C620普通车床的经济型数控化改造设计.doc

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1、河南农业大学本科生毕业论文（设计）题 目 普通车床C620的数控改造设计 学 院 专业班级 学生姓名 指导教师 撰写日期： 20* 年 6 月 10日任务书论文（设计）选题的来源、目的与意义：数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作，很好地解决了现代机械制造中复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不但提高了机床的加工精度，扩大了机床的使用范围，提高了生产率，而且降低了工人的劳动强度，缩短了新产品的试制周期和生产周期，减少对工夹具的

2、投资和数量，而且适合我国的国情。设计（论文）的主要内容：本设计是利用数控装置对C620型普通机床进行经济型数控改造设计。纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，导轨用贴塑导轨，主轴与脉冲发生器连接等，将纵向和横向进给系统改装为用单片机控制的能独立运动的开环进给伺服系统。进度计划（进度时间、主要工作内容）：4月2 日4月9日：查阅、收集相关资料，了解相关内容，初步确定改造方案。4月10日4月15 日：针对改造方案，分析计算，确定所需部件，并不断完善。4月16日5月10日：机械部分绘图。5月11日5月

3、15日：单片机控制系统设计、绘图。5月16日5月20日：整理相关数据、资料，书写设计说明书。5月21日6月20日：翻译相关的英文资料，检验各项工作，打印说明书，论文答辩。主要参考文献：1周开勤.机械零件设计手册M.北京：高等教育出版社,2001.12文怀兴,夏田.数控机床系统设计M.北京：化学工业出版社，2005.63卜文峰.机械工程及自动化简明设计手册（下册）M.北京：机械工业出版社，2000 .54濮良贵、纪名刚.机械设计（第七版）M.北京：高等教育出版社,2003.45郝忠军,雷晓铃.综合作业指导书M.机械部工程师进修大学电气学院，1995.46明兴祖.数控机床与系统M.北京：中国人民大

4、学出版社, 2000.107王永章.机床的数控技术M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2000.18杨文龙主编.单片机原理及应用M.西安西安电子科技大学出版社, 2003.4论文（设计）工作起讫日期：20* 年 4 月 2 日 至 20* 年 6月 18 日指导教师（签名） 院长/主任（签名）本科毕业设计(论文)开题报告书姓名： 学号： 专业班级： 论文题目：普通车床C620的数控改造 指导教师职 称学 位题目来源 指导教师科研项目 指导教师推荐选题 学生自选 其它题目类别 工程设计 工程技术研究 软件开发 理论研究 综合【选题意义、研究现状及可行性分析】意义：随着社会生产和科学技术的迅速发展

5、，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此，对机床的要求不仅要具有较高的精度和生产率，而且还要能适应产品零件的变换。生产的需要促使了数控机床的发展现状：我国存在大批普通机床，普而通机床已不适应多品种、小批量的生产要求，利用数控系统改造机床是提高产品质量、提高生产效率,提高旧设备利用率，是十分有效的途径。可行性分析：简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0 01至0 02，已能满足普通零件的精度要求。而且普通车床数控改造技术已经成熟，适合我们国情。

6、【研究的主要问题和重点、难点、设计工作所需试验设备和试验条件】普通车床数控化改造关键在于选用连续控制系统。由于本机加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。在该系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的，输入装置把信号输给数控装置，经数控装置运算后分配出指令脉冲，通过步进电机驱动工作台移动。由于该系统无位置和速度检测装置，因此，它的精度主要由步进电机的步距角和与之相连的丝杠等传动机构的传动精度决定。【进度安排】20*年3月25日 20*年4月 6 日 论证、开题20*年4月 7 日 20*年4月20日 外文翻译、撰写文献综述、汇报讨论；20*年4月21

7、日 20*年5月11日 撰写论文写作大纲、中期检查；20*年5月12日 - 20*年5月25日 写作初稿20*年5月26日 - 20*年6月 8 日 修改、定稿、打印20*年6月 9 日 - 20*年6月13日 毕业答辩【指导教师意见】（有针对性地说明选题意义及工作安排是否恰当等）同意提交开题论证 修改后提交 不同意提交（请说明理由）指导教师签字： 年 月 日 【系意见】 同意开题 修改后开题 不同意开题（请说明理由）系主任签字： 年 月 日【学院意见】同意开题小组意见 不同意开题小组意见（请说明理由） 其它（请说明）院长或主管院长签章： 年 月 日摘要这次毕业设计主要是将一台C620型普通车

