1、山东科技大学学士学位论文I摘要随着科学技术的发展，生产和生活中自动化程度的深入。普通机床越来越不能满足市场的需求，其劳动强度大，危险性高，且不能满足现代科学的批量生产需要，越来越多的企业将普通机床逐渐转向数控化。本文简要的阐述了课题研究的背景和意义，对普通车床的经济型数控改造进行了分析和比较，并参考相关设计书籍，运用相关知识，提出了满足本课题要求的数控改造方案。本设计说明书包括：概论、总体方案的拟定、伺服进给系统的改造设计、自转位刀架的选择设计以及数控系统的设计等几部分。机床改造后，纵向、横向进给系统进行数控控制，并达到既定要求，刀架是自动控制的自转位刀架，能自动切削螺纹。最后根据设计的计算步
2、骤和结论绘制了零件结构图和整体装配图，并标注了加工的技术要求。关键词：经济型；数控改造；进给系统；自动刀架山东科技大学学士学位论文IIAbstractWith the development of science and technology,and Automation of production and life in-depth general machine tools can not meet market demand, the labor-intensive, high-risk, and mass production can not meet the needs of mod
3、ern science, more and more enterprises are turning to the ordinary numerical control machine tools .This paper briefly described the research background and significance,then lathe CNC of the economic transformation were analyzed and comparad.Reference to some books about design and the use of some
4、knowledge about the research,proposed to meet the requirements of this topic NC rehabilitation programs.This introduction of the design included:The draw-up of the generaloutline,the decision of the total designal projection,the reforms design to the system of serve enters,the choice and design to t
5、he knife which turn automatically and the design ofthe numerical control system, and so on.While the Motorcycle been reformed,lengthways,horizontal enter to proceed to system the number controls the control,and meet theestablishedrequirments.Knife must be the automatic control a knife which is turni
6、ng automatically, and it is able to slice the thread automatically. Finally, the calculation steps of the design and conclusions drawn diagram components and overall assembly diagram, and mark the process of technical requirementsKey word: Economy;The number controls to reforms;The system of enters
7、;Automatic knife山东科技大学学士学位论文III目 录摘要 .IAbstract .II1 课题的 提出 .11.1 国内外发展 情况 .11.2 普通车床数控化改造的目的及意义 .21.3 设计要求及需解决的关键问题 .42 总体方案设计 .52.1 设计任务 .52.2 总体方案 的论证 .62.3 总体设计方案 的确定 .83 进给伺服系统设计及 计算 .93.1 确定脉 冲当量 .93.2 切削力的计算 .93.3 滚珠 丝杠螺母副的设计、计算和选型 .103.4 齿轮传动比 计算 .194 步进电动机的 计算和选型 .224.1 纵向进给步进电机的计算和选型 .224.
8、2 横向进给步进电机的计算和选型 .285 自转位刀架 .345.1 数控车床刀架的基本要求 .345.2 自转位刀架的结构 .345.3 刀架的选择 .355.4 刀架工作原理 .355.5 刀架的安装 .376 数控系统硬件电路设计 .386.1 控制系统方案的确定及绘制框图 .386.2 单片机的选择 .396.3 8051 单片机及扩展芯片的使用 .396.4 I/O 接口电路及译码电路的设计 .40山东科技大学学士学位论文IV6.5 数控机床操控面板 .40技术经济性分析 .42总 结 .43参考文献 .44致谢 .45附 录 .46山东科技大学学士学位论文11 课题的提出随着科学技
9、术日新月异的发展，尤其是计算机技术的不断成熟和完善，数字化在现代工业方面也得到了很大的应用，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。而普通机床已越来越不能满足现代加工工艺和提高生产效率的要求，有些机床必然要被数控机床所代替。但是我国很多中小企业仍有大量的普通机床，数控机床价格昂贵，投资较大，完全用数控机床替换可能性不大，而且替代下来的机床闲置起来又会造成浪费。因此，对中、小企业来说走普通机床数控化改造之路是比较理想的选择，也是提升我国机床数控化的有效途径。1.1 国内外发展情况随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，制造技术和自
10、动化水平的高低已成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是机械加工技术。目前，中国机床工业厂多人众。2000 年，金切机床制造厂约 358 家(20.6 万人)，成形机床制造厂 191 家(约 6.5 万人)，共计 549 家(27.1 万人)。其中生产数控金切机床的约 150家，生产数控成形机床的约 30 家，共计约 180 家，占厂家总数的 1/3。2001 年金切机床产量 19.2 万台，内数控金切机床 17,521 台，约占 9%。 总的来说：数控机床产量不断增长，2001 年为 1991 年的 3.6 倍；进口量增长较快，达 29 倍，出口量有所增加，但数目较小
11、，为 4.8 倍；数控机床消费量增加较快，达 7.9 倍。产量满足不了社会发展的需求。 我国正处于从以劳动密集性产业为主向以技术密集性产业为主的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率还不是很高。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。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
