1、毕业论文（设计） 题目： 车床 Z 向进给数控改造 校区 (函授站 )： 专 业 班 级 学 号： 学生姓名： 导师姓名： 起止时间： 2 毕业论文（设计）任务书 学生姓名 指导教师 职称 校区 (函授站 ) 专业 机电一体化 题目 车床 Z 向进给数控改造 任务与要求 1完成一台机床工作台的数控改造； 要求工作台能实现点位 (或连续 )控制 ； 2改造部分进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图一张（ A1）； 3 计算机 I/O 接口、驱动电路等电路原理设计图一张（ A1）； 4设计说明书 8000 字左右（前言，控制系统总体方案的分析及框图，机械部分设计计算，机构设计说明，硬件电路设计说明，技
2、术经济分析，结束语，参考文献，后记，附录）； 5. 选步进电机为驱动电机，脉冲当量取 0.01mm/step； 6. 旋转 移动的转换用滚动丝杠； 7. 能用键盘输入命令，控制工作台；能实时显示工作台当前运动位置；有超越边界报警，并停止运动。 原始数据： 1. 工作台（或刀架）重 G=180N； 2工作台行程 L=0 300mm； 3工作台最大移动速度 Vmax=3m/min； 工作台工作进给速度 Vmax=1m/min； 4切削分力： FX=420 N， FY= 1100N， FZ=1660 N； 5工作台尺寸： 300 550mm2； 6各传动部件的设计寿命 15000 48000h。 开
3、始日期 完成日期 3 目录 概述 1 第一章 总体设计方案的拟订 5 1.1 总体方案确定 5 1.2 经济型数控车床总体方案框图 6 第二章 车床进给伺服系统机械部分设计计算 7 2.1 选择脉冲 当量 7 2.2 计算切削力 7 2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 7 2.3.1 计算进给牵引力 Fm 7 2.3.2 计算最大动负载 C 7 2.3.3 滚珠丝杠螺母副的选型 8 2.3.4 传动效率计算 8 2.3.5 刚度验算 8 2.3.6 稳定性校核 9 2.3.7 滚珠丝杠副几何参数 9 2.4 齿 轮传动比计算 10 2.5 步进电机的计算和选型 10 2.5.1 初选步进电机
4、10 2.5.2 校核转动惯量转矩 12 第三章 微机数控系统硬件电路设计 15 3.1 单片机数控系统硬件电路设计内容 15 3.2 MCS 51 系列单片机简介 16 3.2.1 8031 单片机的基本特性 16 3.2.2 8031 芯片引脚及构成 16 3.3 存储器扩展电路设计 17 3.3.1 程序存储器的扩展 17 3.3.2 数据存储器的扩展 21 3.4 I/O 接口电路及辅助电路设计 22 3.4.1 键盘显示接口电路 22 3.4.2 步进电机接口及驱动电路 24 3.4.3 其他辅助电路 26 参考文献 31 致谢 321 概述 随着社会生产和科学技术的 迅速发展，机械
5、产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生 ,这种新型机床具有适应性强，加工精度高，加工质量稳定和生产效率高等优点，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。 一、数控机床的产生 数控机床最早是从美国 开始研制的， 1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想 。 1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作 ，并于 1952 年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机，这是一台采用脉冲乘法器
6、原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于 1955年进入实用阶段。一直到 20 世纪 50 年度末，由于结构和技术原因，品种多为连续控制系统，到了 60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用 工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床，数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。 二、数控技术的应用与发展 数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高
7、新技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的，是实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网络化的基础，是现代机床装备的灵魂和核心，有着广泛的应 用领域和广阔的应用前景。一般数控系统由输入 /输出（ I/O）装置、数字控制系统、驱动控制装置、电器逻辑控制执行装置等 4 个部分组成。数控机床就是采用了数控系统的机床，是高效率、高精度、高柔性和高度自动化的现代机械加工设备，是高度机电一体化的产品 .但是随着信息化程度的逐步提高，对实现综合生产指标优化的综合自动化系统的需求不断增长及通信技术与计算机及其网络技术的融合发展，为了产品在市场上增强竞争力，提高综合效益，现在人们考虑更多的是把
8、传统的数控系统技术放在企业信息化大背景下，思考如何用信息化技术去促进工业自动化快速 向高端发展。在全球市场环境影响和推动下，改进产品质量、提高生产效率和降低产品成本的需求不断增长，生产的实时优化受到过程工业的普遍重视并广泛加以采用。为了适应变化的经济环境，减少消耗，降低成本，提高生产效率，提高运行安全性，必须对控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成。要降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗，产品只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现。 数控技术从发明到现在，已有近 50 年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模 NC 数控，小
9、型计 算机数控，微处理2 器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的 CNC 数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐使数控系统部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统。 三、 数控技术在机械工业中的发展 众所周知，机械工业是是国民经济产业和 支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量，随着科学技术的发展，机械产
10、品的结构越来越合理，其性能和效率日趋提高，因此，对加工机械产品零部件的生产设备 -机床也提出了高性能、高精度与高自动化的要求。机械工业中，单件与小批量产品占到 70 80%，这类产品一般都采用人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些轮廓复杂的零件。数控技术的出现与发展，就是为了解决单件、小批量、特别复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求。 自 1952 年出现第一台数控机床以来，随着计算机自动控制伺服驱动与自动检测等技术的迅速发展，表征数 控机床的水平和决定数控机床功能与特性的数控系统经历了以下几个阶段： 第一阶段：数控（ NC）阶段（ 1952 1970 年）。随着元器件的发展，
11、这个阶段经历了三代，即 1952 年的第一代 -电子管时代； 1959 年的第二代 -晶体管时代； 1965年的第三代 -小规模集成电路时代。 第二阶段：计算机数控（ CNC）阶段（ 1970现在）。到 1970 年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ CNC）阶段， 1971 年美国 INTEL公司将运算器和控制器集成在一块芯片上，称为微处理器，又称为中央处理单元（即CPU）。到 1974 年， CPU 被应用于数控系统，到了 1990 年， PC 的性能已发展到较高的水平，进入基于 PC阶段。总之，计算机数控（ CNC）的发展也经历了三代，即 1970年的第四代
12、-小型计算机； 1974 年的第五代 -微处理器； 1990 年的第六代 -基于 PC（国外称为 PC-BASED）。数控系统发展到第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。 四、 数控改造的必要性 （一）从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力 。 1、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。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传
13、统机床提高 37 倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实3 现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了 “柔性自动化 “。 3、 加工零件的精度高，尺寸 分散度小，使装配容易，不再需要 “修配 “。 4、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6、由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周
