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ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统设计【3张CAD图纸+毕业答辩论文】

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zxk 数控 立式 铣床 运动 进给 系统 控制系统 设计 全套 cad 图纸 毕业 答辩 论文
资源描述：

摘  要


数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。

本次设计通过对现有数控钻铣床的分析研究，提出一种新的设计方案,其自动化程度更高，结构也相对比较简单。这一点在论文会得以体现。本方案中，主轴箱采用电磁离合器实现有级变速，在X、Y、Z三个方向上的进给运动均采用滚珠丝杆，而动力则由步进电动机通过调隙齿轮来传递，并且采用单片机进行数字控制。

控制系统采用MCS-51系列单片机，通过扩展程序存储器、数据存储器和I/O接口实现硬件电路的设计。论文中也对软件系统的设计做出了相关说明。


关键词：数控技术  滚珠丝杆  步进电机  单片机系统扩展


ABSTRACT


The numerical control engine bed is the digital process control engine bed, is one kind of automated engine bed, the numerical control technology is the core which the numerical control engine bed studies, is the manufacturing industry realization  automation, the network, the flexibility, the integrated foundation. Along with the manufacture technology development, the modern numerical control engine bed with the aid of the modern design technology, the working procedure intensification and the new function part caused the engine bed the processing scope, the dynamic  performance, the processing precision and the reliability had the enormous  enhancement .

This design tries a new method after the analyze and research of the exited numerical control bed for mill and bore with the higher automatization degrees and the simpler configuration, which will be explained in the paper. In the method, electromagnetism clutch is used for the realization of the level shift in the headstock, and in the motion of , we all adopt ball bearing thread haulm for the X、Y、Z  direction ,The power of which is step by step electromotor transferred by gear that used for adjusting gaps. And more, we used singlechip for numerical control.

The control system introduces MCS-51 series singlechip, and the realization of hardware circuit was accomplished by enlarging program memorizer、data memorizer and I/O meet meatus. Also, the paper explained the design for software system.


