機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

1、鄭州大學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢 業(yè) 設(shè) 計題 目： 機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計入 學(xué) 年 月_2015年春_姓 名_陳謙_學(xué) 號專 業(yè)_機(jī)電一體化_聯(lián) 系 方 式學(xué) 習(xí) 中 心_石家莊_指 導(dǎo) 教 師_ _完成時間_2017_年_2_月_18_日機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計摘要1952年，美國帕森斯公司試驗成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，這標(biāo)記著制造領(lǐng)域中數(shù)控時代的開始。21世紀(jì)后，新型數(shù)控機(jī)床慢慢替代了普通機(jī)床，因其具有提高生產(chǎn)率,減低生產(chǎn)成本和增加收益等方面的優(yōu)異性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。因為它具有加

2、工靈活,通用性強(qiáng)的特點，能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種，小批發(fā)，自動生產(chǎn)化的要求，并且數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，在提到生產(chǎn)率，降低工人生產(chǎn)強(qiáng)度，減低生產(chǎn)成本和增加效益方面都有著很大的優(yōu)越性。 本論文以數(shù)控改造方法和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計來完成對普通機(jī)床的改造，來提高加工精度和增加機(jī)床使用范圍，提高生產(chǎn)力。介紹了普通機(jī)床機(jī)械部分的改造的設(shè)計和數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。以8031芯片對系統(tǒng)信息進(jìn)行處理，用步進(jìn)電動機(jī)為驅(qū)動電路關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床 改造設(shè)計 目錄摘要.3關(guān)鍵詞.3第一章: 概述.5第二章: 方案的設(shè)計.6 2.1 數(shù)控機(jī)床的選擇.6 2.2 進(jìn)主軸電機(jī).6 2.3 刀架部

3、分的改造.6.7 2.4 機(jī)床的導(dǎo)軌.7 2.5方案的確定.7第三章: 數(shù)控機(jī)床硬件的設(shè)計.8 3.1 數(shù)控機(jī)床硬件的組成.8 3.2 數(shù)控機(jī)床硬件的作用及設(shè)計.8.9總結(jié).10感謝語.10參考文獻(xiàn).10.11第一章:概述 機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，是應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動化控制的新一代機(jī)床數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度.靈敏而多樣性的功能引起人們的矚目，開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。 數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機(jī)床控制的產(chǎn)品，它是吧刀具和工件之間的相對置，機(jī)床電機(jī)的啟動

4、和靜止，主軸變速，工作松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送進(jìn)數(shù)控裝置或計算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運算打出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其他元件，加工出現(xiàn)所需元件。 當(dāng)前，世界先進(jìn)制造技術(shù)不斷地興起，超高速線切、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求，當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正朝一下幾個方向發(fā)展。 （1）高速、高精密化 高速、精密是機(jī)床發(fā)展的永恒目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，對零件加工的精度和表面質(zhì)量的要求也越發(fā)高了。為了滿足這個復(fù)雜多變的市場需求，

5、當(dāng)前機(jī)床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展。加工精度也在不斷地提高。另一方面。電主軸和直線電機(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)成空心內(nèi)冷和滾珠螺母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲杠副和帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市，也為機(jī)床向高速、精密的發(fā)展創(chuàng)造的條件。 （2）高可靠性 數(shù)控機(jī)床的可靠性是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的一項關(guān)鍵性指標(biāo)。數(shù)控機(jī)床能否發(fā)揮其高性能、高效率和高精度，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其性能的高低。 (3)數(shù)控車床設(shè)計CAD化 隨著計算機(jī)應(yīng)用的普及和軟件技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)能到了廣泛的發(fā)展。CAD不僅可以代替人工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以進(jìn)行設(shè)計方案選擇和大件整機(jī)的靜、動

6、態(tài)特性分析、計算、預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計，可以對整機(jī)各工作部件進(jìn)行動態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎(chǔ)上在設(shè)計階段就可以看出產(chǎn)品的三維幾何模型和逼真的色彩。采用CAD技術(shù)還可以大大的提高工作效率，提高設(shè)計的一次性成功率，從而縮短試制周期，減低設(shè)計成本，提高市場的競爭能力。 （4）功能復(fù)合化功能復(fù)合化的目的是進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時間減到最少。通過功能的復(fù)合化，可以擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺數(shù)控機(jī)床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工；或在以銑為主的機(jī)床上也可以實現(xiàn)磨銷加工。寶雞機(jī)床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)控車銑復(fù)合中心，該車床同時具有X、Z軸以及C軸

