = 0 .02588 （ kgm2 ）rMm（2） 加速時間tac一般取t的3 : 4 倍，?。簃tac=3 t = 3 15 .2 = 45 .6 ms = 0 .046 （s）所以：T a =J n9.6tac= 0.025881500 = 86.92 （ N m ）9.6 0.046由此可以得出該130ST - M 07720H 型交流伺服電機的選型滿足設計要求。3.4 XZ50C 多功能銑鉆機床垂直方向系統(tǒng)的確定3.4.1 多功能機床垂直方向絲杠的選擇由式（3.1）（3.18）得：（1）計算進給牽引力 Fm選擇導軌類型為矩形導軌，則:Fm = KFx + f (Fz + 2Fy +G) =1.13603+0.（2 1699+1800）= 4663.（1 N）3.4.2 多功能機床垂直方向進給傳動系統(tǒng)滾珠絲杠的計算從上面的計算中，進給力 Ff=169（9 N）， 工 作 臺 加 工 件 的 質 量 M= 1 8 0 kg ，導軌的摩擦因數為 0.1，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）為：絲杠最大載荷為：Fmin= fG= 0 .1 1 8 0 1 0 = 1 8 （0 N ）平均載荷為：Fmax =1699+180 =187（9 N）Fm = 4 6 6 3 .（1 N ）和前面的計算不候相同，其滾珠絲杠的工作壽命為：L = 60 nT10 6= 60 750 1500010 6= 675計算當量動載荷 C m 為：F3mLk p=C= =68.1（7 KN）mk a0.9上式中，為加載載荷的屬性系數，在無影響情況下取kp1 : 1.2 ，一般大小1.2 : 1.5 ，采用 1.52.5 時有較大的沖擊振動。這種設計k=1.5k ，其中ka 為精度影響因素，pa對于滾珠絲杠，取 ka = 0.9。因此滾珠絲杠滿足要求，在考慮機床安裝等方便的角度上， 這里也選擇上面型號的滾珠絲杠， 軸向剛度 k c=1138 N/ m m 。預緊力aFp = C / 4 = 6 8 .1 7 / 4 = 1 7 .0 4 K N于3Fp 。此設計中螺釘的最大載荷 Fmax = 1.83（9 KN），遠小3.4.3 多功能機床垂直方向伺服電機的選型（1） 伺服電機選型伺服電機的選擇同樣參考上面的三個參考點來選擇。（2） 最大切削負載轉矩計算這里最大切削負載轉矩 T 的大小為：T= ( Fmax Ph +T+T )i = 16990.006 + 0.94 + 0.64 = 3.384 （ N m ）2php0f 02p0.9其中，從以前的計算已知最大進給力 Fmax =1699N ，絲杠導程 Ph = 6mm，預緊力 Fp = 4663.（1 N），則Tp0的大小為：T = FP Ph = 4663.1 0.006 = 0.94 （ N m ）p0（3） 負載慣量計算29.829.81） 將所有的工作臺上的重量折算到電機軸上的慣量 J1 上，工作臺的重量為M = 140 kg ，：J =m ( v )2 = m( p h n = m( p h )2 = 180( 0.006 )2 =0.000164(kgm2)1w2pn2p2p2） 有上面的合計計算參考可知，慣量 J2 的大小為：J = 1 prlD 4 = 1 p 7.8 1.22 = 0.001248 （ kgm2 ）2320323） 慣量 J3 可直接查手冊得到：3J =0.001（ kgm2 ）4） 負載總慣量為：J = J + J + J = 0.000164+0.001248+0.001= 0.002412（ kgm2 ）r123根據以上的選擇判斷依據和方法，在選型上，為了方便機床的安裝與選擇，這一精良選擇和上面同樣型號的電機，因此這里也選擇剛面型號的伺服電機。其表如 3.1 所示。3.4.4 多功能機床空載轉矩計算當執(zhí)行器通過步進指令加速到快速移動時，需要的怠速加速轉矩T a 為J nT a =9.6 tac（ N m ）（1） 空載加速時，機床主要克服的是機械的轉動慣量。其交流伺服電機的總慣量為：J= J + J= 0 .002412 + 0 .0068 = 0 .0092 （ kgm2 ）rM（2） 加速時間tac通常取tm的 3 4 倍 ，取：m所以：tac=3 t=315.2=45.6ms=0.046（s）29T a =J n9.6tac= 0.00921500 = 31.29( N m )9.60.046參照前面的設計計算的，該電機滿足設計要求。