Keywords:  Numerical control technology、Ball bearing thread haulm、

The step by step electromotor、The enlarge for SCM system



目  录

第1章 机床总体布局设计．．．．．．．1

1.1机床总体尺寸参数的选定．．．．．．1

1.2机床主要部件及其运动方式的选定．．．．．．．．1

1.2.1 主运动的实现.．．．．1

1.2.2 进给运动的实现.．．．．．．1

1.2.3 数字控制的实现.．．．．．1

1.2.4 机床其它零部件的选择．．．．．．1

1.3机床总体布局的确定 ．．．．．．2

第2章 主运动的设计．．．．．．．．3

2.1议定转速图．．．．．．．．．3  

 2.1.1确定结构式和结构网式．．．3

 2.1.2拟定转速图．．．．．．．4

 2.1.3确定各齿轮的齿数．．．5

 2.1.4传动系统图的拟定．．．．．．．7

2.2主传动主要零件的强度计算．．．8

 2.2.1电动机的选择．．．．．．．．．8

 2.2.2齿轮传动的设计计算．．．9

2.3轴的设计计算．．．．．12

 2.3.1各传动轴轴径的估算．．．．．12

 2.3.2各轴段长度值的确定．．．．．14

 2.3.3轴的刚度与强度校核．．．．．14

2.4离合器的选用 ．．．．．．．．．．27  

第3章 进给系统的设计计算 ．27

3.1垂直进给系统的设计计算 ．．．．．．27

 3.1.1脉冲当量和传动比的确定．．．．28

 3.1.2滚珠丝杠设计计算．．．．．．．29

 3.1.3步进电机的选择．．．．．．．33

 3.1.4滚珠丝杆副的预紧方式．．．34

 3.1.5齿轮传动消隙．．．．．．．35

3.2横向进给系统的设计计算．．．．．35

 3.2.1脉冲当量和传动比的确定．．．35

 3.2.2滚珠丝杠设计计算．．．．．．37

 3.2.3步进电机的选择．．．．．38

第4章 控制系统的设计．．．．．39

4.1控制系统总体方案的拟定．．．．．39

4.2总控制系统硬件电路设计 ．．40

4.2.1单片机的设计．．．．．．．．40

4.2.2系统的扩展．．．．．．．43

4.2.3键盘、显示器接口设计．．48

4.2.4步进电机控制电路设计．．．．．50

4.2.5光电隔离电路设计．．．．．53

4.2.6其它接口电路的设计．．．．54

4.3部分控制程序 ．．．．．54

4.3.1直线圆弧插补程序设计 ．．．54

4.3.2直线插补程序．．．．．．．54

4.3.3圆弧插补程序设计．．．．．．．．．55

4.4控制系统的软件设计．．．．．．．．．．59

4.4.1步进电机控制程序设计 ．．．．．．59

4.4.2 LED动态显示接口程序设计．．．．．．．．．61

结论 ．．．．．．．．．．．．．．．．．64

致谢 ．．．．．．．．．65

参考文献 ．．．．．．．．66

科技译文．．．．．．．．．．

实习报告 ．．．．．．．．．．．


内容简介：
1 通过优化柔性椭球体对欠驱动冗余度机械臂的自重构 摘要 ： 根据优化技术 ， 欠驱动冗余度机械臂的多模型特征、柔性操作的测量、自重构的控制方法 已被调查研究。分析了空间关节的结构变形和欠驱动冗余度机械臂柔性操作之间的关系， 处于锁定模式下欠驱动冗余度机械臂 的一种新型柔性椭球体操作的测量 被提出， 能应用于获得自重构控制的最理想结构。 因此， 基于简谐振动 随时间变化非线性控制方法 认为能完成其自重构 。被动关节三连杆 欠驱动机械臂等仿真例子在一些调查方面起重要作用。 关键词 ： 欠驱动机械臂 自重构 优化 非线性控制 0 前言 欠驱动装置和机械臂能应用于许多领域，例如太空技术、合作机械人、变形装置。在太空领域里，由于没有失去有用功能或 了解系统的自重构 。 当驱动构件出现一些问题时 ， 基于欠驱动技术的误差出现是不可避免的。欠驱动机械臂也能被设计为合作机器人，也就是说 COBOT。 COBOT 的驱动不是作驱动装置而是提供动力学非函数约束 。COBOT 需要操作人员提供外力才能完成准确的应用，例如在生物工程学上外科手术和半导体制造等等。在机械领域机械变形有多种模态，并能从 一种模态向另一种模态转变。 引用不同模态之间的改变可能导致连杆数目的变化或 机械变形的约束限制。很显然，欠驱动控制、冗余度驱动和柔性装置是不可避免的。因此，欠驱动系统逐渐的成为研究领域一个具有吸引力的话题。 从力学角度 看， 研究欠驱动机械臂系统是不可能控制的。被动关节的运动是必须靠与动力装置连接。 Jain等表明动力装置是欠驱动机械臂的非完整性约束 是二阶的 。在机械实际上，与非完整性约束广泛被研究比较也有 100多年历史，然而， 关于这种系统的运动规划和控制技术的研究只是近 10的事情 ， 研究多针对轮式移动机器人、跳跃机器人 、航空航天机器人等一阶非完整性约束系统。 关于欠驱动机械臂的研究观点，Anthoney等研究运动的稳定性， Arai 等提出随时间变化方法完成系统的位置控制。 Lee 等为欠驱动 机器人提供了多种非线性控制方法。 欠驱动研究的这些方法已从本质上揭示了它是非线性的，并且是随时间变化的、抽象的。 