关 键 词：

C620 普通 车床 经济型 数控 改造 设计

资源描述：

资源目录里展示的全都有，所见即所得。下载后全都有,请放心下载。原稿可自行编辑修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑问可加】

内容简介：

论文（设计）选题的来源、目的与意义：数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作，很好地解决了现代机械制造中复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不但提高了机床的加工精度，扩大了机床的使用范围，提高了生产率，而且降低了工人的劳动强度，缩短了新产品的试制周期和生产周期，减少对工夹具的投资和数量，而且适合我国的国情。设计（论文）的主要内容：本设计是利用数控装置对C620型普通机床进行经济型数控改造设计。纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，导轨用贴塑导轨，主轴与脉冲发生器连接等，将纵向和横向进给系统改装为用单片机控制的能独立运动的开环进给伺服系统。进度计划（进度时间、主要工作内容）：4月2 日4月9日：查阅、收集相关资料，了解相关内容，初步确定改造方案。4月10日4月15 日：针对改造方案，分析计算，确定所需部件，并不断完善。4月16日5月10日：机械部分绘图。5月11日5月15日：单片机控制系统设计、绘图。5月16日5月20日：整理相关数据、资料，书写设计说明书。5月21日6月10日：翻译相关的英文资料，检验各项工作，打印说明书，论文答辩。主要参考文献：1周开勤.机械零件设计手册M.北京：高等教育出版社,2001.12文怀兴,夏田.数控机床系统设计M.北京：化学工业出版社，2005.63卜文峰.机械工程及自动化简明设计手册（下册）M.北京：机械工业出版社，2000 .54濮良贵、纪名刚.机械设计（第七版）M.北京：高等教育出版社,2003.45郝忠军,雷晓铃.综合作业指导书M.机械部工程师进修大学电气学院，1995.46明兴祖.数控机床与系统M.北京：中国人民大学出版社, 2000.107王永章.机床的数控技术M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2000.18杨文龙主编.单片机原理及应用M.西安西安电子科技大学出版社, 2003.4论文（设计）工作起讫日期： 年 4 月 2 日 至 年 6月 10 日指导教师（签名） 院长/主任（签名）本科生毕业论文（设计）题 目 普通车床C620的数控改造 学 院 机电工程学院 专业班级 机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师 撰写日期： 年 6 月 10日论文（设计）选题的来源、目的与意义：数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作，很好地解决了现代机械制造中复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不但提高了机床的加工精度，扩大了机床的使用范围，提高了生产率，而且降低了工人的劳动强度，缩短了新产品的试制周期和生产周期，减少对工夹具的投资和数量，而且适合我国的国情。设计（论文）的主要内容：本设计是利用数控装置对C620型普通机床进行经济型数控改造设计。纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，导轨用贴塑导轨，主轴与脉冲发生器连接等，将纵向和横向进给系统改装为用单片机控制的能独立运动的开环进给伺服系统。进度计划（进度时间、主要工作内容）：4月2 日4月9日：查阅、收集相关资料，了解相关内容，初步确定改造方案。4月10日4月15 日：针对改造方案，分析计算，确定所需部件，并不断完善。4月16日5月10日：机械部分绘图。5月11日5月15日：单片机控制系统设计、绘图。5月16日5月20日：整理相关数据、资料，书写设计说明书。5月21日6月20日：翻译相关的英文资料，检验各项工作，打印说明书，论文答辩。主要参考文献：1周开勤.机械零件设计手册M.北京：高等教育出版社,2001.12文怀兴,夏田.数控机床系统设计M.北京：化学工业出版社，2005.63卜文峰.机械工程及自动化简明设计手册（下册）M.北京：机械工业出版社，2000 .54濮良贵、纪名刚.机械设计（第七版）M.北京：高等教育出版社,2003.45郝忠军,雷晓铃.综合作业指导书M.机械部工程师进修大学电气学院，1995.46明兴祖.数控机床与系统M.北京：中国人民大学出版社, 2000.107王永章.机床的数控技术M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2000.18杨文龙主编.单片机原理及应用M.西安西安电子科技大学出版社, 2003.4论文（设计）工作起讫日期： 年 4 月 2 日 至 年 6月 18 日指导教师（签名） 院长/主任（签名） 毕业论文（设计）英文翻译翻译题目 仿真技术在制造业中的应用与发展 学 院专业班级 学生姓名 指导教师 3本科毕业设计(论文)开题报告书姓名： 论文题目：普通车床C620的数控改造 指导教师刘军职 称教授学 位硕士题目来源 指导教师科研项目 指导教师推荐选题 学生自选 其它题目类别 工程设计 工程技术研究 软件开发 理论研究 综合【选题意义、研究现状及可行性分析】意义：随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此，对机床的要求不仅要具有较高的精度和生产率，而且还要能适应产品零件的变换。