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普通车床CA6163的数控化改造设计与仿真【8张CAD图纸+毕业答辩论文】

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普通车床CA6163的数控化改造设计与仿真

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A0-数控总图.dwg

A0-横向进给装配图.dwg

A0-电气原理图.dwg

A0-纵向进给装配图.dwg

A2-横向滚珠丝杠.dwg

A2-纵向滚珠丝杠.dwg

A2-纵向轴承座.dwg

A2-轴承套杯.dwg

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关键词：: 普通车床 ca6163 数控改造设计仿真全套 cad 图纸毕业答辩论文

资源描述：

摘要

随着计算机技术的飞速发展，发展现代计算机化数字控制（CNC）机床，是当前机械制造业进行技术改造，技术革新的必有之路，是未来工厂自动化的基础。因此，此次对普通机床进给系统的数控化改造设计更显得重要。

目前中国大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是普通机床，机床数控化率远低于美国、日本等国家。如果大量添置全新的数控机床，不仅资金投入量大、成本高，而且又会造成原有设备的闲置浪费。把普通机床改造成数控机床则不失为一条提高数控化率的有效途径。

第一部分是数控机床的概述，第二部分是进给系统的总体设计方案，第三部分是伺服进给机械部分设计计算，第四部分是控制部分的单片机原理设计。

基于步进电机的机械改装减少了人的工作量，把手动转变成为电动。本次改造用了两个步进电机，分别控制机床的两个方向（纵向和横向）的进给，通过带轮带动滚珠丝杠的轴向运动。

基于单片机控制的电子部分设计提高了工作效率和测量的准确度、可信度。该仪器采用了8031单片机。

关键词：车床；数控；丝杠；步进电机；单片机

Abstract

As the development of the computer technology, producing the modern computer numerical control machine becomes the trend of the reformation in the manufacturing industry and the foundation of antomation factories in the future. Therefore, the project of automatizing the machine is important to the prospective study and work.

At present the Chinese majority manufacture professions and enterprise's production, the process unit overwhelming majority is the ordinary engine bed, the engine bed numerical control rate is lower than countries far and so on US, Japan. If acquires the brand-new numerically-controlled machine tool massively, not only the fund inputs are big, cost, will create the original equipment's idle waste. Transforms the numerically-controlled machine tool the ordinary engine bed is enhances the numerical control rate efficient path.

Introduction will be presented in Section 1. The overall designing scheme will be proposed in Section 2 .The calculating and data of mechanical part is in Section 3 and Section 4 is the part of control including the principle of SCM.

The reformation to machine based the stepping motor decreases the workload by turning the hand operation to electric control. Two motors controlling two directions respectively move the ball screws by strap wheels.

The design in electrical part based the SCM improves the product efficiency and the accuracy and stability in the aspect of measuring by using the 8031 SCM.

Key words: lathe; computer numerical control; ball screw; stepping motor; SCM

摘要I

AbstractII

目录III

第1章绪论1

1.1 数控机床的发展过程1

1.2 数控机床的发展趋势和研究方向1

1.2.1 高速度、高精度化1

1.2.2 多功能化2

1.2.3 智能化2

1.2.4 数控系统小型化2

1.2.5 数控编程自动化3

1.2.6 更高的可靠性3

1.3 数控机床的组成3

1.4 普通车床数控化改造的意义5

第2章数控化改造总体技术方案的确定6

2.1 设计任务6

2.2 总体方案设计的内容6

2.2.1 伺服驱动6

2.2.2 滚珠丝杠螺母副6

2.2.3 数控装置7

第3章伺服系统机械部分设计计算8

3.1 设计要求8

3.2 确定系统脉冲当量8

3.3 计算切削力8

3.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选择10

3.4.1 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型10

3.4.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型14

3.5 进给伺服系统传动计算18

3.5.1 纵向进给伺服系统传动计算18

3.5.2 横向进给伺服系统传动计算21

3.6 步进电机的计算和选型24

3.6.1 纵向步进电机的计算和选型24

3.6.2 横向步进电机的计算和选型28

第4章控制系统硬件原理及其控制程序编制32

4.1 主控制器32

4.1.1 主控制器及其选择32

4.1.2 MCS-51系列单片机介绍32

4.2 MCS-51单片机的扩展34

4.2.1 程序存储器EPROM的选型34

4.2.2 数据存储器RAM的选型34

4.3 地址分配及接线方法34

4.3.1 地址的分配34

4.3.2 EPROM、RAM与8031的连接方式34

4.4 接口电路及辅助电路的设计35

4.4.1 接口电路的设计35

4.4.2 辅助电路的具体设计35

4.5 控制系统程序编译36

4.5.1 数控的插补方法36

4.5.2 直线插补工作原理37

4.5.3 圆弧插补工作原理38

参考文献40

致谢41

附件142

附件260

第1章绪论

1.1 数控机床的发展过程

1946年诞生了世界上第一台电子计算机。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

第一阶段：数控（NC）阶段（1952~1970年）。早期采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称作硬件连接数控（HARAWIREDNC）,简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代——电子管时代；1959年的第二代——晶体管时代；1965年的第三代——小规模集成电路时代。

第二阶段：计算机数控（CNC）阶段（1970年~现在）。到1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段。到1971年，美国INTEL公司第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR）,又可成为中央处理单元（简称CPU）。

到1974年，微处理器被应用于数控系统。到了1990年，PC的性能已发展到较高的水平，从8位、16位，发展到32位，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控的发展也经历了三代。即1970年的第四代——小型计算机；1974年的第五代——微处理器；1990年的第六代——基于PC。必须指出，数控系统发展到第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格较为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近三十年的发展才走向普及应用。

