（2008届）
本科生毕业设计说明书普通立式铣床的经济型数控改造设计
2008年5月
摘要
本次设计主要是普通立式铣床的经济型数控改造设计，在本设计中，采用AT89C51、2764、6264、8155等芯片扩展成简单的开环单片机控制系统，通过铣削参数的计算确定步进电机。软件采用模块式，主要包括主程序模块、键盘显示模块、串行通信模块、凸轮程序处理模块、报警中断模块等。有键盘输入用户加工程序，存入外部程序存储器（2764），根据加工程序内容控制步进电机驱动工作台的径向（X向）和周向（Y向）联动，从而加工出相应的凸轮轮廓。同时，设计中也考虑到系统的精确性和稳定性，采用双片齿轮错齿法调整滚珠丝杠的轴向间隙，选用光电隔离电路去除强电干扰，选择大功率场效应晶体管斩波驱动电路实现脉冲的放大。
本设计造价低、适应能力强、应用范围广。采用本机床加工可大幅度降低工人劳动强度，有效提高加工生产率和提高工件精度。
关键词：数控技术，数控改造，单片机，，机床改造，凸轮加工
ABSTRACT
The design is General economic vertical milling machine design of NC, in this design, use of AT89C51, 2764,6264,8155, and other chip expansion into simple open-loop control system microcontroller, through the milling parameters Calculation determine stepper motor. Use of modular software, including the main program modules, keyboard modules, serial communication module, Cam process of the module, the police interrupted module. A keyboard input users processing procedures, into the external program memory (2764), in accordance with procedures for processing the content control of the stepper motor-driven table radial (X to) and the Zhou (Y to) linked to processing the corresponding cam Contour. At the same time, also taking into account the design of the system accuracy and stability of a dual-gear tooth wrong ball screw adjustment of the axial gap, the choice of optoelectronic circuits to remove segregation-interference, select high-power field-effect transistor chopper Driver circuit pulse amplification.
The design of low cost, strong adaptability and wide application. Using this machine tool workers can be significantly reduced labor intensity, effectively enhance the productivity and improve processing accuracy of the workpiece.
Keywords:NC, NC transformation, SCM, machine transformation, processing Cam
目录
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景 (2)
1.2现实意义 (2)
1.3设计任务 (2)
1.4总体设计方案分析 (2)
1.5总体设计方案确定 (2)
1.5.1 伺服系统 (2)
1.5.2 控制信号 (2)
1.5.3 辅助功能 (2)
第2章步进电机的确定 (1)
2.1 步进电机的选用 (2)
2.1.1 铣削用量 (2)
2.1.2切削层参数 (2)
2.1.3 铣削力和功率 (2)
2.1.4计算 (2)
第3章消隙方法与预紧 (2)
3.1消隙方法 (2)
3.1.1 偏心轴套调整法 (2)
3.1.2 锥度齿轮调整法 (2)
3.1.3 双片齿轮错齿调整法 (2)
3.2预紧 (2)
第4章步进电机接口电路及驱动 (1)
第5章数控系统设计 (1)
5.1 确定机床控制系统方案 (2)
5.2主要芯片配置 (2)
5.2.1 主要芯片选择 (2)
5.2.2 主要管脚功能 (2)
5.2.3EPROM的选用 (2)
5.2.4 RAM的选用 (2)
5.2.5 8031存储器及I/O的扩展 (2)
5.2.6 8155工作方式查询 (2)
5.2.7 状态查询 (2)
5.2.8 8155定时功能 (2)
5.2.9 芯片地址分配 (2)
5.3键盘设计 (2)
5.3.1 键盘定义及功能 (2)
5.3.2 键盘程序设计 (2)
