. . . . 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与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与平面和曲面的铣削。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AbstractAt 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 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 provides 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 transformation 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 capacity. 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 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- 1 -Abstract- 2 -1绪论- 6 -1.1 立式钻床的概述- 6 -1.2 数控立式钻床的发展- 6 -1.3 立式钻床数控化改造的市场- 8 -1.3.1 机床数控化改造的市场- 8 -1.3.2 立式钻床简介- 9 -1.4床数控化改造的容与优缺点- 10 -1.4.1数控化改造的容- 10 -1.4.2 立式钻床数控化改造的优缺点- 11 -2主传动系统的设计- 12 -2.1 立式钻床数控化改造设计任务- 12 -2.2 总体方案的确定- 13 -2.2.1 Z向步进电机与进给滚珠丝杠的联结- 13 -2.2.2 传动形式的选择- 15 -2.2.3 滚珠丝杠副的参数- 16 -2.2.4 滚珠丝杠副的组成与特点- 17 -2.2.5 滚珠丝杠副的典型结构类型- 17 -2.2.6 滚珠丝杠的支撑形式选择- 19 - 2.3 Z向进给滚珠丝杠副的计算与校核- 22 -2.3.1主轴钻削力计算- 22 -2.3.2滚珠丝杠副的选择计算- 23 -2.3.3选择步进电动机- 26 -2.4 电主轴选用、冷却与润滑- 30 -2.4.1 电主轴的概述- 30 -2.4.2 电主轴的冷却与润滑- 33 -2.4.3 电主轴的选用- 35 -3数控系统电路设计- 37 -3.1绘制系统电气控制的结构框图- 37 -3.1.1 机床硬件电路有以下几部分组成- 38 -3.2 MCS-51单片机简介- 38 -3.2.1 8031单片机的基本特性- 38 -3.2.2 8031芯片引脚与其功能介绍- 40 -3.3存储器扩展电路设计- 42 -3.3.1 程序存储器的扩展- 42 -3.3.2 数据存储器的扩展- 44 -3.3.3 译码电路设计- 45 -3.4 /接口扩展电路设计- 45 -3.4.1 8155通用可编程接口芯片- 45 -3.4.2 8255可编程接器芯片- 47 -3.4.3 8255的结构- 48 -3.5 其它辅助电路设计- 49 -3.5.1 8031的时钟电路- 49 -3.5.2 越界报警和急停处理电路- 49 -3.5.3 复位电路- 49 -3.5.4 掉电保护电路- 50 -3.5.5 键盘显示接口电路- 50 -4结论- 51 -致- 53 -参考文献- 54 -1绪论1.1 立式钻床的概述立式钻床，是主轴竖直布置且中心位置固定的钻床，简称立钻，它主要分为方柱立钻和圆柱立钻两种。也分为排式立钻，多轴立式钻床，坐标立式钻床，转塔立式钻等。立式钻床的工作台和主轴箱可沿立柱导轨调整位置，以适应不同高度的工件。在加工工件前要调整工件在工作台上的位置，使被加工孔中心线对准刀具轴线。加工时，工件固定不动，主轴在套筒中旋转并与套筒一起作轴向进给。由于立式钻床的主轴不能在垂直其轴线的平面移动，转孔时要使钻头与工件孔的中心重合，就必须移动工件。因此，立式钻床只适合加工中小型工件，常用在机械制造和修配工厂加工中、小型工件的孔。1.2 数控立式钻床的发展随着经济的飞速发展和工业现代化的需要，各种自动化生产设备应用而生，钻床广泛地在我国纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽车拖拉机、橡塑模具以与发电机制造、机床制造等行业有关零件的钻孔加工得到应用。 在很早以前，国外就已经开始进行机床设备的整修和技术的改造，不断提升机床的品质，不断改进机床的性能，以提高生产效率。 近些年来为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。例如专门为了加工曲轴上的油孔，连杆上的斜油孔，平行孔和饲料机械上料模的多个径向出料孔等。如：TBT公司生产的特别适用于加工摩托车到轻型卡车的各种中小型曲轴油孔的BW200-KW深孔钻床；特别适用于大中型卡车曲轴油孔的BW250-KW深孔钻床，它们均具有X、Y、Z、W四轴数控。该公司为了客户需要,在一条生产线上可以加工多种不同品种的曲轴油孔，于2000年设计制造了第一台柔性曲轴加工中心，可以加工212缸不同曲轴上所有的油孔。英国MOLLART公司生产制造的专为加工颗粒挤出模具而开发的具有六等分六根主轴同时加工同一工件上六个孔的专用深孔钻床。该工件孔数量多达 36000个。全都是数控系统控制的。随着家电市场销售量增大，塑料制品增长速度加快，塑料模具制造业蓬勃发展，深孔钻床为了满足模具上的水孔、射销孔等孔系的深孔加工。由过去的单一座标轴的深孔钻床加工发展到需要加工座标孔系的多孔加工而开发的三座标数控深孔钻床近些年来发展很快。1995年我公司为了满足美的空调设备开发了我国第一台为塑料模具上多孔系加工的ZK2103型三座标数控深孔钻床，为了满足模具制造业发展的需要，又开发了除了钻削深孔以外，还可以进行铣削、攻丝等多功能的ZXK2103深孔钻铣中心和三座标数控ZK2103A、ZKA2102型深孔钻床。随着科学技术的不断发展，机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。机械加工