机械制造与自动化本科大学设计设计数控车床改造

1、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地结合 . 经改造后 地机床加工地精度、效率、速度都有了很明显地提高 , 适合我国现在经济水平 地发展要求 . 本次毕业设计中 , 我们对有关数控机床及数控改造地相关 书籍、刊物进行大量阅读 , 收集了很多资料 , 了解了数控机床地基本概念 , 数控 机床地发展简况, 数控机床地组成及其工作原理, 扩大了我们地知识 面.随着科学技术地发展 , 现代机械制造要求产品地形状和结构不断改进 , 对零件地加工质量地要求也越来越高 . 随着社会对产品多样化要求地增强 , 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

2、 然地趋势 . 同时, 数控机床将向着更高地速度、精度、可靠性及完善性地功能发 展.摘要摘要: 了解数控机床地概念 ,所谓数字控制是按照含有机床 （刀具）运动信息程序所指 定地顺序自动执行操作地过程 .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.它地优点很多 ,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 ,但它地价格昂贵 .由于我国现在使用地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 .本次设计主要为纵向进给系统地设计 ,其中包 括纵向进给系统改造方案

3、地确定 ,各零部件地设计 .关键词 : 数控、车床、改造、纵向进给第一章概述一、数控系统发展简史1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动 地工具.它与人类在农业、工业社会中创造地那些只是增强体力劳动地工具相比，起了质地飞跃,为人类进入信息社会奠定了基础6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床从此， 传统机床产生了质地变化.近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代地发展.1、数控（NQ 阶段（19521970年）早期计算机地运算速度低，对当时地科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实 时控制地要求人们不得不采用

4、数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称 为硬件连接数控（HARD-WIRED NG简称为数控（NQ .随着元器件地发展，这个阶段历经了 三代,即1952年地第一代-电子管；1959年地第二代-晶体管；1965年地第三代-小规模 集成电路2、计算机数控（CNC阶段（1970年现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产.于是将它移植过来作为数控系统地核 心部件，从此进入了计算机数控（CNC阶段（把计算机前面应有地通用两个字省略了） 到1971年,美国INTEL公司在世界上第一次将计算机地两个最核心地部件 -运算器和控制器, 采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上,称之为微处

5、理器（MICROPROCESSO又可称为 中央处理单元（简称CPU .到1974年微处理器被应用于数控系统.这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能 力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理而且当 时地小型机可靠性也不理想.早期地微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结 构来解决由于微处理器是通用计算机地核心部件，故仍称为计算机数控到了 1990年,PC机（个人计算机,国内习惯称微机）地性能已发展到很高地阶段,可以 满足作为数控系统核心部件地要求.数控系统从此进入了基于PC地阶段.总之,计算机数控阶段也经历了三代.即1970年地第四代-小型计算机；

6、1974年地第五 代-微处理器和1990年地第六代-基于PC（国外称为PC-BASED .还要指出地是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC 了 ,而我国仍习惯称数控 （NC） .所以我们日常讲地 数控, 实质上已是指 计算机数控了.二、数控机床及其特点数控机床（ Numerical Control Machine Tools ）是指采用数字形 式信息控制机床 . 详言之 , 凡是用数字化地代码将零件加工过程中所需地各 种操作和步骤以及刀具与工件之间地相对位移量等记录在程序介质上 , 送 入计算机或数控系统 , 经过译码、运算以及处理 , 控制机床地刀具与工件地 相对运动 , 加工出所需要

7、地工件地一类机床即为数控机床 .数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变地零件加工问题 , 是 一种灵活地、高效能地自动化机床 , 尤其对于约占机械加工总量80%地单件、小批量零件地加工 , 更显示出其特有地灵活性 . 概括起来 , 采用数控机 床有以下几方面地好处：提高加工精度 , 尤其提高了同批零件加工地一致性 , 使产品质量稳 定； 提高生产效率，一般约提高效率 35倍,使用数控加工中心机床则 可提高生产率 510倍； 可加工形状复杂地零件； 减轻了劳动强度 , 改善了劳动条件；有利于生产管理和机械加工综合自动化地发展 .然而 , 数控机床毕竟是一种高度自动化地机床 , 技术复杂 ,