事实上， Brockett 已证实 这并没有消除阻碍和稳定给定结构系统的静电状况反馈。 很显然，非线性系统的特征在组合空间多自由度是可以控制的。所以，非线性系统的控制研究受到更多的关注。 欠驱动 机构 和机械臂 是对传统机械设计基本原 理相违背的，传动机械设计基本原理认为，原动件的数目要与自由度的数目相等时，机构才具有确定的运动。 欠驱动机械臂首先被提出并不是由于它的价值优点，但一些研究表明，欠驱动机构的故意设nts 2 计也是很有价值的。 例如， Rivhter 等 获得由柔性欠驱动机械臂多维受力的测量。Nakamura 等设计出了轮式滚动接触的非完整机器人和平面四连杆二驱动机械臂的控制 。 He 等针对欠驱动冗余度机械臂提出一种自由碰撞运动规划演算法。从以上讨论的结果来看，我们可推断出在研究欠驱动时，可能遇到一些未被发现的新 问题 ， 如 所提到的技术和理论的形成。 因此， 我们改善这装置具有很大的潜能性。 这篇论文中，我们对欠驱动机械臂的静态特征和自重构控制方法进行探索与研究 。 1 柔性椭球体 模型 机械硬度是机械臂的一个重要要素，它是用来抵抗受力和阻碍力的能力。对于开式链接机械臂而言，链接部分是非常重要的部分。所以末端位姿的变形将会对 连杆带来不良影响。转矩可以近似满足如下方程： iii KM i=1， 2， n （ 1） 式中 iM 关节 i 的转矩 i 关节 i 的变形量 ik 关节 i 的硬度系数 如果忽略关节 i 的重力和摩擦力不计，假设机械臂末端位姿力矢 mRF ，则转矩方程又可以写成： FJM T （ 2） 式中 nRM 关节的转矩 nmRJ 雅可比矩阵 众所周知，关节有会有变形，机械臂末端位姿有如下关系式： Jx （ 3） 式中 x 机械臂末端位姿矢量 关节的位姿矢量 将（ 1）式写成矩阵的形式，结合（ 2）、（ 3）式，经简单的计算， X 和 F 之间的关系如下： F)JJk(X T1 （ 4） 式中 如果定义 T1 JJkC （ 6） （ 6）式是末端位姿的柔性矩阵。 然而，在太空工作 1c 强度矩阵一致。柔性矩nts 3 阵 C 可以用来测量机械臂的静态特征。矩阵 C 也有雅可比函数功能。 因此， 它在组合和构造要素较大范围内是可改变的，在稳定条件下机械臂的可变特征能用于完成一些应该的复杂的操作。如装配、抛光、维修等 等。由（ 5）、（ 6）式可知矩阵 C是对称性矩阵。 如果定义 )CCdet( T （ 7） 对矩阵 C 进行微分，方程式（ 7）我们又可以得到 m1i i （ 8） 式中 i ， i=1,2,3,， m 应用了矩阵 C 的单一性。因此， TCC 是其对称矩阵，有如下关系 ： 1x)CC(x TT （ 9） 式（ 9）被描述为椭球体 曲线方程， 当椭球体的主要曲线与矩阵 C 的单一值相等时，这椭球体也被认为是一般柔性椭球体 GFE。 由于直观原因， 图一中 平面 2连杆机械臂的的连杆长 2,1i,m0.1L i ， GFE 如图（ 2）和（ 3）所示。 图一 平面 2R 杆机械臂 图 2 平面 2R 杆全驱动机械臂的 GFE 模型 nts 4 图 3 平面 2R 杆全驱动机械臂的 GFE 模型 这些图示表明测量 是需要依赖组合和机构要素。然而全驱动机械臂 并不能 改变其机构要素。因此， 由于不同的构件 （图 2），而不是结构要素（从图 2 改变到图 3） ，GFE 模型是可以改变的 。当被动关节 被引进作为 全驱动机械臂时，为了方便使用，假设这些 被动关节具有制动装置和位置控制，以便被动关节能在自由模式和锁定模式下进行制动。然而在运动学上，欠驱动机械臂揭示了一些冗余度连杆问题，并没有表明在输入方式下的自运动不如工作状态下的自 运动。另一方面，被动关节的制动模式能使欠驱动机械臂具有重构能力 ,系统具有敏捷性而使其能适合不同的工作。 2. 柔性矩阵 假设在欠驱动冗余度机械臂中 s 连杆为被动关节 ，被动关节装有制动装置，当被动关节处于自由状态时，其速度运动方程可以写成为： ppaa JJx （ 10） 式中 mRX 机械臂末端位姿矢量 nmRJ 驱动机械臂的雅可比矩阵 3pn R,R 分别为驱动和被动机械臂的广义坐标矢量 当机械臂中被动关节处于锁定状态时，系统运动方程可变为 qJx i （ 11） 式中 mRX 机械臂末端位姿矢量 nmi RJ 锁定状态下被动关节机械臂的雅可比矩阵 nRq 驱动关节的机械臂广义坐标 很显然，方程（ 11）和（ 3）是同一形式，方程（ 10）和（ 11）表明欠驱动机械臂在运动学上具有不同的模式。换句话说， 在运动学上 系统 具有多中模式特征。 图（ 4）nts 5 平面 3R 连杆机械臂就是很好的例子。机械臂的第二关节是被动关节，其他的都是驱动关节。当被动关节处于自由状态时， 3R 被选做为广义坐标变量。如果被动关节处于自锁状态，机械臂的维数将变为 2 维，这广义坐标变量为 2Rq ，显然由于 0q ，但雅可比矩阵有如下关系： 图 4 平面 3R 杆机械臂 由于欠驱动机械臂存在不同的运动模式，一种可以用来优化和机械臂的机构组合及自重构以使用不同的工作。预测如何完成基于欠驱动下的全驱动机械臂操作是不可避免的问题。 不象全驱动冗余度机械臂那样，欠驱动冗余度机械臂并不能改善其操作工作，执行机械臂任务类似于输入空间的体积比工作空间少的缘故。有一条可行的途径就是在不同的时间分解机构的工作。例如， 当 机械臂 工作处于驱动模式下，机构组合能进行机构自重构。