普通车床CA6163的数控化改造与仿真设计【全套CAD图纸+毕业答辩论文】

买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 含全套 纸和论文 答辩精品 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目 普通车床 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 630电机功率 快进速度 ： 横向 定 位精度 移动部件重量 ： 纵向 1200N， 横向 800N； 加速时间 30机床效率 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 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 I 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（ 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 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 s of of in of in of is to At s is is so S, If s is be . be of is is of to by to by in CM in of by 031 岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 录 摘要 . I . 录 . 1 章 绪论 . 1 控机床的发展过程 . 1 控机床的发展趋势和研究方向 . 1 速度 、高精度化 . 1 功能化 . 2 能化 . 2 控系统小型化 . 2 控编程自动化 . 3 高的可靠性 . 3 控机床的组成 . 3 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 计任务 . 6 体方案设计的内容 . 6 服驱动 . 6 珠丝杠螺母副 . 6 控装置 . 7 第 3 章 伺服系统机械部分设计计算 . 8 计要求 . 8 定系统脉冲当量 . 8 算切削力 . 8 珠丝杠螺母副的计算和选择 . 10 向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 10 向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 14 给伺服系统传动计算 . 18 向进给伺服系统传动计算 . 18 向进给伺服系统传动计算 . 21 进电机的计算和选型 . 23 向步进电机的计算和选型 . 24 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 横向步进电机的计算和选型 . 27 第 4 章 控制系统硬件原理及其控制程序编制 . 31 控制器 . 31 控制器及其 选择 . 31 列单片机介绍 . 31 片机的扩展 . 33 序存储器 选型 . 33 据存储器 选型 . 34 址分配及接线方法 . 34 址的分配 . 34 8031 的连接方式 . 34 口电路及辅助电路的设计 . 34 口电路的设计 . 35 助电路的具体设计 . 35 制系统程序编译 . 36 控的插补方法 . 36 线插补工作原理 . 36 弧插补工作原理 . 37 参考文献 . 39 致 谢 . 40 附件 1 . 错误 !未定义书签。 附件 2 . 错误 !未定义书签。 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 V 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 1 第 1 章 绪论 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（ 段（ 19521970 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（ ,简称为数控（ 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（ 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（ 段。到 1971 年，美国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（ ,又可成为中央处理单元（简称 到 1974 年，微处理器被应用于数控系统。到了 1990 年， 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 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 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。 控机床的发展趋势和研究方向 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，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 2 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，即提高插补运算的速度和精度，并采用直线 电动机 直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。 为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴 电机 的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷 滚动轴承 等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。 功能化 配有自动换刀机构（刀库容量可达 100 把以上）的各类加工中心，能在 同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多 构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。 能化 现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件 的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对 统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。 控系统小型化 数控系统小型化便于 将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 3 统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。 控编程自动化 随着计算机应用技术的发展，目前 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 制的零件加工图样，再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 件加工程序，以实现 集成。随着 术的发展，当前又出现了 成的全自动编程方式，它与 统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的 据库获得。 高的可靠性 数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。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，以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标 准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、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。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损 、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。 控机床的组成 如图 1示， 数控机床由以下几个部分组成。 图 1控机床的组成部分 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 4 1. 程序编制及程序载体 数控加工程序是数控系统自 动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对位置的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序；主运动的起、停、换向、变速；进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作。然后应用标准的由文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法和格式，将零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，编制成零件加工的数控程序单。 编好的数控程序存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁盘、闪存卡等。闪存卡由于存储 容量大、数据交流迅速和记录可靠，在开放式数控系统的新型数控机床上开始使用。 2. 输入装置 输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。根据程序存储介质的不同，输入装置可以是录音机或软盘驱动器。有些数控机床，不用任何程序存储载体，而是将数控程序单的内容通过数控装置的键盘，用手工方式（ 入，或者将数控程序计算机以网络通信方式传送到数控装置。 3. 数控装置 数控装置是数控机床的核心，它接收输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出 各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是：经插补运算决定的各坐标轴（即做进给运动的执行部件）的进给速度、进给方向和位移量指令，送伺服驱动系统驱动执行部件做进给运动。