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1、毕业设计摘 要随着科学技术的飞速发展，数字控制（CNC）机床已成为当前机械制造业进行技术改造，技术革新的必有之路，是未来工厂自动化的基础。因此，此次对普通床进给系统的数控化改造设计更显得重要。目前中国大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是普通机床，机床数控化率远低于美国、日本等国家。如果大量添置全新的数控机床，不仅资金投入量大、成本高，而且又会造成原有设备的闲置浪费。把普通机床改造成数控机床则不失为一条提高数控化率的有效途径。第一部分是数控机床的概述，第二部分是进给系统的总体设计方案，第三部分是伺服进给机械部分设计计算，第四部分是控制部分的单片机原理设计。基于步进电机的机械改装减少了人
2、的工作量，把手动转变成为电动。本次改造用了两个步进电机，分别控制机床的两个方向（纵向和横向）的进给，通过带轮带动滚珠丝杠的轴向运动。基于单片机控制的电子部分设计提高了工作效率和测量的准确度、可信度。该仪器采用了8031单片机。关键词车床 数控 丝杠 步进电机 单片机AbstractAs the development of technology, the numerical control machine has becomes the trend of the reformation in the manufacturing industry and the foundation of fa
3、ctories in the future. Therefore, the project of automat the machine is important to the prospective study and work.At present the Chinese majority manufacture professions and enterprises production, the process unit overwhelming majority is the ordinary engine bed, the engine bed numerical control
4、rate is lower than countries far and so on US, Japan. If acquires the brand-new numerically-controlled machine tool massively, not only the fund inputs are big, cost, will create the original equipments idle waste. Transforms the numerically-controlled machine tool the ordinary engine bed is enhance
5、s the numerical control rate efficient path.Introduction will be presented in Section 1. The overall designing scheme will be proposed in Section 2 .The calculating and data of mechanical part is in Section 3 and Section 4 is the part of control including the principle of SCM.The reformation to mach
6、ine based the stepping motor decreases the workload by turning the hand operation to electric control. Two motors controlling two directions respectively move the ball screws by strap wheels.The design in electrical part based the SCM improves the product efficiency and the accuracy and stability in
7、 the aspect of measuring by using the 8031 SCM.Key words: Lathe computer numerical control ball screw stepping motor SCM目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 绪 论51.1 数控机床的发展过程51.2 数控机床的组成5第2章 数控化改造总体技术方案的确定82.1 设计任务82.2 总体方案设计的内容82.2.1伺服驱动82.2.2 总体方案框图9第3章 伺服系统机械部分设计计算103.1 设计要求103.2 确定系统脉冲当量103.3 计算切削力103.4 滚珠丝杠螺母副的
