C618车床数控改造设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目 录 前言 2 毕业设计任务书 1 要求 3 2 设计参数 3 3 工作量 4 4 设计依据 4 第一章 设计方案 1 系统运动方式的确定 5 2 伺服系统的选择 5 3 执行机构传动方式的确定 5 4 计算机的选择 5 第二章 经济型数控机床进给伺服系统机械部分计算与校核实例 1 切削力的计算 6 2 滚珠丝杆螺母副的计算和选型 6 3 齿轮传动比的计算 6 4 步进进电机的计算和选型 11 第三章 进给伺服系统机械部分结构设计 18 第四章 经济型数控车床机械部分结构设计 20 第五章 机床的加工程序编 23 设计体会 25 参考文献 26 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 前 言 经济型数控是我国 80 年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。 十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也 在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是 80 年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。 毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教 学环节，也是学生完成工程师基本训练的重要环节。其目的培养学生综合运用所学专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题能力，树立正确的设计思想和工作作风。毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容，方法和步骤，而且还反映了学生的文理修养和作风 本书在编写过程中，得到了指导老师刘吉兆教授和各位老师及同学的大力支持和热心帮助，在此表示谢意。 本设计在编写过程中，由于本人水平有限，说明书中有一些错误和欠妥之处 , 欢迎各位老师及同学提出意见和建议。 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 设计课题 1要求 ： 将 床改造成用 51 系列单片机控制的经济型数控车床。要求该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。系统分辨率纵向： 横向： 、设计参数： 最大加工直径： 在床面上： 360 在床鞍上： 200大加工长度： 750进速度： 纵向： 横向： 大进给速度： 纵向： 横向： 码制： 冲分配方式：逐点比较法 输入方式：增量值 . 绝对值通用。控制坐标数： 2 最小指令值： 纵向： 横向： 具补偿量： 0给传动链间隙补偿量： 纵向： 横向： 动升降速性能： 有 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 3、工作量： （ 1）、机床改造总图； （ 2）、进给伺服系统一个坐标轴（纵向或横向）的机械装配图： （ 3）、单片机控制系统电路原理图； （ 4）、设计计算说明书。 1、控制系统总体方案的分析论证的及控制标准图 2、机械部分设计计算及结 构设计说明 3、硬件电路部分设计说明 4、加工程序控制及说明 4、设计依据 （ 1）系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后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。 （ 2）计算机系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 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 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。机功率放 （ 3）机械传动方式 为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杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 第一章 设计方案 1系统运动方式的确定 数 按系统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。 2伺服系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。 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位流伺服电机驱动。 半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴 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。 3执行机构传动方式的确定 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、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： （ 1）尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。 （ 2）尽量肖除传动间隙。例如采用隙齿轮等。 （ 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 加负载导轨和滚珠丝杠副等。 