C6132普通车床微机数控化改装毕业设计【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 二 一 届 毕 业 设 计 通车床微机数控化改装设计 学 院： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成时间：买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 摘 要 装 订 线 机 床数控化改造的研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大 量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资金受 限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。 本文对 通车床数控化改造进行了深入研究，包括对机床改造进行可行 性分析、对机床关键部件参数的计算、对机床结构的设计、对机床改造方案优化选择、 选择合适的机床伺服系统和计算机系统，以及在改造中应注意的事项等进行了详细的 论述。结果表明 :经改造后的机床已达到预期的功能和精度，完全能实现加工外圆 、 锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。 关键词 :普通车床，数控改造，步进电机，经济型数控系统， 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 of of a as as of in d 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 目 录 装 订 线 第一章 绪论 . 1 数控技术与数控机床 . 1 机床数控化改造的兴起及意义 . 1 国外机床改造业的兴起 . 1 我国机床数控化改造的意义 . 1 本文所研究的主要内容 . 2 第二章 车床总体改造方案设计 . 4 设计任务 . 4 主传动 系统的改造 . 5 主轴无级变速的实现 . 5 主轴脉冲编码器的安装 . 7 纵横向进给传动系统的改造 . 9 系统的运动方式与伺服系统的选择 . 9 机械传动方式 . . 9 纵向传动系统的改造 . 10 横向传动系统的改造 . 12 齿轮传动间隙的消除 . 12 刀架部分的改造 . 14 导轨的改造 . 15 数控系统的类型及选择 . 16 数控系统的分类 . 16 数控系统的选择 . 17 计算机系统的选择 . 17 第三章 纵横向进给系统的设计 计算 . 19 纵向进给系统的设计计算 . 19 纵车外圆切削力的计算 . 19 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 19 纵向减速齿轮的设计 . 23 纵向步进电机计算和选型 . 25 横向进给系统的设计计算 . 33 横切端面时切削力计算 . 33 I 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 33 横向减速齿轮的设计 . 36 横向进给步进电机计算和选型 . 37 第四章 硬件电路设计 . 45 单片机数控系统硬件电路设计内容 . 45 列单片机简介 . 46 存储器扩展电路设计 . 47 地址锁存器的选择 . 47 外部程序存储器的扩展 . 48 外部数据存储器的扩展 . 49 外部 I/O 接口电路的扩展 . 50 键盘接口电路的设计 . 51 译码电路设计 . 53 其他辅助电路设计 . 53 步进电机的控制 . 55 步进电机的工作原理 . 55 步进电机的控制 . 55 步进电机接口及驱动电路 . 57 通车床微机数控化改装硬件设计说明 . 61 第五章 软件设计 . 64 总体方案设计 . 64 环形分配器软件设计 . 64 逐点比较法的直线插补软件设计 . 66 逐点比较法的圆弧插补软件设计 . 68 步进电机自动升降速控制 . 69 总 结 . 71 致 谢 . 72 参考文献 . 73 附录 控制软件程序 . 74 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 第一章 绪论 装 订 线 数控技术与 数控机床 数控技术，简称数控 ( 是利用数字化信息对机械运动 及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制 ，因此，也 可以称为计算机数控 ( 采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。 它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技 术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地解决了形状结构复杂、 精度要求高及小批量零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度， 大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控 机床的水平代表了当前数控技术的发展 水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够 自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生 产效率都比较高，因而应用日益广泛。 机床数控化 改造的兴起及意义 国外机床改造业的兴起 在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造业作为新的经济增长行业，生 气盎然，正处在黄金时期。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造成了一个“永 恒 的课题。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， 这已 形成 了机 床和 生产 线数控 改造 的 新 的行 业。 在美 国 , 机床 改造业 称为 机床 再生 (。从事再生业的著名公司有： 程公司、 床公司、 宝 )服务集团、 备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。 在日本，机床改造业称为机床改装 (。从事改装业的著名公司有：大限 工程集团、岗三机械公司、千代田工机械公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本 工程公司等。 我国机床数控化改造的意义 我国目前机床总 量约 400 万台，其中数控机床总数只有 20 万台，即我国机床数 控化率仅为 5左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达到 20以上。我 国机床役龄 10 年以上的占 60以上；役龄 10 年以下的机床中，自动半自动机床 不到 20， 自动化生产线更屈指可数 (美国和日本自动和半自动机床占 60以上 )。