8、计算和选择123.4.1纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型123.4.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型163.5 进给伺服系统传动计算203.5.1 纵向进给伺服系统传动计算203.5.2 横向进给伺服系统传动计算233.6 步进电机的计算和选型253.6.1 纵向步进电机的计算和选型253.6.2 横向步进电机的计算和选型293.7 自动转位刀架333.7.1 数控车床刀架的基本要求333.7.2 工作原理343.7.3 刀架的安装35第4章 控制系统硬件原理及其控制程序编制364.1 主控制器364.1.1主控制器及其选择364.1.2 MCS-51系列单片机介绍364.2 地址分配及接线方
9、法384.2.1 地址的分配384.2.2 8031的连接方式384.3 接口电路的设计394.4 控制系统程序编译404.4.1数控的插补方法404.4.2 直线插补工作原理404.4.3 圆弧插补工作原理414.5 自动换刀程序设计43参考文献46致 谢47第1章 绪 论1.1 数控机床的发展过程1946年诞生了世界上第一台电子计算机。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。第一阶段：数控（NC）阶段（19521970年）。早期采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作
10、为数控系统，被称作硬件连接数控（HARAWIREDNC）,简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代电子管时代；1959年的第二代晶体管时代；1965年的第三代小规模集成电路时代。第二阶段：计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）。到1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段。到1971年，美国INTEL公司第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR）,又可成为中央处理单元（简称CPU）。到1974年，微处理器被应用于数控系统
11、。到了1990年，PC的性能已发展到较高的水平，从8位、16位，发展到32位，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控的发展也经历了三代。即1970年的第四代小型计算机；1974年的第五代微处理器；1990年的第六代基于PC。必须指出，数控系统发展到第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格较为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近三十年的发展才走向普及应用1。 1.2 数控机床的组成 如图1-1所示， 数控机床由以下几个部分组成。图1-1数控机床的组成部分21. 程序编制及程序载体数控加工程序是数控系统自动加
12、工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对位置的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序；主运动的起、停、换向、变速；进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作。然后应用标准的由文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法和格式，将零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，编制成零件加工的数控程序单。编好的数控程序存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁盘、闪存卡等。闪存卡由于存储容量大、数据交流迅速和记录可靠，在开放式数控系统的新型数控机床上开始使用。2. 输入装置输入装
13、置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。根据程序存储介质的不同，输入装置可以是录音机或软盘驱动器。有些数控机床，不用任何程序存储载体，而是将数控程序单的内容通过数控装置的键盘，用手工方式（MDI）输入，或者将数控程序计算机以网络通信方式传送到数控装置。3. 数控装置数控装置是数控机床的核心，它接收输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是：经插补运算决定的各坐标轴（即做进给运动的执行部件）的进给速度、进给方向和位移量指令，送伺服
14、驱动系统驱动执行部件做进给运动。其他还有主运动部件的变速、换向和起停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指令信号等。4. 辅助控制装置辅助控制装置也称为强电控制装置，是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统，其主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。此外，还有开关经它送数控装置进行处理。5.伺服驱动系统及位置检测装置伺服驱动系统又由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件
