普通機床數(shù)控化改造的設(shè)計
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目 錄
1 概論
1.1數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史 2
1.2國內(nèi)數(shù)控機床狀況分析 2
1.3數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2
1.4機床數(shù)控化改造的必要性 3
2 普通車床數(shù)控改造的可行性論證
2.1 車床的數(shù)控改造 4
2.2可行性論證 7
3 設(shè)計方案
3.1總體設(shè)計方案的確定 8
3.2橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與校核 10
3.2.1 選擇脈沖當量 11
3.2.2計算切削 11
3.2.3滾珠絲桿螺母副的計算與選型 12
3.2.4齒輪傳動比的計算 16
3.2.5步進電機的計算,校核與選型 17
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
4.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 22
4.2單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計 24
4.2.1 硬件電路的組成 24
4.2.2機械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計總結(jié) 26
4.3數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計 29
5 小結(jié) 48
參考文獻 48
摘 要
應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對普通車床進行自動化和精密化改造，改造技術(shù)主要為：在車床上附加數(shù)控裝置和執(zhí)行元件，選擇合適的機床伺服系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)等。結(jié)果表明：經(jīng)改造后的機床完全能實現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動控制，提高了原機床的生產(chǎn)效率，降低了勞動強度。采用數(shù)控技術(shù)對企業(yè)原有機床進行改造，即發(fā)展經(jīng)濟型的數(shù)控機床是當前工礦企業(yè)機床技術(shù)改造的有效途徑。
關(guān)鍵詞；車床；數(shù)控改造；經(jīng)濟型
Abstract
After analyzing and studying the over all structure of ordinary lathe, we use numerical control technology to re-equip ordinary lathe for automation and precision. We attach the numerical control device and execution elements to the lathe and choose an appropriate machinery servo-system and computer system. The result shows that after the innovation,the machine can sufficiently execute automatic control on outside diameter,taper,screw,ends,etc..It improves the production rate of the machine and decreases the labor stress from the operator.Using numerical control technology to improve existing machinery for enterprises. ie: developing economically-typed numerial control control machinay is an effective way to the engineering innovation for factories ,works and mine.
Key Words； lathe; innovation of the numerical control; economical
1 概 論
1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史
1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
1.2國內(nèi)數(shù)控機床狀況分析
1.2.1國內(nèi)數(shù)控機床現(xiàn)狀：近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。
1.2.2 國內(nèi)數(shù)控機床的特點 ：
(1) 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導地位。
(2) 數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。
2001年國內(nèi)數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率 從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%
(3) 數(shù)控機床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。
1.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
1.3.1繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展：基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務(wù)。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。
1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展：這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
1.3.3向智能化方向發(fā)展：隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
(1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
(2) 引入專家系統(tǒng)指導加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
(3) 引入故障診斷專家系統(tǒng)
(4) 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置
可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。
1.4機床數(shù)控化改造的必要性
1.4.1微觀看改造的必要性：從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
(1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。
(2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
(3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
(4) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。
(5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
(6) 由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。
1.4.2宏觀看改造的必要性
小結(jié)
通過幾個月的努力，本課題的學習終于到了最后。做畢業(yè)設(shè)計的過程學到了很多課本上沒有學到的知識，也通過本論文的準備，查資料把大學四年的知識整理了一番。以前好多遺忘的知識又回到了大腦。
本篇論文是關(guān)于普通機床的自動化改造，通過這次學習在機床改造中獲的了意想不到的快樂與成就感。會為以后的工作積累下豐富的經(jīng)驗。
但是本篇論文還有不禁如意的地方：
1）所研究的東西只是停留在理論方面，很多東西現(xiàn)在還不是很明白
2）在零件的設(shè)計計算過程中，還有些是不明白之處，設(shè)計的依據(jù)和其中的很多術(shù)語
3）對普通機床的改造還不是很徹底，只是對其中的一些主要部件進行了改造，如時間在寬裕一些，我想我可以做的更好。
但本次畢業(yè)論文，在指導教師的精心指導下，掌握了設(shè)備自動化改造的主要技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對數(shù)控設(shè)備、數(shù)控技術(shù)有了更進一步的了解和掌握，了解了數(shù)控設(shè)備、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢，指明了以后的發(fā)展方向，必將為以后的學習和工作起到很大的作用。
