【JG019】普通车床CA6163的数控化改造设计[FY+RW][4A0]
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【JG019】普通车床CA6163的数控化改造设计[FY+RW][4A0],jg019,普通,车床,ca6163,数控,改造,设计,fy,rw,a0
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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 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 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 目录 摘要 . 2 . 3 目录 . 4 第 1 章 绪论 . 错误 !未定义书签。 控机床的发展过程 . 错误 !未定义书签。 控机床的发展趋势和研究方向 . 错误 !未定义书签。 速度、高精度化 . 错误 !未定义书签。 功能化 . 错误 !未定义书签。 能化 . 错误 !未定义书签。 控系统小型化 . 错误 !未定义书签。 控编程自动化 . 错误 !未定义书签。 高的可靠性 . 错误 !未定义书签。 控机床的组成 . 错误 !未定义书签。 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。 计任务 . 错误 !未定义书签。 体方案设计的内容 . 错误 !未定义书签。 服驱动 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠螺母副 . 错误 !未定义书签。 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。 计要求 . 错误 !未定义书签。 定系统 脉冲当量 . 错误 !未定义书签。 算切削力 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠螺母副的计算和选择 . 错误 !未定义书签。 向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 给伺服系统传动计算 . 错误 !未定义书签。 向进给伺服系统传动计算 . 错误 !未定义书签。 向进给伺服系统传动计算 . 错误 !未定义书签。 进电机的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 向步进电机的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 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。 控制器 . 错误 !未定义书签。 控制器及其选择 . 错误 !未定义书签。 列单片机介绍 . 错误 !未定义书签。 片机的扩展 . 错误 !未定义书签。 序存储器 选型 . 错误 !未定义书签。 据存储器 选型 . 错误 !未定义书签。 址分配及接线方法 . 错误 !未定义书签。 址的分配 . 错误 !未定义书签。 8031 的连接方式 . 错误 !未定义书签。 口电路及辅助电路的设计 . 错误 !未定义书签。 口电路的设计 . 错误 !未定义书签。 助电路的具体设计 . 错误 !未定义书签。 制系统程序编译 . 错误 !未定义书签。 控的插补方法 . 错误 !未定义书签。 线插补工作原理 . 错误 !未定义书签。 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。 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 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 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、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4然吸气机型和 4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 444然吸气机型和 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 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 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 2 3 应使工件产生超过允许范围的变形 ; 4 5 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 (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 (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 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 (装配传动件的尺寸精度一般要求较低 ( (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 精度轴 (如主轴 )通常为 (四 )表面粗糙度 一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为 m，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为 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 。 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。 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转速，一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动 2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 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 76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 3052寸 ) ；两顶尖之间距离为 610 1 2194寸 )。但是，床面上最大加工直径达到 1 2700英寸 )和 两顶尖之间距离达到 3 6582 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 3303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 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 05于某些零件，槽宽的公差可以达到0 125孔和采用单刃刀具进行精加工时，公差可达到0 0125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 0 125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 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= m 式中 v 为切削速度，其单位为 m 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 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 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 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 (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 (表示。对于铣削，以刀具的每齿进给量 表示， 相邻两齿间工件的移动距离。所以，工作台的进给速度 刀具齿数 z，刀具每分钟转数 n 与每齿进给量人的乘积 (vf= 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 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/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 切屑宽度 b 的乘积 (即 A=切削面积也可以用进给量 f 和切削深度表示如下： H1= b=a 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= 6 附录 2： t s to do is on of do it do to be a of of in of a is of a It is of or or a on of on on an in or to of On to be in a to in of is is in a on at of It a of at it o f a in a of to a be at a of 8 in a on be by to An is to a 7 or of a is on it is of in or a be d is an of a it of be be of A on of a in An on be on of to of is is a 1 6 2 in be in of by of a of a is by is as is of be on a It is on is be in of be in on in 05 10 12 4 10 219 24 8 up 270 50 up 658 12 8 a 30 13 in to be on a or of on is 0% of In a is in of s is by in to or of is of in of a of in in s by a of as of of at s on a on on of be in of an on by a In an be be in of to 9 of a a In 00 00 it to In on a of of of a in of a of an pmt in of on 000 be to up on on of be if is is be on In in be on be On is a 0. 125mm is on of in by of is be by is as so a to 10 of a 0% - 80% of of to of of in an of of in in of as it be in of In of is by a of is to is is of l of of is a As in is by a so of in of or on a as In is by of 11 in it is by of in is a of in it is an of v is of of to at a on be as v = dn m/ v is in m/d of to be in n or in v, d, n to or on In is in m/s. f is to or to to a or of by or vf is as of to at a on f is mm/of or f is mm/of or In is of f z(mm/ of of vf(mm/of is of of z of of n, vf= A of is as it In of a ( 12 is or of of of In an of is a of in of of is to in of In of is to of of is as ae is of of is hi in is of to in a to of i. e., is or r =h1/h2 is he b in is of in a to of of is of h l b ( A = of be by of a as H1=f b = a/ k is i. e., of is = 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 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。 （ 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 ： （ 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； 表示主轴的运动功率，单位为 表示切削力 ,单位为 N； 在此取 V=100m/s。 所以： 33 2 0 （ 3 按切削力各分力比例： （ 3 3 2 7 5= Y F （ 3 （ 2）横切端面 主切削力： 721 F （ 3 此时走刀抗力为 )(X 仍按上比例计算： 青岛理工大学 本科 毕业设计 (论文 )说明书 10 : （ 3 （ 3 1 8 7 . 5= Y F （ 3 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
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