15、和机械传动部件组成数控车床的进给系统。每个做进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统又开环、半闭环和闭环之分。位置检测装置检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。6.机床的机械部件数控机床的机械部件包括主运动部件，进给运动执行部件(如工作台)，拖板及其传动部件和床身立柱等支撑部件，此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。第2章 数控化改造总体技术方案的确定
16、2.1 设计任务（1）将CA6163车床改造成微机数控车床，采用单片机控制系统，步进电机开环控制。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。刀架要改造成自动控制的自动转位刀架。（2）进给伺服系统设计计算机械部分的计算，包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选型；设计并绘制总装配图。（3）单片机控制系统设计设计并绘制控制系统图，编写直线插补程序及圆弧插补程序。2.2 总体方案设计的内容（1）系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床具有直线插补程序及圆弧插补等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了
17、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系列单片机具有集成高，可靠性好、功能强、抗干扰能力强等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。（3）机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速在传丝杠。为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。2.2.1伺服驱动CA6163车床的改进要求周期短，而且不需要太高的精度，综合考虑经济及功用等因素，决定选用步进电机开环伺服驱动。 微机光电阻隔微机刀架光阻编码器光电阻隔功率放大功率放大光电阻隔功率放大变频调速电 机步进电机 机步进电机电 机
18、主 轴纵向工作台横向工作台2.2.2 总体方案框图。第3章 伺服系统机械部分设计计算3.1 设计要求将CA6163车床改造成微机数控车床，采用单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能。CA6163机床主要参数如下：最大回转直径 630mm电机功率 7.5KW 640mm快进速度 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min定位精度 0.015mm移动部件重量 纵向 1200N 横向 800N加速时间 30ms机床效率 0.73.2 确定系统脉冲当量脉冲增量是行程标量插补，每次插补结束产生一个行程增量，以脉冲的方式输出。这种插补算法主要应用在开环数控系统中，在插补计算过程中不断
19、向各坐标轴发出互相协调的进给脉冲，驱动电机运动。一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲当量。它的值取得越小，加工精度越高。经济型数控车床常用脉冲当量是0.010.005mm/脉冲，这里取纵向进给0.01mm/脉冲；横向进给0.005 mm/脉冲。3.3 计算切削力（1）纵切外圆主切削力FZ（N）通过主电机功率来确定。 （3-1）式中：P为机床主传动功率（KW）为主传动系统的机械效率，通过查取=0.75 所以： （3-2）而切削力： （3-3）式中 V表示车床车削的线速度，单位为m/s； 表示主轴的运动功率，单位为KW； 表示切削力,单位为N；在此取V=100m/min=1.67m/s。所以： （
20、3-4）按切削力各分力比例： （3-5） （3-6） （3-7）（2）横切端面主切削力： （3-8）此时走刀抗力为仍按上比例计算： （3-9） （3-10） （3-11）3.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选择3.4.1纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 3.4.1.1 轴向力及转速计算作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时走刀抗力以及移动部件重量和切削力作用在导轨上的摩擦力。车床丝杠上总的轴向力可以表示为： （3-12）式中： G表示移动部件所受的重量，本机床为1200N； f为导轨上的摩擦系数，车床为0.17； K为考虑倾覆力矩影响的实验系数，常情况下取1.15。将有关数据代入上式得： （3-1
