机床数控改造机械系统设计.doc

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毕 业 设 计

题 目： 机床数控改造机械系统设计
入 学 年 月___2015年春_________
姓 名__陈谦________
学 号____15108887010_________
专 业_____机电一体化_________
联 系 方 式____15831192072______
学 习 中 心_____石家庄____
指 导 教 师____ _________
完成时间_2017__年_2_月__18__日

机床数控改造机械系统设计
摘要
1952年，美国帕森斯公司试验成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控机床，这标记着制造领域中数控时代的开始。21世纪后，新型数控机床慢慢替代了普通机床，因其具有提高生产率,减低生产成本和增加收益等方面的优异性。
随着科学技术的发展，数控机床被广泛应用于机械制造业。因为它具有加工灵活,通用性强的特点，能适应产品的品种和规格频繁变化，能够满足新产品的开发和多品种，小批发，自动生产化的要求，并且数控机床与普通机床相比，在提到生产率，降低工人生产强度，减低生产成本和增加效益方面都有着很大的优越性。
本论文以数控改造方法和单片机系统设计来完成对普通机床的改造，来提高加工精度和增加机床使用范围，提高生产力。介绍了普通机床机械部分的改造的设计和数控系统部分的设计。以8031芯片对系统信息进行处理，用步进电动机为驱动电路
关键词: 数控机床 改造设计
目录
摘要......................................................................3
关键词....................................................................3
第一章: 概述.........................................................5
第二章: 方案的设计........................................................6
2.1 数控机床的选择......................................................6
2.2 进主轴电机..........................................................6
2.3 刀架部分的改造....................................................6.7
2.4 机床的导轨7
2.5方案的确定..........................................................7
第三章: 数控机床硬件的设计................................................8
3.1 数控机床硬件的组成..................................................8
3.2 数控机床硬件的作用及设计.................8.9
总结.....................................................................10
感谢语...................................................................10
参考文献..............................................................10.11
第一章:概述
机床作为机械制造业的重要基础设备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的应用促使机床的控制信息出现了质的飞跃，是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。数控机床以其优异的性能和精度.灵敏而多样性的功能引起人们的瞩目，开创了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产品，它是吧刀具和工件之间的相对置，机床电机的启动和静止，主轴变速，工作松开和夹紧，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，然后将数字信息送进数控装置或计算机，经过译码，运算打出各种指令控制机床伺服系统或其他元件，加工出现所需元件。
当前，世界先进制造技术不断地兴起，超高速线切、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，当今数控机床正朝一下几个方向发展。
（1）高速、高精密化
高速、精密是机床发展的永恒目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代的速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也越发高了。为了满足这个复杂多变的市场需求，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。电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导成空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副和带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密的发展创造的条件。
（2）高可靠性
数控机床的可靠性是数控机床产品的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高效率和高精度，并获得良好的效益，关键取决于其性能的高低。
(3)数控车床设计CAD化
随着计算机应用的普及和软件技术的发展，CAD技术能到了广泛的发展。CAD不仅可以代替人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、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拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD技术还可以大大的提高工作效率，提高设计的一次性成功率，从而缩短试制周期，减低设计成本，提高市场的竞争能力。
（4）功能复合化
功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减到最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控机床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨销加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该车床同时具有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、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可以直接实现主、副主轴转速同步。该机床工作一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了生产的效率。
5）智能化
21世纪的数控具有了一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成。为提高驱动性能及使用链接方面的智能化，如电机参数自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、自动化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断和维修等。
进了21世纪后，我国成为了一个机床大国，但机床的性能落后等问题阻碍我国成为一个机械强国，然企业要在激烈的市场竞争中获得生存求得发展，就必须以其优异的质量，低廉的成本，制造出合乎市场需要的性能适合的产品，而这些需要普通机床已无法达到。所以采用先进的数控机床已成为我国制造技术发展的总趋势。
对于大量需要更新的普通机床，很多企业无法拿出巨大的资金，但企业却存在数量众多的，具有较长寿命的普通机床，由于普通机床的加工精度较低，不能批量生产，自动化程度不高，所以把普通机床改装成数控机床成为了很多企业对现有设备改造替代的首要方法，才能使企业具备足够的竞争力，才能是我国立足世界制造业。
第二章：方案的设计
2.1 数控机床的选择
(1) 数控机床的伺服系统分为开环控制系统，中开环控制系统，闭环控制系统。因为开环控制系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本较低易改装成功，所以本设计选用开环控制系统。
（2）普通机床由软件、硬件和机械部分组成，而硬性是数控系统的基础，其性能的好坏，决定了数控系统的工作性能。在我改造机床适用普遍的为Z80CPU和MCS-51系列的单片机，因其便宜、普及性强，满足经济型数控机床所需。其中8031芯片适用于扩展ROM，可现场维修和更新程序存贮器的应用场合，且及格便宜适用方便，所以本设计选用以MCS-51系列单片机以8031芯片为核心。
（3）步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。电脉冲信号的产生、分配、放大靠电子元气的动作来完成，因此其控制信号的能力较差，故选用功率较大的驱动电路。根据我国的步进电动机型号选择，我们选用了55BF003型步进电动机，其参考数据如下表：
相数
步距角
电压
相电流
3
1.5
3A
0.67N.m
空载启动频率
空载运行频率
分配方式
外形尺寸
1800
12000
三相六拍
55x70x6
步进电动机的基本参数
2.2 改进主轴电机
脉冲编码器又称为脉冲发生器。它是能够把机械转角变成为电冲脉，是数控机床使用广泛的位置控制装置。脉冲发生器的特点有1是非接触性的控制方式，无摩擦和磨损，驱动力小2、由于光电交换器性能的提高，可以有较快的响应速度3、由于照像腐蚀技术的提高可以制造高分辨率，高精度的的光电盘母盘制作后，复制方便且成本较低。
2.3 刀架部分的改造
目前的数控车床的刀架基本是电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或者少部分的电动，改造是可以根据需求对其进行更换。
电动刀架可分为卧式转塔刀架和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位，其中每一种刀架又有抬刀刀架和和免抬刀刀架之分。卧式转塔刀架相对而言价格更高，改造中常用立式电动刀架。
2.4 机床的导轨
普通车床导轨大多数采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数较大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床的传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于磨损很严重的更要进行大修，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保持其精度。
2.5 方案的确定
经过分析，本次选用CA6140车床经济型数控。由8031芯片组成的微机作为数控装置的核心，用单片机来控制步进电动机，实现软件和硬件相结合的控制方法。安装个主轴脉冲发生器靠其同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出信号。
第三章：数控机床的硬件电路设计
3.1 数控机床硬件的组成
（1） 主控制器 即CPU
（2） 总线 包括数据总线、地址总线和控制总线
（3） 存储器 包括程序存储器和数据存储器
（4） 接口 即I/O（输入/输出）接口
（5） 外围设备 如键盘、显示器等
3.2 数控机床硬件的作用及设计
CPU我们采用了8031芯片，由于8031无片内程序存储器，需要扩展外部程序存储器，同时8031芯片内部只有128字节RAM的数据存储器，也不能够满足控制系统的要求，所以我们要应该对数据存储器和程序存储器进行扩展。
在选择程序存储器时，有3种选择，掩膜ROM、可编程ROM、紫外线可擦除ROM。现在大多数选用的是紫外线可擦除ROM，同时要考虑CPU和ROM之间时序的匹配，应考虑最大读出速度、工作温度和存储器容量等问题。根据设计需求，需外扩32K的程序存储器，所以选择27256芯片。
常用的数据存储器有静态RAM和动态RAM两种。然动态RAM价格便宜、容量大和功率低等优点，但同时其电路设计较为复杂，容易受到干扰，对外界的环境、工艺结构和电源质量要求都较高与静态RAM比明显存在不足，所以控制系统选用静态RAM。在8031芯片中，较为常用的是6116和6264两种。根据设计需求，需要外扩8K的数据存储器，所以选择6264芯片。
8031单片机有P0、P1、P2、P34个八位口，32根I/O线。当系统扩展存储器时，P0口用来输出低8位并行数据，P1口作为输入使用进行功能键的控制，如X轴、Z轴的启动、停止等，P2口用来输出高8位地址，P3口作为一个8位准双向并行口。8155作为单片机应用系统常用的课编程的I/O接口得到广泛使用。对于单片机系统来说，使用8155作为键盘的接口，无需再专门增加芯片，所以选用8155.
8255A是一种有通用的可编程并行接口电路，在单片机系统中被广泛用作可编程外部I/O扩展接口。同时它与8031单片机连接方式简单，所以选用8255扩展输出输入信号接口。
总线是连接系统中各扩展部件的一组工作信号线。可把其分为地址总线、数据总线和控制总线。地址总线为16位，由P0口经地址锁存器提供16位地址总线的低8位地址。数据总线为8位，由P0提供。控制总线由P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。