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A0-横向进给装配图.gif

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内容简介：: 毕业设计（论文）任务书专业机械设计制造及其自动化班级机械 051 姓名于文凯下发日期 2009-3-20 题目普通车床 CA6163 的数控化改造设计与仿真专题车床的数控化改造与仿真主要内容及要求课题简介：（国内外现状简介及课题的目的、意义；重点要解决的问题等）数控机床是工厂自动化的基础。普通机床数控化改造投资少、见效快、显著提高生产率和自动化程度，已成为适合我国国情，用信息技术提升装备制造业的重要手段。因此，普通机床的数控化改造具有重要意义。重点解决以下关键问题：（ 1）传动系统设计计算：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，并绘制改造后机床横向进给机构、纵向进给机构的装配图以及箱体零件图。（ 2）控制系统设计：采用单片机控制系统，设计电路原理图，并绘制程序框图和硬件原理图。（ 3）三维结构设计与仿真主要技术参数最大回转直径 630mm；电机功率 7.5KW； LMax640mm；快进速度：纵向2.4m/min，横向 1.2m/min；定位精度 0.015mm；移动部件重量：纵向 1200N，横向 800N；加速时间 30ms；机床效率 0.7。进度及完成日期 3 月 23 日 3 月 29 日：布置、讲解设计题目，熟悉设计内容，借阅图书资料。 3 月 29 日 4 月 5 日：毕业实习，收集、整理、消化、翻译有关资料，理解设计内容，熟悉并掌握绘图软件。 4 月 6 日 4 月 12 日：总体方案设计的拟定及技术分析、可行性分析，确定最佳方案。 4 月 13 日 4 月 26 日：伺服系统机械部分设计计算。 4 月 27 日 5 月 31 日：绘制主要零件图及总装图的二维图纸。 6 月 1 日 6 月 14 日：编写毕业设计说明书。 6 月 15 日 6 月 23 日：设计审阅、修改、准备及答辩。教学院长签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期 nts摘要随着计算机技术的飞速发展，发展现代计算机化数字控制（ CNC）机床，是当前机械制造业进行技术改造，技术革新的必有之路，是未来工厂自动化的基础。因此，此次对普通机床进给系统的数控化改造设计更显得重要。目前中国大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是普通机床，机床数控化率远低于美国、日本等国家。如果大量添置全新的数控机床，不仅资金投入量大、成本高，而且又会造成原有设备的闲置浪费。把普通机床改造成数控机床则不失为一条提高数控化率的有效途径。第一部分是数控机床的概述，第二部分是进给系统的总体设计方案，第三部分是伺服进给机械部分设计计算，第四部分是控制部分的单片机原理设计。基于步进电机的机械改装减少了人的工作量，把手动转变成为电动。本次改造用了两个步进电机，分别控制机床的两个方向（纵向和横向）的进给，通过带轮带动滚珠丝杠的轴向运动。基于单片机控制的电子部分设计提高了工作效率和测量的准确度、可信度。该仪器采用了 8031 单片机。关键词：车床；数控；丝杠；步进电机；单片机 ntsAbstract As the development of the computer technology, producing the modern computer numerical control machine becomes the trend of the reformation in the manufacturing industry and the foundation of antomation factories in the future. Therefore, the project of automatizing the machine is important to the prospective study and work. At present the Chinese majority manufacture professions and enterprises production, the process unit overwhelming majority is the ordinary engine bed, the engine bed numerical control rate is lower than countries far and so on US, Japan. If acquires the brand-new numerically-controlled machine tool massively, not only the fund inputs are big, cost, will create the original equipments idle waste. Transforms the numerically-controlled machine tool the ordinary engine bed is enhances the numerical control rate efficient path. Introduction will be presented in Section 1. The overall designing scheme will be proposed in Section 2 .The calculating and data of mechanical part is in Section 3 and Section 4 is the part of control including the principle of SCM. The reformation to machine based the stepping motor decreases the workload by turning the hand operation to electric control. Two motors controlling two directions respectively move the ball screws by strap wheels. The design in electrical part based the SCM improves the product efficiency and the accuracy and stability in the aspect of measuring by using the 8031 SCM. Key words: lathe; computer numerical control; ball screw; stepping motor; SCM nts 目录摘要 . 2 Abstract . 3 目录 . 4 第 1 章绪论 . 错误 !未定义书签。 1.1 数控机床的发展过程 . 错误 !未定义书签。 1.2 数控机床的发展趋势和研究方向 . 错误 !未定义书签。 1.2.1 高速度、高精度化 . 错误 !未定义书签。 1.2.2 多功能化 . 错误 !未定义书签。 1.2.3 智能化 . 错误 !未定义书签。 1.2.4 数控系统小型化 . 错误 !未定义书签。 1.2.5 数控编程自动化 . 错误 !未定义书签。 1.2.6 更高的可靠性 . 错误 !未定义书签。 1.3 数控机床的组成 . 错误 !未定义书签。 1.4 普通车床数控化改造的意义 . 错误 !未定义书签。第 2 章数控化改造总体技术方案的确定 . 错误 !未定义书签。 2.1 设计任务 . 错误 !未定义书签。 2.2 总体方案设计的内容 . 错误 !未定义书签。 2.2.1 伺服驱动 . 错误 !未定义书签。 2.2.2 滚珠丝杠螺母副 . 错误 !未定义书签。 2.2.3 数控装置 . 错误 !未定义书签。第 3 章伺服系统机械部分设计计算 . 错误 !未定义书签。 3.1 设计要求 . 错误 !未定义书签。 3.2 确定系统脉冲当量 . 错误 !未定义书签。 3.3 计算切削力 . 错误 !未定义书签。 3.