5.4显示器设计 (2)
5.4.1 LED的显示原理 (2)
5.4.2 LED显示器与8155的连接 (2)
5.4.3 显示缓冲区 (2)
5.5光电隔离电路 (2)
5.6越界报警电路 (2)
5.6.1 主要电子器件 (2)
5.7总体程序控制 (2)
5.7.1 数据处理程序 (2)
5.7.2 串行通信的软件设计 (2)
5.7.3 加工程序的设计 (2)
5.7.4 流程图 (2)
5.7.5 总程序 (2)
结论 (1)
参考文献 (1)
致谢 (1)
第1章绪论
1.1 课题背景
在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg.Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，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）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，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，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。
1.2 现实意义
机床改造可以减少投资额、交货期短，同购置新机床相比，一般可以节省60％～80％的费用，改造费用低。机械性能稳定可靠，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。熟悉了解设备、便于操作维修，改造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。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。可以采用最新的控制技术,可根据技术革新的发展速度，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。
1.3 设计任务
本次设计要求把普通立式铣床改造成加工凸轮的数控铣床，包括在机械本体上加装数控工作台和数控系统的设计。数控工作台包括径向和回转方向的联动。本设计主要针对数控系统的硬件和软件部分进行设计。在硬件部分的设计中，从经济性考虑，整个系统采用单片机进行控制，工作台两个方向的驱动分别采用两台步进电机实现。软件部分包括凸轮数据处理程序、加工程序等控制程序。
本设计具体为将一台X502型普通立式铣床改造成加工凸轮的数控铣床，改造目的主要是利用数控方法加工凸轮。要求原铣床的改动尽可能少，希望保留原来操作机构，以便数控部分发生故障时仍能手工半主动操作。
X502型立式铣床其主电动机1转速为1450r/min，功率为2.2kW，通过带传动经变速传动齿轮链将运动传给主轴X。主轴有8级不同的转速，即47.5r/min、67r/min、95r/min、132r/min、190r/min、265r/min、375r/min、530r/min。主轴上传动功率为1.45kW。该主轴不能进行升降运动。工作台的升降只能通过轴7手动操作，纵向的机动时通过万向接头2将运动传给VIII轴实现。而横向和纵向那个手动操作时手柄5和手轮4进行的。
1.4 总体设计方案分析
本课题的主要任务是通过对普通立式铣床改造，实现凸轮的数控加工。在数控系统中对任意直线、圆弧或其他复杂曲线轮廓的加工都是通过插补实现的，一般的插补如直线插补和圆弧插补都是基于直角坐标系，在凸轮的铣削加工中，由于凸轮零件的型面的特殊性，如图1.1，一般插补算法很难实现加工。因此这里采用了基于极坐标的脉冲计数法，也称极坐标插补法。通过对工件回转方向和径向进给方向的联动实现凸轮型面的加工。
图1.1 凸轮示意图
由于原有机床的主运动机构仍然能够满足铣削加工的要求，在改造中可以不予改变。为了实现工作台的两轴联动，必须进行数控工作台的设计。数控工作台的设计工作包括机械本体的设计和控制部分的设计。在机械部分，回转运动方向步进电机经过齿轮降速，通过涡轮蜗杆传动驱动转台的转动；径向方向步进电机通过滚珠丝杠传动拖动工作台沿径向导轨做径向进给运动。在控制部分，主要是对控制信号、伺服系统以及系统的辅助功能进行软硬件的设计。
1.5 总体设计方案确定
1.5.1 伺服系统
伺服系统是数控装置和机床主体联系的纽带,是数控机床的重要组成部分,是将数控指令转变为进给运动的执行机构。数控机床的精度、响应速度、稳定性、有无爬行、调速范围等技术指标以及加工质量和生产率都主要取决于伺服系统。该机床伺服驱动的特点是低速、小扭矩。
在进行总体方案设计时,首先要作工艺方案的可行性分析和必要的工艺试验。结构设计时,既要考虑整机和各模块的精度要求、伺服轴的零位设置要求以及工艺性要求等,而且还要特别注意提高工艺系统的静、动刚度,伺服驱动传动链要尽可能短,并采取有效的减振消振措施。进行惯量匹配时,应综合考虑机械传动部件的惯量、阻尼和刚度对系统的影响,以获取良好的动特性。从而提高机床的工作稳定性、可靠性和精度保持性。
在本文中，我们采用步进电机做伺服电机，步进电机是一种离散运动的执行装置，
它和现在数字控制系统有着内在的联系，因此很容易和其他数字器件进行接口。另外，步进电机进给量和步进脉冲成严格的比例关系，没有累积误差，在停止时具有天生的自锁能力，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统。基于步进电机的以上几个优点，在我们的伺服系统中，采用了开环控制系统。如图1.2所示。
图1.2 步进电机的开环控制
