机械毕业设计（论文）-C6132普通车床Z轴数控化改造(全套图纸） .doc

毕业设计报告(论文) 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 报告(论文)题目：普通车床 z 轴数控化改造 作者所在系部： 机械工程系 作者所在专业： 机械设计制造及其自动化 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2012 年 6 月 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院毕业论文 摘 要 应用成熟的数控技术理论，以低廉的成本对普通旧机床进行数控化改造，可以恢复 甚至提高原机床的精度，适应工业高速跨越式发展的要求，为此机床数控化改造在国际 国内作为新的经济增长行业获得了很大的发展。本文以 c6132 车床为对象，对此车床进 行了数控化改造。 通过 c6132 普通车床的数控化改造，阐述了车床的数控化改造的方案，详细论述了 c6132 车床的主轴传动系统、进给传动系统、数控系统的改造过程，为节约成本和以后 对机床的维修提供了方便。 关键词：数控 改造 车床 数控系统 北华航天工业学院毕业论文 abstract computer numerical control(cnc) machine tools innovation was conducted by application sophisticated cnc technology theory and low cost. the accuracy of the original machine can be restored or even improved , so that it can be adapted to industrial requirements of high-speed development by leaps and bounds. cnc machine tools innovation was greatly developed as a new international and domestic economic growth industry. in the paper, cnc machine tools innovation programs, technical route and so on was analyzed taking c6132 common machine as research objects. through the numerical control transformation of c6132 ordinary lathe, have explained the scheme of numerical control transformation of the lathe, have described the main shaft transmission of c6132 lathe, entered to transforming the course of the transmission, numerical control system in detail, in order to save the cost and provide convenience to the maintenance of the lathe afterwards. keywords: nc; transformation; lathe; cnc system 北华航天工业学院毕业论文 目 录 摘摘 要要.i abstract.i 第第 1 章章 绪论绪论1 1.1 课题综述.1 1.1.1 选题原因 .1 1.1.2 数控机床的发展历程 .2 1.1.3 数控机床的发展方向 .3 1.2 c6132 车床简介.4 c6132 车床的组成部分及其功用 4 1.3 普通车床数控化改造的必要性 5 第第 2 章章 c6132c6132 车床的改造车床的改造.7 2.1 总体方案设计的内容.7 2.1.1 设计任务 .7 2.1.2 系统运动方式的确定.7 2.1.3 伺服系统的选择 .7 2.1.4 执行机构传动方式的确定 .8 2.1.5 计算机的选择.8 2.2 机床进给伺服系统机械部分设计计算 8 2.2.1 总方案确定.8 2.2.2 计算 .9 2.2.2.1 切削力计算.10 2.2.2.2 滚珠丝杠计算：.10 2.2.2.3 齿轮及转距有关计算.13 2.2.2.4 步进电机的计算和选型.13 2.2.3 设计绘制进给伺服系统机械装配图 16 第第 3 章章 微机数控系统硬件电路设计微机数控系统硬件电路设计17 3.1 单片微机数控系统硬件电路设计内容 .17 3.1.1 绘制系统电气控制的结构框图 17 3.1.2 选择中央处理单元 cpu 的类型 17 3.1.3 存储器扩展电路设计 18 3.1.4 输入/输出接口电路设计 .18 3.2 mcs-51 系列单片机简介.18 3.2.1 8031 单片机的基本特性 .18 3.2.2 8031 芯片引脚及功能 .19 北华航天工业学院毕业论文 3.2.3 定时器/计数器 .20 3.3 存储器扩展电路设计21 3.3.1 8031 与 eprom 的连接 .21 3.3.2 数据存储器的扩展 21 3.4 i/o 接口电路及辅助电路设计21 3.4.1 显示功能设计 21 3.4.2 键盘输入功能设计 22 3.4.3 步进电机接口及驱动电路 22 3.4.4 其他辅助电路 25 总结总结 27 致致 谢谢 28 参考文献参考文献 29 北华航天工业学院毕业论文 1 c6132 车床纵向进给数控化改造 第第 1 1 章章 绪绪论论 1.1 课题综述 1.1.1 选题原因 长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的 