1、 本 科 毕 业 论 文（设 计） 基于 Z5140A钻床的数控化改造 Numerical Control Innovation Of Z5140A Drilling Machine 学 生 姓 名： 杨汉文 学 院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 杨 辉 审 阅 教 师： 杨 辉 完 成 日 期： 作者签名： _ 日期： _ _ 基于 Z5140A钻床的数控化改造 I 摘 要 目前中国企业中机床设备老化，不能满足新技术、新工艺的生产要求。本文重点介绍 Z5140A 型台式钻床的 数控改装方案和单片机系统设计 ，将传统的机械与现有的数控技 术相结合，使
2、其具有自动进给功能，为企业进行设备的数控化改造提供了一种有效可行的途径。 现有的 Z5140A 型台式 钻床 经改造后 提高 了 加工精度 ， 扩大 了 机床 的 使用范围 ， 并提高 了 生产率 。 本论文说明了普通钻床的数控化改造的设计过程 ， 较详尽地介绍了Z5140A 机械 传动 部分的设计及数控系统部分的设计。 通过该改造计划 ,改造后的 Z5140A 型钻床具备数控机床的精度要求，自动化柔性生产的能力。机床整体能力达到预期的要求。 Z5140A数控钻床主要用于加工各种孔及平面和曲面的铣削。它集中了立式钻床和铣床的功能。数控钻床需要很少人工 操作，也没有机械操作元件如手柄、摇把等。该
3、钻床如同其他 CNC钻床，全部工作循环是在微机数控系统控制下实现的。车削对象改变后，只需改变相应的软件就可适应新的需要。由于利用的床身、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。 关键词： 数控机床 ；滚珠丝杠； 数控系统 基于 Z5140A钻床的数控化改造 II Numerical Control Innovation Of Z5140A Drilling Machine Abstract At present,Machine tools made in China is a
4、ging and can not meet the requirements of new technologies and new processes of production. This paper focuses on the NC Z5140A-type drill press conversion programs and MCU system design. Combining the traditional machines with the CNC technology, it can realize automatically feed function and provi
5、des a feasible and effective way for the enterprise of equipments transformation with NC. Existing Z5140-type drill press improves the machining accuracy, expands the scope of machine use and increases the productivity after transformation. This paper describes the design process of the transformati
6、on of the general drilling with NC, introduces the design of the Z5140A mechanical transmission part and numerical control system part in detail. After the transformation plan, Z5140A-type drill transformed has the accuracy requirement of CNC machine tools and the automatic flexible production capac
7、ity. Machine tools achieve the desired overall capacity requirements. Z5140A CNC drilling machine is mainly used for processing a variety of holes and planar and surface milling. It contains the vertical drilling and milling function. CNC drilling and milling machine requires very little manual oper
8、ation and no operation of machinery components such as handles, crank and so on. As with other CNC drilling of the drilling machine, all of the cyclic work is completed under the control of the computer numerical control system. As turning object changes, just change the corresponding software to ad
9、apt to new needs. Because lathebed, column and other basic items are heavy and casting equipments but not the welded components, machine tools transformed has higher performance and better quality, which can be used as a new equipment for years. However, limited by the mechanical structure of the or
10、iginal, it can not be transformed revolutionarily. Key Word： Numerical Control Machine Tools ; Ball Screw; CNC System 基于 Z5140A钻床的数控化改造 III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 一、绪论 . 1 （一）数控机床的概念 . 1 （二）数控系统发展简史及趋势 . 1 1.数控（ NC）阶段 . 1 2.计算机数控（ CNC）阶段 . 1 3.国内数控机床的发展状况 . 2 4.国外数控机床的发展状况 . 2 （二）机床数控化改造的必要性和迫切性
11、. 2 1.宏观看改造的必要性 . 3 2.微观看改造的必要性 . 3 （三） Z5140A 立式钻床数控化改造的市场 . 4 1.机床数控化改造的市场 . 4 2. Z5140A 立式钻床简介 . 4 （四） Z5140 立式钻床数控化改造的内容及优缺点 . 5 1.数控化改造的内容 . 5 2. Z5140A 立式钻床数控化改造的优缺点 . 5 二、 Z5140A 钻床总体方案的确定 . 7 （一） Z5140A 钻床数控化改造设计任务 . 7 （ 二）总体方案的确定 . 7 1.Z5140A 钻床的总体结构布置 . 7 2.Z5140A 钻床机械传动方式选择 . 8 3.Z5140A 钻
