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jg043 微机 数控系统 改造 c6132 车床 设计

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【JG043】用微机数控系统改造C6132型车床的设计,jg043,微机,数控系统,改造,c6132,车床,设计

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材料制备机械设计理论中的新趋势和新问题 王艾伦 ,段吉安 ,黄明辉 ,钟 掘 (中南大学机电工程学院 ,湖南长沙 410083) 摘 要 : 在全面综述材料制备机械技术及设备发展动态的基础上 ,提出了研究领域的几个新问题和发展方向 ,如通过集成和融合现代相关前沿科学和技术，生产具有超常和特殊性能的新概念材料等 ,并进行了简要分析和讨论 . 关键词 : 界面 ;超常物理场 ;制备机械 ;功能材料 1机械材料加工的时代背景 在人类进步的一段长时间范围内，许多工具、机械和方法被提出来；不同的原料用不同的工具来加工。原料及其处理过程已经变成了推动人类进步不可缺的一部份。在当前世界中日益激烈的竞争和人们追求幸福生活的今天，物质的功能已经远远超出了人类现有的并不断增长的知识及想象。例如：神秘原料功能，半导体材料，原料能量有吸力的材料，在航空领域中占有 70%份额的强力铝合金 45各向异性深冲压金属板在 1%以下；电子铝箔与强耐热铝合金已经被应用到航空、宇宙及深海领域中，等等；在原料 加工加工领域中不同的时间段里，材料重要发展趋势就这样形成了： （ 1）在特殊的物理领域里制造原料加工机械，是为了能有特殊的质地结构和辅助性的加工功能。例如：运用热能和机械能能够突破科学技术的极限，将一些不常用的能量，例如：微波、化学能、生物能等等，一个接一个的被引入到材料加工中来，因此一些加工特殊能量原材料的加工设备就被制造出来了。 （ 2）突破传统的物质限制，将溶化、凝固、造型一体化，然后加热得到具有特殊功能的原料，这样就可以降低加工费用。例如：材料加工整形技术，比如像快速 翻滚，喷雾处理、塑胶成型、喷射造型法、高能量射束等等被应用。 （ 3）原料加工处理正在向高速、重载和高精度在线控制方向上迈进。例如：轧制速度达到 130m/s，压力变形已达到 300寸精度达到了 型精度已达到 浓度精度已达到 于这些原因，原料加工机械设备设计理论将科学与技术相关联的领域有机的结合起来设计生产一中新概念材料加工设备是可能的。 2对于新概念材料加工设备的期望功能 （ 1）要有能力生产具有特殊物质的领域；能传送那些对于新概念材料加工在特定的物质环境 下是非常必要的特殊能流。例如：在高温环境下能使那些高温波或者脉冲以超过 104106K/外表面的凝固、变形合成一体，然后在将超强接触面应力重新组合成新的分界面；融化的大金属薄片的湍流；随机的低频率磁场用于金属末加热的微波、用于大量凝固的超声波等等都已经被应用了。 （ 2）有能力在临界状态下工作，因此高稳定性和理想性能的处理设备是在加强技术条件和室外操作的保证。例如：禁止在润滑状态下边界上的摇晃；在特有的摩擦状态下的抗震能力；有韧性的连接管的合力稳定性和干扰稳定性与轴相比更易驱动系统。 （ 3）有能力精确的控制原料加工而获得低损耗、高功率、高性能的原料加工。例如：精确的在线监测产品成型；在线监测和在线调整产品品质和器具还有在线控制金属、塑胶成型的程序。产品的精确度指数可以列举如下：宏观上精确度可达到 观上的晶状体结构非常均匀，浓度误差在 简而言之，拥有特别功能的新概念原料加工设备应该被设计和生产出来。这样的话，那些特别性能的原料就能被处理加工了。 3在特殊的物理领域和环境下金属材料加工设备的问题和需要学习的内容 由于这些原因和以上提到的背景，如下的一些新的研究主题应该被改进： 连接传热装置和温度应力场的相界面 当融化金属处于液体和固体的临界状态时通过连续的变形和快速凝固，一种全新的微观结构可以被获得。在这个非常时刻，高浓度的热流和动态的热阻力在材料加工处理中成了主要事项。关于设计这个设备的基本理论问题是要学习核心传动系统合能量转化和建立数学模型。 材料加工设备表面粘流摩擦力的抑制 操作装置和工件的连接是相当复杂的因为粘流阻挡了加工表面界面态由周转速度、热力学处理工作量、操作装置的弹性、工件的可塑 性、滑性界面的动态行为、局部水力的润滑油等等来决定。它们影响着材料加工设备抗摩擦装置的成型。因为它们会会强制其产生很大的非线性，这种强制会在瞬间被损坏或者是失谐，最后会导致动态不稳定性。 因此提出了以下的问题：机械装置的噪声可能在晃动的界面引起滑动摩擦、不稳定状态；在高速、重载和边界润滑状态下在光滑表面和旋转式喷灌器之间的装置抑制。润滑油薄膜吸收装置和不断再生的表面的物理化学行为；流变学的特征和操作参数之间的关系。 在高压场条件下非线性接触式机械装置 在大范围内组建一个超强力压力场是材料加工设备的一 个基本功能。当然形成一个大结构的元素也是可能的（例如太空船、大陆洲际间的交通工具、汽车、飞机）。组建一个超强压力场是最重要的特征之一，也是保卫国家独立最基本的装备。在强压力场环境下，接触式和非线性摩擦将会产生；因此将会导致局部的永久的变形和不好的因素。在强压力场下设计过程中，将会涉及到设备的设计新理论，例如：非接触式、非线性摩擦机构。 负荷分配规律 关于超静定结构，抑制点的负荷分配规律由相容性条件决定。虽然，关于那些大尺寸的、不定的、静止的结构在真实空间中是自由变化的，但负荷分配规律是不能决定相容 性条件。因此新的基础理论由分析接触行为和变形装置获得（例如：摩擦力、变形相容性条件，等等）。 