然而当机械臂工作在全驱动模式下，其功能之一就是 能控制机构的运动。事实上， 处于欠驱动工作模式下的机械臂能辩别机构的运动，如位置控制或间断点对应点运动。但是这并不是此论文所讨论的重点。我们应关注的是欠驱动冗余度机械臂的静态特征和机构自重构控制方法。 欠驱动机械臂两中模式的运动方程可以被多种方法描述。但是在复杂的机械装置中多连杆机械臂的机构要素定义还存在一定的困难。为了解决这些问题，我们将进行分析欠驱动冗余度机械臂的两种模式间的关系。 假定一种特殊的机械臂组合机构，假设有 mn ，处于装置的两种模式下的末端位姿表达式是一致的，可以表示为 ppaai JJqJ （ 12） 假设 0JJaaaa （ 13） （ 13）式表示微运动发生在关节部分而不是发生在末端位姿处，根据（ 13）式，nts 6 方程式又可以写成 aapp JJ （ 14） 把（ 14）代入（ 12）式中，我们可以得到 aappi J)JJI(qJ （ 15） （ 15）式描述欠驱动机械臂两种模式下的不同一机构。因此，两种广义坐标也是相等的。设q，又可以得到 appi J)JJI(J （ 16） （ 16）式表示两种模式下的雅可比矩阵间的关系。此式能预测出全驱动模式的运动。把（ 16） 式代入方程式（ 5），可以得到全驱动模式下的欠驱动矩阵方程 Ti1i JkJC （ 17） 根据方程（ 7）， GFE 欠驱动机械臂也能定义，方程（ 17）表示在机械装置改装 后的系统静态特征。其一，我们以通过 3R 杆机械臂模拟（图 4）。作为非冗余度机械臂而言，如果我们假定处于工作状态下的一点，它不仅与柔性椭球体模型有关。相反有许多与处于冗余度机械臂工作状态下的这一点相关。假设 3R 杆平面机械 臂三杆长分别为 mm0.1Lmm5.0LL321 和，机构的起始角度为 30,60,60321，GFE 其他末端位姿起始位置如图 5 所示。 显然，根据处于工作状态下的这种状况，可知存在许多这样的关节组合。这些机构都是与 GFE 相关的。但是一欠驱动冗余度机械臂存在机构自重构的能力。一般而言，我们期望的 GFE 在不同的基本组合中有类似的运动。换句话说，椭球体模型类似于一个球。如图 5 所示，在 3 杆中第一杆 运动 状态表现最佳。 3 非线性控制 nts 7 我们通过分析系统的动态特性，为了寻求一种能有效地控制欠驱动机械臂运动。欠驱动机械臂动态方程可以写成 McII apapaaa （ 18） 0cIIppppaTap （ 19） 式中 为质量惯性矩， 为中心吸引力和摩擦转矩矢量。 M是驱动关节转矩矢量。是驱动关节广义坐标矢量。p是被动关 节广义坐标矢量 。 Jain等证实方程（ 19）是二阶非线性约束方程。通过自重构，在工作状态下给定位置，欠驱动机械臂具有改善装置运动的能力。由于系统输入空间维数少于空间关节的维数，被动关节 的位置控制只能通过动态藕合来实现。基于 Brockett 理论，给定机构的系统并不是光滑的，稳定性完全符合静平衡反馈定律。因此，非线性控制的结果表明系统是非线性的、随时间变化的、离散的。非线性控制方法还有一种就是在 Ref（ 17）中所提到的全驱动关节的 简谐振动。这种方法的本质就是当驱动关节运动到一个周期时被动关节将偏离平衡位置 （图 6） 。 驱动关节的简谐振动方程有 tcosAa （ 20） tsinA （ 21） tcosA 2a （ 22） 式中 A 简谐振动的振幅 W 简谐振动的角频率 nts 8 如果我们将式中（ 22）变换一下，代入（ 19）式得到 2Tapp1ppp AIcI （ 23） 通常，角频率 是一个较大的数，因此，简谐振动周期 T=2是一个非常小的数。 TPPPP ICI ,1被作为一个周期的约束，（ 23）式有可以写成 22Tapp1pp TAIcI21p （ 24） （ 24）式表示一个周期后有一点发生偏离。显然，构成整体的价值在于简谐振动的振幅和角频率，者就是简谐振动中的驱动关节能控制被动关节的原因之一。 4 自重构控制律 自重 构需要稳定的控制技术。间谐振动非线性控制方法在第 3 部分已经简单地介绍了。下面我们将设计一个新的控制方法来 执行机构的自重构运动。这种方法将用于优化在工作状态下给定位置时的 广义 柔性椭球体 模型 。 假设d引用于一个期望的组合，此组合源于一些优化方法， 是驱动机械臂的驱动位置角。 设 nts 9 de （ 25） 式中 e 关节位置 矢量 误差 对方程（ 24）进行微分有： padadapaee （ 26） 取滑动模态为 a1aa ekeS （ 27） 集中律为 a3a2a Sk)Ss g n (kS （ 28） 式中 0,0,0321 KKK，且 sgn（）作为符号函数，有如下式子： 如果 矢量S有 Tn1 SSS ，可以得到下面式子： （ 27）式表示驱动关节的运动满足莱布罗定律。假设驱动关节输入与（ 20）、（ 21）有关，当 0K4K,0Kp2dd 时，又可以得到如下关系式 将（ 26）式中 2 杆的 2 倍偏离量代入（ 30）式，可以得到 设驱动关节输入为 将（ 32）和（ 31）式代入（ 19）式，有如下关系 振动振幅为 虽被动关节 并没有达到期望的位置，驱动关节输入控制可用（ 32）式来描述，另一方面，被动关节处于期望的位置，输入控制方式有以下方程。从（ 27）式中可知偏离时间为 结合（ 28）和（ 35）式，控制律为 显然，这种控制方法是非线性的、随时间变化的、且遵循 Brockett 理论。