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畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題 目 姓 名 教育層次 本 科 學 號 省級電大 專 業(yè) 分 校 指 導教師 教 學 點 論文（設(shè)計）題目 普通機床數(shù)控化改造設(shè)計 文獻綜述： 1. 課題目的、意義 針對現(xiàn)有常規(guī)普遍 機床 的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機系統(tǒng)設(shè)計，對進行機械改造部分的設(shè)計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。采用以 8031 為 控制系統(tǒng)對信號進行處理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。 本課題的設(shè)計提高了機床加 工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強度，縮短訂購新的數(shù)控機床的交貨周期時間。實踐已經(jīng)證明普通 機床 的經(jīng)濟型數(shù)控改造具有重大的實際價值，為此，在舊有 機床 上進行數(shù)控改造有著較好的市場前景 [1 2. 相關(guān)研究動態(tài)，國內(nèi)外現(xiàn)狀： 現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是能源部門的需求，使高溫高壓水廣泛應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域中，對國民生產(chǎn)和人民生活起著越來越重要的作用，例如：機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的 控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)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。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)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)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和 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)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件 [4 國外利用數(shù)字計算機進行控制加工是從 40 年代開始的。 1952 年美國麻省理工學院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動，它成了世界上第一臺數(shù)控機床。此后，從 60 年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機床。 1974 年微處理機直接用于數(shù)控機床，進 一步促進了數(shù)控機床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔當了越來越重要的角色 [8 我國數(shù)控機床的研制是從 1958 年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當大的比重，普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全 部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費。如今科學技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強度，縮短訂購新的數(shù)控機床的交貨周期時間。實踐已經(jīng)證明普通 機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造具有重大的實際價值，為此，在舊有 機床 上進行數(shù)控改造有著較好的市場前景 [13 方案論證： 計任務(wù) 本設(shè)計任務(wù)是對 普通機床數(shù)控化改造設(shè)計 。利用單片機對縱、橫向進給系統(tǒng)進行控制，縱向（ Z 向）脈沖當量為 沖，橫向（ X 向）沖，驅(qū)動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。 體方案的論證 對于普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。 械部分的改造設(shè)計 為了實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠。為了保 證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負載荷的結(jié)構(gòu)。傳動齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。此設(shè)計過程主要是縱向進給和橫向進給的改造，關(guān)鍵是步進電機和滾珠絲杠的選用。 改進后的 機床 簡易傳動系統(tǒng)如圖 1 圖 1進后的 機床 傳動系統(tǒng) 服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半 閉環(huán)和閉環(huán)之分。 因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。 在設(shè)計的數(shù)控裝置中， 選擇是關(guān)鍵，選擇 考慮以下要素： 2. 可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能 的強弱相關(guān)； 3. I/O 口擴展的能力與對外設(shè)控制的能力相關(guān)。 在我國，普通機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是 列單片機，主要是因為它們的配套芯片便宜，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造需要。本設(shè)計以 8031 芯片為核心，增加存儲器擴展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。 體方案的確定 經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后，確定 機床 經(jīng)濟型數(shù)控改造方案。 機床 的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機床的功能，即手動變速。 機床 的縱向（ Z 軸）和橫向（ X 軸）進給運動采用步進電 機驅(qū)動。將原來機床的普通絲杠改為滾珠絲杠以減小摩擦力。并將 8031 單片機組成的微機作為數(shù)控裝置的核心，由 I/O 接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機床 的縱向、橫向進給運動。 參考文獻 [1]李洪 實用機床設(shè)計手冊 北京： 機械工業(yè)出版社 1997 [2]杜君文 鄧廣敏 數(shù)控技術(shù) 天津：天津大學出版社 2002 年 [3]成大先 機械設(shè)計 圖冊 北京：化學工業(yè)出版社 2003 [4]王炳實 機床電氣控制 北京：機械工業(yè)出版社 2005 [5]李福生 實用數(shù)控機床技術(shù)手冊 北京：北京出版社 1993 [6]上海紡織工學院等 機床設(shè)計圖冊 上海：上?？茖W技術(shù)出版社 1979 [7]余英良 機床數(shù)控改造設(shè)計與實例 北京：機械工業(yè)出版社 1997 [8]陳紹廉 數(shù)控機床改造技術(shù) 北京：航空工業(yè)出版社 1988 [9] 于淘 通機床的數(shù)控改造 . 北華大學學 報 [10]谷風金 床的數(shù)控改造與設(shè)計 . 煤礦機械 [11]趙美林 床的改造 . 機床與液壓 [12]陳繼振 床數(shù)控改造的安裝及調(diào)試 . 設(shè)備與維護 [13]白文慶 普通車床的數(shù)控改造 . 機械產(chǎn)品與科技 [14]張麗芳 普通車床的數(shù)控改造設(shè)計 . 船電技術(shù) [15]賈傳圣 普通機床的數(shù)控改造與應(yīng)用 . 改裝與維修 [16]李朝陽 單片機原理及接口技術(shù) 北京：北京航天航空大學 2005 進程計劃： 查閱、搜索相關(guān)資料和專業(yè)英語翻譯； 畢業(yè)實習與調(diào)研及開題報告階段； 畢業(yè)設(shè)計主要工作階段，完成各種運動和動力設(shè)計計算、校核及所有圖紙； 完成說明書的編寫和收尾工作。 指導教師意見： 簽名： 年 月 日 開 題 報 告 會 紀 要 時 間 地 點 與 會 人 員 姓 名 職務(wù)（職稱） 姓 名 職務(wù)（職稱） 姓 名 職務(wù)（職稱） 會議記錄摘要： 會議主持人： 記 錄 人： 年 月 日 系工作小組意見 負責人簽名： 年 月 日