1、普通车床数控改造用微机数控技术改造最大加工直径为 400mm 普通车床的进给系统摘要：了解数控机床的概念，所谓数控是按照含有机床(刀具) 运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,如可以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点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。总体设计方案：在普通车床上采用适合现场实时控制的 80C51 单片机为控制器，以运行特性好、可靠性高的步进电机
2、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:Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer super
3、vision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite
4、 expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The overall master design: The way to NC improvement of general machi
5、ne tool was introduced that using single-chip computer 80C51 to realize the real-time control and driving by step motor.Key word: Numerical Control、machining 、improvement 、single-chip computer 80C51、step motor；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
6、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
7、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
8、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
9、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：2 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
10、向：0.005定位精度（mm）： 0.02主电机功率（KW）： 5.5 起动加速时间（ms）： 35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
11、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。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，
12、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
13、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）60/V:切 线 线（ =901m/in）而 式（2）= 切 额（ .785） 取 ，则 ，.8 .4.KW切 额取 ，则进给抗力90/inVm线 604./93ZFN X 向和 Y 向根据经验公式（3） （4）确定式（3）.5ZF 式（4）06Y则得： .147XZN 0.617YZFN2、横切端面
14、：主切削力 可取纵切的一半，即|Z | 14672ZZF 此时走刀抗力 ，吃刀抗力 依然按上述经验公式粗略计算：|YF（ N） |X（ ）1:0.56|ZX:则得： |=734|Y=803、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）|()XZFmKfG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
15、|f |fG溜板及刀架重力，由已知 G=1000N代入得： 1.54670.(2931)6FmN2 . 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610珠丝杠能承受的最大动负载 C，计算如下：式（6）3wmLfF式（7）601nT式（8）0SVL式中： 为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程 Lo=6mm；0Vs-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
16、处取 fw=1.2；L-寿命以转 为 1 单位 .60则： 6.354L341.298QN3 . 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 )3021PVm4 . 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
17、进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图（2）所示： GJmZ12JL12图（2）纵向进给滚珠丝杠支承方式草图则： 式109532016LLm支 承 行 程 螺 母 总 长 间 隙 轴 承 宽 度（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 1， ， ，236mFN025Dm06L式（10）104(/)sin23.954deRdRm对刚： 22.61E式（11）213.95().()107.8A丝杠导程 的变化量：0L式5423166.2910.07.8mFllEA （12）总长度 L=1160m
18、m，丝杠上的变形量 ，由于两端均采用推力球轴承，则值：15 31016.2906.04144lL m（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形 ：2由 3.96,231.6pdmFKgf承载滚珠数量 式40.579.5.Z（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：PF2 23 2321.60.10.1. .979.53.4mqdZ（3）滚珠丝杠总的弹性变形量 ：根据以下经验公式：式120.9（14）则可得：33312.4102.4106.710. 9m（4）定位误差 330(6.712)0.1807.2pV所以，满足要求。（二）横向进给丝杠：1 . 计算进给轴向力 |mF
19、横向导轨为双燕尾形，有如下计算式：式|(2)mYZXKfG（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；|f |fG溜板及刀架重力，由已知 G=500N则代入已知得： |1.480.2(14673450)19mF N2 . 计算最大动负载 Q计算如下：式3wmQLfF（6）式601nT（7）式0SVL（8）式中： 为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程 Lo=6mm；0Vs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
20、=1.2；L寿命以转 为 1 单位 .60则： 01.35/0SVn63271L3.9608QN3 . 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)33021PVm4 . 传动效率计算 =tan /tan(+)式中：螺旋升角,W1L2005 的螺旋升角 =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：
