普通機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
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普通機(jī)床數(shù)控化改造床鞍裝配圖.dwg
普通機(jī)床數(shù)控化改造總裝圖.dwg
普通機(jī)床數(shù)控化改造方案圖.dwg
普通機(jī)床數(shù)控化改造橫向進(jìn)給圖.dwg
普通機(jī)床數(shù)控化改造電路原理圖.dwg
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目 錄
1 概論
1.1數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史 2
1.2國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析 2
1.3數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.4機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 3
2 普通車(chē)床數(shù)控改造的可行性論證
2.1 車(chē)床的數(shù)控改造 4
2.2可行性論證 7
3 設(shè)計(jì)方案
3.1總體設(shè)計(jì)方案的確定 8
3.2橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與校核 10
3.2.1 選擇脈沖當(dāng)量 11
3.2.2計(jì)算切削 11
3.2.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算與選型 12
3.2.4齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算 16
3.2.5步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算,校核與選型 17
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
4.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 22
4.2單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24
4.2.1 硬件電路的組成 24
4.2.2機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)總結(jié) 26
4.3數(shù)控車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 29
5 小結(jié) 48
參考文獻(xiàn) 48
摘 要
應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對(duì)普通車(chē)床進(jìn)行自動(dòng)化和精密化改造，改造技術(shù)主要為：在車(chē)床上附加數(shù)控裝置和執(zhí)行元件，選擇合適的機(jī)床伺服系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。結(jié)果表明：經(jīng)改造后的機(jī)床完全能實(shí)現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動(dòng)控制，提高了原機(jī)床的生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。采用數(shù)控技術(shù)對(duì)企業(yè)原有機(jī)床進(jìn)行改造，即發(fā)展經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前工礦企業(yè)機(jī)床技術(shù)改造的有效途徑。
關(guān)鍵詞；車(chē)床；數(shù)控改造；經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)史
1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類(lèi)創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類(lèi)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類(lèi)進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。
1.2國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析
1.2.1國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀：近年來(lái)我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)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(gè)體企業(yè)中也普遍開(kāi)始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國(guó)機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39億美元，僅次于美國(guó)的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24.06億美元，比上年增長(zhǎng)27.3%。 近年來(lái)我國(guó)出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車(chē)床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。
1.2.2 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) ：
(1) 新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。
(2) 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長(zhǎng)，數(shù)控化率顯著提高。
2001年國(guó)內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá)1.8萬(wàn)臺(tái)，比上年增長(zhǎng)28.5%。金切機(jī)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(jī)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(shì)
1.3.1繼續(xù)向開(kāi)放式、基于PC的第六代方向發(fā)展：基于PC所具有的開(kāi)放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來(lái)處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問(wèn)題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)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(jī)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(jì)算機(jī)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(cè)過(guò)程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
(2) 引入專(zhuān)家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，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(kù)為支撐，建立具有人工智能的專(zhuān)家系統(tǒng)。
(3) 引入故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)
(4) 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置
可以通過(guò)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。
小結(jié)
通過(guò)幾個(gè)月的努力，本課題的學(xué)習(xí)終于到了最后。做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程學(xué)到了很多課本上沒(méi)有學(xué)到的知識(shí)，也通過(guò)本論文的準(zhǔn)備，查資料把大學(xué)四年的知識(shí)整理了一番。以前好多遺忘的知識(shí)又回到了大腦。
本篇論文是關(guān)于普通機(jī)床的自動(dòng)化改造，通過(guò)這次學(xué)習(xí)在機(jī)床改造中獲的了意想不到的快樂(lè)與成就感。會(huì)為以后的工作積累下豐富的經(jīng)驗(yàn)。
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(jì)計(jì)算過(guò)程中，還有些是不明白之處，設(shè)計(jì)的依據(jù)和其中的很多術(shù)語(yǔ)
3）對(duì)普通機(jī)床的改造還不是很徹底，只是對(duì)其中的一些主要部件進(jìn)行了改造，如時(shí)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(dǎo)教師的精心指導(dǎo)下，掌握了設(shè)備自動(dòng)化改造的主要技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)控設(shè)備、數(shù)控技術(shù)有了更進(jìn)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(shì)，指明了以后的發(fā)展方向，必將為以后的學(xué)習(xí)和工作起到很大的作用。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 題 目 姓 名 教育層次 本 科 學(xué) 號(hào) 省級(jí)電大 專(zhuān) 業(yè) 分 校 指 導(dǎo)教師 教 學(xué) 點(diǎn) 論文（設(shè)計(jì)）題目 普通機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述： 1. 課題目的、意義 針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)普遍 機(jī)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)，對(duì)進(jìn)行機(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 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)。 本課題的設(shè)計(jì)提高了機(jī)床加 工精度和擴(kuò)大機(jī)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(dòng)強(qiáng)度，縮短訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通 機(jī)床 的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有 機(jī)床 上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場(chǎng)前景。 2. 相關(guān)研究動(dòng)態(tài)，國(guó)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(mén)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(lái)越重要的作用，例如：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(lèi)提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過(guò)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(kāi)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(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)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)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。 國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從 40 年代開(kāi)始的。 1952 年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從 60 年代開(kāi)始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開(kāi)發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。 1974 年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的 普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床的功能越來(lái)越完善，可靠性和性能越來(lái)越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了越來(lái)越重要的角色。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從 1958 年開(kāi)始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開(kāi)，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(chǎng)需求變的越來(lái)越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)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(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)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(dòng)強(qiáng)度，縮短訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通 機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有 機(jī)床 上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場(chǎng)前景。 方案論證： 計(jì)任務(wù) 本設(shè) 計(jì)任務(wù)是對(duì) 普通機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 。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 沖，橫向（ X 向）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。 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。 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(guò)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 機(jī)床 簡(jiǎn)易傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 1 圖 1進(jìn)后的 機(jī)床 傳動(dòng)系統(tǒng) 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(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。 因?yàn)殚_(kāi)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 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， 選擇是關(guān)鍵，選擇 考慮以下要素： 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 列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋?，普及性、通用性?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 芯片為核心，增加存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開(kāi)關(guān)組成的控制系統(tǒng)。 體方案的確定 經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，確定 機(jī)床 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造方案。 機(jī)床 的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的功能，即手動(dòng)變速。 機(jī)床 的縱向（ Z 軸）和橫向（ X 軸）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。將原來(lái)機(jī)床的普通絲杠改為滾珠絲杠以減小 摩擦力。并將 8031 單片機(jī)組成的微機(jī)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床 的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 進(jìn)程計(jì)劃： 查閱、搜索相關(guān)資料和專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)翻譯； 畢業(yè)實(shí)習(xí)與調(diào)研及開(kāi)題報(bào)告階段； 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作階段，完成各種運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算 、校核及所有圖紙； 完成說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)和收尾工作。 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 簽名： 年 月 日 開(kāi) 題 報(bào) 告 會(huì) 紀(jì) 要 時(shí) 間 地 點(diǎn) 與 會(huì) 人 員 姓 名 職務(wù)（職稱(chēng)） 姓 名 職務(wù)（職稱(chēng)） 姓 名 職務(wù)（職稱(chēng)） 會(huì)議記錄摘要： 會(huì)議主持人： 記 錄 人： 年 月 日 系工作小組意見(jiàn) 負(fù)責(zé)人簽名： 年 月 日