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1、（机电系2009级）毕业设计说明书学生姓名：学生班级：机械制造及其自动化091学生学号：设计题目：简易立式钻铣床数控系统改造设计指导老师：教研室主任：系主任：机电工程系2012年3月15日29前言据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大
2、，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装
3、置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机
4、数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高、柔性强、易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。本文针对企业的Z512小型钻床进行数控化改造。其内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（数控工作台设计，伺服进给机构设计，钻头Z向进给装置）、数控装置（8031单片机）等。对台钻进行数控系统改造设计符合我国国情，即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平，又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，在我国有着广阔的市场。从另一个角度来说，该设计
5、既有机床结构方面内容，又有机加工方面内容，还有数控技术方面的内容，有利于将大学所学的知识进行综合运用，是个很好的学习机会。目录前言设计任务书摘要绪论第一章 Z512原机型说明及其改造方案第二章 XY工作台的改造设计及其设计计算第三章 主轴钻头的Z向进给改造第四章 数控系统电路及其软件设计结语与致谢参考文献设计任务书一、毕业设计目的：毕业设计是学生在教师的指导下进行的一次理论联系实际的综合训练。学生通过毕业设计，在综合运用所学的基础理论与专业知识进行独立分析和解决某一个专业技术问题的能力方面，应当得到一次全面的锻炼和提高。二、毕业设计题目：简易立式钻铣床数控系统改造设计三、技术要求： 1采用80
6、31单片机作为控制器，以标准步进电机为驱动元件，滚珠丝杠为传动件，滚动导轨为支承，对钻头直径小于13mm的简易台钻（Z512-1型或4112型台式钻床）进行数控系统改造设计，机构设计必须符合有关产品设计规范；2根据钻削加工的机床运动需要，在原有工作台的基础上加装数控工作台；数控工作台Z向静止高低工作位置调整采用手动方式进行，工作时，采用手动夹紧；3主轴钻头的Z向进给由步进电机驱动，主轴钻头Z向进给量（向下）为99mm，加工完成后，由软件控制返回起始点；4主轴钻头转速的调整采用原有的手动调速机构，实现人工三级调速；5数控工作台（形状与面积与原工作台相似）在水平面（XY平面）内的移动范围为300m
7、m198mm（X向为150mm，Y向为99mm）；6数控工作台在XY平面内重复定位精度为15m，Z向孔深定位精度在10m以内；7钻铣床坐标系遵循右手法则，Z轴向上为正，钻头尖部为XY坐标系零点；8采用8031单片机和驱动电路对X、Y、Z三个方向的三个运动实现开环控制，数控工作台的运动状态用点位控制系统，按X、Y、Z三个坐标轴实现顺序运动；9最终完成钻铣床的控制系统组成一个开环无触点控制元件的点位控制系统。10要求机械结构操作灵活方便、安全可靠，噪声小，定位准确，数控系统控制精确，反应迅速灵敏，改造后的立钻工作状态不低于国家标准有关规定。 四、毕业设计要求： 1态度端正，严肃认真，细致耐心；联系
8、实际，开拓创新，按质按量完成任务； 2注意培养自己耐心细致的严谨的工作作风；注意培养自己勇于开拓创新的科学精神；注意培养自己吃苦耐劳、敢挑重担的革命精神，独立完成设计任务； 3全部设计图样应用绘图软件绘制。 五、毕业设计内容： 1立式钻铣床改造机械机构配置图1套； 2立式钻铣床改造机械机构零件图张数及图幅按需要；3撰写设计说明书（字数不少于1.5万字）1份；4将完成的毕业论文资料（图纸、说明书等）刻录光碟1张。 六、毕业设计时间： 第1-7周（2月13日-3月30日） 七、毕业设计进度： 1第1周，明确立式钻铣床改造机械机构和数控系统设计要求，查阅资料，确定设计方案，绘制设计草图； 2第2周，
9、初步完成立式钻铣床改造机械机构和数控系统总体设计（总配置和关键零部件）草图； 3第3-4周，完成立式钻铣床改造机械机构总体配置图和零件图的设计、绘图，打印设计图纸； 4第5-6周，完成立式钻铣床改造数控控制系统汇编语言程序编制； 5第6-7周，撰写设计说明书，完成毕业答辩。 八、毕业设计中值得注意的几个问题： 1设计前，应先对钻铣床改造机械机构配置和数控系统的设计进行认真分析； 2在确定设计方案前，应尽可能多考虑几个方案，从技术性和经济性各方面分析对比后，保证可行性，选择一个最佳设计方案进行设计； 3设计过程中，要兼顾改造产品的生产、服务、市场推广等，提高性价比。摘要以原机床为基础，原机床的主