生产的需要促使了数控机床的发展现状：我国存在大批普通机床，普而通机床已不适应多品种、小批量的生产要求，利用数控系统改造机床是提高产品质量、提高生产效率,提高旧设备利用率，是十分有效的途径。可行性分析：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，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0 01至0 02，已能满足普通零件的精度要求。而且普通车床数控改造技术已经成熟，适合我们国情。【研究的主要问题和重点、难点、设计工作所需试验设备和试验条件】普通车床数控化改造关键在于选用连续控制系统。由于本机加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。在该系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的，输入装置把信号输给数控装置，经数控装置运算后分配出指令脉冲，通过步进电机驱动工作台移动。由于该系统无位置和速度检测装置，因此，它的精度主要由步进电机的步距角和与之相连的丝杠等传动机构的传动精度决定。【进度安排】2008年3月25日 - 2008年4月 6 日 论证、开题2008年4月 7 日 - 2008年4月20日 外文翻译、撰写文献综述、汇报讨论；2008年4月21日 - 2008年5月11日 撰写论文写作大纲、中期检查；2008年5月12日 - 2008年5月25日 写作初稿2008年5月26日 - 2008年6月 8 日 修改、定稿、打印2008年6月 9 日 - 2008年6月13日 毕业答辩【指导教师意见】（有针对性地说明选题意义及工作安排是否恰当等）同意提交开题论证 修改后提交 不同意提交（请说明理由）指导教师签字： 刘军 年 月 日 【系意见】 同意开题 修改后开题 不同意开题（请说明理由）系主任签字： 年 月 日【学院意见】同意开题小组意见 不同意开题小组意见（请说明理由） 其它（请说明）院长或主管院长签章： 年 月 日目录引言 31 概述41.1 毕业设计的目的41.2 设计任务41.3 设计的必要性41.3.1 数控改造目的41.3.2 数控改造的优点52总体方案设计52.1 系统的运动方式与伺服系统的选择52.2 计算机系统52.3 机械传动方式52.3.1纵向滚珠丝杠62.3.2横向滚珠丝杠62.3.3总体方案73进给伺服系统设计73.1纵向进给伺服系统83.1.1 计算进给牵引力Fm(N)83.1.2 计算最大动载荷C93.1.3 滚珠丝杠螺母副的传动效率计算103.1.4 刚度验算103.1.5 稳定性校核113.2横向进给伺服系统113.2.1 计算进给牵引力113.2.2 计算最大动负载C123.2.3选择滚动丝杠螺母副123.2.4传动效率计算133.2.5 刚度验算133.2.6稳定性校核153.3齿轮传动比计算163.3.1 纵向进给齿轮箱传动比计算163.3.2横向进给齿轮箱传动比计算163.4步进电机的选型173.4.1纵向进给步进电机173.4.2横向步进电机213.4.3 计算步进电机空载启动频率和工作时的频率244 数控系统硬件电路设置244.1 数控系统基本硬件组成244.2 选择 CPU 的类型254.3 74LS138 CPU 和存储器264.4 I/O接口电路264.5 软件环行分配器274.6 控制系统274.7 其它辅助电路28参考书目29致 谢30外文翻译31引言 随着市场经济的不断发展，特别是我国加入以后，企业要在当前市场需求多变、竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量的生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。而且我国存在大批普通机床，利用数控系统改造机床是提高产品质量、提高生产效率,提高旧设备利用率，推广机电一体化技术的重要手段。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，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0 01至0 02，已能满足普通零件的精度要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。普通车床应用微机控制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。1 概述1.1 毕业设计的目的通过毕业设计，学习系统地综合运用知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解，并且在设计过程中扩大和补充了知识面，使对知识的认识提高到一个新的水平。通过毕业设计，培养调查研究的习惯和能力，练习查阅资料，合理选择计算标准，建立正确的设计和科研思想，加强科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。1.2 设计任务将一台普通C620车床改造为经济型数控机床，利用微机对纵、横进给系统进行开环控制，驱动元件采用直流步进电机，传动机构采用滚珠丝杠，设计控制电路图。