CJK6132数控车床及其控制系统设计【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 第 1 页 共 97 页 摘要 在本次设计中，我采用常规分离式主传动设计，机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用 滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。 机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于主轴箱带轮处，使床头箱内结构大为简化，便于维修。机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有 动磨擦系数非常 小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。 进给方面，采用开环数控系统，即步进电机数控进给方式。采用步进电机开环数控系统已基本能满足进给精度的要求。主传动由于采用了分离传动发案，可较好的隔离电机及变速箱的震动，解决了热变形对主轴的影响，提高机床的加工精度。再者，数控系统采用单片机技术，可靠性高，成本低，经济性好。在总体性能上可以达到经济精密数控机床之列，达到较好的性价比。 该机床可以加工各种轴类、盘类零件，可以车削各种螺纹、圆弧、圆锥及回转体的内外曲面。 作为通用型机床，特别适合汽车工业、摩托车行业、电子工业、航天、军工等行业，对旋转体类零件进行高效、大批量、高精度加工时采用。 机床采用机、电、液一体化结构，整体布局紧凑合理，便于维修和保养，外形符合人机工程学的原理，宜人性好，便于操作。 关键词： 数控车床 分离传动 步进电机 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 页 共 97 页 n I to to to to to to to 8 of to by to to is up up to of to to to in is to to to SF of is to of to s of of on to to to to to of to to s to of of is is is of of on of of of Be as of in in 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 页 共 97 页 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 4 页 共 97 页 目录 一、总体方案设计 . 6 （一）、主传动的组成部分 . 6 （二）、机床主要部件及其运动方式的选定 . 7 （三）、机床的主要技术参数 . 8 （四）、各组成部件的特性与所应达到的要求 . 8 二、机床主传动设计 . 11 （一）、主要技术参数的确定 . 11 1尺寸参数 . 11 2运动参数 . 13 3、主轴转速的确定 . 15 4、转速范围及公比 的确定 . 16 5、结构式与结构网的确定 . 16 6、转速图的拟定 . 17 7、传动比参数的确定 . 18 （二）、传动系统图的 拟定 . 19 （三）、电动机的选择 . 21 （四）、齿轮传动的设计计算 . 21 （五）、轴的设计计算 . 25 三、进给系统的设计计算 . 40 （一）、纵向进给系统的设计计算 . 40 1、 切削力计算 . 40 2、滚珠丝杠设计计算 . 41 （二）、横向进给系统的设计 计算 . 46 1、 滚珠丝杠螺母副的选择计算 . 46 2、齿轮传动比 i 的确定 . 50 3、步进电机的选择 . 50 四、 数控系统设计 . 53 （一）、单片机系统控制设计的基本要求 . 53 （二）、数字控制系统框图 . 53 （三）、数控系统的硬件特点： . 54 （四）、控制系统图及芯片的选择 . 54 （五）、存储器及系统扩展设计。 . 59 1、基本知识 . 59 . 61 3、数据存储器的扩展 . 61 4、存储器地址空间的分配 . 62 5、 I/O 接口的扩展 . 62 （六）、键盘及键盘接口设计 . 64 （七）、显示器接口设计 . 65 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 5 页 共 97 页 （八）、步进电机控制电路 . 67 (九 )、部分控制程序： . 73 1. 直线圆弧插补程序设计 . 73 2直线插补程序 . 73 . 74 4、 . 78 5、串行扩展口的键盘、显示器接口电路软件设计： . 80 6、步进电机控制 . 83 7、自动转位刀架控制 . 87 五、参考文献 . 91 六、 结束语 . 92 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 6 页 共 97 页 一、总体方案设计 机床工业是机器制造业的重要部门，肩负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进。经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。 因此，从事机床设计的人员，应不断地把经过实践检验的新理论、新技术、新方法应用到设计中，做到既要技术先进、经济效益好、效率高。要不断的吸收国外的成功经验，做到既要符合我国国情，又要赶超国际水平。要不断的开拓创新，设计和制造出更多的生 产率高、静态动态性能好、结构简单、使用方便、维修容易、造型美观、耗能少、成本低的现代化机床。设计本着以上原则进行，尽量向低成本、高效率、简化操作、符合人机工程的方向考虑。 （一）、主传动的组成部分 主传动由动力源、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台等）部分组成。