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浙江工业职业技术学院毕业论文（2016届）（卧式车床数控化改造设计）学生姓名学 号 院 系专 业指导教师完成日期卧室车床数控化改造摘 要 中国是一个传统的机械制造大国,但其装备水平落后,特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床,远远不能满足加工的要求。针对目前制造业的技术装备现状,对传统机械制造业装备进行改造,解决机械制造业中的一些技术问题,用现代先进技术对旧的设备进行改造和提升,是我国制造业的发展方向。本课题是针对已报废的两台卧式床进行数控化改造,其现实意义在于如何寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法,对传统机械制造行业的技术装备进行技术提升,以解决目前设备老化所带来的问题。本次设计着重对卧式车床的纵横向进给系统改造，并对纵横向进给伺服系统齿轮箱进行改造。本次设计作了下面的一些工作： 1机械部分采用了一级齿轮传动，以BF型步进电动机作为驱动源，以CBM/CDM滚珠丝杠作为重要元件，以便更好的实行软件控制；2数控部分采用MCS-51中的8031作为主控芯片建立一套单片机应用系统。扩展I/O接口用8155芯片及外存储器，采用地址锁存和译码器。3 SolidWorks造型，包括软件的应用和对车床的实体建摸。关键词 卧室车床 数控化 改造 目 录1 绪 论12.1车床改造方案的选择52.1.1设计系统的选择52.1.2系统运用方式的确定52.1.3伺服系统的选择52.2车床改造方案的确定73.机械计算部分83.1选择脉冲当量83.2计算切削力93.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型103.3.1纵向进给丝杠103.3.2横向进给丝杠133.4齿轮传动比的计算153.4.1纵向齿轮传动比计算153.4.2横向齿轮传动比计算154. 微机控制部分164.1 总体设计164.2主控制器164.2.1主控器的选择164.2.2 8031对片外存储器的选择174.2.3 8031并行I/O口扩展185.SolidWorks造型195.1 SolidWorks 软件介绍195.2 绘制草图215.3 装配体设计23结 论26致 谢27参考文献28装配图与零件图29 1 绪 论随着我国制造业的发张，对很多零部件的精度要求越来越高，许多零件用普通车床很难加工，要求用数控机床加工。这就需要大量经费，对老设备进行改造是一条投资少见效快的途径，有许多工厂有C6140卧式车床，但无法完成精度高的工件加工，因此需对其进行数控化改造。数字控制机床(Numerical Control Machine Tools)简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。数控机床是一个精密的机电一体化产品。是由精密机械部件（如滚珠丝杆、高精度导轨、精密轴承、主轴）和复杂电气部件（如数控系统、驱动装置和伺服电机以及精密测量系统）构成的一个完整的产品。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。数控机床的系统组成框图如下：数控机床的系统组成框图其工作原理是先根据被加工零件的形状、尺寸和技术要求等条件，确定该零件的加工工艺过程、工艺参数，并按一定的规则形成数控系统能理解的加工程序。即：将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化；按标准的格式编制成零件加工程序单；然后将此加工程序输入到数控机床的数控装置中，并将输入到数控单元的加工程序进行试运行、刀具路径模拟等。确认无误后，再将被加工零件装夹好；对刀后，即可启动机床运行加工程序。在加工程序运行时，数控系统会根据加工程序的内容，发出各种控制命令，如启动主轴电动机，打开切削液、进行刀具轨迹计算、向特殊的执行单元发出数字位移脉冲和进行进给速度控制等。正常情况下，加工程序可直接运行到其结束。当改变加工零件时，在数控机床上只要改变加工程序，就可以继续加工新零件。数控机床改造在国外以发展成一个新兴的工业部门。早在60年代已经开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务，其发展的原因是多方面的。首先是技术的原因，过去20年里，金属切削的基本原理变化不大，但社会的生产力的巨大发展，要求制造技术向自动化和精密化前进。