有以上关系重新整理振幅，控制律为 当 ep=0 时满足 nts 10 当 ep 0 时满足 5 仿真研究 在这部分中，选平面 3R 杆机械臂作为仿真模型，如图 4 所示。设第二杆为机械臂的被动关节，其他两杆为驱动关节。如果初始位置为 30,60,60321 ，为了改善执行广义的柔性椭球体模型，更好的位置为 15.81,89.17,85.24 321 ，这在第三部分已给出。我们认为后面一种情况是我们期望的结果。根据第四部分所提供的控制方法，模拟仿真结果如图 7 所示。 nts 11 图 7 3R 杆欠驱动机械臂的自重构运动 1.连杆 1 2.连杆 2 3.连杆 3 图 7（ a）表示随时间变化的关节位置误差；图 7（ b）表示与时间有关的关节运动轨道轨迹；图 7（ c）表示在自重构控制中机械臂机构位置的改变；图 7（ d）表示关节速度与位置间关系图。显然，机械臂已满足期望 的机构完成自重构控制。 6 结束语 欠驱动技术是一个非常关键性的问题，它不仅能够产生空间机器人系统的线性误差，而且能操控合作机器人和机器装置。欠驱动机械臂有实现机械自重构的能力。新的关仪广义柔性椭球体欠驱动冗余度制动式机械臂的测量被提出。这测量由于 优化系统的稳定性。简谐振动的非线性控制方法能执行自重构运动。有 3 连杆欠驱动机械臂的仿真结果证明测量和振幅的控制是有效的。 References 1 Nakamura Y, Mukerherjee R Nonholinomic path planning of space robotics via a bi-directional approach IEEE Transactions on Robotics and Automation，nts 12 1991， 7(4)： 500 514 2 Moore C A， Peshkin M A， Colate J E Design of 3R cobot using continuous variable transmissions IEEE 1nternationa1 Conference on Robotics and Automation。 1999： 3249 3254 3 Dai J S Zhang Q x Metamorphic mechanisms and their configuration models Chinese J of Meehanica1 Engineering， 2000， 13(3)： 212 218 4 Arai H Yanie K Thchi S Dynamic contro1 of a manipulator with passive joints in operational space IEEE Transactions on Robotics and Automation， 1993， 9(1)： 85 93 5 Arai H Tachi S Position contro1 of a manipulator with passive joints using dynamic coupling IEEE Transactions on Robotics and Automation， 1991 7(4)： 528 534 6 Jain A Rodriguez G An analysis of the kinematics and dynamics of under actuated manipulators IEEE Transactions on Robotics and Automation， 1993，9(4)： 411 422 7 Colbaugh R， Barany E Glass K Adaptive stabilization of uncertain nonholonomic mechanica1 systems Robotica， l998， 16(2)： 181 192 8 Robert T M Joe1 W B Periodic motions of a hopping robot with vertical and forward motion 1nternationa1 Journa1 of Robotics Research 1993 12(3)：197 218 9 Papadopoulos E Dubowsky S On the nature of contro1 of algorithms for free-floating space manipulators IEEE Transactions on Robotics and Automation， 1991， 7(6)： 75O 758 10 Bloch A M Wilson C H Contro1 and stabilization of nonholonomic dynamic systems IEEE Transactions on Automatic Control， 1992， 37(11)： 1 746l757 ll Arai H Senvi1 L Time scaling contro1 of an underactuated manipulaton J of Robotic Systems， 1998， 