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摘 要 I 摘 要 針 對(duì) 現(xiàn) 有 常 規(guī) C620 普 遍 車 床 的 缺 點(diǎn) 提 出 數(shù) 控 改 裝 方 案 和 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 提 高 加 工 精 度 和 擴(kuò) 大 機(jī) 床 使 用 范 圍 并 提 高 生 產(chǎn) 率 本 論 文 說 明 了 普 通 車 床 的 數(shù) 控 化 改 造 的 設(shè) 計(jì) 過 程 較 詳 盡 地 介 紹 了 C620 機(jī) 械 改 造 部 分 的 設(shè) 計(jì) 及 數(shù) 控 系 統(tǒng) 部 分 的 設(shè) 計(jì) 采 用 以 8031 為 CPU 的 控 制 系 統(tǒng) 對(duì) 信 號(hào) 進(jìn) 行 處 理 由 I O 接 口 輸 出 步 進(jìn) 脈 沖 經(jīng) 一 級(jí) 齒 輪 傳 動(dòng) 減 速 后 帶 動(dòng) 滾 動(dòng) 絲 杠 轉(zhuǎn) 動(dòng) 從 而 實(shí) 現(xiàn) 縱 向 橫 向 的 進(jìn) 給 運(yùn) 動(dòng) 改 造 過 程 如 下 1 機(jī) 械 部 分 的 改 造 包 括 縱 向 進(jìn) 給 方 向 的 改 造 和 橫 向 進(jìn) 給 方 向 的 改 造 主 要 包 括 對(duì) 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 及 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 計(jì) 算 選 擇 及 縱 向 橫 向 機(jī) 構(gòu) 裝 配 圖 方 案 的 制 定 2 電 氣 控 制 部 分 的 設(shè) 計(jì) 主 要 包 括 MCS 51 系 列 單 片 機(jī) 及 擴(kuò) 展 芯 片 的 選 用 和 電 氣 控 制 圖 的 設(shè) 計(jì) 關(guān) 鍵 詞 數(shù) 控 單 片 機(jī) 步 進(jìn) 電 機(jī) 滾 珠 絲 杠 改 造 ABSTRACT II ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather C620 a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine s usage and to improve production rate This paper presents the process of designing numerical control reform and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal and output the step pulse through the I O interface After transmitting and slowing down by force 1 gear the step pulses drive the leading screw to roll Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement Reform process as follows 1 The reformation of machine part include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways horizontal organization assemble diagram project 2 The reformation of electricity part mainly include the choice of MCS 51 family single chip and expand chip and the design of electric control chart Key words numerical control single chip stepping motor ball screw shaft reform 目 錄 III 目 錄 摘 要 ABSTRACT 英文摘要 目 錄 引 言 1 第一章 總體方案的設(shè)計(jì) 3 1 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 1 2 總體方案的論證 3 1 2 1 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì) 3 1 2 2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 4 1 2 3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 4 1 3 總體方案的確定 5 第二章 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì) 6 2 1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 6 2 1 1 縱向滾珠絲杠副的選用 6 2 1 1 1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 7 2 1 1 2 車削力的計(jì)算 7 2 1 1 3 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì) 計(jì)算和選型 7 2 1 2 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 選 用 11 2 1 1 1 脈沖量的計(jì)算 11 2 1 1 2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 11 2 1 1 3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 12 2 1 1 4 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇 12 2 2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)得改造設(shè)計(jì) 13 2 2 1 橫 向 滾 珠 絲 杠 副 的 選 用 13 2 2 1 1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 13 2 2 1 2 車削力的計(jì)算 13 目 錄 IV 2 2 1 3 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì) 計(jì)算和選型 14 2 2 2 橫 向 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 選 用 17 2 2 2 1 脈沖量的計(jì)算 17 2 2 2 