機床數(shù)控改造機械系統(tǒng)設計.doc

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鄭州大學現(xiàn)代遠程教育 畢 業(yè) 設 計 題 目： 機床數(shù)控改造機械系統(tǒng)設計 入 學 年 月___2015年春_________ 姓 名__陳謙________ 學 號____15108887010_________ 專 業(yè)_____機電一體化_________ 聯(lián) 系 方 式____15831192072______ 學 習 中 心_____石家莊____ 指 導 教 師____ _________ 完成時間_2017__年_2_月__18__日 機床數(shù)控改造機械系統(tǒng)設計 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數(shù)控機床，這標記著制造領域中數(shù)控時代的開始。21世紀后，新型數(shù)控機床慢慢替代了普通機床，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。 隨著科學技術的發(fā)展，數(shù)控機床被廣泛應用于機械制造業(yè)。因為它具有加工靈活,通用性強的特點，能適應產(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)控機床與普通機床相比，在提到生產(chǎn)率，降低工人生產(chǎn)強度，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系統(tǒng)設計來完成對普通機床的改造，來提高加工精度和增加機床使用范圍，提高生產(chǎn)力。介紹了普通機床機械部分的改造的設計和數(shù)控系統(tǒng)部分的設計。以8031芯片對系統(tǒng)信息進行處理，用步進電動機為驅動電路 關鍵詞: 數(shù)控機床 改造設計 目錄 摘要......................................................................3 關鍵詞....................................................................3 第一章: 概述..............................................................5 第二章: 方案的設計........................................................6 2.1 數(shù)控機床的選擇......................................................6 2.2 進主軸電機..........................................................6 2.3 刀架部分的改造....................................................6.7 2.4 機床的導軌..........................................................7 2.5方案的確定..........................................................7 第三章: 數(shù)控機床硬件的設計................................................8 3.1 數(shù)控機床硬件的組成..................................................8 3.2 數(shù)控機床硬件的作用及設計..........................................8.9 總結.....................................................................10 感謝語...................................................................10 參考文獻..............................................................10.11 第一章:概述 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎設備，它的發(fā)展一直引起人們的關注，由于計算機技術的應用促使機床的控制信息出現(xiàn)了質的飛躍，是應用數(shù)字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床—數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。數(shù)控機床以其優(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)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。 數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的產(chǎn)品，它是吧刀具和工件之間的相對置，機床電機的啟動和靜止，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)字記錄在控制介質上，然后將數(shù)字信息送進數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算打出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其他元件，加工出現(xiàn)所需元件。 當前，世界先進制造技術不斷地興起，超高速線切、超精密加工等技術的應用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術提出了更高的要求，當今數(shù)控機床正朝一下幾個方向發(fā)展。 （1）高速、高精密化 高速、精密是機床發(fā)展的永恒目標。隨著科學技術突飛猛進的發(fā)展，機電產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，對零件加工的精度和表面質量的要求也越發(fā)高了。為了滿足這個復雜多變的市場需求，當前機床正向高速切削、干切削和準干切削方向發(fā)展。加工精度也在不斷地提高。另一方面。電主軸和直線電機的成功應用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導成空心內冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副和帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市，也為機床向高速、精密的發(fā)展創(chuàng)造的條件。 （2）高可靠性 數(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產(chǎn)品的一項關鍵性指標。數(shù)控機床能否發(fā)揮其高性能、高效率和高精度，并獲得良好的效益，關鍵取決于其性能的高低。 (3)數(shù)控車床設計CAD化 隨著計算機應用的普及和軟件技術的發(fā)展，CAD技術能到了廣泛的發(fā)展。CAD不僅可以代替人工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以進行設計方案選擇和大件整機的靜、動態(tài)特性分析、計算、預測及優(yōu)化設計，可以對整機各工作部件進行動態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎上在設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技術還可以大大的提高工作效率，提高設計的一次性成功率，從而縮短試制周期，減低設計成本，提高市場的競爭能力。 （4）功能復合化 功能復合化的目的是進一步提高機床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時間減到最少。通過功能的復合化，可以擴大機床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機多用、一機多能，即一臺數(shù)控機床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工；或在以銑為主的機床上也可以實現(xiàn)磨銷加工。寶雞機床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)控車銑復合中心，該車床同時具有X、Z軸以及C軸和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。