CK6163数控机床纵向进给系统的设计
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CK6163纵向进给系统设计
摘 要
数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、柔性制造系统、计算机集成制造系统等，都是建立在数控技术基础上的。同时，数控技术也关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业核心因素之一，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。推广和应用数控技术是我国机械制造行业的一项重要的战略任务。数控机床的生产准备时间短，所制成的零件重复精度高，对改变零件设计的适用性强，夹具成本低，加工形状复杂的零件时准确可靠。因此，数控机床在现阶段以及以后的一段时间将占据重要地位。
本题目是数控车床CK6163的纵向进给系统设计。首先根据典型工艺数据，结合拟定参数，确定传动方案。对传动系统主要结构进行设计，包括选择滚珠丝杠螺母副和减速箱体的机构设计，从而完成整个进给系统机械结构设计。然后，通过计算选择步进电机，驱动滚珠丝杠运动，从而带动工作台运动。基于AT89C51对步进电机的控制系统设计，使电机实现正反转，快速正反转功能，保证对传动系统的控制要求，从而完成整个进给系统的设计。
关键词：数控机床，滚珠丝杠，步进电机，单片机
Design of CK6163 vertical feed system
Abstract
Numerical control technique is the basic of automation, flexible, integrated, production in manufacturing, modern CAD/CAM, flexible manufacturing systems, computer integrated manufacturing systems are all built on the basic of numerical control technology. At the same time, numerical control technique is related to the strategic importance of a country and it is one of the important foundation industries to reflect the overall national strength of a country, the level of which is the core signs of measuring the modernization of a country’s manufacturing. The realization of the processing of CNC machine tools and production processes has become the development direction of the manufacturing. Popularizing and using numerical control technology is a strategic task in our mechanical manufacturing industry. NC machine tools, which can produce parts with high repeated precision and manufacture complex shape parts with reliability, need no more time to prepare, have more flexibility to alteration of parts, and clamping apparatuses of NC machine tools are very simple. Consequently, NC machine tools will play an important position in mechanical manufacturing at now and a period of time in the future.
The topic is the design of CK6163 vertical feed system. First of all, the solution of transmission will be determined according to the typical technological data and combined with the formulation parameters. Design the main structure of the transmission system, including choice the ball screw and design the structure of the slowdown box, so as to complete the design of mechanical structure of the whole system. Then, choice the stepping motor by calculating, drive the ball screw, which led campaign table. In order to complete the design of feeding system, design the control system of stepping motor based on AT89C51, so that the motor to achieve positive or negative rotating, rapid positive or negative rotating, ensure the control of the transmission system.
Key words: CNC machine tools, ball screw, stepping motor, single-chip
目 录
任务书 i
中文摘要 ii
Abstract iii
第1章 绪论 1
1.1 数控机床的发展历史与现状 1
1.2 发展数控机床的必要性 2
1.3 数控机床的结构与特点 3
1.4 数控机床的发展方向 5
第2章 设计任务与方案确定 7
2.1 设计任务 7
2.2 设计技术参数 7
2.3 总体方案的确定 7
第3章 机械传动设计计算 9
3.1 计算内容及步骤 9
3.2 滚珠丝杠设计计算 9
3.2.1 切削力的计算 9
3.2.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 10
3.2.3 滚珠丝杠螺母副的验算 11
3.3 步进电机的计算与选型 13
3.3.1 步进电机选型 14