而刀具材料和电子技术却有很的大的进步，特别是微电子技术，电子计算机的技术进步，反应出控制系统，它能帮助机床自动化又能提高加工精度，技术进步和高生产率的要求，精密加工的增多等，突出了旧机床技术改造技术的必要性和急迫性。其次是经济上的原因。许多发达国家多做过系统的分析，如果旧机床设备以新设备更新，要付出很大的代价的，若利用“改造技术”，则节省大半资金，这种事半功倍的技术，不仅不浪费资金而切还为小企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大企业也有很大的经济吸引力。再次是市场因素，目前许多国家设备所需的数控机床数量，按机床工业现状是无力及时提供的。机床“改造”就成为机床市场需要的补足手段。最后是生产力的因素，在工业生产中，品种多小批量生产是现代化机械制造业的基本特征，只有相当大比重完成生产任务，不外乎选择通用机床、专业机床和数控机床，柔性制造系统，就工业复杂程度和一批工件所需要生产总成本比较中看出，数控机床最能适应这一需要。我国是拥有300万机床国家。而这些机床又大量是多年累积生产的通用机床，自动化程度不高，要想在近几年内大量用自动、半自动和精密机床更新现有设备，不论资金还是我国机床的能力是办不到的。因此应尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备改造自动化要求解决的课题。用这控制技术正是适应这一要求。它是建立在微电子现代技术和传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入了微机的应用，不但技术具有先进性，同时在应用此自动化改造方案，有较大的应用性和可调性，而且投资改造的费用低，一套经济型数控装置的价格仅是全功能型数控装置的1/3到1/5拥护承担的起。从若干单位应用的实例可论证，投入使用后，成倍的提高了生产效率，取得了显著的经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再推出全功能型数控这条道路，适合我国经济、教育、生产水平，对于以后全动能型数控机床应用的准备阶段，为实现我国传统的机械制造的方向过度的重要内容。CA6140机床是一种普通精度的及万能卧式机床，属于使用范围广的通用机床。这种机床的性能及质量较好。但结构复杂，自动化程序较低，是一种属于中型的普通机床，在各厂矿企业的应用很广。为此，本次设计的任务是对CA6140卧式机床进行数控改造，利用微机对纵横向进给系统实行开环控制。驱动元件是利用步进电动机，传动系统利用滚珠丝杠。2 总体方案确定2.1车床改造方案的选择2.1.1设计系统的选择在简易数控系统中，大多数是利用八位微处里机和单片机，近年来国有一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种八位单片微型机，主要有MCS48系列，CS-51系列，Mostek的3870，Motorolo公司的6801和6805。目前在国内用的较广，开发工具较齐的是MCS-51系列，这里选用MCS-51系列中的8031。2.1.2系统运用方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线控制系统，轮廓控制系统，连续控制系统。车床是控制刀具以给定速率沿指定路线运动来加工工件轮廓复杂的零件，其个坐标轴的运动之间有着精确的出数关系，根据车床加工这一特点，采用连续控制系统比较合适，连续控制系统具有点位控制系统的功能，故定位方式采用增量坐标控制。2.1.3伺服系统的选择伺服系统是实现位量伺服控制有开环、闭环和半闭环三种控制方式。开环控制的伺服系统存在着精度不能达到太高的基本问题，但是步进电机具有位移和输出脉冲的严格对应关系，使误差不能积累，转速和输出脉冲频率有严格的对映关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动变化的特点，数据装置发出信号的流向是单向的，对移动部件如工作台的实际位置工件检测。并且伴随电子技术和计算机控制技术的发展，目前大多采用直流电动机或交流电动机作为执行元件。虽然闭环、半闭环对控制系统能够实现较高精确的位置伺副。由于反馈环节必须的技术条件要控制闭环系统的良好的稳态和动态性能，其难度也大为提高。本设计是基于CA6140普通型的车床的经济化、数控化改造故采用步进电动机实现开环伺服系统。2.1.4执行机构传动式的确定（1）导轨 由于普通型车床的改造精度要求的不高的开环系统，而滑动导轨定位精度和灵敏不需研磨措施可达到10um左右。能够满足改装后的要求，所以仍采用原机床的导轨。（2）螺旋传动 原机床的丝杠属于滑动螺旋传动，主要缺点就是机械效率低，一般仅为3060%，与改造后的精度相差很多。