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河北工程大学成教学院毕业设计摘 要随着社会生产和科学技术的发展，机械产品日趋精密复杂，普通车床已不能适应这些要求，要想提高精度，保证生产质量，减轻劳动强度，提高经济效益，其最有效的、最基本的途径就是普及应用经济型数控机床。由普通车床CW6163改造为经济型数控车床CKJ6163，采用8031芯片为主构成开环控制系统，其进给系统是步进电机通过消隙齿轮箱，带动滚珠丝杠转动，从而实现工作台沿机床导轨的水平移动。其纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾，不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠，由步进电机带动。机床数控化改造可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件，可以实现加工的柔性自动化，提高加工零件的精度，实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。经济型数控机床在设计上要达到高静动态刚度、运动副之间的摩擦系数小、传动无间隙、功率大、便于操作和维修等要求。关键词：车床改造 数控化 进给系统 滚珠丝杠 步进电机IABSTRACT With the development of social production and science and technology, machinery products have become increasingly sophisticated, and the ordinary lathe can not meet these requirements.In order to improve the accuracy to ensure the quality of production , reduce labor intensity and improve economic efficiency, the most effective and basic way is to popularity Applied Economic CNC machine tools.By ordinary CW6163 lathe modification for the economical NC lathe CKJ6163 using 8031 chip,it is given priority to constitute the open loop control system.Through rotation of the lead screw, which is driven by a gear box, the working table moves along the NC machines lead rail in parallel.The reformation of the vertical mechanism is as follows: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand,then place the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism is as follows : we use the horizontal ball leading screw instead of the conventional screw. And the stepper motor drives the screw. Numerical Control lathe have following outstanding superiority than traditional lathe:It can process out complicated parts, such as the curve, curved surface and so on, which can not come out in traditional machine tooling. It can also realize automation and flexible automation, processing precision of part high .Besides, it can realize the concentration of many processes,reduce frequent handing between parts in machine tools.A new Numerical Control lathe should reach the requirements in the designation: It should be high quiet dynamic rigidity ;the coefficient of friction between the vice sport is little, the transmission has no interval ; the power is large so as to be easy to operate and maintain. key words：Lathe modification Numerical control Feed system Ball screw Stepper motorII目录摘 要IABSTRACTII第1章 概述11.1 数控机床的发展简史11.2 数控机床的发展趋势11.3 数控机床的工作原理21.4 数控机床的组成21.4.1 控制介质21.4.2 数控装置31.4.3 伺服系统31.4.4 机床本体31.4.5 检测反馈装置31.4.6 机床加工的基本过程41.5 数控机床的特点及应用范围41.5.1 数控机床的特点41.5.2 数控机床的应用范围41.6本次设计的主要任务5第2章 总体方案设计62.1总体方案设计论证62.2总体方案设计确定8第3章 横向伺服进给机构设计与计算113.1主切削力及其切削分力的计算113.1.1主切削力的计算113.1.2计算各切削分力113.2导轨摩擦力的计算123.2.1计算切削状态下的导轨摩擦力123.2.2计算不切削状态下的导轨摩擦力及静摩擦力133.3滚珠丝杠螺母副的轴向负载计算133.3.1计算最大轴向负载力133.3.2 计算最小轴向负载力133.4确定进给传动链的传动比i、传动级数及齿轮的设计与校核133.4.1 确定进给传动链传动比、传动级数133.4.2 齿轮副的设计与校核143.5计算滚珠丝杠的动载荷与直径193.5.1按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷193.5.2按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径193.6确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号203.6.1计算轴承所受的最大轴向载荷203.6.2计算轴承预紧力203.6.3计算轴承的当量轴向载荷213.6.4计算轴承的基本额定动载荷C213.6.5确定轴承的规格型号213.7滚珠丝杠螺母副的承载能力的校验223.7.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验223.7.2滚珠丝杠螺母副临界转速的校验223.7.