機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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鄭州大學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目： 機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 入 學(xué) 年 月___2015年春_________ 姓 名__陳謙________ 學(xué) 號(hào)____15108887010_________ 專 業(yè)_____機(jī)電一體化_________ 聯(lián) 系 方 式____15831192072______ 學(xué) 習(xí) 中 心_____石家莊____ 指 導(dǎo) 教 師____ _________ 完成時(shí)間_2017__年_2_月__18__日 機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 1952年，美國(guó)帕森斯公司試驗(yàn)成功第一臺(tái)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(shí)代的開(kāi)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?yàn)樗哂屑庸れ`活,通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(kāi)發(fā)和多品種，小批發(fā)，自動(dòng)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(jì)來(lái)完成對(duì)普通機(jī)床的改造，來(lái)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(jì)和數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。以8031芯片對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行處理，用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電路 關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床 改造設(shè)計(jì) 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(jì)........................................................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(jì)................................................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(jì)..........................................8.9 總結(jié).....................................................................10 感謝語(yǔ)...................................................................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(jì)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(dòng)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(kāi)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(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的產(chǎn)品，它是吧刀具和工件之間的相對(duì)置，機(jī)床電機(jī)的啟動(dòng)和靜止，主軸變速，工作松開(kāi)和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動(dòng)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(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)譯碼，運(yùn)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(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)復(fù)雜多變的市場(chǎng)需求，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(xiàng)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(jì)CAD化 隨著計(jì)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(jì)方案選擇和大件整機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析、計(jì)算、預(yù)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以對(duì)整機(jī)各工作部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎(chǔ)上在設(shè)計(jì)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(jì)的一次性成功率，從而縮短試制周期，減低設(shè)計(jì)成本，提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)間減到最少。通過(guò)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(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺(tái)數(shù)控機(jī)床既可以實(shí)現(xiàn)車削功能，也可以實(shí)現(xiàn)銑削加工；或在以銑為主的機(jī)床上也可以實(shí)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(shí)具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過(guò)C軸和Y軸，可以實(shí)現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機(jī)床還配置有強(qiáng)動(dòng)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(guò)數(shù)控系統(tǒng)可以直接實(shí)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(gè)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(guò)程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成。為提高驅(qū)動(dòng)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(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、自動(dòng)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，以方便系統(tǒng)的診斷和維修等。 進(jìn)了21世紀(jì)后，我國(guó)成為了一個(gè)機(jī)床大國(guó)，但機(jī)床的性能落后等問(wèn)題阻礙我國(guó)成為一個(gè)機(jī)械強(qiáng)國(guó)，然企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)需要的性能適合的產(chǎn)品，而這些需要普通機(jī)床已無(wú)法達(dá)到。所以采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床已成為我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。 對(duì)于大量需要更新的普通機(jī)床，很多企業(yè)無(wú)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)力，才能是我國(guó)立足世界制造業(yè)。 