数控机床除了具有较高的定位精度外，还应良好的动态间应特征，滚珠丝杠副的特点，传动效率高，一般达到90%以上，通过预紧力可消除丝杠间隙，运动平稳，传动精度高，有可靠性，磨损小，使用寿命长，但制造复杂，成本高。要使系统指令好，有能满足精度要求，本次改造采用滚动螺旋机构。（3）齿轮传动 考虑步进电动机步距角和丝杠导程只能按标准选择，为达到0.001秒的分辨率的要求，纵、横向均采用错齿调隙的齿轮做减速运动。2.2车床改造方案的确定（1）保留原车床的主传动链。 为了保证机床加工螺纹的功能，在主轴外端安装一个YGM脉冲发生器，使其与主轴转速相一致是1:1的关系，用它来发出脉冲发生器，使微机处理机根据主轴的脉冲信号，使刀架通过丝杠的转角产生进给运动。（2）纵向进给机构的改造,拆除原机床的进给箱和溜板箱利用原机床的安装孔销钉孔安装齿轮箱体,滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置,两端仍利用原固定方式,这样可减少改装工作量。（3）横向进给机构的安装：保留原手动机构。用于微机进给和机床对零件操作，原有的支撑结构也保留，电动机、齿轮箱安装在机床后侧。 （4）纵、横向进给机构采用齿轮减速，并且用双齿轮错齿法消除间隙，双片齿轮间采用消除弹簧，布量成互为120的位置。当螺钉松开时，由于各个弹簧所受力不同而自动调节间隙，再用螺钉紧固。 纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩,以保持机床原外观，起到美化机床的效果,溜板箱上安装了纵向快速进给按钮,以适应机床调整时的操作需要和遇到意外时紧急处理。 3.机械计算部分本次设计将一台CA6140普通机床改造成微机数控机床，采用MCS-51型系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能,具有降速控制功能,其他设计参数如下:最大回直径: 400 mm电机功率: 7.5KW快速进给: 纵向2.4m/min横向1.2m/min切削速度: 纵向0.5m/min 横向0.25m/min定位精度: 0.015mm移动部件重量: 纵向:800N 横向600N加速时间: 30ms机床效率: 0 .83.1选择脉冲当量根据机床精度要求脉冲当量,纵向0.01mm/脉冲，横向为0.005mm/脉冲3.2计算切削力3.2.1纵切外圆1主切削力（Fz）计算由金属切削原理可知切削率：P：电机功率7.5Kw n:主传动系统总效率取：=0.78Pc-切削功率Pc=0.787.5=5.85Kw又Pc=FzV Fz=式中: V 切削速度 V=100m/minFzPc/V=60Pc1000/v=3510N3.2.2 横切端面 主切削力F, 可取纵切的1/2 F=1/2Fz1/23510=1755N又F: :F=1:0.4:0.25=0.4=0.41755=702NF=0.25=0.251755=438.75NFx=0.25Fz=0.251755=877.5NFy=0.4Fz=0.43510=1404N3.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.3.1纵向进给丝杠1计算进给牵引力Fm 纵向进给的综合型导轨 采用三角型或综合导轨: Fm=kFx+ (Fz+G) 式中:Fx,Fy,Fz, 切削分力(N):G-移动部件的重量(N)导轨上的摩擦系数,随导轨形式而不同K考虑颠复力距影响的实验系数. f=0.16则Fm=1.15877.5+0.16(3510+800)=1698.75N2计算最大动负载C C=fwFm 选用滚珠丝杠副的直径d.时必须保证在一定轴向负载作用下.丝杠在回转100万转后,在它的滚道上不产生点蚀现象.这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C可用C=fw.Fm L= n= 公式中滚珠丝杠导程L=6mm.