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1、郑州大学现代远程教育毕 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_ 2012年9月_姓 名_刘 武 超_学 号_12081287041 专 业_ _机电一体化_ 学 习 中 心 _云南昆明 指 导 教 师_ _ 完成时间_2014_年_10_月_19_日目 录：摘 要 3第一章绪论 4第二章 微机数控系统设计思路 72.1总体方案 72.2设计思路论证 8 2.3总体方案的确定 8第三章 微机数控系统硬件电路设计 93.1微机数控系统硬件电路总体方案设计 9第四章 安装调整中应注意的问题 114.1滚珠丝杠螺母副的选择 114.2滚珠丝杠螺母副的调整 114.3联
2、轴器的安装 114.4主轴脉冲发生器的安装 11第五章 结束语 12致谢 13参考文献 14摘要：为适应信息时代科技技术的飞速发展，数控机床被广泛应用于机械制造业。它本身加工灵活、通用性强的特点，能适应产品的品种和规格频繁变化，不断满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求。在提高生产率、减轻工人劳动强度、降低生产成本和增加效益方面与普通车床相比，数控机床具有很强的优越性。针对现有常规CA6140普遍机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。本论文说明了普通机床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140机械改造部分的设计及数控系统
3、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：单片机数控系统，改装方案，设计要求第一章 绪 论1.1概 述 瞬息万变的信息时代下，企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展，它必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展的总趋势。在我国现有的机床中有一部分仍采用传统的继电器- 接触器控制方式，这些机床触点多、
4、线路复杂，使用多年后故障多、维修量大、维护不便、可靠性差，严重影响了正常的生产。还有一些旧机床虽然还能正常工作，但其精度、效率、自动化程度已不能满足当前生产要求。因此拥有先进的数控机床已经成为满足企业新生产工艺、提高经济效益的最根本需求。1.2 数控机床的发展历程二十世纪四十年代末，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的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，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的三坐标数控铣床，
5、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的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。 1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。 1974年，
6、研制成功使用微处理器和半导体存贮器的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，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。 80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。1.3 我国数控机床的发展我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，
7、研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工 2 平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。进入21世纪，我国机床制造业即面临提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也遭受到进入WTO后激烈的市场竞争的压
8、力，从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。数控机床及由数控机床组成凡人制造系统是改造传统产业，构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直受人们关注，数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术的中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。目前，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，当今数控机床正在朝着以
9、下几个方向发展。 (1)高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，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、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及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、精密发展创造了条件。（2）高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可
10、靠性的高低。（3）数控车床设计CAD化随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代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，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。（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至最少。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
11、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；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有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，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。（5）智能化21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：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连接方
12、面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、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、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。 第二章 微机数控系统设计思路2.1总体方案总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。 （2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采
13、用步进电机开环控制系统。 （3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51系列单片机扩展系统。 （4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 （5）设计自动回转刀架及其控制电路。 （
14、6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。 （7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。 （8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 （9） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。 （10）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。2.2 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
15、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。 （1）数控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、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。 （2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。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。（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
16、，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. I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。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9
17、6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。 2.3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济型数控。CA6140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。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O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。刀架改成由微
18、机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须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：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，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作为数控系统的中央处理机。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、
19、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。 各引脚功能简要介绍如下： 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口除可作为一个8位准双向并行口外，还具有第二功能，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请求信号输入端。 P3.3
20、INT1：外部中断1请求信号输入端。 P3.4 T0：定时器/计数器0外部输入端 P3.5 T1：定时器/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，对第二功能的输出锁存器必须由程序置1。 （1）信号控制线 RST/VPD：RST为复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。 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是地址锁存允许信号。它的作用是把CPU从P0口分时送出的低8位地址锁存在一个外加的锁存器中。 外部
21、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值小于0FFFH时CPU执行内部程序存储器中的程序。当EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器中的程序。 XTAL1：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地； XTAL2：震荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收外围震荡信号；（2）片外三总线结构 单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、I/O口等。单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户I/O口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，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。因此，外部存储器直接寻址范围为64KB。由P0口
22、经地址锁存器提供16位地址总线的低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的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。 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，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。8255A的结构及引脚功能： 1、8255A的结构其中包括三个8位并行数据I/O端口
23、，二个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下：（1） 三个8位并行I/O端口A、B、C A口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个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：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。 C口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个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口选通方式工作时的状态控制信号。（2） 工作方式控制电路 A、B两组控制电路把三个端口分成A、B两组，A组控制A口各位和C口高四位，B组控制B口
24、各位和C口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由CPU写入的控制字，以决定两组端口的工作方式。也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或置“1”。 （3） 读/写控制逻辑电路 它接收来自CPU的地址信号及一些控制信号，控制各个口的工作状态。（4） 数据总线缓冲器 它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现CPU和8255A之间信息的传送。第四章 安装调整中应注意的问题4.1滚珠丝杠螺母副的选择滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适以后再决定被改造设备的 其他相关部
25、分的结构和尺寸。4.2滚珠丝杠螺母副的调整利用螺母的 间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的 预紧力为丝杠副最大负载的1 / 3为宜。在 实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于0.01mm，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙调整装置预紧的判断标准。4.3联轴器的安装传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。4.4主轴脉冲发生器的安装 主轴脉冲发生器的的引出轴按比例1：1无
26、间隙柔性连接传动，连接后应保证两者都有很好的同步性，安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打碰撞，使用中车床主轴转速不能超过脉冲发生器的最高许用转速。第五章 结束语随着微电子技术的发展，我国的机床数控化在近十年来有了很大的发展，而普通机床的数控化改造后在满足完成同样的加工任务的前提下，可大大降低技术改造的投资经费，在实际中得到广泛应用。基于对CA6140普通车床进行经济型数控改造设计过程中，我认为普通机床的数控改造具有很多的优点、必要性及其良好的发展趋势。全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国的一般中小企业购置困难，但是中小型企业为了发展生产，希望对原有机床进行改造，进行数控化、
27、自动化、以提高生产效率。经济型数控机床系统就是结合现实的生产实际，我国的国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。目前我国经济型数控系统发展迅速，研制了几十种简易NC系统，有力地促进了我国数控事业的发展。改造后的车床，可手动、机动操作，操作简单，使用方便，价格低廉，其性能价格比适中；而且还能解决复杂零件的加工精度控制问题，节约大量工装费用，减轻工人的劳动强度，提高工人素质。企业应用经济型数控对设备进行改造后，增强了企业应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件，提高了加工精度和批量生产的能力，提高了设备自身对产品更新换代所需要的应变能力，增强了企业的竞争能力。致 谢本此毕业设计从选题、任务
28、书的制定，到开题报告的完成及后来的总体方案确定，都得到了老师的细心指导，三个多月的时间，在老师的不断督促和帮助下，终于基本完成，在此，向老师以及在这个过程中帮助过我的同学和老师们表示衷心的感谢。三个多月时间的毕业设计，一方面巩固了前面学过的基本专业知识，另一方面也学到了一些以前并没有涉及到或者认识不深的知识，对我以后的工作和学习有很大的启示作用。同时，也感谢学校能给我这样一个学习的机会。最后，再次感谢老师的悉心指导和帮助。参考文献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,20002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,20014顾 京，数控加工编程及操作.北京:高等教育出版社,20025周伟平，机械制造技术.武汉:华中科技大学出版社,20026刘迎春，MCS-51单片机原理及应用教程.北京:清华大学出版社,200515