第四章XZ50C 多功能銑鉆機床數控插補程序控制4.1 引言在數控機床上，通過插補計算來實現(xiàn)各種輪廓操作中可能由于道具的直徑而引起的尺寸差距。插值算法是計算輪廓線起點和終點之間的有限數量的坐標點的方法，可以有效地提高機床加工的精度。4.2 XZ50C 多功能銑鉆機床數控插補程序控制概述插補方法可分兩大類：脈沖增量插值和數據采樣插值12。數字增量插值方法（也 稱為數據采樣插值方法）在指定時間內（稱為插值時間）計算每個坐標方向上的增量。移動部分也必須經過下一個插值時間的插值，所以數據采樣插值也被稱為時標插值13。此數據采樣法適用于交流伺服電機的閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)14。4.3 XZ50C 多功能銑鉆機床直線、圓弧插補程序4.3.1 多功能機床直線及圓弧插補程序結構圖 4.1直線插補程序框圖圖 4.2圓弧插補程序框圖4.3.2 多功能機床直線插補程序表 4.1直線插補程序內存單元地址存放內容28H終點坐標 SE 值29H終點坐標 SE 值2AH插補值 X2BH插補值 Y2CH偏差值 A70H控制電機正、反轉的控制字其對應的程序如下：ORG2300HMAIN：MOVSF，#60H；主程序開始MOVR0，#T8155；置 8155A 口輸出MOVA， #80HMOVXR0，ALCALLDSUF；裝代碼子程序MOVR5, #11HMOVR6, #21HLOR4：MOV28H，#0C8H；Xe MOV29H，#0C8H；YeMOV2AH，#00H；XMOV2BH，#00H；YMOV2EH，#00H；F MOV70H，#0AHLOF3：MOVA，2EH JBACC.7，LOF1MOVA，70HSETBACC.0CLRACC.2MOV70H，A；0B+XLCALLMOTOR；調環(huán)行分配器子程序，x 方向走一步MOVA，2EHSUBBA，29H； F-YeINC2AH； X+1 AJMFLOF2LOF1：MOVA，70H SETBACC.2CLRACC.0MOV70H，A；OE+YLCALLMOTOR；Y 方向走一步MOVA，2EHADDA，28H；F+XeINC2BH；Y+1 LOF2：MOV2EH，AMOVA，28HCJNEA，2AH，LOF ；Xe=X？MOVA，29HCJNEA，2BH，LOF3；Ye=Y？ST：MOVR0，#T8155；關 8155 MOVA，#00HMOVXR0，ALJMF0000H4.3.3 多功能機床圓弧插補程序XLEQU18HXHEQU19HYLEQU28HYHEQU29HXeLEQU1AHXeHEQU1BHYeLEQU2AHYeHEQU2BHFLEQU2CHFHEQU2DHORG2400H MAIN：MOVSF，#60HMOVR0，#0EBHMOVA，#80HMOVXR0，ALCALLDSUF；調裝碼子程序MOVR5，#11HMOVR6，#21HMOV70H，#08HMOVXL，#80H；XLMOVXH，#0CH；XHMOVYeL，#80H；YeLMOVYeH，#0CH；YeHMOVXeH，#00H；XeHMOVXeL，#00H；XeLMOVYL，#00H；YLMOVYH，#00H；YHMOVFL，#00H；FLMOVFH，#00H；FHMOV1CH，#00HMOV1DH，#00HLOOF3：MOVA，F(xiàn)HJNBACC.7，LOOF1MOVA，70HSETBACC.2CLRACC.0MOV70H，A；OC+YLCALLMOTORMOVR1，#28H；YLMOVR0；#1CHMOVR7，#02HLCALLCHFZ；2*YADD：CLRCMOVA，F(xiàn)LADDCA，1CHMOVFL，AMOVA，F(xiàn)HADDCA，1DHMOVFH，ACLRCMOVA，YLADDA，#01HMOV28H，AMOVA，YHADDCA，#00HMOVYH，ACLRCMOVA，F(xiàn)LADDA，#01HMOVFL，AMOVA，F(xiàn)HADDCA，#00HMOVFH，AAJMFLOOF2 LOOF1：MOVA，70H