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加 工装备绝大多数是传统的 机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍 存在质量差、品种少、档次低、 成本高、供货期长等现象，从而在国际、国内市场上 共 87 页 第 1 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 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。 目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床 来替换根本不现实，而且替换 下来的旧机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造 之路。从美国、日本等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，数控 改造机床占有较大比例。如日本的大企业中有 26的机床经过数控改造，中小型企 业则是 74，在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提供机床数控化改造服务。 因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小型 企业更是如此。 利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控机 床，投资 少、见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有 效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。 另外对普通机床进行数控化改造有许多积极的意义 : 1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省 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床购置费的 1/3。即使将原 机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床 60%的费用，并可以利用现有地 基。 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。 3）提高生产效率。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）可实现多工序的集中 ,提高了相关的加工精度 ,同时减少了零件在机床间的频繁 运转。 5）可缩短新产品试制周期和生产周期 ,对市场需求做出快速反应。机床数控化还 是推行 及 企业信息化改造的基础。 6）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床的 加工状态。 还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。 本文所研究 的主要内容 1）根据数控化改造后车床所具备的功能，制订了车床总体改造方案，并绘制了 改造后车床总体布置图； 2）为使改造后的车床主轴能够实现无级变速、正转、反转以及停止等功能，本 次改造采用了变频器驱动主电机的方式，本文对主轴变频器的选用做了相应的说明； 共 87 页 第 2 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 3）为使改造后的车床能够加工螺纹，改造时，拆除原来的挂轮架部分，在机床 轴伸出端安装主轴脉冲编码器，本文对脉冲编码器的安装方法作了简要论述； 4）在利用聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，粘接工艺的好坏将直接 影响改造后导轨的性能。本文对粘接工艺的控制作了简要论述； 5）在电气改造方面，设计了车床数控系统的硬件电路图，对纵横向步进电机的 计算和选型也作 了详细阐述； 6）在机械改造方面，对纵横向伺服进给机构，特别是滚珠丝杠螺母副作了详细 设计研究，并对数控转位刀架的安装和选用作了介绍； 7）在软件设计方面，对 片机做了简要的介绍，并在 8031 单片机的基 础上编制了相应的程序。 共 87 页 第 3 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 第二章 车床总体改造方案设计 装 订 线 设计任务 将 通车床改造成用 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： 向： 设计参数如下： 最大加工直径： 在床身上 320在刀架上 175最大加工长度： 750快进速度： 纵向 横向 最大切削进给速度： 纵向 横向 溜板及刀架重力： 纵向 800N 横向 500N 代码制 脉冲分配方式 逐点比较法 空载启动时间 25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 冲 横向 冲 定位精度 具补偿量 自动升降速性能 有 共 87 页 第 4 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 主传动系统 的改造 主轴无级变速的实现 床的主轴变速为手动、有级变速。考虑到数控车床在自动加工的 过程中 负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质 量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变 速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式，同时保留原有的主传动系统 和变速操纵机构，这样既保留了车床的原有功能，又减少了改造量；其二是用双速或 者是四速电动机替代原有车床的主电动机。由于多速电机的功率是随着转速的变化而 变化的，所以要选择功率较大一些的电动机，随之电动机的尺寸也变大了，机床改造 相对较麻烦，另外在这种改造方式下，主传动系统也要 拆除并进行重新设计，这样可 以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是加大了改造成本。 考虑到改造的成本，我决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电 动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。 交流异步电动机的转速 n 与电源频率 f ，电动机磁极对数 p 以及转差率 s 之间的 关系式为： p (1 s) 对于 动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频率 f 即可 改变电动机的转速 n 。 另外，变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机 的正转、反转及停止。 