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1、工程职业技术学院毕 业 论 文题 目：CK5116A立式车床数控设计专 业：数控维修年 级：2008级姓 名：指导教师：完成时间：2011年5月8日 / CK5116A立式车床数控的数控化改造摘 要针对现有常规CK5116A立式车床数控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CK5116A机械改造部分的设计与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。改造过程如下：（1）机械
2、部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副与反应式步进电机的计算选择与纵向、横向机构装配图方案的制定。（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机与扩展芯片的选用和电气控制图的设计。关键词：数控;单片机;步进电机;滚珠丝杠;改造ABSTRACTTo remedy the defects of ordinary lather CK5116A, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to r
3、aise the processing precision and extend the machines 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 c
4、ope 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 verticalmovement and the crosswise movement。Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, incl
5、ude 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.
6、(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 haft ,reform目录摘要IABSTRACTII引言- 1 -第1章总体方案的设计- 3 -1.1 设计任务- 3 -1.2 总体方案的论证- 3 -
7、1.2.1 机械部分的改造设计- 5 -1.2.2 伺服进给系统的改造设计- 7 -1.2.3 数控系统的硬件电路设计- 7 -1.3 总体方案的确定- 7 -第2章机械部分的改造设计- 9 -2.1 纵向进给系统的改造设计- 9 -2.1.1 纵向滚珠丝杠副的选用- 10 -2.1.2 步进电机的选用- 15 -2.2 横向进给系统的改造设计- 18 -2.2.1 横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用- 19 -2.2.2 横向步进电机的选用- 24 -2.3 齿轮传动间隙的调整- 26 -第3章电气控制部分的设计- 29 -3.1 单片机的选择- 29 -3.2 步进电机的驱动- 30 -3.
8、2.1 环形脉冲分配器的选择- 30 -3.2.2 功率放大器的选用- 32 -3.3 步进电机的微机控制- 35 -结论- 37 -参考文献- 38 -致- 39 -引言毕业设计是机械设计制造与其自动化专业教学计划的一个重要组成部分，是各教学环节的继续深化和检验，其实践性和综合性是其他教学环节所不能替代的，通过毕业设计使学生获得综合训练，对培养学生的实际工作能力具有十分重要的作用。毕业设计还是高等学校工科学院学生毕业前进行的全面综合训练，是培养学生综合运用所学知识与技能解决实际问题的教学环节，是学生在校获得的最后训练机会，也是对学生在校期间所获得知识的体验。这次设计的题目是：CK5116A立
9、式车床数控的数控化改造 现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛应用于相关的领域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如：机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动与结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向
10、机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2. 加工精度高； 3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；
11、 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普与应用，
12、数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普与。所以说，本毕业设计实例具有典型性
13、和实用性。第1章 总体方案的设计1.1 设计任务本设计任务是对CK5116A普通车床进行数控改造。利用单片机对纵、横向进给系统进行控制，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。1.2 总体方案的论证对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。一般数控系统应包括以下五大要素和功能，其图如下： 动力设备（运转）传感器（检测） - 微机（控制） - 执行机构（驱动） 机械主体（加工） 此五个要素的工作结构示意图如下：输入、输出设备控 制
14、 设 备伺服系统辅助控制装置测量反馈装置机械传动部1、输入、输出设备 主要作用：编制程序、输入数据，程序输出、显示器。2、微机控制设备可先用专用计算机PC、PLC、或者单片机。功能：完成零件的测量与精度的保证，产生脉冲信号。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普与性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是
15、8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。3、伺服系统包括：伺服电机、伺服控制系统线路、驱动电路、执行机构功能：将微机控制设备产生的脉冲信号转化为电机执行机构的速度和位移。伺服电机有：功率步进电机、直流伺服电机、交流电机。本设计选用步进电机作拖动元件。因为数控系统发出的指令仅使床鞍运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令如果有差别就会造成加工误差。4、测量反馈装置测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，将执行机构的速度、位置信号测量出来反馈到控制装置中。根据测量结果修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机的某种功能。我的这次车床的改造，因为是简易的改造，我们这次改造就没有使用测量反馈装置。5、机械传动包括传动机构、工作台、床身、支
