普通车床的数控改造和可行性论证论文

普通车床的数控改造和可行性论证 中文摘要 经济型数控是我国 80 年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国 “ 七五 ” 、 “ 八五 ” 重点推广的新技术之一。 十几年来，随着科学技术的发展， 经济性数控技术 也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老 的经济型数控车床，特别是 80 年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。 毕业设计 是学生在校学习阶段的最后一个教学环节，也是学生完成工程师基本训练的重要环节。其目的培养学生综合运用所学专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题能力，树立正确的设计思想和工作作风。毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容，方法和步骤，而且还反映了学生的文理修养和作风本书在编写过程中， 得到了指导老师刘吉兆教授和各位老师及同学的大力支持和热心帮助，在此表示谢意。 本次设计的题目是 卧式车床经济型数控纵向改造 在编写过程中，由于本人水平有限，说明书中有一些错误和欠妥之处 , 欢迎各位老师提出意见和建议。 1 毕业设计任务书 1 要求 ： 将 床改造成用 51 系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向： 横向： 计参数： 最大加工直径 ： 在床面上： 360在床鞍上： 200最大加工长度： 750快进速度： 纵向： 横向： 最大进给速度： 纵向： 横向： 代码制： 脉冲分配方式：逐点比较法 输入方式：增量值 . 绝对值通用。控制坐标数： 2 最小指令值： 纵向： 横向： 刀具补偿量： 0进给传动链间隙补偿量： 纵向： 横向： 自动升降速性能： 1 作量： （ 1）、机床改造 概述 ； （ 2）、进给伺服系统一个坐标轴（纵向或横向）的机械 概述 ： （ 3）、单片机控制系统电路原理图； （ 4）、设计计算说明书。 1、控制系统总体方案的分析论证的及控制标准图 2、机械部分设计计算及结构设计说明 3、硬件电路部分设计说明 4、加工程序控制及说明 控系统 ： 数控机床， 单片机数控系统，改装设计 To of a of is to s to of We 031 as to 。 by to 2 概述 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机 床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算， 发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件 。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生产 效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化 ； 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差， 性能落后，单台机床的平均产值只有先进国 家 的1/10 左右，差距太大，急待改造。 旧机 床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、 术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要， 又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。 2 设计总体方案 计任务 本设计任务是对 通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 冲，横向（ X 向）脉冲当量为 冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 体方案的论证 对于 普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 （ 1）数控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、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求 床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。 （ 2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系 统。 （ 3）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。在设计的数控装置中 选择是关键，选择 1. 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 3. I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定 我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以 列单片机， 51 系列相对 48 系列指令更丰富，相对96 系列价格更便宜， 51 系列中，是无 8051， 8751 是用 替 051。目前，工控机中应用最多的是 8031 单片机。本设计以 8031 芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 体方案的确定 经总体 设计方案的论证后，确定的 床经济型数控改造示意图如图所示 床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（ Z 轴）和横向（ X 轴）进给运动采用步进电机驱动。由 8031 单片机组成微机作为数控装置的核心，由 I/O 接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号： 每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及 I/O 接口送给微机。 3 微机数控系统硬件电路设计 机数控系统硬件电路总体方案设计 本系统选用 8031为数控系统的中央处理机。外接一片 2764为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片 6264于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用 74码器完成此功能。 8279 作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示， 8255 接步进电机的环形分配器，分别并 行控制 X 轴和 Z 轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。 8031 芯片内部结构图 各引脚功能简要介绍如下： 源引脚 源接地端。 5V 电源端。 输入 /输出（ I/O）口线 8031 单片机有 个端口，每个端口 8 根 I/O 线。当系统扩展外部存储器时， 用来输出低 8 位并行数据， 位地址， 除可作为一个 8 位准双向并行口外，还具有第二功能，各引脚第二功能定义如下： 行 数据输入端。 行数据输出端 部中断 0 请求信号输入端。 部中断 1 请求信号输入端。 时器 /计数器 0 外部输入端 时器 /计数器 1 外部输入端 部数据存储器写选通。 部数据存储器读选通。 在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置 1。 信号控制线 复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以 后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。 8031 单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。 地址锁存允许信号。它的作用是把 分时送出的低 8 位地址锁存在一个外加的锁存器中。部程序存储器读选通信号。当其为低电平时有效。 高电平且 小于 0 行内部程序存储器中的程序。当 执行外部程序存储器中的程序。 荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地； 荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收外围震荡信号； （ 2）片外三总线结构 单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、 I/O 口等。单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户 I/O 口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚构成了三总线形式： 地址总线 址总线宽度为 16 位部 存储器直接寻址范围为 64 经地址锁存器提供 16 位地址总线的低 8 位地址（ 0）， 直接提供高 8 位地址（ 数据总线 数据总线宽度为 8 位，由 提供。 控制总线 控制总线由第二功能状态下的 和 4 根独立的控制线 成。其引脚图如图 3 3 所示： 8255A 可编程并行 I/ 8255，它具有三个 8 位的并行 I/O 口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成 外围设备之间的信息交换。 8255A 的结构及引脚功能： 1、 8255A 的结构 其中包括三个 8 位并行数据 I/O 端口，二个工作方式控制电路，一个读 /写控制逻辑电路和一个 8 位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下： （ 1） 三个 8 位并行 I/O 端口 A、B、 C A 口：具有一个 8 位数据输出锁存 /缓冲器和一个 8 位数据输入锁存器。可编程为 8 位输入、或 8 位输出、或 8 位双向寄存器。 B 口：具有一个 8 位数据输出锁存 /缓冲器和一个 8 位输入或输出寄存器，但不能双向输入 /输出。 C 口：具有一个 8 位数据输出锁存 /缓冲器和一个 8 位数据输入缓冲器， C 口可分作两个 4 位口，用于输入或输出，也可作为 A 口和 B 口选通方式 工作时的状态控制信号。 （ 2） 工作方式控制电路 A、 B 两组控制电路把三个端口分成 A、 B 两组， A 组控制 A 口各位和 C 口高四位， B 组控制 B 口各位和 C 口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由 入的控制字，以决定两组端口的工作方式。也可根据控制字的要求对 C 口按位清“ 0”或置“ 1”。 （ 3） 读/写控制逻辑电路 它接收来自 地址信号及一些控制信号，控制各个口的工作状态。 （ 4） 数据总线缓冲器 它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现 8255A 之间信息的传送 床的数控改造 控机床工作原理及组成 （ 1）数控机床工作原理： 数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。 （ 2）数控机床的组成： 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成。 计内容及任务 普通车床（ 数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算 。 本设计任务是对 式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为 脉冲，横向最小运动单 位 脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。 控部分的设计改造 控系统运动方式的确定 数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于 床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统 服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无 位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。 闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。 半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。 开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以 常用于精度要求不高的场合。 经过上序比较，由于所改造的 床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。 控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。 数控装置的设计方案通常有： 可以全部自己设计制作 可以采用单板机或 块或工控机改制 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动 在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种 则更 加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。 械改造部分的设计 传动部分的改造设计 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。 给机构的改造 将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。 它部件的改造 刀架 部分：拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。 5、可行性论证 根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。 根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条 件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。 本改造设计是对普通车床 行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的 数控系统，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过 15 万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性 车床加工编程 (加工图所示的零件，毛坯直径为 45为 370料为 注倒角 1 45，其余 ：采用华中数控系统编程。该零件的加工工艺及其程序见表 1、表 2。表 1 加工 外 圆 及 螺 纹 的 程 序 程序 说明 7091 程序名 92 10 设置工件坐标系 03 轴正转，转速 500r/30 0101 换刀补号为 01 的 01 号刀（外圆粗加工偏刀） 00 速定位到距端面 5 47 速定位到 47圆处，距端面 2 80 300 粗车 42圆，径向余量 向余量 70 38 300 粗加工 35圆，径向余量 向余量 80 300 80 300 粗加工 28圆，径向余量 向余量 100 300 00 方向快速定位到 100， Z 方向快速定位到距端面 10，使刀尖回到程序原点，作为换刀位置 10 0100 清除刀偏 06 精车刀 800 调高主轴转速 00 速定位到距端面 1 24 再快速定位到 24圆处 01 100 倒角 145 车 28圆 车轴肩 角 145 车 纹外圆 35 定位到 35圆处 车 35圆 42 定位到 42圆处 车 42圆 00 方向快速定位到 100， Z 方向快速定位到距端面 10，使刀尖回到程度原点，作为换刀位置 10 0300 清除刀偏 06 宽 2切槽刀 300 将主轴调速为 300r/280 45 位到 45圆处，距端面 01 50 切 2槽 36 提刀至 36 00 速定位到距端面 01 至 33圆处 36 提刀至 36 5 向 Z 轴方向移动 1宽 3 33 切至 33圆处 36 提刀至 36 00 380 385 除刀偏 06 60 的螺纹刀 400 将主轴调速为 400r/410 37 位到 37圆处，距端面 45 76 60 0 工 螺纹 00 440 445 除刀偏 06 宽 2切槽刀 300 将主轴调速为 300r/470 位到距端面 45 定位到 45圆处 01 50 切到 5 00 510 515 除刀偏 05 主轴停 02 程序结束 表