10、要结构基本不变。设计一套简易微机数控XY工作台，固定在Z512型钻床的工作台上，可转动下手柄使工作台上下移动，位置调整好后将其锁定。XY工作台的位置控制采用步进电机数控系统。再将控制钻头上下运动的手柄和定位卡铁拆去，改用步进电机通过减速装置和联轴器控制钻头上下运动。钻头的旋转运动仍由原来的三相交流电动机驱动，其转速可根据加工工件的材料、孔径大小、板厚等进行调整。选用8031单片机和驱动电路对3个步电机进行开环控制。由于工件相对于刀具移动的过程中不进行钻削，故采用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制较为方便，采用汇编程序直接实现钻孔加工控制，不需编制零件NC加工程序和专门的NC程序编译、插补运
11、算等处理的数控系统。关键字：Z512型钻床、步进电机、数控系统、8031单片机由于本人经验不足，以及对知识掌握程度的限制，设计过程还存在某方面的错漏，敬请老师提出宝贵意见。绪论1 数控系统现状简述近几年来，机械加工业大量采用数控机床取代传统的普通机床进行机械加工，普通机械逐渐被数控机械所代替。数控机床综合了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电机与拖动，电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品，是数控机床的心脏。具有高精度，高效率，柔性自动化等特点决定了今后发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是工厂自动化的基础。数控机床在各个机械制造企
12、业已成为大、中型企业的主要技术装备。2 数控系统的发展趋势从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展，其主要研究热点有以下几个方面：2.1 性能发展方面2.1.1 高精高速高效化速度效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。若采用高速cpu芯片、risc芯片、多cpu控制系统、高分辨率检测元件、交流数字伺服系统、配套电主轴、直线电机等技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在今后的几年，超精密数控机床正在向精密化、高速化、智能化和纳米化发展，汇合而成的新一代数控机床。2.1.2
13、柔性化数控系统采用新一代模块化设计，功能覆盖面更宽，可靠性更强，可满足不同用户的需求。同一群控系统能根据不同生产流程，自动进行信息流动态调整，发挥群控系统的功能。2.1.3 多轴化多轴联动加工，零件在一台数控机床上一次装夹后，可进行自动换刀、旋转主轴头、旋转工作台等操作，完成多工序、多表面的复合加工，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。2.1.4 软硬件开放化用户可根据自己的需要，对数控系统软件进行二次开发，用户的使用范围不再受生产商的制约。2.1.5 实时智能化在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等方面发展。如编程专
14、家系统故障诊断专家系统，当系统出了故障时，诊断、维修等实现智能化。3 Z512台钻改造意图本着对机床的改动尽可能少、控制部分要求抗干扰性强、改造成本低的原则。依据有关资料的技术要求，改造之前应对该机床的性能、数据有所掌握。以便针对机床本身的精度高低来确定改造后的精度和改装范围。使其在原有的功能上得以提升，达到数控化。而本身改造又具有经济、方便、实用、可靠等特点，适合中小型企业生产。4 Z512台钻的数控化改造一般来讲，普通立式钻床的数控改造主要有两部分，一是设计一套简易微机数控XY工作台，固定在钻床的工作台上。二是将控制钻头上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使钻头上下运
15、动。根据数控钻床的性能要求，一般钻床的加工精度在0.10.02之间。则钻床步进电机的脉冲当量P可选为0.01mm/step，步进电机的步距角b=1.5。第一章 Z512原机型说明及其改造方案一、Z512台钻原机主要技术参数1.型号 Z512-2 2.最大钻孔直径 12.7mm3.立柱直径 70mm4.主轴最大行程 100mm5.主轴中心线至立柱表面距离 193mm6.主轴端至工作台最大距离 326mm7.主轴端至底座最大距离 556mm8.主轴锥度 B169.主轴转速范围 480-4100rpm10.主轴转速级数 511.工作台面尺寸 250x250mm12.地面工作台面尺寸 250x300mm13.总高 1037mm14.电动机 370w15.毛重/净重 109/86kg16.包装尺寸 79x44x96cm17.电压 380/220V二、Z512台钻数控化改造方案1.保持原有机床基本结构不变，保留原机床主传动链，保留钻床工作台和控制工作台移动手