局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因， 国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能 等方面与国外先进水平相比落后了 5-10 年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了 10- 15 年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准 的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产 业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也 不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少， 制约了数控机床产业的发展。 随着我国市场经济的发展，国内、外际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，中、 小批量的生产越来越多。就目前的现况而言旧机床主要表现在设备老化陈旧、自动化水 平低、技术水平落后、劳动生产率低，严重影响了生产力的发展。数控机床则具有普通 机床所不具备的优点，如：加工精度高，产品的稳定强；加工零件范围广，能适应单件、 形状复杂、精度要求较高的零件生产；能有效地减轻工人的劳动强度，缩短生产准备时 间。对我国企业而言采用，面对激烈的市场竞争，采用先进的工艺设备, 已经成为我国 制造技术发展的总趋势，也是企业走出困境、提升水平，实现跨越式发展的必由之路。 目前，我国现有数以万计的陈旧、落后 普通机床，对于机械制造企业，单纯靠购买 新的数控机床，所需投资大。为了节约资金，降低成本，利用原来的部分普通机床进行 数控化改造，提高机械设备的数控化率，是一种有效的途径。同时，企业现有的数控机 床长期处于运转甚至超负荷使用，缺少认真的维修和保养，造成机床严重磨损，丧失了 精度；有些原有的数控机床性能已不能满足使用要求，急需更新改造。随着现代化机械 加工技术向高效率、高精度方向发展，现代数控机床也朝着精密化、复杂化方向发展。 在机械加工中,机床状态的好坏直接影响着被加工零件的加工质量及机械加工效率.从保 北华航天工业学院毕业论文 2 证零件机械加工质量、提高加工效率讲,目前许多机械加工车间里普通机床无法做到这点， 以满足车间生产的需要。数控机床，特别是多轴数控、多轴联动的数控机床是高效、高 质量产品制造的关键设备，也是结构较复杂、自动化程度高、精度和可靠性要求高的机 电一体化高技术产品。 随着科学技术的发展和机械制造技术的进步，必将推动数控机床的开发应用，逐步 形成高档，普及型和经济型构成比合理的数控机床系列，以满足各种不同用户的需要 数控机床是集机、电、仪和信息等多项技术于一体的典型机电一体化产品,是同时具 备高效率、高质量、高柔性等优点的工作母机,随着 cnc 技术的不断完善和微处理机直接 用于机床后,数控车床的性能价格比得到极大的完善, 不仅可以提高加工质量和效率，还 能实现对各种复杂的零件的加工，达到了普通机床无法取得的效果，这就使得数控机床 成为不仅是一种技术上先进,而且是一种经济上合理的机床，不仅现在富有旺盛的生命， 而且是未来机械工厂自动化的基础。 1.1.2 数控机床的发展历程 微电子技术，自动信息处理，数据处理以及电子计算机的发展，给自动化带来了新 的概念，推动了机械制造自动化的发展。 采用数字控制技术进行机械加工的思想最早是在 20 世纪 40 年代初提出来的。当时， 美国北密执安的一个小型飞机制造厂帕森公司（paisons co.）在制造飞机框架及直升机 叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考虑了刀具直 径对加工路径的影响，提高了加工精度。1949 年帕森公司正式接受美空军委托，在麻省 理工学院伺服机构实验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年的研究， 于 1952 年试制成功世界第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直 线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。 1953 年，美空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创 制 apt（automatically programmed tools）自动编程系统的开始。 1959 年，计算机行业研制出晶体管器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印刷电 路板，从而跨入第二代数控时代。 1965 年，出现了小规模的集成电路。由于它体积小，功耗低，使数控系统的可靠性 进一步提高，数控系统发展到第三代。 随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取代专用数 控计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机数控系统 （cnc） 。1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系统，称为第四代 数控。 1970 年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974 年美、日等国首先研制 出以微处理器为核心的数控系统。近 20 年来，微处理机数控系统的数控机床得到了飞速 北华航天工业学院毕业论文 3 发展和广泛应用，这就是第五代数控系统（mnc） 。 