可取最高进给速度的(1/21/3)此处VS=0.50.5=0.25m/minT: 使用寿命按15000h计算L: 寿命以106转为1单位Fw: 运转系数，按一般运转取fw:121.5 取fw=1.3N=42r/minL=38小时C=.fw.FmC=1.31698.75=7508.47 3滚珠丝杠螺母的选型查-山东济宁选取滚珠丝杠公称直径为40选用的型号为CDM4006-2.5其额定动载荷15470N,所用强度足够用效率计算= 公式中摩擦角r=2, =10公式中:r丝杠螺旋升角 r摩擦角滚珠副的滚动摩擦系数 ,f=0.0030.004 R摩擦角约为10分公式中:r螺旋角 CDM4006 r =r:摩擦角取10分n=94.24%5刚度验算先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式如图图31纵向进给计算简图最大牵引力为1698.75N, 支承间距L=1700mm丝杠螺母及轴承均采用预紧,预紧力为最大牵引力为1698.75N.L= 公式中: Fm工作负载(N)L.:滚珠丝杠L=6mmE:材料弹性模数对钢E=20.610(N/mm)F:滚珠丝杠面积mmF=1/4D=1/440=1256mL=0.394104mm再算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量mm=0.39410-4L/6=0.011对滚珠丝杠经过预拉拉伸,拉压刚度可提高4倍其实际变量=1/40.011=2.7510mm=0.00756mm定位精度0.015mm3.3.2横向进给丝杠1计算进给牵引力Fm横向导轨为燕尾形导轨其计算公式如下:Fm=KFx+ (Fz+2Fy+G)式中K:考虑颠复力矩的影响实验系数K=1.4:导轨上摩擦系数为=0.2,移动部件重量G=600NFm=1.4702+0.2(1755+2438.75+600)=1629.3N2计算最大动负载(N)n=.=31.25L=28.125C=1.21629.3=5865.48N3选择滚珠丝杠螺母副 查丛书 山东济宁选用滚珠丝杠为CDM2504-2.5 其额定的动载荷为6638d=25mm =24.5mm 循环列数为12.52 Coa=16826 螺旋导程角 r=arctan r=2 选择精度等级为3级4传动效率的计算 =tg2/tg(2+)=0.945 5刚度计算横向进给丝杠方式,如图所示最大牵引力为2612.1N 支承间距L=450mm 因丝杠长度较短不需要预紧图32横向进给系统计算简图1滚珠丝杠的拉伸或压缩变形量L=0.644810滚珠丝杠经过预拉伸=1/40.007254=0.0018=0.0054小于定位精度定位精度为0.0153.4齿轮传动比的计算3.4.1纵向齿轮传动比计算已确定纵向脉冲当量=0.01 ,滚珠丝杠导程L=6mm和步距角0.75,可计算出ii=0.8可选定齿轮的齿数为i=z1/z2=32/40 或20/25d=mz=64 z1=32 z2=40 或z1=20 z2=35 d2=703.4.2横向齿轮传动比计算已确定横向脉冲当量=0.005mm/step,滚珠丝杠导程L=4mm和步距角0.75 ,可计算出传动比ii=0.6 z1=21 ,z2=354. 微机控制部分在普通车床CA6140基础上加数控部分,以使其成为经济型数控机床,以完成较高的精度加工.4.1 总体设计我国目前广泛使用MCS-51系列中的8031芯片,通过扩展和I/O口扩展功能,实现对机床X,Z两个方向的控制.以及软硬的任务分配有:控制步进电机脉冲发生和脉冲分配,数码显示的字符发生,键盘扫描管理既用硬件管理,又可用软件实现,此次采用若干方案:控制步进电机用的脉冲发生器用硬件.采用国产YB015环行分配器实现,字符发生及键盘扫描均有软件实现.4.2主控制器4.2.1主控器的选择 近年来同外的一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种8位的单片微型端口及部分RAM于一体的功能很强的控制器。目前国内用得较广，开发工具较齐的是MCS51系列包含三个产品：8031、8051和8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有一些差异，主要是8031：8031是无ROM的8051，而8751是用EPROM代替ROM的8051。用得较多的就是我所选用的8031。(1) 8031型芯片:1) 单片机是集CPU,I/O端口及部分RAM一体的功能很强的控制器,8031基本特点如下:1处理器CPU8位2芯片内有时钟电位3具有12 各字节RAM4具有21特殊功能的存储器5具有4 各I / O端口,32根I/O线 6可寻址64K外部数据存储器7可寻址64K外部程序存储器8具有两个16位定时/记时数量9具有5 个中断位,配备两个优先级10具有一个全功能窜行接口11具有寻址能力,适宜逻辑计算从以上论证可以看出,8031型芯片,功能几乎为一块Z80CPU,一块RAM,一块Z80CTC两块Z80PLO和一块Z80SLO处理的微机计算机.(2)8031芯片管脚的功能及其他功能按引脚功能可分三类，即：其一：I/O口线：P、P、P、P共4个8为口。其二：控制线：（片外取指令控制）、ALE（地址锁存控制）、（片外取存储器选择）、RESET（复位控制）。其三：电源及时钟：V、V、XTAL、XTAL。