4计算机的选择 微机数控系统由 储器扩展电路、 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第二章 经济型数控机床进给伺服系机械部分计算与校核实例 1 计算切削力 （ 1）纵车外圆 主切削力 F（ N）按经验公式估算： F Z 走刀方向的切削分力（ N） 车床身上加工最大直径（ mm）60 m a x 3 6 =F ： 1： F 走刀方向的切削力 垂直走刀方向的切削力 ) ) 2 滚珠丝杆螺母副的计算和造型 3 （ 1）纵向进给丝杆 计算进给牵引力N） 纵向进给选为综合导轨。参考表 2， 3两表机床设计手册 查书综合作业指导书 ( 在正常情况下： k 考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取 K=f 滑动导轨磨擦系数 溜板及刀架重力查综合作业指导书表 1 1，取 G =800N )( =(500)=) 计算最大动负载 C 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 C=310660nTn 01000L 机床设计手册 用滚珠丝杆导轨 式中： 0L 滚珠丝杆导程。 初选0 为最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的 1/2 1/3 取T 使用寿命（ h），对于数控机车取 =15000h 运转系数，按一般运转取 表 3 14综合作业指导 寿命以 610 转为 1单位 n 丝杆转速 r/01000s 6 1060 6 610 1 5 0 360 120 C= 滚珠丝杆螺母副的选型 查阅附录 A 表 A 2，可采用 循环螺纹调整预紧的双螺母珠丝杆副， 1 额定功动负载为 18200（ N），精度等级按表综合作业指导书表 3 传功效率计算： = )式中： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 r 螺旋升角， r= 0112 磨擦角取 10 滚动磨擦系数 0112t a n ( )112t a n ()t a n (t a n 0 0 r r 刚度验算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如 A 图所示，最大牵引力 承间距 L=1500杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷 1/3。 查综合作业指导书图 3据 00 查出 0 可算出 1 = =(101500)0 于两端均采用向心推力球轴承，且丝杆进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高 4买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 倍。其实际变形量 1 ( 1 =1/4 1 =0=0 查综合作业指导书图 3W 系列 1 列 滚珠和螺纹滚道接触变形量QQ=m 因进行预紧 2 =1/2Q=1/2 m 用 8107型推力球轴承， 1d =35动体直径动体数量 Z=18, Q 3 2222 注意此公式中 单位应为 N 因施加预紧力，故 3=1/2c=1/2 据以上计算 =3 2 1 =2N 可以满足要求，但从表中 看出 130进电机最高空载起动频率为 3000能满足333项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。 (2)核步进电机转矩 前面所初步电机的转矩计算，均为估算，初迭之后，应该进行校核计算。 效转动惯量计算 计算简图如前（ a）所示，根据综合作业指导书表 3动系统计算到电机轴上的总的转动惯量 J=1J 2)(21 2J 2)2( 0L) 步进电机转子转动惯量（ 1J . 2J 矢轮 滚珠丝杆转动惯车（ 参考同类型机床，初步反应式步进电机 130 其转子转动量 对于钢材： J =D 310L =83M 圆柱体质量 D 圆柱体直径。 L 圆柱体长度或厚度。 L 钢材的密度为 310 （ 1J =D 310L = 310 （ = 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 2J =D 310L =84 310 （ = D 310L L =150050 D =453 G 溜板及刀架重力取 1500N。 代入公式可得： J=1J 2)(21 2J 2)2( 0L) =2)4032( )2)2 = 考虑步进电机与传动系统惯车匹配问题： J=足惯量匹配的要求。 电机转矩的计算 机床在不同的公况下，其所需转矩是不同的，下面分别按个阶段计算： a. M = 快速空载起动转矩 空载起动时计算到电机轴上的加速转矩（ 计算到电机轴上的磨擦转矩。 0M 由于丝杆预紧里计算到电机轴上的附加转矩（ 采用丝杠螺母副传动时，上述各种转矩（ 用下式计算 J =J 20602 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 将前面数据代入式中个符号意义同前 a x r/动加速时间 5J 传动系统计算到电机轴上的总等数转动惯量 电机最大角加速度 电机最大转速 运动部件最大快进速度 (mm/b 步进电机的步距角 运动部件从停止起加速到最大快进速度所需时间（ S） b 脉冲当量（ mm/ J= 00 r/J =J 20602 = 0 2 05 0 =算到电机轴上的磨擦转矩2000 /2 )(2 0L 丝杆导程0L=6F 导轨的磨擦力（ N） 垂直方向的切削力 (N) G 运动部件的总当量 f 导轨摩擦系数 i 齿轮降速比 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 传动连总效率，一般可取 ： 2000 /2 )(2 = 5 0( 加摩擦转矩： 0M= )1(22000 0滚珠丝杆预加负荷，一般取 1/3mF， 滚珠丝杆导程（ 0L=0 滚珠丝杆未预紧时的传动效率一般取 因此取 M= )1(22000 = )1(/23/1 2012 0 m = )098 2 =述三项合计： M = 0M + b. 