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选择 . 错误 !未定义书签。 3.4.1 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 3.4.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 3.5 进给伺服系统传动计算 . 错误 !未定义书签。 nts3.5.1 纵向进给伺服系统传动计算 . 错误 !未定义书签。 3.5.2 横向进给伺服系统传动计算 . 错误 !未定义书签。 3.6 步进电机的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 3.6.1 纵向步进电机的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 3.6.2 横向步进电机的计算和选型 . 错误 !未定义书签。第 4 章控制系统硬件原理及其控制程序编制 . 错误 !未定义书签。 4.1 主控制器 . 错误 !未定义书签。 4.1.1 主控制器及其选择 . 错误 !未定义书签。 4.1.2 MCS-51 系列单片机介绍 . 错误 !未定义书签。 4.2 MCS-51 单片机的扩展 . 错误 !未定义书签。 4.2.1 程序存储器 EPROM 的选型 . 错误 !未定义书签。 4.2.2 数据存储器 RAM 的选型 . 错误 !未定义书签。 4.3 地址分配及接线方法 . 错误 !未定义书签。 4.3.1 地址的分配 . 错误 !未定义书签。 4.3.2 EPROM、 RAM 与 8031 的连接方式 . 错误 !未定义书签。 4.4 接口电路及辅助电路的设计 . 错误 !未定义书签。 4.4.1 接口电路的设计 . 错误 !未定义书签。 4.4.2 辅助电路的具体设计 . 错误 !未定义书签。 4.5 控制系统程序编译 . 错误 !未定义书签。 4.5.1 数控的插补方法 . 错误 !未定义书签。 4.5.2 直线插补工作原理 . 错误 !未定义书签。 4.5.3 圆弧插补工作原理 . 错误 !未定义书签。参考文献 . 错误 !未定义书签。致谢 . 错误 !未定义书签。附件 1 . 错误 !未定义书签。附件 2 . 错误 !未定义书签。 nts 毕业设计实习报告学校：青岛理工大学专业：机械设计制造及其自动化班级： 05 级机械 1 班姓名：于文凯学号： 200506032 指导教师：李长河 nts实习报告实践是检验一切事物的根本。生产实习使我们走出课堂，进入一线，投身实践的重要一课！按照机械专业人才培养计划的安排，我们在今年毕业前夕来到华源莱动内燃机有限公司进行参观实习。华源莱动内燃机有限公司位于山东省莱阳市，是中国北方重要的中小功率柴油机生产基地。公司现有资产 4.8 亿元，占地面积 23 万多平方米。拥有员工 3300 多人，各类专业技术人员 240 多人，其中中高级专业技术员140 多人。建企 60 多年来，曾先后荣获 “ 国务院嘉奖令 ” 、 “ 全国小动力标兵 ” 、 “ 全国五一劳动奖状 ” 、 “ 全国先进基层党组织 ” 、 “ 全国思想政治工作优秀企业 ” 等百余项荣誉称号。公司主要从事发动机及零部件的开发设计、生产、销售及相关进出口贸易。目前的主导产品有：为中小型拖拉机、低速载货汽车配套的单缸系列 195、 1100、 1105、 1110、 1115、KM130、 KM138、 KM160、 KM173、 KM186 型柴油机，年产能力 40 万台；为低速载货汽车、微型汽车、中型拖拉机、工程机械、收获机械配套的 L 系列LL380、 LL480、 KM385、 KM485、 4L22 自然吸气机型和 KM385BZL、 LL480BZ、4L22BZ、 4L22TDI 增压中冷机型等小缸径多缸柴油机，年产能力 15 万台；为轻型卡车、工程机械、收获机械配套的 D 系列 D495、 4D30Y、 4D30YB、 4D30A、KM496、 KM4100 自然吸气机型和 KM496BZL、 KM4100BZL 增压中冷机型等高速车用柴油机，年产能力 8 万台。此外，公司还对外承揽各种铸件、油泵、发电机、起动机等业务，从而逐步形成以发动机为主业，各种零部件、收获机械、水泵机组、发电机组、船用机组等齐头并进的产业布局。当一进厂房内，我们就很惊奇，宽大的厂房是我们以前没有见过的，而且里边又是排满生产设备和装备线。接下来的几天我们都是在这样的地方开始我们的学习，每天都在机器声中穿行。在讲解员的带领下，一边看着一件件零件和一台台机器被生产出来，一边听着老师的讲解，使我们慢慢地解除了对机械工艺加工的神秘感。而我们这次着重就机械工艺加工过程中的工件定位与夹紧以及夹具进行学习和研究。机床、夹具、刀具和工件组成了一个工艺系统。工件加工面的相互位置精度nts是由工艺系统间的正确位置关系来保证的。因此加工前，应首先确定工件在工艺系统中的正确位置，即是工件的定位。而夹紧是让工件在正确的位置上保持不动。工件定位的目的是为了保证工件加工面与加工面的设计基准之间的位置公差 (如同轴度、平行度、垂直度等 )和距离尺寸精度。工件加工面的设计基准与机床的正确位置是工件加工面与加工面的设计基准之间位置公差的保证 ;工件加工面的设计基准与刀具的正确位置是工件加工面与加工面的设计基准之间距离尺寸精度的保证。所以工件定位时有以下两点要求：一是使工件加工面的设计基准与机床保持一正确的位置 ;二是使工件加工面的设计基准与刀具保持一正确的位置。下面分别从这两方面进行说明： 1 .为了保证加工面与其设计基准间的位置公差 (同轴度、平行度、垂直度等 )，工件定位时应使加工表面的设计基准相对于机床占据一正确的位置。 2 .为了保证加工面与其设计基准间的距离尺寸精度，工件定位时，应使加工面的设计基准相对于刀具有一正确的位置。表面间距离尺寸精度的获得通常有两种方法：试切法和调整法。试切法是通过试切测量加工尺寸调整刀具位置试切的反复过程来获得距离尺寸精度的。由于这种方法是在加工过程中，通过多次试切才能获得距离尺寸精度，所以加工前工件相对于刀具的位置可不必确定。调整法是一种加工前按规定的尺寸调整好刀具与工件相对位置及进给行程，从而保证在加工时自动获得所需距离尺寸精度的加工方法。这种加工方法在加工时不再试切。生产率高，其加工精度决定于机床、夹具的精度和调整误差，用于大批量生产。工件定位的方法有三种： (一 )直接找正法定位直接找正法定位是利用百分表、划针或目测等方法在机床上直接找正工件加工面的设计基准使其获得正确位置的定位方法。这种方法的定位精度和找正的快慢取决于找正工人的水平，一般来说，此法比较费时，多用于单件小批生产或要求位置精度特别高的工件。 (二 )划线找正法定位划线找正法定位是在机床上使用划针按毛坯或半成品上待加工处预先划出nts的线段找正工件，使其获得正确的位置的定位方法，此法受划线精度和找正精度的限制，定位精度不高。主要用于批量小，毛坯精度低及大型零件等不便于使用夹具进行加工的粗加工。 (三 )使用夹具定位夹具定位即是直接利用夹具上的定位元件使工件获得正确位置的定位方法。由于夹具的定位元件与机床和刀具的相对位置均已预先调整好，故工件定位时不必再逐个调整。此法定位迅速、可靠，定位精度较高，广泛用于成批生产和大量生产中。工件定位之后就要考虑夹紧的问题，夹紧的目的是防止工件在切削力、重力、惯性力等的作用下发生位移或振动，以免破坏工件的定位。因此正确设计的夹紧机构应满足下列基本要求： 1 .夹紧应不破坏工件的正确定位 ; 2 .夹紧装置应有足够的刚性 ; 3 .夹紧时不应破坏工件表面，不应使工件产生超过允许范围的变形 ; 4 .能用较小的夹紧力获得所需的夹紧效果 ; 5 .工艺性好，在保证生产率的前提下结构应简单，便于制造、维修和操作。手动夹紧机构应具有自锁性能。工件夹紧力三要素的确定根据上述的基本要求，正确确定夹紧力三要素 (方向、作用点、大小 )是一个不容忽视的问题。 1 .夹紧力方向的确定 (1) 夹紧力的方向不应破坏工件定位。 (2)夹紧力方向应指向主要定位表面。 2 .夹紧力作用点的确定 (1)夹紧力的作用点应落在支承范围内。 (2)夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。 (3)夹紧力的作用点应靠近工件的加工部位。这次实习中，涉及到的机器工件很多，而我则着重研究了机械中的发动机，以就下就简单地介绍发动机各部件及其加工工艺知识。 