12、化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床山东科技大学学士学位论文2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。同时我国又是一个机床大国，有三百多万台普通机床。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。中国今后要加速发展数控机床产业，既要深入总结过往的经验教训，切实改善存在的问题，又要认真学习国外的先进经验，沿正确的道路前进。中国厂多人众，极需正确的方针、政策对数控机床的发展进行有力的指引。应学习美、德、日经验，政府高度重视、正确决策、大力扶植。在方针政策上，应讲究科学精神、经济实效，以切实提高生产率
13、、劳动生产率为原则。在方法上，深入用户，精通工艺，低中高档并举，学习日本，首先解决量大而广的中档数控机床，批量生产，占领市场，减少进口，扩大出口。在步骤措施上，必须使国产数控系统先进、可靠，狠抓产品质量与配套件过关，打好技术基础。近期重在打基础，建立信誉，扩大国产数控机床的国内市场份额，远期谋求赶超世界先进水平，大步走向世界市场； 自从第一台商品数控机床问世以来 ，到 1965 年，世界主要工业国家的数控机床己进入了大批量生产阶段。数控机床的产量，拥有量，数控化率都在急速上升。1970 年前美国处于领先地位。1971 年苏联生产数控机床 2538 台，一举超过美国，名列世界第一。1977 年以
14、前，苏联一直保持产量优势，以后日本的半导体技术及计算机技术迅猛发展，促进了数机床的生产。1976 年日本数控机床产量是 3300 台，1978 年时为 7300 台，1980年为 22000 台，到 1981 年仅用 4 年时间便超过了其他各国而成为世界上最大的数控机床生产国，产量达到 26000 台，基本上两年翻一番。现在，在美国、日本和德国等发达国家，普通车床它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，加工中心正处在黄金时代。由于机床及其技术的不断进步，机床改造技术已经相当成熟。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新行业 。1.2
15、普通车床数控化改造的目的及意义本次设计是利用数控技术、计算机控制技术以及机床传动原理等技术将普通车床改造成经济型数控车床，以实现节省资金、提高生产效率。另外，通过这次设计，也使我进行一次机电结合的全面训练，所学的机械、电子和微机的知识得以综合运用。从而，我在加工编程能力、初步设计计算的能力以山东科技大学学士学位论文3及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的能力进一步提高。普通车床的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，配上经济型数控装置或标准型数控系统，从而使原机床具有数控加工能力。1.2.1 普通车床的组成普通车床尽管类型很多，结构布局各不相同，但其基本组成大致一样。
16、包括基础件(如床身、立柱、横梁等) 、主轴箱、刀架、进给箱、尾座、溜板箱几部分。普通车床 CA6140 主要结构组成见下图， 图 1.1 CA6140 结构简图 1-主轴箱； 2-拖板；3-尾座；4- 床身；5、9- 床腿；6-光杠； 7-丝杠；8-溜板箱；10- 进给箱1.2.2 数控车床的组成数控车床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置（CNC） 、伺服驱动及位置检测装置、车床本体等几部分组成。本次设计对车床的进给系统进行改造，并且具有自转位刀架。其改造有如下优点：1）节省费用。 机床的数控改造和购置新机床相比可节省 60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机
17、床购置费的 1/3。2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 山东科技大学学士学位论文43） 改造后提高了生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。4）提高了机床的使用价值。 5）降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。1.2.3 数控机床的发展趋势高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方
18、向。数控技术的问世已有 40 多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对 21 世纪的数控技术提出了更高的要求。 1）高速化、高精度化、高可靠性 高速化：提高进给速度与提高主轴转速。 高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(L0NM)，其应用范围日趋广泛。高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。 2）复合化 数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提
19、高生产的柔性。 3）智能化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。 4）柔性化、集成化 当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段车间独立制造岛 FA)、体（CIMS 、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求
20、及产品迅速更新的主要手段，是各山东科技大学学士学位论文5国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。 1.3 设计要求及需解决的关键问题进行数控化改造时，不能简单的将数控装置与普通车床连接在一起，应对主要部件进行必要的改造使其达到一定的设计要求。为达到预期的设计目的，对机械传动系统的要求：1）尽量采用低摩擦的传动副，如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力；2）选用最佳的降速比，为了达到数控机床所要求的速度，使刀架的运动尽可能地加速，以跟踪数控系统发出的指令；3）尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度；4）尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的连轴节/消除传动齿
21、轮间隙的机构等；5）尽量满足低振动和高可靠性方面的要求。 设计中以及实现以上要求需解决的关键问题：1）选择合适的滚珠丝杠副以达到数控车床的定位精度 0.025 mm；2）步进电机的计算和选型；3）I/O 接口电路及译码电路的设计；4）数控操作面板的设计。山东科技大学学士学位论文62 总体方案设计2.1 设计任务本次设计是将 CA6140 普通车床改造成经济型数控，要求改造后的车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能，在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。为节省资金，只对其进给系统进行改造，主传动系统不变。系统分辨率纵向为 0.01 mm，横向为 0.005 mm。设计参数如下：（1）最大加工直径： 在床身上： 400 mm在床鞍上： 210 mm（2）最大加工长度： 750-1000 mm（3）溜板及刀架重量：纵向： 1000 N横向： 500 N（4）刀架快移速度：纵向： 2 m/min横向： 1 m/min（5）最大切削进给速度：纵向： 0.6 m/min横向： 0.3 m/min（6）最小分辨率：纵向： 0.01 mm横向： 0.005 mm（7）定位精度： 0.025 mm
