普通车床数控化改造设计.docx
《普通车床数控化改造设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《普通车床数控化改造设计.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
普通车床数控化改造设计
毕业设计（论文）任务书
系部
机械工程系
指导教师
马丽
职称
讲师
学生姓名
陈家帆
专业班级
09GZ机电2
学号
05
设计题目
普通车床数控化改造设计
设
计
内
容
目
标
和
要
求
（设计内容目标和要求、设计进度等）
本课题改造设计经济型数控车床，应满足实用和加工精度的要求。
1.调研：
了解各种数控机床进给伺服系统中二维工作台的工作性能和加工要求情况，了解开环伺服传动系统的组成和特点，提出应满足的技术要求和条件，分析、比较各种可能的方案并提出初步设计方案；
2.研究和确定数控车床进给伺服系统的总体设计方案，要求有必要的分析和计算过程；
3.结构设计，要求画出总体结构图、关键零部件图并对关键零部件进行校核和验算；
4.控制系统设计，画出控制系统原理图；
5.撰写设计说明书（30-40页左右）；
6.基本技术要求：
结构尺寸：
普通车床CA6150
数控车床的设计参数：
规
格
加工
最大
直径
加工
最大
长度
溜板及刀架重力（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
纵向
横向
纵向
横向
纵向
横向
Ф500
500
1000
1100
700
±
30
根据数控机床要求，由调研确定工作台定位精度和重复定位精度、脉冲当量等参数；
7.绘制主要零部件图不少于2张，装配图1张；
8.设计进度：
1）、1—5周，主要进行毕业设计准备工作，熟悉题目，收集资料，进行毕业实习，明确研究目的和任务，构思总体方案；
2）、6—10周，设计计算，绘图；
3）、11—13周，编写毕业设计论文，准备毕业设计答辩。
指导教师签名：
马丽
年月日
系部审核
毕业设计（论文）学生开题报告
课题名称
普通车床数控化改造设计
课题类型
B-实践应用型
指导教师
马丽
学生姓名
陈家帆
学号
05
专业班级
09GZ机电2
本课题的研究现状、研究目的及意义
当前，我国的数控机床发展很快，呈现出高速度，高可靠性，多轴控制，工艺复杂，集成化，智能化，网络化和环保化。
可是与国外的数控技术相比有很大的差距。
一我国的数控系统以传统的封闭式体系结构为主。
在传统的封闭式结构中，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。
加工过程变量根加工中心据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD／CAM及自动编程系统进行编制。
CAD／CAM和CNC普通铣床之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。
在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、背吃刀量、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD／CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。
二在高端市场基本被美国，日本和欧洲发达工业国家所垄断，国内开发的五轴联动数控机床，复合加工中心，高速加工中心等产品，虽然已经投入使用，但多数产品与外商上有一定差距，而且技术水平和性能参数上与欧，美，日等地产品有较大差距。
低端市场受到周边日本，韩国和台湾地区产品的冲击较大，形成激烈的竞争。
我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。
如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有％，而日本在1994年已达％，因此每年都有大量机电产品进口。
这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。
微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。
1可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
2可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。
3加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。
4可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。
5拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。
由以上五条派生的好处如：
降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。
此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。
数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
三在产品占有率低，品中覆盖率小等等一系列的问题。
通过对普通数控机床的改造可以让我们对数控机床的结构（特别是在机械结构），机床的参数性能有进一步的了解。
以及让我们对普通机床数控化的改造过程，改造过程中所遇到的问题，机床在各个方面所存在的不足之处有了更深的了。
通过该课题的研究，努力达到以下目的：
1.加强数控机床结构和模块化训练；
2.加强数控机床功能部件的选型与设计计算的训练；
3.加强数控机床的整机设计中应该把握的主要问题的训练；
研究的意义：
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。
机床数控化改造有以下优点：
1、节省资金。
机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。
一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。
即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。
2、性能稳定可靠。
因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
3、提高生产效率。
机床经数控改造后即可实现加工无忧论文网的自动化效率可比传统机床提高3至5倍。
对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。
且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。