1.1.3 数控机床的发展方向 数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件，为了满足市场的需要， 达到现代制造技术对数控机床提出的更高的要求，当前，数控技术及数控机床的发展方 向主要体现为以下几方面： 1) 高速、高效 机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提 高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产 有广泛的适用性。 目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到 50008000m/min 以上；主 轴转数在 30000 转/ 分(有的高达 10 万 r/min)以上；工作台的移动速度(进给速度)：在 分辨率为 1 微米时，在 100m/min(有的到 200m/min)以上，在分辨率为 0.1 微米时，在 24m/min 以上；自动换刀速度在 1 秒以内；小线段插补进给速度达到 12m/min。 2) 多功能 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和 主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在 同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。 3) 智能化 智能化是 21 世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、 模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活 动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： (1)为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成； (2)为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、 自动识别负载自动选定模型、自整定等； (3)简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等； (4)智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。 4) 高精度 在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由10m 提高到 5m ；精密级加工中心的加工精度则从 35m，提高到11.5m ，甚至更高； 超精密加工精度进入纳米级(0.001 微米) ，主轴回转精度要求达到 0.010.05 微米， 加工圆度为 0.1 微米，加工表面粗糙度 ra=0.003 微米等。这些机床一般都采用矢量控制 的变频驱动电主轴(电机与主轴一体化)，主轴径向跳动小于 2m ，轴向窜动小于 1m ，轴系不平衡度达到 g0.4 级。 北华航天工业学院毕业论文 4 5) 高可靠性 随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和 数控机床制造商追求的目标。 6) 柔性化 柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制 造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实 用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；cnc 单机向 高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 cad、cam、capp、mts 联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方 向发展。 1.2 c6132 车床简介 卧式车床 1-主轴箱，2-卡盘，3-刀架，4-后顶尖，5-尾座，6-床身，7-光杠，8-丝杠， 9-床鞍，10-底座，11-进给箱 c6132 车床的组成部分及其功用： c6132 车床由床身、主轴箱、变速箱、进给箱、光杆、丝杆、溜板箱、刀架、床腿和 尾架等部分组成。 1床身：是车床的基础零件，用来支承和安装车床的各部件，保证其相对位置，如床 北华航天工业学院毕业论文 5 头箱、进给箱、溜板箱等。床身具有足够的刚度和强度，床身表面精度很高，以保证各 部件之间有正确的相对位置。床身上有四条平行的导轨，供大拖板（刀架）和尾架相对 于床头箱进行正确的移动，为了保持床身表面精度，在操作车床中应注意维护保养。 2床头箱（主轴箱）：用以支承主轴并使之旋转。主轴为空心结构。其前端外锥面安 装三爪卡盘等附件来夹持工件，前端内锥面用来安装顶尖，细长孔可穿入长棒料。c6132 车床主轴箱内只有一级变速，其主轴变速机构安放在远离主轴的单独变速箱中，以减小 变速箱中的传动件产生的振动和热量对主轴的影响。 3变速箱：由电动机带动变速箱内的齿轮轴转动，通过改变变速箱内的齿轮搭配（啮 合）位置，得到不同的转速，然后通过皮带轮传动把运动传给主轴。 4进给箱 又称走刀箱，内装进给运动的变速齿轮，可调整进给量和螺距，并将运动 传至光杆或丝杆。 5光杆、丝杆：将进给箱的运动传给溜板箱。光杆用于一般车削的自动进给，不能用 于车削螺纹。丝杆用于车削螺纹。 6溜板箱：又称拖板箱，与刀架相联，是车床进给运动的操纵箱。它可将光杆传来的 旋转运动变为车刀的纵向或横向的直线进给运动；可将丝杆传来的旋转运动，通过“对 开螺母”直接变为车刀的纵向移动，用以车削螺纹。 7刀架：用来夹持车刀并使其作纵向、横向或斜向进给运动。它包括以下各部分。 （1）大拖板（大刀架、纵溜板） 与溜板箱连接，带动车刀沿床身导轨纵向移动， 其上面有横向导轨。 （2）中溜板（横刀架、横溜板） 它可沿大拖板上的导轨横向移动，用于横向车削 工件及控制切削深度。 （3）转盘 它与中溜板用螺钉紧固，松开螺钉，便可在水平面上旋转任意角度，其 上有小刀架的导轨。 （4）小刀架（小拖板、小溜板） 它控制长度方向的微量切削，可沿转盘上面的导 轨作短距离移动，将转盘偏转若干角度后，小刀架作斜向进给，可以车削圆锥体。 （5）方刀架 它固定在小刀架上，可同时安装四把车刀，松开手柄即可转动方刀架， 把所需要的车刀转到工作位置上。 8.尾架：安装在床身导轨上。在尾架的套筒内安装顶尖，支承工件；也可安装钻头、 铰刀等刀具，在工件上进行孔加工；将尾架偏移，还可用来车削圆锥体，使用尾架时注 意： （1）用顶尖装夹工件时，必须将固定位置的长手柄扳紧，尾架套筒锁 紧。 （2）尾架套筒伸出长度，一般不超过 100mm。 （3）一般情况下尾架的位置与床身端 部平齐，在摇动拖板时严防尾架从床身上落下，造成事故。 北华航天工业学院毕业论文 6 1.3 普通车床数控化改造的必要性 随着社会生产和科学技术的发展，机械产品的性能和质量的不断提高，产品的更新 换代和不断加快。因此，对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，还要能迅速的适应 产品零件的变换，生产的需要，促进了数控机床的生产。近年来，加快了数控机床技术 的引进，促进了数控机床的生产，各大企业不断的购进数控机床，扩大再生产和替换陈 旧设备，所以，机床数控化改造有其历史的必然性和优点。 数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题、能够稳定 加工质量和提高生产率，但是数控机床的应用也受到其它条件的限制。 （1）数控机床价格昂贵。一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。 （2）目前是，各企业都有大量的普通机床，完全用数控替换根本不可能，而且替代 下的机床闲置起来又会造成浪费。 （3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需。 （4）通用数控机床对具体生产有多余功能。 要较好地解决上述问题，应走普通机床数控改造之路，在国外已发展成为一个新兴 的工业部门，早 60 年代已经开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。从美 国。日 本等工业化国家的经验看，机床的数控改造也心不可少，数控改造机床占有较大比例。 如日本的大企业中有 26%的机床经过数控改造，中小企业则是 74%，在美国有许多数控专 业化公司为世界各地提供数控改造业务。我国是拥有 300 多万台机床的国家，而这些机 床又大量是多年累积生产的通用机床，自动化程度低，要在近几年内用自动和精密设备 更新现有机床，不论是资金还是我国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床 的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平。 数控机床改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使 机床具有数控加能力。其改造的优点有： （1）从提高资本出发，必造闲置设备，能发挥机床的原有功能改造后的新增功能， 提高机床的使用价值。 （2）适应多品种，小批量零件生产。 （3）自动化程度高，专业性缋，工精度高，生产效率高。 (4）降低对工人技术水平的要求。 (5）数控改造的费用低，经济性好。 (6）数控改造的财期短，可满足生产急需。 北华航天工业学院毕业论文 7 第第 2 2 章章 c c6 61 13 32 2 车车床床的的改改造造 利用微机改造现有的普通车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动进给和手 工控制的刀架转位改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工车床， 即经济性数控车床。 2.1 总体方案设计的内容 接到一个数控装置的设计任务后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才 能决定各种设计参数和结构，然后再分机械部分和电气部分进行设计计算。 机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的 选择，执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出方案，进行综合分析，比较和论证，最后确定总方 案。 2.1.1 设计任务 本设计任务是对 c6132 普通车床进行数控化改造。利用微机对纵向进给系统进行半 闭环控制，纵向快速运动速度为 3m/min，纵向脉冲当量为 0.01，最大加工工件直径 320mm,最大加工工件长度 720mm。机床进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动 方式。 2.1.2 系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位/直线系统和连续控制系统。如果工 件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制系统。如数控钻床。 如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动具有确定的函数关系，即连续控制系统应 具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加 工各种外形轮廓复杂的零件。