【正文】 m/min工作最快移動速度: 10m/minX軸行程: 500mmY軸行程: 500mmZ軸行程：600mm工作臺尺寸為：1000460 (2)機(jī)床坐標(biāo)設(shè)定本機(jī)床使用X軸、Y軸和Z軸組成的直角坐標(biāo)系進(jìn)行定位和插補(bǔ)運(yùn)動。（二）總體方案的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機(jī)械傳動裝置時，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。例如采用間隙齒輪等?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。保證了一定的傳動精度跟平穩(wěn)性，拆掉了原Z5140A鉆床的絲杠螺母機(jī)構(gòu),更換上用伺服電動機(jī)驅(qū)動的滾珠絲杠螺母副。1）絲杠2）回路管道3）螺母4）滾珠，它們對合起來就形成了螺旋滾道。1）Z向傳動絲杠2）Y向傳動絲杠3）X向傳動絲杠采用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)三坐標(biāo)兩軸聯(lián)動控制，工作臺縱向、橫向及垂直方向的運(yùn)動分別由交流伺服電動機(jī)經(jīng)過齒輪或聯(lián)軸器減速后，由滾珠絲杠螺母副拖動。滾珠絲杠副的傳動效率=～，是普通絲杠螺母副的3～4倍。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、伺服電機(jī)功率放大電路等組成。（1）系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定數(shù)按系統(tǒng)運(yùn)動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)（2）伺服驅(qū)動電機(jī)的選擇伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。閉環(huán)系統(tǒng)多采用交流伺服電機(jī)或位流伺服電機(jī)驅(qū)動。在我國設(shè)備數(shù)控化改造的一段時間里，較多采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件。且交流電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較直流電動機(jī)小，使得動態(tài)響應(yīng)更好。數(shù)控系統(tǒng)的核心是微機(jī)，其它裝置均在微機(jī)的控制下進(jìn)行工作。數(shù)控系統(tǒng)對微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長和速度，字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運(yùn)算精度。（4）微機(jī)數(shù)控制系統(tǒng)功能1）橫向，縱向進(jìn)給伺服運(yùn)動。這里選用MCS—51系列中的8031芯片。該系列產(chǎn)品是集CPU、I/0口及部分RAM等為一體的功能很強(qiáng)的控制器，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機(jī)控制系統(tǒng)。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許差別，可以說8031是沒有ROM的8051，而8751是EPROM代替ROM的8051。8031的基本特征如下：具有8位中央處理單元（CPU）。具有128字節(jié)的RAM?？蓪ぶ?4KB的外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB的外部程序存儲器。具有兩個16位定時器/計數(shù)器。2）管腳功能分析及特性簡介引腳功能分類表：I/O口線：，共四個8位口。I/O口的驅(qū)動功能為：口驅(qū)動8個TTL門電路，而、只能驅(qū)動4個TTL門電路。時鐘頻率：～12MHz間選取。數(shù)據(jù)總線DB數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由口直接提供。4）存儲器結(jié)構(gòu)單片機(jī)的存儲器包括程序存儲器（EPROM或ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM），它們是可以選用并可直接尋址的存儲器。I/O口擴(kuò)展復(fù)合芯片，TTL電路芯片，在本次設(shè)計中，除了采用I/O口外還能擴(kuò)展其他外圍功能電路，主要有8155（28+6并行I/O口，256個靜態(tài)RAM，一個14位定時器），TTL電路芯片，也廣泛用作MCS51單片機(jī)I/O擴(kuò)展芯片，主要有74LS373，273，374，244等[5]。在確定容量內(nèi)選擇EPROM的型號，主要考慮因素是讀取速度，這是決定系統(tǒng)能否正確工作隊的前提。實際設(shè)計中，應(yīng)考慮在滿足容量要求的同時盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合數(shù)。（1）地址分配與一般存儲系統(tǒng)不同，8031所支持的存儲系統(tǒng)其程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨立編址。由于8031復(fù)位后從0000H單元開始執(zhí)行程序，故程序存儲器地址應(yīng)從0000H就開始。（2）EPROM、RAM與8031存儲器與單片機(jī)的連接主要是三總線的連接，應(yīng)考慮單片機(jī)的總線驅(qū)動能力是否夠，若不夠應(yīng)當(dāng)加以驅(qū)動，如總線驅(qū)動器74LS244，74LS245等，根據(jù)單片機(jī)8031的驅(qū)動特性，在本次設(shè)計中，不必加以驅(qū)動，下面給出EPROM，RAM與8031的具體連接。