8、成本较高 . 在实际采用时 , 一定要充分考虑其技术经济效果 . 目前 , 选用数控机床时主 要考虑以下三种因数：即单件、中小批量地生产；形状比较复杂, 精度要求高地加工；产品更新频繁 , 生产周期要求短地加工 . 凡是符合这三种因素 之一地情况 , 采用数控机床 , 对于改进产品质量、减轻工人劳动强度、提高 经济效益等 , 都会获得显著地效果三、数控机床地工艺范围及加工精度1.数控机床地工艺范围：根据数控加工地优缺点及国内外大量应用实践 , 一般可按适用程度将 零件分为三类：（1）最适用类1 ）形状复杂 , 加工精度要求高 , 用通用机床无法加工或虽然能加工但很 难保证产品质量地零件 .2）

9、用数学模型描述地复杂曲线或曲面轮廓零件.3）有难测量、难控制进给、难控制尺寸地不开敞内腔地壳体或盒型零 件.4）必须在依次装夹中合并完成铣、镗、铰或螺纹等多工序地零件.（ 2）较适用类1）在通用机床加工时极易受人为因素（如：情绪波动、体力强弱、技 术水平高低等）干扰 , 零件价值又高 , 一旦质量失控会造成重大经济损失地 零件；2）在通用机床上加工时必须制造复杂地专用工装地零件.3）需要多次更改设计后才能定型地零件.4）在通用机床上加工需要作长时间调整地零件.5）用通用机床加工时 , 生产率很低或体力劳动强度很大地零件 . （3）不适用类1）生产批量大地零件 . 2）装夹困难或完全靠找正定位来

10、保证加工精度地零件.3 ）加工余量不稳定 , 且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标 位置地零件 .4） 必须用特定地工艺装备协调加工地零件 .2.数控机床地加工精度： 看一台机床水平地高低 , 要看它地重复定位精度 , 一台机床地重复定位 精度如果能达到 0.005mm（ISO 标准 . 、统计法 ）, 就是一台高精度机床 , 在 0.005mm（ISO 标准 . 、统计法 ） 以下 , 就是超高精度机床 , 高精度地机床 , 要 有最好地轴承、丝杠.超精密加工目前是指尺寸和位置精度为0.01 0.3卩m,形状和轮廓精度为0.0030.1卩m,表面粗糙度钢件 Ra 0.05卩m铜件 R

11、aaPFif YFI KFI查表得：CFI=188kg.f/mm 2=1880MpaXFi=1YFi=0.75 KFi=1则再计算Fi如表7-1所示：表1 Fi计算结果ap(mm)333444555f(mm)0.40.50.60.40.50.60.40.50.6Fi(N)28373352384531825127478555896408F面计算地依据.从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时:Fx =(0.10.6) F iF取 Fx =0.5 F i=0.5 X 5953.5=2976.8NFY=0.6 F I =0.6 X 5953.5=3572.1N2.滚珠丝杠地设计计算由经济型数控机床系

12、统设计中式(地轴向力：P=KFx+F (Fi +W)式中 K=1.15 F =0.150.18Y= (0.150.7) F i6-3 )知，综合导轨车床丝杠取为0.17则 P=1.15 X 2976.8+0.17(5953.5+1000)=4605.4N1) 强度计算：寿命值：取工件直径 D=100mm,查表6-6得Ti=15000h60niTinif 1000vf niLQDLQ当Fi =5953.5N 时，切削深度 ap=5mm,走刀量f=0.6mm,以此参数作为Nc=FiV又因为6120niNch3006Jg_tg()tg3039tg(3039 10)二 0.956E=21 X二 6.3

13、查表6-7 运转系数fw=1.2查表6-8 硬度系数f H=1.0贝y Q = VLfW fH P = 5.67 .2x 仆 4605.4 = 9854.6N根据最大动荷 Q地可供选用地滚珠丝杠副型号有：W3006 WCh2506 WL3006WL2506WD3006 N3006NL3000 ND3006 ND3506选择内循环，螺纹式预紧，基本导程L0=6mmNL3006型内循环螺纹调整预紧地双螺母副：D0=30螺旋升角 入=3 39 ,C=1600kgf2)效率计算根据机械原理中公式(5-5 ),知丝杠副地传动效率:式中摩擦角 =10,螺旋升角=3393) 刚度验算滚珠丝杠在受工作负载P引

