毕业设计说明书
学⽣姓名：
学⽣班级：机械制造及其⾃动化091
学⽣学号：
设计题⽬：简易⽴式钻铣床数控系统改造设计指导⽼师：蜘蛛网结构
教研室主任：
系主任：
机电⼯程系
2012年3⽉15⽇
前⾔
据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝⼤部分都是多年累积⽣产的普通机床。这些机床⾃动化程度不⾼，加⼯精度低，要想在短时期内⽤⾃动化程度⾼的设备⼤量更新，替代现有的机床，⽆论从资⾦还是从我国机床制造⼚的⽣产能⼒都是不可⾏的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现⾃动化和精密化改造⼜势在必⾏。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。 在过去的⼏⼗年⾥，⾦属切削机床的基本动作原理变化不⼤，但社会⽣产⼒特别是微电⼦技术、计算机技术的应⽤发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提⾼机床的⾃动化程度，⼜能提⾼加⼯的精度，现已有⼀些企业在这⽅⾯做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满⾜了技术进步和较⾼⽣产率的要求，⼜由于产品精度提⾼，型⾯加⼯范围增多也使改造后的设备适应能⼒加⼤了许多。这更加突出了在旧机床上进⾏数控技术改造的必要性和迫切性。 由于新型机床价格昂贵，⼀次性投资巨⼤，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费⼤量的资⾦，⽽替换下的机床⼜会闲臵起来造成浪费，若采⽤改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资⾦。从我国的具体情况来讲，⼀套经济型数控装臵的价格仅为全功能数控装臵的1/3到1/5，⼀般⽤户都承担得起。这为资⾦紧张的中⼩型企业的技术发展开创了新路，也对实⼒雄厚的⼤型企业产⽣了极⼤的经济吸引⼒，起到了事半功倍的积极作⽤。
据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期⼀般较长，往往不能满⾜⽣产需要。因此机床的数控改造就成为满⾜市场需求的主要补充⼿段。
在机械⼯业⽣产中，多品种、中⼩批量甚⾄单件⽣产是现代机械制造的基本特征，占有相当⼤的⽐重。要完成这些⽣产任务，不外乎选择通⽤机床、专⽤机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种⽣产需要的。
从上述分析中不难看出数控技术⽤于机床改造是建⽴在微电⼦现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使⽤的证明，把微机数控系统引⼊机床的改造有以下⼏⽅⾯的优点：
1）可靠性⾼、柔性强、易于实现机电⼀体化；
2）经济性可观。
为此在旧的机床上进⾏数控改造可以提⾼机床的使⽤性能，降低⽣产成本，⽤较少的资⾦投⼊⽽得到较⾼的机床性能和较⼤的经济效益。
本⽂针对企业的Z512⼩型钻床进⾏数控化改造。其内容包括：总体⽅案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（数控⼯作台设计，伺服进给机构设计，钻头Z向进给装臵）、数控装臵（8031单⽚机）等。 对台钻进⾏数控系统改造设计符合我国国情，即适合我国⽬前的经济⽔平、教育⽔平和⽣产⽔平，⼜是国内许多企业提⾼⽣产设备⾃动化⽔平和精密程度的主要途径，在我国有着⼴阔的市场。从另⼀个
⾓度来说，该设计既有机床结构⽅⾯内容，⼜有机加⼯⽅⾯内容，还有数控技术⽅⾯的内容，有利于将⼤学所学的知识进⾏综合运⽤，是个很好的学习机会。
⽬录
前⾔
设计任务书
摘要
绪论
第⼀章 Z512原机型说明及其改造⽅案