数控车床就采用此种运动方式。同时它也具有点位系统的 功能。 2.1.3 伺服系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统和闭环控制系统。 在普通机床的数控化改造中一般采用步进电动机和交流伺服电动机。交流伺服电动 机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比，其精度 北华航天工业学院毕业论文 8 高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济型改造，因此一般选用步进电动机作为驱动装置。 车床步进电动机采用脉冲数字信号进行控制，每转一转步距误差自动变为零，能方便地 实现调速以及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，易于控制，且价格低廉， 数控车床上大多使用反应式步进电动机。在需要快速移动大距离的条件下，应选择转动 惯量小、运行频率高、价格较低的反应式步进电动机。 经过全面考虑，在c6132的数控化改造中，选用反应式步进电动机作为纵向进给驱动。 理由是：该系统控制方便，由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放 大后，使步进电动机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲 的数量、频率以及通电顺序，便可以控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。该 系统结构简单，易维修，性价比高；考虑改造后的c6132机床精度要求(数控化改造后纵 向精度为0.01mm步)，加工精度要求不算太高，为了简化结构、降低成本，车床故选择 步进电动机驱动的半闭环控制系统。 2.1.4 执行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩 擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下 几点： 1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副。 2）尽量消除传动间隙。如采用消隙齿轮。 3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。 2.1.5 计算机的选择 微机控制系统由cpu、存储扩展电路i/o接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等 几部分组成。 根据机床要求，采用8位微机。由于mcs-51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功 能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用mcs-51系列的 8031单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、1/0接口及光电隔离电路、步进电机功率放 大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用两排数码管 显示加工数据及机床状态等信息。 2.2 机床进给伺服系统机械部分设计计算 2.2.1 总方案确定 机械部分的改造，在原机床的基础上，去掉挂轮箱(保留三星齿轮)、进给箱、溜板 箱、刀架部分，保留大拖板、中拖板。 北华航天工业学院毕业论文 9 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的 传动 精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和 消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 图1-1改后进给示意图 5-丝杠，6-联轴器，7-消隙齿轮，8-步进电机 纵、横向丝杠的改造去掉机床的进给传动系统，安装上滚珠丝杠、减速器接口、步 进电动机。这类小型机床在中间设置一级传动结构的目的是提高伺服电动机的使用寿命。 对于瞬时性的快速起、停起到一定的缓冲作用。系统总体方案框图见图 1-2。 图1-2 经济型数控车床总体方案框图 2.2.2 计算 经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚 珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖 板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度 其主要设计参数如下： 加工最大直径: 在床面上 320mm 在床鞍上 160mm 北华航天工业学院毕业论文 10 加工最大长度: 750mm 溜板及刀架重力: 纵向 800n 刀架快速速度: 纵向 3m/min 脉冲当量： 纵向 0.01mm 主电机功率: 4kw 起动加速时间: 30ms 机床定位精度: 0.015mm 2.2.2.1 切削力计算 1.纵车外圆 主切削力（n）按经验公式估算： z f =0.67 = 0.67=3835 z f 5 . 1 max d .51 320 按切削各分力比例: fz:fx:fy = 1:0.25:0.4 fx=38250.25=959 fy=38350.4=1534 2.横切端面 主切削力（n）可取纵切的 z f 2 1 = z f 1918 2 1 z f 此时走刀抗力为（n）,吃刀抗力为（n） 。仍按上述比例粗略计算： y f x f ：=1:0.25:0.4 z f y f x f =19180.25=479 y f =19180.4=767 x f 2.2.2.2 滚珠丝杠计算： 1.