1.3 设计的必要性随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此，对机床的要求不仅要具有较高的精度和生产率，而且还要能适应产品零件的变换。生产的需要促使了数控机床的发展。从第一台数控机床问世至今，世界上主要的工业化国家的数控机床已进入批量生产。随着我国加入WTO，我国数控技术的普及和发展显得更加迫切和需要。这种情况下，普通机床的数控改造十分必要，可以从以下几点说明：1.3.1 数控改造目的数控改造一般指对不同机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。其改造的目的有以下几点：(1)从提高资本效率出发，改造闲置旧设备，发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值；(2)为提高生产效率；(3)为适应多品种，小批量零件的生产；(4)有广泛的适应性和较大的灵活性；(5)为减小整个设备投资计划。1.3.2 数控改造的优点(1)稳定产品质量；(2)减少辅助加工时间，提高机床生产效率；(3)降低工人技术等级的要求；(4)可充分利用原有机床设备，费用低；(5)数控改造周期短，可满足生产急需。2总体方案设计2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择选用连续控制系统。由于本机加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。在该系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的，输入装置把信号输给数控装置，经数控装置运算后分配出指令脉冲，通过步进电机驱动工作台移动。由于该系统无位置和速度检测装置，因此，它的精度主要由步进电机的步距角和与之相连的丝杠等传动机构的传动精度决定。2.2 计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高,成本低，可靠性好，功能强，速度快，运用灵活，抗干扰能力强，适应温度范围宽，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分，RAM、ROM、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、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，采用数码管显示器显示加工数据及机床状态等信息。2.3 机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后，再带动丝杠，为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要消除齿侧间隙。2.3.1纵向滚珠丝杠纵向滚珠丝杠的步进电机可布置在机床的任意一端。拆除原机床纵向进给部分的进给箱，溜板箱，滑动丝杠，光杠，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。这里选用W1L4506型外循环插管式滚珠螺母副。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置上，在丝杠的左端采用一对深沟球轴承和一对推力球轴承，在丝杆的右端采用一个深沟球轴承和一个推力球轴承。支承短轴与滚珠丝杠的右端通过联轴套和减速器的输出轴联结起来。在丝杠托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支承，减速箱固定在丝杠托架上。丝杠中间支承为滚珠螺母，其与床鞍直接联结。这种改造能减少改造工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给总体刚度增加。2.3.2横向滚珠丝杠横向进给部分也采用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，横向齿轮减速箱和步进电机一般都安装在床鞍的右端，滚珠丝杠须用盖板保护，并拆除原来的方刀架，换为自动回转刀架，由计算机控制，根据程序自动转位、夹紧。电机经两对齿轮减速后传动滚珠丝杠螺母副，这里选用W1L2505型外循环插管式滚珠螺母副，滚珠丝杠左端支承采用一对深沟球轴承，右端采用一对深沟球轴承和一对推力球轴承。装配时应注意使齿轮箱体中的丝杠中心与床尾轴承座中心线安装基面尺寸一致，以保证水平面内丝杠与导轨平行。齿轮箱体在床身上安装螺钉的位置与床尾轴承座螺钉在床身上的安装位置也须根据床身的具体情况确定，以保证在垂直面内丝杠与导轨平行。为保证滚珠丝杠传动平稳、轻快，必须使滚珠丝杠螺母座与丝杠两端支承同轴，装配时可以修磨垫片来保证螺母座在水平面内与两端支承同轴。垂直面内的同轴度靠螺钉的过孔来调整，调好后，打入销钉。