《毕业论文-普通机床的数控改造.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文-普通机床的数控改造.doc（38页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、用微机数控技术改造最大加工直径为400毫米普通车床的横向进给传动系统摘 要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用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、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。但从目前企业面临的情况看，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失为一种较好的良策，对普通机车进行数控化改造可大大提高原有机车的自动化程度与生产率成本仅为全功能数控机场的1/31/4。本文主要介绍了采用单片机系统加上步进电机驱动系统组成简易的机床计算机数控柜以取代原有的硬件数控柜或用于
2、改造普通机床。首先阐明了数控系统总体方案设计同时给出了总体装配图，随后着重介绍了机床进给系统的机械部分设计和计算和相应的图纸，控制系统利用微机对纵、横向系统开环控制，驱动元件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杆，用单片机8031控机床进给系统的硬件组成及MGLS240128T驱动LCD的显示和整个的硬件设计进行分析，并对相应电路设计进行相关的阐述，接下来介绍下数控机床零件加工程序。关键词: 微机；数控；步进电机；单片机；滚珠丝杆Enters with the microcomputer numerical control technological transformations bigge
3、st processing diameter 500 millimeter horizontal lathe feeding systemAbstractThe numerical control engine bed took the integration of machinery the typical product, is playing the huge role in the mechanical manufacturing industry, solved in well the modern machine manufacture the structure complex,
4、 precise, the batch has been small, the changeable components processing question, also could stabilize the product processing quality, large scale enhanced the production efficiency. But the situation which faces from the present enterprise looked, because the numerical control engine bed price is
5、expensive, the disposable investment compares ambassador the enterprise to have more desire than energy. Our country took the engine bed great nation, does not lose to the ordinary engine bed numerical control transformation is one good brilliant plan, carries on the numerical control transformation
6、 to the ordinary locomotive to be possible to enhance the original locomotive the automaticity and the productivity cost only is greatly the entire function numerical control airport 1/3 1/4. This article mainly introduced uses the monolithic integrated circuit system to add on step-by-steps the mot
7、or-driven system composition simple engine bed computer numerical control cabinet by to substitute for the original hardware numerical control cabinet or to use in transforming the ordinary engine bed. First had expounded at the same time the numerical control system overall plan design has produced
8、 the overall assembly drawing, afterwards introduced emphatically the engine bed enters for the system machine part design and the computation and the corresponding blueprint, the control system use microcomputer to vertical, the crosswise system open-loop control, actuates the part to use direct cu
9、rrent to step-by-step the electrical machinery, the transmission system uses the ball bearing lead screw, 8,031 controls the engine bed with the monolithic integrated circuit to enter actuates LCD for the system hardware composition and MGLS240128T the demonstration and the entire hardware design ca
10、rries on the analysis, and carries on the correlation to the corresponding circuit design the elaboration, meets down under the introduction the numerical control engine bed components processing procedure.Key words: Microcomputer; Numerical control; Step-by-steps the electrical machinery; Monolithi
11、c integrated circuit; Ball bearing lead screw 目 录1245556678888141522222331333435摘要 Abstract 前言 第一章 绪论 1.1 毕业设计的目的 1.2 毕业设计的内容 第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定 2.1毕业论文的要求和内容 2.2总体方案的确定 第三章 机床进给系统机械部分设计计算 3.1 系统脉冲当量及切削力的确定 3.2 切削力的计算 3.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型 3.4 进给伺服系统传动计算 3.5 步进电机的计算和选用 第四章 微机数控系统的设计 4.1 微机数控系统设计的内容
12、 4.2 80C51单片机及其扩展 第五章 数控机床的零件加工程序 心得与体会参考文献 附表：混合式步进电机的相关资料 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，适合我国现在经济水平的发展要求。 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
13、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：毕业设计是培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它系统的检验了我们是否是合格的毕业生。它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计、计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械、电子和微机
14、的知识,进行一次机电结合的全面训练，从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。2 毕业设计的内容：1、微机数控系统总体设方案的拟定：（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
15、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 微型数控系统总体设计方案的拟定1、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.课题名称：用微机数控技术改造最大加工直径为400毫米普通车床的进给系统2.设计任务与要求：主要技术参数：最大加工直
