完整版数控维修改造毕业设计.docx
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完整版数控维修改造毕业设计
四川工程职业技术学院
毕业论文
题目：
CK5116A立式车床数控设计
专业：
数控维修
年级：
2008级
姓名：
指导教师：
完成时间：
2011年5月8日
CK5116A立式车床数控的数控化改造
摘要
针对现有常规CK5116A立式车床数控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CK5116A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IO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。
改造过程如下：
（1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。
主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向、横向机构装配图方案的制定。
（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。
关键词：
数控;单片机;步进电机;滚珠丝杠;改造
ABSTRACT
ToremedythedefectsofordinarylatherCK5116A,adesignofdataprocessingsystemanditssinglechipmicrocomputersystemprogramisputforwardtoraisetheprocessingprecisionandextendthemachine’susage,andtoimproveproductionrate。
Thispaperpresentstheprocessofdesigningnumericalcontrolreform，andexplicitlyintroducesthedesignofmechanicalandnumericalcontrolsystemreforms。
Weadoptcontrolsystemwhichbyforce1gear,thesteppulsesdrivetheleadingscrewtoroll。
Thusachievetheverticalmovementandthecrosswisemovement。
Reformprocessasfollows:
（1）Thereformationofmachinepart,includetoenterlengthwaystothereformationofthedirectionwithofreformation.Mainlyincludetorolltheballscrewshaftnutandthecalculationchoiceofreactionsteppingmotorandtheestablishmentoflengthways,assemblediagramproject.
（2）Thereformationofelectricitypart,mainlyincludethechoiceofMCS-51familysingle-chipandexpandchipandthedesignofelectriccontrolchart.
Keywords :
numericalcontrol;single-chip;steppingmotor; ballscrew
摘要I
ABSTRACTII
引言-1-
第1章总体方案的设计-3-
1.1设计任务-3-
1.2总体方案的论证-3-
1.2.1机械部分的改造设计-5-
1.2.2伺服进给系统的改造设计-7-
1.2.3数控系统的硬件电路设计-7-
1.3总体方案的确定-7-
第2章机械部分的改造设计-9-
2.1纵向进给系统的改造设计-9-
2.1.1纵向滚珠丝杠副的选用-10-
2.1.2步进电机的选用-15-
2.2横向进给系统的改造设计-18-
2.2.1横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用-19-
2.2.2横向步进电机的选用-24-
2.3齿轮传动间隙的调整-26-
第3章电气控制部分的设计-29-
3.1单片机的选择-29-
3.2步进电机的驱动-30-
3.2.1环形脉冲分配器的选择-30-
3.2.2功率放大器的选用-32-
3.3步进电机的微机控制-35-
结论-37-
参考文献-38-
致谢-39-
引言
毕业设计是机械设计制造及其自动化专业教学计划的一个重要组成部分，是各教学环节的继续深化和检验，其实践性和综合性是其他教学环节所不能替代的，通过毕业设计使学生获得综合训练，对培养学生的实际工作能力具有十分重要的作用。
毕业设计还是高等学校工科学院学生毕业前进行的全面综合训练，是培养学生综合运用所学知识与技能解决实际问题的教学环节，是学生在校获得的最后训练机会，也是对学生在校期间所获得知识的体验。
这次设计的题目是：
CK5116A立式车床数控的数控化改造
现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛应用于相关的领域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如：
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110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。
第1章总体方案的设计
1.1设计任务
本设计任务是对CK5116A普通车床进行数控改造。
利用单片机对纵、横向进给系统进行控制，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。
1.2总体方案的论证
对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。
一般数控系统应包括以下五大要素和功能，其图如下：
动力设备（运转）
传感器（检测）--微机（控制）--执行机构（驱动）
机械主体（加工）
此五个要素的工作结构示意图如下：
1、输入、输出设备
主要作用：
编制程序、输入数据，程序输出、显示器。
2、微机控制设备
可先用专用计算机PC、PLC、或者单片机。
功能：
完成零件的测量及精度的保证，产生脉冲信号。
在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。
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ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。
目前，工控机中应用最多的是8031单片机。
本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。
3、伺服系统
包括：
伺服电机、伺服控制系统线路、驱动电路、执行机构
功能：
将微机控制设备产生的脉冲信号转化为电机执行机构的速度和位移。
伺服电机有：
功率步进电机、直流伺服电机、交流电机。
本设计选用
步进电机作拖动元件。
因为数控系统发出的指令仅使床鞍运动而没有位置
检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令如果有差别就会造成加工误差。
4、测量反馈装置
测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。