～與RAM的～一一對應(yīng)連接，其余地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號。地址總線將～與EPROM的～一一對應(yīng)連接。數(shù)據(jù)總線 ～分別與存儲器～一一對應(yīng)連接[6]。Z5140A數(shù)控系統(tǒng)采用廣州數(shù)控設(shè)備廠的GSK928MA鉆床數(shù)控系統(tǒng)，伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用廣州數(shù)控設(shè)備廠DA98全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時, 通過系統(tǒng)的自診斷功能, 能及時顯示出故障，便于維修人員檢修。（1）各坐標(biāo)軸的驅(qū)動用隨機(jī)電纜分別將各軸伺服電動機(jī)與系統(tǒng)驅(qū)動柜相應(yīng)插座相連，即可實現(xiàn)坐標(biāo)軸的驅(qū)動控制。1）主軸啟動：即主軸正轉(zhuǎn)，將主軸正轉(zhuǎn)控制繼電器KM1的一組常開觸點并接到原Z5140鉆床啟動按鈕SB1的兩端即可。若要使改造后的鉆床控制主軸，還需增設(shè)一個交流接觸器KM2，構(gòu)成反轉(zhuǎn)控制回路，幷使其與正轉(zhuǎn)控制回路互鎖，以實現(xiàn)對主軸反轉(zhuǎn)的控制。8031單片機(jī)的口可以作為I/O接口，為管理上述接口電路，還需要擴(kuò)展接口電路，現(xiàn)在用8031的管理步進(jìn)電機(jī)，用擴(kuò)展接口管理鍵盤和顯示電路。8155具有兩種基本操作，即用8155中的256字節(jié)RAM及擴(kuò)展I/O口使用，作RAM時與系統(tǒng)RAM無區(qū)別；作I/O口使用時，可通過工作方式以滿足不同需要。狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個地址，只能讀入，不能寫入。三、Z5140A鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計（一）Z5140A鉆床縱向傳動系統(tǒng)設(shè)計 。在以工作壽命為基礎(chǔ)進(jìn)行計算時，應(yīng)按實際加工過程平均銑削條件為準(zhǔn)，因此取=，=，=70mm，z=4， =50mm，對圓柱高速銑刀，=。絲杠的最大載荷，當(dāng)切削時的最大進(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。故絲杠工作壽命為： （）其中，L—工作壽命，以r為1個單位，N—絲杠轉(zhuǎn)速（r/min），T絲杠使用壽命，對數(shù)控機(jī)床可取T=15000h。本設(shè)計=—精度影響系數(shù)，對于4級滾珠絲杠取=。額定動載荷=，＜，符合設(shè)計要求。預(yù)緊力=/4=（KN），只要軸向載荷值不達(dá)到或不超過預(yù)緊力的3倍，因此不必對預(yù)緊力提出額外的要求。 縱向絲杠實體模型（1）選擇伺服電機(jī)伺服電機(jī)的選用，應(yīng)考慮三個要求：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不得超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配；快移時，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。最達(dá)切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)下式計算，即：T=（） （）其中，從前面的計算已知最大進(jìn)給力=1699N，絲杠導(dǎo)程=6mm，預(yù)緊力=，查手冊，滾珠絲杠副的機(jī)械效率=，因滾珠絲杠預(yù)加載荷引起附加摩擦力矩為：==（） （）查《角接觸推力球軸承組配技術(shù)手冊》，故一對軸承的摩擦力矩=。伺服電機(jī)與絲杠直連，其傳動比i=1[10]。1） 工件、工作臺折算到電機(jī)軸上的慣量，工件與工作臺的最大質(zhì)量M=140kg，可按下式計算，即:=m （）其中，v工作臺移動速度（m/s），w伺服電機(jī)的角速度（rad/s），m直線移動工件、工作臺的質(zhì)量(kg)。根據(jù)下式公式，絲杠加在電機(jī)軸上的慣量為：==() （）3）聯(lián)軸器加在鎖緊螺母等得慣量可直接查手冊得到：=()4） 負(fù)載總慣量為： =++=++=（） （）按照數(shù)控機(jī)床慣量匹配條件，1＜＜4，～。根據(jù)這些參數(shù)選擇滿足要求的130STM10015H型伺服電動機(jī)。如選用130STM10015H型交流伺服電機(jī)總慣量為：J=+=+=（） （）2） 加速時間通常取得3～４倍，?。?3=3==（s ） （）所以：=（） （）空載加速轉(zhuǎn)矩不允許超過伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，由此可見，130STM10015H型交流伺服電機(jī)的=，滿足設(shè)計要求[11]。（1）橫向進(jìn)給傳動系統(tǒng)滾珠絲杠的計算滾珠絲杠的名義直徑，滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動載荷選擇。