耦合装置和在材料加工系统中物理领域内的稳定性 随着系统的功能越来越多元化；许多限制材料加工进度的传统技术正在不断的被改善；系统结构也逐渐变得越来越复杂，系统性能变得越来越好。例如：钢扎厂的快速瞬间反转受弹性形变、粘流、散热处理、水动力润滑处理的，物理化学分子状态的影响。另外，机电的耦合在处理系统中已经超出了传统的概念；例如，一些奇特的现象（微小的变化可以引起很大的变化）已经出现；因此，滚筒操作的不稳定性可 能会导致混乱。所以，这个主题将会在机械装置的物理领域中，在处理系统稳定性的影响和加工助剂质量上被提及和充分关注； 技术综合和合并精准的控制 在特定的物理条件下进行操作的材料加工设备是一个相当复杂系统，一些系统的参数在领域的边界上也是可以改变的；因此在领域环境下精确的控制与调整，调和尺寸，能量转换，信息传递，界面耦合等等是非常重要的。因为在控制模型中多种交互作用的存在，根据退耦控制模型而建立综合框架是必要的；精确的控制基于综合技术。 优化的和创新的设计基于创新的知识 材料加工技术能促进产品的设计质量的提高。最优化的材料加工技术和材料加工设备意味着实现实质的仿真通过类似的设计和一致的设计是我们学习的主题。 在特殊的领域里机械装置的特殊功能和应用 一些重要的元素和部分在材料加工设备中常常在强力场、温度场、电磁场和流场中工作，有建造特别物理界面的功能；虽然对那些普通单一的物质象金属、陶瓷等拥有单一的高指数和卓越的总质量是很困难的。因此我们需要在重要部位采用具有新功能的原料；例如：尺度功能有倾向的材料是想当可贵的。由于这些原因，学习基本法律和以上提到的具有这些功能的机 械装置；例如：强调分配功能、破坏机理和在特定领域中的设计标准，静态（动态）的硬度和阻尼，模糊设计和明朗设计处理系统构成了有斜度的材料，等等。 今天，材料加工科学和技术正在快速的向前发展；把学习的目标瞄准材料加工设备的技术问题将会为 21世纪的制造业提供技术支持。 10083 , on up in of in by of a is n of of a of of of In in s s 0 of of 5m , up 5 in in up as (1) of as , so (2) to of . as is (3) is in of up 30 ms - 1 ,up 00 of up of up . 1 I ,up it is to to 2 1) To to of of of 04 106 Ks - 1 , in of of 4 ,(2) To to in so of is of of of ,of of of 4 ,(3) To to in to of of of of of of 4 ,be as to 4 In by be 3 n of be as 3. 1 be is in of At in A of of is to of to 3. 2 he is is in by of of of to be or is be of“ in of of of of 3. 3 o on is of of it is to by as . to is of of of be of be of of be of as of . 3. 4 aw to of is by of in be by be by of of as of . 3. 5 n of in is of in is by so In in as be ,be by . of on of of 3. 6 he of is a of on to of is of a of in it is to of to of so as to on is 3. 7 of of of by of of of is of 3. 8 in in of of it is as to of we to , it is to of of of of of of so of is of of is is A at of 1st 组合机床行业现状与发展思考 摘要 ： 我国组合机床技术装备的现状和行业的发展 ， 并提出了本人的一些观点 关键词 ： 组合机床 发展思路 技术创新 我国加入 后，制造业所面临的机遇与挑战并存。组合机床行业企业适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产 、 销两旺的良好势头，截至 2002年 9 月份，组合机床行业企业仅组合机床产品一项，据不完全统计产量已达 800余台，产值达 3 个亿以上，较 2001 年同比增长了 10%以上，另外组合机床行业工业增加值 、 产品销售率 、 全员工资总额 、 出口交货值等经济指标均有不同程度的增长，新产品 、 新技术较去年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况良好” 1 组合机床技术装备现状与发展趋势 组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备 ,它的特征是高效 、 高质 、 经济实用，因而被广泛应用于工程机械 、交通 、 能源 、 军工 、 轻工 、 家电等行业 电 、 气 、 液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件 (近年研制的组合机床加工连杆 、 板件等也占一定份额 )，完成钻孔 、 扩孔 、 铰孔，加工各种螺纹 、 镗孔 、 车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等 大型组合机床和小型组合机床，有单面 、 双面 、 三面 、 卧式 、 立式 、 倾斜式 、 复合式，还有多工位回转台式组合机床等 ;随着技术的不断进步，一种新型的组合机床，柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱 !可换主 轴箱 !编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器 (、 数字控制 (，随着市场竞争的加剧和对产品需求的，高精度 、 高生产率 、 柔性化 、 多品种 、 短周期 、 数控机床及其自动线正在冲击着传统的组合机床行业，因此组合机床装备的发展思路必须是以提高组床加工精度 、 组合机床柔性 、 组合机床工作可靠性合机床技术的成套性为主攻方向。一方面，加强技术的应用，提高组合机床产品数控化率 ;另一方面进一步发展新型部件，尤其是多坐标部件，使其模块化 、 柔性化，适应可调可变 、 多品种加工的市场需求。超高速和超高精度加工技术装备与复合 、 多功能 、 多轴化控制设备等深受欢迎。然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用，信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高，在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距，因此我国组合机床技术装备高速度 、 高精度 、 柔性化 、 模块化 、 可调可变 、 任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向” 2 组合机床行业的发展思考 近两年虽然组合机床行业产销呈现上升趋势，但行业内一些企业同样存在负债经营的情况，主要原因是传统的组合机床产品不能满足用户柔性化 、 高精度 、短周期的市场需求，同时组合机床行业一些企业存在现代化管理水平低 、 人才流失严重 、 科研成果不能迅速转化为生产力等缺陷。为此提出如下建议： (1) 提高现代化管理水平，中国加入 ，迫切要求企业提高现代化管理水平，进一步深化企业内部改革，建立健全适应市场经济的运行机制，建立企业的科学的管理体制，做到集权有道 、 分权有序 、 授权有章 、 用权有度的责权利内在统一的有机结合，是提高企业控制力所必须的“要彻底改变落后的体制，必须树立全球化经营理念，提高国际市场竞争能力，建立市场快速反应机制，以适应日趋发展的市场需求” (2) 亟待提高企业创新能力“企业的生存，关键在于产品的生命力”已步入电子时代的今天，传统的组合机床已经不能适应高速发展的国内外市场需要，这就要求企业必须适应科学技术的飞速发展，建立技术创新体系，推进企业的技术进步，加速向柔性化 、 数控化 、 高精度 、 短周期方向发展，提高组合机床适用范围和市场覆盖面 ;同时实施名牌战略，争创世界品牌，加速我国组合机床的发展进程，使我国组合机床行业企业在世界制造领域里立于不败之地。 综上所述，组合机床行业要开展科技攻关攻克当前行业企业技术发展上的难题 ;二要加强与国外的合资合作 ，利用和学习国外的先进技术，提高企业的现代化管理水平和技术水平 ;三要通过对引进技术的消化吸收进行再创新，发展自己的产品“通过我们的努力，使我国真 正由制造大国变成制造强国” 。 3 科技译文 of at of ur at to up 2002, 00 to 001 0%, in so on to to is 1 of is in a of is is is in so on so on of in of as as so is so of s it by so to is be by At On in so on is is in to in as as be 2 in of in is to be is in as so on as (1) s to be is to up by (2) to s in to ge to s to ur to be in an in In to to on by to to 1 湖南工学院 2011 届毕业设计（论文）课题任务书 系： 机械工程 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师 陶卫民 学生姓名 袁仁炼 课题名称 用微机数控系统改造 车床的设计 内容及任务 内容： 将 床改造成用 51 系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向： 向： 任务： 机床改造总图； 进给伺服系统的机械装配图； 单片机控制系统电路原理图 ； 设计计算说明书。 拟达到的要求或技术指标 (1) 统一要求： 按任务书要求完成规定的任务，撰写设计说明书（论文），一律采用计算机编辑。内容包括设计的意义与作用、设计方案选择和计算、主要零件的受力分析和强度校核、经济技术分析等。 写出不少于 400 字的中文摘要；至少翻译一篇本专业外文文献（ 10000 个以上印刷符号），并附译文。 需完成不少于 3 张零号图纸的结构设计图、装配图和零件图，其中应包含一张以上用计算机绘制的具有中 等难度的 1 号图纸，同时至少有折合 1 号图幅以上的图纸用手工绘制，查阅到 10 篇以上与题目相关的文献，按要求格式独立撰写不少于 12000字的设计说明书。 (2) 主要技术参数： 最大加工直径：在床面上： 320床鞍上： 175最大加工长度： 1000进速度：纵向： 向： 大进给速度：纵向： 向： 码制： 冲分配方式：逐点比较法 输入方式：增量值，绝对值通用。 