21、3）滚珠丝杠的转速为： （3-14）其中表示为最大切削力条件下进给速度（m/min）通常取最高进给速度的1/21/3，即： （3-15）在此取。为滚珠丝杠的导程，为6mm。所以 （3-16）3.4.1.2 动载荷的计算选用滚珠丝杠的直径d必须保证在一定轴向负载作用下丝杠在回转100万次后，它的轨道上不产生电蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠所能承受的最大动负载。由以下公式计算： （3-17）上式中L为滚珠丝杠的使用寿命（次），以为单位。 （3-18）其中T表示使用寿命，单位为（h），对于数控车床来说通常取T=15000h。为运转系数，取1.3 。由以上数据得： （3-19）查书3，取C
22、DM5005-5型号的滚珠丝杠。公称直径为50mm，额定动载荷为31671N18774N，合适。3.4.1.3 丝杠传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率可以由以下公式计算得 （3-20）式中：表示丝杠螺母螺旋升角； 表示摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数为0.0030.004，滚珠丝杠摩擦角约为。丝杠的螺旋升角可以由一下式算得： （3-21）其中： 为丝杠的公称直径； 为丝杠的导程。所以 （3-22） （3-23）3.4.1.4 刚度校核滚珠丝杠副的变形会影响进给系统的定位精度以及运动的平稳性，因此必须考虑轴向变形。丝杠受力拉伸或者被压缩的变形量为主要轴向变形量，可以由以下公式计算得到： （3
23、-24）式中 为滚珠丝杠的导程； 为每个导程内的变形量，由以下公式计算得： (3-25) 其中E为材料的弹性模量， A为滚珠丝杠的截面积(按底径确定)，该丝杠的底径为， 所以 。 （3-26） 为丝杠支撑轴承之间距离，查书6： =1.1行程+（1014）导程 其中：纵向最大行程为200mm，导程为6mm。 取整数300mm。所以由公式（3-24）得 此外还有滚珠与螺纹道之间的接触变形，支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形，通常用丝杠的拉压变形的3倍来取代总的变形量。 刚度变形。满足刚度要求。3.4.1.5 稳定性校核（1）计算临街负荷： （3-27）式中：E材料的弹性模量； I为滚珠丝杠的截面的惯
24、性矩， L为丝杠的长度，为2000mm； 为压杆长度因数，取。所以 满足稳定性校核。3.4.1.6 预紧力的计算预紧可以提高刚性和寿命，预紧力可以由以下公式计算。 （3-28）式中： 为预紧载荷，约为 为导程 为车床纵向传动效率，取0.85 。 3.4.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.4.2.1 轴向力及转速计算作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时走刀抗力以及移动部件重量和切削力作用在导轨上的摩擦力4。车床丝杠上总的轴向力可以表示为： （3-29）式中： G表示移动部件所受的重量，本机床为800N； f为导轨上的摩擦系数，车床为0.17； K为考虑倾覆力矩影响的实验系数，常情况下取
25、1.15。将有关数据代入上式得： （3-30）滚珠丝杠的转速为： （3-31）其中表示为最大切削力条件下进给速度（m/min）通常取最高进给速度的1/21/3，即： （3-32）在此取。为滚珠丝杠的导程，为6mm。所以 （3-33）3.4.2.2 动载荷的计算选用滚珠丝杠的直径d必须保证在一定轴向负载作用下丝杠在回转100万次后，它的轨道上不产生电蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠所能承受的最大动负载。由以下公式计算： （3-34）上式中L为滚珠丝杠的使用寿命（次），以为单位。 （3-35）其中T表示使用寿命，单位为（h），对于数控车床来说通常取T=15000h。为运转系数，取1.3
26、。由以上数据得： （3-36）查书5，取CDM2505-3型号的滚珠丝杠。公称直径为25mm，额定动载荷为14718N8514.79N，合适。3.4.2.3 丝杠传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率可以由以下公式计算得 （3-37）式中：表示丝杠螺母螺旋升角；表示摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数为0.0030.004，滚珠丝杠摩擦角约为。丝杠的螺旋升角可以由一下式算得： （3-38）其中： 为丝杠的公称直径； 为丝杠的导程。所以 （3-39） （3-40）3.4.2.4 刚度校核滚珠丝杠副的变形会影响进给系统的定位精度以及运动的平稳性，因此必须考虑轴向变形。丝杠受力拉伸或者被压缩的变形量为主
27、要轴向变形量，可以由以下公式计算得到： （3-41）式中 为滚珠丝杠的导程； 为每个导程内的变形量，由以下公式计算得： （3-42） 其中E为材料的弹性模量， A为滚珠丝杠的截面积(按底径确定)，该丝杠的底径为， 所以 。 （3-43） 为丝杠支撑轴承之间距离，查书6： =1.1行程+（1014）导程 其中：纵向最大行程为300mm，导程为6mm。 取整数400mm。所以由公式（3-41）得 此外还有滚珠与螺纹道之间的接触变形，支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形，通常用丝杠的拉压变形的3倍来取代总的变形量。 刚度变形，不满足刚度要求，必须改进。改进方法为对丝杠进行预紧，如果对丝杠进行预拉伸，刚度
