《机床数控改造机械系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机床数控改造机械系统设计（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、郑州大学现代远程教育毕业设计题 目：机床数控改造机械系统设计（微型计算机）入 学年月_ 2013年9月姓名张文华学号专业_机电一体化学 习中 心_石鸡中心 _指 导教 师_ 完成时间_2015_年_8_月_24_日目录摘要3 关键词3述4 二、 总 体 方 案 的 设计62.1 设计任务 62.2 总 体 方 案 的 论证72.3 总 体 方 案 的 确定 8微机数控系统硬件电路设3.1 微 机 数 控 系 统 硬 件 电 路 总 体 方 案 设1011dkh献 1213摘要：随着科学技术的飞速发展，数控车床被广泛应用于机械制 造业。因为它具有加工灵活、通用性强的特点，能适应产品的品种和 规格
2、频繁变化，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动 化的要求，并且数控车床及普通车床相比，在提高生产率、减轻工人 劳动强度、降低生产成本和增加效益方面都有很大的优越性。针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机 系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论 文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了 CA6140 机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031 为 CPU 的 控制系统对信号进行处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮传 动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。关键词： 数控机床，单片机数控系
3、统，改装设计、概述1.1 课题背景企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展，它必须在最短 的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能 合适的产品,而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低， 又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控机床， 已成为我国制造技术发展的总趋势。在我国现有的机床中有一部分仍 采用传统的继电器- 接触器控制方式，这些机床触点多、线路复杂， 使用多年后故障多、维修量大、维护不便、可靠性差，严重影响了正 常的生产。还有一些旧机床虽然还能正常工作，但其精度、效率、自 动化程度已不能满足当前生产要求。因此拥有先进的数控机床已经成 为满足
4、企业新生产工艺、提高经济效益的最根本需求。1.2 数控机床的发展简史1948 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶 片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般 加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949 年，该 公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数 控机床研究，并于 1952 年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装 而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957 年正式投入 使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中 数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对 于制造行业而言，具
5、有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业 发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航 空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959 年， 制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩 小，成本有所下降；1960 年以后，较为简单和经济的点位控制数控 钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业 各部门逐步获得推广。我国于1958 年开始研制数控机床，成功试制 出配有电子管数控系统的数控机床，1965 年开始批量生产配有晶体 管数控系统的三坐标数控铣床。1965 年，出现了第三代的集成电路数
6、控装置，不仅体积小，功率 消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产 量的发展。60 年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床 的直接数控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制 的计算机数控系统（简称CNC），使数控装置进入了以小型计算机化 为特征的第四代。1974 年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数 控装置（简称MNC）,这是第五代数控系统。第五代及第三代相比， 数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的 1/20，价格降 低了 3/4，可靠性也得到极大的提高。 80 年代初，随着计算机 软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自
7、动编制程序的数控 装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自 动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功 能。1.3 我国数控机床的发展方向进入21 世纪，我国机床制造业即面临提升机械制造业水平的需 求而引发的制造装备发展的良机，也遭受到进入WTO后激烈的市场竞 争的压力，从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造 业持续发展的一个关键。数控机床及由数控机床组成凡人制造系统是改造传统产业，构建数字 化企业的重要基础装备，它的发展一直受人们关注，数控机床以其卓 越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引 起世人瞩目，它开创了机械产品向机
8、电一体化发展的先河，因此数控 技术成为先进制造技术的中的一项核心技术。另一方面，通过持续的 研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术 的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对 数控加工技术提出了更高的要求，当今数控机床正在朝着以下几个方 向发展。 （1）高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发 展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要 求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速 切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另
9、一 方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程 空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的 直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造 了条件。（2）高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一 项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获 得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。 （3）数控车床设 计 CAD 化随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛 发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以 进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优 化设计，可以对整机各工作部
10、件进行动态模拟仿真。在模块化的基础 上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用 CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短 试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。 （4）功能复合 化 功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加 工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、 提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车 削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨 削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铳复合中心，该机 床同时具有X、Z轴以及C轴和Y轴。通过C轴和Y轴，可以实现平 面铣
11、削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副 主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转 速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效 率。 （5）智能化 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的 系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率 和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动 生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机 参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编 程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界 面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便
12、系统的诊断及 维修等。1.4 我国数控机床的发展趋势数控机床向柔性自动化系统发展：从点（数控单机、加工中心和 数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制 造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一 方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应 动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流 趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、 实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓 和完善。CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及 其构成柔性制造系统能方便地及C
13、AD、CAM、CAPP及MTS等联结，向 信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。二、 总体方案的设计2.1 设计任务本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、 横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲， 横向（X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。机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计， 最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代 表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机 床不是简单地将传统机床配备上数控系统即
14、可，也不是在传统机床的 基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性 不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存 在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使 用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部 件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构， 还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控 机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程 中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地及数 控机床相接近。另外，车床数控改造的总体原则是在满足使用要求的前提下，对 原机床的
15、改动尽可能减少，以降低成本。改造过程中，为了充分发挥 改造后数控系统的技术性能，保证改造后车床在系统控制下有较高的 重复定位精度，减少低速爬行，并使其外型美观，性能稳定，机械装 置的合理改造就显得异常重要。其中进给系统的改造又是整个机械装 置改造的关键。一般进给系统改造方案是：用步进电机作为驱动元件， 解除原传动系统，通过一级减速齿轮和滚珠丝杠螺母副带动工作台移 动，保留手动进给机构用于微进给和机床刀具的对零操作。经过经济型数控改造后的CA6140型普通车床，采用以8031单片 机为核心的数控装置对加工过程进行控制处理，其横向（X向）进 给脉冲当量为0.005mm /脉冲，进给速度范围为3 1000mm/min （无级调速），快进速度可以在1000 3000mm/min内任意设定。 而且运行可靠，抗干扰能力强。改造后的经济型数控车床不但实现了 CA6140 型普通车床的原有 功能，而且在机床的加工精度、性能、自动化程度等方面也有所提高， 利用数控方法可以准确地加工任意面的旋转体。它满足了现代加工工 艺的要求,提高了劳动生产率，大大降低了工人的劳动强度，给企业 带来了巨大的经济效益。2