计算综合导轨车床丝杠轴向力 p=k+ f(+w) x f z f k 考虑颠覆力矩影响的实验系数，一般取 k=1.15 横向切削分力； x f 垂直切削分力； z f f 导轨上的摩擦系数，f=0.150.18，取 f=0.16 北华航天工业学院毕业论文 11 w 工作台作用在导轨上的重力，w =800n 则 p=1.15959+0.16(3835+800)=1844n 2.计算最大动负载： hwf pflc 3 6 60 10 nt l 0 1000 n l vs 滚珠丝杠导程，初选=6mm; 0 l 0 l 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/2-1/3） ，此处 s v =1.5m/min s v t 使用寿命，数控机床及一般机电设备取 t=15000h； 载荷系数，平衡或轻度冲击取 1.01.2；中等冲击取 1.21.5；较大冲击或 w f 振动取 1.52.5；现取=1.2； w f 滚珠丝杠副的寿命，单位为 r;l 6 10 硬度系数，58hrc 时，取 1.0；等于 55hrc 时，取 1.11；等于 52hrc 时，取 h f 1.35；等于 50hrc 时，取 1.56；等于 45hrc 时，取 2.4；现取=1.0； h f p滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为 n。 =250r/min 0 1000 n l vs 6 1.51000 225 10 1500025060 10 n60 66 t l =13458.7n hwf pflc 3 1.211844225 3 由最大动负载 c 的值，查表选用滚珠丝杆螺母副的型号为型，垫片调整预2506 1d w 紧，其额定动载荷为 15400n。 滚珠丝杆螺母几何参数计算如下： 表 2-1 滚珠丝杠螺母几何参数表 名称符号计算公式和结果/mm 公称直径d025 螺距p6 接触角45 0 螺纹滚道 钢球直径 w d3.969 北华航天工业学院毕业论文 12 螺纹滚道法向半径r=2.064 w dr52 . 0 偏心距e =0.056sin2/ w dre 螺纹升角 =3.65 0 arctan d p 螺杆大径 d d =d-0.2=24.21 0w d 螺杆小径 d1d = d+2e-2r=20.67 10螺杆 螺杆接触点直径 k d= d- cos=24 k d 0w d 螺母凸缘外径 3 d 72 螺母 螺母配合外径 d58 3.效率计算：根据机械原理的公式 ，丝杠螺母副的传动效率 为： () tg tg 摩擦角取滚动摩擦系数 0.0030.004 0 1 螺旋升角 =0.95 () tg tg )0173tan( 7tan3 4刚度计算： 滚珠丝杠副的轴向变形将引起滚珠丝杠的导程发生变化，直接影响定位精度和运动 的平稳性。 滚珠丝杠受工作负载 p 引起的导程的变化量 0 pl l ef 式中“+”号用于拉伸， “-”号用于压缩； p 滚珠丝杠的最大工作载荷，单位为 n； l 滚珠丝杆导程，单位为 mm； 0 e 材料弹性模数， 62 20.6 10/en cm f 滚珠丝杠按底径计算的截面积，单位为； 1 d 2 mm 滚珠丝杠机械回徎 2 4.85 ( )()18.5 22 d f 则 6 0 6 970 0.8 2.04 10 20.6 1018.4745 pl lcm ef 滚珠丝杠受扭转引起的导程变化量 很小 2 l 北华航天工业学院毕业论文 13 总误差muml l /55 . 2 102551004 . 2 8 . 0 100100 66 0 查表知 c 级精度丝杠允许的螺距误差为 54m/m 刚度足够 5.稳定性验算 滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象，不需作稳定性校核。 2.2.2.3 齿轮及转距有关计算 因为步距角=0.75，滚珠丝杠螺距=6mm，要实现脉冲当量=0.01，则应在步 0 l p 进电机与滚珠丝杠之间加一级齿轮降速传动，降速传动比为： 传动比8 . 0 675 . 0 01 . 0 360 360 0 l i b p 选定齿轮齿数 z1=32 z2=40 或 z1=20 z2=25 故可取模数 m=2mm =20 因传递的扭矩较小，取模数 m=2,齿轮有关尺寸如下表： 表 2-2 齿轮参数表 名称关系式小齿轮大齿轮 齿数z 2025 压力角 20 20 分度圆直径d=mz 4050 齿顶圆直径mhzd aa )2( * 4454 齿根圆直径 mchzd af )22( * 3545 标准中心距2)( 21 zzma 45 注：表中，为齿顶高系数（=1） ；为顶隙系数（=0.25） 。 * a h * c 2.2.2.4 步进电机的计算和选型 1.转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 222 1 .468 . 0 800) 75 . 0 01 . 0 180 () 180 (cmnw p j 丝杠转动惯量： 44442 1 7.8 107.8 104.8543.16 .jd lcmn cm 丝 齿轮转动惯量： 北华航天工业学院毕业论文 14 244 1 .828 . 0 28 . 4108 . 7cmnjl 244 2 .36 . 9 28 . 8108 . 7cmnjl 电动机转动转动惯量很小可以忽略 因此，总的转动惯量 cmnjjjj i j ll .128.20468 . 0 828 . 0 )36 . 9 16.43( 67 . 1 1 )( 1 2 112 2 丝 2.