8、床进行经济型数控改造设计，由于定位精度高，所以纵、横向导轨均采用贴塑导轨，传动系统采用滚珠丝杠，同时，为提高传动刚度和消除间隙，对丝杠进行预拉伸，传动齿轮采用双片错齿消隙齿轮，驱动元件采用步进电机。为了保证加工螺纹时，主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程，主轴用脉冲发生器通过波纹管联接，并将纵向和横向进给系统用单片机控制，是其成为一个能独立运动的开环进给伺服系统。数控系统采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。因为MCS51系列的单片机具有集成度高、可靠性高、功能强、速度快、抗干扰能力强等优点。控制系统由微机部分、键盘及显示器I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路组成。系

9、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，以显示加工数据及机床状态等信息。为了达到机床要求的分辨率，传动系统采用步进电机齿轮减速后，带动丝杠。设计改造后的经济型数控机床具有定位、直线插补、顺逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，且加工质量稳定可靠。零件加工的适应性强，自动化程度高。关键词：车床，数控，改造，滚珠丝杠AbstractThis design mainly is transforming an ordinary C620 lathe into an economy numerical control, because the accuracy is hig

10、h, the lead rail uses plastic lead rail; the transmission system uses the ball screw. At the same time, we can carry on the pre-stretch to the guide screw and use double gears in the transmission gear to enhance the transmission rigidity and the elimination gap. The driving parts use ball screw. Whe

11、n processing thread, the main axle transfers a revolution, the tool holder must moves a pitch or lead of the thread, the main axle and the pulse generator link together through a corrugated pipe. A Single Chip Microcomputer controls the longitudinal and crosswise feeding system, so it will because a

12、n open-loop servo system which can move independently.The numerical control system uses the MCS-51 series 8031 Single Chip Microcomputer to expand the system. Because the MCS-51 series Single Chip Microcomputer have high integration rate, high reliability, strong function, quick speed, and strong an

13、ti-jamming ability and so on .The control system is made up of the microcomputer part, the keyboard and the monitor, the I/O interfaces and the light electricity isolation electric circuit. The system processing procedure and control orders are controlled by keyboard, the monitor realized process da

14、ta and the information of machine tools with figures tube. In order to realize the resolving power, transmission system use stepper motor to drive the ball screw after being decreased.After the transformation design , the economy numerical control machine has the localization , the straight line ins

15、erts , inserts along the counter circular arc , function suspension ,circulation processing , male inch thread processing and so on .The processing quality is stable and reliable . Components processing compatibility and the automation are strengthened.Keyword: lathe， numerical control ， alteration

16、， ball screw 目录引言 31 概述41.1 毕业设计的目的41.2 设计任务41.3 设计的必要性41.3.1 数控改造目的41.3.2 数控改造的优点52总体方案设计52.1 系统的运动方式与伺服系统的选择52.2 计算机系统52.3 机械传动方式52.3.1纵向滚珠丝杠62.3.2横向滚珠丝杠62.3.3总体方案73进给伺服系统设计73.1纵向进给伺服系统83.1.1 计算进给牵引力Fm(N)83.1.2 计算最大动载荷C93.1.3 滚珠丝杠螺母副的传动效率计算103.1.4 刚度验算103.1.5 稳定性校核113.2横向进给伺服系统113.2.1 计算进给牵引力113.2

17、.2 计算最大动负载C123.2.3选择滚动丝杠螺母副123.2.4传动效率计算133.2.5 刚度验算133.2.6稳定性校核153.3齿轮传动比计算163.3.1 纵向进给齿轮箱传动比计算163.3.2横向进给齿轮箱传动比计算163.4步进电机的选型173.4.1纵向进给步进电机173.4.2横向步进电机213.4.3 计算步进电机空载启动频率和工作时的频率244 数控系统硬件电路设置244.1 数控系统基本硬件组成244.2 选择 CPU 的类型254.3 74LS138 CPU 和存储器264.4 I/O接口电路264.5 软件环行分配器274.6 控制系统274.7 其它辅助电路28

18、参考书目29致 谢30外文翻译31引言 随着市场经济的不断发展，特别是我国加入以后，企业要在当前市场需求多变、竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量的生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。而且我国存在大批普通机床，利用数控系统改造机床是提高产品质量、提高生产效率,提高旧设备利用率，推广机电一体

19、化技术的重要手段。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能;另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0 01至0 02，已能满足普通零件的精度要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。普通车床应用微

20、机控制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。1 概述1.1 毕业设计的目的通过毕业设计，学习系统地综合运用知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解，并且在设计过程中扩大和补充了知识面，使对知识的认识提高到一个新的水平。通过毕业设计，培养调查研究的习惯和能力，练习查阅资料，合理选择计算标准，建立正确的设计和科研思想，加强科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。1.2 设计任务将一台普通C620车床改造为经济型数控机床，利用微机对纵、横进给系统进行开环控制，驱动元件采用直流步进电机，传动机构采用滚珠丝杠，设计控制电路图。1.3 设计的必要性随着社