控制坐标数： 2 最小指令值： 纵向： 向： 具补偿量： 0给传动链间隙补偿量：纵向： 横向： 动升降速性能： 有 2 进度安排 起止日期 工作内容 备注 2011 年 1 月 2011 年 2 月 2011 年 3 月 2011 年 4 月 2011 年 5 月 选定课题，调研并收集相关资料，进行设计前的准备工作。 确定整体设计方案， 并开始按照整体设计方安进行设计计算。主要是对横向进给系统机械部分的计算和结构的设计。 对纵向进给伺服系统机械部分的计算。包括丝杆螺母副和齿轮的计算，电机的选取以及机械部分的计算和结构分析设计。 进行 微机数控系统硬件电路的设计。包括对芯片的选取和个控制线路的连接，以完成设计任务的要求的技术要求。 检查机械和控制部分的设计，并输入电脑进行排版。交排版好的说明书叫老师审查，修改。绘制设计图纸。 把绘制好的图纸交有老师检查并修改，完善设计说明书，进行后期工作，完成说明书。打印说明书及设计图 纸。 3 主要参考资料 1 周鹏翔 ,刘振魁 M2 唐增宝 ,刘元俊 M华中理工大学出版社 ,3机械设计手册编写组 M4机械设计手册编写组 M5 东北大学机械零件设计手册编写组 M6 华东纺织工学院 ,哈尔滨 工业大学 ,天津大学 M7 雷晓玲 M8 石光源 ,周积义 ,彭福荫 M9 张建钢 ,胡大泽 M 10顾维邦 M11 林俊主编 , 机床数控系统课程设计指导书 M. 中国科学技术出版社 ,1991, 9. 教研室 意见 年 月 日 系主管领导意见 年 月 日 2011 届毕业设计 材 料 系 、 部： 机械工程系 学生姓名： 袁仁炼 指导教师： 陶卫民 职 称： 副教授 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机本 0704 班 学 号： 214070420 2011 年 5 月 湖南工学院 2011 届 毕业设计 (论文 )工作中期检查表 题目 用微机数控系统改造 学生姓名 袁仁炼 班级学号 机本 0704班 214070420 专业 机械设计制造及其自动化 指 导 教 师 填 写 学生开题情况 学生调研及查阅文献情况 毕业设计（论文）原计划有无调整 学生是否按计划执行工作进度 学生是否能独立完成工作任务 学生的英文翻译情况 学生每周接受指导的次数及时间 毕业设计（论文）过程检查记录情况 学生的工作态度在相应选项划“ ” 认真 一般 较差 尚存在的问题及采取的措施： 指导教师签字： 年 月 日 系部意见： 负责人签字： 年 月 日 湖南工学院 2011 届 毕业设计 (论文 )开题报告 题 目 用微机数控系统改造 车床的设计 学生姓名 袁仁炼 班级学号 机本 0704 班214070420 专业 机械设计制造及其自动化 文献综述 目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到 3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。 而 机床数控改造 有以 下 意义 ： 1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省 60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床 60%的费用，并可以利用现有地基。 2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3） 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅 节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是 80 年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的 技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。 当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面，圆锥面，端面，螺纹面等，借助于成型刀具，还能加工各种回转表面。普通车床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作，刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进进给系统改造成为微机控制的，能独立运动的进给系统 ，刀架改造为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于切削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和横向联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复查的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。 床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机， 车床 通过步进电动机带动滚珠丝杠转 动。数控化改造提高了原机床的生产速度，降低了劳动强度，同时缩短了生产周期，提高了产品质量和生产率。 经数控化改造后的优越性 (1)数控化改造提高了加工精度和生产率。 (2)数控化改造提高了机床的性能和质量，加工出原机床难以加工或者不能加工的复杂轴类零件。 (3)机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比原机床提高 3 倍。 (4)机 床数控化改造后拥有自动报警、车床自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好地调节了机床加工状态，还可以提示操作者机床摇臂钻床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。 床总体改造方案为：增配车床数控系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动，采用步进电动机驱动进给轴运动，加装编码器，配置自动回转刀架实现自动换刀功能。 具体的改造主要从数控系统的选择，机械结构的改造设计、自动回转刀架的选择设计、编码盘的选用和安装、电气系统的改造设计、车床液压系统的清洁与维护等几个方面来进行，通过改造使其具有数控机床的一般特性。 总体设计方案的确定 本设计属经济型数控化改造，基本原则是在满足使用要求的前提下，对车的改动尽可能少，总体方案如下： （ 1）数控系统选用连续控制系统，普通车床数控化改造后应具有定位，纵向和横向的直线插补及圆弧插补功能，还要能暂停，进行循环加工和螺纹加工等。 （ 2）进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。车 床数控化改造设计后属于经济型数控车床，在保证一定加工精度的前提下，既简化了结构又降低了成本。 （ 3）选择 列单片机扩展系统，根据普通车床最在加工尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，经济型数控改造一般采用 8 位微机。在 8 位微机中， 列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性能价格比。 （ 4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 ，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器， I/O 接口电路；包括输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和 机床加工状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应包括螺纹加工中用到的光电脉冲编码器和其它辅助电路。 （ 5）设计自动回转刀架其控制电路。 （ 6）纵向进给机构的改造：由于用步进电机作驱动元件，所以要拆除原车床上的进给箱、溜板箱、刀架光杆、操作杆等，用滚珠丝杆螺母副代替原梯形螺纹丝杆螺母副。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置上，两端采用推力球轴承和深沟球轴承定位，减速机构的固定仍采用原方式。由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，使纵向进给整体刚度增加。齿轮箱固定在尾座端床身上。 （ 7）横向进给机构保留手动机构，用于微进给及手动操作，原来支承结构也保留，步进电机及减 速箱体安装在车床的后侧。溜板箱上安装了纵、横向快速进给按钮和急停开关，以适应机床调整时的操作需要和意外情况时紧急停车。 （ 8）纵向进给机构采用一级齿轮减速，而横向进给机构为了便于电机的安装而采用两级齿轮减速，两者均采用双片齿轮消除间隙。 （ 9）主轴系统保留原车床主轴部件，但在主轴上另外安装主轴脉冲编码器，以便于实现螺纹加工。 方案如下： （ 1）纵向、横向进给机构的改造：用步进电机作驱动元件，拆除 原车床上的进给箱、溜板箱、刀架、光杆、操作杆等，用滚珠丝杆螺母副代替原梯形螺纹丝杆螺母副。 （ 2）在主轴上另外安装主轴脉冲编码器，以便于实现螺纹加工。 （ 3）选择 列单片机扩展系统，根据普通车床最在加工尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，经济型数控改造一般采用 8 位微机。在 8 位微机中， 列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性能价格比。 （ 4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 ，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器， I/O 接口电路；包括输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床加工状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。系统中还应有螺纹加工中用到的光电脉冲编码器。 工作进度及具体安排 2011 年 1 月至 2 月 调研并收集相关资料，确定整体设计方案； 2011 年 3 月至 4 月 开始按设计方案进行计算部分的设计；并设计相关图纸； 2011 年 5 月 把设计内容整理成册交给指导老师指出错误，并作相应修改； 指导教师批阅意见 指导教师 (签名 )： 年 月 日 注：可另附 湖南工学院 2011届毕业设计（论文）指导教师评阅表 系 ： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名 袁仁炼 学 号 214070420 班 级 机本 0704 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 姓 名 陶卫民 课题名称 用微机数控系统改造 车床的设计 是否同意参加答辩： 是 否 指导教师评定成绩 分值： 指导教师签字： 年 月 日 湖南工学院 2011 届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表 系 ： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 说明：最终评定成绩 a+b+c，三个成绩的百分比由各系自己确定，但应控制在给定标准的 10左右。 