2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 17 2 2 2 3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 18 2 2 2 4 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇 18 2 3 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 19 第三章 電氣控制部分的設(shè)計(jì) 22 3 1 單片機(jī)的選擇 22 3 2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 23 3 2 1 環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 的 選 擇 24 3 2 2 功 率 放 大 器 的 選 用 25 3 3 步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制 28 結(jié)論 30 致謝 31 參考文獻(xiàn) 32 引言 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(duì) 國(guó) 民 生 產(chǎn) 和 人 民 生 活 起 著 越 來 越 重 要 的 作 用 例 如 引 言 2 機(jī) 床 作 為 機(jī) 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(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 的 興 起 促 使 機(jī) 床 的 控 制 信 息 出 現(xiàn) 了 質(zhì) 的 突 破 導(dǎo) 致 了 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 計(jì) 算 機(jī) 的 出 現(xiàn) 和 應(yīng) 用 為 人 類 提 供 了 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 械 加 工 工 藝 過 程 自 動(dòng) 化 的 理 想 手 段 隨 著 計(jì) 算 機(jī) 的 發(fā) 展 數(shù) 控 機(jī) 床 也 得 到 迅 速 的 發(fā) 展 和 廣 泛 的 應(yīng) 用 同 時(shí) 使 人 們 對(duì) 傳 統(tǒng) 的 機(jī) 床 傳 動(dòng) 及 結(jié) 構(gòu) 的 概 念 發(fā) 生 了 根 本 的 轉(zhuǎn) 變 數(shù) 控 機(jī) 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(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 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 它 把 刀 具 和 工 件 之 間 的 相 對(duì) 位 置 機(jī) 床 電 機(jī) 的 啟 動(dòng) 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(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 入 數(shù) 控 裝 置 或 計(jì) 算 機(jī) 經(jīng) 過 譯 碼 運(yùn) 算 發(fā) 出 各 種 指 令 控 制 機(jī) 床 伺 服 系 統(tǒng) 或 其 它 的 執(zhí) 行 元 件 加 工 出 所 需 的 工 件 數(shù) 控 機(jī) 床 與 普 通 機(jī) 床 相 比 其 主 要 有 以 下 的 優(yōu) 點(diǎn) 1 適 應(yīng) 性 強(qiáng) 適 合 加 工 單 件 或 小 批 量 的 復(fù) 雜 工 件 在 數(shù) 控 機(jī) 床 上 改 變 加 工 工 件 時(shí) 只 需 重 新 編 制 新 工 件 的 加 工 程 序 就 能 實(shí) 現(xiàn) 新 工 件 加 工 2 加 工 精 度 高 3 生 產(chǎn) 效 率 高 4 減 輕 勞 動(dòng) 強(qiáng) 度 改 善 勞 動(dòng) 條 件 5 良 好 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 6 有 利 于 生 產(chǎn) 管 理 的 現(xiàn) 代 化 數(shù) 控 機(jī) 床 已 成 為 我 國(guó) 市 場(chǎng) 需 求 的 主 流 產(chǎn) 品 需 求 量 逐 年 激 增 我 國(guó) 數(shù) 控 機(jī) 機(jī) 床 近 幾 年 在 產(chǎn) 業(yè) 化 和 產(chǎn) 品 開 發(fā) 上 取 得 了 明 顯 的 進(jìn) 步 特 別 是 在 機(jī) 床 的 高 速 化 多 軸 化 復(fù) 合 化 精 密 化 方 面 進(jìn) 步 很 大 但 是 國(guó) 產(chǎn) 數(shù) 控 機(jī) 床 與 先 進(jìn) 國(guó) 家 的 同 類 產(chǎn) 品 相 比 還 存 在 差 距 還 不 能 滿 足 國(guó) 家 建 設(shè) 的 需 要 引 言 3 我 國(guó) 是 一 個(gè) 機(jī) 床 大 國(guó) 有 三 百 多 萬 臺(tái) 普 通 機(jī) 床 但 機(jī) 床 的 素 質(zhì) 差 性 能 落 后 單 臺(tái) 機(jī) 床 的 平 均 產(chǎn) 值 只 有 先 進(jìn) 工 業(yè) 國(guó) 家 的 1 10 左 右 差 距 太 大 急 待 改 造 舊 機(jī) 床 的 數(shù) 控 化 改 造 顧 名 思 義 就 是 在 普 通 機(jī) 床 上 增 加 微 機(jī) 控 制 裝 置 使 其 具 有 一 定 的 自 動(dòng) 化 能 力 以 實(shí) 現(xiàn) 預(yù) 定 的 加 工 工 藝 目 標(biāo) 隨 著 數(shù) 控 機(jī) 床 越 來 越 多 的 普 及 應(yīng) 用 數(shù) 控 機(jī) 床 的 技 術(shù) 經(jīng) 濟(jì) 效 益 為 大 家 所 理 解 在 國(guó) 內(nèi) 工 廠 的 技 術(shù) 改 造 中 機(jī) 床 的 微 機(jī) 數(shù) 控 化 改 造 已 成 為 重 要 方 面 許 多 工 廠 一 面 購(gòu) 置 數(shù) 控 機(jī) 床 一 面 利 用 數(shù) 控 數(shù) 顯 PC 技 術(shù) 改 造 普 通 機(jī) 床 并 取 得 了 良 好 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 我 國(guó) 經(jīng) 濟(jì) 資 源 有 限 國(guó) 家 大 機(jī) 床 需 要 量 大 因 此 不 可 能 拿 出 相 當(dāng) 大 的 資 金 去 購(gòu) 買 新 型 的 數(shù) 控 