C6163型车床的经济型数控改造设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 目前 ,在市场上购买一台数控车床的价格远大于改装一台普通车床所需花费，且在有技术条件下，对普通车床的数控化改造更可行。所以，本课题着重对普通车床的数控化改造设计。 本设计是对 普通车床 数控化改造， 主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。 其中 主要对伺服系统、数控系统等方面做了详细的计算和设计。 本文 研究了数控伺服系统的工作原理，阐述了 析了数控化改造过程中数控系统的选型。根据机械、动力学及电气设计原理，对数控机床的主传动系 统进行了设计和校核；根据进给系统的要求，对切削力和滚珠丝杠进行了计算，并选配了合适的齿轮和进给电机。 主要设计过程如下： 首先，明确设计任务，构思总体结构方案，确定主要构件位置和总体结构； 其次，根据工作条件进行理论计算，分析性能要求，合理选择主要零部件； 第三，进行二维图纸的绘制，优化总体方案并进行装配图的绘制； 最终， 对 设计的产品 进行经济性、环保性分析。 通过设计，可以得到以下结论： 一是，机床数控化改造后，能够达到所要求的加工精度，有很大的经济价值； 二是，设计理论不够成熟，本设计最大的缺陷是从生产 技术来看，设计产品的实用与推广进一步研究。我们要加强理论与实践的结合，使我们的设计越来越科学先进。 关键词 ： 床 ;数控化 ;改造设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 in of a is of a C of is on of on C of C of 6163, on of of to in we do of NC so C to C 6163, of to C in C to of to of is as of of on to of We by a as C is of is of of We of to 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 控车床 . 1 控车床加工特点 . 1 控机床组成 . 2 控车床的 工作原理 . 3 控车床的国内外现状 . 3 控车床的发展趋势 . 4 床数控化改造的必要性 . 5 观改造的必要性 . 5 观改造的必要性 . 6 设计的目的和意义 . 6 计过程 . 7 第 2 章 机床改造的任务及总体思路 . 8 床改造的总体任务 . 8 动系统方案确定 . 8 控系统软硬件总体设计 . 9 控系统硬件结构 . 9 控系统软件结构 . 9 第 3 章 进给伺服系统计算 . 11 知参数 . 11 定系统脉冲当量 . 11 削力的确定 . 11 算进给牵引力 . 11 算最大动负载 C . 12 动效率的计算 . 13 度计算 . 14 定传动比 . 15 轮参数的计算 . 15 第 4 章 数控系统设计 . 22 控器 . 22 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 片概述 . 22 片机内部主要有 . 24 片机的存储器 . 25 8031 的连接 . 26 选择 . 26 031 与外部程序存贮器的连接 . 27 第 5 章 控制系统设计 . 28 片机简介 . 28 电隔离电路和功率放大器设计 . 28 气原理图具体设计 . 29 第 6 章 经济性与 环保性分析 . 31 第 7 章 结论 . 32 参 考 文 献 . 33 致 谢 . 34 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1第 1 章 绪论 控车床 数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件 1 。 数控车 床又称为 床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种 数控机床 ，约占数控机床总数的 25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 数控车 床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥 了良好的经济效果 2 。 控车床加工特点 （ 1） 自动化程度高，可以减轻操作者的体力劳动强度。数控加工过程是按输入的程序自动完成的，操作者只需起始对刀、装卸工件、更换刀具，在加工过程中， 主要是观察和监督机床运行。但是，由于数控机床的技术含量高，操作者的脑力劳动相应提高。 （ 2）加工零件精度高、质量稳定。数控机床的定位 精度和重复定位精度都很高，较容易保证一批零件尺寸的一致性，只要工艺设计和程序正确合理，加之精心操作，就可以保证零件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量控制。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2(3)生产效率高。数控机床加工是能再一次装夹中加工多个加工表面，一般只检测首件，所以可以省区普通机床加工时的不少中间工序，如划线、尺寸检测等，减少了辅助时间，而且由于数控加工出的零件质量稳定，为后续工序带来方便，其综合效率明显提高。 (4)便于新产品研制和改型。数控加工一般不需要很多复杂的工艺装备，通过编制加工程序就可把形状复杂和精度要求较高的 零件加工出来，当产品改型，更改设计时，只要改变程序，而不需要重新设计工装。所以，数控加工能大大缩短产品研制周期，为新产品的研制开发、产品的改进、改型提供了捷径。 (5)可向更高级的制造系统发展。数控机床及其加工技术是计算机辅助制造的基础。 (6)初始投资较大。这是由于数控机床设备费用高，首次加工准备周期较长，维修成本高等因素造成。 (7)维修要求高。数控机床是技术密集型的机电一体化的典型产品，需要维修人员既懂机械，又要懂微电子维修方面的知识，同时还要配备较好的维修装备。 控机床组成 数控 车 床一般 由下列几个部分组成： (1)主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 （ 2） 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、 示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 （ 3） 驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联 动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 （ 4） 辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3（ 5） 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 控车床的工作原理 数控车床 的主要任务就是根据输入的零件程序和操作指令，车床数 控车床进行相应的处理，控制车床各运动部件协调动作，加工出合格的零件。 根据零件图制订工艺方案，采用手工或计算机进行零件程序的编制，并把编好的零件程序存放于某种控制介质上；经相应的输入装置把存放在该介质上的零件程序输入至 置； 置根据输入的零件程序和操作指令，进行相应的处理，输出位置控制指令到进沈阳车床给伺服驱动系统以实现刀具和工件的相对移动；输出速度控制指令到主轴伺服驱动系统以实现切削运动；输出M、 S、 实现顺序动作的开关量 I 0控制，数控车床从而加工出符合图样要求的零件。其中 统对零件程序的处理流程包括译码、数据处理、插补、位置控制、 控车床的国内外现状 20 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第 1台数控铣床问世至今已经历了 50个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有 10 20万台，产值上百亿美元 3 。 我国数控车床发展，始于上世纪 70年代，通过 30余 年的经历，我国生产的数控车床，按中国需求的特色，形成经济型卧式数控车床 (平床身卧式数控车床 )、普及型数控车床 (斜床身数控卧式车床和数控立式车床 )和中高档数控车床 (3 轴控制以上 )三种形式。经济型卧式数控车床，普遍采用平床身结构和立轴四工位方刀架，约占数控车床产量 90%。普及型数控车床生产量不到数控车床产量的10%。中高档数控车床，即车削中心和车铣复合中心，约占数控车床生产 4 。 经济型数控车床，价格低廉，售价仅 10 万元人民币左右，不到普及型数控车床的 1/3，设备费用投入较少，可以广泛的满 足企业发展初期的需要，特别是受到民营企业的欢迎，仍是我国当前数控车床的主流产品。我国已有十余家企业买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4生产规模达到年产千台以上，普及型数控车床，即 2 轴控制的卧式数控车床 (斜床身 )和立式数控车床，国产产品得到了用户认可，基本可以满足用户需要 5 。 车削中心等 3轴控制以上的中高档数控车床，国内用户选购的大部分是进口的产品或合资、独资企业如大连因代克斯、宁夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等机床有限公司生产的产品，国产机床市场占有率较低。近几年，虽然，我国开发了不少中高档数控车床新品种，如具有 双主轴双刀架车削中心、倒置顺置主轴立式车削单元、车铣复合中心等等。但是，高级型数控车床的重点是要进一步开发市场，取得国内用户广泛认可。 “ 十五 ” 期间国产数控机床发展很快。从技术上看，数控车床技术比较成熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床设计和制造技术。从产品水平上看，我国已能自行开发设计各种中高档数控车床，国际上最热门的、水平最高的双主轴、双刀架 9轴控制车铣复合中心，我国已有多家企业开发试制成功，有的已被国内用户选购和出口国外。 从品种上看，我国生产的数控车床品种比较齐 全，每年都有 100多个数控车床新品种，可供各方面用户选用。从生产规模上看，国产经济型数控车床已形成规模生产，有十余家企业生产规模达到年产千台以上 6 。 控车床的发展趋势 数控 车 床产业的发展目标及重点已基本确定，未来五年的突破重点是：大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状。