2.3.3总体方案如图2-1： 图2-1 总体方案框图 3进给伺服系统设计将一台C620普通车床改造为经济型数控车床，采用MCS-51系列单片机作为控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下最大加工直径： 在床面上 400mm在床鞍上210mm加工最大长度： 1000mm溜板及刀架重力：纵向: 1000N 横向: 600N刀架快进速度： 纵向：2.4 m/min 横向：1.2 m/min最大进给速度： 纵向：0.6 m/min 横向：0.3 m/min主电机功率： 7.5kw起动加速时间： 30 ms机床定位精度： 0.015 mm此机床进给伺服系统运动及动力计算如下：1）脉冲当量选取纵向：0.01 mm/脉冲横向：0.005 mm/脉冲2）切削力的计算由于改造的是通用车床，所以切削力选择的范围如下(1)纵车外圆：主切削力Fz(N)按经验公式估算： Fz=0.67Dmax=0.674001.5= 5360NDmax车床床身上加工最大直径按切削力各力比例 Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 Fx=53600.25=1340NFy=53600.4=2144N(2)横向端面：主切削力Fz(N)可取纵切的1/2Fz=1/2Fz=2680 N此时走刀抗力Fy(N)，吃刀抗力为Fx(N)。仍按上述比例粗略计算：Fy=26800.25=670NFx=26800.4=1072 N(3)滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠循环选型：由于是经济性数控机床，要考虑其性能价格比。因此，选用外循环插管式滚珠丝杠。3.1纵向进给伺服系统3.1.1 计算进给牵引力Fm(N) 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力Fx 以及溜板、刀架和切削分力作用在导轨上的摩擦力。C620车床的两条纵向导轨，属于综合型导轨，因此，计算公式可确定如下：纵向： F=KFx +f( Fz +G) =1.51340+0.16(5360+1000)=2558.6NK考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨K取1.5；f滑动导轨摩擦系数，0.150.18，取0.16；G溜板及刀架的重力，纵向G=1000N。3.1.2 计算最大动载荷C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的轴负荷作用下，丝杠在回转10000转后，再它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即为该丝杠所承受的最大动负载C L 寿命以106转为1单位；n 滚珠丝杠转速；L0滚珠丝杠导程，L0取6mm；T为使用寿命，T=15000h；F运转系数， F=1.2；Vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2 1/3,此处取Vs =0.6mm/s。所以 查表得出滚珠丝杠螺母副W1L4506型外循环螺纹的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为17100N,精度等级取3级。3.1.3 滚珠丝杠螺母副的传动效率计算 r 丝杠螺旋升角，W1L4506型=；摩擦角，滚珠丝杠副其摩擦角约为。3.1.4 刚度验算纵向进给滚珠丝杠支承方式如图3-1所示：图3-1 纵向进给滚珠丝杠支承方式最大牵引力为2558.6N，支承间距=1500mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3,为852.87N。(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量1 （mm）L=1500 mmFm=2558.6 N， D0=40 mm由表查得：L/L0=1.2510-5=0/L0L =1.2510-51500=1.87510-2 mm由于采用推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可提高4倍，其实际变形量1 （mm）1=1/4=1/41.87510-2=0.4510-2 mm (2) 滚球与螺纹滚道间的接触变形2（mm）此项在总变形中也占有较大的比重，查表知1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q，Q=6.4m,因进行了预紧，其变形量可减少一半，2=1/2Q=1/26.4=3.2 m(3) 支承滚球丝杠的轴承的轴向接触变形3（mm）采用51207型推力球轴承，滚动体直径do =6.35 mm，滚动体数量Z=18， d=35 mm因施加了预紧力，故3=1/2c=1/20.0076=0.0038 mm根据以上计算=1+2+3=0.0045+0.0032+0.0038=0.0115mm，可以满足要求。考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量，应该选稍大转矩的步进电机，以留有一定的余量。另一方面，与国内同类型机床进行类比，决定采用150BF002步进电机。但从图中看出，150BF002步进电机最高起动频率为2800Hz，不能满足 (4000 Hz)的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降程序来解决。2) 校核步进电机转矩(1)等效转动惯量计算计算简图见图3-1，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量()可由下式计算：= JM+ J1+(Z1/Z2)2(J2+ Js)+G/g(L0/2)2 JM步进电机转子的转动惯量()； J1，J2齿轮Z1、Z2的转动惯量()； Js滚珠丝杠转动惯量()。