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验233.8计算机械传动系统的刚度243.8.1计算机械传动系统的刚度243.8.2计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度253.9驱动电动机的选型与计算253.9.1计算折算到电动机轴上的负载惯量263.9.2计算折算到电动机轴上的负载力矩273.9.3计算折算到电动机轴上的加速力矩283.9.4计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩283.9.5选择电动机型号283.10机械传动系统的动态分析293.10.1计算丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率293.10.2计算扭转振动系统的最低固有频率303.11机械传动系统的误差计算与分析303.11.1计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差303.11.2 计算滚珠丝杠因扭转变形而产生的误差303.12确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号313.12.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级313.12.2确定滚珠丝杠螺母副的规格型号31第4章 纵向伺服进给机构设计与计算324.1导轨摩擦力的计算324.1.1计算切削状态下的导轨摩擦力324.1.2计算不切削状态下的导轨摩擦力及静摩擦力324.2滚珠丝杠螺母副的轴向负载计算324.2.1计算最大轴向负载力324.2.2计算最小轴向负载力334.3确定进给传动链的传动比i、传动级数及齿轮的设计与校核334.3.1确定进给传动链传动比及传动级数334.3.2 齿轮副的设计与校核334.4计算滚珠丝杠的动载荷与直径384.4.1按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷384.4.2按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径394.5确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号404.5.1计算轴承所受的最大轴向载荷404.5.2计算轴承预紧力404.5.3计算轴承的当量轴向载荷404.5.4计算轴承的基本额定动载荷404.5.5确定轴承的规格型号414.6滚珠丝杠螺母副的承载能力的校验424.6.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验424.6.2滚珠丝杠螺母副临界转速的校验424.6.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验434.7计算机械传动系统的刚度434.7.1计算机械传动系统的刚度434.7.2计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度454.8驱动电动机的选型与计算454.8.1计算折算到电动机轴上的负载惯量454.8.2计算折算到电动机轴上的负载力矩474.8.3计算折算到电动机轴上的加速力矩484.8.4计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩484.8.5选择电动机型号494.9机械传动系统的动态分析494.9.1计算丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率494.9.2计算扭转振动系统的最低固有频率504.10机械传动系统的误差计算与分析504.10.1计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差504.10.2计算滚珠丝杠因扭转变形而产生的误差504.11确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号514.11.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级514.11.2确定滚珠丝杠螺母副的规格型号51第5章 数控系统硬件电路设计525.1 单片机数控系统硬件电路设计内容525.1.1绘制系统电气控制结构框图525.1.2选择中央处理单元CPU的类型535.1.3存储器扩展电路设计535.1.4 I/O口即输入/输出接口电路设计545.2 MCS-51系列单片机简介545.2.1 8031单片机的基本特征545.2.2 8031芯片引脚及其功能555.2.3 8031芯片的存储器结构及地址分配575.2.4 特殊功能寄存器585.2.5 MCS-51系列指令系统简介595.2.6 定时器/计数器605.2.7 中断系统615.3 存储器扩展电路的设计615.3.1程序存储器的扩展615.3.2 数据存储器的扩展645.3.3译码电路的设计665.3.4 I/O接口电路设计675.3.5其它辅助电路设计74第6章 总结77参考文献78附录79致谢82V河北工程大学毕业设计第1章 概述 1.1 数控机床的发展简史 1948年，美国帕森斯公司提出计算机控制机床的设想，1952年，该公司在麻省理工学院的协助下，成功试制第一台三坐标数控铣床，这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始，具有划时代的意义和深远的影响。数控加工是现代制造技术的基础，世界上工业发达的国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。 数控机床发展到今天，已经经历了几代的变化： 第一代：1952年到1959年采用的电子管元件构成的专用NC装置； 第二代：1960年到1964年采用晶体管电路的NC装置； 第三代：1965年到1970年采用小、中规模集成电路的NC装置； 第四代：1971年到1974年采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统(CNC)； 第五代：1974年开始采用微型电子计算机控制的系统（MNC)。1.2 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势表现有:(1) 性能方面：高速高精高效化、柔性化、工艺复合化多轴化和智能化；(2) 功能发展方面：用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化、内装高性能PLC、多媒体技术应用；(3) 体系结构的发展；集成化、模块化、网络化、通用型开放式闭环控制模式。我国虽然是全世界机床拥有量最多的国家，但机床数控化率低，则数控机床利用率就低，开动率也就低。随着国外的数控系统与伺服系统制造技术的引进，我国经济型数控机床的研究、生产和推广工作也取得进展，这必将对我国的各行各业的技术改造起到积极的推动作用。80年代开始曾有过高速发展的阶段，许多机床厂开始从传统产品向数控化产品转型，尤其是我国的NC车床技术水平提高较快，在设计制造使用上进步很大。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比不仅技术水平有所差距，而且某些方面的发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备技术水平差距有扩大趋势。