機械設計制造及其自動化課程設計

1、機械制造及其自動化專業(yè)（本科）課程設計課程設計題目：普通車床C6132數(shù)控化改造學生姓名：學生學號：1分校（教學點）：指導教師姓名：課程設計開始時間：2015年9月課程設計提交日期：2015年10月20日i電大開放教育2011級（春）專業(yè)（本科）課程設計成績評定表分校：_工作站：直屬班級代號:姓名專業(yè)課程名稱設計時間機械制造及自動化傳感器與測試技術2015.9-10設計題目普通車床C6132數(shù)控化改造指導教師評語及念字（蓋章）：評分年月日設計小組評價意見及評分念字（蓋章）年月日分校集中實踐環(huán)節(jié)指導小組意見念字（蓋章）年月日省黃大集中實踐環(huán)節(jié)指導委員會審核意見念字（蓋章）年月日說明：1.答辯小組

2、應填寫評價意見，小組成員均應簽名（蓋章）。答辯小組不應少于3人。2.此表附于封面之后。3.此表由分校、工作站自行復制。目錄1、 緒論12、 設計任務與總體方案確定11、 設計任務12、 總體設計方案確定13、CA614/床數(shù)才5改造23、 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計41、 用戶加工程序存儲器、串口電路的設計42、 鍵盤/顯示子系統(tǒng)的設計43、 I/O接口的設計54、 電動刀架控制接口65、 限位保護控制接口66、 可編程序控制器64、 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計71、 數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控程序的設計72、 步進電機的速度控制和升/降速控制75、 結束語10參考文獻114摘要機械產(chǎn)品的性能和質量不斷提高，對機床不僅要求

3、具有高的精度和生產(chǎn)效率，耐用、靈活、通用，還能迅速適應加工零件的變換。為了節(jié)約資金，充分利用現(xiàn)有設備，普通機床的數(shù)控化改造十分必要,經(jīng)改造后的車床不僅提高了加工精度而且提高了工作效率，為機械加工制造創(chuàng)造了有利的條件。本文將普通機床改造為數(shù)控機床的技術從設計任務與總體方案確定、數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計、數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計三個方面進行了闡述。從設計理念到設計思想，從設計方案到設計圖，從理論數(shù)據(jù)到具體數(shù)據(jù)，從理論到實踐，從硬件設計到軟件設計，都進行了反復的推理論證，在實驗過程來看，基本上達到了設計改造的要求。不僅提高了加工精度，而且操作方便，大大將低了工人的勞動強度。為普通車床在再利用找到了途徑。關鍵詞：

4、車床；數(shù)控化；改造；設計普通車床C6132數(shù)控化改造一、緒論我國工業(yè)化進程加快，社會生產(chǎn)和科學技術迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質量不斷提高，對機床不僅要求具有高的精度和生產(chǎn)效率，耐用、靈活、通用，還能迅速適應加工零件的變換。為此，數(shù)控機床這種靈活而高效的自動化機床應運而生，并隨電子、自動化、計算機和精密測試等技術的發(fā)展在機械制造業(yè)中得到越來越廣泛的應用。近年來，我國實行改革開放，從國外引進了數(shù)控機床技術，并加強數(shù)控技術的開發(fā)、生產(chǎn)及使用，越來越多的企業(yè)希望利用數(shù)控機床生產(chǎn)，更新設備。為了節(jié)約資金，充分利用現(xiàn)有設備，普通機床的數(shù)控化改造十分必要，其必要性主要有下面幾個方面：1、數(shù)控機床價格昂貴，一

5、次性投資巨大，對中小型企業(yè)是心有余而力不足。2、目前各企業(yè)均有大量普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，一是耗資巨大，二是現(xiàn)有機床被替換后閑置造成浪費。因此，普通機床的數(shù)控化改造十分必要，而且大有可為，尤其對一些中小企業(yè)更是如此。二、設計任務與總體方案確定1、設計任務利用微機對縱、橫進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制。本設計任務是對CA6132普通車床進行數(shù)控改造。其橫向最小單位設定量為0.005mm縱向最小單位設定量為0.01mm即橫向脈沖當量為0.005mm便沖，縱向月沖當量為0.01mm便沖。改造后具有外圓端面加工，具有警停、暫停、單步及連續(xù)加工等操作功能，可以實現(xiàn)兩坐標聯(lián)動、自動換刀，且改造后的各