参考同类型机床初选反应式步进电机150BF002，其转子转动惯量 JM=10J1=0.7810-3l1=0.7810-36.442=2.62 J2= 0.7810-3l2=0.7810-3842=6.39 Js= 0.7810-344150=29.952G=1000N代入上式：= JM+ J1+(Z1/Z2)2(J2+ Js)+G/g(L0/2)2=10+2.62+(32/40)2(6.39+29.952)+1000/9.8()=36.475考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题：JM/ J=10/36.475=0.274基本满足惯量匹配要求。(2) 电机力矩的计算a快速空载起动时所需力矩M起 M起=Mamax+ Mf+ M0Mamax空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩()；Mf折算到电机轴上的摩擦力矩()；M0折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 电机最大角加速度（rad/s2）；电机最大转速 (r/min)；运动部件最大快进速度（mm/min）；P脉冲当量（mm/步）；b步进电机的步距角（）；t0运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间（s）代入上式得 折算到电机轴上的摩擦力矩：F0导轨的摩擦力(N)；F垂直方向的切削力(N)；G运动部件的总重量(N)；导轨摩擦系数； i 齿轮降速比，按i=计算；传动链总效率，一般取0.750.85。折算到电机轴上的附加摩擦力矩M0 ： 滚珠丝杠预加负荷，一般取1/3 F；传动总效率；一般可取=0.70.85，此处取0.8；滚珠丝杠的传动效率，一般取0.9，此处取0.9。以上三项合计：b快速移动时所需力矩：c 最大切削负载时所需力矩M切 由上面的计算可以看出：M起，M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以作为初选步进电机的依据。由资料查得当步进电机为五相十拍时=Mq / Mjmax=0.951最大静力矩 Mjmax=749/0.951=787.6由资料知150BF002型步进电机的最大静力矩为13.72大于所需最大静转矩，可作为初选型号。150BF002运行矩频特性性f(Hz)M()100005000490.3980.71225.888.88f(Hz)M()20001000196.1392.3588.1150BF002起动矩频性特性图3-5 150BF002型步进电机矩频特性从图3-5中看出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz运行频率为8000Hz，有图3-5知当步进电机起动时f起=2500Hz时，M=100，远不能满足此机床所需要的空载起动力矩（749）。直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动力矩可增加到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机完全可以满足要求。3.4.2横向步进电机1) 等效转动惯量的计算计算简图见图3-2传动系统折算到电机轴上的总的转动可由下式计算：JM步进电机转子的转动惯量；Js滚珠丝杠转动惯量；J4齿轮Z4的转动惯量；J1、J2、J3、齿轮Z1、Z2、 Z3的及其轴的转动惯量。参考同类型机床，初选步进电机130BF001，其转子转动惯量JM=4.7 =8.4156 考虑步进电机与传动惯量匹配问题JM/ J=4.7/8.4156=0.56，基本满足惯量匹配要求。 2) 电机力矩计算(1)快速起动空载力矩M起M起Mamax空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩()；Mf折算到电机轴上的摩擦力矩()；M0丝杠折算到电机轴上的附加摩擦力矩()。电机最大角加速度（rad/s2）；电机最大转速 (r/min)；运动部件最大快进速度（mm/min）；P脉冲当量（mm/步）；b步进电机的步距角（）；t0起动加速到最大快进速度所需时间30s。代入上式得折算到电机轴上的摩擦力矩F=(+G)F0导轨的摩擦力(N) ；垂直方向的切削力(N) ；G运动部件的总重量(N) ；导轨摩擦系数；i 齿轮降速比，按。附加摩擦力矩 (2) 快速移动时所需力矩M快 (3)最大切削负载时所需力矩M切M切从上面计算可以看出：M起、M快和M切中以空载起动所需力矩最大，以此作为初选步进电机的依据。从表查出，当步进电机为五相十拍时，最大静力矩：按此最大静力矩，从图3-6中查出，130BF001型最大转矩为9.31，大于所需最大静转矩，可作为初选型号。3.4.3 计算步进电机空载启动频率和工作时的频率 运动部件最大快速进给速度；最大切削进给速度；脉冲当量。从图3-6查出，130BF001型步进电机允许的最高空载起动频率为3000Hz，不能满足(4000 Hz)的要求。此时空载起动转矩不满足此机床所需要求的空载起动转矩，会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动转矩可增加到400，然后电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出转矩扩大一倍左右。240020001000392.33784.5f(Hz)M()130BF001型起动矩频特性196.1588.1M()f(KHz)24490.3980.7130BF001型运行矩频特性xing xing 性 xing性6 88图3-6 130BF001型步进电机矩频特性当快速运动和切削进给时，130BF001步进电机完全可以满足要求。