14、期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元）、 FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造系统） 等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 （二） 从宏观上看， 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通
15、机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。 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。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、 PC 技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下
16、，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自 动化程度，比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性 。 五、 数控改造的优点 普通车床数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造，配上经济数控装置或标准型数控系统，从而是原机床具有数控加工能力。其改造有如下的优点： 1、资本效率出发，改造闲置的普通机床 ,能发挥旧机床的原有能和改造后的新增功能 ,提高机床的使用价值。 2、适应 多品种，小批量零件生产。 3、数
17、控改造费用低 ,减少了投资额 ,经济性好 .数控车床改造费用仅为新购一台4 数控车床费用的 15% 20%,同购置新机床相比，一般可以节省 75% 80%的费用 ,如果再结合机床大修理，几乎就是一台新的数控车床 ,甚至会更好，因为普通车床不会再变形。 4、机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的普通机床基础件是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以做为新设备继续使用多年。数控化改造后使原有的机械结构更为简单，原有得手扶进给机构全部消失。这样一方面，可以提高精度 ,减少传 动链对精度的影响；另一方面，可以减少机械故障率，提高运行的可靠性 .但是受到原来机械结构的限制，不
18、宜做突破性的改造。 5、操作者熟悉了解机床、便于操作维修 ,降低了操作者的技术要求，更易于提高管理水平 .购买新机床时，不了解新机床是否满足起加工要求。改造则不然 ,可以精确计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用 ,操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。改造的积储一旦安装好，就可以全负荷运转。操作者只需要对工件进行装夹和操作开关，而零件的加工全部则由数控系统控制完成，即使比较复杂的工件也能 迅速完成，省去了对技术要求的烦恼。 6、可充分利用现有的条件，可以充分利用现有基地 ,不许要重新构筑地基。 7、可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度 ,及时提提高
19、生产设备自动化水平和效率，提高机床质量和档次 ,将旧机床改造成当今水平的机床。自动化程度高、专业性强、加工精度高、生产效率高。 8、增强了功能，如圆弧加、锥度加工，这是传统加工方法难以完成的。 9、交货期短，可满足生产急需。 5 第一章 总体设计方案的拟定 1.1 总体方案的确定 一、 系统的运动方式与伺服系统的选择 数控系统按运 动方式可分为点位控制系统、点位 /直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削 ，可选用点位控制方式。如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的 运动有确定函数关系，即连续控制系统，应具备控制刀具以给点速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以
20、加工各种外形轮廓复杂的零件。 伺服系统可以分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的，指令发出后不在反馈回来，故称开环控制。开环伺服系统主要有步进电机驱动。 开环伺服系统结构简单、 成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。 闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流电机驱动。闭环系统造价高、结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。 半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不
21、直接检测工作台的位移量，而是用检测元件测 出 驱动轴的转角 ，再间接推算出工作台实际的位移量，也有 反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间 由于改造的经济型数控车床应具有定 位、直线插补、顺圆和 逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于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。 二、 机械传动方式 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点： （ 1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母
22、传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。 （ 2）尽量消除传动间隙。例如采用消隙齿轮等。 （ 3）提高系统刚度。缩 短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差，可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚珠丝杠副等。 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速在传动丝杠。为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。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 三、 计算机系统 微机数控系统由 CPU、存储器扩展电路、 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检6 测电路等几部分组成，微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的
23、指挥下进行工作的。 根据机床要求， 采用 8 位微机，由于 MCS 51 系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用 MCS 51系列的 8031 单片机扩展系统。控制系统由 微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光隔离电路、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实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 1.2 经济型数控车床总体方案框图 微机光隔离功率放大器步进电机床鞍及拖板7 第二章 车床进给伺服系统 机械部分设计计算 2.1 选择脉冲当量 一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，也称为机
24、床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。 本设计书 的 脉冲当量已有任务书给定： 0.01mm 2.2 计算却削力 本 设计书的却削力已有任务书给定： FX=420N， FY= 1100N， FZ=1660N 2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 2.3.1 计算进给牵引力 Fm 纵向进给为综合型导轨 NGFfKFF zxm 4.7 7 71 8 01 6 6 016.04 2 015.1 式中 K 考虑颠复力矩影响的实验系数，此次取 K=1.16； f 滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同为 0.15 0.18，此处 f =0.16； G 工作台及刀架重量，此处任务书给定为 (180N)。 2.3.2 计算最大动负载 C osmwLVnnTLFfLC1000106063式中 oL 滚珠丝杠导程，初选 6mm； sV 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 sV 由任务书给定为 1m/min； T 使用寿命，任务书给定为 15000 48000h， 此处取 15000h； wf 运转系数，按一般运转取 1.2 1.5，此处取 1.2； L 寿命以 106 转 为 1 单位。 m in/1 0 05 5.011 0 0 01 0 0 0 rL Vn o s 9010 15000100601060 66 nTL