6、項加工精度不低于原機床的加工精度。驅動元件采用直流步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。2、總體設計方案確定CA6132型普通車床適用于各種車削加工工作，如車削內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面及其它旋轉面，車削各種螺紋公制、英制、模數(shù)和徑節(jié)，并能進行鉆孔、鉸孔和切槽等工作。主電動機功率：4KW機床的工作精度：0.01mm精車端面平面度：0.025/400mm表面粗糙度：Ra2.51.25um般數(shù)控車床的基本組成部分如圖一所示。信息指令輸入4圖1數(shù)控車床基本組成框圖根據(jù)以上資料和數(shù)控車床的改造經(jīng)驗，確定總體設計方案為：采用微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速后，帶動滾珠絲桿轉動，從而實

7、現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。VI（或XI）處裝上一個脈沖發(fā)生器，用它發(fā)出脈沖使步進電機準確地配合主軸旋轉產(chǎn)生進給運動實現(xiàn)螺紋加工功能（即主軸轉一轉，車刀移動一個被車工件的螺距）。將刀架換上一具自動轉動刀架，以數(shù)控轉換刀具進行切削加工，實現(xiàn)自動換刀要求。其總體布置見圖紙3、CA614/床數(shù)控改造縱向進給機構的改造。拆除原機床進給箱和溜板箱，利用原機床進箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，兩端仍采用原固定方式。由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，故縱向進給裝置整體剛度增大。橫向進給機構改造。保留原手動機構，用于微進給和機床刀具對零操作，原有的支承結構也保留。步進電機一一齒輪箱體

8、安裝在拖板后方。為便于安裝滾珠絲杠副，絲杠軸不是整體的，而采用分移式，然后用套筒剛性聯(lián)接?？v、橫向進給機構都采用一級齒輪減速，并采用22片齒輪錯齒法消除間隙。雙片齒輪錯齒法這種消除齒側隙的一對嚙合齒輪中，其中一個是寬齒輪，另一具是把兩薄片組成的齒輪，同時采取措施使一個薄片齒輪的齒左側和另一個薄片齒輪的齒右側，分別緊貼在寬齒輪的齒槽左、右兩側，這樣錯齒后就消除了齒側隙，反向時不會出現(xiàn)死區(qū)，采用的措施為可調拉簧式，彈簧所受張力大小可用螺母調節(jié)螺釘?shù)纳斐鲩L度，調整好后再用螺母鎖緊，從而消除間隙。這樣提高了系統(tǒng)的傳動精度，減小了轉角誤差?？v向齒輪箱和溜板箱，脈沖信號發(fā)生器均加外罩，以保持機床美觀，在溜

9、板箱上安裝縱、橫向快速進給按鈕和急停按鈕，以適應機床調整時的操作需要和遇到意外情況時緊急處理的需要。由此計算如表1所示表1:a?(mm)2223334444f(mm)0.20.30.40.20.3r0.40.20.30.40.431Fz(Kgf)112.5152.4189.1168.7228.7283.7161.96219.38272.46286.4由表1數(shù)據(jù)與FZ=152.76kgf對照，得到時切削深度ap=2mm走刀量f=0.3mm。由于在一般外圓車削時：Fx=(0.10.6)FzFr=(0.150.7)Fz因止匕取Fx=0.5Fz=0.5Xl52.76=76.38kgfFy=0.6Fz=

10、0.6X152.76=91.65kgf數(shù)控機床的滾珠絲杠是精密傳動元件，它在軸向力的作用下將產(chǎn)生伸長或縮短，在扭矩的作用下將產(chǎn)生扭轉，這將引起絲杠的導程發(fā)生變化，從而影響其傳動精度及定位精度，因此滾珠絲杠應驗算滿載時的變形量。滾珠絲杠受工作負載FX引起的導程L0的變化量FxL0AL1=±EA式中：L0基本導程，L0=0.6cm由下表可知，E級數(shù)度絲杠允差15pm/m剛度足夠。絲杠精度等級允許誤差(m/m)絲杠精度等級允許誤差(pm/m)C5F30D10G60E15H100由于機床原絲杠直徑為32mm現(xiàn)選用的絲杠直徑也為32mm支承方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問題，不再驗算。對于工作方式

11、為三相六拍的步進電機，所以采用高低壓功放電路，并在程序設計中有速度控制程序，以免啟停時發(fā)生失步現(xiàn)象。仍選用110BF003型直流步進電機，便于設計和采購，同時也采用高低壓功放電路和速度控制子程序，防止丟步。三、數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控車床的核心部件,主要用來接收加工程序的各種信息,完成數(shù)值計算、邏輯判斷、輸入輸出控制等功能。然后,向伺服系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行的命令。一般由計算機、輸入輸出接口及可編程序控制器等組成，其核心是計算機及其軟件。由于單片機具有體積小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、價格低廉等特點，因此，我們選擇單片機對此普通車床進行數(shù)控改造。1、用戶加工程序存儲器、串口電路的設計考

