经济型数控机床纵向进给系统设计
摘要
鉴于我国目前资金短缺，工业生产规模小的特点，用较小的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证生产质量，减轻劳动强度，提高经济效益，而实现这一任务有效的，基本的途径就是普及及应用经济型数控机床。
随着科学技术的飞速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快。随之而来对机床的加工精度和生产率的要求也不断提高。在这种形势下传统的旧式机床越来越不能适应新的要求。随着电子技术的发展，把计算机技术引入机床中的数控机床技术得到了飞速发展。
当前，我国各大企业为了扩大生产，提高产品质量，从而对数控机床的需要日益增加。然而对中小企业来说大批量地购进先进，功能复杂，价格昂贵的数控机床是不太现实的同时也是不必要的，但是，为了达到新的加工标准又必须采用数控机床，在这种形势下，经济型数控机床以其较高的性价比越来越受到企业的青睐和机床生产厂家的重视。经济型数控车床CJK6140采用由8051芯片为主构成开环控制系统；其进给系统是步进电机通过消隙齿轮箱，带动滚珠丝杠转动，从而实现工作台沿机床导轨的水平移动。经济型数控车床CJK6140具有加工精度高，稳定性好，生产效率高，工作可靠，价格低等优点。
关键词: 数控机床，8051，单片机，工作台
Numerical control lathe length feed system design
ABSTACT
With the development of social production science and technology. It is essential for a machine not only to have high precision and high production and high production capability, but also to adjust to the rapid change of production. In this condition, numerical control machine was invented and put into practice. Furthermore, the more numerical control machines become advanced. In order to expand production and improve the quality of products, the big groups in our country demand more NC machine day after day. However it is not realistic and necessary for medium and small industry to buy advanced and expensive NC machines. The economic NC machines win more and more industry favors. The economic NC machine-CJK6140 adopts open loop control system. Through rotation of the lead screw, this is driven by a gear box, the working table moves in parallel along the NC machine’s lead rail.
KEY WORD:Numerical control engine bed，8031，monolithic integrated circuits，work table
目录
摘要.................................................................... I ABSTACT ................................................................. II 第1章绪论. (1)
1.1数控机床的产生和发展 (1)
1.2数控车床的工作原理 (2)
1.3.设计方案的确立 (2)
第2章机械部分的设计计算 (3)
2.1丝杠的设计与计算 (3)
2.1.1切削力的计算 (3)
2.2 滚珠丝杠的设计计算 (3)
2.3齿轮箱减速器设计部分 (5)
2.3.1传动比i (5)
2.3.2 齿面接触强度设计计算 (6)
2.3.3 齿根弯曲强度设计 (8)
2.3.4 设计计算 (9)
2.4 其他机械设计部分 (9)
2.4.1减速箱最小输出轴的计算 (9)
2.4.2轴承的选择 (10)
2.5步进电机的选择 (10)
2.5.1计算减速器的传动比I (10)
2.5.2确定步进电机动力参数 (10)
第3章数控系统设计 (13)
3.1 数控系统硬件电路 (13)
3.1.1 基本硬件组成 (13)
3.1.2 硬件配套及基本结构 (13)
3.1.3 接口线路 (14)
3.1.4光电隔离电路 (14)
3.1.5 功率放大电路 (15)
3.1.6 辅助电路 (15)
第4章软件设计 (16)
4.1 C6140数控车床主要的技术参数及功能 (16)
4.2 软件结构 (17)
第5章使用说明书 (21)
5.1 机床的使用和说明 (21)
5.2 机床的保养和维护 (21)
5.3 机床重要零部件的维护和保养 (21)
第6章总结 (22)
致谢 (23)
参考文献 (24)
第1章绪论
1.1数控机床的产生和发展
数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度.
设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。
随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。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。总体方案的设计。
1.2数控车床的工作原理
利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。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，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。
1.3.设计方案的确立
在这次的设计中：采用8051单片机作为车床的控制系统，纵向进给系统采用步进电机通过消隙齿轮箱带动滚珠丝杠传动，从而实现工作台沿机床导轨的水平移动。
第2章机械部分的设计计算
2.1丝杠的设计与计算
2.1.1切削力的计算
由《金属切削原理》可知：切削功率
Nc=N2η2K （1-1）
N---电动机的确功率
η---主动传动系统总效率,一般为0.6～0.7取0.65
K---进给系统功率系数,取0.96
则:Nc=4.68KW,因NC=(Fz2V)/6120,可推知
Fz=(Nc/V) 26120 （1-2）
取切削速度V=100m/min.
