机床数控改造机械专业系统设计.doc

郑州大学当代远程教诲毕 业 设 计题 目：机床数控改造机械系统设计（微型计算机）入 学 年 月_ 5月_姓 名_仝雪森_学 号_ 专 业_ _机电一体化_ 学 习 中 心 _ 河北省石家庄_ 指 导 教 师_ _ 完毕时间_年_12_月_24_日机床数控改造机械系统设计（微型计算机）目录：摘要2核心词2第一章 概述 4-5第二章 总体方案设计5-62.1设计任务 52.2总体方案论证 5-62.3总体方案拟定 6第三章 微机数控系统硬件电路设计 6-83.1微机数控系统硬件电路总体方案设计 6-8结束语 8道谢 9总结9参照文献9-10摘要：随着科学技术飞速发展，数控车床被广泛应用于机械制造业。由于它具备加工灵活、通用性强特点，能适应产品品种和规格频繁变化，可以满足新产品开发和多品种、小批量、生产自动化规定，并且数控车床与普通车床相比，在提高生产率、减轻工人劳动强度、减少生产成本和增长效益方面均有很大优越性。针对既有常规CA6140普遍车床缺陷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畴，并提高生产率。本论文阐明了普通车床数控化改造设计过程，较详尽地简介了CA6140机械改造某些设计及数控系统某些设计。采用以8031为CPU控制系统对信号进行解决，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、横向进给运动。核心词： 数控机床，单片机数控系统，改装设计第一章 概述1.1 课题背景 公司要在激烈市场竞争中获得生存、得到发展，它必要在最短时间内以优秀质量、低廉成本，制造出合乎市场需要、性能适当产品,而产品质量优劣，制造周期快慢，生产成本高低，又往往受工厂既有加工设备直接影响。当前，采用先进数控机床，已成为国内制造技术发展总趋势。在国内既有机床中有一某些仍采用老式继电器- 接触器控制方式，这些机床触点多、线路复杂，使用近年后故障多、维修量大、维护不便、可靠性差，严重影响了正常生产。尚有某些旧机床虽然还能正常工作，但其精度、效率、自动化限度已不能满足当前生产规定。因而拥有先进数控机床已经成为满足公司新生产工艺、提高经济效益最主线需求。1.2 数控机床发展简史1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板加工设备。由于样板形状复杂多样，精度规定高，普通加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。这是制造技术发展过程中一种重大突破，标志着制造领域中数控加工时代开始。数控加工是当代制造技术基本，这一创造对于制造行业而言，具备划时代意义和深远影响。世界上重要工业发达国家都十分注重数控加工技术研究和发展。 当时数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要部门用来加工复杂型面零件；1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960年后来，较为简朴和经济点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐渐获得推广。国内于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控系统数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统三坐标数控铣床。 1965年，浮现了第三代集成电路数控装置，不但体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，增进了数控机床品种和产量发展。60年代末，先后浮现了由一台计算机直接控制多台机床直接数控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制计算机数控系统（简称CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特性第四代。 1974年，研制成功使用微解决器和半导体存贮器微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置功能扩大了一倍，而体积则缩小为本来1/20，价格减少了3/4，可靠性也得到极大提高。 80年代初，随着计算机软、硬件技术发展，浮现了能进行人机对话式自动编制程序数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床自动化限度进一步提高，具备自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。1.3 国内数控机床发展方向 进入21世纪，国内机床制造业即面临提高机械制造业水平需求而引起制造装备发展良机，也遭受到进入WTO后激烈市场竞争压力，从技术层面上来讲，加速推动数控技术将是解决机床制造业持续发展一种核心。数控机床及由数控机床构成凡人制造系统是改造老式产业，构建数字化公司重要基本装备，它发展始终受人们关注，数控机床以其卓越柔性自动化性能、优秀而稳定精度、灵捷而多样化功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展先河，因而数控技术成为先进制造技术中一项核心技术。