16、径（mm）： 在床身上：400 在床鞍上：210最大加工长度（mm）： 750 - 1000 溜板及刀架重量（N）： 纵向：1000 横向：500 刀架快移速度（m/min）： 纵向：1.6 横向：1 最大进给速度（m/min）： 纵向：0.6 横向：0.3 最小分辨率 （mm）： 纵向：0.01 横向：0.005定位精度（mm）： 0.02主电机功率（KW）： 4.0 起动加速时间（ms）： 30设计的要求1）CNC系统的主CPU既可采用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用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
17、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）所编写的软件应在计算机上进行汇编和通讯等。6）说明书应简明扼要、计算准确、条理清楚、图文并茂并全部用计算机打印后装订成册2、总体方案的确定1、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
18、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。 控制系统由微机部分、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，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用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，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。 系统总
19、体方案框图见图（1）图（1）第三章、机床进给系统机械部分设计计算：伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分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定 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step；横向：0.005mm/step2 切削力的计算1、纵车外圆：主切削力FZ（N）由经验公式（1）估算： 式（1）而式（2）取，则，取，则进给抗力X向和Y向
20、根据经验公式（3）（4）确定 式（3） 式（4）则得： 2、横切端面：主切削力可取纵切的一半，即此时走刀抗力，吃刀抗力依然按上述经验公式粗略计算： 则得： 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考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.15 滑动导轨摩擦系数：0.150.18，取=0.16 G溜板及刀架重力，由已知G=1000N 代入得：
21、2 . 计算最大动负载Q选用滚珠丝杠副的直径时，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即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 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1/21/3,此处为0.3m/min; T-使用寿命,按15000h; fw-运转系数,按一般运转取fw =1.21.5;此处取fw=1.2； L-寿命以转为1单位.则： 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，可采用W1L2506外循环螺纹调整预紧
22、的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为1310N,精度等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 =tan/tan(+)式中：螺旋升角,W1L2506的螺旋升角=422 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004则：=tan/tan(+) =tan422/tan(422+10)=0.965 . 刚度校核先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图（2）所示：图（2）纵向进给滚珠丝杠支承方式草图则： 式（9）支承间距L=1160mm，最大轴向力为2316N，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）、丝杠的拉伸或压缩变形量，式（
23、10） 对刚： 式（11） 丝杠导程的变化量：式（12）总长度L=1160mm，丝杠上的变形量，由于两端均采用推力球轴承，则值：（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，则变形： （3）滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式：式（14）则可得：（4）定位误差所以，满足要求。（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考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.4； 滑动导轨摩擦系数：取=0.2； G溜板及刀架重力，由已知G=500N则代入已知得：2 . 计算最大动负载
24、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1/21/3,此处为0.3m/min; T使用寿命,按15000h; fw运转系数,按一般运转取fw =1.21.5;此处取fw=1.2； L寿命以转为1单位.则： 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，可采用W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为8800N,精度等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 =tan/tan(+)式中：螺旋升角,W1L2005的螺
25、旋升角=430 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004则：=tan/tan(+) =tan430/tan(430+10)=0.9645 . 刚度校核先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图（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）、丝杠的拉伸或压缩变形量根据：， 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，则变形：（3）滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式：式（14）则可得：（4）定位误差显然，变形量已大于定位精度
26、（0.02mm）要求，应该采取相应的措施修改，因横向溜板限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨（），减小摩擦力，从而减小轴向力，根据式（16）重新计算如下： 此时的变形量为：则定位误差为：仍不能满足精度要求0.02mm。如果将顾主丝杠再进行预拉伸，则丝杠刚度可提高四倍，则定位误差为： 满足要求。（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3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏 心 距0.0560.045螺 纹 升 角螺杆螺 杆 外 径24.219.4螺 杆 内 径2
27、0.98416.788螺杆接触直径17.02713.835螺母螺母螺纹直径32.82623.212螺 母 内 径25.820.6354 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）,已确定纵向进给脉冲当量,滚珠丝杠导程,初选步进电机步距角0.9,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，可以选定齿轮齿数为: =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=d-21.25m51794
28、3753555齿 宽(6-10)m202020202020中心矩A=(d1+d2)/27064502 . 齿轮齿数及技术参数计算出传动比i后,降速级数决定采用一对齿轮降速,因为进给伺服系统传递功率不大,一般取=12,数控车床,铣床取=2,此设计中取=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0.9;2 . 初选步进电机型号 根据=1.475N.m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-
29、SASSBL-0601，其中，,保持转矩为2.5N.m.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阶段，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：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.