则：Fz=2864.16N
由《金属切削原理》可知：
主切削力Fz=Cfz2ap Xfz2f Yfz可查得：Cfz=1910mpa
Xfz=1, Yfz=0.75, Kfz=1
则可计算得
Ap(mm) 3 3
F(mm) 0.3 0.4
Fz(N) 2323 2882
由表可知：当F=2864.16N，时，切削深度ap=3，走刀量f=0.4mm,从《金属切削原理》中可得知，在一般外圆车削时，Fx=(0.1～0.6)Fz,Fy=(0.15～0.7)Fz,
取 Fx=0.5Fz=1432.08N,
Fy=0.6Fz=1718.58N
(Fz为主切削力，Fx为走刀抗力，Fy为吃刀抗力)
2.2 滚珠丝杠的设计计算
1. 求轴向力：由《机械设计手册》可知
P=K2Fx2+fw2(Fz+W) （1-3）
式中K=1.15,fw=0.15～0.18取0.6,
W为工作台的重量,由图初估取800N.
则P=1.153132.9+0.163(2864.16+800)=2233.16N
2.计算丝杠动载荷Cj
1)强度计算
寿命值
Li=603Ni3Ti/106 （1-4）
Ni=1000vf/(∏2D2L0) （1-5）
取工件直径D=100㎜ , 丝杠导程L0=6㎜,
Ni---丝杠转速为15.92r/min.
由<<机床数控技术>>知,使用寿命系数T一般取15000h,
因此Li=603Ni3Ti/106=14.33
求Cj
由<<数控技术>>6-16式可知:
Cj=3L2Kf2kh2P
Kf---载荷系数,一般取(1.2～1.5)取,1.2
Kh---硬度系数,取1.0
则Cj=7154.3N,根据Cj,选取滚珠丝杠,考虑其功能选汉江机床厂2506-3型
表1-1 特性参数
公称直径外径导程导程角精度系数动载量25mm 24.5mm 6mm 4°22′3级11670N 因为: 6512.1N＜11670N
所以: 丝杆强度足够.
2）丝杠效率计算:
由<<机械原理>>公式知:
Лs=tmλ/[tm(λ+4)]
Лs---螺旋升角, λ=4°22′
?---摩擦角, ?=10′
所以Лs=0.965.
3）.校核
①.刚度校核
滚珠丝杆受工作载荷P的作用而引起导程L0的变化是ΔL1。
其值按<<机床数控技术>>式6-19计算
ΔL1=±
EA
PL 0
E---弹性模量取213106N/cm 2 A---滚珠丝杆截面积
A=∏(d0/2)2=4.71
则ΔL1=±
4.7110216.0×2.20716
??=±12.6?106-cm
滚珠丝杆受扭矩引起导程变化ΔL2很小,可以忽略.即ΔL0=ΔL1. 导程变形的总误差Δ为 Δ=
?0
100L Δ
L=213106-m/m
查<<机械设计手册>>知表12-1-19知: 3级精度 ,1m 长的丝杠的螺距为21?106-m, 故刚度足够. ②.稳定校核
由<<材料力学>>中欧拉公式知
F K =∏2EI/(μl 2) （1-6）
F K ---长压杆临界失稳时的临界负载. E---弹性模量,取213106N/cm 2. I---截面惯性矩,单位cm 4.
对实心圆柱体I=∏d 4
1=1.77cm 2. l---工作长度取1m
μ---丝杠轴端系数μ=1～2/3,取1. 则经计算: F K =36648N.
Nk= F K /p=36648/2071.2=17.69.
一般[Nk]=2.5～4.对于水平丝杠考虑重量影响. [Nk]取4. Nk ﹥[Nk] 因此,丝杠稳定.
2.3齿轮箱减速器设计部分
2.3.1传动比i
i=
p
L δ?0
360
?---步距角,取0.750
.
δp---脉冲当量.取0.01㎜/脉冲.
i=
01
.0360675.00
??=1.25
闭式齿轮传动一般转速较高,为了提高传动的平稳性,减小冲击振动,以齿数多一些为好,小齿轮的齿数可取Z 1=20～40,我选择Z 1=32
I=
1
2Z Z ,Z 2=i ?Z 1=32?1.25=40
即Z 1=32 Z 2=40
材料为45#钢 调质，六级精度 2.3.2 齿面接触强度设计计算 由设计计算公式(10-9a)进行试算,
即:d t 1≥2.323
2
2
1μσΦ)1μ(H
E t d Z T K ?±
1) 确定公式内各计算数值 (1)选择载荷系数K T =1.3 (2)计算小齿轮传递的转矩T 1 T 1=95.5*105?