另一方面，通过持续研究，信息技术深化应用增进了数控机床进一步提高。当前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术应用，柔性制造系统迅速发展和计算机集成系统不断成熟，对数控加工技术提出了更高规定，当今数控机床正在朝着如下几种方向发展。 (1)高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒目的。随着科学技术突飞猛进发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工精度和表面质量规定也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器直线导轨副等机床功能部件面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。（2）高可靠性数控机床可靠性是数控机床产品质量一项核心性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好效益，核心取决于其可靠性高低。（3）数控车床设计CAD化随着计算机应用普及及软件技术发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不但可以代替人工完毕繁琐绘图工作，更重要是可以进行设计方案选取和大件整机静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模仿仿真。在模块化基本上在设计阶段就可以看出产品三维几何模型和逼真色彩。采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计一次成功率，从而缩短试制周期，减少设计成本，提高市场竞争能力。（4）功能复合化功能复合化目是进一步提高机床生产效率，使用于非加工辅助时间减至至少。通过功能复合化，可以扩大机床使用范畴、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功CX25Y数控车铣复合中心，该机床同步具备X、Z轴以及C轴和Y轴。通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽加工。该机床还配备有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴构造，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完毕所有加工，极大地提高了效率。（5）智能化21世纪数控装备将是具备一定智能化系统。智能化内容涉及在数控系统中各个方面：为追求加工效率和加工质量方面智能化，如加工过程自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面智能化，如前馈控制、电机参数自适应运算、自动辨认负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面智能化，如智能化自动编程、智能化人机界面等；尚有智能诊断、智能监控等方面内容，以以便系统诊断及维修等。1.4 国内数控机床发展趋势 数控机床向柔性自动化系统发展：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新重要手段，是各国制造业发展主流趋势，是先进制造领域基本技术。其重点是以提高系统可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目的，注重加强单元技术开拓和完善。CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能以便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 第二章 总体方案设计2.1 设计任务 本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。运用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，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，刀架采用自动转位刀架。 机床数控改造，重要是对原有机床构造进行创造性设计，最后使机床达到比较抱负状态。数控车床是机电一体化典型代表，其机械构造同普通机床有诸多相似之处。然而，当代数控机床不是简朴地将老式机床配备上数控系统即可，也不是在老式机床基本上，仅对局部加以改进而成。老式机床存在着某些弱点，如刚性局限性、抗振性差、热变形大、滑动面摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等规定。当代数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件构造，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床独特机械构造。因而，咱们在对普通机床进行数控改造过程中，应在考虑各种状况下，使普通机床各项性能指标尽量地与数控机床相接近。此外，车床数控改造总体原则是在满足使用规定前提下，对原机床改动尽量减少，以减少成本。