C620普通车床数控改造设计【包含CAD图纸、说明书全稿】
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毕业设计 结论毕业设计(论文)任务书课题名称C620普通车床进行数控改造学 院专 业姓 名学 号一、毕业设计（论文）的内容针对现有常规C620普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，对C620进行机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。本课题的设计提高了机床加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。二、毕业设计（论文）的要求1.本设计任务是对C620普通车床进行数控改造。利用单片机对纵、横向进给系统进行控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。2.机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向、横向机构装配图方案的制定。3.电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。三、毕业设计（论文）应完成的工作1.参考机床有关技术资料，完成机械部分设计及电气部分设计，并用CAD绘制图纸。2.完成设计说明一份四、毕业设计（论文）进程安排序号毕业设计（论文）各阶段内容日期1查阅、搜索相关资料2008年11月1日2做好设计定题工作2008年11月6日3毕业设计主要工作准备阶段动和动力设计计算、校核2008年11月12日4确定设计的总体方案及初稿2008年11月18日前5完成各种设计计算、校核及所有图纸；2008年12月26日前6最后定稿2008年12月30日7完成答辩工作2009年 1月7日前五、应收集的资料及主要参考文献1 赵玉刚，宋现春等编.数控技术.机械工业出版社，2003.6 2 张建民主编.机电一体化系统设计.高考教育出版社,2001.83 李朝青主编.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社，1995.3 4 李云主编.机械制造工艺及设备设计指导手册.机械工业出版社，1997.8 5 王兰美主编.画法几何及工程制图.机械工业出版社，2002.126 蔡美琴，张为民等编.MCS-51 系列单片机系统及其应用.高等教育出版社，1992.8 7 张新义主编经济型数控机床系统设计北京：机械工业出版社，1998 8 余英良主编机床数控改造设计与实例北京：机械工业出版社，19949 王贵明主编数控实用技术北京：机械工业出版社，200110 张建纲，胡大锋主编数控技术武汉：华中科技大学出版社，2000 11 邓星钟主编机电传动控制武汉：华中科技大学出版社，200112 王爱玲主编.现代数控机床结构与设计北京：兵器工业出版社，199913 卜云峰主编.机械工业及自动化简明设计手册上下册北京：机械工业出版社，199914 刘跃南主编.机床计算机数控及应用,北京:机械工业出版社,199715 李洪主编.实用机床设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社,1999论文（设计）题目C620普通车床进行数控改造文献综述：1. 课题目的、意义针对现有常规C620普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，对C620进行机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。本课题的设计提高了机床加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。2. 相关研究动态，国内外现状： 现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛应用于相关的领域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如：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。国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。 方案论证：1.1 设计任务本设计任务是对C620普通车床进行数控改造。利用单片机对纵、横向进给系统进行控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。1.2 总体方案的论证 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。 1.2.1 机械部分的改造设计 为了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。为了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，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。此设计过程主要是纵向进给和横向进给的改造，关键是步进电机和滚珠丝杠的选用。改进后的车床简易传动系统如图1-1：图1-1 改进后的车床传动系统 1.小刀架 2.横向步进电动机 3.横向滚珠丝杆 4.大拖板 5.纵向滚珠丝杆 6.纵向步进电动机1.2.2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。 1.2.3 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，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：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。 在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，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。1.3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定C620车床经济型数控改造方案。C620车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。将原来机床的普通丝杠改为滚珠丝杠以减小摩擦力。并将8031单片机组成的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。进程计划：1.2008.02.15 - 2008.03.15 查阅、搜索相关资料和专业英语翻译；2.2008.03.16 - 2008.03.31 毕业实习与调研及开题报告阶段；3.2008.04.03 - 2008.05.19 毕业设计主要工作阶段，完成各种运动和动力设计计算、校核及所有图纸；4.2008.05.21 - 2008.06.02 完成说明书的编写和收尾工作。指导教师意见： 签名： 年 月 日开 题 报 告 会 纪 要时 间地 点与会人员姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）会议记录摘要：会议主持人：记 录 人：年 月 日系工作小组意见负责人签名： 年 月 日摘要I摘 要针对现有常规 C620 普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了C620 机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031 为 CPU 的控制系统对信号进行处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。改造过程如下： （1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向 、横向机构装配图方案的制定。 （2）电气控制部分的设计， 主要包括 MCS-51 系列单片机及扩展 芯片的选用和电气控制图的设计。关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，改造ABSTRACTIIABSTRACTTo remedy the defects of ordinary lather C620, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart.Key words : numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform 目录III目目 录录摘 要.ABSTRACT（英文摘要）.目 录.引引 言.1第一章 总体方案的设计.31.1 设计任务.31.2 总体方案的论证.31.2.1 机械部分的改造设计.31.2.2 伺服进给系统的改造设计.41.2.3 数控系统的硬件电路设计.41.3 总体方案的确定.5第二章 机械部分的改造设计 .62.1 纵向进给系统的改造设计.62.1.1 纵向滚珠丝杠副的选用.62.1.1.1 确定系统脉冲当量.72.1.1.2 车削力的计算.72.1.1.3 滚珠丝杠副的设计、计算和选型.72.1.2 步进电机的选用 . 112.1.1.1 脉冲量的计算. 112.1.1.2 等效负载转矩的计算. 112.1.1.3 等效转动惯量的计算. 122.1.1.4 步进电机型号的选择. 122.2 横向进给系统得改造设计. 132.2.1 横向滚珠丝杠副的选用 . 132.2.1.1 确定系统的脉冲当量. 132.2.1.2 车削力的计算. 13目录IV2.2.1.3 滚珠丝杠副的设计、计算和选型. 142.2.2 横向步进电机的选用 . 172.2.2.1 脉冲量的计算. 172.2.2.2 等效负载转矩的计算. 172.2.2.3 等效转动惯量的计算. 182.2.2.4 步进电机型号的选择. 182.3 齿轮传动间隙的调整. 19第三章 电气控制部分的设计 .223.1 单片机的选择. 223.2 步进电机的驱动. 233.2.1 环形脉冲分配器的选择 . 243.2.2 功率放大器的选用 . 253.3 步进电机的微机控制. 28结论.30致谢. 31参考文献.32 引言现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛应用于相关的领域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如：引言- 2 - 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。 引言- 3 -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工业国家的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、 PC 技术改造普通机床，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。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性 。第一章 总体方案的设计- 3 -第一章 总体方案的设计1.1 设计任务
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