12、床传动系统方案 . 9 5.Z5140A 钻床数控系统结构及其工作原理 . 11 6.Z5140A 钻床数控系 统芯片的选择 . 13 7.地址分配器及译码 . 13 8.Z5140A 钻床电器原理介绍 . 14 9.Z5140A 钻床接口电路设计 . 16 三、 Z5140A 钻床进给系统设计 . 16 （一） Z5140A 钻床纵向传动系统设计 . 16 1.确定系统的脉冲当量 . 16 2.切削力的计算 . 16 3.Z5140A 钻床纵向进给传动系统滚珠丝杠的计算 . 17 4.Z5140A 钻床纵向伺服电机的选择及计算 . 18 （二） Z5140A 钻床横向进给系统的确定 . 20
13、 1.Z5140A 钻床横向进给丝杠的选择 . 20 2.Z5140A 钻床横向进给系统最大负载 C 的计算 . 21 基于 Z5140A钻床的数控化改造 IV 3.Z5140A 钻床横向伺服电机的选择及计算 . 22 4.空载加速转矩计算 . 23 （三） Z5140A 钻床垂直方向进给系统的确定 . 24 1.Z5140A 钻床垂直方向丝杠的选择 . 24 2.Z5140A 钻床垂直方向进给传动系统滚珠丝杠的计算 . 24 3.Z5140A 钻床垂直方向伺服电机的选择及计算 . 25 4.空载加速转矩计算 . 27 四、 Z5140A 钻床数控插补程序控制 . 27 （一） Z5140A
14、钻床数控插补程序控制概述 . 27 （二） Z5140A 钻床直线、圆弧插补程序 . 28 1.Z5140A 钻床直线及圆弧插补程序结构 . 28 2.Z5140A 钻床直线插补程序 . 30 3.Z5140A 钻床圆弧插 补程序 . 32 五、 Z5140A 钻床进给 机构部分零件的设计和机构仿真 . 35 （一） Z5140A 钻床主轴的设计 . 35 （二） Z5140A 钻床导轨的设计 . 36 （三） Z5140A 钻床立柱的设计 . 37 （四） Z5140A 钻床进给机 构的仿真模拟 . 38 （五） Z5140A 钻床进给机构设计总成 . 39 结 论 . 41 参 考 文 献
15、 . 42 致 谢 . 43 基于 Z5140A钻床的数控化改造 1 一、绪论 （一）数控机床的概念 数控机床是装备了数控系统的机床，既包括 NC 机床，也包括 CNC 机床，其工作原理是：将数控加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变速、起停和进给运动的方向、速度及位移大小，也可完成刀具的选择、变换、工件夹紧、松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格按数控程序的要求进行工作。 （二）数控系统发展简史及趋势 随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备 机床也相应提出了高性能和精度的要求。1946 年诞生
16、了世界上第一台电子计算机 ， 这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具 。 它 与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比 ， 起到了 质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础 。 1952 年，计算机技术应用到了机床上 ，在美国诞生了第一台数控机床 。 从此，传统机床产生了质的变化 。 近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.数控（ NC）阶段 最初 计算机的运算速度低 ，科学家不得不采用数字逻辑电路组合 成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（ HARD-WIRED NC）， 简称为数控（ NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代
17、， 即 1952 年的第一代 电子管； 1959 年的第二代 晶体管； 1965 年的第三代 小规模集成电路 1。 2.计算机数控（ CNC）阶段 到 1970 年， 随着科学技术水平的提高， 通用小型计算机业 成为了数控系统的核心部件，并实现了批量生产 。于是 数控系统 进入了计算机数控（ CNC）阶段 。次 年，美国INTEL 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件 运算器和控制器 ， 采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ MICROFROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称 CPU） ，数控系统得到了质的飞跃。 到 1974 年微处理器被应用于数控 系统。
18、这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理 。 而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了 1990年， PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC的阶段。 计算机数控阶段也经历了 三次改革 。即 1970 年的第四代 小型计算机； 1974年的第五 代 微处理器和 1990 年的第六代 基于 PC（国外称为 PC BASE
19、D）。 基于 Z5140A钻床的数控化改造 2 还要指出的是 ， 虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国仍习惯称数控 （ NC）。 所以我们日常讲的 “ 数控 ” ，实质上已是指 “ 计算机数控 ”。 3.国内数控机床的发展状况 1958 我国开始着手在数控技术上开展研究，经过研制、开发阶段。从 1965 年进入到晶体管数控装置的研制。于 70年代初研制成功我国第一台数控铣床。 从 20世纪 70年代开始，数控技术在车、铣、磨、齿轮加工、电加工等领域全面应用。但由于电子元件的质量和价格，致使数控系统 的可靠性、稳定性没有得到解决，因此未能广泛推广。 20 世纪 80 年代，中国先
20、后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服单元技术，并于 1981 年开始批量生产数控系统，包括数控装置和伺服单元。在此期间，中国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展。为了适应机械工业不同层次的需要，还开发出多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。如今，中国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。 4.国外数控机床的发展状况 美国、德国、日本三国是当今世界上在数控机床科研、设计、制造和使用上技术最先进、经验最多的国家。因其 社会条件不同，各有特点。 （ 1）美国的数控发展史 美国政府十分重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务，并且提供