快速移动时所需转矩 M ： M =M= 最大的切削负载时所需转矩 M ： M =M+纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 折算到电机轴上的切削负载转矩 0 72 0 x上面计算可知， M 、 M 和 M 三种工况下，以快进空载起动所需转矩最大，即可以 从综合作业指导书表 3 22查出，当步进电机为五相 十拍时， 则最大转矩为： a x MM j 表 3 23中 130于所需最大转静转矩，可以满足要求。 已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率333削进入时所需步进电机运行频率 从综合作业指导书表 3 23 中查出 130步进电机允许的最高空载起动频率为 3000行频率为 16000从综合作业指导书图 3 15， 3 16 查出 130进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如（ C）图所示，当步进电机起动时， f =2500， M =能满足此机床所 接使用 则会施行失步现象，所以必须采取开降进控制用软件实现，将起动频率到 1000动转矩 可增高到 后电路上再采用高低压驱动电路，可将电机输出转矩扩大 一 倍左右。 当快速运动和切削进给时 ， 130步进电机运行矩频特性（ D）图完全可以满足要求： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 第三章 进给伺服系统机械部分结构设计 机械部分结构设计的任务是画出进给伺服系统的机械装配图，用以表达，设计者构思，设计特点及计算结果一。进给伺服系统总图设计： 1纵向进给伺服系统总图设计： 在进行纵向进给饲服系统结构设计之前，必须对整个机床的布局有所了解在附图中给出了经济型数控车床的总图，图中细实线所画为原 机床未改造的部分，粗实线为改造设计部分。从图中可以看出来，纵向进给机构，在原机床装进给箱的位置，将进给箱拆除，装伺服系统齿轮箱，在箱体的左面装步进电机，滚珠丝杆右端轴承座仍装在原机床滑动丝杆后轴承座处。滚珠丝杆装有挡板，以防止切屑掉下损坏滚珠丝杠。将 滚珠螺母座前面有控制板，装有急停，电源开关等几个按钮，便于工人操作。 总图上还必须画出此车床上加工螺纹的部件光电编码器在经济型数按车床上，利用光电编码器装在主轴或在主轴箱与主轴保持一定传动比的伸出轴上，当主轴旋转一圈时，光电编码器就发 出一定数量的脉冲，输入计算中，经过计算的运算，控制步进电机，带功滚珠丝杠，使刀架进给一定的螺距。 而光电编码器用弯板装在主轴箱左端面，通过弹性联轴器与主轴箱中一伸出轴相连，因伸出轴不可能与弹性联轴器的尺寸完全一致，故中间还要设计一个中间过渡套。 2进给伺服系统的装配图 经过计算，已知此纵向进给系统采用 130步进电机，经过一对齿轮减速，齿轮系数 1Z =32。 2Z =40。模数 m=2滚珠丝杆公称直径为0d=50珠丝杠螺母副先用的是外循环沟槽式垫片凋隙 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 进行结构设计进，注意考虑以下问题： （ 1）进行改造设计时，将原 床进给箱挤掉，利用原来的安装基面安装齿轮箱体 45 。因而必须注意齿轮箱体螺钉中心距的尺寸，应保证箱的安装螺钉和销钉均在原来的安装基础面上，床尾的轴承座仍要装在原 床尾部轴承的加面上。 （ 2）为保证滚珠丝杠与导轨平行设计时，应注意使齿轮箱体的丝杠中心，与床尾轴承座中心线距安装基面尺寸一致以保证水平面的丝杠与导轨平行。齿轮箱体在 床身上的安装螺钉的位置与车尾轴承座螺钉在床身上的安装位置必须根据床身具体情况确定，以保证在垂直面内丝杆与导轨平行。水平面内的平行度达不到要求可刮研齿轮箱体或床尾轴承座的安装基面，如垂直面内平行度达不到要求，可安装螺钉的过孔进行调整，调好后，插入定位销。 （ 3）保证滚珠丝杠转动平稳，轻快，必须使滚珠丝杆螺母座板定 19与丝杠两端支承同轴，设计时，在螺母座与弯板之间设计垫片 58，装调时可以修磨垫片来保证螺母座在平面内与两面端支承同轴，垂而直面内的同轴，靠螺钉地过孔来的调整，调好后，打入销钉。 （ 4）在水平面内应使 丝杠中心线距轨的距离尽量小，否则将层产生颠复力矩，增大磨擦力，使运动不平稳，利用床身的凹面，使齿轮箱体背面比安装基面突出 33 就使丝杠中心距安装基面尺寸为 42用此床身的凹入面，因为 130步进电机外圆直径为 130，就会使丝杆中心距安装基面尺寸至少为 645样设计是不合理。但是在的设计箱体外形时，必须根据床身的具体形状不可使箱身与床凹入之毛面干涉。 （ 5）步进电机装在箱体左侧，利用短圆柱面中，在箱体上定位，由于是定位面，一定要在图上标注出孔的尺寸及配合。 （ 6）设计中滚珠螺母副 采用了垫片调整方式预紧，即用修磨垫片使滚珠丝杠滚珠与两个滚珠螺母挤紧，避免在反向失步： a) 消隙齿轮，是采用两个薄片齿轮，中间开有三个月芽形的槽放入压簧，并用三个内六角螺钉固定，这种消隙齿轮的装配顺序是：首先将双片只轮相对转过一个齿轮，使双片尖轮的齿轮的矢对齐，弹簧 38受压，上紧螺钉 30装入箱体后，将螺钉 30松开，弹簧 38将双片齿轮沿用向错开，消除与齿轮的侧隙，此时财将螺钉 30上紧，在设计时，箱壁上要留有可进伸入六角搬手孔，弹簧两端用削扁的销子 39压住。 （ 7）当车床床鞍移动时，滚珠丝杠要受到轴向力，此轴 向力由床身前端的两个止推轴承承受，向左的轴向力通过挡圈 21。