1、刚度差 nts 为防止变形，在加工过程中应当采取下列：选用有较高刚度的机床、刀具及夹具等，并用中心增强刚性，从而减少变形和振动 ;采用具有两边传动间传动的刚度高的机床来进行加工，可以减少扭转变弯曲变形和振动 ;在加工中尽量使切削力的作用互相 ;合理安排工位顺序以减少加工变形 ;增设校直工序。 2、形状复杂应配备能迅速找正连颈的偏心夹具，且应衡块。 3、技术要求高其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项： (一 )尺寸精度起支承作用的部件，通常对其尺寸精度要求较高 (IT5IT7)。装配传动件的尺寸精度一般要求较低 (IT6IT9)。 (二 )几何形状精度轴类零件的几何形状精度主要是指传动轴、各类不同直径的孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。 (三 )相互位置精度轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件 (齿轮等 )的传动精度，并产生噪声。普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为 0.010.03mm，高精度轴 (如主轴 )通常为 0.0010.005mm。 (四 )表面粗糙度一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为 Ra2.50.63 m，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为 Ra0.630.16 m。定位基准选择： 1、粗基准的选择 2、辅助粗基准的选择 3、精基准的选择注意各种基准选择时所要考虑的问题，按照机械加工工艺过程遵循的原则进行工艺流程的安排。 nts通过这次实习，我们深刻认识到了实践的重要，在课本上的枯燥的知识，现在活灵活现的展现在我们面前，使我们真正理解了机械加工的相关流程，真正学会了降知识应用在实际生产中，让我们体会到了生产加工过程中应当注意的问题，将我们带入了一个崭新的天地。 nts 本科毕业设计（论文）开题报告题目： CA6163 普通车床经济型数控改造的总体方案设计院（系）：应用科技学院专业：班级：学号：姓名：指导教师：刘建伟填表日期：年月日 nts 1 毕业设计的主要内容、重点和难点等本课题是围绕将普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。利用微机改造现有的普遍车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床，即经济型数控车床。设计（论文）主要内容：（ 1） CA6163 普通车床经济型数控改造的总体方案设计；（ 2）车床纵向进给系统的机械装配图绘制；（ 3）车床横向进给系统的机械装配图绘制；本次设计的重点及难点：机械方面在于数控机床的主传动，由于车床为满足不同的加工要求，其对机床的极数要求较为严格，对于较高精度的加工要求，部件的受力变形和热变形对主轴加工精度产生较大的影响，对传动的方式进行一些调整。数字控制技术方面，由于本人的单片机技术知识有限，而且要完成较多的端口部件的控制，设计任务较为繁重，因此花费了较多的时间和精力。 2 准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等） CA6163 是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经收到了良好的经济效果。设计目标：对 CA6163 普通车床进行经济型数控改造设计，采用贴塑导轨，滚珠丝杠，步进电机，脉冲发生器等技术，将纵向和横向进给系统改装为用微机控制的能独立运动的进给伺服系统。参考文献资料：何德原 .机床故障与维修 .北京 :机械工业出版社 .1996:102-119；陈婵娟 .数控车床设计 .北京：化学工业出版社 .2006；李佳 .数控机床及应用 .北京 :清华大学出版社 .2001；徐元昌 .数控技术 .北京 :中国轻工业出版社 .2004；林亨，严京滨 .数控加工技术 .北京 :清华大学出版社 .2005 成大先 .机械设计手册第四版 .北京 :化学工业出版社 .2002；李文双 ,苏法 .机械制造工程学 .黑龙江科学技术出版社 ,2004.6 现有设备：计算机一台及相关模具设计软件 ,游标卡尺一把。 nts 3、总体安排和进度计划总体安排 : 由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本 .根据 C614 车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为 :采用微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲。经一级齿轮减速后 ,带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。进度计划： 2008 月 XX 月 XX 日进行为期 X 周的生产实习； X 月 X 日至 X 月 XX日完成对设计题目的资料收集与查询； X月 XX 日至 X月 XX日完成对设计图纸的绘制；X 月 XX 日至 X 月 XX 日完成毕业设计说明书的编写； X 月 XX 日至 X 月 XX 日最后的审稿及说明书和图纸的打印指导教师意见指导教师（签字）：年月日开题小组意见 nts 开题小组组长（签字）：年月日学院（系、部）意见主管院长（系、部主任）签字：年月日开题报告附件学号：姓名：经过查阅大量的相关资料，认真的撰写开题报告后，本人认为在即将进行的毕业设计中，拟解决的关键技术及相应解决方法如下表：关键技术具体解决方法 nts nts 1 附录 1：车床及其切削加工车床主要是为了进行车外圆、车端面和镗孔等项工作而设计的机床。车削很少在其他种类的机床上进行，而且任何一种其他机床都不能像车床那样方便地进行车削加工。由于车床还可以用来钻孔和铰孔，车床的多功能性可以使工件在一次安装中完成几种加工。因此，在生产中使用的各种车床比任何其他种类的机床都多。车床的基本部件有：床身、主轴箱组件、尾架组件、溜板组件、丝杠和光杠。床身是车床的基础件。它通常是由经过充分正火或时效处理的灰铸铁或者球墨铸铁制成。它是一个坚固的刚性框架，所有其他基本部件都安装在床身上。通常在床身上有内外两组平行的导轨。有些制造厂对全部四条导轨都采用导轨尖顶朝上的三角形导轨 (即山形导轨 )，而有的制造厂则在一组中或者两组中都采用一个三角形导轨和一个矩形导轨。导轨要经过精密加工，以保证其直线度精度。为了抵抗磨损和擦伤，大多数现代机床的导轨是经过表面淬硬的，但是在操作时还应该小心，以避免损伤导轨。导轨上的任何误差，常常意味着整个机床的精度遭到破坏。主轴箱安装在内侧导轨的固定位置上，一般在床身的左端。它提供动力，并可使工件在各种速度下回转。它基本上由一个安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮类似于卡车变速箱一所组成。通过变速齿轮，主轴可以在许多种转速下旋转。大多数车床有 8-18 种转速，一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动 2-4 个手柄，就能得到全部转速。一种正在不断增长的趋势是通过电气的或者机械的装置进行无级变速。由于机床的精度在很大程度上取决于主轴，因此，主轴的结构尺寸较大，通常安装在预紧后的重型圆锥滚子轴承或球轴承中。主轴中有一个贯穿全长的通孔，长棒料可以通过该孔送料。主轴孔的大小是车床的一个重要尺寸，因为当工件必须通过主轴孔供料时，它确定了能够加工的棒料毛坯的最大尺寸。尾架组件主要由三部分组成。底板与床身的内侧导轨配合，并nts 2 可以在导轨上做纵向移动。底板上有一个可以使整个尾架组件夹紧在任意位置上的装置。尾架体安装在底板上，可以沿某种类型的键槽在底板上横向移动，使尾架能与主轴箱中的主轴对正。尾架的第三个组成部分是尾架套筒。它是一个直径通常大约在 51 76mm(2-3英寸 )之间的钢制空心圆柱体。通过手轮和螺杆，尾架套筒可以在尾架体中纵向移人和移出几英寸。车床的规格用两个尺寸表示。第一个称为车床床面上最大加工直径。这是在车床上能够旋转的工件的最大直径。它大约是两顶尖连线与导轨上最近点之间距离的两倍。