学生姓名 袁仁炼 学号 214070420 班级 机本 0704 班 答辩 日期 题名称 用微机数控系统改造 车床的设计 指导 教师 陶卫民 成 绩 评 定 分值 评 定 小计 课题介绍 思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。 30 答辩 表现 思维敏捷 ,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入 , 知 识 面宽。 必 答 题 40 自 由 提 问 30 合 计 100 答 辩 评 分 分值： 答辩小组长签名： 答辩成绩 a： 40 指导教师评分 分值： 指导教师评定成绩 b： 40 评阅教师评分 分值： 评阅教师评定成绩 c： 20 最终评定成绩： 分数： 等级： 答辩委员会主任签名： 年 月 日 湖南工学院 毕业设计（论文）答辩资格审查表 题 目 用微机数控系统改造 车床的设计 学生姓名 袁仁炼 学 号 214070420 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 陶卫民 研究步骤： 1、 熟悉相关文件： 1）熟悉设计任务书； 2)收集必要的设计原始资料。 2、 开题报告、文献综述、外文翻译各约 2000 字。 3、 通过导师的指导，并参考指定的参考书目、补充教材等，从而掌握毕业设计的基本方法和技能。 4、 拟出设计方案。 5、 编制设计说明书。 研究的主要内容和任务： 1） 内容： 将 床改造成用 51 系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向： 向： 2)任务： 机床改造总图； 进给伺服系统的机械装配图； 单片机控制系统电路原理图； 设计计算说明书。 创新点： 床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机， 车床 通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。 它 提高了原机床的生产速度，降低了劳动强度，同时缩短了生产周期， 也 提高了产品质量和生产率。 非常适用于加工中小批量、精度要求高的产品。 申请人签名： 袁仁炼 日期： 2011 年 5 月 30 日 资 格 审 查 项 目 是 否 01 工作量是否达到所规定要求 02 文档资料是否齐全（任务书、开题报告、外文资料翻译、定稿论文及其相关附件资料等） 03 是否完成任务书规定的任务 04 完成的成果是否达到验收要求 05 是否剽窃他人成果或者直接照抄他人设计（论文） 指导教师签名： 毕业设计（论文）答辩资格审查小组意见： 符合答辩资格，同意答辩 不符合答辩资格，不同意答辩 审查小组成员签名： 年 月 日 注：此表中内容综述由学生填写，资格审查项目由指导教师填写。 2011 届毕业设计说明书 用微机数控系统改造 车床 设计 系 、 部： 机械工程系 学生姓名： 袁仁炼 指导教师： 陶卫民 职称 副教授 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机本 0704 班 完成时间： 2011 年 5 月 摘 要 数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全 功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，结构简单，系统的定位精度较高。 普通车床 刀架 的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作，刀架的纵向进给运动和 横向 进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和 横向 进给系统改造成为微机控制的，能独立运动的进给 系统，刀架改造为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于切削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和 横向联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复查的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。 要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机， 车床 通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。 关键词 ： 微机控制；伺服系统；回转刀架；自动车削 is in on is On is is is to is to to to be by on to by is be to be to 6132 as n as as to on to C is a C be at a As of by be be of of of to of in by nc of by 录 1 前 言 . 