毕业设计说明书

密级：科学技术学院NANCHANGUNIVERSITYCOLLEGEOFSCIENCEANDTECHNOLOGY学士学位论文THESISOFBACHELOR（20—20年）题目用微机数控技术改造最大加工直径为500毫米一般车床进给系统学科部：理工学科部专业：机械设计制造及其自动化班级：08机制1班学号：34学生姓名：黄佩指导教师：刘旭波起讫日期：至

——用微机数控技术改造最大加工直径为500mm一般车床的进给系统摘要：了解数控机床的概念，所谓数控是依照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的进程。而运算机数控机床确实是数控机床在运算机监控下进行工作。它的优势很多,如能够在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优势，但它的价钱昂贵。由于我国此刻利用的机床大多数为一般车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决那个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工咱们选择机床经济型数控改造。整体设计方案：在一般车床上采纳适合现场实时操纵的80C51单片机为操纵器，以运行特性好、靠得住性高的步进电机为驱动执行元件进行数控改造。关键词：数控、车床、改造、80C51单片机；步进电机；Abstract:NumericalControl(NC)isanymachiningprocessinwhichtheoperationsareexecutedautomaticalluinsequencesasspecifiedbytheprogramthatcontainstheinformationforthetoolmovement.WhenNumericalControlisperformedundercomputersupervision,itiscalledComputerNumericalControl(CNC).CNCmachineshavemanyadvantagesoverconventionalmachines.Forexample,thereisapossibilitylfperformingoperationsonthesamemachineinonesetupandproductionissignificantlyincreased.Oneofitsdisadvantagesisthattheyarequiteexpensive.Inourcountryconventionalmachineisusedwidely.Soifthemachinesarereplaced,thereisgoingtoneedalargemoney.Inordertoagreewiththedevelopmentofoureconomy,wecanreformtheconventionalmachines.Theoverallmasterdesign:ThewaytoNCimprovementofgeneralmachinetoolwasintroducedthatusingsingle-chipcomputer80C51torealizethereal-timecontrolanddrivingbystepmotor.Keyword:NumericalControl、machining、improvement、single-chipcomputer80C51、stepmotor；

前

言

数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国此刻经济水平的进展要求。

本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。

设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。

随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。第一章：绪论§1毕业设计的目的：毕业设计是培育咱们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它系统的查验了咱们是不是是合格的毕业生。它通过对机床数控系统设计整体方案的拟定，进给伺服系统机械部份结构设计、计算操纵系统硬件电路的设计和数控机床加工程序的编制，使咱们综合运用所学的机械、电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练，从而培育了咱们具有加工编程能力，初步设计计算的能力和分析和处置生产中所碰到的机电方面技术问题的能力。§2毕业设计的内容：一、微机数控系统整体设方案的拟定：

