商丘工学院毕业论文设计

　 编号： 4209040224__

　商丘学院

　题 目 普通卧式机床的数控改造

　系 别 机电工程学院

　 专 业 数控技术

　学生姓名 梁庆宏

　成 绩

　指导教师 黄胜银

　2012年4月

　序 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。其目的是培养学生综合运用所学的专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题的能力，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。

　本说明书分为概述、设计内容、总结三部分，分别介绍了此次设计任务将普通卧式车床（C616）改造为经济型数控车床；有关经济型数控车床改造总体方案确定及框图、进给伺服系统机械部分设计计算及校核、数控系统硬件电路的设计、加工程序编制；主要是对本次毕业设计的心得。

　本书在编写过程中，得到了指导老师和各位老师及同学的大力支持和热心帮助，在此表示谢意!

　目 录

　第一章 概 述

　设计目的----------------------------------------------------------------------4

　设计任务----------------------------------------------------------------------4

　第二章 设计内容

　总体方案确定及框图-------------------------------------------------------5

　机床进给伺服系统机械部分设计计算及校核-------------------------7

　C616经济型数控车床微机数控系统硬件电路的设计---------------17

　数控机床加工程序编制----------------------------------------------------17

　第三章 总 结

　 设计体会------------------------------------------------------------------------19

　 参考资料------------------------------------------------------------------------20

　3. 致 谢---------------------------------------------------------------------------21

　第一章 概 述

　1.设计目的通过毕业设计，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深时所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识，使认识提高到一个新的水平，通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通过毕业设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。

　2.设计任务：

　(1) 要求：

　将C616车床改造成用MCS—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：0.01mm. 横向：0.005mm

　(2) 设计参数：

　最大加工直径：

　在床面上： 320mm

　在床鞍上： 175mm

　最大加工长度：1000mm

　快进速度：

　纵向：2.4m/min

　横向：1.2m/min

　最大进给速度：

　纵向： 0.8m/min

　 横向： 0.4m/min

　代码制：ISO

　脉冲分配方式：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： 0.01mm/step

　横向： 0.005mm/step

　刀具补偿量：0~99.99mm

　进给传动链间隙补偿量：

　纵向： 0.15mm

　横向： 0.075mm

　自动升降速性能： 有

　(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。

　Ⅰ 控制系统总体方案的分析论证的及控制标准图

　Ⅱ 机械部分设计计算及结构设计说明

　Ⅲ 硬件电路部分设计说明

　Ⅳ 加工程序控制及说明

　第二章 设 计 内 容

　1.总体方案的确定及框图

　(1)、总体方案的确定

　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MCS—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MCS—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、步进电机功率放大电路等组成。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。

　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。

　(2)、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

　④ 计算机的选择

　微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。

　(3)绘制总体方案框图（图1）

　图１

　2.机床进给伺服系统机械部分设计计算及校核

　(1)确定系统的脉冲当量

　根据数控机床精度要求确定脉冲当量0.005mm/setp

　(2) 计算切削力

　横切端面

　 查《综合作业指导书》P13页

　式中——车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切时的式中 ——走刀方向的切削力（N）

　 ——垂直走刀方向的切削力（N）

　(3)滚珠丝杆螺母副的设计、计算、选型

　① 计算进给牵引力

　横向进给选为三角型或综合导轨 参考《机床设计手册.2》6.2-2；6.2-3表

　 查阅《综合作业指导书》P22页

　式中：，，——切削分力（Ｎ）

　 G——移动部件的重量（N） 表1-1查得横向溜板及刀架重力800N

　 ——滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 取=0.15-0.18

　 K——考虑颠复力矩影响的实验系数 取K=1.15

　② 计算最大动负载C

　 选用滚珠丝杆导轨 参考《机床设计手册.3》P185-P210

　 查阅《综合作业指导书》P22页

　 式中：L——寿命，以转为一单位

　 n——丝杆转速（r/min）

　 ——丝杆导程（mm）=5mm

　 T——为使用寿命（h）,15000h

　 ——运转系数，查表3-14一般取1.2-1.5

　③ 滚珠丝杆螺母副的选型

　查阅《综合作业指导书》附表Ａ-2，可采用WD2505外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为9700N,精度等级按表3-17选为３级。