1
1n P ,P 1≈N c =4.32KW,n 1=
max L i V =
6
25
.15000?=1041.7R/min
则T 1≈3.96?106N 2㎜
(3).由表10-7选取齿轮宽度系数d φ
d φ=
1
d b =0.5(1+μ)?d φ,取a φ的规定值0.60,
d φ=0.5(1+1.25)?0.60=0.675
(4).由表10-6查得材料的弹性影响系数:Z E =189.8MP a
2
1
(锻钢)
(5).由图10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限1lim σ=600 MP a 大齿轮的接触疲劳强度极限2lim σ=550 MP a
(6).由式10－13计算应力循环次数
N 1＝60n 1j 1L h =60?1041.7?1?(2?8?300?10)=3.0?109 n 1 ---小齿轮的转速
j 1－――齿轮每转一圈时同一齿面啮合的次数，取1 L h ―――齿轮的工作寿命（单位为h ）,取15000
设计的齿轮的工作寿命为10年，一年工作300天，一天工作8小时，2班制 N 1＝60n 2j 2L h ＝60?1041.7?0.8?（2?8?300?10）＝2.4?109 j 2＝0.8
(7)由图10－19查得接触疲劳寿命系数 K 1HN ＝0.88，K 2HN ＝0.9
(8)计算接触疲劳强度的许用应力
取失效率为1﹪，安全系数S ＝1，由式（10－12）得：
［H σ］1＝
S
K HLIM
HN 1
1σ＝
1
600
88.0?＝528Mpa ［H σ］2＝
S
K HLIM LIM2
2σ=
1
550
9.0?=495Mpa
2)计算：,
(1)计算小齿轮分度圆直径d t
1,代入［H σ］中较小的值．
d t 1≥2.323
2
2
1μσΦ)1μ(H
E t d Z T K ?± ≈63
(2)计算圆周速度Ｖ
Ｖ＝
1000
6011?∏n d t ＝3.43ｍ/ｓ
(3)计算齿宽b
b=Φd 2d t
1=0.?63=42.525㎜
(4)计算齿宽与齿高之比b/h
模数m t =
1
1z d t =
32
63≈2㎜
齿高h=2.25 m t =2.25?2=4.5㎜
b/h=
5
.4525.42=9.45
(5)计算载荷系数
根据V=3.43ｍ/ｓ，6级精度，由图10-8查得动载荷系数K V =1.06，
由表10-3查得K αH =K αF =1.0，由表10-2查得使用系数K A =1； 由表10-4查得6级精度，小齿轮相对支承非对称分布时 K βH =1.12+0.18（1+0.62
d Φ）2
d Φ+0.23?103- b
d Φ=0.675,b=42.525
K βH ≈1.234. b/h=9.45, 查得10-13:K βF =1.1 7所以载荷系数 K=K A K V K αH K βH =1.308
按照实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径，由式10-10a
d 1=d t
13
t
K K
=63.13
(6)计算模数M
M=
1
1z d t =1.97㎜
2.3.3 齿根弯曲强度设计
由式10-5得弯曲强度设计的公式为
M ≥][3
2
11)
()(2F
Sa Fa dZ Y Y KT σ
Φ，
（1）．由图10－20Ｃ查得小齿轮的弯曲疲劳极限：
1FE σ＝500Mpa ， 2
FE σ
＝380Mpa
（2）．由图10－18查得弯曲疲劳寿命系数K 1FN ，K 2FN K 1FN ＝0.85， K 2FN ＝0.88．
（3）．计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数S ＝1.4 ［F σ］1＝S
K FE FN 1
1σ＝303.57Mpa ［F σ］2＝
S
K FE FN 2
2σ＝238.83Mpa
（4）．计算载荷系数K ：
K ＝K A K V K αF K βF ＝1*1.06*1*1.17＝1.2402 （5）．查取齿形系数：由表10－5可查得， Y 1Fa ＝2.52， Y 2Fa ＝2.40 （6）．查取应力校正系数：
由表10－5可查得：Y 1Sa ＝1.625，Y 2Sa ＝1.67 （7）．计算大、小齿轮的
[
]
F
Sa
Fa Y Y σ
，并且加以比较：
小齿轮： [
]1
σ1
1F
Sa Fa Y Y ＝57.303625.152.2?＝0.01349 大齿轮：
[
]2
2
2σF
Sa Fa Y Y ＝
86
.23817.140.2?＝0.01678
大齿轮的数值大，取大值 2.3.4 设计计算
M ≥][3
2
11)
()(2F
Sa Fa dZ Y Y KT σ
Φ＝
01678
.032
675.010
96.32402.122
4
?????＝1.33㎜
对比计算结果，由齿面的接触疲劳强度计算的模数Ｍ大于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要是弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮的直径有关，可取由弯曲强度算得的模数M ＝1.97，并就近圆整为标准值M ＝2.0㎜，按照接触强度算得分度圆直径d 1=63.13㎜,
Z 1=
1
1m d =
.213.63=31.565≈32
Z 2=i* Z 1=32*1.25=40
这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费．
齿轮参数取值如下： 参数 z m b a d 1 外圆直径 大齿轮 40 2 20 20 80 84 小齿轮
32
2
20
20
64
68
表1-2 齿轮参数
2.4 其他机械设计部分
2.4.1减速箱最小输出轴的计算
取每级齿轮传动效率（包括轴承效率在内）
c η=0.97,则P Z =P c η=4.32*0.97=4.19KW n Z =
i
n 1=
25
.17.1041=833.4 R/min
由式15-2得d ≥A 03
z
Z n P ,
即：d min = A 0
3
z
Z n P .