3.3.2 传动比的确定 14
3.3.3 转动惯量的计算 15
3.3.4 步进电机转矩校核 16
3.3.5 步进电机性能校核 17
3.4 滚珠丝杠的预紧和消隙 18
第4章 控制系统硬件电路设计 20
4.1 数控系统硬件基本组成 20
4.2 硬件设计方案确定 21
4.3 AT89C51单片机介绍 22
4.3.1 简介 22
4.3.2 AT89C51单片机的引脚介绍 23
4.4 可编程I/O接口芯片扩展 25
4.5 8279介绍 26
4.5.1 8279的结构 26
4.5.2 8279的命令字 27
4.6 环形分配器CH250介绍 31
4.7 程序设计 34
4.7.1 程序流程图 34
4.7.2 程序 36
第5章 环保性与经济性分析 41
5.1 经济性分析 41
5.2 环保性分析 41
第6章 结论 43
参考文献 44
结束语 46
第1章 绪论
1.1 数控机床的发展历史与现状
数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床[1]。
数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。
随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。
1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。
当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。
1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC),使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。
1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。
第2章 设计任务与方案确定
2.1 设计任务
本设计任务是进行CK6163纵向进给系统设计。利用微型计算机（单片机）对纵向进给系统进行开环控制，对纵向进给系统进行数控化设计。驱动系统采用BYG系列步进电机，传动系统采用滚珠丝杠。
2.2 设计技术参数
最大加工直径 在床面上 630mm
在床鞍上 350mm
最大加工长度 2900mm
快进速度 纵向 2.0m/min
最大切削进给速度 纵向 0.5m/min
滑板及刀架重力 纵向 1200N
最小指令值（脉冲当量） 纵向 0.01mm/脉冲
机床定位精度
2.3 总体方案的确定
参照数控车床进给系统设计经验及有关资料确定总体方案是：由微型计算机（单片机）进行数据计算、程序运行，然后经I/O借口输出步进脉冲，经过硬件环分器、驱动芯片，驱动步进电机动作，通过联轴器直联驱动滚珠丝杠，从而带动工作台实现纵向进给。如图2.1所示。
危害的现象。噪声污染是指所产生的环境噪声超过国家规定的环境噪声排放标准，并干扰他人正常工作、学习、生活的现象。放射性污染是指由于人类活动造成物料、人体、场所、环境介质表面或者内部出现超过国家标准的放射性物质或者射线。例如，超过国家和地方政府制定的排放污染物的标准，超种类、超量、超浓度排放污染物；未采取防止溢流和渗漏措施而装载运输油类或者有毒货物致使货物 落水造成水污染；非法向大气中排放有毒有害物质，造成大气污染事故，等等。随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，环境污染也在增加，特别是在发展中国家。 环境污染问题越来越成为世界各个国家的共同课题之一。每一个环境污染的实例，可以说都是大自然对人类敲响的一声警钟。为了保护生态环境，为了维护人类自身和子孙后代的健康，必须积极防治环境污染。
为了做好环境污染的防治工作，我们每一个公民必须努力增强环保意识：一方面要清醒地认识到人类在开发和利用自然资源的过程中，往往对生态环境造成污染和破坏；另一方面要把这种认识转变为自己的实际行动，以“保护环境，人人有责”的态度积极参加各项环境保护活动，自觉培养保护环境的道德风尚。
本设计中，进给系统的驱动采用步进电机，以电能作为能源。步进电机在使用过程中，所需要的驱动电流小，功耗低，同时可以产生较大的输出转矩。避免了能源使用的污染和浪费。在设计中零件的润滑均可采用环保型的无污染润滑液，润滑充分还可以保证设备运转时不产生噪声。
在整个车床工作过程中，一般使用乳化液或冷却油作为冷却液，从而产生大量的油雾油烟，影响工厂的生产环境，有害于生产工作人员的身心健康，可以通过购买使用油雾过滤器来吸收产生的油雾。
第6章 结论
这次设计的CK6163纵向进给系统，充分考虑到其实用性，操作方便，技术参数设置合理，极大地提高了加工效益，性能稳定，没有出现任何故障。设计完后的机床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，结构简单，成本较低。进给伺服系统采用步进电机开环控制。采有集成度高、可靠性强、功能好、速度快、抗干扰能力强的8位MCS-51系列单片机。选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，保证了进给伺服系统的传动精度和平稳性。
另外，该设计也可以用于其他车床，只需要根据相应机床的设计技术参数的变化，对选用的滚珠丝杠和步进电机进行相应的改变，就可用于其它不同型号的车床。同时，这种设计方法也适用于普通车床的数控化改造，具有很好的推广前景。
在设计过程中，由于时间有限及自己在电路程序方面知识的欠缺，在电路设计中只设计了控制一台步进电机转动的电路，在程序设计中，LED显示上只实现了显示固定数值，没做到随电机转速变化动态显示。
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结束语
一个学期的毕业设计已经接近尾声，在老师的精心指导下，在公司同事的帮助下，加上自己的学习与探究，完成了这次毕业设计。
可以说，此次毕业设计是对我自考两年来所学知识的检阅。在这个过程中，我遇到了很多困难，有机械结构方面的，也有软件方面的，经过请教老师、同学、同事，加上自己的学习，这些问题都一一得到了解决。同时我也意识到自己在机械知识方面的欠缺。三年的自考学习生活，我只是打下了一个扎实的专业基础而已，距离应用生产实践还需更多的努力。
自考三年的生活即将结束了，但这并不代表学习的结束，相反，这只是一个开始。在今后的工作中，我将继续保持学习的劲头，把工大机械人的严谨作风带到工作当中。
回首三年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师三年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
最后，我再次感谢我的指导教师老师，感谢帮助过我的同学和同事。同时感谢母校沈阳工业大学给我的这一学习的机会，在这三年中对我的培养，让我不断提高知识应用的能力。让我们共同努力，为我们的未来去打拼奋斗吧！
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