主要表现在：精度、效率、自动化上存在一定差距；主机设计基本功差，缺乏创新，模块化设计少，尚未建立自己的品牌效应；功能部件专业化生产水平及成套能力较低，重要基础元部件、NC系统主要依靠进口；缺乏深入系统的科研工作，设计、试验手段较落后；在NC车床的产品水平和总体技术水平上，特别在高精尖技术方面差距明显。我国机床设计的努力方向包括狠抓根本，解决主机、元部件先进性。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，我国的旧机床很多，用经济型数控机床改造普通机床，在投资少的情况下，经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了明显的提高，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，适合我国现在经济水平的发展要求。 1.3 数控机床的工作原理数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，在由数控装置控制机床主运动的变速、启停、进给运动的方向、速度、位移大小以及其它诸如刀具选择交换、工件加紧松开和冷却液的启、停等工作，使刀具与工件及其它辅助装置严格按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 1.4 数控机床的组成数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的机床上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机床本体五大部分及辅助设备组成。如图1-1所示：控制介质 数控装置 伺服系统 机床本体 检测反馈装置图1-1 数控机床组成1.4.1 控制介质控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置的类型不同而不同，常有的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带和磁盘等。除了上述几种控制介质外，还有一部分数控机床采用数码盘、数码插销或利用键盘直接将程序及数据输入。另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM技术在其它计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。1.4.2 数控装置数控装置是数控机床的控制中心，现在的数控装置通常由一台通用或专用微型计算机构成。它由输入装置、控制运算器和输出装置等构成。输入装置接受控制介质上的信息，经过识别和译码之后，送到运算控制器。这些信息将作为控制和运算的原始数据。控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控制命令送往输出装置。输出装置将控制运算器发出的控制命令送到伺服系统，经功率放大，驱动机床完成相应的动作。1.4.3 伺服系统 伺服系统是数控机床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或执行部分动作，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脉冲信息体现的，每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫脉冲当量（常用的脉冲当量为0.0010.01）。目前数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构是步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两者都带有光电编码器等位置测量组件。1.4.4 机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削工作的机械部分，它是在原普通机床的基础上改进而得到的，具有以下优点：（1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。（2）数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小。（3）更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等。1.4.5 检测反馈装置检测反馈装置由检测元件和相应的测量电路组成。其作用是检测速度、位移或工件尺寸，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制。没有检测反馈装置的数控系统被称为开环系统；直接从工作台或工件获取反馈信息的数控系统被称为闭环系统；从伺服电机运转轴获取反馈信息的数控系统被称为半闭环系统（检测反馈装置包括在伺服系统中）。常用的检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、电感应传感器、光栅和磁尺等。 除上述五个部分外，数控机床还有一些辅助装置及附属设备，如电源、液压、气动系统与冷却、排屑、润滑、照明、储运等装置以及编程机、对刀仪等。1.4.6 机床加工的基本过程自检和机床参数设置 加工控制信息输入 加工控制信息预处理 插补计算 位置控制 PLC控制 显示和监控1.5 数控机床的特点及应用范围1.5.1 数控机床的特点1.5.2 数控机床的应用范围数控机床是一种高度自动化的机床，有一般机床所不具备的许多优点，所以数控机床的应用范围在不断扩大，但数控机床是一种高度机电一体化产品，技术含量高，成本高，使用维修都具有一定的难度，若从最经济的角度出发，数控机床适用于加工：（1）多品种小批量零件；（2）结构较复杂，精度要求较高的零件；（3）需要频繁改型的零件；（4）价格昂贵，不允许报废的关键零件；（5）需要小批量生产周期的急需零件。1.6本次设计的主要任务（1）横向、纵向伺服进给机构设计与计算 设计与计算的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择，中间齿轮设计计算，轴承选择，步进电机的选择，绘制改造部分的机械结构装配图。（2）数控系统硬件部分设计（包括微机数控系统框图设计，微机数控系统电路原理图设计和绘制）（3）用Solid works三维造型软件对车床某主轴进行三维造型设计，并用MasterCAM软件进行数控加工编程与仿真加工。第6章 总结在本次设计中我完成了对经济型数控车床CKJ6163的纵向、横向伺服进给机构的设计和计算以及数控系统硬件部分的设计。由于要改造为经济型数控车床，所以在纵向传动系统设计方面，车床尾部上安装步进电机及小齿轮变速箱即可带动纵向丝杠使托板箱作Z向进给运动；横向由于进给空间有限，采用保留原手动机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。通过此次设计，让我对理论知识尤其专业知识有了进一步深刻的认识，这次设计综合运用所学机械、电子和微机知识，是进行一次机电结合的系统综合训练，更是一次比较全面而系统的总结和应用，这很大程度上培养了我对机电产品的初步设计计算的能力以及综合分析、处理机电方面技术问题及独立思考的能力。虽有所得，但同时我也发现了不少问题。比如：对知识运用的熟练程度不够，知识范围比较狭窄，以致对于设计中的许多问题没有及时的发现和立刻解决，特别在电子方面更有待提高。总体来说，本次毕业设计是成功的。相信在今后的学习工作中，这次毕业设计的经历必会起到重要的帮助作用。 参考文献文献资料及主编：