《机械手册》查表15-3得45钢，调质淬火后A 0取112。
经过计算得：d min =1123
4
.83319.4=19mm,输出选取d min ≥19mm,即可
2.4.2轴承的选择
已知丝杠的动载荷C j =7154N=7.154KN 所以选择轴承如下： 名称 型号 国标号 C j 0
C
角接触轴承 36204型 GB292-83 11.2KN 7.46KN 圆锥滚子轴承 7204E 型
GB297-84
26.8KN
18.2KN
所以以上的两种类型，动、静载荷均大于7.154KN,故所选轴承符合要求。
2.5步进电机的选择
参考文献《机电系统设计》 2.5.1计算减速器的传动比I
I=
p
p
δα360
α---步进电机步距角 α=0.75o
P---丝杠导程 P=6mm p δ---工作台脉冲当量 p δ=0.01mm
计算得I=1.25
2.5.2确定步进电机动力参数 1.电机的负载转矩的计算：
作用在步进电机轴上的总负载转矩T 按照下式公式计算 T=（J m +J e ）ε+
i
F F P w u η∏+2)(+
i
PF ηη∏-2)
1(2
00,
J m
---电机轴自身转动惯量（Kg m ?2）
ε---电机启动或制动时的角速度rad/s 2
F u ---作用在工作台上的摩擦力，N F W ---作用在工作台上的其它外力，N
η---伺服传动链的总效率
F 0---滚动丝杠螺母副的预紧力，N
η---滚动丝杠螺母副未预紧时的传动效率，一般取0.9
初选J
m =1.0?103- Kg m
?2，
μ =0.2（导轨摩擦因数μ），
μ最大轴向力F
max
w
=2071.2N 并要求空载启动时间?t=30ms,
最大进给速度V
max
=5m/min
步进电机轴上的总惯量J：
J=J
e +J
m
=1.0?103-+1.1759?103-=2.1759?103- Kg m
?2
空载启动时，电机轴上的惯量转矩为：
（1）T
j =T
ε
=J
t
V
?
max
=J
t
L
iV
?
∏
max
2
=3.95 (N2m)
设F
0=F
max
w
/3=207.2/3=690.4N
则电机轴上的摩擦转矩为T
μ
：
（2）T
μ=
i
PF
η
η
∏
-
2
)
1(2
0=
25
.1
8.0
14
.3
2
)
9.0
1(
4.
690
006
.02
?
?
?
-
?
?
=0.125（ N2m）
（3）工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩T
W
：
T
W =
i
PF
w
η
∏
2
max=
25
.1
8.0
14
.3
2
2.
2071
006
.0
?
?
?
?
=1.98（ N2m），
（4）于是空载时电动机上的总负载转矩T
q
T
q =T
j
+T
μ
+T
=3.95+0.125+0.08=4.155(N2m)),
（其中T
0=
i
FP
η
η
∏
-
6
)
1(2
0=
25
.1
8.0
14
.3
6
)
9.0
1(
006
.0
96
.
13212
?
?
?
-
?
?
=0.08 (N2m)）.
2.电机最大的静转矩确定
初选步进电机采用三相六拍通电控制方式：表5-1，T
q ---T
1s
之间的比例关系如下：
表1-3 电机转矩确定表
电机相
数
3 3
4 4
5 5
6 6
运行节
拍
3 6
4 8
5 10
6 12
T
q /T
1s
0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866
根据前面所得的T
1s 、T
q
，按照表5-1空载启动时需要电动机最大静转矩T
1
S
为：
T
1
S =T
q
/0.866=4.155/0.866=4.80 N㎜
最大外载下工作时所需要的最大静转矩T
2
S
：
T
2
S =T
1
/（0.3～0.5）=（0.125+0.08+1.98）/（0.3～0.5）=7.28～4.37（N ㎜）
T
S ≥max(T
1
S
,T
2
S
) T
S
=7.3( N㎜)
3.步进电机最高工作频率f
max ：f
max
=
p
V
?
60
max=
01
.0
60
5000
?