第二章：方案的設(shè)計(jì) 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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，中開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)選用開(kāi)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(chǎng)維修和更新程序存貯器的應(yīng)用場(chǎng)合，且及格便宜適用方便，所以本設(shè)計(jì)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)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大靠電子元?dú)獾膭?dòng)作來(lái)完成，因此其控制信號(hào)的能力較差，故選用功率較大的驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)我國(guó)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)選擇，我們選用了55BF003型步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)頻率 空載運(yùn)行頻率 分配方式 外形尺寸 1800 12000 三相六拍 55x70x6 步進(jìn)電動(dòng)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(diǎn)有1、是非接觸性的控制方式，無(wú)摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力小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(dòng)刀架，其特點(diǎn)是定位更準(zhǔn)確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)或者少部分的電動(dòng)，改造是可以根據(jù)需求對(duì)其進(jìn)行更換。 電動(dòng)刀架可分為臥式轉(zhuǎn)塔刀架和立式電動(dòng)刀架，立式電動(dòng)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(duì)而言價(jià)格更高，改造中常用立式電動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌，其動(dòng)、靜摩擦系數(shù)較大，在使用一段時(shí)間后都會(huì)有不同程度的磨損，對(duì)機(jī)床的傳動(dòng)精度和其保持性帶來(lái)很大的影響。因此在對(duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造的同時(shí)必須針對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌狀況進(jìn)行必要的檢修處理，對(duì)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(shí)采用合理的潤(rùn)滑，充分保持其精度。 2.5 方案的確定 經(jīng)過(guò)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(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件相結(jié)合的控制方法。安裝個(gè)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(hào)。 第三章：數(shù)控機(jī)床的硬件電路設(shè)計(jì) 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(chǔ)器 包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì) CPU我們采用了8031芯片，由于8031無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，同時(shí)8031芯片內(nèi)部只有128字節(jié)RAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，也不能夠滿足控制系統(tǒng)的要求，所以我們要應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。 在選擇程序存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)要考慮CPU和ROM之間時(shí)序的匹配，應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度和存儲(chǔ)器容量等問(wèn)題。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，需外擴(kuò)32K的程序存儲(chǔ)器，所以選擇27256芯片。 常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM兩種。然動(dòng)態(tài)RAM價(jià)格便宜、容量大和功率低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，容易受到干擾，對(duì)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(jì)需求，需要外擴(kuò)8K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所以選擇6264芯片。 8031單片機(jī)有P0、P1、P2、P34個(gè)八位口，32根I/O線。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，P0口用來(lái)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(dòng)、停止等，P2口用來(lái)輸出高8位地址，P3口作為一個(gè)8位準(zhǔn)雙向并行口。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(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用8155作為鍵盤的接口，無(wú)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(shí)它與8031單片機(jī)連接方式簡(jiǎn)單，所以選用8255擴(kuò)展輸出輸入信號(hào)接口。 總線是連接系統(tǒng)中各擴(kuò)展部件的一組工作信號(hào)線。可把其分為地址總線、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(dú)立的控制線RST、EA、ALE和PSEN組成。 總結(jié) 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力，本設(shè)計(jì)論文已經(jīng)基本完成，但由于本人水平有限知道設(shè)計(jì)當(dāng)中還存在很多不足的地方，希望老師給予批評(píng)和指導(dǎo)，由衷感謝。 通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用了機(jī)械課程設(shè)計(jì)和其他課程地理論和實(shí)際知識(shí)，掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)的一般能力，樹(shù)立了正確的設(shè)計(jì)思路，培養(yǎng)了分析和解決問(wèn)題的能力，使我對(duì)知識(shí)有了一個(gè)更大的了解；還有對(duì)設(shè)計(jì)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(wèn)題的能力，并為進(jìn)行一般的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)造力一定的條件。 在設(shè)計(jì)當(dāng)中也遇見(jiàn)過(guò)各種困難，但老師的幫助使我最終克服了它。同時(shí)提升了自身收集、閱讀、分析和運(yùn)用材料的能力，讓我運(yùn)用WORD的能力也有所提高和熟練，可以說(shuō)是個(gè)不小的收獲。 本次設(shè)計(jì)是對(duì)我以后工作的一個(gè)重要的影響，讓我明白了探索知道過(guò)程的不易和成功后的喜悅，打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 感謝 本次論文能夠完成，離不開(kāi)老師的幫助和指導(dǎo)。沒(méi)有他們的幫助是無(wú)法完成的。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，老師無(wú)微不至的關(guān)懷和精心指導(dǎo)，深深的感動(dòng)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)控加工編程及操作.北京：高等教育出版社，2002 （4）周偉平，機(jī)械制造技術(shù).武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002 （5）劉迎春，MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用編程.北京:清華大學(xué)出版社，2005 鄭州大學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育?？飘厴I(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)審表 姓 名 陳謙 學(xué)號(hào) 15108887010 學(xué)習(xí)中心 石家莊 專 業(yè) 機(jī)電一體化 入學(xué)年份 15年春 題 目 機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 評(píng)審小組意見(jiàn) 很好 較好 一般 較差 非常差 撰寫規(guī)范： □ □ □ □ □ 論文選題： □ □ □ □ □ 內(nèi)容觀點(diǎn)： □ □ □ □ □ 結(jié)論與創(chuàng)新： □ □ □ □ □ 特別說(shuō)明： 成績(jī)：___________ 組長(zhǎng)簽名：____________ 　　 年 月 日 注：1、此表附在論文后面； 2、評(píng)審成績(jī)按百分制記。