第⼆章 XY⼯作台的改造设计及其设计计算第三章主轴钻头的Z向进给改造
第四章数控系统电路及其软件设计
结语与致谢
参考⽂献
设计任务书
⼀、毕业设计⽬的：毕业设计是学⽣在教师的指导下进⾏的⼀次理论联
系实际的综合训练。学⽣通过毕业设计，在综合运⽤所学的基础理论与专业知识进⾏独⽴分析和解决某⼀个专业技术问题的能⼒⽅⾯，应当得到⼀次全⾯的锻炼和提⾼。
⼆、毕业设计题⽬：简易⽴式钻铣床数控系统改造设计
三、技术要求：
1．采⽤8031单⽚机作为控制器，以标准步进电机为驱动元件，滚珠丝杠为传动件，滚动导轨为⽀承，对钻头直径⼩于
φ13mm的简易台钻（Z512-1型或4112型台式钻床）进⾏数控系统改造设计，机构设计必须符合有关产品设计规范；
2．根据钻削加⼯的机床运动需要，在原有⼯作台的基础上加装数控⼯作台；数控⼯作台Z向静⽌⾼低⼯作位臵调整采⽤⼿动⽅式进⾏，⼯作时，采⽤⼿动夹紧；
3．主轴钻头的Z向进给由步进电机驱动，主轴钻头Z向进给量（向下）为99mm，加⼯完成后，由软件控制返回起始点；4．主轴钻头转速的调整采⽤原有的⼿动调速机构，实现⼈⼯三级调速；
5．数控⼯作台（形状与⾯积与原⼯作台相似）在⽔平⾯（X－Y平⾯）内的移动范围为300mm×198mm（X向为±150mm，Y 向为±99mm）；
6．数控⼯作台在X－Y平⾯内重复定位精度为±15µm，Z向孔深定位精度在±10µm以内；
7．钻铣床坐标系遵循右⼿法则，Z轴向上为正，钻头尖部为X－Y坐标系零点；
8．采⽤8031单⽚机和驱动电路对X、Y、Z三个⽅向的三个运动实现开环控制，数控⼯作台的运动状态⽤点位控制系统，按X、Y、Z三个坐标轴实现顺序运动；
9．最终完成钻铣床的控制系统组成⼀个开环⽆触点控制元件的点位控制系统。
10．要求机械结构操作灵活⽅便、安全可靠，噪声⼩，定位准确，数控系统控制精确，反应迅速灵敏，改造后的⽴钻⼯作状态不低于国家标准有关规定。
四、毕业设计要求：
1．态度端正，严肃认真，细致耐⼼；联系实际，开拓创新，按质按量完成任务；
2．注意培养⾃⼰耐⼼细致的严谨的⼯作作风；注意培养⾃⼰勇于开拓创新的科学精神；注意培养⾃⼰吃苦耐劳、敢挑重担的⾰命精神，独⽴完成设计任务； 3．全部设计图样应⽤绘图软件绘制。
五、毕业设计内容：
1．⽴式钻铣床改造机械机构配臵图1套；
2．⽴式钻铣床改造机械机构零件图张数及图幅按需要；
3．撰写设计说明书（字数不少于1.5万字）1份；
发烟筒4．将完成的毕业论⽂资料（图纸、说明书等）刻录光碟1张。
六、毕业设计时间：
第1-7周（2⽉13⽇-3⽉30⽇）
七、毕业设计进度：
1．第1周，明确⽴式钻铣床改造机械机构和数控系统设计要求，查阅资料，确定设计⽅案，绘制设计草图；
2．第2周，初步完成⽴式钻铣床改造机械机构和数控系统总体设计（总配臵和关键零部件）草图；
3．第3-4周，完成⽴式钻铣床改造机械机构总体配臵图和零件图的设计、绘图，打印设计图纸；
4．第5-6周，完成⽴式钻铣床改造数控控制系统汇编语⾔程序编制；
5．第6-7周，撰写设计说明书，完成毕业答辩。
⼋、毕业设计中值得注意的⼏个问题：
测脑龄1．设计前，应先对钻铣床改造机械机构配臵和数控系统的设计进⾏认真分析；
2．在确定设计⽅案前，应尽可能多考虑⼏个⽅案，从技术性和经济性各⽅⾯分析对⽐后，保证可⾏性，选择⼀个最佳设计⽅案进⾏设计；
3．设计过程中，要兼顾改造产品的⽣产、服务、市场推⼴等，提⾼性价⽐。
摘要
以原机床为基础，原机床的主要结构基本不变。设计⼀套简易微机数控XY ⼯作台，固定在Z512型钻床的⼯作台上，可转动下⼿柄使⼯作台上下移动，位臵调整好后将其锁定。
连通区域XY⼯作台的位臵控制采⽤步进电机数控系统。再将控制钻头上下运动的⼿柄和定位卡铁拆去，改⽤步进电机通过减速装臵和联轴器控制钻头上下运动。
钻头的旋转运动仍由原来的三相交流电动机驱动，其转速可根据加⼯⼯件的材料、孔径⼤⼩、板厚等进⾏调整。