第二个规格尺寸是两顶尖之间的最大距离。车床床面上最大加工直径表示在车床上能够车削的最大工件直径，而两顶尖之间的最大距离则表示在两个顶尖之间能够安装的工件的最大长度。普通车床是生产中最经常使用的车床种类。它们是具有前面所叙述的所有那些部件的重载机床，并且除了小刀架之外，全部刀具的运动都有机动进给。它们的规格通常是：车床床面上最大加工直径为 305-610mm(12-24 英寸 ) ；两顶尖之间距离为 610 1 219mm(24-48 英寸 )。但是，床面上最大加工直径达到 1 270mm(50英寸 )和两顶尖之间距离达到 3 658mm(12 英尺 )的车床也并不少见。这些车床大部分都有切屑盘和一个安装在内部的冷却液循环系统。小型的普通车床车床床面最大加工直径一般不超过 330mm(13英寸 ) 被设计成台式车床，其床身安装在工作台或柜子上。虽然普通车床有很多用途，是很有用的机床，但是更换和调整刀具以及测量工件花费很多时间，所以它们不适合在大量生产中应用。通常，它们的实际加工时间少于其总加工时间的 30。此外，需要技术熟练的工人来操作普通车床，这种工人的工资高而且很难雇到。然而，操作工人的大部分时间却花费在简单的重复调整和观察切屑产生过程上。因此，为了减少或者完全不雇用这类熟练工人，六角车床、螺纹加工车床和其他类型的半自动和自动车床已经很好地研制出来，并已经在生产中得到广泛应用。普通车床作为最早的金属切削机床中的一种，目前仍然有许多有用的和为人们所需要的特性。现在，这些机床主要用在规模较小的工厂中，进行小批量的生产，而不是进行大批量的生产。在现代的生产车间中，普通车床已经被种类繁多的自动车床所nts 3 取代，诸如自动仿形车床，六角车床和自动螺丝车床。现在，设计人员已经熟知先利用单刃刀具去除大量的金属余量，然后利用成型刀具获得表面光洁度和精度这种加工方法的优点。这种加工方法的生产速度与现在工厂中使用的最快的加工设备的速度相等。普通车床的加工偏差主要依赖于操作者的技术熟练程度。设计工程师应该认真地确定由熟练工人在普通车床上加工的试验零件的公差。在把试验零件重新设计为生产零件时，应该选用经济的公差。对生产加工设备来说，目前比过去更着重评价其是否具有精确的和快速的重复加工能力。应用这个标准来评价具体的加工方法，六角车床可以获得较高的质量评定。在为小批量的零件 (100 200 件 )设计加工方法时，采用六角车床是最经济的。为了在六角车床上获得尽可能小的公差值，设计人员应该尽量将加工工序的数目减至最少。自动螺丝车床通常被分为以下几种类型：单轴自动、多轴自动和自动夹紧车床。自动螺丝车床最初是被用来对螺钉和类似的带有螺纹的零件进行自动化和快速加工的。但是，这种车床的用途早就超过了这个狭窄的范围。现在，它在许多种类的精密零件的大批量生产中起着重要的作用。工件的数量对采用自动螺丝车床所加工的零件的经济性有较大的影响。如果工件的数量少于 1 000 件，在六角车床上进行加工比在自动螺丝车床上加工要经济得多。如果计算出最小经济批量，并且针对工件批量正确地选择机床，就会降低零件的加工成本。因为零件的表面粗糙度在很大程度上取决于工件材料、刀具、进给量和切削速度，采用自动仿形车床加工所得到的最小公差不一定是最经济的公差。在某些情况下，在连续生产过程中，只进行一次切削加工时的公差可以达到 0 05mm。对于某些零件，槽宽的公差可以达到0 125mm。镗孔和采用单刃刀具进行精加工时，公差可达到0 0125mm。在希望获得最大产量的大批量生产中，进行直径和长度的车削时的最小公差值为土 0 125mm 是经济的。金属切削加工在制造业中得到了广泛的应用。其特点是工件在加工前具有足够大的尺寸，可以将工件最终的几何形状尺寸包容在里面。不需要的材料以切屑、颗粒等形式被去除掉。去除切屑是获nts 4 得所要求的工件几何形状，尺寸公差和表面质量的必要手段。切屑量多少不一，可能占加工前工件体积的百分之几到 70 80不等。由于在金属切削加工中，材料的利用率相当低，加之预测到材料和能源的短缺以及成本的增加，最近十年来，金属成形加工的应用越来越多。然而，由于金属成形加工的模具成本和设备成本仍然很高，因此尽管金属切削加工的材料消耗较高，在许多情况下，它们仍然是最经济的。由此可以预料，在最近几年内，金属切削加工在制造业中仍将占有重要的位置。而且，金属切削加工的自动生产系统的发展要比金属成形加工的自动生产系统的发展要快得多。在金属切削加工中，信息的传递是通过刚性传递介质 (刀具 )实现的。刀具相对工件运动，机械能通过刀具作用于工件。因此，刀具的几何形状和刀具与工件的运动方式决定了工件的最终形状。这个基本过程是机械过程：实际上是一个剪切与断裂相结合的过程。如前所述，在金属切削加工中，多余的材料由刚性刀具切除，以获取需要的几何形状、公差和表面光洁度。属于此类加工方法的例子有车削、钻削、铰孔、铣削、牛头刨削、龙门刨削、拉削、磨削、珩磨和研磨。大多数切削加工 (或称机械加工 )过程是以两维表面成形法为基础的。也就是说，刀具与工件材料之间需要两种相对运动。一种定义为主运动 (决定切削速度 )，另一种定义为进给运动 (向切削区提供新的加工材料 )。车削时，工件的回转运动是主运动；龙门刨床刨削时，工作台的直线运动是主运动。车削时，刀具连续的直线运动是进给运动；而在龙门刨床刨削中，刀具间歇的直线运动是进给运动。切削速度 v 是主运动中刀具 (在切削刃的指定点 )相对工件的瞬时速度。车削、钻削和铣削等加工方法的切削速度可以用下式表示： V= dn m min 式中 v 为切削速度，其单位为 m min； d 是工件上将要切削部分的直径，其单位为 m； n 是工件或主轴的转速，单位为 rev min。根据具体运动方式不同， v、 d 和 n 可能与加工材料或工具有关。在磨削进，切削速度通常以 m s 为单位度量。在主运动之外，当刀具或工件作进给运动 f 时，便产生重复的或nts 5 连续的切屑切除过程，从而形成所要求的加工表面。进给运动可以是间歇的，或者是连续的。进给速度 vf 定义为在切削刃的某一选定点上，进给运动要对于工件的瞬时速度。对于车削和钻削，进给量 f 以工件或刀具每转的相对移动量 (mm rev)来表示；对于龙门刨削和牛头刨削，进给量 f 以刀具或工件每次行程的相对移动量 (mm stroke)来表示。对于铣削，以刀具的每齿进给量 fz (mm tooth)来表示， fz 是相邻两齿间工件的移动距离。所以，工作台的进给速度 vf (mm min)是刀具齿数 z，刀具每分钟转数 n 与每齿进给量人的乘积 (vf=nzfz)。包含主运动方向和进给运动方向的平面被定义为工作平面，因为该平面包含决定切削作用的两种基本运动。车削时的切削深度 (有时也被称为背吃刀量 )是刀具切削刃切进或深人工件表面内的距离。切削深度决定工件的最终尺寸。在车削加工中采用轴向进给时，切削深度可以通过直接测量工件半径的减少量来确定；在车削加工中采用径向进给时，切削深度等于工件长度的减少量。在钻削中，切削深度等于钻头直径。对于铣削，切削深度定义为侧吃刀量 e，它等于铣刀径向吃刀深度，而铣刀轴向吃刀深度 (背吃刀量 )被称为 p。未变形状态时的切屑厚度 h，就是在垂直于切削方向的平面内垂直于切削刃测量得到的切屑厚度。切削后的切屑厚度 (即切屑实际厚度 h2 )大于未变形时的切屑厚度，也就是说切削比或者切屑厚度比r=h1/h2 总是小于 1。未变形状态的切屑宽度 b，是在与切削方向垂直的平面内沿切削刃测得的切屑宽度。对于单刃刀具切削加工，切削面积 A 是未变形的切屑厚度 h1 和切屑宽度 b 的乘积 (即 A=h1b)。切削面积也可以用进给量 f 和切削深度表示如下： H1=fsink 及 b=a sink 式中 x 为主偏角 (即切削刃与工作平面形成的夹角 )。