　④ 传动效率计算

　式中：——螺旋升角，WD2505

　 ——摩擦角取 滚动摩擦系数0.003-0.004

　⑤ 刚度验算

　横向进给丝杆支承方式图２所示，最大牵引力958.97N,支承间距Ｌ＝350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。

　图２

　计算如下:

　Ⅰ 丝杆的拉伸或压缩变形量(mm)

　查阅《综合作业指导书》图3-4,根据＝958.97N,D=25mm查出可算出：

　Ⅱ 滚珠与螺纹滚道间接触变形量

　查图3-5得Ｗ系列１列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量　

　因进行了预紧

　Ⅲ 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形

　采用推力球轴承8104查阅《机床设计手册.２》表5.9-137,d=20mm,滚动体直径=5.556mm,数量Z=13

　综合以上几项变形量之和：

　〈定位精度>

　⑥ 稳定性校核

　计算临界负载(N)

　 式中:E——材料弹性模量()

　 I——截面惯性矩()

　 L——丝杆两轴承端距离(cm)

　 ——丝杆支承方式系数，从表3.15中查出，一端固定，一端简支为2.00

　 一般=2.5-4.0,所以>>

　 此滚珠丝杆不会产生失稳。

　⑦ 横向滚珠丝杆副的几何参数

　表2: 传动齿轮几何参数

　齿数 Z 24 40 20 25 分度圆 d=mz 48 80 40 50 齿顶圆 52 84 44 54 齿根圆 43 75 35 45 齿宽 (6-10)m 20 中心距 64 45

　② 横向步进电机计算和选型

　Ⅰ 初选步进电机

　a 计算步进电机负载转矩

　 查阅《综合作业指导书》P22页

　式中: ——脉冲当量，取

　 ——进给牵引力(N)

　 ——步距角，初选双拍制为

　 ——电机—丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为

　b 估算步进电机起动转矩

　根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩(N.cm)

　一般横向进给伺服系统取0.4-0.5

　c 计算最大静转矩

　查表3-22如取五相十拍，则

　d 计算步进电机运行频率和最高启动频率

　 式中:——最大切削进给速度

　 ——最大快移速度

　 ——脉冲当量，取

　e 初选步进电机型号

　 根据估算出的最大静转矩在表3-23中查出90BF004最大静转矩为245N.cm >可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量，应该选用稍大转矩的步进电机，以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床进行类比的要求。决定采用90BF004，但从《综合作业指导书》P24页查出，步进电机最高空载启动频率为4000Hz,满足空载时(3333.33Hz)的要求。

　Ⅱ 校核步进电机转矩

　前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计算。

　ⅰ 等效转动惯量计算

　计算简图见图2，根据表3-24，经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量可由下式计算:

　式中:——齿轮及其轴的转动惯量

　 ——齿轮的转动惯量

　 ——丝杆转动惯量

　 ——丝杆导程(cm)

　 G——工件及工作台重量(N) G=800(N)

　a齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算

　 表3-24所示圆柱体转动惯量计算公式如下:

　 对于钢材，

　式中:M——圆柱体质量

　 D——圆柱体直径 (cm)

　 L——圆柱体长度或原长(cm)

　 钢材的密度为

　因此

　基本满足惯量匹配的要求。

　b电机转矩计算

　机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算:

　1） 快速空载起动转矩

　在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下：

　式中: ——快速空载起动转矩

　 ——空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩

　 ——折算到电机轴上的摩擦转矩

　 ——由于丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩

　 在采用丝杆螺母副传动时，上述各种转矩可用下式计算：

　式中:——传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量

　 ——电机最大角速度

　 ——电机最大转速

　 ——运动部件最快速度

　 ——脉冲当量

　 ——步进电机的步距角

　 ——运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间(s)

　 起动加速时间=30(ms)

　 折算到电机轴上的摩擦转矩

　式中: ——导轨的摩擦力(N)

　 ——垂直方向的切削力(N)

　 G——运动部件的总重量(N)

　 ——导轨摩擦系数，取=0.15

　 ——齿轮降速比

　 ——传动链总效率，一般可取0.7-0.8

　附加摩擦转矩:

　式中: ——滚珠丝杆预加负荷，一般取，为进给牵引力(N)

　 ——滚珠丝杆导程(cm)

　 ——滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取

　上述三项合计:

　2） 快速移动时所需转矩

　3） 最大切削负载时所需要的转矩

　式中:——折算到电机轴上的切削负载转矩

　从上面计算看出、、三种工况下，以快速空载所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。

　 从表3-22查出，当步进电机为五相十拍时为

　则最大静转矩为:

　 从表3-23查出90BF004最大转矩为为245，大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。

　 当快速运动和切削进给时，90BF004型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性可以满足要求。

　(6) 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装配图，用以表达设计构思、设计特点及计算结果，进给伺服系统总图设计：

　① 横向进给伺服系统总图设计

　② 进给伺服系统的装配图

　经过计算，已知横向进给系统采用90BF004型步进电机。经过二对齿轮减速，齿轮齿数。齿轮模数m=2,滚珠丝杆直径为mm, 滚珠丝杆螺母选用的是外循环沟槽式垫片调隙WD2505。

　进行应保证足够应考虑以上问题

　3. C616经济型数控车床微机数控系统硬件电路的设计

　附录H图H-1是用MCS-51系列单片机组成的控制系统，该系统采用8031作CPU，扩展了两片2764芯片、一片6264芯片、两片8155可编程并行I/O接口。

　① 控制系统的功能

　Z向和X向进给伺服系统运动

　键盘显示

　自动转位刀架控制

　螺纹加工控制

　面板控制

　行程控制

　其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路、功能电路等。

　② CPU、存储器及I/O接口

　CPU采用8031芯片，选用6MHz晶体振荡器。它的作为数据总线和地址共用。16位地址线由经地址锁存器74LS373提供8位地址，高8位地址由8031的口直接提供。

　4. 数控机床加工程序编制

　编制如下图轴类零件的车削加工程序。

　加工内容包括粗精车端面、倒角、外圆、锥度、圆角、退刀槽和螺纹加工等。其左端25mm为夹紧用，可先在普通车床上完成车削。该零件采用棒料毛坯，由于加工余量大，在外圆精车前采用粗车循环指令去切除大部分毛坯余量，留有单边0.2 mm余量。选用第一参考点为换刀点。使用刀具为：外圆粗车刀、外圆精车刀、切槽刀和螺纹车刀。

　参考程序：

　O0006; 程序号；

　N10 G92 X200.0 Z350.0; 设置工件坐标系；

　N15 G28 U0 W0; 返回参考点；

　N20 S1000 T0101 M03 M08; 主轴正转，调用01号粗车刀，打开冷却液；

　N25 G00 X87.0 Z290.1; 快速走到粗车右端面起点（87.0,290.1）；

　N30 G95 G01 X-1..6 W0 F0.3; 粗车右端面，车削进给速度0.3mm/r；

　N35 G00 X105.0 Z300.0; 快速走到外圆粗车循环起点；

　N40 G71 U1.0 R1.0; 粗车循环，每次车削深度1.0mm，每次退刀1.0mm；

　N45 G71P50Q100U0.4W0.2F0.3S800; 留粗车余量X向0.4mm，Z向0.2mm；

　N50 G00 X87.0 F0.15; 快速走到车削起点，精车进给0.15mm/r；

　N55 G42 G01 X48.0 Z290.0; 刀具右偏；

　N60 W-60.0; 精车(48外圆；

　N65 X50.0; 精车台阶端面；

　N70 X60 Z160.0; 精车锥面;