在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。
由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。
我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。
在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。
课题类型：
课题类型：
A-理论探究型B-实践应用型
本课题的研究内容
本课题主要研究机械和数控两方面；
一机械部分：
1进给系统2滚动导轨3齿轮驱动电机4滚珠丝杠
二在数控方面：
1数控系统结构的组成
数控系统一般由输入／输出装置、数控装置、驱动控制装置、辅助控制装置四部分组成．机床
本体为被控对象。
输人装置的作用是将信息载体上的数控加工程序输入数控装置。
常用的输入／输出装置为操作
键盘和CRT显示器。
数控装置的主要功能是：
接收加工程序信息，进行各种数据计算和逻辑判断处理，向驱动控制
装置传送各种指令信息。
驱动控制装置位于数控装置和机床之间，它接收来自数控系统的指令信息，经功率放大后，严
格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件，完成指令规定的动作。
这包括进给轴伺服驱动装置
和主轴驱动装置。
进给轴伺服驱动装置由位置控制单元、速度控制单元和测量反馈单元等部分组
成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令正确驱动机床受控部件。
主轴驱动装置
主要由速度控制单元控制。
电动机可以是各种步进电动机、直流伺服电动机或交流伺服电动机。
辅助控制装置也位于数控装置和机床之间，接收数控装置发出的开关命令，完成辅助动作。
机床主要完成机床主轴选速、起停和方向控制功能，换刀功能，工件装夹功能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能和其他机床辅助功能。
已查阅的主要参考文献
范超毅数控技术课程设计[M].湖北：
华中科技大学出版社，
懂红玉数控技术[M].高等教育出版社
赵大兴机电传动与控制[M].湖北：
华中科技大学出版社
赵大兴现代工程图学[M].湖北：
湖北科学技术出版社，
漆汉红PLC电气控制技术[M].北京：
机械工业出版社
毕业设计（论文）学生申请答辩表
课题名称
普通车床数控化改造设计
指导教师（职称）
马丽
申请理由
毕业设计已完成
学生所在系部
机械工程系
专业班级
09GZ机电2
学号
05
学生签名：
日期：
毕业设计（论文）指导教师评审表
序号
评分项目（理工类）
满分
评分
1
工作量
15
2
文献阅读与外文翻译
10
3
技术水平与实际能力
25
4
研究成果基础理论与专业知识
25
5
文字表达
10
6
学习态度与规范要求
15
总分
100
评
语
指导教师签名：
另附《毕业设计（论文）指导记录册》年月日
4
毕业设计（论文）评阅人评审表
学生姓名
陈家帆
专业班级
09GZ机电2
学号
05
设计（论文）题目
普通车床数控化改造设计
评阅人
评阅人职称
序号
评分项目（理工类）
满分
评分
1
工作量
15
2
文献阅读与外文翻译
10
3
技术水平与实际能力
25
4
研究成果基础理论与专业知识
25
5
文字表达
10
6
学习态度与规范要求
15
总分
100
评
语
评阅人签名：
年月日
5
毕业设计（论文）答辩表
学生姓名
陈家帆
专业班级
09GZ机电2
学号
05
设计（论文）题目
普通车床数控化改造设计
序号
评审项目
指标
满分
评分
1
报告内容
思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。
40
2
报告过程
准备工作充分,时间符合要求。
10
3
创新
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
10
4
答辩
回答问题有理论依据，基本概念清楚。
主要问题回答准确，深入。
40
总分
100
答
辩
组
评
语
答辩组组长（签字）：
年月日
答辩
委员会
意见
答辩委员会负责人（签字）：
年月日
6-1
毕业设计（论文）答辩记录表
学生姓名
陈家帆
专业班级
09GZ机电2
学号
05
设计（论文）题目
普通车床数控化改造设计
答辩时间
答辩地点
答辩委员会名单
问题1
提问人：
问题：
回答（要点）：
问题2
提问人：
问题：
回答（要点）：
问题3
提问人：
问题：
回答（要点）：
记录人签名
（不足加附页）
问题4
提问人：
回答（要点）：
问题5
提问人：
问题：
回答（要点）：
问题6
提问人：
问题：
回答（要点）：
问题7
提问人：
问题：
回答（要点）：
问题8
提问人：
问题：
回答（要点）：
记录人签名
7
毕业设计（论文）成绩评定总表
学生姓名：
陈家帆专业班级：
09GZ机电2
毕业设计（论文）题目：
普通车床数控化改造设计
成绩类别
成绩评定
Ⅰ指导教师评定成绩
Ⅱ评阅人评定成绩
Ⅲ答辩组评定成绩
总评成绩
Ⅰ×40%+Ⅱ×20%+Ⅲ×40%
评定等级
毕业设计（论文）
普通车床数控化改造设计
学生姓名：
陈家帆
学号：
05
所在系部：
机械工程系
专业班级：
09GZ机电2
指导教师：
马丽□讲师
日期：
二○一二年五月
摘要
针对现有常规CA6150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CA6150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，单片机数控系统，改装设计
Abstract
ToremedythedefectsofordinarylatherCA6150,adesignofdataprocessingsystemanditssinglechipmicrocomputersystemprogramisputforwardtoraisetheprocessingprecisionandextendthemachine’susage,andtoimproveproductionrate。
Thispaperpresentstheprocessofdesigningnumericalcontrolreform，andexplicitlyintroducesthedesignofmechanicalandnumericalcontrolsystemreforms。
Weadoptcontrolsystemwhichhas8031ascputocopewiththesignal，andoutputthesteppulsethroughtheI/Ointerface。
Aftertransmittingandslowingdownbyforce1gear,thesteppulsesdrivetheleadingscrewtoroll。
Thusachievetheverticalmovementandthecrosswisemovement。
Keyword：
?