改造过程中，为了充分发挥改造后数控系统技术性能，保证改造后车床在系统控制下有较高重复定位精度，减少低速爬行，并使其外型美观，性能稳定，机械装置合理改造就显得异常重要。其中进给系统改造又是整个机械装置改造核心。普通进给系统改造方案是：用步进电机作为驱动元件，解除原传动系统，通过一级减速齿轮和滚珠丝杠螺母副带动工作台移动，保存手动进给机构用于微进给和机床刀具对零操作。通过经济型数控改造后CA6140型普通车床，采用以8031单片机为核心数控装置对加工过程进行控制解决，其横向（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲，进给速度范畴为 3 1000mm/min （无级调速），快进速度可以在1000 3000mm/min内任意设定。并且运营可靠，抗干扰能力强。改造后经济型数控车床不但实现了CA6140型普通车床原有功能，并且在机床加工精度、性能、自动化限度等方面也有所提高，运用数控办法可以精确地加工任意面旋转体。它满足了当代加工工艺规定,提高了劳动生产率，大大减少了工人劳动强度，给公司带来了巨大经济效益。2.2 总体方案论证 对于普通机床经济型数控改造，在拟定总体设计方案时，应考虑在满足设计规定前提下，对机床改动应尽量少，以减少成本。 （1）数控系统运动方式拟定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、持续控制系统。由于规定CA6140车床加工复杂轮廓零件，因此本微机数控系统采用两轴联动持续控制系统。 （2）伺服进给系统改造设计 数控机床伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。由于开环控制具备构造简朴、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修以便等长处。因此，本设计决定采用开环控制系统。（3）数控系统硬件电路设计 任何一种数控系统都由硬件和软件两某些构成。硬件是数控系统基本，性能好坏直接影响整体数控系统工作性能。有了硬件，软件才干有效地运营。 在设计数控装置中，CPU选取是核心，选取CPU应考虑如下要素： 1. 时钟频率和字长与被控对象运动速度和精度密切有关； 2. 可扩展存储器容量与数控功能强弱有关； 3. I/O口扩展能力与对外设控制能力有关。 除此之外，还应依照数控系统应用场合、控制对象以及各种性能、参数规定等，综合起来考虑以拟定CPU。在国内，普通机床数控改造方面应用较普遍是Z80CPU和MCS-51系列单片机，重要是由于它们配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修以便，完全能满足经济型数控机床改造需要。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ROM8051，8751是用EPROM代替ROM8051。当前，工控机中应用最多是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增长存储器扩展电路、接口和面板操作开关构成控制系统。 2.3 总体方案拟定 经总体设计方案论证后，拟定CA6140车床经济型数控。CA6140车床主轴转速某些保存原机床功能，即手动变速。车床纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机构成微机作为数控装置核心，由I/O接口、环形分派器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制经电机驱动自动控制自动转位刀架。为保持切削螺纹功能，必要安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出脉冲个数和一种同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。第三章微机数控系统硬件电路设计3.1微机数控系统硬件电路总体方案设计 本系统选用8031CPU作为数控系统中央解决机。外接一片2764EPROM，作为监控程序程序存储器和存储惯用零件加工程序。再选用一片6264RAM用于存储需要随机修改零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完毕此功能。8279作为系统输入输出口扩展，分别接键盘输入、输出显示，8255接步进电机环形分派器，分别并行控制X轴和Z轴步进电机。此外，还要考虑机床与单片机之间光电隔离，功率放大电路等。 各引脚功能简要简介如下： 源引脚 VSS：电源接地端。 VCC：5V电源端。 输入/输出（I/O）口线 8031单片机有P0、P1、P2、P3 4个端口，每个端口8根I/O线。当系统扩展外部存储器时，P0口用来输出低8位并行数据，P2口用来输出高8位地址，P3口除可作为一种8位准双向并行口外，还具备第二功能，各引脚第二功能定义如下： P3.0 RXD：串行数据输入端。 P3.1 TXD：串行数据输出端 P3.2 INT0：外部中断0祈求信号输入端。 P3.3 INT1：外部中断1祈求信号输入端。 P3.4 T0：定期器/计数器0外部输入端 P3.5 T1：定期器/计数器1外部输入端 P3.6 WR：外部数据存储器写选通。 P3.7 RD：外部数据存储器读选通。