　N75 X65.0; 精车台阶端面；

　N80 W-80.0; 精车(65外圆；

　N85 G02 X75.0 W-5.0 R5.0; 精车R5内圆角；

　N90 X85.0; 精车端面；

　N95 Z25; 精车(85外圆；

　N100 G40.0; 取消刀补；

　N105 G28 U0 W0; 返回参考点；

　N110 G50 S1500; 限制主轴最高转速为1500r/min，G50指令可做钳位用；

　N115 G96 S20 T0202; 指定恒定切削速度，调用02号精车刀，02号刀补；

　N120 G70 P50Q100; 粗车后精车；

　N125 G00 X87.0 Z290.0; 回退到精车端面快速运动起始点；

　N130 X 50.0; 快速走到精车端面的工进点；

　N135 G01 X-2.0; 精车右端面；

　N140 G28 U0 W0; 返回参考点；

　N145 T0303; 调用03号切槽刀，03号刀补；

　N150 G00 X51.0 Z230.0; 刀具快速运动到切槽起点；

　N160 G01 X45.0 F0.15; 切槽；

　N165 G00 X60.0; 切槽刀退出；

　N170 G28 U0 W0; 返回参考点；

　N175 G97 S1500 T0404; 取消恒定切削速度，批定主轴转速，调用04号螺纹车刀；

　N180 G01 X50.0 Z293.0; 快速运动到螺纹车削起始点；

　N185 G76 P3 12 60 Q0.1 R0.1; 复合螺纹加工循环；

　N190 G76X45.8W-63.5P1.7Q0.85F2.0; 复合螺纹加工循环；

　N195 G28 U0 W0 M05 M09; 主轴停，关闭冷却液；

　N200 M30; 程序结束

　第三章 总 结

　设计体会

　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，当你要试图去实现的时候，你会发现它是那么的难，追其根本原因在于，以前动手太少了。

　本次毕业设计是对我们每个学生在校三年来所学知识与生产实践技术所进行的一次综合性的全面考察；培养了我们运用所学专业知识解决实际问题的能力；它还为我们了解一般机械工程设计的基本思想打下良好的基础；在设计方案的拟定,设计资料的收集,手册，国标选用，设计方法的运用,零部件及总体装配图的绘制等方面，有一次较全面的锻炼。对我们进入社会具备一定独立工作能力起了良好的作用,能较好的适应工作。

　随着电子技术特别是计算机技术的发展，单片机、PLC等在数控机床中广泛的应用，数控机床迅速地发展起来，特别是加工中心在工厂的运用.数控机床可以较好地解决形状复杂、高精度、小批量等零件的加工问题；能够稳定质量和提高生产效率；本课题所设计的简式数控机床属于半闭环式经济型车床，它的工作原理是用脉冲马达的伺服性能，即对应一定的脉冲必定有一定的转角。从而通过选择螺母机构使工作台移动一定的距离，所以简式数控机床的设计关键在于数控系统的伺服进给系统的设计，它的好坏直接影响产品质量和生产效率等数控机床的伺服进给系统。不仅要对进给运动的速度实现自动控制，而且还需要对刀具相对于工件的位置实现自动控制，因此与其它机床相比其进给系统的设计要求更高、度更大、涉及的问题也更广。

　经过三年时间的学习，我对机械制造及自动化有了更深刻的了解，不仅回顾了以前所学的知识，还学到了许多以前没有接触过的新知识，对CAD和Word的应用水平有了进一步提高，也清楚了各种标准件的画法，对数控技术，单片机，PLC的认识有了进一步的深化。

　在此一并感谢指导老师和同学在这次设计中对我的热心指导和帮助，通过本次设计使自己有一个综合性的提高,达到了本次的设计目的。

　.参考文献

　[1] 周鹏翔 刘振魁主编，《工程制图》第二版，高等教育出版社，2000年5月

　[2] 唐增宝 刘元俊主编，《机械设计课程设计》（修订版），华中理工大学出版社，

　 1995年1月

　[3] 《机械设计手册》编写组编，《机床设计手册2》，机械工业出版社，1980年8月

　[4] 《机械设计手册》编写组编，《机床设计手册3》，机械工业出，1986年12月

　[5] 东北大学《机械零件设计手册》编写组编，《机床零件设计手册》第三版，冶金工业出版社，1994年5月

　[6] 华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编，《机床设计图册》，上海科学技术出版社，1979年6月

　[7] 雷晓玲主编，《综合作业指导书》，机械工业出版社，2000年11月

　[8] 石光源、周积义、彭福荫主编，《机械制图》第三版，高等教育出版社，1988年4月

　[9] 《C616型卧式车床说明书》

　[10] 《微机原理与接口技术》；赵长德主编；中国科学技术出版社；1990.9

　[11] 《机床数控系统课程设计指导书》；林俊主编；中国科学技术出版社；1991.9

　致 谢

　本文是在我的导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。在论文的选题、资料查询及定稿过程中，老师都始终给予我无私的帮助和悉心的指导在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

　系统地学习和掌握了较为扎实的专业基础知识在这里请接受我诚挚的谢意在此，我还要感谢在一起愉快的度过生活的，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

　普通卧式机床的数控改造论文（设计）

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