21、充足的经费，因而在机床技术上不断创新。 1952年研制出世界上第一台数控铣床， 1958 年研制出加工中心等。 由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大批量生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床技术在世界上也一直领先。 （ 2）德国的数控发展史 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。于 1956 年研制出第 一台数控机床。德国数控机床质量及性能良好、先进实用。尤其是大型、重型、精密数控机床，在质量、性能上居世界前列。 （ 3）日本的数控发展史 日本政府对机床工业的发展也十分重视，于 1958年研制出第一台数控机床后， 1978年产量
22、（ 7342 台）超过美国（ 5688台），至今产量、出口量一直居于世界首位。 （二） 机床数控化改造的必要性 和迫切性 机床的数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预订的加工工艺目标。 数控机床是综合了微电子、自动控制、自动检测等先进技术的新型机床 ，适宜加工单件或小批量、高精度、品种多、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更基于 Z5140A钻床的数控化改造 3 换零件加工程序，无需对机床作任何调整，所以能很好地满足产品频繁变化的加工要求。劳动量大大减少，降低了工人的劳动强度。 虽然数控机床的优势很大，但是对于制造企业，单纯地靠购买
23、数控机床来解决现状，一方面需要大量的资金投人，另一方面，将原有的普通机床闲置，势必造成一种浪费。众所周知，制造业是我国国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的中坚力量。我国制造业水平与西方发达国家相比，总体水平偏低，企业经济实力有待进一步提高。 因此为了节约资金、降低成本，在原来普通机床的基础上，进行数控化改造，是一种一举两得的有效途径，既经济又快捷 .。 1.宏观看改造的必要性 从宏观上看 ，一些 工业发达国家的机械工业 ， 在 20 世纪 70 年代末、 80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是 ， 采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造 。 除在制造过程中
24、采用数控机床、 FMC、 FMS 外 ， 还包括在产品开发中推行CAD、 CAE、 CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理信息系统）、 CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含 量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995年只有 1.9，而日本在 1994 年已达 20.8 ， 因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性 。 2.
25、微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (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。 计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，可以复合成复杂的曲线或曲面。 (2)可以实现加工的自动化 效率可比传统机床提高 3 7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序 ， 就可实现另一工件加工的自动化 ， 从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了 “ 柔性自动化 ” 。 (3
26、) 加工零件的精度高 ， 尺寸分散度小 ， 使装配容易 ， 不再需要 “ 修配 ” 。而且可以 实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 (4) 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。 基于 Z5140A钻床的数控化改造 4 这些优越性的发挥，使数控机床的性能有了质的提高，大力推动了制造业的发展。传统机床经过改造后，得到了近似于数控机床的性能，也意味着我国制造业整体水平的提高。 （三） Z5140A 立式钻 床数控化改造的市场 1.机床数控化改造的市场 我国目前机床总量 约为 400 万台，而其中数控机床总数只有 15.49 万台，即我国机床数控化
27、率不到 4。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）。 装备水平不高，更新速度低是制约我国经济发展的重要原因之一。我国 大多数制造行业 使用的装备 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 等缺点 ，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
28、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。 2. Z5140A立式钻 床 简介 Z5140A 钻 床 （如图 1.1）是由辽宁省丹东市机床有限责任公司研发、生产幷销售的立式钻床，具有精度高，刚性好，扭矩大，噪声低，变速范围广等优点，操作集中，使用维修方便。机床具有攻丝自动反转机构，主攻丝可实现自动正反转，对于盲孔和定深孔攻丝极为方便。 多年来 Z5140A 型立式钻床凭借其极高的适用范围和性价比，在国内钻床销售市场占有很大的比例。 基于 Z5140A钻床的数控化改造 5 图 1.1Z5140 立式钻床 （四） Z5140 立式钻 床数控化改造的内容及优缺 点 1.数控化
29、改造的内容 Z5140A立式钻 床数控化改造主要内容有以下几点： （ 1） 对 Z5140A立式钻 床 精度的 恢复 以及 对 钻床 存在的故障部分进行诊断并恢复； （ 2）数控 化 改造 ，在 原 Z5140A立式钻 床上加数显装置，或数控系统，改造成 NC机床； （ 3） 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对 Z5140A 立式钻 床机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新； （ 4）技术更新或技术创新，为提高性能或档次，满足新工艺、 新技术 的要求 ，在原有 Z5140 立式钻 床 基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高 加工水平和档次。 2. Z5140A立式钻床 数控化改造的优缺 点 （ 1）减少投资额、交货期短