7、和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機(jī)床還配置有強(qiáng)動力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過數(shù)控系統(tǒng)可以直接實現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機(jī)床工作一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了生產(chǎn)的效率。（5）智能化21世紀(jì)的數(shù)控具有了一定智能化的系統(tǒng)。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成。為提高驅(qū)動性能及使用鏈接方面的智能化，如電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)運算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、自動化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內(nèi)容，以方

8、便系統(tǒng)的診斷和維修等。 進(jìn)了21世紀(jì)后，我國成為了一個機(jī)床大國，但機(jī)床的性能落后等問題阻礙我國成為一個機(jī)械強(qiáng)國，然企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存求得發(fā)展，就必須以其優(yōu)異的質(zhì)量，低廉的成本，制造出合乎市場需要的性能適合的產(chǎn)品，而這些需要普通機(jī)床已無法達(dá)到。所以采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床已成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢。 對于大量需要更新的普通機(jī)床，很多企業(yè)無法拿出巨大的資金，但企業(yè)卻存在數(shù)量眾多的，具有較長壽命的普通機(jī)床，由于普通機(jī)床的加工精度較低，不能批量生產(chǎn)，自動化程度不高，所以把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床成為了很多企業(yè)對現(xiàn)有設(shè)備改造替代的首要方法，才能使企業(yè)具備足夠的競爭力，才能是我國立足世界制造業(yè)。

9、第二章：方案的設(shè)計 2.1 數(shù)控機(jī)床的選擇 (1) 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)，中開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)。因為開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本較低易改裝成功，所以本設(shè)計選用開環(huán)控制系統(tǒng)。 （2）普通機(jī)床由軟件、硬件和機(jī)械部分組成，而硬性是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞，決定了數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。在我改造機(jī)床適用普遍的為Z80CPU和MCS-51系列的單片機(jī)，因其便宜、普及性強(qiáng)，滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床所需。其中8031芯片適用于擴(kuò)展ROM，可現(xiàn)場維修和更新程序存貯器的應(yīng)用場合，且及格便宜適用方便，所以本設(shè)計選用以MCS-51系列單片機(jī)以8031芯片為核心。 （3）步進(jìn)電機(jī)

10、是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大靠電子元氣的動作來完成，因此其控制信號的能力較差，故選用功率較大的驅(qū)動電路。根據(jù)我國的步進(jìn)電動機(jī)型號選擇，我們選用了55BF003型步進(jìn)電動機(jī)，其參考數(shù)據(jù)如下表： 相數(shù) 步距角 電壓 相電流 3 1.5 3A 0.67N.m 空載啟動頻率 空載運行頻率 分配方式 外形尺寸 1800 12000 三相六拍 55x70x6 步進(jìn)電動機(jī)的基本參數(shù)2.2 改進(jìn)主軸電機(jī) 脈沖編碼器又稱為脈沖發(fā)生器。它是能夠把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成為電沖脈，是數(shù)控機(jī)床使用廣泛的位置控制裝置。脈沖發(fā)生器的特點有1、是非接觸性的控制方式，無摩擦和磨損，驅(qū)動力

11、小2、由于光電交換器性能的提高，可以有較快的響應(yīng)速度3、由于照像腐蝕技術(shù)的提高可以制造高分辨率，高精度的的光電盤母盤制作后，復(fù)制方便且成本較低。2.3 刀架部分的改造目前的數(shù)控車床的刀架基本是電動刀架，其特點是定位更準(zhǔn)確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動、液壓驅(qū)動或者少部分的電動，改造是可以根據(jù)需求對其進(jìn)行更換。 電動刀架可分為臥式轉(zhuǎn)塔刀架和立式電動刀架，立式電動刀架有四工位，其中每一種刀架又有抬刀刀架和和免抬刀刀架之分。臥式轉(zhuǎn)塔刀架相對而言價格更高，改造中常用立式電動刀架。 2.4 機(jī)床的導(dǎo)軌 普通車床導(dǎo)軌大多數(shù)采用的是滑動導(dǎo)軌，其動、靜摩擦系數(shù)較大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機(jī)

12、床的傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進(jìn)行數(shù)控化改造的同時必須針對機(jī)床導(dǎo)軌狀況進(jìn)行必要的檢修處理，對于磨損很嚴(yán)重的更要進(jìn)行大修，即進(jìn)行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保持其精度。 2.5 方案的確定 經(jīng)過分析，本次選用CA6140車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控。由8031芯片組成的微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，用單片機(jī)來控制步進(jìn)電動機(jī)，實現(xiàn)軟件和硬件相結(jié)合的控制方法。安裝個主軸脈沖發(fā)生器靠其同步齒形帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出信號。第三章：數(shù)控機(jī)床的硬件電路設(shè)計3.1 數(shù)控機(jī)床硬件的組成 （1） 主控制器 即CPU （2） 總線 包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線 （3） 存儲器 包括