（1）系统运动方式的确定

（2）伺服系统的选择。

（3）执行机构传动方式的确定。

（4）计算机的选择。

2、进给伺服系统机械部分设计计算：

（1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。

（2）确定脉冲当量。

（3）滚珠丝杠螺母副的选型。

（4）滚动导轨的选型。

（5）进给伺服系统传动计算。

（6）步进电机的计算和选用。

（7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。

（8）设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图。

3、微机控制系统的设计：

（1）控制系统方案的确定及框图绘制。

（2）MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用。

（3）I/O接口电路及译码电路的设计。

（4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。

4、数控加工程序的编制：

（1）零件工艺分析及确定工艺路线。

（2）选择数控机床设备。

（3）确定对刀点。

（4）选择刀具。

（5）确定切削用量。

（6）编制加工程序。

5、直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制。第二章微型数控系统整体设计方案的拟定：§一、毕业论文的要求和内容（包括原始数据、技术要求、工作要求）1.课落款称：用微机数控技术改造最大加工直径为400毫米一般车床的进给系统2.设计任务与要求：要紧技术参数：最大加工直径（mm）：在床身上：500在床鞍上：260最大加工长度（mm）：750----1000溜板及刀架重量（N）：纵向：1100横向：550刀架快移速度（m/min）：纵向：2横向：1最大进给速度（m/min）：纵向：横向：最小分辨率（mm）：纵向：横向：定位精度（mm）：主电机功率（KW）：起动加速时刻（ms）：30设计的要求1）CNC系统的主CPU既可采纳8031单片机也可用系统机。2）两个坐标的进给伺服系统既查采纳步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动。3）所编的零件加工程序应符合ISO标准的有关规定。既可用手工也可用UG等软件编程。4）所绘制的机械装配图和硬件电路原理图要求正确、合理、图面整洁、符合标准。5）所编写的软件应在运算机上进行汇编和通信等。6）说明书应简明扼要、计算准确、层次清楚、图文并茂并全数用运算机打印后装订成册§二、整体方案的确信一、系统的运动方试与伺服系统的选择：

由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到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。

2、计算机系统：

根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系统的最小系统用一片80C51外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。操纵系统由微机部份、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组成，系统的加工程序和操纵命令通过键盘操作实现，显示器采纳LCD液晶显示器显示加工数据及机床状态等信息。3、为了实现机床所要求的分辨率，采纳步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为了保证必然的传动精度和平稳性，尽可能减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和排除间隙，采纳有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采纳排除齿侧间隙的结构。系统整体方案框图见图（1）图（1）第三章、机床进给系统机械部份设计计算：伺服系统机械部份设计计算内容包括：确信系统的负载，确信系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确信伺服电机，绘制机械部份装配图及零件工作图等。现分述如下：§1系统脉冲当量及切削力的确信脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个大体技术参数。经济型数控车床、铣床常采纳的脉冲当量是~脉冲,依照机床精度要求确信脉冲当量：纵向：step；横向：step§2切削力的计算一、纵车外圆：主切削力FZ（N）由体会公式（1）估算：…………式（1）而……………式（2）取，那么，取，那么进给抗力X向和Y向依照体会公式（3）（4）确信…………式（3）…………式（4）那么得：

2、横切端面：主切削力可取纵切的一半，即

现在走刀抗力，吃刀抗力仍然按上述体会公式粗略计算：那么得：§3、滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型（一）纵向进给丝杠：

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屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力，因而其数值大小和导轨的形式有关。本次设计纵向进给为综合型导轨，则按以下公式确定：……式（5）式中：K—考虑颠覆力矩阻碍的实验系数，综合型导轨取K=—滑动导轨摩擦系数：~，取=G—溜板及刀架重力，由已知G=1100N代入得：2.计算最大动负载Q选用滚珠丝杠副的直径时，必需保证在必然轴向负载作用下，丝杠在回转100万（）转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。那个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能经受的最大动负载C，计算如下：

……………式（6）………式（7）

…………式（8）式中：—为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程Lo=6mm；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,此处为min;

T-使用寿命,按15000h;

fw-运转系数,按一般运转取fw=~;此处取fw=；

L-寿命以转为1单位.那么：3.滚珠丝杠螺母副的选型：查阅《数控机床系统设计》中附表1，可采纳W1L2506外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列圈,其额定动负载为1310N,精度品级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级)

4.传动效率计算

η=tanγ/tan(γ+φ)

式中：γ—螺旋升角,W1L2506的螺旋升角γ=4°22′

φ—摩擦角取10′转动摩擦系数~

则：η=tanγ/tan(γ+φ)=tan4°22′/tan(4°22′+10′)=5.刚度校核先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如以下图（2）所示：图（2）纵向进给滚珠丝杠支承方式草图那么：…………式（9）支承间距L=1160mm，最大轴向力为2332N，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。（1）、丝杠的拉伸或紧缩变形量，，，……式（10）对刚：………式（11）丝杠导程的转变量：………式（12）总长度L=1160mm，丝杠上的变形量，由于两头均采纳推力球轴承，那么值：（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形：由承载滚珠数量……式（13）由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力为轴向载荷的1/3，那么变形：（3）滚珠丝杠总的弹性变形量：依照以下体会公式：……………………式（14）那么可得：（4）定位误差因此，知足要求。（二）横向进给丝杠：1.计算进给轴向力横向导轨为双燕尾形，有如下计算式：…………式（15）式中：K—考虑颠覆力矩阻碍的实验系数，综合型导轨取K=；—滑动导轨摩擦系数：取=；G—溜板及刀架重力，由已知G=550N