其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，将执行机构的速度、位置信号测量出来反馈到控制装置中。
根据测量结果修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机的某种功能。
我的这次车床的改造，因为是简易的改造，我们这次改造就没有使用测量反馈装置。
5、机械传动
包括传动机构、工作台、床身、支柱等。
6、辅助控制、手动（点动）、限位、紧急停车的实现。
1.2.1机械部分的改造设计
数控机床的机械部分在刚度、精度、速度、摩擦磨损等方面较普通机床有更高的要求。
因此，不能简单地认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了机床数控改造的目的。
而是应该从机床自身的价值考虑，分析改造要达到的目标和所需投入。
从该机床在本单位产品制造中的地位和重要程度来分析改造价值。
对被改造机床的结构、性能、精度等技术现状作全面分析。
其中包括机床原来的结构设计是否符合改造要求，部件结构是否仍然完好，各坐标轴的机械传动结构及导轨副的形式等是否适用，各项精度是否满足要求，机床在加工中是否存在故障和历史上有无出现过重大故障。
从该机床的投入产出率估算，确定最终改造方案。
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。
此设计过程主要是纵向进给和横向进给的改造，关键是步进电机和滚珠丝杠的选用。
改进后的车床简易传动系统如图1-1：
图1-1改进后的车床传动系统
1.小刀架2.横向步进电动机3.横向滚珠丝杆4.大拖板
5.纵向滚珠丝杆6.纵向步进电动机
1.2.2伺服进给系统的改造设计
伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统CNC系统与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节。
它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。
例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。
数控机床的伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类。
因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。
所以，本设计决定采用开环控制系统。
1.2.3数控系统的硬件电路设计
任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。
硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。
有了硬件，软件才能有效地运行。
在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：
1.时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；
2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；
3.IO口扩展的能力与对外设控制的能力相关。
在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。
本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。
1.3总体方案的确定
经总体设计方案的论证后，确定CK5116A车床经济型数控改造方案。
CK5116A车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。
车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。
将原来机床的普通丝杠改为滚珠丝杠以减小摩擦力。
并将8031单片机组成的微机作为数控装置的核心，由IO接口、环形分配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，从而实现车床的纵向、横向进给运动。
第2章机械部分的改造设计
2.1纵向进给系统的改造设计
在对进给传动系统进行改造时，一般都应该把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。
而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率步进电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。
例如普通机床的简易化数控改装，通常都是把原来由主轴箱到进给箱的传动路线切断，且将溜板箱拆除，直接把齿轮减速箱和功率步进电机安装在纵向丝杠的右端和横向丝杠的外端。
在对机床进给传动系统改装的同时，也要对此传动系统中的传动装置元件进行相应的改造。
具体如下：
（1）丝杠。
丝杠是将回转运动转换为直线运动的传动装置。
改造时，为了满足数控机床上较高精度零件的加工要求，应该用滚珠丝杠螺母副替换原普通机床上的梯形丝杠螺母副。
滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，使摩擦损失减小，精度保持性、传动平稳性、传动效率等都得以提高。
其传动效率可达到92%～98%，是普通丝杠螺母副的3～4倍。
（2）机床导轨。
为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，应充分考虑机床导轨的耐磨性。
当前国内普通机床床身等大件多采用普通铸铁，其摩擦系数较大。
改造中，在对达不到预定要求的原机床导轨进行修磨、刮研后，要在上面贴上耐磨、吸振的聚四氟飞烯软带。
（3）拖板。
拖板是数控系统直接控制的对象。
不论是点位控制、直线控制，还是轮廓控制，被加工零件的最终坐标精度都将受到拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。
除拖板及相配件精度要高外，由驱动电机到丝杠间的传动齿轮也要采用间隙消除结构。
以满足传动精度和灵敏度的要求。
常用的消隙方法有刚度调整法和柔性调整法两种。
刚性调整法传动刚度较好，结构简单，但调整起来很费时；柔性调整法，一般用弹簧弹力自动消除齿侧间隙，传动刚度较低，传动平稳性差，结构复杂。
改造中，可根据机床加工目标选用。
具体选用可参考有关资料。
2.1.1纵向滚珠丝杠副的选用
滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。
丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。
螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。
为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。
为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。
滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点：
（1）传动效率高一般滚珠丝杠副的传动效率达90％~95％，耗费能量仅为滑动丝杆的13。
（2）运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。
启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。