=8333.3HZ
综合考虑
查《机械手册》选用110BF003型步进电机，能满足其需要。
表1-4 电机参数表
型号相
数额
定
电
压
额
定
电
流
步矩
角
最
大
静
扭
矩
运行频率空载启动频
率
回转
直径
长度轴径
110BF003 3 80V 6A 0.75
0800
N
㎜
7000Step/S 1500Step/S 110mm 160mm 11mm
第3章 数控系统设计
3.1 数控系统硬件电路 3.1.1 基本硬件组成
任何一个数控系统都是由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能好坏，直接影响整个系统的工作组成。
1）中央处理单元CPU 。
2）总线。包括数据总线（DB ）、地址总线（AB ）和控制总线（CB ）。 3）存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。 4）I/O 口，即输入/输出接口电路。
其中CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需的各个数据。I/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU 与存储器、接口及其他电路联系的纽带，是CPU 与部分电路进行信息交换和通信的必由之路。
图2-1 数据系统硬件框图
由于MCS-51系列单片机在我国机床数控改造方面应用普遍，其配套芯片廉价、普及通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需要。本次C6140的改造以MCS-51系列单片机中的8051芯片作为中心控制系统。 3.1.2 硬件配套及基本结构
CPU 存储器 ROM 、RAM
I/O 接口 信号变频
外设 控制对象
本数控系统计算机是采用8051为CPU 的8位微型专用计算机。它包括一个微处理器，一个123字节的片内数据存储器，4个8位的I/O 接口（其中P1，P2，P3是准双向口，P0是三态双向口），此外还有为用户留一个扩展区。
8051通过I/O 口扩展一片8255接口芯片实现空运转、自动、手动转换、回零、换刀 超程的按键功能，还通过P0口和P2口及一块74LS373地址所存器扩展了两片16K 的ROM （27128）、两片16K 的RAM （62128）来作为开发程序的存储器。8051通过P0口扩展了一片8279接口芯片来实现键盘输入和电路显示的功能。通过P1口经光耦和隔离电路TLP521-4来消除电路干扰，并实现X 、Z 向正反转及连续启动的功能。通过功率放大电路实现S 、T 、M 等备用功能。两步进电机经一块74LS373直接与PO 口相连。具体结构参考电路控制原理图。 3.1.3 接口线路
图2-2 微机与机床的连接
3.1.4光电隔离电路
在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相连，将会
驱动放大
主轴脉冲发生器 8051 单片
机
光电隔离接口电路
驱动
放大
X 向步进电机
Y 向步进电机
主动机 刀架 冷却系统 限位开关
引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路。
3.1.5 功率放大电路
功率放大电路分为单电源和双电源型。单电源线路简单，但效率不高，所以选用双电源型。双电源型采用高低压供电电路，如图。
3.1.6 辅助电路
为了防止机床行程越界，所以在机床上装有行程控制开关，为防止意外。装有急停按键。由于这些开关都安装在机床上，距离控制箱较近，容易产生电气干扰，为避免干扰，在电路与接口之间实行光电隔离，设报警电路，当绿色二极管亮为正常工作状态，红色二极管亮时表示溜板已到极限位置。
第4章软件设计
改造后的C6140数控机床，主要控制功能由软件实现。软件设计采用模块化设计。主要包括主模块、子程序模块和定时中断模块。主模块主要完成初始化和监控。初始化包括PIO、CTC的初始化。监控主要包括键盘管理和显示管理，均可调用原监控程序中的子程序。功能子程序包括+X、-X、+Y、-Y及STOP功能子程序，并可调用监控程序中的子程序。中断模块包括急停中断模块、报警中断模块等。
4.1 C6140数控车床主要的技术参数及功能
①、数控装置：
计算机型号 8051
插补方式逐点比较法
插补坐标数二坐标
数据形式增量、绝对值及混合使用
输入方式手动键盘输入或磁带机一次输入
Z向脉冲当量 0.01㎜/脉冲
X向脉冲当量（直径上） 0.01㎜/脉冲
单行程段最大圆弧半径 5m
传动系统间隙补偿量 0～255脉冲
程序段显示数 9999
②数控装置机能设置：
1）准备功能G：
G00 快速进给
G01 直线插补
G02 圆弧插补（顺时针）
G03 圆弧插补（逆时针）
G04 延时
G32 切削圆柱螺纹
G33 切削锥螺纹
G50 坐标设定
G90 直线切削循环
G90 锥度切削循环
G92 圆柱切削螺纹循环
G93 锥螺纹切削循环
数控机创进给系统 数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。 伺服进给系统的作用是根据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹。因此，数控机床进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两方面同时实现自动控制。 数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。 一个典型的数控机床闭环控制的进给系统组成：位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分。 机械传动装置：是指将驱动源旋运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构。 第一节概述 一、数控机床对进给传动系统的要求 1．减少摩擦阻力：在数控机床进给系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副，滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。 2．减少运动惯量 3．高的传动精度与定位精度设计中，通过在进给传动链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量(即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离)，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目的。 4．宽的进给调速范围：伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达3～6000mm／min(调速范围1：2000)。 5．响应速度要快：所谓快响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象 6．无间隙传动：进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。 7．稳定性好、寿命长：稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。所谓进给系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件保持其原来制造精度的能力。 8．使用维护方便 二、联轴器 联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转，以传递转矩和运动的一种装置。机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器拆开，两轴才能脱开。 联轴器的类型：有液压式、电磁式和机械式；而机械式联轴器是应用最广泛的一种，它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递转矩，