4 数控系统硬件电路设置4.1 数控系统基本硬件组成 数控系统是由硬件和软件两部分组成的，硬件是组成系统的基础。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。它有以下五个部分组成：(1)主控制器，即中央处理单元；(2)总线，包括数据总线，地址总线和控制总线；(3)存储器，包括数据存储器和程序存储器；(4)接口，即I/O接口电路；(5)外围设备，如键盘，显示器及光电输入器等。其中 CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和协调控制各部分电路工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存储器，I/O接口及其它转换电路的联接纽带，是CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。4.2 选择 CPU 的类型在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：(1)时钟频率和字长，该指标将控制数据处理的速度；(2)可扩展存储器的容量；(3)指令系统功能；(4)I/O扩展指令能力，即对外设控制的能力；(5)开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外，还要考虑到系统的应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济性的要求。基于此，采用8031单片机，它具有以下特点：(1)具有功能强的8位 CPU； (2)片内有时钟发生器，每执行一条指令的时间为2微秒或1微秒；(3)片内有128字节 RAM；(4)具有21个特殊功能寄存器；(5)可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的程序存储器；(6)具有4个I/O接口，32根I/O线；(7)具有2个16位T/C；(8)具有5个中断源，配备2个终端优先级；(9)具有1个全功能串行接口；(10)具有位寻址功能，使用逻辑计算。从上述特性可知，8031芯片集成度高，功能强，适用与扩展 ROM、现场修改和更新程序存储器的应用场合。它价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。4.3 74LS138 CPU 和存储器CPU 采用8031芯片，由于8031芯片内无程序存储器，需要有外部程序存储器的支持。同时，8031内部只有128字节的数据存储器，也远不能满足控制系统的要求，故扩展了16KB程序存储器，由两片2764组成，又扩展了一片6264数据存储器。8031芯片的和用来传送外部存储器的地址和数据，口传送高8位地址，口传送低8位地址和数据，故采用74LS373地址锁存器，锁存低8位地址，ALE 作为其选通信号，当ALE为高电平，锁存器的输出和输入透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需锁存。当ALE从高电平变低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不再随输入变化，这样口就可以用来传送读写的数据了。8031芯片的口和74LS373送出的口共组成16位地址，2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址线。低8位接74LS373芯片的输出，接芯片的。系统采用全地址译码，2片2764芯片片选信号分别接74LS138译码器的和,系统复位后程序从0000H开始执行。6264芯片的片选信号接74LS138的。8031芯片的引脚接2764的，以实现外部数据存储器的读写。由于8031芯片内部无ROM，故始终要选外部程序存储器，故其必须接地。4.4 I/O接口电路由于8031只有口和口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入、输出口的需要，因而系统必须扩展输入、输出接口电路。系统扩展了2片8155可编程I/O接口芯片。74LS138译码器有3个输入A、B、C分别接8031的、，输出，低电平有效。74LS138还有3个使用端，其中2个（和）为低电平，另一个为高电平。只有当端口处于有效电平时，输出才能产生，否则，输出属于高电平无效状态。存储器及I/O地址编码见表4-1。4.5 软件环行分配器步进电机采用软件环行分配器。虽然运行速度没有硬件环行分配器快，但可以节省两个硬件环行分配器专用芯片，且电路较简单。由于C620普通车床纵向最大加工直径为400mm，规格较小，故Z向进给系统采用150BF002型五相十拍工作方式，X向进给系统采用130BF001型五相十拍工作方式。由8155（2）的PA口输出，经光电隔离电路，功率放大电路直接驱动电机4.6 控制系统当需要自动回转刀架换刀时，由8155（1）的发出换刀位信号，控制刀架电机回转，到达指定的刀位。刀架卡紧后，发出换刀回答信号，经8155（1）的输入计算机，控制刀架进给。