（3）工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度（HRC58—62）、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。
寿命约为滑动丝杆副的4~10倍以上。
（4）定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。
因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。
（5）同步性好用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。
（6）可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。
（7）不能自锁用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。
（8）制造工艺复杂滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。
2.1.1.1确定系统的脉冲当量
在数控机床中，一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做脉冲当量，通常用表示，也称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，按机床设计的加工精度选定。
本设计所要求的CK5116A的脉冲当量为：
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。
2.1.1.2车削力的计算
在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都要用到切削力。
现我们利用经验公式计算主切削力。
车床的主切削力可用下式计算：
式中——车床床身加工的最大直径单位为mm。
因CK5116A床身加工的最大直径410mm，则：
按以下比例分别求出分力和，
则：
，
2.1.1.3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机构类型：
确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。
结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：
公称直径、导程、滚珠的工作圈数、列数、精度等级等。
本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。
滚珠丝杠副的预紧方法选择双螺母螺纹预紧。
（1）计算进给率牵引力
作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力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形式有关。
的计算公式如下:
纵向进给导轨为三角形，则：
三角形导轨选取参数：
（2）计算最大动负荷
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荷。
计算步骤如下：
丝杠转速其中=
寿命（）
最大动负荷
（3）计算最大静负荷
当滚珠丝杠副在静态或低速（）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。
产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷。
选取静态安全系数=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷故最大静负荷为：
。
（4）选择滚珠丝杠副
见表2-1
5）传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率
表2-1滚珠丝杠副参数
型号
公称直径
基本导程
螺旋升角
丝杠外径
丝杠内径
额定动载荷
丝杠长度
额定静载荷
（6）刚度校核
主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩T共同作用下引起的每导程变形量是否符合丝杠精度要求。
每导程变形量可按以下公式计算
选取
其中：
则：
查表所得，所选用的级丝杠精度允许误差为，满足要求。
（7）稳定性校核
机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆。
若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲，所以选用时必须进行稳定性校核。
如果满足稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数（），则丝杠安全，不会失稳：
式中 （）——许用稳定性安全系数，一般取2.5～4。
——丝杠失稳时的临界负载，由：
式中 ——丝杠长度
——丝杠轴端系数，由支承条件定。
——截面惯性矩，对实心圆
对于水平丝杠要考虑自重影响可取（）4。
将相关数据代入上式中可得
丝杠不会失稳。
2.1.2步进电机的选用
CK5116A型普通车床数控化改造，采用了一种比较简单但是较为典型的改装方案，改造后的车床进给运动由步进电机A和B驱动，它们分别安装在床头箱内（或床身尾部）和拖板后方，通过减速齿轮和纵横向丝杠带动车床的纵横进给运动。
为使改造后的车床能充分发挥数控车床的效能，纵横向丝杠螺母副一般需要调换成滚珠丝杠螺母副。
当利用原丝杠螺母副时，为了减少改造工作量，纵向驱动电机及减速箱一般装在床身尾部，这时连接车床原传动系统（主轴系统）和纵向丝杠传动的离合器尚未拆除，工作时应使处于脱开位置。
同理，脱落蜗杆等原横向自动进给机构若未拆除，工作时也应使其处于空档（空挡）位置。
改造后的进给脉冲当量的量值靠步进电机步距角、减速齿轮比、丝杠导程三者协调确定。
三者之间换算关系可以以下式表示：
（θ360）×（acbd）×T=δ
式中θ——步进电机步聚角（度）；
T——所驱动丝杠导程（mm）;
a,b,c,d——齿轮齿数，当单级减数时，令c、d等于1；
δ——脉冲当量值（mm）。
步进电机的参数根据阻力矩及切屑用量的大小和机床型号来选择，普通车床（如C6140、CK5116A等）的数控改造中多采用0.08——0.15（N·m）静力矩的步进电机，本设计选0.08（N·m）的作为横向进给电机；选0.15（N·m）的作为纵向进给电机。
2.1.2.1脉冲量的选择
初选三相步进电动机的步距角为，当三相六拍（1～2相励磁）运行时，步距角其妹转脉冲数
脉冲当量：
由此可得中间齿轮传动比为
2.1.2.2等效负载转矩计算
1.空载时的摩擦转矩
2.车削加工时的负载转矩
2.1.2.3等效转动惯量的计算
1.滚珠丝杠的转动惯量
2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量
3.大齿轮的转动惯量
选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。
4.小齿轮的转动惯量
换算到电动机轴上的总惯性负载
2.1.2.4步进电动机型号的选择
已知初选步进电机型号为110BF003，步距角三相六拍。
其中最大静扭矩，转子惯量，由此可得：
经验算可知电动机合格。
110BF003步进电机的外观图及矩频特性图如图2.2：
外型图:
图2-2110BF003步进电机的外观图及矩频特性图
2.2横向进给系统的改造设计
1．横向进给系统的设计
经济性数控改造的横向进给系统的设计比较简单，--般是步进电机经减速后
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