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸采用內藏式電主軸結構，通過數(shù)控系統(tǒng)可以直接實現(xiàn)主、副主軸轉速同步。該機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世紀的數(shù)控具有了一定智能化的系統(tǒng)。智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成。為提高驅動性能及使用鏈接方面的智能化，如電機參數(shù)自適應運算、自動識別負載自動選定模型、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、自動化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內容，以方便系統(tǒng)的診斷和維修等。 進了21世紀后，我國成為了一個機床大國，但機床的性能落后等問題阻礙我國成為一個機械強國，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，而這些需要普通機床已無法達到。所以采用先進的數(shù)控機床已成為我國制造技術發(fā)展的總趨勢。 對于大量需要更新的普通機床，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床，由于普通機床的加工精度較低，不能批量生產(chǎn)，自動化程度不高，所以把普通機床改裝成數(shù)控機床成為了很多企業(yè)對現(xiàn)有設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)。 第二章：方案的設計 2.1 數(shù)控機床的選擇 (1) 數(shù)控機床的伺服系統(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)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本較低易改裝成功，所以本設計選用開環(huán)控制系統(tǒng)。 （2）普通機床由軟件、硬件和機械部分組成，而硬性是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，其性能的好壞，決定了數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。在我改造機床適用普遍的為Z80CPU和MCS-51系列的單片機，因其便宜、普及性強，滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床所需。其中8031芯片適用于擴展ROM，可現(xiàn)場維修和更新程序存貯器的應用場合，且及格便宜適用方便，所以本設計選用以MCS-51系列單片機以8031芯片為核心。 （3）步進電機是將電脈沖信號轉變?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動電路。根據(jù)我國的步進電動機型號選擇，我們選用了55BF003型步進電動機，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 步進電動機的基本參數(shù) 2.2 改進主軸電機 脈沖編碼器又稱為脈沖發(fā)生器。它是能夠把機械轉角變成為電沖脈，是數(shù)控機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，驅動力小2、由于光電交換器性能的提高，可以有較快的響應速度3、由于照像腐蝕技術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，其特點是定位更準確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動、液壓驅動或者少部分的電動，改造是可以根據(jù)需求對其進行更換。 電動刀架可分為臥式轉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 機床的導軌 普通車床導軌大多數(shù)采用的是滑動導軌，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，對機床的傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數(shù)控化改造的同時必須針對機床導軌狀況進行必要的檢修處理，對于磨損很嚴重的更要進行大修，即進行磨削、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)濟型數(shù)控。由8031芯片組成的微機作為數(shù)控裝置的核心，用單片機來控制步進電動機，實現(xiàn)軟件和硬件相結合的控制方法。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，發(fā)出信號。 第三章：數(shù)控機床的硬件電路設計 3.1 數(shù)控機床硬件的組成 （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） 外圍設備 如鍵盤、顯示器等 3.2 數(shù)控機床硬件的作用及設計 CPU我們采用了8031芯片，由于8031無片內程序存儲器，需要擴展外部程序存儲器，同時8031芯片內部只有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，所以我們要應該對數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器進行擴展。 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。現(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)設計需求，需外擴32K的程序存儲器，所以選擇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，但同時其電路設計較為復雜，容易受到干擾，對外界的環(huán)境、工藝結構和電源質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)設計需求，需要外擴8K的數(shù)據(jù)存儲器，所以選擇6264芯片。 8031單片機有P0、P1、P2、P34個八位口，32根I/O線。當系統(tǒng)擴展存儲器時，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位準雙向并行口。8155作為單片機應用系統(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，在單片機系統(tǒng)中被廣泛用作可編程外部I/O擴展接口。同時它與8031單片機連接方式簡單，所以選用8255擴展輸出輸入信號接口。 總線是連接系統(tǒng)中各擴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 經(jīng)過一段時間的努力，本設計論文已經(jīng)基本完成，但由于本人水平有限知道設計當中還存在很多不足的地方，希望老師給予批評和指導，由衷感謝。 通過這次的設計，綜合運用了機械課程設計和其他課程地理論和實際知識，掌握了機械設計的一般能力，樹立了正確的設計思路，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；還有對設計工作的基礎技能的訓練，提高了分析和解決工程技術問題的能力，并為進行一般的機械設計創(chuàng)造力一定的條件。 在設計當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。 感謝 本次論文能夠完成，離不開老師的幫助和指導。沒有他們的幫助是無法完成的。在學習的過程中，老師無微不至的關懷和精心指導，深深的感動著我，給了我很大的啟迪和幫助。在此向老師表達深深地感謝和崇高的敬意。 參考文獻 （1）王瑞孝，秦現(xiàn)生.機床數(shù)控原理與系統(tǒng).西安：西北工業(yè)大學出版社，2000 （2）廖效果，朱啟逑.數(shù)字控制機床.武漢:華中理工大學出版社，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，機械制造技術.武漢：華中科技大學出版社，2002 （5）劉迎春，MCS-51單片機原理及應用編程.北京:清華大學出版社，2005 鄭州大學現(xiàn)代遠程教育專科畢業(yè)論文（設計）評審表 姓 名 陳謙 學號 15108887010 學習中心 石家莊 專 業(yè) 機電一體化 入學年份 15年春 題 目 機床數(shù)控改造機械系統(tǒng)設計 評審小組意見 很好 較好 一般 較差 非常差 撰寫規(guī)范： □ □ □ □ □ 論文選題： □ □ □ □ □ 內容觀點： □ □ □ □ □ 結論與創(chuàng)新： □ □ □ □ □ 特別說明： 成績：___________ 組長簽名：____________ 　　 年 月 日 注：1、此表附在論文后面； 2、評審成績按百分制記。