因此，可以由下式求出切削面积 A=fa nts 6 附录 2： Lathes And It s Cutting Process Lathes are machine tools designed primarily to do turning, facing,and boring. Very little turning is done on other types of machine tools,and none can do it with equal facility. Because lathes also can do drilling and reaming, their versatility permits several operations to be done with a single setup of the workpiece. Consequently, more lathes of various types are used in manufacturing than any other machine tool. The essential components of a lathe are the bed, headstock assembly, tailstock assembly, carriage assembly, and the leadscrew and feed rod. The bed is the backbone of a lathe. It usually is made of well - normalized or aged gray or nodular cast iron and provides a heavy, rigid frame on which all the other basic components are mounted. Two sets of parallel, longitudinal ways, inner and outer, are contained on the bed, usually on the upper side. Some makers use an inverted V-shape for all four ways, whereas others utilize one inverted V and one fiat way in one or both sets. They are precision-machined to assure accuracy of alignment. On most modem lathes the ways are surface-hardened to resist wear and abrasion, but precaution should be taken in operating a lathe to assure that the ways are not damaged. Any inaccuracy in them usually means that the accuracy of the entire lathe is destroyed. The headstock is mounted in a fixed position on the inner ways,usually at the left end of the bed. It provides a powered means of rotating the work at various speeds. Essentially, it consists o f a hollow spindle, mounted in accurate bearings, and a set of transmission gears-similar to a truck transmission-through which the spindle can be rotated at a number of speeds. Most lathes provide from 8 to 18 speeds, usually in a geometric ratio, and on modem lathes all the speeds can be obtained merely by moving from two to four levers. An increasing trend is to provide a continuously variable speed nts 7 range through electrical or mechanical drives. Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle, it is of heavy construction and mounted in heavy beatings, usually preloaded tapered roller or ball types. The spindle has a hole extending through its length, through which long bar stock can be fed. The size d this hole is an important dimension of a lathe because it detemtines the maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through spindle. The tailstock assembly consists, essentially, of three parts. A lower casting fits on the inner ways of the bed and can slide longitudinally thereon, with a means for clamping the entire assembly in any desired location. An upper casting fits on the lower one and can be movedtransversely upon it, on some type of keyed ways, to permit aligning the tailstock and headstock spindles. The third major component of the assembly is the tailstock quill. This is a hollow steel cylinder, usually about 51 to 76 mm (2 to 3 inches) in diameter, that can be moved several inches longitudinally in and out of the upper casting by means of a handwheel and screw. The size of a lathe is designated by two dimensions. The first is known as the swing. This is the maximum diameter of work that can be rotated on a lathe. It is approximately twice the distance between the line connecting the lathe centers and the nearest point on the ways. The second size dimension is the maximum distance between centers. The swing thus indicates the maximum workpiece diameter that can be turned in the lathe, while the distance between centers indicates the maximum length of workpieee that can be mounted between centers. Engine lathes are the type most frequently used in manufacturing. llley are heavy-duty machine tools with all the components described previously and have power drive for all tool movements except on the compound rest. They commonly range in size from 305 to 610 mtn ( 12 to 24 inches) swing