最大加工直径为320毫米的经济型数控车床进给系统设计说明书文档格式.doc
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导师签名：
专业：
机械设计制造及自动化学号：
5901109064
学生姓名：
林寒指导教师：
刘旭波
摘要
随着科学技术和社会的不断发展，社会对产品多样化的要求日益提高，产品更新换代越来越快，多品种小批量生产比重加大，零件形状越来越复杂，精度越来越高，
而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。
它的优点很多,如可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。
总体设计方案：
在普通车床上采用适合现场实时控制的80C51单片机为控制器，以运行特性好、可靠性高的步进电机为驱动执行元件进行数控改造。
在本次设计中，就包括了关于数控技术的基础知识，并且针对本次设计的课题，拟定了一系列的方案，进给系统的总体方案，数控车床进给传动系统的机械部分，以及数控系统的硬件分析和设计。
关键词：
改造，步进电机，伺服电机，传动系统，数控机床
Ⅰ
Abstract
Asscienceandtechnologyandcontinuousdevelopmentofsociety,society'
sdemandsforincreasingproductdiversification,productupgradesfasterandfaster,andmorevarietiesofsmallbatchproductionincreasedinimportance,moreandmorecomplexshapeparts,increasingaccuracy.
WhenNumericalControlisperformedundercomputersupervision,itiscalledComputerNumericalControl（CNC）.CNCmachineshavemanyadvantagesoverconventionalmachines.Forexample,thereisapossibilitylfperformingoperationsonthesamemachineinonesetupandproductionissignificantlyincreased.Oneofitsdisadvantagesisthattheyarequiteexpensive.Inourcountryconventionalmachineisusedwidely.Soifthemachinesarereplaced,thereisgoingtoneedalargemoney.Inordertoagreewiththedevelopmentofoureconomy,wecanreformtheconventionalmachines.Theoverallmasterdesign:
ThewaytoNCimprovementofgeneralmachinetoolwasintroducedthatusingsingle-chipcomputer80C51torealizethereal-timecontrolanddrivingbystepmotor.
Inthisdesign,itincludesinformationonthebasicsofdigitaltechnologyanddesignforthisproject,developedaseriesofsolutionsintotheoverallsolutiontothesystem,CNClathefeeddrivesystemofmechanicalparts,andCNCsystemhardwareanalysisanddesign.
Keyword:
machining，stepmotor，CNC，servomechanism，drivesystem
前言
随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。
随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。
数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。
同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。
数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。
经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。
本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。
设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。
Ⅲ
目录
摘要 Ⅰ
Abstrac Ⅱ
前言 Ⅲ
第一章绪论 1
1.1数控机床的概念、组成、特点 1
1.1.1数控机床的概念 1
1.1.2数控机床的组成 1
1.1.3数控机床的特点 2
1.2数控机床的发展趋势与现状 2
1.3设计的内容与方法：
3
第二章微型数控系统总体设计方案的拟定 4
2.1毕业论文的要求和内容 4
2.2总体方案的确定 5
第三章机床进给系统机械部分设计计算 6
3.1系统脉冲当量及切削力的确定 6
3.2切削力的计算 7
3.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型 7
3.4进给伺服系统传动计算 13
3.5步进电机的计算和选用 14
第四章微机数控系统的设计 22
4.1微机数控系统设计的内容 23
4.2MCS-51单片机及其扩展 24
第五章数控机床的零件加工程序 37
第六章毕业设计总结 40
第七章致谢 41
第八章参考文献 42
附表：
混合式步进电机的相关资料和图纸 43
第一章绪论
1.1数控机床的概念、组成、特点
1.1.1数控机床的概念
数控机床是数字控制机床的简称，是指用数字指令来控制机械执行预定的动作，通常由硬件电路发出数字化信号，是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。
数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。