则代入已知得：2.计算最大动负载Q计算如下：

……………式（6）………………………式（7）

…………式（8）式中：—为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程Lo=6mm；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,此处为min;

T—利用寿命,按15000h;

fw—运转系数,按一样运转取fw=~;此处取fw=；

L—寿命以转为1单位.那么：3.滚珠丝杠螺母副的选型：查阅《数控机床系统设计》中附表1，可采纳W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列圈,其额定动负载为8800N,精度品级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级)

4.传动效率计算

η=tanγ/tan(γ+φ)

式中：γ—螺旋升角,W1L2005的螺旋升角γ=4°30′

φ—摩擦角取10′转动摩擦系数~

则：η=tanγ/tan(γ+φ)=tan4°30′/tan(4°30′+10′)=5.刚度校核先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草图，如以下图（3）所示：图（3）、横向进给滚珠丝杠支承方式草图则………式（9）支承间距L=530mm，最大轴向力为1919N。（1）、丝杠的拉伸或紧缩变形量依照：，，，对刚：，总长度L=1160mm，丝杠上的变形量：（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形：由，由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力为轴向载荷的1/3，那么变形：（3）滚珠丝杠总的弹性变形量：依照以下体会公式：………………式（14）那么可得：（4）定位误差显然，变形量已大于定位精度（）要求，应该采取相应的方法修改，因横向溜板限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采纳贴塑导轨（），减小摩擦力，从而减小轴向力，依照式（16）从头计算如下：现在的变形量为：那么定位误差为：仍不能知足精度要求。若是将顾主丝杠再进行预拉伸，那么丝杠刚度可提高四倍，那么定位误差为：知足要求。（三）纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数：其几何参数见表1名称符号W1L2506W1L2005螺纹滚道公称直径2520导程65接触角钢球直径滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹直径螺母内径§4进给伺服系统传动计算1.齿轮传动比计算(纵向进给齿轮箱传动比计算)

（1）,已确信纵向进给脉冲当量,滚珠丝杠导程,初选步进电机步距角°,可计算出传动比i

………………式（17）

可选定齿轮齿数为:

由齿轮传动比i=2/3，能够选定齿轮齿数为:=24和=36或=28和=42，初选=28和=42的齿轮。有关参数如表2。

齿数284224402030分度圆d=mz568448804060齿顶圆da=d+2m608852844464齿根圆df=517943753555齿宽(6-10)m202020202020中心矩A=(d1+d2)/2706450

2.齿轮齿数及技术参数计算出传动比i后,降速级数决定采纳一对齿轮降速,因为进给伺服系统传递功率不大,一样取ｍ=1~2,数控车床,铣床取ｍ=2,此设计中取ｍ=2。

为了消除齿轮侧隙，此作业中采用双片齿轮。§5步进电机的计算和选用（一）纵向机构步进电机选型：

1.计算步进电机负载转矩Tm

………………式（18）

式中:—脉冲当量(mm/step);

—进给牵引力(N);

—步距角,初选双拍制为°;

2.初选步进电机型号

根据=在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56BYG250E-SASSBL-0601，其中，,维持转矩为

3.等效转动惯量计算

根据简图，即图（1），传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量

运动件的转动惯量可由下式计算:

式中，—齿轮,的转动惯量()

—滚珠丝杠转动惯量()

=

式中D—圆柱体直径(cm);

L—圆柱体长度(cm);

代入上式:

4.电机转矩计算

机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:

1)快速空载起动惯性矩在快速空载起动时期，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下：……………………式（19）………………式（20）又：………式（21）代入得：折算到电机轴上的摩擦力矩:……式（22）式中：η—传动链总效率,一样可取~此处取;i—传动比;