15(9)： 525 536 12 Lee K Victoria C C Contro1 algorithms for stabilizing underactuated robots J of Robotic System， 1998， 15(12)： 681 697 13 Brocker R W. Asymptotic stability and feedback stabilization in Deferential Geometric Control Theory In： Brocker R W Millman R S Sussman H J eds In： Birkgauser,1983： 181 208 nts 13 14 Rivhter K Pfeiffer F A flexible 1ink manipulator as a force measuring and controlling unit In： Proceedings of the 1991 IEEE International Confer ence on Robotics and Automation, Sacramento CaHfomia,1999： 12141219 l5 Nakamura Y Chuan W Sordalen O J Design an d contro1 of the nonholonomic manipulator IEEE Transactions on Robotics and Automation，2001 17(1)： 48 59 16 He G P, Lu Z Wang F X Optimal approximation contro1 of underactuated redundant manipulators In： Proceedings of the 11th World Congress in Mechanism and Machine Science Apri1 1 4， 2004， Tianjin， China 17 He G P, Lu Z, Wang F X Harmonic function contro1 of planar 3-DOF underactuated manipulators Chinese Jouma1 of Aeronautics， 2004， 25(5)：52O 524(In Chinese) nts （ 2007 届） 本科 生 毕业设计（论文）资料 学 院、系 ： 机械工程学院 专 业 ： 机械设计制造及 其 自动化 学 生 姓 名 ： 班 级 ： 学号 指导教师姓名 ： 职 称 最终评定成绩 ： 二六年九月制 nts - 1 - 目 录 第一部分 过程管理资料 一 、 毕业设计（论文） 课题 任务书 ( 3 ) 二 、 本科毕业设计（论文）开题报告 ( 5 ) 三 、 本科毕业设计（论文）进展情况记录 (10 ) 四 、 本科毕业设计 （论文）中期报告 (12 ) 五 、 毕业 设计（论文） 指导 教师评阅表 (13 ) 六 、 毕业设计（论文）评阅 教师评阅 表 (14 ) 七 、 毕业设计（论文）答 辩及最终成绩评定表 (15 ) 第二部分 设计说明书 八 、 设计说明书 (16) nts - 2 - 2007 届 本科 生 毕业设计（论文）资料 第一部分 过程管理资料 nts - 3 - 2007 届毕业设计（论文）课题任务书 院 (系 )： 机械工程 学院 专业： 机械设计制造及 其 自动化 指导教师 学生姓名 课题名称 ZXK-7532 数控立式钻铣床 主运动、 进给系统及控制系统的设计 内 容 及 任 务 内容： 1. 调查分析 原 ZXK-7532 数控立式 钻铣 床的加工特点 ,确定新钻铣床的主要技术参数 。 2. 进行 新 数控立式 钻铣 床的总体方案和控制系统总体方案设计 。 3. 完成进给运动的机械结构设计 。 4. 完成控制系统硬件设计 。 任务： 1. 完成新设计数控立式钻铣床的 总体设计。 2. 设计说明书一份。 3. 设计图纸齐全。 4. 控制系统的设计 。 拟 达 到 的 要 求 或 技 术 指 标 一、 说明书 1. 资料数据充分 。 2. 计算过程详细、完全 。 3. 公式的 字母含义应标明，有时还应标注公式的出处 。 4. 内容条理清楚，按步骤书写 。 5. 说明书要求由计算机打印出来 。 二、 设计图纸 1. 根据总体设计方案，绘制 ZXK-7532 数控立式 钻铣 床总图一张（ A1 图） 。 2. 进行主运动的运动、强度和动力计算，绘制主轴箱部件展开图一张 （ A0 图） 。 3. 进行进给运动的运动强度动力计算，绘制纵向数控进给机构部 装图一张（ A0 图） 。 4. 绘制数控 钻铣 床零件图一张 (A1 图 )。 5. 根据控制系统总体设计方案绘制控制系统电路图一张 。 （ A0 图） 6 科技译文（不少于 3000 汉字，原文可自选或由指导教师提供） 7. 编写毕业设计说明书一套（不少于二万字，有英文摘要，全部用计算机打出） 。 8. 总图纸量不少于 3 张零号图面 。 nts - 4 - 进 度 安 排 起止日期 工作内容 2006.12.20 2007.01.06 完成毕业设计的选题和开题报告 2006.01.07 2007.02.26 对设计的相关资料进行整理。 