?
?
?
numericalcontrolmachinetool,singlechipmicrocomputersystem，reformdesign。
摘要……………………………………………………………………………………
Abstract………………………………………………………………………………
1引言………………………………………………………………………………
2总体方案的设计
系统运动方式的确定…………………………………………………………
系统运动方式的确定…………………………………………………………
功能部件的选择………………………………………………………………
结构设计与电气设计…………………………………………………………
计算机系统的选择……………………………………………………………
数控车床CA6150主要设计参数………………………………………………
3横向进给传动链的设计计算………………………………………………………
主切削力及切削分力的计算……………………………………………………
导轨摩擦力的计算………………………………………………………………
计算滚珠丝杆螺母副的轴向载荷………………………………………………
确定进给传动链的传动比i和传动级数………………………………………
滚珠丝杆的动载荷计算与直径计算……………………………………………
3.6按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径d2m………………………
初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号…………………………………………
4滚珠丝杆螺母副的承载能力的校验………………………………………………
滚珠丝杆螺母副的临界压缩载荷Fc的校验……………………………………
滚珠丝杆螺母副的额定寿命的校验……………………………………………
5计算机械传动的刚度………………………………………………………………
计算滚珠丝杆的拉压刚度………………………………………………………
计算滚珠丝杆螺母副的支承刚度Kb……………………………………………
计算滚珠与滚道的接触刚度Kc…………………………………………………
计算进给传动系统的综合拉压刚度……………………………………………
计算滚珠丝杆螺母副的扭转刚度Kp……………………………………………
6驱动电动机的选型与计算…………………………………………………………
计算折算到电动机轴上的负载惯量……………………………………………
计算折算到电动机轴上的负载力矩……………………………………………
计算折算到电动机轴上的加速力矩Tap………………………………………
计算横向进给系统所需的折算到带你动机轴上的各种力矩…………………
选择驱动电动机的型号…………………………………………………………
7机械传动系统的动态分析…………………………………………………………
计算丝杆工作台纵向振动系统的最低固有频率Wnc…………………………
计算扭转振动系统的最低固有频率Wnt………………………………………
8机械传动系统的误差计算与分析…………………………………………………
计算机械传动系统的反向死区Δ………………………………………………
计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差δkmax。
…………
8.3计算滚珠丝杆因扭转变形而产生的误差………………………………………
9确定滚珠丝杆螺母副的精度等级和规格型号……………………………………
确定滚珠丝杆螺母副的精度等级………………………………………………
确定滚珠丝杆螺母副的规格要求………………………………………………
结论………………………………………………………………………………………
致谢………………………………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………………………
1?
?
引言
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及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；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及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。
在国内工厂的技术改造中，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及。
所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
2总体方案设计
对CA6150车床数控改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为CNC装置控制的能独立运动的进给伺服系统，将刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。
这样，利用CNC装置，车床就可以按照预先输入的加工程序进行切削加工。
由于切削参数，切削次数和刀具的选择都可以有程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给的联动功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量，多品种复杂零件的加工。
总体方案的设计应考虑：
机床数控系统运动方式、伺服系统的类型、计算机（CNC装置）及传动方式的选择等。
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；如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。
具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓的零件，所以连续控制系统又称为轮廓控制系统。
在点位控制系统中不具备连续控制系统中才具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却有点位系统的功能。
还有一些采用点位控制的数控机车，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。
这种系统叫点位/直线系统。
其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统统称为点位控制系统。
由于普通车床CA6150数控化改造后应具有定位，快速进给，直线插补，圆弧插补，暂停，循环加工和螺纹加工等功能，故应选用连续控制系统。
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。
开环控制系统中设有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传递的。
指令发出后不再反馈回来，故称为开环控制。
开环系统主要由步进电机驱动。
开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。
闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。
闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动，闭环系统造价高，结构和调试复杂，多用于精度要求高的场合。
半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位置，而是用检测
升级会员 