13、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 （4） 接口 即I/O（輸入/輸出）接口 （5） 外圍設(shè)備 如鍵盤、顯示器等3.2 數(shù)控機(jī)床硬件的作用及設(shè)計 CPU我們采用了8031芯片，由于8031無片內(nèi)程序存儲器，需要擴(kuò)展外部程序存儲器，同時8031芯片內(nèi)部只有128字節(jié)RAM的數(shù)據(jù)存儲器，也不能夠滿足控制系統(tǒng)的要求，所以我們要應(yīng)該對數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器進(jìn)行擴(kuò)展。 在選擇程序存儲器時，有3種選擇，掩膜ROM、可編程ROM、紫外線可擦除ROM?，F(xiàn)在大多數(shù)選用的是紫外線可擦除ROM，同時要考慮CPU和ROM之間時序的匹配，應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度和存儲器容量等問題。根據(jù)設(shè)計需求，需外擴(kuò)32K的程序存儲器，所以選

14、擇27256芯片。 常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM兩種。然動態(tài)RAM價格便宜、容量大和功率低等優(yōu)點，但同時其電路設(shè)計較為復(fù)雜，容易受到干擾，對外界的環(huán)境、工藝結(jié)構(gòu)和電源質(zhì)量要求都較高與靜態(tài)RAM比明顯存在不足，所以控制系統(tǒng)選用靜態(tài)RAM。在8031芯片中，較為常用的是6116和6264兩種。根據(jù)設(shè)計需求，需要外擴(kuò)8K的數(shù)據(jù)存儲器，所以選擇6264芯片。8031單片機(jī)有P0、P1、P2、P34個八位口，32根I/O線。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展存儲器時，P0口用來輸出低8位并行數(shù)據(jù)，P1口作為輸入使用進(jìn)行功能鍵的控制，如X軸、Z軸的啟動、停止等，P2口用來輸出高8位地址，P3口作為一個8位準(zhǔn)雙向并行口

15、。8155作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的課編程的I/O接口得到廣泛使用。對于單片機(jī)系統(tǒng)來說，使用8155作為鍵盤的接口，無需再專門增加芯片，所以選用8155.8255A是一種有通用的可編程并行接口電路，在單片機(jī)系統(tǒng)中被廣泛用作可編程外部I/O擴(kuò)展接口。同時它與8031單片機(jī)連接方式簡單，所以選用8255擴(kuò)展輸出輸入信號接口?？偩€是連接系統(tǒng)中各擴(kuò)展部件的一組工作信號線?？砂哑浞譃榈刂房偩€、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線為16位，由P0口經(jīng)地址鎖存器提供16位地址總線的低8位地址。數(shù)據(jù)總線為8位，由P0提供?？刂瓶偩€由P3口和4根獨立的控制線RST、EA、ALE和PSEN組成。 總結(jié) 經(jīng)過一段時間的努力，

16、本設(shè)計論文已經(jīng)基本完成，但由于本人水平有限知道設(shè)計當(dāng)中還存在很多不足的地方，希望老師給予批評和指導(dǎo)，由衷感謝。 通過這次的設(shè)計，綜合運用了機(jī)械課程設(shè)計和其他課程地理論和實際知識，掌握了機(jī)械設(shè)計的一般能力，樹立了正確的設(shè)計思路，培養(yǎng)了分析和解決問題的能力，使我對知識有了一個更大的了解；還有對設(shè)計工作的基礎(chǔ)技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進(jìn)行一般的機(jī)械設(shè)計創(chuàng)造力一定的條件。 在設(shè)計當(dāng)中也遇見過各種困難，但老師的幫助使我最終克服了它。同時提升了自身收集、閱讀、分析和運用材料的能力，讓我運用WORD的能力也有所提高和熟練，可以說是個不小的收獲。 本次設(shè)計是對我以后工作的一個重要的影響，讓我明白了探索知道過程的不易和成功后的喜悅，打下了一個良好的基礎(chǔ)。感謝 本次論文能夠完成，離不開老師的幫助和指導(dǎo)。沒有他們的幫助是無法完成的。在學(xué)習(xí)的過程中，老師無微不至的關(guān)懷和精心指導(dǎo)，深深的感動著我，給了我很大的啟迪和幫助。在此向老師表達(dá)深深地感謝和崇高的敬意。 參考文獻(xiàn) （1）王瑞孝，秦現(xiàn)生.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng).西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000 （2）廖效果，朱啟逑.數(shù)字控制機(jī)床.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1992 （3）顧京，數(shù)控加工