其他还有主运动部件的变速、换向和起停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指令信号等。 4. 辅助控制装置 辅助控制装置也称为强电控制装置，是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统，其主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择交 换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。此外，还有开关经它送数控装置进行处理。 伺服驱动系统又由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件和机青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 5 械传动部件组成数控车床的进给系统。每个做进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统又开环、半闭环和闭环之分。位置检测装置检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。 数控机床的机械部件包括主运动部件 ，进给运动执行部件 (如工作台 )，拖板及其传动部件和床身立柱等支撑部件，此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。 通车床数控化改造的意义 众所周知，制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。加入 后，我国制造业正面临极大考验和挑战。我国制造业水平与发达国家相 比，总体水平偏低，这直接影响到我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际市场竞争力。为改变这种落后状况，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的的数控化率。购置数控机床是提高机床数控化率的途径；对旧机床进行数控化改造，也是提高机床数控化率的重要途径之一。 我国机电行业（包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等）拥有的机床结构比较陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果靠购置心得数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合国情。因此，采用数控技术对现有机 床进行改造，符合国家的产业政策。另外，从市场容量来讲，不管是汽车制造业、模具制造业，还是军工企业，机床数控化改造都蕴藏着无限商机。 近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。在美国，机床改造业被称为机床再生业；在日本，机床改造业被称为机床安装业。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 6 第 2 章 数控化改造总体技术方案的确定 计任务 （ 1）进给伺服系统设计计算 此部分是机械部分，它包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选型；设计并绘制总装配图，其中包括横向、纵向工作台的进给机构。 （ 2）单片机控制系统设计 此部分包括设计并绘制控制系统图，编写直线插补程序及圆弧插补程序。 体方案设计的内容 机床数控总体方案的拟定应包括以下内容： 伺服系统的选定，执行机构及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出几个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。 对于普通机床 的数控化改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。 服驱动 床的改进要求周期短，而且不需要太高的精度，综合考虑经济及功用等因素，决定选用步进电机开环伺服驱动。 步进电机与丝杠轴端用同步齿形带连接，为消除同步齿形带传动对精度的影响，将脉冲编码器安装在滚珠丝杠端部，以便直接对滚珠丝杠的旋转状态进行检测。这种结构允许伺服电机的轴端朝外安装，可以避免因电机外伸而加大机床的尺寸或影响机床外形美观。 珠丝杠螺 母副 此部分设计内容主要是将普通丝杠改为滚珠丝杠。选用国产的 列（外插管青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 7 变螺距型滚珠丝杠），为了更接近改进前的工作能力，不改变螺距。这种滚珠丝杠的优点是螺母的轴向尺寸小，且已预加载荷消除间隙，传动效率高，摩擦损失小，反向时可以消除空程死区，定位精度高，刚性好，运动平稳，传动精度高，而且具有可逆性。 控装置 微机数控系统由 储扩展电路和 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。 数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数 控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，字长不但影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是列的 8031 片，它具有集成度高、可靠性好、功能强、速度相对快、抗干扰性强和性价比高等特点。 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 8 第 3 章 伺服系统机械部分设计计算 计要求 将 床改造成微机数控车床，采用单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能。 床主要参数如下： 最大回转直径 630机功率 640进速度 纵向 向 位精度 动部件重量 纵向 1200N 横向 800N 加速时间 30床效率 定系统脉冲当量 经济型数控车床常用脉冲当量是 冲，取纵向进给 冲；横向进给 冲。 算切削力 （ 1）纵切外圆 主切削力 N） 通过主电机功率来确定。 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中： 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 9 P 为机床主传动功率（ 为主传动系统的机械效率，通过查表取 = 所以： 错误 !未找到引用源。 （ 3 而切削力： V Z 1000 （ 3 式中 V 表示车床车削的线速度，单位为 m/s； 错误 !未找到引用源。 表示主轴的运动功率，单位为 错误 !未找到引用源。 表示切削力 ,单位为 N； 在此取 V=100m/s。 所以 ： F （ 3 按切削力各分力比例： 错误 !未找到引用源。 （ 3错误 !未找到引用源。 （ 3 Y F （ 3 （ 2）横切端面 主切削力： F （ 3 此时走刀抗力为 )(X 仍按上比例计算： : （ 3 错误 !未找到引用源。 （ 3 1 8 7 Y F （ 3 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 10 珠丝杠螺母副的计算和选择 向滚珠丝杠螺母副的计算和选 型 向力及转速计算 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时走刀抗力以及移动部件重量和切削力作用在导轨上的摩擦力。 车床丝杠上总的轴向力 错误 !未找到引用源。 可以表示为： 错误 !未找到引用源。 （ 3 式中： G 表示移动部件所受的重量，本机床为 1200N； f 为导轨上的摩擦系数，车床为 K 为考虑倾覆力矩影响的实验系数，常情况下取 将有关数据代入上式得： 错误 !未找到引用源。 （ 3 滚珠丝杠的转速为： 01000 L vn s （ 3 其中示为最大切削力条件下进给速度（ m/常取最高进给速度的1/21/3，即： 错误 !未找到引用 源。 （ 3 在此取 。 0 6 所以 m 676 11 00 0 （ 3 载荷的计算 选用滚珠丝杠的直径 d 必须保证在一定轴向负载作用下丝杠在回转 100 万次后，它的轨道上不产生电蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠所能承受的最大动负载。由以下公式计算： 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 11 （ 3 上式中 L 为滚珠丝杠的使用寿命（次），以 610 为单位。 61060 （ 3 其中 T 表示使用寿命，单位为（ h），对于数控车床来说通常取 T=15000h。 运转系数，取 由以上数据得： 18 77 4 3 （ 3 查手册，取 号的 滚珠丝杠。公称直径为 50额定动载荷为 31671N18774N， 合适。 杠传动效率的计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 可以由以下公式计算得 （ 3 式中： 表示丝杠螺母螺旋升角； 表示摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数为 珠丝杠摩 擦角约为 01 。 丝杠的螺旋升角可以由一下式算得： 00 （ 3 其中： 0 0 所以 000 a r c t a na r c t a n 3 n n 0 0 （ 3 青岛理工大学本科毕业设计 (论文 )说明书 12 度校核 滚珠丝杠副的变形会影响进给系统的定位精度以及运动的平稳性，因此必须考虑轴向变形。 丝杠受力拉伸或者被压缩的变形量 1 为主要轴向变形量，可以由以下公式计算得到： 01 （ 3 式中 0 L 为每个导程内的变 形量，由以下公式计算得： FL m 0 (3 其中 E 为材料的弹性模量， 24 / ， A 为滚珠丝杠的截面积 (按底径确定 )，该丝杠的底径为 ， 所以 22 534 。 FL m 5240 2718 （ 3 L 为丝杠支撑轴承之间距离，查手册： L =程 +（ 1014）导程 其中：纵向最大行程为