普通机床的数控改造综合作业指导书40902.docx
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普通机床的数控改造综合作业指导书40902
《机电一体化专业》
《综合课程设计》指导书
2012年2月20日
第一章、综合作业的目的、要求和参考题目
第一节、综合课程设计的目的
综合课程设计是机电一体化工程专业教学中的一个实践性教学环节。
是在学生学完技术基础课和专业课，特别是《数控技术及应用》课程之后进行的。
是培养工程技术人员理论联系实际、解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到毕业设计的作用。
机电一体化专业综合作业是以机电一体化的典型课题------数控机床的应用和设计为主线，通过对数控机床加工程序的编制、数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分设计、计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生综合运用所学的机械、电子和微机的知识，进行一次机电结合的全面训练。
从而培养学生具有加，编程能力、初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的能力。
第二节、综合作业的内容及要求
综合作业要求学生在全面了解一台数控设备的使用和设计过程的基础上，完成以下内容：
一、数控加工程序的编制
（1）零件工艺分析及确定工艺路线。
（2）选择数控机床设备。
（3）确定装夹方法及对刀点。
（4）选择刀具。
（5）确定切削用量。
（6）编制加工程序。
二、进给伺服系统机械部分设计计算
（1）确定脉冲当量。
（2）滚珠丝杠螺母副的计算和选型。
（3）滚动导轨的计算和选型。
（4）进给伺服系统传动计算。
（5）步进电机的计算和选用。
（6）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。
三、单片微机控制系统的设计
（1）控制系统方案的确定及框图绘制。
（2）8031单片微机及扩展芯片的选用。
（3）1/O接口电路及译码电路的设计
（4）设计绘制一台数控机床单片微机应用系统电路原理图。
第三节、综合作业的工作量
一、图纸部分
（1）进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图（A0图纸一张）。
（2）单片微机应用系统电路原理图一张（A1图纸一张）。
二、说明书部分·
说明书是综合作业整个设计计算过程的叙述说明，应包括以下内容:
（1）加工程序的编制及说明。
（2）控制系统总体方案的分析及控制框图。
（3）机械部分设计计算、结构设计说明。
（4）硬件电路部分设计说明。
说明书应不少于8000字
第四节、考核方法、考核内容及成绩评定
一、考核内容
学生接到综合作业题目以后，首先必须仔细阅读本指导书的内容，以求对设计的内容和要求有一全面系统的了解，并熟悉书中及书后附录中的资料，然后再按照指导书的步骤逐项进行，应避免在没有消化理解资料的情况下生搬硬抄。
二、考核方法
学生在完成作业的每一项之后，必须由指导教师审核并签字盖章。
三、考核评定
学生完成全部作业后，统一由学校组织考核小组，对学生完成综合作业的情况，以
及对下述考核内容掌握情况评定成绩。
下面列出综合作业各部分的考核点：
l、进给伺服系统机械部分考核点
（1）滚珠丝杠螺母副如何预紧？
（2）怎样保证滚珠丝杠螺母的螺母座与两端支承同心?
（3）滚珠丝杠所受的辆向力如何通过支承件传递到床身上?
（4）滚珠丝杠上的向心推力球釉承如何预紧?
（5）齿轮传动副如何消除齿侧间隙?
（6）消隙齿轮装配过程是怎样的?
（7）步进电机在齿轮箱体上怎样定位?
（8）滚动导轨怎样预紧?
（9）贴塑导轨摩擦系数多少?
应该贴在导轨的什么部位?
（10）各部件的配合表面应该采用什么性质的配合及精度等级?
（11）设计和装配时，如何保证滚珠丝杠在垂直面和水平面内与机床导轨的平行度?
（12）在什么情况下需要对滚珠丝杠进行预拉伸?
怎样进行预拉伸?