1.1.2数控机床的组成
数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成，其中实线部分表示开环系统。
为提高加J精度，再加入测量装置，由虚线构成反馈，称为闭环系统。
主机：
他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
他是用于完成各种切削加工的机械部件。
数控装置：
是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
驱动装置：
他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。
他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。
当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
辅助装置：
指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。
它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。
编程及其他附属设备：
可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
1.1.3数控机床的特点
数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。
概括起来，数控机床有以下几方面的特点：
（1）加工精度高，具有稳定的加工质量；
（2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；
（3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产备时间；
（4）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；
（5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；
（6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。
1.2数控机床的发展趋势与现状
数控机床以其独特卓越的柔性自动化的性能、优异稳定的精度、灵活敏捷多样化的功能引起广泛的关注，它开创了机械产品并向机电一体化发展的开始，成为先进制造技术当中的一门核心技术。
数字控制系统技术的快速发展为数控机床的技术进步提供了条件。
目前我国的数控机床的发展趋势主要体现在，高速、精密、复合、智能和绿色等几个方面。
1、高速、高效，数控机床逐渐向高速化方向发展，它大大的提高加工效率、降低加工生产成本，并且还达到了提高零件的表面质量及其加工精度。
高速化的加工技术对一些企业制造业提供了更高效，优质，成本低生产比较广泛适用性。
目前在一些发达的国家数控机床的高速运行，其高速主轴单元，电主轴转速可达15000－100000r/min，快移速度在60～120m/min范围之内，切削进给速度高达60m/min、一系列高性能控制伺服系统以及数控工具系统都有新的突破，数控机床发展到了更高的水平。
2、现在的数控机床比以前的普通车床加工的零件更加的精密，精密加工技术有了相当大的提高，加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），甚至有些品种已达到0.05μm左右。
超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05μm左右，形状精度可达0.01μm左右。
通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代
3、智能化，数控机床的智能化现在又有了新的突破，在数控系统的性能上得到了充分的体现。
比如说：
自动调整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段等等，数控机床的智能化提升了机床的功能及其品质。
4、现代的数控机床在还有较高的可靠性，，而且复合化，多轴化，网络化等方面都得到了大大的提高。
1.3设计的内容与方法：
用微机数控技术改造加工零件时，数控改造必须首先拟定总体方案，绘制系统总统框图，才能觉得各种设计参数和结构，然后选择数控机床，数控机床的选择，其进给传动系统的组成和原理，分析伺服系统的选择，怎样达到控制要求，合理的选择机械传动方式，数控机床坐标的进给伺服系统既可以采用步进电机驱动也可以用直流或交流伺服电机驱动。
数控车床进给系统机械部分的计算，例如，脉冲当量，切削力和滚珠，丝杆削等等一些物理量的计算，还有应该对车床数控系统的硬件分析和设计，比如说：
数控系统的总体设计及其一些扩展，存储和通信的设计，比且还要加以计算，必要时要绘图分析，数控机床的进给分为横向进给和纵向进给，本次设计为横向进给传动系统设计。
通过以上的一些内容完成本次设计课题——用微机数控技术改造最大加工直径为320mm普通车床的横向进给传动系统的设计！
第二章微型数控系统总体设计方案的拟定
2.1毕业论文的要求和内容
1.课题名称
用微机数控技术改造最大加工直径为320毫米普通车床的进给系统
2.设计任务与要求：
主要技术参数：
最大加工直径（mm）：
在床身上：
320在床鞍上：
175
最大加工长度（mm）：
750
溜板及刀架重量（N）：
纵向：
800横向：
400
刀架快移速度（m/min）：
纵向：
1.6横向：
0.8
最大进给速度（m/min）：
1.0横向：
0.5
最小分辨率（mm）：
纵向：
0.01横向：
0.005
定位精度（mm）：
0.02
主电机功率（KW）：
2.2
起动加速时间（ms）：
25
3.设计的要求
1）坐标的进给伺服系统既查采用步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动。
2）CNC系统的主CPU既可采用单片机也可用系统机。
3）所绘制的机械装配图要求图面整洁、符合标准。
4）说明书应简明扼要、计算准确、条理清楚、图文并茂并全部用计算机打印后装订成册
2.2总体方案的确定
1.系统的运动方试与伺服系统的选择：
由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。