30、8;i传动比;附加摩擦力矩：式（22）式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i传动比;Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N);o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取o=0.9所以：2) 快速移动所需力矩 式（23） =50+9.7=59.7N.cm 3) 最大切削载时所需力矩式（24） 从上面计算可以看出、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， =0.707故最大静力矩Mjmax=175.5/0.707=2.48 Nm，而电机保持转矩为2.5N.m最大静力矩Mjmax，大
31、于所以满足要求！但还必须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）、56BYG250ESASSBL0601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可以满足要求。5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画机械装配图。见附图（一）例如，双片齿轮采用周向弹簧调整消隙法：如图（5）所示，采用了可调拉力弹簧调整间隙。在两个薄片齿轮1和2上分别装上耳座3和8，弹簧4的一端钩在耳座3
32、上，另一端钩在耳座8的螺钉7上。用螺母5调节螺钉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、右齿面分别与宽齿轮的齿槽左、右齿侧面贴紧，消除了齿侧间隙。 （图5） 双薄片齿轮周向弹簧调整法1、2-薄片齿轮 3、8-耳座 4-弹簧 5-调节螺母 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0.9;2 . 初选步进电机型号 根据=0.611N.m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-SASSB
33、L-0241，其中，,保持转矩为1.72N.m.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阶段，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：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0
34、.8;i传动比; 贴塑导轨摩擦系数，取=0.04附加摩擦力矩：式（22）式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i传动比;Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N);o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取o=0.9所以：2) 快速移动所需力矩 式（23） =1.96+4.84=6.8N.cm 3) 最大切削载时所需力矩式（24） 从上面计算可以看出、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， =0.707故最大静力矩Mjmax=59.3/0.707N.m=0.839N.cm，而电机保
35、持转矩为 1.72N.m，大于最大静力矩Mjmax，所以满足要求！但还必须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）、56BYG250EASSBL0241型混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250EASSBL0241型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求。5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画横向机械装配图。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
36、是软件编制的前提,数控系统硬件的设计包括以下几部分内容：1、绘制系统电气控制结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：（1） 主控制器，即中央处理单元CPU。（2） 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。（3） 存储器，包括程序存储器和数据存储器。（4） 接口，即输入/输出接口电路。（5） 外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。2、选择中央处理单元CPU的类型CPU的种类很多，在此处选择MCS51系列单片机中的80C51，因为其集成度高，稳定性、可靠性好，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
37、，用户很容易通过标准扩展电路来构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序存储器扩展两部分。分别选择两片2764和一片6264来扩展16K的内存。4、I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。经考虑，选择8255为I/O接口芯片，液晶显示控制器LR104VRAM来控制LCD。图中的急停开关应采用那种按下去之后不会弹起、直到再次启动后操作者用手动拔出的按钮，此处由于表达方式的限制，仅以普通按钮表示。（二）、机床数控系统软件设计软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、软件设计步骤分为以下几步：（1） 据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；（2） 将整个软件模块化，确定各模块的编制要求，包括各模块功能，入口参数，出口参数；（3） 据硬件资源，合理分配好存储单元；（4） 分别对各模块编程，并调试；（5） 连接各模块，进行统一调试及优化；（6） 固化到各程序存储器中。2、数控系统中常用软件模块（1） 软件实现环行分配器；（2） 插补运算模块；（3） 自动升降速控制模块。2 80C51单片机及其扩展(一)80C51单片机的简介 1芯片引脚及片外总线结构80C51单片机采用40脚双直插封装（DIP）形式，如图(6)