总结
经过一段时间的努力，本设计论文已经基本完成，但由于本人水平有限知道设计当中还存在很多不足的地方，希望老师给予批评和指导，由衷感谢。
通过这次的设计，综合运用了机械课程设计和其他课程地理论和实际知识，掌握了机械设计的一般能力，树立了正确的设计思路，培养了分析和解决问题的能力，使我对知识有了一个更大的了解；还有对设计工作的基础技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般的机械设计创造力一定的条件。
在设计当中也遇见过各种困难，但老师的帮助使我最终克服了它。同时提升了自身收集、阅读、分析和运用材料的能力，让我运用WORD的能力也有所提高和熟练，可以说是个不小的收获。
本次设计是对我以后工作的一个重要的影响，让我明白了探索知道过程的不易和成功后的喜悦，打下了一个良好的基础。
感谢
本次论文能够完成，离不开老师的帮助和指导。没有他们的帮助是无法完成的。在学习的过程中，老师无微不至的关怀和精心指导，深深的感动着我，给了我很大的启迪和帮助。在此向老师表达深深地感谢和崇高的敬意。

参考文献
（1）王瑞孝，秦现生.机床数控原理与系统.西安：西北工业大学出版社，2000
（2）廖效果，朱启逑.数字控制机床.武汉:华中理工大学出版社，1992
（3）顾京，数控加工编程及操作.北京：高等教育出版社，2002
（4）周伟平，机械制造技术.武汉：华中科技大学出版社，2002
（5）刘迎春，MCS-51单片机原理及应用编程.北京:清华大学出版社，2005
郑州大学现代远程教育专科毕业论文（设计）评审表
姓 名
陈谦
学号
15108887010
学习中心
石家庄
专 业
机电一体化
入学年份
15年春
题 目
机床数控改造机械系统设计
评审小组意见
很好 较好 一般 较差 非常差
撰写规范： □ □ □ □ □
论文选题： □ □ □ □ □
内容观点： □ □ □ □ □
结论与创新： □ □ □ □ □
特别说明：

成绩：___________ 组长签名：____________
　　 年 月 日
注：1、此表附在论文后面；
2、评审成绩按百分制记。

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