14、起地导程地变化量 L九坐(cm)(6-13 )式中弹性模量E,对钢1 EF62106N/cm2L0=6mm=0.6cm滚珠丝杠截面积Li60 niti606.3 150001010二 5.67F =(d)2 二珂26)2 二二 5.3cm22 2山 .丄 PL。丄 4605.4x 0.6丄c、-L1068.9 10 (cm)EF 21 106 5.3Li很小，可忽略.滚珠丝杠地两端装推力轴承,丝杠不会发生失稳现象，故不必验算1）有关齿轮计算 传动比360、= 1.252）转动惯量计算：（以下用及公式见表 工作台质量折算到电机轴上地转动惯量:6-30 )=(l80_p)2W =(180 0.00

15、1)2 I。= o.584kg cm2 = 5.84N cm213.14 0.75丝杠地转动惯量:J卄 7.8 10 D4L = 7.8 106.44 22 22.617kg cm 26.17N cm.4422JI2= 7.8 1082 - 6.39kg cm = 63.90N cm式中D 圆柱零件地直径（cm ）L零件轴向长度（cm ）.忽略电动机转动惯量，则总地转动惯量：3）所需转动力距计算1J 2 仃仃s JI2)Jui11.252J1(94.77 63.90) 26.175.84= 133.56N cm2滚珠丝杠因扭矩作用而引起地导程变化量 即厶L= Li.，:,!00.丄8.9 10

16、*cm =148im/m所以，L。0.6查表6-9知,一级精度丝杠允许地螺距误差为15卩m/m,故刚度足够4）稳定性验算3.齿轮及转矩地有关计算Ma Jn 10 N m9.6T式中T时间常数nmaxg= 200依馅升伽L0Ma max =13.3 6 416.7 10*=2.32N m = 23.2kgf cm9.6 0.025MabM0M0nj fiL01000V FtnDJ00。40 0.6依七刎血13.356 16.59 “ 410 一 9.6 0.025_ F0L0 _ fWL0-2: i 一 2二 i= 0.8 f =0.16 M fP)L02計計-0) )3.14 100 6= 0

17、.0923N m = 0.923kg f cmO.16 100 061.529kgf cm = 15.29N cm2 3.14 0.8 1.25P -A，3FxL0(1 - 02) 126.07 0.6(1 -0.9)200.7630kgf cm=7.63N cm=0.96 3.14 0.8 1.25当 n = n max 时，Mamax=Ma当 n=nt 时,Ma=MatMb126.07 0612.045kgf cm=120.45N cm2二 i 2 3.14 0.8 1.25故快速空载启动所需力矩:M 二 Ma max M f M 0 二 23.21.529 0.763 二 25.492k

18、gf cm 二 254.92N cmM 二Mat Mf M 0 Mt 二 0.923 1.5290.763 12.045=15.26kgf cm=152.6N cmM 二 M f M 0 =1.5290.763 二 2.292kgf cm 二 22.92N cmM max = 25.492kgf cm4.步进电机地选择纵向进给系统步进电动机地确定MqL00.3 0.5Mr_电机启动力距启动力距取为ML0_电动机静负载力距MqML0 254.920.350.35二 728.34N cm为满足最小步距要求，三相六拍工作方式二 0.866MimMq 728.340.866 一 0.866=841N

19、cmfmaxVmax6T3333.3Hz，信号传递准确，其联接方式查表T-2知:步进电机最高工作频率综合考虑，查表选用130BF001型直流步进电动机，可满足使用要求二、脉冲发生器地选择加工螺纹或丝杆时，也保证主轴每转一转 ，刀具准确移动一个导程，须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号地反馈元件，脉冲发生器，采用同轴安装，接胶管柔性联接意在实现角位移信号传递地同时，又能吸收车床主轴地部分振动，从而使主轴脉冲发生器转动平稳 如下图：脉冲发生器安装时须注意：小心轻放，不能有较大 地冲击和振动 以防损伤光栅盘.车床主轴地转速必须小于主轴脉冲发 生器地最高允许转速以免损坏脉冲发生器三、 刀架地选用 拆除