变频器的控制方式主要有 U f 恒定控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢 量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程 中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择 U f 恒定控制方式是 能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的 U f，在负载较轻的情况下， 电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。 数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能 型通用变频器，而且中、小容 量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽 然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不 但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求， 一般没有必要选择此种控制方式。 目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在 0 5稳定运行。所以， 完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服 U f 控制方式 的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。 共 87 页 第 5 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 数控车床连续运转时所需的变频器容量 (算式如下： 3 I M 10 I 式中 负载所要求的电动机的轴输出功率； 电动机的效率 (通常约 O 85)； 电动机的功率因素 (通常约 O 75) U M 电动机的电压， 380V； I M 电动机工频电源时的电流，为 15 4A； k 电流波形的修正系数 ( 0510)； 变频器的额定容量， I 变频器的额定电流， A； 3 I M 10 3 380 10 I A) 选择变频器时应同时满足以上三个 等式的关系。综合以上分析计算，确定选 用三菱 列变频器，具体型号为 5最大输出功率为 定容量为 13定电流为 17A，过载能力为 150 60秒， 200 ，额定输出电压为 3相 380V 50 源电压允许波动范围为 32328V。 其外形如图 2线端子如图 2示。 图 2三菱 形图 共 87 页 第 6 页 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 图 2 三菱 子接线图 主轴脉冲编码器的安装 为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹，须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴 位置信号的反馈元件，其目的是用 来检测主轴转角的位置，通过主轴 脉冲编码器 数控系统 步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车 螺纹运动。 主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式：一种是同轴安装，另外一种是异轴 安装。同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿入车床主轴孔的零件，限制了 工件的加工长度，而异轴安装不会遇到这种问题，因此，异轴安装较合适。主轴通过 主轴箱中轴和轴的 58 58 及轴和轴的 33 33 两级齿轮 (实现传动比 1： 1) 把动力传递给挂轮轴 X，如图 22示，主轴脉 冲编码器 1 通过支架 2 固定， 并通过联轴器 3 与闷头 4 相连，闷头 4 通过过盈配合与主轴箱内 X 轴连接。 共 87 页 第 7 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 图 2 主轴编码器实物图 图 2 主轴编码器装配 图 轴转速范围是 20 2000 r / 可以选择欧姆龙 编码器，其允许的最高转速为 6000 r / 所以满足设计要求。 共 87 页 第 8 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 纵横向进给 传动系统的改造 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、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，采用步进电机开环系统。控制框 图如图 2 加工外圆时，控制系统不需要主轴与滚珠丝杠螺母副之间有同步关系，所以脉冲 发生器不发挥作用，只有通过 I/O 接口输入到 程序控制整个加工过程，控 制路径为： 脉冲分配器 光电隔离装置 功率放大器 步进电机 减速器 机械传动部分。 加工螺纹时，要求主轴每转一转，刀架纵向移动一个导程，所以在进行车外圆的 控制指令时，通过安装在主轴上的脉冲发生器给单片机实时反馈信号，完成螺纹加工。 图 2 控制原理框图 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将动力传递给丝杠；为保 证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，用滚珠丝杠螺母副替换掉丝杠。 滚珠丝杠螺母副具有与滚动轴承相似的特征。与滑动丝杠副或液压缸传动相比， 有以下主要特点： 1)传动效率高 滚珠丝杠螺母副的传动效率可达 85%为滑动丝杠副的 2，由于滚珠丝杠螺母副的传动效率高，对机械小型化，减少启动后的颤动和滞后时 间以及节约能源等方面，都具有重要意义。 2)运动平稳 滚珠丝杠螺母副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系 数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。所以滚珠丝 杠螺母副运动平稳，启动时无颤动，低速时无爬行。 3)传动可逆性 与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠螺母副突出的特点是具有运动的可 逆 性。正逆传动的效率几乎高达 98%。滚珠丝杠螺母副具有运动的可逆性，但是没有 像滑动丝杠副那样运动具有自锁性。因此，在某些机构中，特别是垂直升降机构中使 共 87 页 第 9 页 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 装 订 线 用滚珠丝杠螺母副时，必须设置防止逆转的装置。 4)可以预紧 通过对螺母施加预紧力能消除滚珠丝杠螺母副的间隙，提高轴向接 触刚度，但摩擦力矩却增加不大。 5)定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠螺母副具有传动效率高，运动平 稳，可以预紧等特点，所以滚珠丝杠螺母副在工作过程中温升较小，无爬行。并可消 除轴向间隙和对丝杠进行预紧拉伸以补偿热膨胀，能获得较高的定位精度和重复定位 精度。 6)同步性好 用几套相同的滚珠丝杠螺母副同时驱动相同的部件和装置时，由于 反应灵敏，无阻滞，无滑移，其启动的同时性，运行中的速度和