已知最大進(jìn)給力=1699（N），工作臺加工件的質(zhì)量M=140kg，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）==14010=140（N）絲杠最大載荷為：=1699+140=1839（N）X向工作載荷（平均載荷）為：=（N）其中，分別為絲杠最大、最小軸向載荷；絲杠的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作臺最小進(jìn)給速度為1mm/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=（1500+0）/2=750r/： 其中，L—工作壽命 ，以r為1個單位,N—絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,T—絲杠使用壽命，對數(shù)控機(jī)床可取T=15000h計算當(dāng)量動載荷為：===（KN）式中 —載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊1～，～，～。由此確定滾珠絲杠副的型號和尺寸為內(nèi)循環(huán)FYND32064P3（），底徑＝，名義直徑d=32，額定動載荷=，＜，符合設(shè)計要求。預(yù)緊力=/4=，只要軸向載荷值不達(dá)到或不超過預(yù)緊力的3倍，因此不必對預(yù)緊力提出額外的要求。 橫向絲杠實體模型（1）選擇伺服電機(jī)伺服電機(jī)的選用，應(yīng)考慮三個要求：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不得超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配；快移時，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。最達(dá)切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)下式計算，即：T=（）其中，從前面的計算已知最大進(jìn)給力=1699N，絲杠導(dǎo)程=6mm，預(yù)緊力=，查手冊，滾珠絲杠副的機(jī)械效率=，因滾珠絲杠預(yù)加載荷引起附加摩擦力矩為：==()查《角接觸推力球軸承組配技術(shù)手冊》，故一對軸承的摩擦力矩=。伺服電機(jī)與絲杠直連，其傳動比i=1。1） 工件、工作臺折算到電機(jī)軸上的慣量，工件與工作臺的最大質(zhì)量M=140kg，可按下式計算，即：=m其中，v—工作臺移動速度，m/s。 m—直線移動工件、工作臺的質(zhì)量（kg）。根據(jù)下式公式，絲杠加在電機(jī)軸上的慣量為：==（）3）聯(lián)軸器加在鎖緊螺母等得慣量可直接查手冊得到：=（）4）負(fù)載總慣量為： =++=++=（）按照數(shù)控機(jī)床慣量匹配條件，1＜＜4，～。根據(jù)這些參數(shù)選擇滿足要求的130STM07720H型伺服電動機(jī)。如選用130STM07720H型交流伺服電機(jī)總慣量，則：J=+=+=（）（2）加速時間通常取得3～４倍，取：=3=3==（s）所以： =（）空載加速轉(zhuǎn)矩不允許超過伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，由此可見，130STM07720H型交流伺服電機(jī)的=，滿足設(shè)計要求。滾珠絲杠的名義直徑，滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動載荷選擇。已知最大進(jìn)給力=1699（N），工作臺加工件的質(zhì)量M=180kg，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）為：==18010=180（N）絲杠最大載荷為：=1699+180=1879（N）垂向工作載荷（平均載荷）為：=（N）其中，分別為絲杠最大、最小軸向載荷；絲杠的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作臺最小進(jìn)給速度為1mm/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=(1500+0)/2=750r/min。本設(shè)計=—精度影響系數(shù)，對于4級滾珠絲杠取=。軸向剛度=1138 N/m。本設(shè)計中絲杠最大載荷為=（KN），遠(yuǎn)小于3。（2）最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算 所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。另一端直接鉸接，其摩擦力可忽略不計。（3）負(fù)載慣量計算伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配，負(fù)載慣量可按以下次序計算。 w—伺服電機(jī)的角速度，rad/s。2）絲杠加在電機(jī)軸上的慣量，絲杠名義直徑=34mm，L=1220mm，絲杠材料鋼的密度=kg/。根據(jù)以上計算公式，代入具體數(shù)值后得到額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)動慣量、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩。130STM07725H型交流伺服電機(jī)的主要參數(shù)如下： 130STM07725H型交流伺服電機(jī)的主要參數(shù)最高轉(zhuǎn)速（）額定轉(zhuǎn)矩（）最大轉(zhuǎn)矩（）轉(zhuǎn) 子 慣 量()機(jī)械時間常數(shù)（）輸出功率（P）重量（m）1500r/min30kg當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到快移速度時，所需的空載加速轉(zhuǎn)矩為=（）（1）空載加速時，主要克服的是慣量。四、Z5140A鉆床數(shù)控插補(bǔ)程序控制（一）Z5140A鉆床數(shù)控插補(bǔ)程序控制概述在數(shù)控機(jī)床上，各種輪廓加工都是通過插補(bǔ)計算實現(xiàn)的。插補(bǔ)方法可分兩大類