20、原手动刀架和小托板 ，安装由微机控制地四位电动刀架 ，自动换刀装置应满足换刀时间短 ，刀具复定位精 度高，刀具存储量大，刀座占地面积小及安全可靠等特点 .在进行普通车床 地经济数控改造时，多采用外购直动转位刀架（螺旋升降转位刀架）自动转位刀架能自动完成抬起、回转、转位、下降、定位、和压紧.刀架地抬起利用压缩弹簧地恢复力，利用螺纹传动，将旋转运动变成轴向直线运动，从而达到刀架地抬起.刀架地回转采用微电机通过蜗杆涡轮使刀架抬起到一定高度时，由拨块带动刀架转动.刀架地选位由刀架位置地偏码和微机程序来实现刀架地下降采用微机控制使微电机反转，由于斜面销地齿轮作用，刀架不跟随转，只是下降，压紧刀架地压紧力

21、由微机下降到位后继续转动产生.四、拖板箱拆除原拖板箱 , 利用此位置安装新拖板箱 , 新拖板箱上装有固定滚珠丝 主丨-5nn轴E:.X.x脉(冲发1生器橡胶管杆地螺母 , 并在内部设储油箱和手压泵用于润滑丝杆副 .第四章 电气控制地设计计算一、数控系统基本硬件组成 数控系统基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成 , 硬件是数控系统地基 础 , 其性能地好坏不直接影响整个系统地工作性能. 有了硬件 , 软件才能有效地运行 . 机床数控系统地硬件由电路概括起来由以下几部分组成： 中央处理单元 CPU总线：包括数据总线（DB）,地址总线（AB）和控制单元 （ CB）存储器：包括只读可

22、编程存贮器和随机读写存贮器 .I/O 输入 / 输出接口电路 .其中CPU是数控系统地核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分 电路协作. 存贮器用于存放系 统软件, 应用程序和 运行中 所需地各种数 据.I/O 接口是系统与外界进行信息交换地桥梁，总线是CPU与存储器，接口以及其它转换电路链接地纽带是CPU各部分电路进行信息交换和通讯地必由之路 .MLS-51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较为普遍 , 其配套芯 片低廉 , 普及性通用性强 , 制造方便 , 完全能够满足经济型数控车床地改造 需要 . 本方案对 C6150 地数控化改造以 8031 组成地单片机作为数控控制 系统 .二

23、、单片机控制系统地设计（一）主要地技术特性及硬件配置中央处理器为 8301CPU,系统时钟为12MHZ,存贮器选用8片8KX 8位 地2764 L=PKOM和8KX 8位地6264K4M,监控程序和各功能模块程序固化 在2764 一块EPKOM内.剩下地一片 EPKOM芯片内用于存放常用零件地加 工程序 . 这样安排地好处是更换零件加工程序时 , 只需更换一块芯片即可 . 调试程序和运行程序地中间数据也存放在 6264 内.I/O 接口芯片选用 2片8155,2#8155 地PA 口作为输出口 ，向L291输 出Z向电机地速度，指令PCD也定为输出口 ，向其中P0P2用于微处理，对 Z 向电机

24、速度反馈速度地转向信号 .P3P1 用于对 X 向电机反馈信号 .PB 口8000H8FFFHEPROM存放监控程序9000H9FFFHEPROM存放功能模块程序6000H7FFFHEPROM存放常用零件加工4000H5FFFHSRNM程序（ 三 ） I/O地址分配地址芯片名称1FOOH1FFFH8155(1)BFOOHBFFFH8155(2)8155 内部寄存器编址名称8155（1）2)1FF8HPA 口1FFYHOBFF9HPB 口PC 口定时器低 定时器高1FFAHOBFFAH1FFBH8 位寄存器6 位寄存器OBFFBH1FFCH1FFDHOBFFCHOBFFDH和 2 位定时方式寄存

25、器三、软件系统 本系统通过软件来实现对步进电机地控制, 使其完成加工中要求地正反转及传动速度 . 系统软件地设计采用模块化设计 , 主要模块如下：定义为输出口向 L2P1输出X向电机地速度指令.1#8155 地PA 口 PB 口定OBFF8H8155令状态寄存器义为输入口 , 用于键盘信号地输入 （二）存储器空间地分配命开始N有键按下延时10 ms再次扫描全部键盘输丫行以后列数如1列数 右移一位调用功能键查找子程序图2键扫描模块化流程图该模块功能：识别是否有键按下.如有则进行键译码，找出按下地键1.显示模块本系统在零件加工过程中显示加工零件地段号及加工剩余步数，显示模块地功能显示上述内容.在调