12、慮到數(shù)控系統(tǒng)的運行環(huán)境以及數(shù)控系統(tǒng)對加工程序數(shù)據(jù)掉電保護的要求，系統(tǒng)采用DALLA然司生產(chǎn)的存儲器芯片DS1243Y來存儲用戶加工程序。該芯片內(nèi)含8KbNVRAM內(nèi)置式實時時鐘、嵌入式鋰電池和32768Hz晶振，它具有高可靠上電、掉電及強電磁沖擊等數(shù)據(jù)保護功能，還具有讀/寫速度快、方式簡單、次數(shù)無限的特點，并可為數(shù)控系統(tǒng)的運行提供實時時鐘。該芯片引腳排列與一般的靜態(tài)RAM626先全兼容，可直接替代6264,因此，它與89C58的接口非常方便，具體接口電路如圖紙。數(shù)控系統(tǒng)與上機位（PC機）的串行通信由1片MAX232B片完成。接口電路如圖紙（四），其中89C58的TxDRxD分另與MAX232勺

13、T2IN、R2OUT1連，而MAX232勺T2OUTR2IN接至PC。時鐘、復位電路的設計。系統(tǒng)時鐘由89C58內(nèi)部振蕩電路與外接晶振、電容共同產(chǎn)生，晶振頻率12MHz復位電路主要由IMP813L構成，其RST信號與步進電機限位保護輸出信號進行或邏輯運算后接至89C58的RESETS腳，復位操作可由上電、按復位鍵、限位保護控制電路完成。2、鍵盤/顯示子系統(tǒng)的設計系統(tǒng)采用圖形點陣式液晶顯示器MGLS-240128T由于液晶顯示器具有顯示容量大的特點，因此，系統(tǒng)鍵盤監(jiān)控管理可方便地設計成菜單驅動方式，從而實現(xiàn)編輯模塊的全屏編輯功能。3、I/O接口的設計I/O接口是微處理器與外界聯(lián)系的通路，完成必要

14、的數(shù)據(jù)格式和信號形式的轉換。因此，I/O模塊以可編程并口芯片Intel8255為主體，通過8255實現(xiàn)89C58與電動刀架控制、步進電機控制及光電編碼接口電路的連接。由于環(huán)形分配器的輸出信號只有幾十毫安，而步進電機的繞組電流通常需要數(shù)安培因此，輸出信號需要進行功率放大.步進電動機的繞組是鐵心電感線圈，在每一電壓脈沖期間，步進電動機的工作都是處于過渡過程狀態(tài)，由于電感的影響，電流不能瞬時地跟隨電壓波形變化.頻率越高，滯后就越嚴重，這就使力矩受到影響，造成失步。為了消除步進電機的低頻振蕩，提高它的輸出轉矩和分辨率，步進電機的驅動采用恒頻脈寬細分驅動控制方法。具體電路如圖。5255口PCOPC1PC

15、 2PCSPC4PCS1LP521-4T1刀號反饋刀架正轉 刀架反轉T4限位保護20KHzDQ行程開關X-Z+Z-f 十IT cIm,RIsL邏輯或運算CLK CLR11圖4步進電機、電動刀架及限位保護電路接口圖工作原理：89C58通過定時器TO輸出20KHz的方波，送D觸發(fā)器，作為恒頻信號。同時,輸出的階梯電壓（Ua）的數(shù)字信號到D/A轉換器，作為控制信號，Ua的每一次變化，都使轉子走一細分步。細分驅動使步進電機的實際步距角變得更小，從而大大提高對執(zhí)行機構的控制精度。4、電動刀架控制接口由于改造后的車床為經(jīng)濟型的數(shù)控車床，所以從經(jīng)濟、實用的角度出發(fā)，我們選擇的刀架具有4個工位，在控制電路的作

16、用下依靠其機械部分實現(xiàn)刀具旋轉。電動刀架控制接口電路如圖4。圖中，89C58經(jīng)過8255的PC口、光電FB離器件TLP521-4發(fā)出刀架電機正、反轉信號J1、J2,通過繼電器KA1、KA2控制電動刀架的動作切換。在刀架的旋轉過程中，每個工件上的霍爾元件會依次切換為有效狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)刀號反饋信號T1、T2、T3、T4狀態(tài)的變化，推斷出目前的刀號，并判斷是否為當前所選用刀具，一旦符合，則刀架電機反向旋轉，鎖緊刀具。5、限位保護控制接口步進電機的運動由4個行程限位開關實現(xiàn)保護。4個限位開關為常開狀態(tài)，正常時輸入信號X+、X-、Z+、Z-為低電平，它們通過邏輯或運算后輸出XW的低電平信號，冉經(jīng)光電隔離