考虑到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系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。
对于简单的应用场合，MCS-51系统的最小系统用一片80C51外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路组成，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LCD液晶显示器显示加工数据及机床状态等信息。
为了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，为了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，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。
传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。
系统总体方案框图见图2.1
图2.1系统总体方案
第三章机床进给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机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。
现分述如下：
3.1系统脉冲当量及切削力的确定
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,根据机床精度要求确定脉冲当量：
纵向：
0.01mm/step；
横向：
0.005mm/step
3.2切削力的计算
1.纵车外圆：
主切削力Fz（N）由经验公式
（1）估算：
Fz=0.67D
=0.67×
3201.5N=3835.3N
按切削力各分力比例：
Fz：
Fx:
Fy=1:
0.25:
0.4
Fx=3835.3×
0.25N=958.8N
Fy=3835.3×
0.4N=1534.1N
2.横切端面：
主切削力可取纵切的一半，即=Fz=1917.65N
此时走刀抗力，吃刀抗力依然按上述经验公式粗略计算：
：
F:
F=1:
F=1917.65×
0.25N=479.4N
F=1917.65×
0.4N=767.06N
3.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型
（一）纵向进给丝杠：
1.计算进给牵引力Fm（N）
作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力，因而其数值大小和导轨的形式有关。
本次设计纵向进给为综合型导轨，则按以下公式确定：
式中：
K—考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.15
—滑动导轨摩擦系数：
0.15~0.18，取=0.16
G—溜板及刀架重力，由已知G=800N
代入得：
Fm=1.15×
958.8＋0.16×
（3835.3+800）N=1844.7N
2.计算最大动负载Q
选用滚珠丝杠副的直径时，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Q，计算如下：
式中：
L0—为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程Lo=6mm；
Vs—最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/2~1/3,此处为0.5m/min
T—使用寿命,按15000h;
fw—运转系数,按一般运转取fw=1.2~1.5;
此处取fw=1.2；
则：
n==r/min=83.33r/mi
L===74.99
==988.5N
3.滚珠丝杠螺母副的选型：
查阅《数控机床系统设计》中附表A-34，可采用WL3006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为14200N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级（大致相当于老表准E级）
4.传动效率计算
η=tanγ/tan（γ+φ）
式中：
γ—螺旋升角,WL3506螺旋升角γ=3°
39′
φ—摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003—0.004
则：
η=tanγ/tan（γ+φ）=tan3°
39′/tan（3°
39′+10′）=0.95
5.刚度校核
先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图3.1所示：
图3.1纵向进给滚珠丝杠支承方式草图
=700+99+3×
16+53
=900mm
支承间距L=900mm，最大轴向力为N，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。
（1）、丝杠的拉伸或压缩变形量
查《数控机床系统设计》知，根据Fm=1844.7N，=30mm查出Ò
/L=1×
10，可算出：
=Ò
/L×
900=10×
900mm
=0.09mm
由于两边都用向心推力球轴承，且丝杆又进行可预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。
其实际变形量Ò
（mm）为：
=0.25×
=2.25×
10mm
（2）、滚珠与螺纹滚道间接触变形
查《毕业设计指导书》中图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形Ò
：
Ò
=6.2um
加了预紧，Ò
=0.5×
Ò
=6.2×
0.5um=3.1um
因此图（3-1）滚珠丝杠总的弹性变形量：
根据以下经验公式：
==
=0.0059mm<
0.02mm（定位精度）
6稳定性校核
滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象不需要作稳定性校核。
（二）横向进给丝杠
1.计算进给牵引力
横向导轨为双燕尾形，有如下计算式：
K—考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.4；
—滑动导轨摩擦系数：
取=0.2；
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