当加工螺纹时，由与主轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹信号和零位螺表4-1 存储器及I/O地址编码芯片接74LS138引脚地址选择线片 内地 址单 元地址编码2764（1）0008K0000H-1FFFH2764（2）0018K2000H-3FFFH62640018K4000H-5FFFH8155（1）RAM1 0 0 1 1 1 1 02567E00H-7EFFFI/O1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 167FF8H-7FFDH8155（2）RAM1 0 0 1 1 1 1 02569E00H-9EFFHI/O1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 169FF8H-9FFDH纹信号，分别送入8031的和8155（1）的。通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺纹，零位螺纹信号防止螺纹乱扣。4.7 其它辅助电路此控制系统中设有报警电路、急停电路、复位电路、光电隔离电路、功率放大电路等。8155（1）的面板上设有选择开关，分别为编辑、空运行、自动、手动1、手动2、回零方式。8155（2）上的这6根线是键盘扫描输入，8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的，为高电平。参考书目1周开勤.机械零件设计手册M.北京：高等教育出版社,2001.12文怀兴,夏田.数控机床系统设计M.北京：化学工业出版社，2005.63卜文峰.机械工程及自动化简明设计手册（下册）M.北京：机械工业出版社，2000 .54濮良贵、纪名刚.机械设计（第七版）M.北京：高等教育出版社,2003.45郝忠军,雷晓铃.综合作业指导书M.机械部工程师进修大学电气学院，1995.46明兴祖.数控机床与系统M.北京：中国人民大学出版社, 2000.107王永章.机床的数控技术M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2000.18杨文龙主编.单片机原理及应用M.西安西安电子科技大学出版社, 20039戴曙.金属切削机床M.北京：机械工业出版社，2007.210张琳娜.精度设计与质量控制M.中国计量出版社, 1997.811龚桂义.机械设计课程设计指导书M.北京：高等教育出版社,200112王爱玲.现代数控机床M.北京：国防工业出版社2003.413杨叔子.机械加工工艺师手册M.北京：机械工业出版社2001.814徐灏.机械设计手册（第二版）M北京：机械工业出版社2000.615 J P Kuilboer,N Ashrafi, Software Process and Produt ImprovementJ. An Empirical Assessment,2000.4 16 J P Kuilboer,N Ashrafi, Software Process and Produt ImprovementJ. An Empirical Assessment,2000.4 17Frederick M Proctor James S Albums,Open-architecture Controllers. IEEE SPECTRUM JUNE 1997致 谢在指导老师刘军老师的悉心指导下，帮助我解决问题，让我顺利完成了这次毕业设计，从中我也发现了自己的不足以及知识结构的不完善，并让我明白在学习中只有与同学相互合作、相互帮助才能克服困难。在这次毕业设计中，刘老师认真负责、渊博的学识及耐心的育人态度，令我感到敬佩，对此深表谢意！最后，感谢在百忙之中辛苦批阅论文的老师！31仿真技术在制造业中的应用与发展 摘要 在制造企业产品设计和制造的过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。制造业竞争的日趋激烈，促使各国研究和应用先进制造技术。先进制造技术的应用和发展，为计算机仿真的应用提供新的舞台，提出更高的要求。从发展的历程来看，仿真技术应用的领域空前的扩大，已从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）扩展到产品设计开发和销售领域。而与网络技术结合所带来的仿真的分布性、与图形和传感器技术相结合所带来的仿真的交互性、以及仿真技术应用的集成化，是仿真技术在制造业中应用的新趋势。按照仿真技术应用的对象不同，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真；面向制造工艺和装备的仿真；面向生产管理的仿真；面向企业其它环节的仿真。本文将从以上四个方面，介绍计算机仿真在制造业中的具体应用。本文最后还介绍了虚拟现实和拟实制造的概念，作为计算机仿真在制造业中应用的展望。关键词：仿真技术应用，制造业1 制造技术的发展历程制造业（包括机械制造、电子制造、非金属制品制造、成衣制造以及各种型材制造等部类）是国民经济的支柱产业，其生产总值一般占各国国内生产总值的20%55%。在各国的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。所以有的专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，各国政府都非常重视对制造业的研究。为了改进以T（开发周期）、Q（产品质量）、C（开发成本）、S（售后服务）、E（环境污染程度）为主要衡量指标的产品及产品开发过程，美国在80年代末提出了包括系统总体技术、管理技术、设计制造一体化技术、制造工艺与装备技术、支撑技术五大技术群在内的先进制造技术（AMT：Advanced Manufacturing Technology）的概念。