主传动系统属于外联系传动链。 主传动包括动力源（电动机）、变速装置、定比传动机构、主轴组件、操纵机构等十部分组成。 1、动力源 电动机或液压马达，它给执行件提供动力，并使其获得一定的运动速度和方向。 2、 定比传动机构 具有固定传动比 的传动机构，用来实现降速、升速或运动联接，本设计中采用齿轮和带传动。 3、 变速装置 传递动力、运动以及变换运动速度的装置，本设计中采用两个滑移齿轮变速组和一个背轮机构使主轴获得 18 级转速。 4、 主轴组件 机床的执行件之一，它由主轴支承和安装在主轴上的传动件等组成， 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 7 页 共 97 页 5、 开停装置 用来实现机床的启动和停止的机构，本设计中采用直接开停电动机来实现主轴的启动和停止。 6、 制动装置 用来控制主轴迅速停止转动的装置，以减少辅助时间。本设计中采用电磁式制动器。 7、 换向装置 用来变换机床主 轴的旋转方向的装置。本设计中采用电动机直接换向。 8、 操纵机构 控制机床主轴的开停、换向、变速及制动的机构。本设计中，开停、换向和制动采用电控制；变速采用液压控制。 9、 润滑与密封 为了保证主传动的正常工作和良好的使用寿命，必须有良好的润滑装置和可靠的密封装置。本设计中采用箱外循环强制润滑，主轴组件采用迷宫式密封。 10、 箱体 上述个机构和装置都装在箱体中，并应保证其相互位置的准确性。本设计中采用灰铁铸造箱体。 11、 刀架 数控机床中为了实现对刀架的自动控制，采用制动转位刀架。 （ 二）、机床主要部件及其运动方式的选定 主运动的实现 根据设计要求，本设计采用分离式主传动系统，包括变速箱、主轴箱两部分。其中，变速箱与电动机至于机座内，主轴箱与变速箱采用带传动连接。所有的变速都采用液压操作。 进给运动的实现 本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在 X、 Y 方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过齿轮传递。齿轮的消隙买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 8 页 共 97 页 采用偏心环调整。 数字控制的实现 采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。 机床其它零部 件的选择 考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。 （三）、机床的主要技术参数 由设计任务书的要求，现将 济型数控车床的主要技术参数 及加工范围技术参数 列于下： 项目 单位 规格 床身上最大回转直径 20 最大工件长度 50 最大切削直径 20 最大切削长度 50 床鞍（滑板）上最大切削直径 50 主轴前端锥孔 莫氏 6号锥度 主轴孔径 50 主轴转速范围 r/01800 主轴转速级数 18 级 主轴电机输出功率 （普通） 中心高 距床身 50 距地面 130 尾座套筒直径 5 尾座套筒行程 50 尾座套筒锥孔锥度 莫氏 5号 （四）、各组成部件的特性与所应达到的要求 1床身 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 9 页 共 97 页 机床床身采用优质铸铁，内部筋采用 U 形布局，床身整体刚性高。滑动导轨面采用中频淬火，淬硬层深。硬度达 上，拖板滑动面贴塑，使得进给系统的刚度，摩擦阻尼系数等动、静特性都处于最佳状态。 2. 床头箱结构 机床主传动采用液压操纵机构，可 实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用 滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于床头箱带轮侧，使床头箱内结构大为简化，便于维修。 机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有 动磨擦系数非常小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。在进给系统各滑动处 及两轴丝杠丝母处都设置了润滑点。 4. 刀架 机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。 5. 尾座采用手动尾座 6. 冷却系统 冷却箱放在后床腿中。 机床标准配置为 _250 手动卡盘， 电路的动力回路，均有过流、短路保护，机床相关动作都有相应的互锁，以保障设备和人身安全。 电气系统具有自诊断功能，操作及维修人员可根据指示灯及显示器等随时观察到机床各部分的运行状态。 当机床遇到外部突然断电或自身故障时，由控制电路的设计，机床可动进给轴，冷却电机等如已在 “启动 ”状 态者，将进入 “停止 ”状态；如已在 “停止 ”状态的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 10 页 共 97 页 则不可自行进入启动状态，确保了机床的安全。另外由于机床计算机内的控制程序是 “固化 ”在芯片中的，而零件加工程序是由电池供电保护的，所以，意外断电或故障时，不会丢失计算机内存储的程序菜单。 机床具有报警装置及紧急停止按钮，可防止各种突发故障给机床造成损坏。由于软件的合理设计，报警可通过显示器显示文字及报警号，通过操作面板的指示灯指示；机床根据情况将报警的处理方式分为三类：对紧急报警实行 “急停 ”；对一般报警实行 “进给保持 ”；对操作错误只进行 “提示 ”。