1.5.2 控制信号
在步进电机控制系统中，控制信号经过控制器处理，通过功率放大器放大驱动步进电机的运转。
在数字控制系统中，控制信号的产生有两种方案：
第一种，采用PLC控制。PLC控制是对开关量的控制，无法实现对轨迹控制，所以不予考虑。
第二种，采用微型计算机。微型计算机功能强大，用途广泛，但是成本太高，从经济性考虑，所以也不能予采用。
第三种，采用单片机控制。此种控制方案开发周期长，但成本低，能实现凸轮加工数控功能，应用单片机来实现是比较现实和经济的。
在本次设计中，采用第三种控制，即单片机控制。
1.5.3辅助功能
在数控系统中，除了要实现主要功能以外，还需要一些辅助功能，例如，数据的采集、系统复位，工作台回原位、报警及处理等。这些功能的实现将在后面章节里进行详尽的描述。
参考经济型铣床改造的有关技术资料，对比单片机控制和PLC控制后，确定总体方案如下：
采用AT89C51主控芯片对数据进行计算处理，其具有价格低、功能强、使用灵活等优点,利用A T89C51扩展成单片机系统，即用A T89C51外接2764（EPROM）、6264（RAM）、及8155（扩展I/O）口等芯片扩展成一个较简单的微型控制系统。
系统中有时钟电路模块，复位及复位电路，数码显示接口电路，光电耦合器等。驱动电源采用双电源电路，将整个控制系统放在控制柜中，由电缆把控制系统和步进电动机联系起来。
由I/O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现径向进给和回转进给。其原理示意图1.3。
图1.3 系统总体原理图
第2章 步进电机及其传动机构的确定
2.1 步进电机的选用
2.1.1 铣削用量
铣刀铣削时，铣刀的旋转是主运动，而工件的运动是进给运动，铣刀加工时的铣削用量有下列四个要素。
2.1.1.1 铣削速度
铣削速度就是铣刀旋转运动的线速度。以刀刃上半径最大点的线速度进行计算，即 )m i n
(
1000
0m
n d V π= （2.1） 式中 0d ——铣刀最大直径（mm ）； n ——铣刀转数；
2.1.1.2 进给量
通常铣削使用的进给量有三种表示方式： （1） 每齿进给量z f
铣刀每转一个刀齿，铣刀相对于工件再进给运动方向的移动量，单位为Z mm 。 （2） 每转进给量f
铣刀每转一转，铣刀相对于工件在进给运动方向的移动量，单位为r mm 。
2.1.1.3进给速度f
v
铣刀工作一分钟，铣刀相对于工件在进给运动方向上的移动量，单位为min mm 。如果铣刀齿数为Z ，铣刀转数为n ,那么上面三种进给量有如下的关系： Zn f n f v z f ==. （2.2）
一般铣床标号上只有f
v
，所以选择进给速度时，先选z f ，然后根据铣刀齿数和转
数n ，计算出
f
v
，用以调整铣床。
2.1.1.4铣削深度p
a
铣削深度是平行于铣刀轴线测量的，铣刀与工件接触的切削层尺寸，单位为mm 。
2.1.1.5铣削弧深e a
细小弧深是垂直于铣刀轴线、又垂直进给运动方向测量的，铣刀与工件接触的切削层尺寸。e a 愈大，刀齿实际的切削路程愈长，铣刀同时工作的齿数愈多。
2.1.2切削层参数
2.1.2.1切削宽度w a
切削宽度是指沿刀刃测量的，刀刃与工件的接触长度，对于立铣刀，切削宽度等于切削深度（
w
a =p
a ）。
2.1.2.2切削面积c A
)(2mm a a A w c c ?= （2.3） 为了计算方便，对于直齿或螺旋齿圆柱铣刀都可以用下式计算切削总面积的平均
值：
)
(2
mm d Z
f a a A z e p cav π= （2.4）
式中 p
a ——切削深度（mm ）； z f ——每齿进给量（mm/Z ）；
e
a ——切削弧深度（mm ）；
Z ——切削齿数；
d ——铣刀外径；（mm ）。
2.1.3铣削力和功率
2.1.
3.1切削力的分解
在铣削凸轮的过程中，铣削力可以分解为三个正交力：
（1）切向力zi F 它是作用在铣削速度方向上的分力，是分力中最大的一个分力，消耗铣床功率最多，所以又称为主切削力。
（2）径向力yi F 它是作用在铣刀半径方向上的力，此力不消耗机床功率，但是作用在刀杆最弱的方向上，易使刀杆产生弯曲，影响铣削的平稳性和加工质量。
（3）轴向力xi F 它是作用在与铣刀轴线平行方向上的分力。对于直齿圆柱铣刀，没有轴向分力；对于圆柱铣刀，随螺旋角β增大而增大。
圆柱铣刀在铣削过程中，随着刀齿的切削位置变化，切削面积也在变化，因而，使上述的分力大小和方向都将发生变化，这对于测量是极为困难的。为了便于研究，常将铣刀齿作用在工件上的力分解为固定方向的力。如图2.1所示。
图2.1 切削力的分解
（1）垂直分力vi F 它是与铣床工作台垂直的分力，这个分力可以使工件上抬（逆
铣），或使工件压向工作台（顺铣）。
（2）水平分力hi F 它是与进给运动方向平行的分力，作用在纵向进给机构上。 （3）轴向分力oi F 它是作用在与铣刀轴线平行的方向上，大小与xi F 相等，方向相
反。对于直齿铣刀，没有轴向分力。
2.1.
3.2切削力的计算
铣削力一般只计算切向分力z F ，对于其他分力可根据z F 与H F 、v F 和o F 的比值求的（见表2.1），计算切向分力的公式很多，这里选用一种比较实用的方法。即根据塑性理论分析，得到被加工材料的硬度HB 与单位切削力p 之间，不仅因次相同，而且数值也相等，因此铣削力z F 由下式计算：
HB A F cav z ?= （2.5） 式中 cav A ——多刃刀具的切削平均面积，单刀刀具的切削面积（mm 2）；
HB ——被加工材料的硬度值。
2.1.
