数控凸轮轴磨床进给系统设计(附件)【字数：8460】
摘 要本次设计是对凸轮轴磨床进给系统的数控化改造，保留原机床的主轴传动系统、摇架等原有结构，只拆除砂轮架，采用合适的步进电机驱动，经过齿轮降速带动滚珠丝杠，带动丝杠螺母运动，使砂轮架随着丝杠螺母横向移动。为了消除间隙并且增加刚性，采用具有消隙或预紧措施的部件，所以选择单螺母变导程预紧的滚珠丝杠，应用双片直齿轮错齿调整法的齿轮来消除间隙与侧隙。数控部分用8031单片机控制步进电机运动。
目 录
第一章 课题概述 1
1.1 课题的提出 1
1.2 国内机床产业概括 1
第二章 总体方案的设计与论证 2
2.1 控制系统方案 2
2.2 机械部分 2
2.3 电气部分 3
第三章 机械部分的设计计算 4
3.1 切削力的计算 4
3.2 滚珠丝杠的设计计算 5
3.2.1 强度计算 5
3.2.2 滚柱丝杠副的型号选择 7
3.2.3 丝杠螺纹的长度计算 7
3.2.4 滚珠丝杠副的校核 7
3.3 齿轮及转矩的计算 9
3.3.1 传动比的计算 9
3.3.2 齿轮参数的确定 10
3.4 步进电机的选择 11
3.4.1 步进电机的最高工作频率 11
3.4.2 负载惯量的计算 11
3.4.3 负载转矩的计算 12
第四章 电气部分设计 14
4.1 数控原理和硬件电路组成 14
4.1.1 数控系统原理 14
4.1.2 硬件电路组成 14
4.2 单片机简介 15
4.2.1 8031单片机的特征 15
4.2.2 内部结构及引脚功能介绍 15
4.3 8031扩展电路设计 16
4.3.1 程序存储器扩展 16
4.3.2 数据存储器扩展 17
4.3.3地址锁存器 17
4.3.4 I/O扩展电路 18
4.3.5 联线方式 18
4.3.6 键盘和显示 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
器接口电路 19
4.4 步进电机驱动电路设计 19
4.4.1 脉冲分配器 19
4.4.2 光电隔离电路 20
4.4.3 功率放大电路 20
4.5 其他辅助电路 21
4.5.1 8031时钟电路 21
4.5.2 复位电路 21
4.5.3越程报警电路 22
4.6数控系统软件设计 22
结束语 24
致 谢 25
参考文献 26
第一章 课题概述
1.1 课题的提出
对机床进行数控化改造是为了让传统机床具有一定的自动化能力，通过加装控制装置，让机床实现部分自动化。在改造过程中，可以根据工厂实际生产的要求，需要实现的目标，结合现有的技术和经验，以达到适应生产为目的，对普通机床的部分结构进行改造，使之能够达到数控机床的水平。
制造业是国家强大的重要力量，是推动国家进步的中坚力量，而数控机床就是机械制造的基础工具。我国的制造业总体水平与发达国家的差距很大，机床的数控化普及程度不高，只有提高了数控化率，才可以进一步提高我国工业产品的质量，降低制造成本，使我国工业产品在国际市场上更具有竞争力。为了达成这一目标，有两种可行的方法，一种是大量购置新的数控机床，另一种是对旧机床进行数控化改造。如果全部依靠购置新数控机床来代替旧机床，需要耗费大量的资金，并不实用。而采用现有技术对旧机床进行数控化改造，不仅可以让资金不充足的小型企业实现现代化生产，而且对资金充沛的大型企业也有着极强的吸引力。
最近几年，许多国家在研究如何开发出更先进的数控机床的同时，也开始认可普通机床的技术改造。今天，机床改造产业已经开始快速发展，并逐渐脱离机床制造业，为数控机床改造和生产线改造提供了更多的途径。
1.2 国内机床产业概况
机床产业的快速增长表明我国机床产业结构改进和技术方面已经取得了巨大的成就。但随着数控机床的普及，整个行业要求产品的生产效率必须趋于高水平，产品精度的要求也有所提升，所以数控化改造有实施的必要性。近几年，我国的数控机床数目不断增长，但据资料显示我国仍超过四百多万台普通机床，其中有一部分机床的使用年龄过长，已经没有改造的价值，剩余的大部分机床是可以进行数控化改造的。对于这些机床，如果全部更新换代需要花费大量资金，是无法实现的。因此，对我国现有的部分普通机床实施数控改造来实现普遍的自动化的精密加工，满足我国现阶段的生产需求是一个好的办法。此外，将数量巨大的普通机床改造成数控机床，也会带动机床产业，形成一个巨大的市场。
第二章 总体方案的设计与论证
2.1 控制系统方案
选择合适的控制方案来增加外圆磨削的加工精度：
开环控制系统控制。
闭环控制系统控制。
半闭环控制系统控制。
三种方案的对比：
开环控制系统不存在反馈环节，由控制设备发出指令脉冲到步进电机，步进电机再根据脉冲数旋转相应的角度。这种发放会使加工得到的产品精度不高，因为整个过程中不存在反馈环节。这种系统的定位误差一般在±0.02mm,脉冲当量为0.01mm，最高进给速度一般不超过6m/min。预计达不到设计要求的±0.002mm的精度要求，不予考虑。
半闭环控制系统没有直接检测工作台的位移量，而是通过角位移检测装置来检测滚柱丝杠的转角，间接的检测工作台的位移量，再反馈到控制装置中的比较器当中，用比较后的差值进行控制修正，直到差值消除，但测量补偿精度比闭环系统差。