附加摩擦力矩：………………式（22）式中：η—传动链总效率,一样可取~此处取;i—传动比;

Fpo—滚珠丝杠预加负荷,一样取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N);

ηo—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一样取≥,此处取ηo=因此：

2)快速移动所需力矩

………式（23）=51+=

3)最大切削载时所需力矩……………式（24）

从上面计算能够看出、、三种工况下,以最大切削载时所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时，=故最大静力矩Mjmax==N•m，而电机维持转矩为最大静力矩Mjmax，等于因此知足要求！但还必需进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率图（4）、56BYG250E—SASSBL—0601混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250E-SASSBL-0601型混合式步进电机运行矩频完全能够知足要求。五、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确信了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，和齿轮齿数、模数、轴承型号以后，就能够够画机械装配图。见附图（一）例如，双片齿轮采纳周向弹簧调整消隙法：如图（5）所示，采纳了可调拉力弹簧调整间隙。在两个薄片齿轮1和2上别离装上耳座3和8，弹簧4的一端钩在耳座3上，另一端钩在耳座8的螺钉7上。用螺母5调剂螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力，调整好后再用螺母6锁紧。弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左、右齿面别离与宽齿轮的齿槽左、右齿侧面贴紧，排除齿侧间隙。（图5）双薄片齿轮周向弹簧调整法一、2-薄片齿轮3、8-耳座4-弹簧5-调剂螺母6-锁紧螺母7-螺钉（二）、横向机构初选步进电机：

1.计算步进电机负载转矩Tm

………………式（18）

式中:—脉冲当量(mm/step);

—进给牵引力(N);

—步距角,初选双拍制为°;

2.初选步进电机型号

根据=在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56BYG250D-SASSBL-0241，其中，,维持转矩为

3.等效转动惯量计算

根据简图，即图（2），计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量运动件的转动惯量可由下式计算:

………………式（25）式中、、、—齿轮、、、的转动惯量()

—滚珠丝杠转动惯量()

=

式中D—圆柱体直径(cm);

L—圆柱体长度(cm);

代入上式:

4.电机转矩计算

机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:

1)快速空载起动惯性矩在快速空载起动时期，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下：……………………式（19）………………式（20）又：………式（21）代入得：折算到电机轴上的摩擦力矩:……式（22）式中：η—传动链总效率,一样可取~此处取;i—传动比;—贴塑导轨摩擦系数，取=附加摩擦力矩：………………式（22）式中：η—传动链总效率,一样可取~此处取;i—传动比;

Fpo—滚珠丝杠预加负荷,一样取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N);

ηo—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一样取≥,此处取ηo=因此：

2)快速移动所需力矩

………式（23）=+=

3)最大切削载时所需力矩……………式（24）

从上面计算能够看出、、三种工况下,以快速空载起动惯性矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时，=故最大静力矩Mjmax=，而电机维持转矩为，大于最大静力矩Mjmax，因此知足要求！但还必需进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率图（5）、56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步进电机运行矩频完全能够知足要求。五、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确信了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，和齿轮齿数、模数、轴承型号以后，就能够够画横向机械装配图。见附图（二）第四章、微机数控系统的设计§1微机数控系统设计的内容(一)硬件电路设计内容硬件是组成系统的基础,也是软件编制的前提,数控系统硬件的设计包括以下几部份内容：一、绘制系统电气操纵结构框图据整体方案及机械结构的操纵要求，确信硬件电路的整体方案，绘制电气操纵结构图。机床硬件电路由五部份组成：主操纵器，即中央处置单元CPU。总线，包括数据总线、地址总线和操纵总线。存储器，包括程序存储器和数据存储器。接口，即输入/输出接口电路。外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。二、选择中央处置单元CPU的类型CPU的种类很多，在此处选择MCS——51系列单片机中的80C51，因为其集成度高，稳固性、靠得住性好，体积小，而且有很强的外部扩展功能，外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，用户很容易通过标准扩展电路来组成较大规模的应用系统。3、存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程