2007.02.27 2007.03.01 进行设计的初期计算 ，绘制总图。 2007.03.02 2007.04.09 设计 钻铣床的主轴箱展开图 。 2007.04.10 2007.05.09 绘制零件图 和电路图 。 2007.05.10 2007.05.20 对整个设计进行合理性检查 2007.05.21 2007.05.26 设计说明书的输入以及毕业答辩的准备。 2007.05.28 2007.06.02 毕业设计答辩。 主 要 参 考 资 料 1. 机械设计手册，机械工业出版社。 2. 实用机床设计手册，辽宁科技出版社。 3. 机床设计图册，上海科技出版社。 4. TTL 集成电路手册 5. 存储器手册 6. 机床主轴变速箱设计指导书，机械工业出版社。 7. 机床数控系统设计指导书，中国科技出版社。 8. 数控机床系统设计，化学工业出版社。 9. 数控铣床设计，化学工业出版社。 10. 机电综合设计指导书，中国人民大学出版社。 11. 原 ZJK-7532 数控钻铣床说明书一套。 教研室 意见 签名： 年 月 日 院 (系 )主管领导意见 签名： 年 月 日 nts - 5 - 本科毕业设计 开题报告 （ 2007 届） 学 院、系 ： 机械工程学院 专 业 ： 机械设计制造及 其 自动化 学 生 姓 名 ： 班 级 ： 学号 指导教师姓名 ： 职称 2007 年 01 月 0 6 日 题目： ZXK-7532 数控立 式钻铣床 主运动、 进给系统及控制系统设计 nts - 6 - 1. 结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写 1500 2000 字左右的文献综述 一、数控技术的发展史 我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为 3 个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的 “ 六五 ” 、 “ 七五 ” 期间以及 “ 八五 ” 的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善， 我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的 “ 八五 ” 的后期和 “ 九五 ” 期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步 。 二、数控机床的应用 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在现在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 。 铣床是一种用途广泛的机床。它可以加工平面 (水平面、垂直面等 )、沟槽（键槽、 T 型槽、燕尾槽等）、多齿零件上齿槽（齿轮、链轮、棘轮、花键轴等）、螺旋形表面（螺 纹和螺旋槽）及各种曲面。此外，它还可以用于加工回转体表面及内孔，以及进行切断工作等。数控机床即数字程序控制机床，是自动化机床的一种。最早出现的是数控铣床。 60年代以后，点位控制的机床迅速发展，出现了数控钻床、数控冲床和数控坐标镗床。这类机床不需要复杂的控制算法就可以实现加工。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力 。 三、国内数控机床的特点 近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不 断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在 800010000 转 /分以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用 CAD 等信息技术，很多企业已 开始和计划实施应用 ERP、 MRP和电子商务。如，济南第二机床集团有限公司的 CAD 普及率达 100%，是国家级“ CAD 示范企业”，企业的 MRP系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。 nts - 7 - 但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。 、信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有 上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。 、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在 10000 小时以上，国内自主开发的数控系统仅 3000-5000 小时；整机平均无故障工作时间国外达800 小时以上，国内最好只有 300 小时。 、创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。 四、数控机床的 发展趋势 传统的机械加工设备 , 在当今日益多变的市场需求和激烈竞争中 , 已不能满足企业上水平、求发展的需要。