闭环伺服系统能够根据检测装置的反馈信号对电机的速度和位置进行修正和补偿，通过反馈控制能大幅提高系统的精确度，缩短响应时间，适合用于精度要求高的场合。
目 录
第一章 课题概述 1
1.1 课题的提出 1
1.2 国内机床产业概括 1
第二章 总体方案的设计与论证 2
2.1 控制系统方案 2
2.2 机械部分 2
2.3 电气部分 3
第三章 机械部分的设计计算 4
3.1 切削力的计算 4
3.2 滚珠丝杠的设计计算 5
3.2.1 强度计算 5
3.2.2 滚柱丝杠副的型号选择 7
3.2.3 丝杠螺纹的长度计算 7
3.2.4 滚珠丝杠副的校核 7
3.3 齿轮及转矩的计算 9
3.3.1 传动比的计算 9
3.3.2 齿轮参数的确定 10
3.4 步进电机的选择 11
3.4.1 步进电机的最高工作频率 11
3.4.2 负载惯量的计算 11
3.4.3 负载转矩的计算 12
第四章 电气部分设计 14
4.1 数控原理和硬件电路组成 14
4.1.1 数控系统原理 14
4.1.2 硬件电路组成 14
4.2 单片机简介 15
4.2.1 8031单片机的特征 15
4.2.2 内部结构及引脚功能介绍 15
4.3 8031扩展电路设计 16
4.3.1 程序存储器扩展 16
4.3.2 数据存储器扩展 17
4.3.3地址锁存器 17
4.3.4 I/O扩展电路 18
4.3.5 联线方式 18
4.3.6 键盘和显示 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
器接口电路 19
4.4 步进电机驱动电路设计 19
4.4.1 脉冲分配器 19
4.4.2 光电隔离电路 20
4.4.3 功率放大电路 20
4.5 其他辅助电路 21
4.5.1 8031时钟电路 21
4.5.2 复位电路 21
4.5.3越程报警电路 22
4.6数控系统软件设计 22
结束语 24
致 谢 25
参考文献 26
第一章 课题概述
1.1 课题的提出
对机床进行数控化改造是为了让传统机床具有一定的自动化能力，通过加装控制装置，让机床实现部分自动化。在改造过程中，可以根据工厂实际生产的要求，需要实现的目标，结合现有的技术和经验，以达到适应生产为目的，对普通机床的部分结构进行改造，使之能够达到数控机床的水平。
制造业是国家强大的重要力量，是推动国家进步的中坚力量，而数控机床就是机械制造的基础工具。我国的制造业总体水平与发达国家的差距很大，机床的数控化普及程度不高，只有提高了数控化率，才可以进一步提高我国工业产品的质量，降低制造成本，使我国工业产品在国际市场上更具有竞争力。为了达成这一目标，有两种可行的方法，一种是大量购置新的数控机床，另一种是对旧机床进行数控化改造。如果全部依靠购置新数控机床来代替旧机床，需要耗费大量的资金，并不实用。而采用现有技术对旧机床进行数控化改造，不仅可以让资金不充足的小型企业实现现代化生产，而且对资金充沛的大型企业也有着极强的吸引力。
最近几年，许多国家在研究如何开发出更先进的数控机床的同时，也开始认可普通机床的技术改造。今天，机床改造产业已经开始快速发展，并逐渐脱离机床制造业，为数控机床改造和生产线改造提供了更多的途径。
1.2 国内机床产业概况
机床产业的快速增长表明我国机床产业结构改进和技术方面已经取得了巨大的成就。但随着数控机床的普及，整个行业要求产品的生产效率必须趋于高水平，产品精度的要求也有所提升，所以数控化改造有实施的必要性。近几年，我国的数控机床数目不断增长，但据资料显示我国仍超过四百多万台普通机床，其中有一部分机床的使用年龄过长，已经没有改造的价值，剩余的大部分机床是可以进行数控化改造的。对于这些机床，如果全部更新换代需要花费大量资金，是无法实现的。因此，对我国现有的部分普通机床实施数控改造来实现普遍的自动化的精密加工，满足我国现阶段的生产需求是一个好的办法。此外，将数量巨大的普通机床改造成数控机床，也会带动机床产业，形成一个巨大的市场。
第二章 总体方案的设计与论证
2.1 控制系统方案
选择合适的控制方案来增加外圆磨削的加工精度：
开环控制系统控制。
闭环控制系统控制。
半闭环控制系统控制。
三种方案的对比：
开环控制系统不存在反馈环节，由控制设备发出指令脉冲到步进电机，步进电机再根据脉冲数旋转相应的角度。这种发放会使加工得到的产品精度不高，因为整个过程中不存在反馈环节。这种系统的定位误差一般在±0.02mm,脉冲当量为0.01mm，最高进给速度一般不超过6m/min。预计达不到设计要求的±0.002mm的精度要求，不予考虑。
半闭环控制系统没有直接检测工作台的位移量，而是通过角位移检测装置来检测滚柱丝杠的转角，间接的检测工作台的位移量，再反馈到控制装置中的比较器当中，用比较后的差值进行控制修正，直到差值消除，但测量补偿精度比闭环系统差。
闭环伺服系统能够根据检测装置的反馈信号对电机的速度和位置进行修正和补偿，通过反馈控制能大幅提高系统的精确度，缩短响应时间，适合用于精度要求高的场合。
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