CA6140横向进给系统及刀架的数控改造 学生： 学号： 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机电一体化 指导教师： 机电工程系 年六月
摘要 所谓数字控制机床是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。总体设计方案:CA6140车床主轴转速部分保留圆机床的手动变速功能。车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动。最后,根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。 关键词:数控、车床、改造
ABSTRACT Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindle’s gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers. Key word: Numerical Control、machining、information
数控机床进给系统设计
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反
馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。 1.3、主要设计任务参数 车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：V max=5m/min。最大加工直径为D =400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2； max 行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2㎏.m2。
数控车床纵向进给系统和横向进给系统的设计1
1绪论 1.1数控系统的发展简史 1952年第一代数控系统——电子管数控系统的诞生。20世纪50年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统——晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965年出现了第三代数控系统——集成电路数控系统。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统——小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974年，第五代数控系统——微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。综上所述，由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，发展非常迅速，几乎5年左右时间就更新换代一次[1]。 数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990年日本机床产值数控化率达75％，美国达70．1％，德国达57％。目前世界数控机床年产量超过15万台，品种超过1500多种[2]。 1.2我国数控系统的发展现状及趋势 1.2.1 数控技术状况 目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型向开放型过渡的时期。 我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包括核心技术)，已达到国 际先进水平。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技 当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆术对我们已不再是难题，0.1m 齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。
1前言 我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例.但我国在五轴加工技术、高速加工技术、精密加工技术等方面与国外方面还有很大的差距。主要问题有：1缺乏系统深入的科研工作, 难以对各种技术资料进行积累, 设计方法旧。2、缺乏实事的科学精神, 忽视了数控机床本身的技术特点、发展规律, 没有实事地制定数控机床发展的规划, 盲目性大。3、没有合理地运用资源。各个研究所孤军奋战,不通力合作,并且床行业人员素质低, 缺乏各方面人才。4、我国制造业大环境的制约。我国依靠引进和合作生产来发展各类主机, 至今我国许多高性能、新结构的数控机床大都为合作产品, 基本处于仿制阶段。 国产数控机床及其功能部件无论在技术参数上，还是在各种动态指标上，与工业发达国家的同类产品均存在一定差距。目前，国机床集团在引进技术的基础上成功开发出BW60HS／I型系列高速卧式加工中心，并已批量进入市场。该机采用电主轴，主轴最高转速16 000 r／min，由零至最高转速的时间为l s，快速移动速度60 m／min。宁江集团开发的高速加工中心主轴转速高达40 000 r／min。 当前，在数控机床精密化方面，美国的水平最高，不仅生产中小型精密机床，而且由于国防和尖端技术的需要，研究开发了大型精密机床。其代表产品有LLL 实验室研制成功的DTM一3型精密车床和LODTM大型光学金刚石车床，它们是世界公认水平最高的、达到当前技术最前沿的大型精密机床。其它国家也相应研制成功各种类似的装备，如英国的Cran·field、日本的东芝机械等。近年来我国对超精密机床的研制也一直在进行。机床研究所研制成功了JCS一027型超精密车床、JCS一03型超精密铣床、JCS一035型数控超精密车床等。
数控铣床的进给传动系统 摘要： 在国际贸易中，很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润主要电机出口产品。世界贸易强国在进行国内机电产品贸易的同时，把高技术的机电产品出口打入国际市场，作为发展出口经济的重要战略措施，数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控铣床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置。 关键词：数控铣床发展趋势智能化柔性化 英文： In international trade,many centuries view digital lathesare as hi-techvalue-adds and profitable exports.Digital lathesare expensive mechanical and electrical products.The powerful trade nations export hi-texh mechanical snd electrical products to the world market whiledoing such business at home ,Which is now an important strategy of develop-ing their export economy Key words digital lathe ; development tendency; intelligence; tenderness 1.引言： 科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又将对数控机的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技术的应用颔域日益扩大。 数控铣床是在数控加工中心领域中最具代表性的一种典型机床，在数控机床中所占的比率最大，数控加工中心、柔性制造单元等都是数控铣床基础上派生或发展起来的。它具有功能性强、加工范围广、工艺较复杂等点，主要用于各种复习的平面、轮廓、曲面等零件的铣削加工，同时还可以进行钻、扩、镗、攻螺纹等加工，在航空航天、汽车制造、机械加工和模具制造业中应用非常广泛。 2.数控铣床的组成 数控铣床一般由数控系统、机床基础部件、主轴箱、进给伺服系统及辅助装置等几大部分组成。 （1）数控系统 数控系统是机床运动控制的中心，通常数控铣床都配有高性能、高精度、集