选⽤8031单⽚机和驱动电路对3个步电机进⾏开环控制。
由于⼯件相对于⼑具移动的过程中不进⾏钻削，故采⽤点位控制系统。定位⽅式采⽤增量坐标控制较为⽅便，采⽤汇编程序直接实现钻孔加⼯控制，不需编制零件NC加⼯程序和专门的NC程序编译、插补运算等处理的数控系统。
关键字：Z512型钻床、步进电机、数控系统、8031单⽚机
由于本⼈经验不⾜，以及对知识掌握程度的限制，设计过程还存在某⽅⾯的错漏，敬请⽼师提出宝贵意见。
绪论
1 数控系统现状简述
近⼏年来，机械加⼯业⼤量采⽤数控机床取代传统的普通机床进⾏机械加⼯，普通机械逐渐被数控机械所代替。数控机床综合了微电⼦、计算机、信息处理、⾃动检测、⾃动控制、电机与拖动，电⼦和电⼒、精密测量、⽓液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电⼀体化产品，是数控机床的⼼脏。具有⾼精度，⾼效率，柔性⾃动化等特点决定了今后发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是⼯⼚⾃动化的基础。数控机床在各个机械制造企业已成为⼤、中型企业的主要技术装备。
2 数控系统的发展趋势
从⽬前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电⽓化、电⼦化、⾼速化、精密化等⽅⾯⾼速发展，其主要研究热点有以下⼏个⽅⾯：
2.1 性能发展⽅⾯
2.1.1 ⾼精⾼速⾼效化速度
效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。若采⽤⾼速cpu芯⽚、risc芯⽚、多cpu控制系统、⾼分辨率检测元件、交流数字伺服系统、配套电主轴、直线电机等技术可极⼤地提⾼效率，提⾼产品的质量和档次，缩短⽣产周期和提⾼市场竞争能⼒。在今后的⼏年，超精密数控机床正在向精密化、⾼速化、智能化和纳⽶化发展，汇合⽽成的新⼀代数控机床。
2.1.2 柔性化
数控系统采⽤新⼀代模块化设计，功能覆盖⾯更宽，可靠性更强，可满⾜不同⽤户的需求。同⼀控系统能根据不同⽣产流程，⾃动进⾏信息流动态调整，发挥控系统的功能。
2.1.3 多轴化
多轴联动加⼯，零件在⼀台数控机床上⼀次装夹后，可进⾏⾃动换⼑、旋转主轴头、旋转⼯作台等操作，完成多⼯序、多表⾯的复合加⼯，不仅光洁度⾼，⽽且效率也⼤幅度提⾼。
2.1.4 软硬件开放化
⽤户可根据⾃⼰的需要，对数控系统软件进⾏⼆次开发，⽤户的使⽤范围不再受⽣产商的制约。
2.1.5 实时智能化
在数控技术领域，实时智能控制的研究和应⽤正沿着：⾃适应控制、模糊控制、神经⽹络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等⽅⾯发展。如编程专家系统故障诊断专家系统，当系统出了故障时，诊断、维修等实现智能化。
3 Z512台钻改造意图
本着对机床的改动尽可能少、控制部分要求抗⼲扰性强、改造成本低的原则。依据有关资料的技术要求，改造之前应对该机床的性能、数据有所掌握。以便针对机床本⾝的精度⾼低来确定改造后的精度和改装范围。使其在原有的功能上得以提升，达到数控化。⽽本⾝改造⼜具有经济、⽅便、实⽤、可靠等特点，适合
中⼩型企业⽣产。
4 Z512台钻的数控化改造
⼀般来讲，普通⽴式钻床的数控改造主要有两部分，⼀是设计⼀套简易微机数控X—Y⼯作台，固定在钻床的⼯作台上。⼆是将控制钻头上、下运动的⼿柄拆去，改⽤微机控制步进电机通过⼀级减速装臵使钻头上下运动。
根据数控钻床的性能要求，⼀般钻床的加⼯精度在0.1～0.02之间。则钻床步进电机的脉冲当量δP可选为0.01mm/step，步进电机的步距⾓θb=1.5°。
第⼀章
Z512原机型说明及其改造⽅案
⼀、Z512台钻原机主要技术参数
1.型号 Z512-2
2.最⼤钻孔直径 12.7mm
3.⽴柱直径 70mm
4.主轴最⼤⾏程 100mm