and from 610 to 1 219 mm (24 to 48 inches) center distances, but swings up to 1 270 mm (50 inches) and center distances up to 3 658 mm ( 12 feet) are not tmcommon. Most have chip pans and nts 8 a built-in coolant circulating system. Smaller engine lathes -with swings usually not over 330 mm ( 13 inches)-also are available in bench type,designed for the bed to be mounted on a bench or cabinet. Although engine lathes are versatile and very useful, because of the time required for changing and setting tools and for making measurements on the workpiece, they ale not suitable for quantity production. Often the actual chip-production time is less than 30% of the total cycle time. In addition, a skilled machinist is required for all the operations, and such persons are costly and often in short supply. However, much of the operators time is consumed by simple, repetitious adjustments and in watching chips being made. Consequently, to reduce or eliminate the amount of skilled labor that is required, turret lathes, screw machines, and other types of semiautomatic and automatic lathes have been highly developed and are widely used in manufacturing. The engine lathe, one of the oldest metal removal machines, has a number of useful and highly desirable attributes. Today these lathes are used primarily in small shops where smaller quantities rather than large production runs are encountered. The engine lathe has been replaced in todays production shops by a wide variety of automatic lathes such as automatic tracer lathes, turret lathes, and automatic screw machines. All the advantages of single-point tooling for maximum metal removal, and the use of form tools for finish and accuracy, are now at the designers fingertips with production speeds on a par with the fastest processing equipment on the scene today. Tolerances for the engine lathe depend primarily on the skill of the operator. The design engineer must be careful in using tole rances of an experimental part that has been produced on the engine lathe by a skilled operator. In redesigning an experimental part for production, economical tolerances should be used. Production machining equipment must be evaluated now, more than ever before, in terms of ability to repeat accurately andrapidly. nts 9 Applying this criterion for establishing the production qualification of a specific method, the turret lathe merits a high rating. In designing for low quantities such as 100 or 200 parts, it is most economical to use the turret lathe. In achieving the optimum tolerances possible on the turret lathe, the designer should strive for a minimum of operations. Generally, automatic screw machines fall into several categories; single-spindle automatics, multiple-spindle automatics and automatic chucking machines.Originally designed for rapid, automatic production of screws and similar threaded pans, the automatic screw machine has long since exceeded the confines of this narrow field, and today plays a vital role in the mass production of a variety of precision parts. Quantities play an important pmt in the economy of the parts machined on the automatic screw machine.Quantities less than 1 000 parts may be more economical to set up on the turret lathe than on the automatic screw machine. The cost of the pans machined can be reduced if the minimum economical lot size is calculated and the proper machine is selected for these quantities. Since surface roughness depends greatly upon material tumed, tooling, and feeds and speeds employed,minimum tolerances that can be held on automatic tracer lathes are not necessarily the most economical tolerances. In some cases, tolerances of 0.05mm are held in continuous production using but one cut. Groove width can be held to 0.125mm on some parts. Bores and single-point finishes can be held to 0.0125mm. On high-production runs where maximum output is desirable, a minimmn tolerance of 0. 