现在 , 工业发达国家都是以数控机床为基础 , 向柔性加工自动化的方向 (FMC, FMS) 发展 , 并以对生产过程实行整个系统优化的计算机集成制造系统 (CIMS) 作为发展目标 1、 高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能 。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。 2、 智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 3、 基于 CAD 和 CAM 的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM 图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用 CAD 绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现 CAD 与 CAM 的集成。随着 CIMS技术的发展，当前又出现了 CAD/CAPP/CAM 集成的全自动编程方式，其编程所需的nts - 8 - 加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的 CAPP 数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。 4、 发展可靠性最大化。数控机床的 可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 因此，对数控机床研究成为现代机床设 计重要课题。 本次设计我选择 ZXK-7532数控立式 钻 铣床设计及控制系统设计。对 ZXK-7532 数控立式铣床的主运动系统和进给系统的机械结构进行了设计和计算，并对其控制系统的硬件电路进行了设计。 2.选题依据、 主要研究内容、研究思路及方案 本课题研究的是 ZXK-7532 数控立式钻铣床的主轴变速箱，进给系统及控制系统的设计。通过参考 ZJK-7532 立式钻铣床，及各厂家生产同类型的数控铣床进行比较，对 ZXK-7532数控立式钻铣床参数进行确定。然后进行机械部分和硬件电路部分设计，这是本课题的难点，也是问题存在之处。在机械部分设计完成之后，把硬件电路设计和机械部分结合在一起，就可以实现 ZXK-7532 数控立式钻铣床的数字控制。 本文对主运动系统的设计与普通机床的设计方法一致，以锻炼自己对常规机床设计的能力， 其主轴变速箱 的设计由分析比较图册上同类型铣床的结构布局，进行机械部分的设计。画出结构草图，通过修改之后确定其结构。进给系统部分采用开环伺服系统，以步进电机作为伺服执行元件。数控装置发出的指令脉冲，输送到伺服系统中的环行分配器和功率放大器，使步进电机转过相应的角度，然后通过减速齿轮和丝杠螺母机构，带动工作台移动。数控系统由硬件和软件部分组成，其中 硬件电路是用MCS 51 系列单片机组成的控制系统，系统采用 8031 作 CPU。扩展了两片 2764 芯片，两 片 6264 芯片，两片 8255 可编程并行 I/O 接口。再通过环型分配器驱动步进 电机转动。 nts - 9 - 3.工作进度及具体安排。 2006.12.20 2007.01.06 完成毕业设计的选题和开题报告。 2006.01.07 2007.02.26 对设计的相关资料进行整理。 2007.02.27 2007.03.01 进行设计的初期计算。 2007.03.02 2007.04.09 设计钻铣床的主轴箱展开图 。 2007.04.10 2007.05.09 绘制零件图 和电路图 。 2007.05.10 2007.05.20 对整个设计进行合理性检查。 2007.05.21 2007.05.26 设计说明书的输入以及毕业答辩的准备。 2007.05.28 2007.06.02 毕业设计答辩。 4.指导教师意见。 指导教师： 年 月 日 说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师 审查后 签署意见生效。nts - 10 - 本科毕业设计（论文）进展情况记录 毕业设计（论文）题目 ： ZXK-7532 数控立式钻铣床 主运动 、 进给及控制系统设计 班级 ： _学号： _学生 ： 指导教师： 时 间 任务完成情况 指导教师 意见 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 注： 教师监督 学生如实记录毕业设计（论文）过程中根据 课题任务书 拟定的进度与进展情况 以及毕业设计（论文）撰写过程中遇到的问题和困难，并签署意见。 nts - 11 - 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年 月 日 第 周 至 第 周 指导教师签名： 年
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本文标题：ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统设计【3张CAD图纸+毕业答辩论文】
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