经过十余年的发展，五大技术群的内容到现在已大大丰富，其具体含义如下：系统总体技术群：研究如柔性制造、计算机集成制造、敏捷制造、智能制造等先进制造技术的设计、规划、集成等总体技术。管理技术群：研究与制造企业的生产经营和组织管理相关的各种技术，如计算机辅助生产管理、物料需求计划/制造资源计划/企业资源计划、供应链管理、全面质量管理、准时制造、精良生产、企业经营过程重构等技术。设计制造一体化技术群：研究与产品设计、制造、直到检测等全过程相关的各种技术，如并行工程、计算机辅助设计/计算机辅助工程/计算机辅助制造、拟实制造、可靠性设计、智能优化设计、质量功能配置、数控技术、物料储运、自动控制、检测监控、以及质量保证等技术。制造工艺与装备技术群：研究与制造工艺及装备相关的各种技术，如材料生产工艺及装备（冶炼、轧钢等）、常规加工工艺及装备（铸造、锻造、焊接、热处理等）、少无切削加工工艺及装备、高速超高速加工工艺及装备、精密超精密与纳米加工工艺及装备、特种加工工艺及装备（激光、电子束等）。支撑技术群：这一技术群是以上技术群赖以生存并不断取得进步的相关技术，如标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、多媒体技术、网络通信技术、人工智能、虚拟现实技术、材料科学、人员教育和培训、人机工程学、环境科学等。以上涉及的主要制造技术的发展历程及其在产品生命周期中所应用的阶段从市场需求形成开始，经过概念设计（外形、特征、材料、价格、批量）、初步（总体）设计、详细（部件）设计、工艺设计、生产计划制定（材料采购）、生产（加工、装配、测试），一直到销售、维护，涉及企业的各个部门。通过对先进制造技术的研究与应用，大大提高了产品的质量和生产效率。2计算机仿真的发展及在制造业中应用的概况计算机仿真技术作为一门新兴的高技术，其方法学建立在计算机能力的基础之上。随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速的发展，其应用领域及其作用也越来越大。尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。在从产品的设计到制造以至测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术贯穿始终（图1中的阴影部分代表仿真技术的应用，进一步归纳为表1）。从发展的历程来看，仿真技术应用的领域从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）正向产品设计开发和销售领域扩展。总的来说，先进制造技术的发展，为计算机仿真的应用提供了新的舞台，也提出了更高的要求，目前仿真技术的应用具有以下特点和趋势：1) 仿真技术的应用范围空前的扩大了。在仿真的对象及目的方面，已由研究制造对象（产品）的动力学特性，运动学特性，研究产品的加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到制造企业的各个方面；2)与网络技术结合所带来的仿真的分布性。仿真的分布性是由制造的分布性决定的。敏捷制造、虚拟企业等概念本身就有基于网络实现异地协作的含义； 3) 与图形和传感器技术相结合，使仿真的交互性大大增强。并由此形成了拟实制造（VM: Virtual Manufacturing）、虚拟产品开发（VPD: Virtual Product Development）、虚拟测试（VT: Virtual Test）等新概念；4)仿真技术应用的集成化。即综合运用仿真技术，形成可运行的产品开发和制造环境。就仿真技术应用的对象来看，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真；面向制造工艺和装备的仿真；面向生产管理的仿真；面向企业其它环节的仿真。在本文的第三部分中，将从以上四个方面，介绍计算机仿真在制造业中的具体应用。除此以外，虚拟现实和拟实制造的概念，集中体现了仿真技术应用的分布、交互和集成化趋势，所以简单加以介绍，作为计算机仿真在制造业中应用的展望。3计算机仿真在制造业中的具体应用3.1 面向产品的仿真面向产品的仿真主要包括以下方面：1)产品的静态、动态性能的分析。产品的静态特性主要指应力、强度等力学特性；产品的动态特性主要指产品运动时，机构之间的连接与碰撞；2)产品的可制造性分析（DFM）。DFM包括技术分析和经济分析。技术分析根据产品技术要求及实际的生产环境对可制造性进行全面分析；经济分析进行费用分析，根据反馈时间、成本等因素，对零件加工的经济性进行评价。3)产品的可装配性分析（DFA）。DFA分析装拆可能性，进行碰撞干涉检验，拟定出合理的装配工艺路线，并直观显示装配过程和装配到位后的干涉、碰撞问题。参考文献16描述了装配工艺规划仿真原型系统的构造与实现。3.2面向制造工艺和装备的仿真面向制造工艺和装备的仿真主要指对加工中心加工过程的仿真和机器人的仿真。、加工过程仿真（MPS）：由NC代码驱动，主要用于检验NC代码，并检验装夹等因素引起的碰撞干涉现象。其具体功能包括：1)仿真加工设备及加工对象在加工过程中的运动及状态；2)加工过程仿真的每一步均由NC代码驱动；3)零件加工过程具有三维实时动画功能，当发现碰撞时，会发出报警。参考文献15介绍了应用于并行工程中的MPS系统的结构、关键技术和主要算法。机器人的仿真：随着机器人技术的迅速发展，机器人在制造系统中也得到了广泛的应用。然而由于机器人是一种综合了机、电、液的复杂动态系统，使得只有通过计算机仿