2、微机数控系统电路设计部分考核点
（1）各芯片名称及功能。
（2）8031的四个1/0口的功能。
（3）线选法地址译码方法。
（4）全地址译码方法及各芯片地址编码。
（5）扩展1/0口芯片口地址。
"
（6）8155或8255可编程接口芯片各1/0口输入、输出情况及控制字。
（7）键盘及显示接口电路工作原理。
（8）扩展数据存储器及程序存储器地址范围？
为什么必须允许地址重叠（即独立编址）？
（9）步进电机环形分配器工作原理、硬件环配芯片备引脚的功能。
（10）光电隔离电路工作原理。
（11）高低压驱动电路工作原理。
（12）其他辅助电路，如越界报哲电路、复位电路、时钟电路系工作原理。
四、综合作业评分标准
综合作业成绩分优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制。
各级评分标准如下：
优秀：
综合作业内容完整。
按期完成任务。
加工程序编制正确，进给伺服系统设计方案正确可行、论证充分，选用数据正确合理，计算准确，图面整洁，质量高，控制系统硬件线路设计合理。
设计计算说明书整齐通顺、有条理。
考核时对各部分考核点理解深透，能工确全面地回答问题。
良好：
综合作业内容完整，按期完成任务。
加工程序编制正确，进给伺服系统设计方案可行，论证较好，选用数据较合理、计算较准确，图面整洁、质量较高，硬件电路设计合理。
说明书较通顺、整齐。
考核时对各部分考核点理解较好，回答问题比较正确全面。
中等：
综合作业内容完整，按期完成任务。
加工程序编制基本正确，进给伺服系统设计方案基本正确，论证一般。
选用数据基本正确图面质量较整洁、质量尚好。
考核时，对各部分考核点问题有一定的理解，经提示后能正确回答问题。
及格：
基本完成综合作业规定的内容。
方案选择无原则性错误，说明书和图面比较粗糙，质量一般，存在一些错误，但主要部分基本符合要求，对考核点列出的问题理解不够经提示后只能回答部分主要问题。
不及格：
没有按期完成综合作业规定的内容，方案选择有原则性错误，计算和图纸有重大错误。
对考核点所列出的主要问题不能回答经提示后回答仍不正确。
若发现有别人代作综合作业者，取消参加考核的资格。
第五节、综合作业的参考题目
一、数控机床加工程序编制
以下题目所选用的数控车床或数控铣床可以按照例题中的经济型数控机床的规格参数去编程，也可以选用自己熟悉的数控机床去编程。
（1）如图l-l所示零件，毛坯为φ5mm棒料，材料为45钢，HBS=235，尺寸及表面粗糙度见图。
试编出精加工程序单（各表面留余量均为0.2mm）。
图1-l
（2）如图1-2所示零件，毛坯为φ65mm棒料，材料为45钢，HBS=235，其全部加工（粗加工、半精加工、精加工）在数控车床上完成，试安排加工工艺路线，绘制刀具布置图，编制加工程序单。
图1-2
（3）如图1-3所示零件，毛坯已按零件形状铸成铸件，材料为可锻铸铁，HBS=220一260。
表面加工余虽为4mm。
图1-3
（4）如图1-4所示凸轮，毛坯采用可锻铸铁，铸造成形，工件硬度HBS=230，凸轮两端面及φ4mm孔已加工完毕。
凸轮周边的余量为3mm，须在数控铣床上加工，试编制其加工程序。
图1-4
（5）如图1-5所示零件，毛坯采用铸钢铸造成形，材料为中碳钢，HBS=160—200，工件两端面及φ20m孔已加工完毕，圆弧与直线组成的周边轮廓加工余量为2mm需在数控铣床上加工，试编制加工程序。
图1-5
（6）如图1-6所示板状零件φ40mm孔及A、B表面已加工好。
零件材料为钢HBS=150，现在XH754卧式加工中心上铣四周平面和钻4一φ12mm孔试编制其加工程序。
要求，
1）零件四周余量l毫米，一次铣成，编加工程序时，利用刀具位置偏置；
2）编制钻4一φ12孔加工程序时，利用固定循环。
编制程序时的刀具T，主铀转速S，进给速度F可参考实例的程序的工艺规程卡来确定
（7）如图l-7所示板状零件φ40mm孔及A、B表面已加工好。
现在XH754卧式加工中心上铣四周轮廓和加工4一Ml6螺纹孔（钻底孔、孔端倒角、攻螺纹）。
零件材料为钢HBS=150，试编制其加工程序。
要求：
l）零件四周余量lmm，一次铣成编加工程序时，利用刀具半径补偿。
2）编制加工4一M16螺纹孔程序时，利用固定循环。
图l-7
二、进给伺服系统机械部分设计题目
将以下普通车床改造成用MCS一51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵例和横向均具有直线和圆弧插补功能。
要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。
设计参数如表1-1所示。
要求计算和设计一个坐标系统的进给伺服机构；题目如下:
（l）、CA6140（或C6140、C620、C620-1等）普通车床微机数控化改装设计。
（2）、C6150普通车床微机数控化改装设计。
（3）、C6163（或C630）普通车床微机数控化改装设计。
（4）、C6132（或C616）普通车床微机数控化改装设计。
（5）、φ4OOmm经济型数控车床进给伺服系统机械结构设计。
（6）、φ50Omm经济型数控车床进给伺服系统机械结构设计。
（7）、φ630mm经济型数控车床进给伺服系统机械结构设计。
表1-1、经济型数控车床设计及改装技术参数
规格
（型号）
最大加工直径（mm）
最大加工长度
（mm）
留板及刀架重力（N）
刀架快移速度（m/min）
最大进给速度（m/min）
定位精度（mm）
主电机功率（KW）
启动加速时间
（ms）
面上
鞍上
纵向
横向
纵向
横向
纵向
横向
φ400mm
CA6140
C620）
400
210
750
1000
1000
600
2.4
1.2
0.6
0.3
±0.015
7.5
30
φ500mm
C6150
500
280
750
1000
1100
700
2.4
1.2
0.6
0.3
±0.015
5.5
30
φ630mm
C6163
CW6163
630
350
1400
2900
1200
800
2.0
1.0
0.5
0.25
±0.015
10
35
φ320mm
C6132
C616
320
175
700
800
500
2.4
1.2
0.8
0.4
±0.01
4.5
25
以下经济型数控铣床的设计或改造设计要求,采用MCS一51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，要求计算、设计和绘制一个坐标系统的进给伺服机构，具体设计参数见表1-2，题目如下:
（8）、X52K立式铣床（或X62W万能铣床）微机数控化改装设计。
（9）、X53K立式铣床微机数控化改装设计。
（1O）、工作台面宽度32Omm（或25Omm,2OOmm）经济型数控铣床进给伺服机构设计。
表1-2、经济型数控铣床设计及改装设计技术参数
工作台尺寸（长×宽mm）
工作台行程（mm）
工作台及加具工件重力（mm）
工作台快移速度（m/min）
进给速度（m/min）
定位精度
（mm）
主电机功率（KW）
启动加速时间
（ms）
纵向
横向
纵向
横向
纵向
横向
纵向
横向
320×1250
（K52X）
680
240