1 2 设计方案 . 3 体方案的确定 . 3 统的运动方式与伺服系统的选择 . 3 算机系统 . 3 械传动方式 . 3 统运动方式的确定 . 3 服系统的选择 . 3 行机构传动方式的确定 . 4 算机的选择 . 4 体方案框图绘制 . 4 3 横向进给伺服系统机械部分计算与校核 . 5 算切削力 . 5 珠丝杆螺母副的设计、计算、选型 . 5 算进给牵引力 . 5 算最大动负载 C. 6 珠丝杆螺母副的选型 . 6 动效 率计算 . 7 度验算 . 7 定性校核 . 8 向滚珠丝杆副的几何参数 . 9 轮传动比计算 . 10 向步进电机计算和选型 . 11 选步进电机 . 11 核步进电机转矩 . 12 向进给伺服系统机械部分结构设计 . 17 向进给伺服系统总图设计 . 17 给伺服系统的装配图 . 18 4 纵向进给伺服系统机械部分计算与校核 . 20 算切削 . 20 珠丝杆螺母副的计算和造型 . 20 算进给牵引力 . 20 . 21 珠丝杆螺母副的选型 . 21 功效率计算： . 21 度验算 . 22 定性校核 . 23 . 23 轮传动比计算 . 24 给齿轮箱传比计算 . 24 进进电机的计算和选型 . 25 选步进电机 . 25 核步进电机转矩 . 27 向进给伺服系统机械部分结构设计 . 31 向进给伺服系统总图设计 . 32 . 32 5 微机数控系统硬件电路的设计 . 34 . 34 . 34 储器、 I/. 34 . 36 . 36 . 36 . 37 . 37 . 38 6 微机控制系统的软件设计 . 39 控程序 . 39 线圆弧插补程序设计 . 39 . 41 6. 4步进电机的软件控制及转程序设计 . 43 7 机床的加工程序编制 . 46 致 谢 . 49 参考文献 . 50 附 录 . 51 1 1 前 言 经济型数控是我国 80年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国 “ 七五 ” 、 “ 八五 ”重点推广的新技术之一。 数控机床与通用机床相比，增加了功能，提高了性能，简化了结构，较好地解决形状复杂、精密、小批及形状多变零件的加工问题，能够获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。 （ 1） 数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。 （ 2） 目前， 各企业都有大量的通用机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费。 （ 3） 在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。 （ 4） 通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。 要较好地解决上述问题，通用机床数控化改造便是很好的对策。通用机床的数控化改造就在通用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。这一工作早在 20 世纪 60 年代已经开始时迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，在国外已发展成为一个新兴的工业部门。从美国、日本等工业化 国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有 26%的机床经过数控改造，中小企业则多达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地担供数控化改造业务。中国是拥有 300 多万台机床的国家，其中大部分都是多年累积生产的通用机床，如卧式车床和各种铣床等，自动化程度低，要想在近几年来内用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，通用机床的数控化改造大有可为。它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造主要方向之一。 十几年来，随着科学技 术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更 稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是 80年 2 代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。 金属切削机床加工中 比较 常用的一类机床 。 属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机， 车床 通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。 当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工 出内外圆柱面，圆锥面，端面，螺纹面等，借助于成型刀具，还能加工 各种回转表面 。