Z4012 普通钻床的数控化改造
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Z4012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Z4012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Z4012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Z4012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。Z4012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
Abstract
At present,Machine tools made in China is aging and can not meet the requirements of new technologies and new processes of production. This paper focuses on the NC Z4012-type drill press conversion programs and MCU system design. Combining the traditional machines with the CNC technology, it can realize automatically feed function and provides a feasible and effective way for the enterprise of equipment's 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 transformation of the general drilling with NC, introduces the design of the Z4012 mechanical transmission part and numerical control system part in detail.
After the transformation plan, Z4012-type drill transformed has the accuracy requirement of CNC machine tools and the automatic flexible production capacity. Machine tools achieve the desired overall capacity requirements. Z4012 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 operation 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 adapt 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 original, it can not be transformed revolutionarily.
Key Word：Numerical Control Machine Tools ; Ball Screw; CNC System
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 2
1.宏观看改造的必要性 3
2.微观看改造的必要性 3
（三）Z4012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. Z4012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. Z4012立式钻床数控化改造的优缺点 5
二、Z4012钻床总体方案的确定 7
（一）Z4012钻床数控化改造设计任务 7
（二）总体方案的确定 7
1.Z4012钻床的总体结构布置 7
2.Z4012钻床机械传动方式选择 8
3.Z4012钻床传动系统方案 9
5.Z4012钻床数控系统结构及其工作原理 11
6.Z4012钻床数控系统芯片的选择 13
7.地址分配器及译码 13
8.Z4012钻床电器原理介绍 14
9.Z4012钻床接口电路设计 16
三、Z4012钻床进给系统设计 16
（一）Z4012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.Z4012钻床纵向进给传动系统滚珠丝杠的计算 17
4.Z4012钻床纵向伺服电机的选择及计算 18
（二）Z4012钻床横向进给系统的确定 20
1.Z4012钻床横向进给丝杠的选择 20
2.Z4012钻床横向进给系统最大负载C的计算 21
3.Z4012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）Z4012钻床垂直方向进给系统的确定 24
1.Z4012钻床垂直方向丝杠的选择 24
2.Z4012钻床垂直方向进给传动系统滚珠丝杠的计算 24
3.Z4012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、Z4012钻床数控插补程序控制 27
（一）Z4012钻床数控插补程序控制概述 27
（二）Z4012钻床直线、圆弧插补程序 28
1.Z4012钻床直线及圆弧插补程序结构 28
2.Z4012钻床直线插补程序 30
3.Z4012钻床圆弧插补程序 32
五、Z4012钻床进给机构部分零件的设计和机构仿真 35
（一）Z4012钻床主轴的设计 35
（二）Z4012钻床导轨的设计 36
（三）Z4012钻床立柱的设计 37
（四）Z4012钻床进给机构的仿真模拟 38
（五）Z4012钻床进给机构设计总成 39
结 论 41
参 考 文 献 42
致 谢 43
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。