3000
5000
1.6
1.6
0.6
0.6
±0.01
7.5
30
400×1600
（X53X）
880
300
3500
5500
1.4
1.4
0.6
0.6
±0.01
10
30
以下题目为经济型数控台钻X-Y工作台设计，此台钻用于加工印刷电路板之小孔，采用
步进电机，点位控制，不要求具备插补功能，具体设计技术参数见表1-3，题目如下:
（11）、数控台钻X-Y工作台进给伺服系统设计。
表1-3、数控台钻X-Y工作台设计参数
最大转孔直径
（mm）
工作台加工范围（mm）
工作台最大移动速度（m/min）
定位精度
（mm）
启动加速时间
（ms）
加工材料
X向
Y向
X向
Y向
φ4
200
160
1.6
1.6
±0.01
25
青铜
φ5
180
140
1.4
1.4
±0.01
25
青铜
φ6
160
120
1.2
1.2
±0.01
25
青铜
三、单片微机控制系统硬件电路设计
数控机床控制系统可以采用MCS-51系列单片机、也可以采用其他CPU作为控制器，控制系统中要求包括程序存储器、数据存储器、I/O接口、键盘、显示等外设。
题目如下：
（1）、经济性数控车床控制系统硬件电路设计。
应包括车螺纹用的光电脉冲发生器和自动回转刀架的I/O接口。
（2）、经济性数控铣床控制系统硬件电路设计。
（3）、数控转台X-Y工作台控制系统硬件电路设计。
第二章微机数控系统总体设计方案的拟定
第一节总体方案设计的内容
接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分机械部分和电气部分进行设计计算。
现以机电一体化的典型产品----数控机床为例，分析总体方案拟定的内容和应该考虑的问题。
机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容:
系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。
一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，从经济性、环保、运动精度、可靠性、操作方便等多个方面进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。
总体方案的确定没有唯一的结论。
总体方案设计的内容包括：
一、系统运动方式的确定：
数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。
如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。
二、伺服系统的选择：
伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。
三、执行机构传动方式的确定：
为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。
在设计中应考虑以下几点:
1）、尽量采用低摩擦的传动和导向元件。
如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。
2）、尽量消除传动间隙。
例如采用消除齿轮等。
3）、提高系统刚度。
缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。
可采用预紧的方法提高系统刚度。
例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。
四、计算机的选择
随着技术的发展，用于机电一体化系统的计算机也发生着不断的变化，从单片机、DSP、PC机都可以使用，对于性能要求较高的系统，还可以采用多CPU结构；在总体方案设计时，就需要根据设备的要求，并考虑将来的改进，选定最合适的计算机，并不是越先进越好。
第二节总体方案设计举例
例1、将普通车床改造成经济型数控车床。
1、设计任务
将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。
要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。
在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。
系统分辨率：
纵向：
0.Olmm,横向：
O.0O5mm。
设计参数如下，
最大加工直径:
在床面上40Omm
在床鞍上2lOmm
最大加工长度:
10OOmm
快进速度：
纵向2.4m/min
横向1.2m/min
最大切削进给速度:
纵向0.5m/min
横向0.25了/min
代码制:
ISO
脉冲分配方式:
逐点比较法
输入方式:
增量值、绝对值通用
控制坐标数:
2
最小指令值:
纵向0.Olmm/脉冲
横向0.0O5mm/脉冲
刀具补偿量：
0–99.99mm
进给传动链间隙补偿量:
纵向0.l5mm
横向0.075mm
自动升降速性能:
有
2、总体方案确定
（1）、系统的运动方式与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。
考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。
（2）、计算机系统
根据机床要求，采用8位微机。
由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、1/0接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。
系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用两排数码管显示加工数据及机床状态等信息。
（3）、机械传动方式
为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。
同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。
齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。
系统总体方案框图见图3-1。
图1经济型数控车床总体方案框图
第四章机床进给伺服系统机械部分设计计算
伺服系统机械部分设计计算内容包括:
确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图等。
现分述如下:
第一节、确定系统脉冲当量
一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。
脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。
经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.01—0.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用脉冲当量为0.002—0.00lmm/脉冲。
脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。
第二节、切削力计算
在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，常用的计算切削力的方法有：
1、用经验公式计算主切削力：
简单而实用。
2、按切削用量计算切削力：
较准确。
3、按照机床主电机功率计算：
上面介绍的按切削用量计算切削力虽然比较准确，但只能适用于加工某种工件的专用机床，对于通用机床的数控化改造或设计通用的经济型数控机床来说，切削用量选择的范围较大，这样将会导致切削力计算结果差别很大；这就需要按照进行数控改造设计的普通车床的主电机功率来计算切削力。
第三节、滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型
滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型:
确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。
结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括:
公称直径d。
（或丝杠外径d）、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。
滚珠丝杠副的计算步骤如下:
一、计算进给率引力Fm:
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分
力作用在导轨上的摩擦力。
因而其数值大小和导轨的型式有关。
二、计算最大动负载C
选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。
这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C。
三、计算最大静负载C
当滚珠丝杠副在静态或低速（n≤lOr/min）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。
一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。
产生这样大的塑性变形量时的负载称为
允许的最大静负载C。
四、传动效率计算
五、刚度验算
滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑引起轴向变形的各种因素。
包括：
1、的拉伸或压缩变形量δ1在总的变形量中占的比重较大。
2、滚珠与螺纹滚道间接触变形量δ2在总变形量中也占比较大的比重。
3、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形量δ3。
4、滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量δ4。
5、螺母座及轴承支座的变形。
因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算δ1、δ2和δ3之和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。
六、稳定性验算。
对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生
向弯曲（失稳）的危险。
七、滚珠丝杠螺母副几何参数计算。
八、滚珠丝杠副的精度等级。
九、滚珠丝杠副的标注方法。
滚珠丝杠副的种类、结构、计算方法和参数，可在网上查到，国内的生产厂家很多，常用的有：
济宁丝杠厂、南京工艺设备厂等。
第四节、滚动导轨的计算和选型
目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小，f=0.0025-0.005;动、静摩擦系数很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小,摩擦发热小，磨损小，精度保持性好,低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高。
滚动导轨的设计包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。
一、选择滚动导轨的结构形式
滚动导轨可分为滚动体不作循环运动的直线运动导轨和滚动体作循环运动的直线运动导轨两大类。
二、滚动导轨预紧方式的确定
常用的预紧方法有两种:
采用过盈配合或采用调整元件，
三、滚动导轨几何参数的确定
包括：
1、滚动体尺寸和数目的选择
2、滚动导轨的长度
四、滚动导轨承载能力的计算
计算承载能力时，要求滚动体的最大载荷不得超过许用载荷，其计算步骤如下:
（1）、计算最大载荷时所需原始数据
Fx、Fy、Fz:
X、Y、Z坐标方向的切削力（N）;
G：
运动部件（包括工件）重力（N）;
Xp、Yp、Zp:
在不利的工作条件下切削力作用点的坐标（cm）;
Xg、Yg:
运动部件（包括工件）重心的坐标（cm）;
（2）、计算导轨所承受力矩：
Mx、My、Mz
（3）、计算导轨反作用力A、B、C和滚动体的平均负载
（4）、计算导轨端部滚动体的最大负载
（5）、滚动体许用负载的计算
五、滚动导轨的刚度验算。
滚动导轨应验算其接触刚度，即验算接触变形δ的大小。
第五节、进给伺服系统传动计算
由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。
为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一走的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。
当机床脉冲当量滚珠丝杠导程L。
确定以后，可以先初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统的传动比i：
i=（360δp）/（θbL0）
式中:
δp:
脉冲当量（mm/步）;
L。
:
滚珠丝杠的基本导程（mm）;
θb:
步进电机的步距角。
第六节、步进电机的计算和选用
选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。
包括：
一、转动惯量计算
1、齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算。
2、丝杠折算到电机轴上的转动惯量。
3、工作台折算到丝杠轴上的转动惯量。
4、丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量。
二、电机力矩的计算
电机的负载力矩在各种工况下是不同的，须分别计算快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩和最大切削负载时
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