21、会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此，对机床的要求不仅要具有较高的精度和生产率，而且还要能适应产品零件的变换。生产的需要促使了数控机床的发展。从第一台数控机床问世至今，世界上主要的工业化国家的数控机床已进入批量生产。随着我国加入WTO，我国数控技术的普及和发展显得更加迫切和需要。这种情况下，普通机床的数控改造十分必要，可以从以下几点说明：1.3.1 数控改造目的数控改造一般指对不同机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。其改造的目的有以下几点：(1)从提高资本效率出发，改造闲置旧设备，发挥机床的原有功能和改造后的新

22、增功能，提高机床的使用价值；(2)为提高生产效率；(3)为适应多品种，小批量零件的生产；(4)有广泛的适应性和较大的灵活性；(5)为减小整个设备投资计划。1.3.2 数控改造的优点(1)稳定产品质量；(2)减少辅助加工时间，提高机床生产效率；(3)降低工人技术等级的要求；(4)可充分利用原有机床设备，费用低；(5)数控改造周期短，可满足生产急需。2总体方案设计2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择选用连续控制系统。由于本机加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。在该系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的，输入装置把信号输给数控装置，经数控装置运算

23、后分配出指令脉冲，通过步进电机驱动工作台移动。由于该系统无位置和速度检测装置，因此，它的精度主要由步进电机的步距角和与之相连的丝杠等传动机构的传动精度决定。2.2 计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高,成本低，可靠性好，功能强，速度快，运用灵活，抗干扰能力强，适应温度范围宽，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分，RAM、ROM、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、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，采用数码管显示器显示加工数据及机床状态等信息。2.3 机械传动方式为

24、实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速后，再带动丝杠，为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要消除齿侧间隙。2.3.1纵向滚珠丝杠纵向滚珠丝杠的步进电机可布置在机床的任意一端。拆除原机床纵向进给部分的进给箱，溜板箱，滑动丝杠，光杠，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。这里选用W1L4506型外循环插管式滚珠螺母副。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置上，在丝杠的左端采用一对深沟球轴承和一对推力球轴承，在丝杆的右端采用一个深沟球轴承和一个推力球轴承。支承短轴与滚珠丝杠的右端通过联轴套和减速

25、器的输出轴联结起来。在丝杠托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支承，减速箱固定在丝杠托架上。丝杠中间支承为滚珠螺母，其与床鞍直接联结。这种改造能减少改造工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给总体刚度增加。2.3.2横向滚珠丝杠横向进给部分也采用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，横向齿轮减速箱和步进电机一般都安装在床鞍的右端，滚珠丝杠须用盖板保护，并拆除原来的方刀架，换为自动回转刀架，由计算机控制，根据程序自动转位、夹紧。电机经两对齿轮减速后传动滚珠丝杠螺母副，这里选用W1L2505型外循环插管式滚珠螺母副，滚珠丝杠左端支承采用一对深沟球轴承，右端采用一对深沟球轴承和一对推力球轴承

26、。装配时应注意使齿轮箱体中的丝杠中心与床尾轴承座中心线安装基面尺寸一致，以保证水平面内丝杠与导轨平行。齿轮箱体在床身上安装螺钉的位置与床尾轴承座螺钉在床身上的安装位置也须根据床身的具体情况确定，以保证在垂直面内丝杠与导轨平行。为保证滚珠丝杠传动平稳、轻快，必须使滚珠丝杠螺母座与丝杠两端支承同轴，装配时可以修磨垫片来保证螺母座在水平面内与两端支承同轴。垂直面内的同轴度靠螺钉的过孔来调整，调好后，打入销钉。2.3.3总体方案如图2-1： 图2-1 总体方案框图 3进给伺服系统设计将一台C620普通车床改造为经济型数控车床，采用MCS-51系列单片机作为控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补

27、功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下最大加工直径： 在床面上 400mm在床鞍上210mm加工最大长度： 1000mm溜板及刀架重力：纵向: 1000N 横向: 600N刀架快进速度： 纵向：2.4 m/min 横向：1.2 m/min最大进给速度： 纵向：0.6 m/min 横向：0.3 m/min主电机功率： 7.5kw起动加速时间： 30 ms机床定位精度： 0.015 mm此机床进给伺服系统运动及动力计算如下：1）脉冲当量选取纵向：0.01 mm/脉冲横向：0.005 mm/脉冲2）切削力的计算由于改造的是通用车床，所以切削力选择的范围如下(1)纵车外圆：主切削力Fz(N)按经