機(jī) 床 而 我 國(guó) 的 舊 機(jī) 床 很 多 用 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 改 造 普 通 機(jī) 床 在 投 資 少 的 情 況 下 使 其 既 能 滿 足 加 工 的 需 要 又 能 提 高 機(jī) 床 的 自 動(dòng) 化 程 度 比 較 符 合 我 國(guó) 的 國(guó) 情 1984 年 我 國(guó) 開 始 生 產(chǎn) 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 并 用 于 改 造 舊 機(jī) 床 到 目 前 為 止 已 有 很 多 廠 家 生 產(chǎn) 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 可 以 預(yù) 料 今 后 機(jī) 床 的 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 化 改 造 將 迅 速 發(fā) 展 和 普 及 所 以 說 本 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 實(shí) 例 具 有 典 型 性 和 實(shí) 用 性 第 一 章 總 體 方 案 的 設(shè) 計(jì) 3 第一章 總體方案的設(shè)計(jì) 1 1 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 本 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 是 對(duì) C620 普 通 車 床 進(jìn) 行 數(shù) 控 改 造 利 用 單 片 機(jī) 對(duì) 縱 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 控 制 縱 向 Z 向 脈 沖 當(dāng) 量 為 0 01mm 脈 沖 橫 向 X 向 脈 沖 當(dāng) 量 為 0 005mm 脈 沖 驅(qū) 動(dòng) 元 件 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 采 用 滾 珠 絲 杠 副 1 2 總 體 方 案 的 論 證 對(duì) 于 普 通 機(jī) 床 的 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 改 造 在 確 定 總 體 設(shè) 計(jì) 方 案 時(shí) 應(yīng) 考 慮 在 滿 足 設(shè) 計(jì) 要 求 的 前 提 下 對(duì) 機(jī) 床 的 改 動(dòng) 應(yīng) 盡 可 能 少 以 降 低 成 本 1 2 1 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 為 了 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 床 所 要 求 的 分 辨 率 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 經(jīng) 齒 輪 減 速 再 傳 動(dòng) 絲 杠 為 了 保 證 一 定 的 傳 動(dòng) 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(shí) 為 了 提 高 傳 動(dòng) 剛 度 和 消 除 間 隙 采 用 有 預(yù) 加 負(fù) 載 荷 的 結(jié) 構(gòu) 傳 動(dòng) 齒 輪 也 要 采 用 消 除 齒 側(cè) 間 隙 的 結(jié) 構(gòu) 此 設(shè) 計(jì) 過 程 主 要 是 縱 向 進(jìn) 給 和 橫 向 進(jìn) 給 的 改 造 關(guān) 鍵 是 步 進(jìn) 電 機(jī) 和 滾 珠 絲 杠 的 選 用 改 進(jìn) 后 的 車 床 簡(jiǎn) 易 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 如 圖 1 1 第 一 章 總 體 方 案 的 設(shè) 計(jì) 4 圖 1 1 改 進(jìn) 后 的 車 床 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 1 小 刀 架 2 橫 向 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 3 橫 向 滾 珠 絲 桿 4 大 拖 板 5 縱 向 滾 珠 絲 桿 6 縱 向 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 1 2 2伺 服 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 改 造 設(shè) 計(jì) 數(shù) 控 機(jī) 床 的 伺 服 進(jìn) 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(jiǎn) 單 設(shè) 計(jì) 制 造 容 易 控 制 精 度 較 好 容 易 調(diào) 試 價(jià) 格 便 宜 使 用 維 修 方 便 等 優(yōu) 點(diǎn) 所 以 本 設(shè) 計(jì) 決 定 采 用 開 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 1 2 3 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 硬 件 電 路 設(shè) 計(jì) 任 何 一 個(gè) 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(yùn) 行 在 設(shè) 計(jì) 的 數(shù) 控 裝 置 中 CPU 的 選 擇 是 關(guān) 鍵 選 擇 CPU 應(yīng) 考 慮 以 下 要 素 1 時(shí) 鐘 頻 率 和 字 長(zhǎng) 與 被 控 對(duì) 象 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 和 精 度 密 切 相 關(guān) 2 可 擴(kuò) 展 存 儲(chǔ) 器 的 容 量 與 數(shù) 控 功 能 的 強(qiáng) 弱 相 關(guān) 3 I O 口 擴(kuò) 展 的 能 力 與 對(duì) 外 設(shè) 控 制 的 能 力 相 關(guān) 在 我 國(guó) 普 通 機(jī) 床 數(shù) 控 改 造 方 面 應(yīng) 用 較 普 遍 的 是 Z80CPU 和 MCS 51 系 列 單 片 機(jī) 主 要 是 因 為 它 們 的 配 套 芯 片 便 宜 普 及 性 通 用 性 強(qiáng) 制 造 和 維 修 方 便 完 全 能 滿 足 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 機(jī) 床 的 改 造 需 要 本 設(shè) 計(jì) 以 8031 芯 片