4.2.2 8031对片外存储器的选择 1、EPRAM选择： 根据MCS51单片机应用系统中常用的EPRAM芯片，确定存储器容量为16K。选择EPRAM的型号时，主要考虑的因素是读取速度，这决定着系统是否正确工作。根据CPU与EPRAM时序匹配要求，可选用2片2764程序存储器。 2、RAM选择：单片机的扩展RAM多选用静态RAM，根据容量要求和RAM与CPU的读写时序匹配的要求，这里选用大容量的RAM6264两片。4.2.3 8031并行I/O口扩展 8031有四个8位口(I/O端口),但真正能够提供用户使用的只有P1口,因为P2 P0口通常用来传送外存储器的地址和数据,P3口也需要使用他的第二功能.因此8031的I/O的端口通常需要扩充.以便他能和更多外联机工作.扩充方法有两种: 借用外面RAM地址来扩充I/O端口; 利用并行I/O接口芯片来扩充I/O端口.5.SolidWorks造型5.1 SolidWorks 软件介绍 SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统,是由美国SolidWorks公司在总结和继承了大型机械CAD软件的基础上,在Windows环境下实现的第一个三维机械设计CAD软件。 SolidWorks全面采用非全约束的特征建模技术,由于其设计过程的全相关性,可以在设计过程的任何阶段修改设计,同时牵动相关部分的改变.它既提供自底向上的装配方法,同时还提供自顶向下的装配方法,自顶向下的装配方法使工程师能够在装配环境中参考装配体其他零件的位置及尺寸设计新零件,更加符合工程习惯.它具有独创性的“封套”功能,来分块处理复杂装配体.其具有的“产品配置”功能,可为用户设计不同“构型”的产品.它集成了设计、分析、加工和数据管理整个过程,所获得的分析和加工模拟结果成了产品模型的属性,在SolidWorks的特征管理器中清晰的列出了详细的数据信息。他还可以动态模拟装配过程,进行静态干涉检查，计算质量特征，如质心、惯性矩等。它将2D绘图和3D造型技术容为一体,能自动的生成零部件尺寸、材料明晰表、具有指引线的零部件编号等技术资料，从而简化了工程图样的生成过程。SolidWorks同时有中英文两种界面选择，其先进的特征树结构使更加简便直接，而且它具有较好的开发性接口和功能扩展性，能轻松实现各种CAD软件之间的数据转换、传送。Solidwokrs 可充分发挥用三维工具进行产品开发的威力，它提供从现有二维数据建立三维模型的强大转换工具。Solidworks 能够直接读取DWG格式的文件，在人工干预下，将 AutoCAD 的图形转换成Solidworks三维实体模型。另一方面，Solidworks 软件对于熟悉Windows的用户特别易懂易用，它的开放性体现在符合Windows标准的应用软件，可以集成到Solidworks软件中，从而为用户提供一体化的解决方案。进入SolidWorks的操作界面如图：图515.2 绘制草图图52利用独特的基于特征的零部件建模功能，可以使用拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、放样和扫描、阵列特征和孔轻松创建设计。 通过独特的对多个实体的特征及控制，加快零部件建模速度。 通过动态编辑特征和草图，只需执行简单的拖放操作即可进行实时更改。 5.2.1 进入SolidWorks系统后,单击（标准工具栏）的新建，系统将弹出（新建SolidWorks文件）窗口。选择（零件）项，单击（确定）进入。然后在特征管理器中选择（前视基准面）为基准面，绘制草图。具体如图52所示。然后在利用拉伸功能就完成了主轴箱的设计，如图： 图53从而生成主轴箱，实图下：图54主轴箱这就是主轴箱的设计过程，在CA6140设计过程中需要大量的零件如：刀架、导轨、顶尖等。图55 顶尖 图56导轨床身以上是顶尖、导轨床身的设计结果。5.3 装配体设计创建新的零部件时，可直接参照其他零部件并保持关系。设计具有成千上万个零件的大型装配体时可获得无可比拟的性能。可将零部件和特征拖放到适当的位置。SolidWorks 提供完善的产品级的装配特征功能，以便创建和记录特定的装配体设计过程。实际设计中，根据设计意图有许多特征是在装配环境下在装配操作发生后才能生成的，设计零件时无需考虑的。在产品的装配图作好之后，零件之间进行配合加工比如：零件焊接、切除、打孔等功能。SolidWorks 支持大装配的装配模式，拥有干涉检查、产品的简单运动仿真、编辑零件装配体透明的功能。 SolidWorks提供两种装配体设计方法：由下而上的设计:首先绘制零件,然后将它们插入装配体中,并把这些零件按设计目的结合,完成装配。这是较常用的设计方法。当使