28、验公式估算： Fz=0.67Dmax=0.674001.5= 5360NDmax车床床身上加工最大直径按切削力各力比例 Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 Fx=53600.25=1340NFy=53600.4=2144N(2)横向端面：主切削力Fz(N)可取纵切的1/2Fz=1/2Fz=2680 N此时走刀抗力Fy(N)，吃刀抗力为Fx(N)。仍按上述比例粗略计算：Fy=26800.25=670NFx=26800.4=1072 N(3)滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠循环选型：由于是经济性数控机床，要考虑其性能价格比。因此，选用外循环插管式滚珠丝杠。3.1纵向进给伺服系统3.1.1

29、计算进给牵引力Fm(N) 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力Fx 以及溜板、刀架和切削分力作用在导轨上的摩擦力。C620车床的两条纵向导轨，属于综合型导轨，因此，计算公式可确定如下：纵向： F=KFx +f( Fz +G) =1.51340+0.16(5360+1000)=2558.6NK考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨K取1.5；f滑动导轨摩擦系数，0.150.18，取0.16；G溜板及刀架的重力，纵向G=1000N。3.1.2 计算最大动载荷C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的轴负荷作用下，丝杠在回转10000转后，再它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大

30、值即为该丝杠所承受的最大动负载C L 寿命以106转为1单位；n 滚珠丝杠转速；L0滚珠丝杠导程，L0取6mm；T为使用寿命，T=15000h；F运转系数， F=1.2；Vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2 1/3,此处取Vs =0.6mm/s。所以 查表得出滚珠丝杠螺母副W1L4506型外循环螺纹的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为17100N,精度等级取3级。3.1.3 滚珠丝杠螺母副的传动效率计算 r 丝杠螺旋升角，W1L4506型=；摩擦角，滚珠丝杠副其摩擦角约为。3.1.4 刚度验算纵向进给滚珠丝杠支承方式如图3-1所示：图3-1 纵向进给滚珠丝杠支承方式

31、最大牵引力为2558.6N，支承间距=1500mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3,为852.87N。(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量1 （mm）L=1500 mmFm=2558.6 N， D0=40 mm由表查得：L/L0=1.2510-5=0/L0L =1.2510-51500=1.87510-2 mm由于采用推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可提高4倍，其实际变形量1 （mm）1=1/4=1/41.87510-2=0.4510-2 mm (2) 滚球与螺纹滚道间的接触变形2（mm）此项在总变形中也占有较大的比重，查表知1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q

32、，Q=6.4m,因进行了预紧，其变形量可减少一半，2=1/2Q=1/26.4=3.2 m(3) 支承滚球丝杠的轴承的轴向接触变形3（mm）采用51207型推力球轴承，滚动体直径do =6.35 mm，滚动体数量Z=18， d=35 mm因施加了预紧力，故3=1/2c=1/20.0076=0.0038 mm根据以上计算=1+2+3=0.0045+0.0032+0.0038=0.0115mm，可以满足要求。考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量，应该选稍大转矩的步进电机，以留有一定的余量。另一方面，与国内同类型机床进行类比，决定采用150BF002步进电机。但从图中看出，150BF002步

33、进电机最高起动频率为2800Hz，不能满足 (4000 Hz)的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降程序来解决。2) 校核步进电机转矩(1)等效转动惯量计算计算简图见图3-1，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量()可由下式计算：= JM+ J1+(Z1/Z2)2(J2+ Js)+G/g(L0/2)2 JM步进电机转子的转动惯量()； J1，J2齿轮Z1、Z2的转动惯量()； Js滚珠丝杠转动惯量()。参考同类型机床初选反应式步进电机150BF002，其转子转动惯量 JM=10J1=0.7810-3l1=0.7810-36.442=2.62 J2= 0.7810-3l2=0.7810-3

34、842=6.39 Js= 0.7810-344150=29.952G=1000N代入上式：= JM+ J1+(Z1/Z2)2(J2+ Js)+G/g(L0/2)2=10+2.62+(32/40)2(6.39+29.952)+1000/9.8()=36.475考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题：JM/ J=10/36.475=0.274基本满足惯量匹配要求。(2) 电机力矩的计算a快速空载起动时所需力矩M起 M起=Mamax+ Mf+ M0Mamax空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩()；Mf折算到电机轴上的摩擦力矩()；M0折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 电机最大角加速度（rad/s2）；电机最大转速 (r/min)；运动部件最大快进速度（mm/min）；P脉冲当量（mm/步）；b步进电机的步距角（）；t0运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间（s）代入上式得 折算到电机轴上的摩擦力矩：F0导轨的摩擦力(N)；F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； i 齿轮降速比，按i=计算；传动链总效率，一般取0.750.85。折算到电机轴上的附加摩擦力矩M0 ：