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 11 页 共 97 页 二、机床主传动设计 （一）、主要技术参数的确定 机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足以下要求： a、 直接反映出机床的加工能力和特性； b、 决定其他基本参数值的大小； c、 作为机床设计的出发点； d、 作为用户选用机床的主要依据。 对于通用机床（包括专门化机床），主参数通常都以机床的最大加工尺寸表示，只有在不适用于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。如卧式镗床的主参数用主轴直径，拉床用额定拉力等。为了更完整地表示出机床的工作能 力和加工范围，有时在主参数后面标出另一参数值，称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨度、主轴数和最大加工模数等。 除主参数外，机床的主要技术参数还包括下列基本参数： a、 与工件尺寸有关的参数； b、 与工、夹、量具标准化有关的参数； c、 与机床结构有关的参数； d、 与机床运动特性和动力特性有关的参数。 这些基本参数可以归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数三种。 1尺寸参数 尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸和工、夹、量具的标准化及机床结构有关的主要参数。如普通车床横刀架上最大工件的回转直径，在相同中心高的情况下，这一尺寸参 数既决定加工长工件的最大直径，又决定刀架的厚度及其刚性。机床主要尺寸参数内容见下表（ ）。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 12 页 共 97 页 与工件主要尺寸有关的参数 最大加工尺寸 最大加工直径或最大工件直径，最大加工模数、螺旋角 主轴通孔直径 最大加工长度或最大工件长度 最大工件安装尺寸。如工作台尺寸、主轴端面至工作台面最大距离、主轴中心线至工作台面最大距离或立柱间距等 最小工件加工尺寸。如主轴中心线至工作台面距离、最小车削直径、最小磨削外径或孔径等 部件运动尺寸范围 刀架、工作台、主轴箱、横梁的最大行程 刀架、工作台、砂轮（ 导轮）箱或摇臂的最大回转角度 与工、夹、量具标准化有关的参数 主轴或尾架套筒的锥孔大小 工件头架或尾架的顶尖安装锥度 刀杆断面尺寸、刀夹最大尺寸、安装的刀具直径 工作台 T 型槽的尺寸和数目 与机床结构有关的参数 床身或摇臂的导轨宽度 花盘或圆工作台的直径 主轴中心线或工作台面至地面的高度 机床主要尺寸参数内容 机床的主参数主要决定于工件的尺寸。对于各类通用机床，已在调查研究各种工件的基础上制定出了机床的参数标准，设计时应该遵照执行。专用机床的主参数则基本上可以根 据工件尺寸决定。 主参数系列采用优先数系，这样做有如下好处： （ 1）优先数按等比级数分级，能在较宽的范围内以较少的品种，经济合理地满足用户的需要，即可把产品的品种规格限制在必需的最少范围内。 （ 2）优先数系具有各种不同公比的系列，因而可以满足较密和较疏的分级要求。随着形势的发展，可以通过插入中间值使较疏的系列变成较密的系列，而原来的项值保留不变。在参数范围很宽时，根据经济性和需要量等不同的条件，还可以分段选用最合适的基本系列（即选用不同的公比），以复合系列的形式组成最佳系列。 （ 3）优先数系 是国际上统一的数值制度，有利于国际的标准化。 其他尺寸参数一般根据主参数来确定。但由于机床的使用情况比较复杂，这些尺寸参数的确定还有相似分析法和图解分析法及回归分析法。 由此可以得到 控车床的尺寸参数如下表所示 ： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 13 页 共 97 页 参数项目 单位 数值 床身上最大工件回转直径 20 刀架上最大工件回转直径 60 主轴通孔直径 5 主轴锥孔莫氏 尾架顶尖套锥孔莫氏 最大工件长度 L 50 刀杆截面尺寸 0 20 2运 动参数 运动参数包括机床主运动（切削运动）的速度范围和级数，进给量范围和级数以及辅助运动的速度等，它是由加工表面成形运动的工艺要求所决定的。 主轴极限转速和变速范围 对于主运动为回转运动的机床，主轴极限转速为： m i n )(1 0 0 0m i nm a xm a x rd m i n )(1 0 0 0m a xm i nm i n rd 式中的 是认为是在机床全部工艺范围内可以用最大切削速度加工时的最大工件直径，这样才能得出合理的极限转速值。 （ 1）极限切削速度 据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类、工艺要求、刀具和工件材料等因素。允许的切削速度极限参考值如下表所示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 14 页 共 97 页 加工条件 硬质合金刀具粗加工 80120 硬质合金刀具半精加工或 精加工 150250 高速钢刀具低速光刀 存储器芯片所要求的读取时间 4)a、常用的程序存储器 片及其引脚的功能 片，典型的有 2716、 2732、 2764、 27128、这里我们选用的是 片它的容量 88 读取时间为 250脚功能（ 28 脚） 下面介绍它的引脚功能： 电源线 v、 程的电源线、 接地 数据线 8 条 7 地址线 13 条 12 控制线 片选端线（或片选信号线，低电平有效） 数据输出选通信号线，低电平有效 编程冒充输入端。 