125mm is economical on both diameter and length of turn. Metal-cutting processes are extensively used in the manufacturing industry. They are characterized by the fact that the size of the original workpieee is sufficiently large that the final geometry can be circumscribed by it, and that the unwanted material is removed as chips, particles, and so on. The chips are a necessary means to obtain the nts 10 desired tolerances, and surfaces. The amount of scrap may vary from a few percent to 70% - 80% of the volume of the original work material. Owing to the rather poor material utilization of the metal-cutting processes, the anticipated scarcity of materials and energy,and increasing costs, the development in the last decade has been directed toward an increasing application of metal-forming processes. However, die costs and the capital cost of machines remain rather high; consequently, metal-cutting processes are, in many cases, the most economical, in spite of the high material waste, which only has value as scrap. Therefore,it must be expected that the material removal processes will for the next few years maintain their important position in manufacturing.Furthermore,the development of automated production systems has progressed more rapidly for metal-cutting processes than for metal-forming processes. In metal-cutting processes, the imprinting of information is carried out by a rigid medium of transfer (the tool), which is moved relative to the workpiece, and the mechanical energy is supplied through the tool. The final geometry is thus determined from the geometry of the too l and the pattem of motions of the tool and the workpiece. The basic process is mechanical: actually, a shearing action combined with fracture. As mentioned previously, the unwanted material in metal-cutting processes is removed by a rigid cutting tool, so that the desired geometry, tolerances, and surface finish are obtained. Examples of processes in this group are turning, drilling, reaming, mil ling,shaping, planing, broaching, grinding, honing, and lapping. Most of the cutting or machining processes are based on a tw, dimensional surface creation, which means that two relative motions are necessary between the cutting tool and the work material. These motions are defined as the primary motion, which mainly determines the cutting speed, and the feed motion, which provides the cutting zone with new material. In turning the primary motion is provided by the rotation of the nts 11 workpiece, and in planing it is provided by the translation of the table; in turning the feed motion is a continuous translation of the tool, and in planing it is an intermittent translation of the tool. The cutting speed v is the instantaneous velocity of the primary motion of the tool relative to the workpieee (at a selected point on the cutting edge). The cutting speed for turning, drilling, and milling processes can be expressed as v = dn m/min Where v is the cutting speed in m/min,d the diameter of the workpiece to be cut in meters, and n the workpiece or spindle rotation in rev/min. Thus v, d, and n may relate to the work material or the tool, depending on the specific kinematic pattern. In grinding the cutting speed is normally mea

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