5.主轴中⼼线⾄⽴柱表⾯距离 193mm
钢筋剥肋滚丝机6.主轴端⾄⼯作台最⼤距离 326mm
7.主轴端⾄底座最⼤距离 556mm
8.主轴锥度 B16
9.主轴转速范围 480-4100rpm
10.主轴转速级数 5
11.⼯作台⾯尺⼨ 250x250mm
12.地⾯⼯作台⾯尺⼨ 250x300mm
13.总⾼ 1037mm
14.电动机 370w
15.⽑重/净重 109/86kg
16.包装尺⼨ 79x44x96cm
17.电压 380/220V
⼆、Z512台钻数控化改造⽅案
1.保持原有机床基本结构不变，保留原机床主传动链，保留钻床⼯作台和控制⼯作台移动⼿柄，在原⼯作台上安装⼀套微机数控的X—Y⼯作台。由于X—Y ⼯作台的运动部件重量和切削⼒不⼤。因此选⽤有预加载荷的双V形滚珠导轨。采⽤滚动导轨可减⼩两个相对运动⾯的动、静摩擦系数之差，从⽽提⾼运动平稳性，减⼩振动。考虑到电机步距⾓和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01要求，需采⽤齿轮降速传动。
2.在X、Y⼯作台的下底板的4个⾓留有⼀个凸台，各开⼀个槽，把螺栓插⼊原⼯件台的槽及此槽内⽤螺母旋紧。原有⼯作台上表⾯装预加载双V型滚珠导轨⽀撑⼯作台，为实现⼯作台⽔平⾯内X、Y向移动。
3.将控制钻头进给运动的⼿柄拆去，在钻床的主轴上加三相六拍步进电动机，步进电机通过⼀级减速，使齿轮与套筒上的齿条啮合，从⽽实现了主轴向下进给或向上退出。通过减速器控制钻头在Z向上、下移动，钻头Z向进给量（向下）为99mm，加⼯完成后，由软件控制返回起始点。
4．考虑到⽅便机床步进电动机的互检，降低售后维修保养成本，所以X/Y/Z
三个⽅向所选⽤的步进电动机可以尽量为同⼀型号。
5.数控系统的设计，采⽤8031单⽚机和驱动电路对X、Y、Z三个⽅向实现开环控制，数控⼯作台的运动状态⽤点位控制系统，按X、Y、Z三个坐标轴实现顺序运动。定位⽅式采⽤增量坐标控制，驱动电路选⽤⽆触点控制元件电路，整个控制系统组成了⼀个开环⽆触点控制元件的点位控制系统。
系统设计框图
横向丝杆
纵向丝杆
第⼆章
XY⼯作台的改造设计及其设计计算⼀ XY⼯作台传动⽅式的确定
XY⼯作台中 x、y⽅向的移动，可采⽤螺旋机构或齿轮齿条传动机构，这两种均可把旋转运动变为直线运动。因为此机构以传递运动为主，要求有较⾼的传动精度，⼜要求结构紧凑，所以选⽤螺旋机构。
但常⽤的螺旋机构中丝杆和螺母之间的相对运动是滑动，磨损较严重，影响传动精度，寿命短，效率低，不能满⾜⾼速度、⾼效率和⾼精度等传动要求。为了使运动灵敏⼜能满⾜精度要求，选⽤滚珠螺旋机构，也就是采⽤了间隙可调的滚珠丝杆传动。
氧化锆全瓷要使运动稳定可靠，采⽤丝杆传动，螺母带着⼯作台作移动的传动形式。螺母带着⼯作台在底座的导轨上移动，因为运动部件重量不⼤，切削⼒也不⼤，⾏程较⼩，所以确定采⽤有预加载荷双V形滚珠导轨。
系统总体框图如下:
X向丝杆
Y向丝杆
⼆ XY⼯作台的设计计算
要求：数控⼯作台（形状与⾯积与原⼯作台相似）在⽔平⾯（X－Y平⾯）内的
移动范围为300mm×198mm（X向为±150mm，Y向为±99mm）；
根据给定的有效⾏程，画出⼯作台简图，估算X向和Y向⼯作台承载重量Wx和Wy。设计⼯作台简图如下:
估计：Z512钻床加装的数控⼯作台纵向⼯作台20kg ，横向⼯作台35kg ，⼯作台夹具的最⼤质量约为10kg 。
⼀.脉冲当量的确定
根据机床精度要求数控⼯作台在X －Y 平⾯内重复定位精度为±15µm 确定脉冲当量，考虑到机械传动系统的误差存在。脉冲当量值必须⼩于定位精度值。本次设计确定脉冲当量为0.01mm/步.
⼆．滚珠丝杆螺母副的计算和选型
(1)额定动载荷和额定静载荷
豫公网安备41160202000603
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