说明书正文

山东大学自考毕业设计（本科）

1 引言

用来制造机器零件的设备通称为金属切削机床，简称机床。

机床本身质量的优劣，直接影响所造机器的质量。衡量一台机床的质量是多方面的，但主要是要求工艺性好，系列化、通用化、标准化程度高，结构简单，重量轻，工作可靠，生产率高等。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1/10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。

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2 总体方案设计

对CA6240车床数控改造，首先得拟订总体方案，绘制系统总体框图和机床总联系尺寸图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分机械部分和电器部分进行设计计算。

总体方案的拟订包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、计算机系统的选择、执行机构的结构以及传动方式的选择等内容，最后绘制机床总联系尺寸图。

2.1 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/直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。例如数控钻床，在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。 如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓的零件，所以连续控制系统又称为轮廓控制系统。例如数控铣床、数控车床等均属于此种运动方式。在点位控制系统中不具备连续控制系统中才具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却有点位系统的功能。

还有一些采用点位控制的数控机车，例如数控镗铣床等，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫点位/直线系统。其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统统称为点位控制系统。

由于改造后的CA6140车床应具有定位，直线插补，顺、逆插补，暂停，循环加工和公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。

2.2 伺服系统的选择

伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中设有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传递的。指令发出后不再反馈回来，故称为开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。

闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动，闭环系统造价高，结构和调试复杂，多用于精度要求高的场合。

半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位置，而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台的实际位移量，也有反馈电路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。 考虑到属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。

2.3执行机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件，如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等；2）尽量消除传动间隙，例如采用消隙齿轮等；3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的刚度，减小传动误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠等。

为实现CA6240车床所要求的分辨率，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，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。

2.4计算机系统的选择

微机数控系统由CPU、存储器扩展电路I/O接口电路，伺服电机驱动电路、检测电路等几部分

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组成。微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统的功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算的精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机要进行双字长或三字长的运算就会影响速度。目前一些高档的CNC系统已普遍采用32位机，主机频率由5MHz提高到20~30MHz，有的采用多CPU系统，减轻主CPU的负担，进一步提高控制速度。标准型的CNC系统多使用16位微机，经济型CNC系统普遍采用8位机。可以采用MCS—51系列单片微机或Z—80单板机组成的应用系统。

根据CA6240机床的要求，采用8位机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强和性价比高等特点，因此采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工命令和控制程序通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据和机床状态等信息。

系统总体方案如图所示： Z向 功 率光 步进 放电电机 大隔 器 离 X向 功 步进 率光 电机 放电 大隔 器 离 图2.1 系统总体方案图

3 车床横向、纵向进给系统的设计计算

将一台CA6240车床改造成微机数控车床，采用MCS—51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数选择如下：

加工最大直径：在马鞍内 630mm 在床身上 400mm

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在刀架上 210mm 棒料 46mm 加工最大长度： 900mm 马鞍内有效长度： 210mm 溜板和刀架重力：纵向 800N 横向 600N 刀架快速速度： 纵向 4m/min 横向 2m/min 最大进给速度： 纵向 1m/min 横向 0.5m/min 主传动电动机功率： 7.5Km 起动加速时间： 30ms

机床定位精度： ±0.015mm 此机床进给伺服系统运动和动力计算如下： 3.1选择脉冲当量

根据机床精度要求确定脉冲当量，

纵向：0.01mm/步（半径）横向：0.005mm/步（半径） 3.2计算切削力

3.2.1 纵车外圆

主切削力Fz(N)按经验公式估算： Fz(N)=0.67Dmax(1.5) =0.673630(1.5) =10595

按切削力个分力比例：

Fz：Fx：Fy=1：0.25：0.4 Fx=1059530.25=2648.75 Fy=1059530.4=4238 3.2.2 横切端面

主切削力F’z(N)可取纵切的1/2， F’z(N)=1/2Fz=5297.5

此时走刀抗力为F’y(N),吃刀抗力为F’x(N)。按上述比例初略计算： F’z：F’y：F’x=1：0.25：0.4 F’y=5297.530.25=1324.375 F’x=5297.530.4=2119 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 3.3.1．纵向进给丝杠

（1）计算进给率引力Fm(N) 纵向进给为综合型导轨 Fm=KFx+f’(Fz+G)

=1.1532648.75+0.16(10595+800)=4869

式中 K——考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15； f’——滑动导轨摩擦系数：0.15~0.18； G——溜板及刀架重力：G=800N。 （2）计算最大动负载c

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