只对 8751 有效 b、常用的 片及其引脚功能 常用的有 6264 这里我们选用的是 6264 下面介绍它的引脚功能，读取时间为 25028 脚双列直接封装的芯片 电源线 址线 13 脚 12 数据线 8 脚 7 )( 11写信号线（片选端） 2写信号线（片选端） 控信号线低电平有效 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 61 页 共 97 页 控信号线低电平有效 5） 地址存储器 为什么要用地址存储器 址 /数据复用 常用地址锁存器 7474芯片 我们这里选用的是 74面介绍 74存器引脚功能 20 脚 电源线 入输出线 输入线 7 输出线 7 控制线 a 选端线 当 0 时锁存输出， 当 1 时输出成高阻态 b 当 G=0 时 7 的信息输入 7 的低， 8 为地址锁存到锁存器中，当 G=1 时锁存器输出端（ 7）状态和输入， 端 7 状态相同 （ 1）类型 容量 速度。 片（ 8301）用晶体频率为 1240 2）扩展的方法 扩展一片， 展 8 个 包括地址线，控制线，数据线其 中控制线包括： 地址锁存 选端 输出允许端 两片 16、数据存储器的扩展 数据存储器的扩展跟地址存储器差不多，我们需要注意下面几点 引脚的功能就可以了 、1、 222 就可以了。在这里不详细买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 62 页 共 97 页 介绍了。 4、存储器地址空间的分配 线选法 线选法寻址 译码器选址 a 部分译码法 b 全部译码法 5、 I/O 接口的扩展 1）概述 简单 I/O 接口的扩展 通过可编程通用 I/O 扩展芯片来扩展 通过串行口来扩展 简单 I/O 口扩展我们采用总线扩展法、或不可编程 芯片扩展采用普通 片扩展 构成输出口时，接口芯片应该具有锁存的功能 构成输入口时，接口芯片应该具有三态缓冲和锁存功能 扩展入口的典型芯片有： 74244、 245 扩展出口的典型芯片有： 74273 1 74 三态 逻辑缓冲器，总线双向扩展芯片 电源线 入输出线 7、 7 控制线 片选端，低电平有效。 方向控制端 当 0 时、 0，数据从 A B 当 0 时、 1 时，数据从 B A 2 74三态逻辑缓冲器总线单向扩展芯片 它的引脚有： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 63 页 共 97 页 1 2 2 、1G 2G 控制 1 3 748D 锁存器 输入线 7 输出线 7 控制线 选 通端 清零端 时有效时，通过 244 输入按键的数据 时有效时， 273 输出数据显示 2）利用专用芯片来扩展（ 8155 可编程多功能芯片 I/O 的扩展） 1 脚功能 8155 片内含有 256 个字节 14 位定时 /数据器和两个 8 位，一个 16 位可编程并行 I/O 口多功能通用接口芯片 8155/8156 都是 40 脚双列直接封装 2 电源线 址 /数据线 时输出的是地址， 时或其它是数据 端口线 、 控制线 址锁存线 存储器选择线。当 为高电平时作 I/O 口用 当 为低电平时，作存储器用（数据） 片选端 E 低电平有效 （ 8155） 8156）高电平有效 读写线 R 信号传入复位端 定时 入 出 作方式 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 64 页 共 97 页 作片外 =0 时用 做扩展 I/O 使用 =1 时作 定时数据器用 4） 单片机的连接详细情况见所画电路图 5） 8255 可编程扩展并行 I/O 接口 1 构特点（可编程通用并行的输入输出标准的借口芯片） 40 脚双列直接封装由单一的 +5v 电源供电 有三个 8 位并行 I/O 口 具有三种工作方式 使用灵活方便通用性强 2 脚功能 电源线 据线：数据输入线 7 数据输出线 据信号线 址线 S 片选线低电平有效 址线与对 应的地址总线相连（ 1） 3 8255 相连，这里不在重复，详细见电路图 （六）、键盘及键盘接口设计 键盘可分为：独立式键盘、矩阵式键盘、拨码式键盘。 工作方式可分为： 扫描式，中断式：编程扫描式、定时扫描式 1）、独立式键盘及键盘设计 1 个按键个接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。它有其优点与缺点 优点：配置灵活，软件结构简单 缺点：每个按键需要一口线 2 ， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 65 页 共 97 页 2）、矩阵式键盘及键盘接口设计 1 行线和列线组成 2 描方式（循环扫描和定时扫描）、中断方式 3 ，它由行线和列线组成，按键位于行、列交叉点上。如一个 4 4 的行、列结构可 以构成一个含有 16 个按键的键盘等等。在按键数量较多时，矩阵键盘比独立键盘节省了很多 I/O 口。 按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V 上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平。所以，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。 对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高 4 位是行号，低 4 位是列号将是非常直观的。 （七）、显示器接口设计 在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称 示块由发光二极管显示字段组成，有 7 段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极 示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相