普通车床 刀架 的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮 传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作，刀架的纵向进给运动和 横向 进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和 横向 进给系统改造成为微机控制的，能独立运动的进给系统，刀架改造为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于切削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和 横向 联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各 种形状复查的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。 毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教学环节，也是学生完成工程师基本训练的重要环节。其目的是培养学生综合运用所学的专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题的能力，树立正确的设计思想和工作作风。毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容，方法和步骤，而且还反映了学生的文理修养和作风。 本说明书介绍了此次设计 的 任务 ， 将普通卧式车床（ 造为经济型数控车床；有关经济型数控车床改造总 体方案确定及框图、进给伺服系 统机械部分设计计算及校核、数控系统硬件电路的设计、加工程序编制 。 3 2 设计方案 体方案的确定 统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统 。 算机系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 51 系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速 度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用51 系列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 械传动方式 为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杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结 构。 统运动方式的确定 数控系统运动方式可分为点位控制系统、点位 /直线系统和连续控制系统 。 服系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。 指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。 闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电 4 机或位流伺服电机驱动。 半闭环控制系统与闭环系统不同，不 直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。 行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑 导轨等。 尽量消 除传动间隙。例如采用 间 隙齿轮等。 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减 小传动链误差。可采用预紧的方法提高 系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。 算机的选择 微机数控系统由 储器扩展电路、 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。 体方案框图 绘制 微机步进电机 运动部件步进电机功率放大光隔离光隔离功率放大图 1总体方案框图 5 3 横向进给伺服系统机械部分计算与校核 算切削力 根据数控机床精度要求确定脉冲当量 切端面 查综合作业指导书 式中 车床床身上加工最大直径 横切端面时主切削力 可取纵切时 21 a x : 式中 走刀方向的切削力（ N） 垂直走刀方向的切削力（ N） NF x 1 NF y 1 珠丝杆螺母副的设计、计算、选型 算进给牵引力 横向导轨为燕尾形， 参考机床设计手册 2 查阅综合作业指导书 式中： 切削分力（） G 移动部件的重量（ N） 表 1得横向溜板及刀架重力 800N f 滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 6 K 考虑颠复力矩影响的实验系数 取 K= 算最大动负载 C 选用滚珠丝杆导轨 参考机床设计手册 查阅综合作业指导书 式中： L 寿命，以 610 转为一单位 n 丝杆转速（ r/ 为最大切削条件下进给速度，可 取最高进给速度的1/2 取 .0 丝杆导程（ 初选 为使用寿命（ h） ,对于数控机床取 15000h 运转系数，查表 3般取 m (805 001 0 000 v s 7210 1 50 0 080601060 66 珠丝杆螺母副的选型 查阅综合作业指导书 附表 采用 循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副， 1 列 ，其额定动负载为 9700N,精度等级按表 3为 级。 7 动效率计算 螺旋升角， 933 摩擦角取 01