28、可以提高四倍，刚度变形降低到原来的1/4。 改进后满足刚度要求。3.4.2.5 稳定性校核（1）计算临街负荷： （3-44）式中：E材料的弹性模量； I为滚珠丝杠的截面的惯性矩， L为丝杠的长度，为390mm； 为压杆长度因数，取。所以 满足稳定性校核。3.4.2.6 预紧力的计算预紧可以提高刚性和寿命，预紧力可以由以下公式计算。 （3-45）式中： 为预紧载荷，约为 为导程 为车床横向传动效率，取0.85 。 3.5 进给伺服系统传动计算3.5.1 纵向进给伺服系统传动计算 3.5.1.1 进给系统的传动比当机床的脉冲当量和滚珠丝杠的导程确定后，可以先初选步进电动机的步距角，在此初选电动机的
29、步距角为，用下列公式计算伺服系统的降速比： （3-46）式中： 步进电动机的步距角； 为脉冲当量，为0.01mm； 为滚珠丝杠的导程，为6mm。所以 3.5.1.2 同步带论的设计计算纵向进给系统的功率： （3-47）其中 设计功率： （3-48）查手册取1.6， 丝杠的转速： （3-49）小带轮的转速： （3-50）根据和选用L型周节制同步带，节距根据小带轮转速确定最小齿数 小带轮齿数取 小带轮节圆直径 同步带的带速 L型同步带最大速度 ，合适。大带轮齿数 大带轮节圆直径 初定轴间距 ： （3-51） 取轴间距 确定带长 及其齿数 （3-52）查手册选取 ，齿数 。实际轴间距 （3-53）
30、计算基本额定功率 : （3-54）式中: 宽度为的带的许用工作拉力，查书7得244.46N m宽度为的带单位长度的质量，查书7得0.095kg/m所以 计算带宽： （3-55） 式中： 选定型号的基准宽度25.4mm 小带轮啮合齿数系数，取所以 ，查书7取。作用在轴上的力 。查书8得 初步张紧力 带轮的宽度为 齿槽深度 小带轮的外径 大带轮的外径 3.5.2 横向进给伺服系统传动计算 3.5.2.1 进给系统的传动比当机床的脉冲当量和滚珠丝杠的导程确定后，可以先初选步进电动机的步距角，在此初选电动机的步距角为，用下列公式计算伺服系统的降速比： （3-56） 式中： 步进电动机的步距角； 为脉冲
31、当量，为0.005mm； 为滚珠丝杠的导程，为6mm。所以 3.5.2.2同步带论的设计计算纵向进给系统的功率： （3-57）其中 设计功率： （3-58）查手册取1.6， 丝杠的转速： （3-59）小带轮的转速： （3-60）根据和选用XL型带，节距根据小带轮转速确定最小齿数 小带轮齿数取 小带轮节圆直径 同步带的带速 XL型同步带最大速度 ，合适。大带轮齿数 大带轮节圆直径 初定轴间距 ： （3-61） 取轴间距 确定带长 及其齿数 （3-62）查手册选取 ，齿数 。实际轴间距 （3-63） 计算基本额定功率 : （3-64）式中: 宽度为的带的许用工作拉力，查手册得50.17N m宽度为
32、的带单位长度的质量，查手册得0.022kg/m所以 计算带宽： （3-65） 式中： 选定型号的基准宽度9.5mm 小带轮啮合齿数系数，取所以 ，查手册取。作用在轴上的力 。查手册得 初步张紧力 带轮的宽度为 齿槽深度 小带轮的外径 大带轮的外径 3.6 步进电机的计算和选型通过计算步进电动机的力矩来选取步进电动机，先计算各部分的转动惯量，再折合到电动机轴上，从而得到力矩。3.6.1 纵向步进电机的计算和选型3.6.1.1 转动惯量的计算 （3-66）式中： M圆柱体的质量(kg) D圆柱体的直径(cm) L圆柱体的长度(cm) 对于圆柱体钢材，已知钢的密度 ，（3-64）可以改写成： （3-
33、67）说明： 对于带轮， ，L取带轮的宽度；对于丝杠， L取丝杠的长度。1) 小同步带轮的转动惯量： 2) 大同步带轮的转动惯量： 3) 丝杠的转动惯量： 丝杠传动折算到电动机轴上的总的转动惯量 （3-68） 3.6.1.2 力矩的计算在不同的情况下电动机的力矩不同，下面我们分情况进行计算。快速启动时 （3-69）式中： 启动力矩； 加速时由于产生加速度而引起的力矩； 由摩擦力产生的力矩； 预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 （3-70） 电机最大角加速度，为换算过的电机轴上的总转动惯量。所以 （3-71） 为导轨的摩擦力， 空载启动时：进行切削时： 运动部件总重量约为1200N； 导轨的摩
34、擦系数，约为0.17； 机床纵向传动链的总效率，取0.8 。空载启动时： 切削加工时： 附加摩擦力矩 ： 附加摩擦力矩的大小等于预紧力矩 综合以上几式，得：1) 快速启动总力矩： 2) 快速进给总力矩： 3) 最大负载切削时的力矩： 表示折算到电动机上的切削负载力矩 所以： 通过比较以上三种情况，得出车床在快速启动时所需力矩最大，选取步进电动机时需要以快速启动时所需力矩为计算依据。3.6.1.3 步进电动机的最高频率计算 （3-72） 式中：纵向进给机构快进时最高速度，为2400mm/min ； 纵向进给机构的脉冲当量，为0.01mm 。 综上，我们选择160BF5B-1.5/0.75型步进电动机。表3-1 160BF5B-1.5/0.75型步进电动机参数最大静力矩2000N*cm运行频率8000Hz相数5电压80/1280/12电流13A3.6.2 横向步进电机的计算和选型3.6.2.1 转动惯量的计算 （3-73）对于圆柱体钢材，已知钢的密度 ，（3-71）可以改写成：