26、用该模块前要显示地数据已写入显示缓冲区.其流程图如图1.2.键盘扫描模块扫描全部键盘若无键，按下返回键.经键译码如是数字键按下则将键值送显示缓冲区，若软件系统F面介绍其中几个主要模块地设计思想图1显示模块流程图此行有键?延时行值如04 AYN 4行扫描全？延时N 键释放？、N有键按下Y算键值存键值为功能键按下则转到对应地服务程序 . 程序流程图见图 2.3.圆弧插补模块该模块地功能完成圆弧插补计算 , 入口参数： K1、 R2 分别为动点 Kij 地坐标 ,Ui 物态为圆弧地起点坐标 为动点 K 地偏差 , 初值为出口参 数 ,A 中 , 为 坐标运算完成 , 标志置 1, 系统中圆弧加工分

27、8 个走向 , 由圆 弧加工地数控字中给出确定圆弧起点坐标地横向步数和纵向步数 . 并且给 出步数表示地计数长度 , 偏差计算为负值时 , 走纵向电机步进支路 , 纵向步 数递增 , 偏为正 , 走横向电机步进支路 , 横向步数 , 计数长度递减 .4.步进电机控制模块该模块功能是判断步进电机地转向, 然后按顺序输出控制脉冲 .第五章 其它 一、齿轮传动消除间隙地方法 数控机床进给系统由于经常处于自动变向状态 , 如果齿轮幅存在间隙 , 反向时就会使进给运动滞后于指令系统 , 从而影响加工精度 , 因此必须采用 措施消除齿轮传动幅中地间隙 , 以提高数控机床进给系统地传动精度和定 位精度 .1

28、. 直齿圆柱齿轮传动间隙消除方法（ 1 ）偏向轴承调整法 , 在这种消除间隙地方法中 , 其中一个齿轮装在 偏心套上 , 通过转动偏心套相对齿轮地转角 , 就可调节两啮合齿轮地中心距 从而消除圆柱齿轮正、反转时地齿侧间隙 .（ 2）轴向垫片调整法：两个啮合地齿轮, 其分度圆齿厚沿轴线方向略有锥度 ,利用轴向垫片使其中一个齿轮沿轴向移动 , 从而消除两齿轮正、反 转时地齿侧间隙 . 装配时垫片厚度应使得两齿轮之间既消除间隙 , 又运转灵 活.（ 3）双片薄齿轮错齿调整法 这种方法可消除一对相啮合齿轮地齿侧间隙 , 其中一个是宽齿轮 , 另一 个是由两片齿轮组成 , 安装时 , 使一片齿轮地齿左侧

29、及另一片齿轮地齿右侧 分别紧贴在宽齿轮地齿槽左右两侧 , 并用螺钉弹簧力使两片齿轮紧固 . 正转 时, 另一片齿轮与宽齿轮啮合 , 传递动力和运动 . 这样错齿后就消除了齿侧 间隙, 正反转时不会出现间隙 .双片薄齿轮错齿调整法地结构有螺钉固定式地 , 有 向弹簧式地等 , 本设计中就采用了第三种方法消除间隙 .2. 斜齿圆柱齿轮和直齿锥齿轮间隙消除方法 斜齿圆柱齿轮和直齿锥齿轮传动件, 消除齿侧间隙地原理 , 基本与上述直齿圆柱齿轮地消防方法相似 . 其结构形式有利于双片齿轮错齿调整法和 轴向压簧调整法 , 可根据数控机床地使用要求合理地选取和设计 .二、润滑与密封润滑地作用是减少摩擦 , 降低温升 , 并与密封装置一起保护轴承不受到 外物地损失与腐蚀 . 润滑剂和润滑方式决定于轴承地类型、速度和工作负 荷 . 如果选择地合适 , 可以降低轴承地工作温度和延长使用寿命 .滚动轴承地润滑基于弹性流体动力润滑理论 . 滚动体和滚道接触处压 强很高 , 会产生接触变形 . 接触区是一小块面积地接触 , 而不是一条线或一 个点地接触 . 润滑剂在高压下坐压缩 , 粘度急剧升高 . 瞬时局部高粘度地油 可以在接触区形成油膜 , 把滚动体和滚道隔开 . 滚动体与滚道地接触面积很 小, 所