所需转动力矩计算： 快速空载启动时所需力矩 m=mamax+mf+mt 式中 mamax快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 mf-折算到电动机轴的摩擦力矩 mt-丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 最大切削负载时所需力矩 m=mat+mf+m0+mt mat电机轴上的加速度力矩 快速进给时所需的力矩 m=mf+m0 式中 mamax-空载 max max 2 60 a n mj t t=30ms 当 n=n 时 ma=mat t v=100 d=88 00 1000 1000 100 0.3 1.67 22.65 /min 8 3.14 88 t v fi n fi d nr ll 主 2 20.128 22.65 101.583.15.83 . 9.69.6 0.003 at jn mkgf cmn cm t 000 () 22 z f f lfpw l m ii w=800n =0.8 f=0.16 cmnm f . 8 . 296 167 . 0 8 . 02 8 . 0)800664.1145(16 . 0 北华航天工业学院毕业论文 15 2 000 0 (1) 2 p l m i 当时预加载荷则 0 0.9 0 1 3 pfx cmncmkgf i fxl .58.34.458 . 3 67 . 1 8 . 02 )9 . 01 (8 . 0832.572 3 1 2 1 3 1 m 22 00 0 cmkgf i fxl mt. 6 . 54 67 . 1 8 . 02 8 . 032.578 2 0 所以快速空载时所需力矩 m=mamax+mf+m0=234.7+296.7+34.58=565.98n.cm 起 切削时所需力矩 m快=mat+mf+m0+mt=15.83+296.7+34.58+54.6=401.7n.cm 快速移动时 f 需力矩 m切=mf+m0=296.7+34.58=331.28n.cm 从上面计算可得：m起 m快，m切三种情况下，以快速空载起动所需力矩最大 以此项作为初选步进电机的依据 从国产 bf 反应式步进电机技术数据表查出 当步进电机为五相十序时 =0.951 max m m 起 cmn m .14.595 951 . 0 98.565 m max 起 3.电机的选择 由机床设计手册查得 110bf003 型最大静转矩为 800n.m，大于所需静转矩 计算步进电机空载起动频率和切削时工作频率 hz p v fk5000 01 . 0 60 31000 60 1000 max hz p vs fe2000 01 . 0 60 2 . 11000 60 1000 由手册查得：110bf003 型步进电机允许的最高空载起动频率为 1500hz，运行频率为 7000hz，步进电机启动时频率不能满足要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降 北华航天工业学院毕业论文 16 速程序来解决。当快速切削进给时，能满足要求 110bf003 型步进电机的基本参数如下： 相数：3 步距角：0.75/1.5 度 电压：80v 相电流：6a 最大静转矩：800n.cm 最高空载启动频率：1500hz 运行频率：7000hz 线圈电阻：0.37 分配方式：三相六拍 重量：6kg 外形尺寸：160110 轴径： 11 2.2.3 设计绘制进给伺服系统机械装配图 纵向进给机构改造时拆除原机床的进给箱及丝杠,将步进电机减速齿轮箱安装在原机 床的尾端,滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置, 两端仍采用原固定方式,这样可以减小改装 工作量，并由于滚珠丝杠的磨擦系数小于原丝杠,从而使纵向进给机构整体刚度增大。为 了便于安装滚珠丝杠副，丝杠轴不是整体的，而是分移式的，用套筒刚性联接。采用一 级齿轮减速。 图2-1纵向进给系统计算简图 北华航天工业学院毕业论文 17 第 3 章 微机数控系统硬件电路设计 3.1 单片微机数控系统硬件电路设计内容 当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国intel公同的mcs-51系列单片计 算机，因此本章着重介绍用mcs-51系列单片微机构成的控制系统的设计内容、方法及步 骤。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容: 3.1.1 绘制系统电气控制的结构框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气 控制的结构框图。 数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才 能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。 机床硬件电路由以下五部分组成。 (1)主控制器，即中央处理单元cpu。 (2)总线。包括数据总线、地址总线和控制总线。 (3)存储器。包括程序存储器和数据存储器。 (4)接口：即1/0输入/输出接口电路。 (5)外围设备。如键盘、显示器及光电输入机等。 ram rom cpu i/o 接口 口 光电 隔离 功率 放大器 步进 电机 外设 键盘，显示器及其他 图3-1 机床数控系统硬件框图 北华航天工业学院毕业论文 18 3.1.2 选择中央处理单元 cpu 的类型 在微机应用系统中，cpu的选择应考虑以下因素: (1)时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。 (2)可扩展存储器(包括rom和ram)的容量。 (3)指令系统功能，影响编程灵活性。 (4)1/0口扩展的能力，即对外设控制的能力。 (5)开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。 