在进行第二功能操作前，对第二功能输出锁存器必要由程序置1。 （1）信号控制线 RST/VPD：RST为复位信号线输入引脚，在时钟电路工作后来，该引脚上浮现两个机器周期以上高电平，完毕一次复位操作。 8031单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。 ALE/PROG：ALE是地址锁存容许信号。它作用是把CPU从P0口分时送出低8位地址锁存在一种外加锁存器中。 外部程序存储器读选通信号。当其为低电平时有效。VPP：当EA为高电平且PC值不大于0FFFH时CPU执行内部程序存储器中程序。当EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器中程序。 XTAL1：震荡器反相放大器输入，使用外部震荡器时必要接地； XTAL2：震荡器反相放大器输出，使用外部震荡器时，接受外围震荡信号；（2）片外三总线构造 单片机在实际应用中，经常要扩展外部存储器、I/O口等。单片机引脚，除了电源、复位、时钟输入以及顾客I/O口外，别的引脚都是为了实现系统扩展而设立，这些引脚构成了三总线形式： 地址总线AB 地址总线宽度为16位。因而，外部存储器直接寻址范畴为64KB。由P0口经地址锁存器提供16位地址总线低8位地址（A7A0），P2口直接提供高8位地址（A15A8）。 数据总线DB 数据总线宽度为8位，由P0口提供。 控制总线CB 控制总线由第二功能状态下P3口和4根独立控制线RST、EA、ALE和PSEN构成。 3.1.2 8255A可编程并行I/O口扩展芯片 8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具备三个8位并行I/O口，具备三种工作方式，通过编程可以以便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完毕CPU与外围设备之间信息互换。8255A构造及引脚功能： 1、8255A构造其中涉及三个8位并行数据I/O端口，二个工作方式控制电路，一种读/写控制逻辑电路和一种8位数据总线缓冲器。各某些功能简介如下：（1） 三个8位并行I/O端口A、B、C A口：具备一种8位数据输出锁存/缓冲器和一种8位数据输入锁存器。可编程为8位输入、或8位输出、或8位双向寄存器。 B口：具备一种8位数据输出锁存/缓冲器和一种8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。 C口：具备一种8位数据输出锁存/缓冲器和一种8位数据输入缓冲器，C口可分作两个4位口，用于输入或输出，也可作为A口和B口选通方式工作时状态控制信号。（2） 工作方式控制电路 A、B两组控制电路把三个端口提成A、B两组，A组控制A口各位和C口高四位，B组控制B口各位和C口低四位。两组控制电路各有一种控制命令寄存器，用来接受由CPU写入控制字，以决定两组端口工作方式。也可依照控制字规定对C口按位清“0”或置“1”。 （3） 读/写控制逻辑电路 它接受来自CPU地址信号及某些控制信号，控制各个口工作状态。（4） 数据总线缓冲器 它是一种三态双向缓冲器，用于和系统数据总线直接相连，以实现CPU和8255A之间信息传送。结束语通过3个多月努力，毕业设计已基本完毕，课题重要设计内容有如下几点：（1） 分析国内外数控机床发展趋势，机床改造意义及设计任务（2） 对CA6140卧式车床进行了总体方案拟定（3） 对横向进给系统进行了详细改造设计（4） 微机某些改造设计总结通过以上设计掌握了一种系统设计思维办法。提高了自身收集，阅读，分析和运用材料能力，也使我专业知识得到了进一步巩固。通过这次设计使我明白了自己知识还比较欠缺，要学习东西还太多。通过这次设计，明白学习是一种长期积累过程，在后来工作中不断学习，努力提高自己综合素质。在此遇到了某些问题，在教师和同窗们协助下得到理解决。在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作能力，树立了自己对工作信心。经历了不少艰辛，收获如此巨大。我相信通过这次设计会对后来工作有着重要影响。并且大大提高了自己动手能力，是我充分体会到了在创造过程中摸索艰辛和成功喜悦。通过这次毕业设计使我收益非浅，为我此后工作打下了良好基本。参照文献1王润孝，秦现生.机床数控原理与系统西安:西北工业大学出版社,2李 华，MCS-51单片机实用接口技术北京:北京航空航天大学出版社,19933李圣怡等，Windows环境下软硬件接口设计长沙:国防科技大学出版社,4顾 京，数控加工编程及操作.北京:高等教诲出版社,5周伟平，机械制造技术.武汉:华中科技大学出版社,6刘迎春，MCS-51单片机原理及应用教程.北京:清华大学出版社,道谢 本论文教师指引以她严肃科学态度，严谨治学精神，精益求精工作作风，深深感染和勉励着我，在学习和毕业设计过程中给了我很大启迪和协助，也给我留下了深刻印象，在此，我向教师表达深深感谢！郑州大学当代远程教诲专科毕业论文（设计）评审表姓 名仝雪森学号学习中心石家庄学习中心专 业机电一体化入年份5月题 目机床数控改造机械系统设计（微型计算机）评审小组意见成绩：_ 组长签名：_ 年 月 日论文最后成绩 最后成绩评估为：_ _ 年 月 日注：1、此表附在论文背面；2、评审成绩按百分制记；3、毕业论文最后成绩分优（90以上）、良（80-90）、中（70-80）、及格（60以上）和不及格五个级别。