力争通过加快产业和产品结构的大规模调整，国产数控 车 床占国内需求的比重从现在的不足 40%上升至 50%以上，国产数控机床采用自己的功能部件达到 60%以上 7 。 近年来制造业成为 了国家大力支持和发展的行业，而各个制造行业的发展都与 车 床装备的发展密切相关。 车 床下游行业主要由汽车零部件行业、通用机械零部件行业、航空航天和模具行业等为主。 2004 年汽车零部件和工程机械行业消耗了近 50%的机床。其中，汽车零部件制造业的发展对 车 床业影响最大，以19902005年的数据进行分析，二者产量相关系数为 量增幅的相关系数是 。 我国机床行业发展前景广阔。根据我国数控车床 19962005年消费数量，通买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5过模型拟合，预计 2009年数控车床销售数量将达 均增长率为 根据我国加工中心 19962005 年消费增长模型，预计 2009 年加工中心消费数量将达 2005 年年均增长率为 我国数控机床开发的重点：一是重点发展关键功能部件和数控系统，为数控机床产品升级奠定基础。主要发展项目包括中高档数控系统、高速主轴及其伺服单元、高性能刀库及机械手、高速滚珠丝杠和直线导轨副、直线电机、全功能数控刀架和数控转台、高速防护装置等。二是高精度数字化测量仪器和数控刀具。三是满足国家重点工程需要，实施高级型数控机床示范工程。重点发展的高级数控机床范围有：高速、精 密数控车床，车削中心类及四轴以上联动的复合加工机床；高速、高精度数控铣镗床，高速、高精度立卧式加工中心；重型、超重型数控机床；数控磨床；数控电加工机床；数控金属成形机床 (锻压设备 )；数控专用机床及生产线等 9 。 床数控化改造的必要性 观改造的必要性 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。 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。 由于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， 因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而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 ” 。 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 ” 。 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 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 现长时间买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6无人看管加工。 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 性制造单元）、 性制造系统）以及 算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术 1011。 观改造的必要性 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 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。除在制造过程中采用数控机床、 ，还包括在产品开发中推行 拟制造以及在生产管理中推行 理信息系统）、 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 而日本在 1994年已达 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。 设计的目的和意义 随着科学技术的不断发展 ,对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要的措施。它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。 和普通车床相比较，数控化车床具有很多优势， 例如与 普通车床比较，加入了数控装置，在操作上更 加方便、快捷 ； 使用了滚珠丝杠螺母副，改进了普买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7通车床结构刚性不足，抗振性差，滑动面的摩擦阻力较大以及传动元件中的间隙等弱点 ； 综合考虑，大大提高了生产效率，约为普通车床的 212 。 目前 ,在市场上购买一台数控车床的价格远大于改装一台普通车床所需花费，且在有技术条件下，对普通车床的数控化改造更可行。所以 ，本课题 着重对普通车床的数控化改造 设计 。 计过程 (1) 进给伺服系统设计计算：此部分为设计计算部分，用以确定脉冲当量，进给牵引力，选择丝杠螺母副，计算传动效率，确定传动比，选择伺服电机等，并绘制 改造后机床的总装配图及箱体零件图。 (2) 控制系统设计：采用单片机控制系统，设计电路原理图 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8第 2 章 机床改造的任务及总体思路 床改造的总体任务 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面 的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。 1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省 60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床 改造只需花新机床购置费的 1/0%的费用，并可以利用现有地基。 2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 动系统方案确定 1）伺服系统的选择：本次改造由于使用步进电机，所以可以选择开环控制系统 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 92）传动方式的选择 ： 滚珠丝杠螺母副 控系统软硬件总体设计 为保证改造后的数控系统的传动精度及工作台的平稳性，在设计机床的传动系统时，应努力保证传动系统低摩擦、低惯量、高效率、高刚度。 制定数控系统总体方案时必须重点考虑： (1) 加强系统可靠性。 (2) 提高数控系统的控制精度。 (3) 提高使用方便性。 控系统硬件结构 数控系统硬件结构系统由工控 控操作面板 (包括 盘 )、数控接口板卡 (工 /0板， D/和驱动执行机构等组成。 源母板、工控 板和软盘 驱动器、硬盘驱动器等。数控操作面板上有液晶显示器和薄膜键盘等。数控接口板卡是计算机与外部执行装置间进行信息交换和转换的通道，对内通过无源母板与工控 板相连，对外通过屏蔽电缆与驱动执行装置相连接。 控系统软件结构 数控系统软件结构数控系统软件为实时多任务系统，系统中的各任务在数控实时操作系统控制下协调进行。 (1) 数控实时操作系统。它是数控系统软件中的核心子系统，它对系统中的资源进行统一管理，对各任务进行动态调度，协调各模块的高效运行，并辅助完成各任务间的通讯和信息交换。 (2) 信息预处理。该 模块完成输入信息译码，完成轨迹插补前的坐标转换和刀补运算。 (3) 轨迹插补。它是数控系统的核心模块，其任务是根据信息预处理给出的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 希望轨迹和从检测装置获得的实际轨迹信息，实时生成机床各坐标轴的移动指令，并完成机床运动的加减速控制。 (4) 运动控制。该模块是数控系统的另一核心模块，它根据插补运算结果，通过高速算法对机床各坐标轴进行高精度位置控制，并完成主轴转速与转角的控制任务。 (5) 加工仿真模块。该模块以动画方式对数控加工过程进行动态仿真，从而在加工前检验参数输入正确性和机床运动合理性。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 第 3 章 进给伺服系统计算 知参数 最大回转直径 :630机功率 :10000位精度 :加速时间 :30床效率 :快进速度 :横向 :切削速 :横向 :动部件重量 :横向 :800N; 纵向 : 纵向 : 纵向 :1200N; 定系统脉冲当量 车床纵向脉冲当量为 横向脉冲当量为 冲 削力的确定 纵切端面时的主切削力 5 9 8 1 . 5m a x )(FF )(26 4941 )(52 9721 )(132441 )( 算进给牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括 切削时的走刀抗力以及移动件的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因此其数值的大小与导轨的类型有关。 纵向采用三角形导轨： )(4 9 3 4)1 2 0 01 0 5 9 5( 4 （ 3 1） 横向采用燕尾形导轨： )(4080)800132422119( （ 3 2） 式中： N）； f 为导轨上的摩擦系数，随导轨形 势而不同； 在正常情况下， f 可取如下数值： 燕尾形导轨： K= f 三角形导轨： K=f 算最大动负载 C 选用滚珠丝杠副的直径 须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 C，计算如下： 纵向： 初选丝杠基本导程 0 L v s （ 3 3） L（ 3 4） 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 )( 0 0 （ 3 5） 查表取000 25,50,8,5 0 0 8 Z D a 横向： 初选丝杠基本导程 0 0 01 0 0 00 L vn s 1510 15 L )(1 2 0 7 54 0 8 查表选择 3,25,6 00 均为 其中： 表 3运转系数 运转状态 运转系数 无冲击状态 般运转 冲击运转 动效率的计算 滚珠丝杠螺母 副的传动效率 : )( tg 3 6） 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 其中： 分。其摩擦角约为滚动摩擦系数摩擦角，滚珠丝杠副的丝杠螺旋升角10,f纵向： %r c t a na r c t