3.3．铣削功率
与其他铣削加工一样，铣削功率根据下式计算： 4
10
6??=v F P z m （kW ） （2.6）
式中 z F ——切向铣削力（N ） v ——切削速度（m/min ）
考虑到机床效率，机床电动机功率E P 应满足 m
m
E P P η≥
（2.7）
式中 m η——机床效率，m η=0.75~0.85。新机床取大值，旧机床取小值。
2.1.4计算
在精铣凸轮时，选择立铣刀，查切削手册，选择铣削弧深度为e
a =1mm ，工件厚度
（即切削深度）
p
a 为32mm 。工件材料为球墨铸铁，硬度HB （140~190），按照最不利
的情况，取为HB=190。、
在用高速钢铣刀时，查切削手册，铣刀的每齿进给量应为z f =0.2mm ，铣刀直径
0d =20mm ，齿数为
Z=5，切削速度f v 为
f
v
=z f ·Z·n=30（mm/min ）
在顺铣情况下，计算切削力：
2.1.4.1 平均切削面积
根据公式2.4
d Z
f a a A z e p cav π=
=
)(51.020
14.352.01322
mm =????
2.1.4.2计算切削力
由公式2.5可知：
切向力
)(9719051.0N HB A F cav z =?=?=
根据表2.1进行切削力的分解： 径向分力
)(6.7780.097N F F F F z
v
z v =?=?
=
轴向分力
o
F =)
(4.384.0970
N F F F z
z =?=?
2.1.4.3 计算功率
由公式2.5可以知：
4
10
6??=
v F P z m =
08
.010
650974
=??（kW ）
2.1.4.4 计算负载：
（1） 关于转台的计算
转台的尺寸为：直径为d =400mm ，厚度h =40mm 。转台的材料密度为
ρ=3
3
108.7m
kg
?。
所以转台的重量为：
)
(40010108.74
14
.34.004.04
3
2
2
1
111N d h g m G =?????=
?=
=ρπ
（2） 关于工件的计算
粗略估计凸轮的最大直径1502=d mm ，厚度为2h =32mm 。密度为
ρ=3
3
108.7m
kg
?。
所以工件的重量为
)
(17610108.74
14
.330.0032.04
3
2
2
2
222N d h g m G =?????=
?=
=ρπ
1) 总重量
)(57621N G G G =+=
2) 计算转矩
R
F T ?= （2.8）
由公式2.8可知凸轮和转台与底座产生的摩擦转矩f T 为：
)
(83.92.008.0)4.38576()(10m N r f F G T f ?=??+=??+=
其中 G —凸轮和转台的总重量 o F —切削力的轴向分力
f —转台与底座间的摩擦系数，取为0.08 1r —转台的最大半径
由转矩的计算公式2.8可知切削过程中的切削力矩铣T 为：
)(55.1415.0972m N r F T z ?=?=?=铣
所以，总的转矩T 为
)(48.2455.1483.9m N T T T f ?=+=+=铣
2.1.4.5 选择步进电机
考虑到系统本身不是很复杂，一般可以选择三相六拍式步进电机，步距角为 3/5.1。 （1）计算传动比i
18030
3600
5.1//
=?=
=
σ
θi
把转矩折算到电机轴上
)(14.0180
48.24m N i T T ?===
电机
根据容量匹配原则
电机T T 4max ≥ （2.9） 所以选择步进电机M56853S ，最大静转矩大小为)(96.1max m N T ?=。驱动电压60V ，启动矩频特性 1500/步，正常工作矩频特性8000步/秒。
第3章消隙方法与预紧
3.1消隙方法
数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总有一定的齿侧间隙才能正常地工作。
齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误差。
对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。
3.1.1偏心轴套调整法
如图3.1，齿轮1装在电动机轴上，调整偏心轴套2可以改变齿轮1和3之间的中心距，从而消除齿侧间隙。
图3.1 偏心轴套调整法
3.1.2锥度齿轮调整法
如图3.2所示将一对齿轮1和2的轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使齿厚在齿轮的轴向稍有变化。调整时改变垫片3的厚度就能改变齿轮1和2的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。
图3.2 锥度齿轮调整法
3.1.3双片齿轮错齿调整法
图3.3是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮1和2套装一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱3，用来安装弹簧4。装配时使弹簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。
对比三种方案：
第一种需要经常的调整，对于本身就以提高效率为目标的数控机床而言肯定不合适。
第二种是很不错的方案，但在切割机上并不实用。
第三种方案相比较而言在数控切割机上适用，而且不需要人为经常调整，很适合数