此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经 济性的要求。 目前在经济型数控机床中，推荐采用mcs-51系列单片微机作为主控制器。 3.1.3 存储器扩展电路设计 存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。程序存储器主要 用于储存数控系统程序，而数据存储器用于存放用户加工程序，为保护用户加工程序， 数据存储器必须有掉电保护功能。 在选择存储器芯片时，要考虑cpu与存储器时序的匹配，还应考虑最大读出速度、 工作温度及存储器的容量等问题。经济型数控机床的程序存储器和数据存储器的容量一 般在64k左右。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。 3.1.4 输入/输出接口电路设计 应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的 设计，例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。 此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。 3.2 mcs-51 系列单片机简介 mcs-51 系列单片机是美国 intel 公司推出的，它的集成度很高，是集片内存储器、 片内输入/输出部件和 cpu 于一体的优良的单片机系统,在我国广泛应用于经济型数控机 床. mcs-51 系列单片机主要型号有 8031、8051 和 8751。三种型号的引脚完全相同， 仅在内部结构上有一定的差异。由于 8031 片内无 rom ，适用于可在现场修改和更新程 序存储器的应用场合，由于其价格低，使用灵活，故其非常适合在中国使用。 北华航天工业学院毕业论文 19 3.2.1 8031 单片机的基本特性 8031 单片机具有以下特点： （1）具有功能很轻强的 8 位中央处理单元（cpu） 。 （2）片内有时钟发生电路(6mhz 或 12mhz)、每执行一条指令的时间为 2s 或 1s。 （3）片内具有 128 字节 ram。 （4）具有 21 个特殊存储器。 （5）可扩展 64k 字节的外部数据存储器和 64k 字节的外部程序存储器。 （6） 具有 4 个 i/o 口，32 根 i/o 线。 （7）具有 2 个 16 位定时器/计数器。 （8）具有 5 个中断源，配备两个中断优先级 （9）具有一个全双功串行接口。 （10）具有位寻址能力，适合逻辑运算。 3.2.2 8031 芯片引脚及功能 8031 芯片具有 40 根引脚，其引脚如图 3-2 所示。 图 3-2 8031 引脚及其功能 40 根引脚按其功能可分为四类： 1. 电源线 2 根 vcc: 编程和正常操作时的电源电压，接+5v。 vss: 低电平 2晶振 2 根 北华航天工业学院毕业论文 20 xtal1： 振荡器的反向放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。 xtal2： 振荡器的反向放大输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器是用于输 入外部振荡信号。 3. i/o 口共有 p0，p1，p2，p3 四个 8 位口，32 根 i/o 线，其功能如下： （1）p0.0p0.7 (ad0ad7) 是 i/o 端口的 o 引脚。端口 o 是一个 8 位漏极开路 的双向 i/o 端口。在存取外部存储器时，该端口分时的用作低 8 位的地址线和 8 位双向的数据端口。 （2）p1.0p1.7 端口 1 的引脚，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 通道， 专供用户使用。 （3）p2.0p2.7 (a8a15) 端口 2 的引脚。端口 2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，在访问外部存储器时，它输出高 8 位地址 a8a15。 （4）p3.0p3.7 端口 3 的引脚，端口 3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，该口的每一位均可独立的定义第一 i/o 口功能或第二 i/o 口功能。作为第 一功能使用时，口的结构与操作与 p1 口完全相同，第二功能如下示： 口引脚 第二功能 p3.0 rxd （串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 into（外部中断） p3.3 int1（外部中断） p3.4 t0 （定时器 0 外部输入） p3.5 t1 （定时器 0 外部输入） p3.6 wr（外部数据存储器写选通） p3.7 rd （外部数据存储器读选通） 4. 控制线 （1）程序存储的使能引脚，是外部存储器的读选通信号，低电平有效。从nesp 外部存储器读数时，在每个机器周期内两次有效。 （2）:为高电平时，cpu 执行内部存储器的指令。为低电平时， pp vae/aeae cpu 仅执行外部程序存储器的指令。因 8031 芯片没有内部存储器，故必须接地。ae （3）:ale 是地址所存使能信号。作为地址所存时高电平有效。gorpale/ （4）:是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使 rst 引脚至少保持两个 pd vrst / 机器周期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从 0000h 单 元开始执行。在关断前加上掉电保护，ram 的内容将不变。 cc v 北华航天工业学院毕业论文 21 3.2.3 定时器/计数器 mcs-51 系列单片机提供两个 16 位可编程的定时器/计数器，即 t0 和 t1。它们用来 作定