普通机床的数控改造

课程设计(论文)题目名称C6136数控车床数控化机电系统设计课程名称机电一体化系统设计学生姓名易宪学号0741125022系、专业机械与能源工程系（机电一体化专业）指导教师刘学敏2010年12月15日普通车床数控改造——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，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0.01~0.005mm/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/step§2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：60000/ZFVV切线线（V=90100m/min）…………………………式（1）而N=N切额（=0.70.85）……………………………………………式（2）取0.8，则N=N0.85.54.4KW切额，取90/minVmm线，则进给抗力600004.4/902933ZFNX向和Y向根据经验公式（3）（4）确定0.5XZFF…………………………………………式（3）0.6YZFF…………………………………………式（4）则得：0.51467XZFFN0.61760YZFFN2、横切端面：主切削力|ZF可取纵切的一半，即|114672ZZFFN此时走刀抗力|YF（N），吃刀抗力|XF（N）依然按上述经验公式粗略计算：1:0.5:0.6|||ZXYF:F:F则得：|XF=734N|YF=880N§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：|()XZFmKFfFG……………………………………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|f—滑动导轨摩擦系数：0.15~0.18，取|f=0.16G—溜板及刀架重力，由已知G=1000N代入得：1.1514670.16(29331000)2316FmN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（610）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：3wmQLfF……………………………………………式（6）66010nTL………………………………………式（7）01000SVnL…………………………………………式（8）式中：0L—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0.3m/min;T-使用寿命,按15000h;fw-运转系数,按一般运转取fw=1.2~1.5;此处取fw=1.2；L-寿命以转610为1单位.则：610000.3601500064510L3451.223169885QN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)33001210PVmm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′滚动摩擦系数0.003~0.004则：η=tanγ/tan(γ+φ)=tan4°22′/tan(4°22′+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：GJmZ1J1Z2J2L1L2图（2）纵向进给滚珠丝杠支承方式草图则：100095315201160LL