止推轴承 22，挡块 23，传到齿轮箱体上，向右的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 轴向力则通螺母 37，齿轮 31，径向轴承 28，轴套 27，挡圈 26。到左边的止推轴承 22，经挡块 23 传到端盖 24 上，此端盖与齿轮箱体用螺钉固连，绘图注意止推轴承 22 的动圈和不动圈的画法，与挡块 23接触的一边是不动圈，其内孔和轴颈之间要画出间隙。 床尾部分的圆螺母 2 是用来对丝杠进行预拉伸，以增加丝杠的刚度，外侧的圆螺母是锁紧用的，由于旋转螺母 2进行预拉伸时，端面磨擦力大，故要止推轴承 5以上减小端面磨擦力。 第四章 经济型数控车床数控系统硬件电路图 硬件电路是用 51 系列单片机组成的控制系统，给系统采用 8031 作 展了两片 2764芯片，一片 6264芯片，两片 8155 可编程并行 I/ 1、系统的功能 （ 1） 向进给伺服运动。 （ 2） （ 3） （ 4） . 螺纹加工控制。 （ 5） （ 6） （ 7） . 其他功能，报警电路、急停电路、光隔离电路、功能电路等。 2、 ，由于 8031片内无程 序存储器，需要有外部程序存储器的支持，同时 8031内部只有 128B 的数据存储器，也远不能满足控制系统的要求。故扩展了 16764 组成，又扩展了一片 6264 数据存储器。 8031 芯片的 要采用 74址锁存器，锁存低 8位地址，为其选通信号，当 高电平，锁存器的输入和输出透明，即输入的低 8 位存储器地址在输出端出现，此时不需锁存。当 现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中， 748031芯片的 40 口共组成 16 位地址， 2764 和 6264 芯片都是 8要 13 根地址线。 7低 8 位接 74片的输出， 12 接 8031 芯片的 04。系统采用全地址译码，两片 2764芯片片选信号 4码器的 统复位以后程买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 序从 00006264 芯片的片选信号 接 74 片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠）， 8031 芯片控制信号 2764的 写控制 信号 264 芯片的 E，以实现外部数据存储器的读写。由于 8031 芯片内部没有 其 3、 I/由于 8031 只有 和 部分能提供用户作为 I/O 口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从附录 H 图 H 2 可以看出，系统扩展了一片 8155和一片 8255可编程 I/8155的片选信号 40，8255芯片片选信号 42端。 74 八译码器有三个输入 A、 B、C 分别接到 8031 的 5， 6、 7，输出 7 8 个输出，低电平有效。 7对应输入 A、 B、 00 至 111的 8种组合，其中 、 B、 00， 、B、 C 为 111。 74有三个使能端，其中 2 个（ 低电平使能，另一个有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。 I/8155 芯片 显示器的位选信号输出， 根线是键盘扫描输入。 8155 芯片的 引脚接 8031芯片的 0，因为使用 8155 的 I/2。 0高电平。 8255芯片 向、 向步进电机硬件环形分配器，为输出， 面板上的选择开头是输入，设有编辑、单步运行、单段运行、自动、手动 I、手动 系统各芯片采用全地址译码，各存储器及 I/ 19所示： X 向， Y 向步进电机硬件环形分配器采用 3 2 相通电五相十拍方式工作，故 5V， 以 2 3 相通电四相八拍方式工作。 个芯片的选通输出控制 255的 零 255的 、反转控制端分别接 8255的 钟输入端 8155 芯片的 以决定脉冲分配器输出脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给 8155芯片的定时 /计数器中设置不同的时间常数。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 芯 片 接 74脚 地址选择线 片内地址单元（ B） 地址编码 2764（ 1） 0K 0000H1764 (2 ) 1Y 001K 2000H3264 1Y 001K 2000H3155 Y 1001111056 99255 2Y 01011111111111 5、其他辅助电路 此控制系统中设有越界报警和急停处理电路。 +X+Y+031 的 2，中断源 时又接到 8031 的 ，采用硬件申请中断软件查询的方法，这亲无论哪个方向越界都会引起中断，在中断 服务程序中通过软件查询的办法，便可确定是哪个方向越界，当 +X， +Y， +相应的红灯亮报警。 另外，还有上电和 按钮相结合的复位电路、光隔离电路和功率放大电路等。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 24 第五章 、机床的加工程序编制 如下图所示，在图中零件外圆 85加工，要求编制精加工程序。 程序如下： 00001 002 003 004 005 007 008 009 010 011 012 013 014 015 016 017 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 25 019 021 022 023 024 025 026 027 028 029 030 031 032 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 26 设计体会 在我做毕业设计的过程中，一个最大的体会就是理 论上很简单的东西