17、后與IMP813的RST信號相或,送到89C58的RESETS腳。當4個限位開關中有1個被壓下，則XW的高電平，從而產(chǎn)生有效的RESETW號，迫使系統(tǒng)熱啟動，步進電機停運，起到保護作用。6、可編程序控制器可編程序控制器在數(shù)控機床中主要完成各執(zhí)行機構的邏輯順序（M、S、T功能）控制，如刀具的更換、主軸的起停與變速、工件的裝夾、冷卻泵的開關等。采用可編程序控制器可提高計算機數(shù)控裝置的靈活性、可靠性和利用率，并使結構緊湊。為此，采用歐姆龍C系列的可編程序控制器，用于主軸電機起停與變速、冷卻泵的開關等。C6132普通車床由主軸電動機、潤滑泵電動機和冷卻泵電動機三臺交流異步電動機拖動。三臺電動機均由38

18、0V三相交流電源供電，控制線路采用380V交流電，照明燈的電壓為24V,信號燈白電壓為6V。由此可確定輸入輸出元件如下表所示：輸入元件功能輸出元件功能SB1停止按鈕KM1潤滑泵控制接觸器SB2主軸正轉按鈕KM2主軸電動機正轉接觸器SB3主軸反轉按鈕KM3主軸電動機反轉接觸器SB4潤滑泵啟動按鈕EL照明燈FR熱繼電器觸點HL信號燈SA照明開關根據(jù)C6132普通車床電氣控制所需輸入輸出元件數(shù)選擇C20P的可編程序控制器。四、數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計1、數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控程序的設計監(jiān)控程序是實現(xiàn)計算機數(shù)控裝置協(xié)調工作的主體軟件。本數(shù)控系統(tǒng)的監(jiān)控程序采用模塊化設計，全程菜單驅動，具有容錯性強、使用方便的特點。共由

19、5大模塊組成：手動模塊。該模塊主要實現(xiàn)工作臺在x、z兩軸上正、反2個方向的點動、聯(lián)動操作，以及手動控制換刀等，用于方便對刀、工作原點設置等。自動模塊。該模塊主要實現(xiàn)加工程序的處理（包括程序語法檢查、程序編譯、數(shù)據(jù)處理等）、插補運算、步進電機的控制及自動換刀等。參數(shù)設置模塊。該模塊主要用于實現(xiàn)刀具補償參數(shù)設置、間隙補償參數(shù)設置等自動加工參數(shù)的設置。編輯模塊。該模塊主要實現(xiàn)零件加工程序的鍵盤編輯、輸入，具有類似于EDIT編輯器全屏編輯功能，是整個系統(tǒng)軟件的重要模塊。通信模塊。該模塊主要實現(xiàn)與上位機或其它智能設備的串行通信，可用于加工程序的傳送等。2、步進電機的速度控制和升/降速控制步進電機的調速控

20、制步進電機的速度控制通過微控制器89C58發(fā)出的步進脈沖頻率來實現(xiàn)。由于環(huán)形脈沖分配器采用8713,因此，步進電機的調速通過定時器中斷的方法來實現(xiàn)步進步進電機的升/降速控制該程序可使進給指令脈沖平滑地講入球型分配器：湍年失步c升/降諫梓制原包電機啟動或速度突變時，電機從突變速度Vo開始加速，當速度達到規(guī)定的最高速度Vmax時，開始勻速運動，的達到吊ma*點時,才速鹿應送變?yōu)閂。6這樣電機就能達到預定目標。開始系統(tǒng)知始化里時送數(shù)步選計數(shù)牌”急件處理勻速送數(shù)步數(shù)計數(shù)骷7步數(shù)計數(shù)器1END圖6步進電機升/降速控制程序流程圖軟件實現(xiàn)方法：設AS為每個頻段上所定的步數(shù)，S為已走步數(shù)，f為該段速度頻率，fmax為步進電機的最高工作頻率，則步進電機的升/降速控制程序流程圖如圖6。電氣控制梯形圖根據(jù)C6132普通車床的控制要求，結合PLC控制特點，設計下列電氣控制梯