1、数控机床进给系统概述 1.1 伺服进给系统概述 数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机，功率步进电机，电业脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速移动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，他能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定运动规律所合成的运动轨迹。 1.2 伺服进给系统分类 数控私服进给系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下三种： (1)开环伺服系统 (2)半闭环伺服系统 (3)闭环伺服系统 1.3 伺服进给系统的基本要求 (1)精度要求 (2)响应速度 (3)调速范围 (4)低速、大转矩 2、运动设计 2.1传动方案拟定 数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动。 确定设计任务后，初步拟定三种传动方案即1电机直接与丝杠相连；2电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3电机通过齿轮传动带动丝杠转动。
数控车床纵向进给系统和横向进给系统的设计
目录 1 绪论 (3) 1.1 数控系统的发展简史及国外发展现状 (3) 1.2 我国数控系统的发展现状及趋势 (3) 1.3 伺服系统的特点 (4) 1.4 设计的内容、目的和方法 (7) 2 总体方案设计 (8) 2.1 方案设计及总体布局 (8) 2.2 主切削力的计算 (8) 3 横向进给系统 (11) 3.1 已知技术参数 (11) 3.2 滚珠丝杠的计算及选择 (11) 3.3 校核 (14) 4 纵向进给系统 (20) 4.1 已知技术参数 (20) 4.2 滚珠丝杠的计算及选择 (20) 4.3 校核 (21) 5 床身及导轨 (26) 5.1 床身 (26) 5.2 导轨 (27) 6 数控系统选择 (29) 6.1 西门子数控系统的优点 (29) 6.2 数控连线图 (30) 7 数控编程 (31) 结论 (35) 致谢 (36)
1绪论 1.1数控系统的发展简史及国外发展现状 1949年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。1952年第一代数控系统——电子管数控系统的诞生。20世纪50年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统——晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965年出现了第三代数控系统——集成电路数控系统。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统——小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974年，第五代数控系统——微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。综上所述，由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，发展非常迅速，几乎5年左右时间就更新换代一次[1]。 数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990年日本机床产值数控化率达75％，美国达70．1％，德国达57％。目前世界数控机床年产量超过15万台，品种超过1500多种[2]。 1.2我国数控系统的发展现状及趋势 1.2.1 数控技术状况 目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型向开放型过渡的时期。 我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包括核心技术)，已达到国际先进水平。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾 当长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1m 量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂
数控机床进给模块之机械部件装配一．进给传动系统图 纵向和横向进给传动系统图 二．系统图的主要构造和功用 电动机： 1. 步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。步进电动机
是一种特殊的电动机，一般电动机通电后都是连续转动的，而步进电动机则有定位与运转两种状态。当有一个电脉冲输入时，步进电动机就回转一个固定的角度，这角度称为步距角，一个步距角就是一步，所以这种电动机称为步进电动机。又由于它输入的是脉冲电流，也称作脉冲电动机。当电脉冲连续不断地输入，步进电动机便跟随脉冲一步一步地转动，步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组的通电顺序，便可获得所需转角、转速和方向。在无脉冲输入时，步进电动机的转子保持原有位置，处于定位状态。步进电动机的调速范围广、惯量小、灵敏度高、输出转角能够控制，而且有一定的精度，常用作开环进给伺服系统的驱动元件。与闭坏系统相比，它没有位置速度反馈回路，控制系统简单，成本大大降低，与机床配接容易，使用方便，因而在对精度、速度要求不十分高的中小型数控机床上得到了广泛地应用。 2. 直流伺服电动机 由于数控机床对进给伺服驱动装置的要求较高，而直流电动机具有良好的调速特性，因此在半闭坏、闭坏伺服控制系统中，得到较广泛地使用。直流进给伺服电动机就其工作原理来说，虽然与普通直流电动机相同。然而，由于机械加工的特殊要求，一般的直流电动机是不能满足需要的。首先，一般直流电动机转子的转动惯量过大，而其输出转矩则相对较小。这样，它的动态特性就比较差，尤其在低速运转条件下，这个缺点就更突出。在进给伺服机构中使用的是经过改进结构，提高其特性的大功率直流伺服电动机，主要有以下两种类型：（1）小惯量直流电动机。主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小，因此在结构上与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽。以此表现为转子的转动惯量小，仅为普通直流电动机的1/10左右。因此，响应特别快，机电时间常数可以小于10 ms，与普通直流电动机相比，转矩与惯量之比要大出40~50倍。且调速范围大，运转平稳，适用于频繁起动与制动，要求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但由于其过载能力低，并且电动机的自身惯量比机床相应运动部件的惯量小，因此应用时都要经过一对中间齿轮副，才能与丝杠相连接，在某些场合也限制了它广泛地使用。 （2）大惯量直流电动机。又称宽调速直流电动机，是在小惯量电动机的基础上发展起来的。在结构上和常规的直流电动机相似，其工作原理相同。当电枢线圈通过直流电流时，就会在定子磁场的作用下，产生带动负载旋转的电转矩。小惯量电动机是从减小电动机转动转量来提高电动机的快速性，而大惯量电动机则是在维持一般直流电动机转动惯量的前提下，尽量提高转矩的方法来改善其动态特性。它既具有一般直流电动机便于调速、机械特性较好的优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能。因此，可归纳为以下特点： 1）转子惯量大。这种电动机的转子具有较大的惯量，容易与机床匹配。可以和机床的进给丝杠直接连接，省掉了减速机构，故可使机床结构简单，即避免了齿轮等传动机构产生的噪声和振动，又提高了加工精度。 2）低速性能好。这种电动机低速时输出转矩大，能满足数控机床经常在低速进给时进给量大、转矩输出大的特点，如能在1 r/min甚至0.1 r/min下平稳运转。 3）过载能力强、动态响应好。由于大惯量直流电动机的转子有槽，热容量大，同时采用了冷却措施后，提高了散热能力。因此可以过载运行30分钟。另外，电动机的定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电动机过载10倍而不会去磁，这就显著地提高了电动机的瞬间加速力矩，改善了动态响应，加减速特性好。 4）调速范围宽。这种电动机机械特性和调速特性的线性度好，所以调速范围宽而运转平稳。一般调速范围可达1∶10000以上。
进给传动系统简述数控机床进给传动装置的传动精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度，因此常采用各种不同于普通机床的进给机构，以提高传动刚性，减少摩擦阻力和运动惯量，避免伺服机构滞后和反向死区等。例如，采用线性导轨（滚动导轨）、塑料导轨或静压导轨代替普通滑动导轨；用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构，以及采用可消除间隙的齿轮传动副和键联接等。 1.作用数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。 2.对进给传动系统的要求为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。 3.进给传动系统种类 a.步进伺服电机伺服进给系统一般用于经济型数控机床。 b.直流伺服电机伺服进给系统功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行更换。一般用于中档数控机床。c.交流伺服电机伺服进给系统 应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。 d.直线电机伺服进给系统 无中间传动链，精度高，进给快，无长度限制；但散热差，防护要求特别高，主要用于高速机床。 二、进给传动机械部件（一）联轴器联轴器是用来连接寄给机构的两根轴使之一起回转移传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动）。且要求两轴严格对中，不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定限制。绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。凸缘式联轴器构造简单、成本的、可传递较大扭矩，常用于转速低、五种及、轴的刚性大及对中性好的场合。他的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜，救在机件内引起附加载荷，使工作状况恶化。 （二）减速机构 1.齿轮传动装置 齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。
C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造 设计设计说明书
一、绪论3 1.机床数控改造的意义3 2.数控改造的主要内容3 3.车床数控改造的必要性与可行性4 二、课题任务及要求4 1.题目:C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造设计4 2．主要技术要求4 三、进给系统的改造与设计方案5 四、纵向进给系统的设计计算5 1.脉冲当量的确定5 2.切削力的计算5 3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型6 4.同步带减速箱的设计7 5.步进电机的计算与选型9 6.同步带传递功率的校核13 五、绘制进给系统的装配图13 六、控制系统的硬件电路设计14 七、步进电机驱动电源选用17 八、总结19
一、绪论 1.机床数控改造的意义 普通卧式车床应用广泛，约占车床类总数的65%。卧式车床主轴转速和进给量的调整范围大，工艺范围广，能进行多种表面的加工。但其结构也有不足之处，如刚度低，抗震性差，传动件间存在间隙，精度不足，且受操作人员技能的限制较大。而数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、尺寸多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大而使中小型企业心有余而力不足。而机床的数控化改造由于其投资少、周期短，改造后能满足企业生产的需要，并且能有效地利用机床的剩余价值，成为中小型企业的首选。 a.节省资金 机床的数控改造同购置新机床费相比，一般可节省40% ～ 60% 的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般机床改造只需花新机床购置费的1/3，即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60% 的费用，并可以利用车间现有的基础。 b.性能稳定可靠 因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 c.提高生产效率 机床经数控改造后,即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3～7 倍。对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。 2.数控改造的主要内容 对卧式车床进行改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动的刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可以按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横
一、设计任务书 课程设计题目 CA6140普通车床横向进给系统的数控化改造（经济型） 学院 机械工程学院 专业 机械制造及其自动化 年级 2010 已知参数和设计要求： 1.工作台重量：W ＝300N （粗估） 2.滚珠丝杆导程：T ＝4mm （供参考） 3.行程：S ＝190mm 4.脉冲当量： ＝0.005mm 5.快速进给速度：min /5.1m V ＝快 6.快速进给速度：min /5.0m V ＝进 7.时间常数：t ≤100ms 学生应完成的工作： 1.机械结构装配图 A1图纸2张，要求视图基本完整、符合标准。 2.数控系统组成框图(或画在设计说明书里面) A2图纸1张。 3.数控系统电气原理图 A1图纸1张。 4.软件框图(或画在设计说明书里面) A2图纸1张 目前资料收集情况（含指定参考资料）： 1.机床设计图册 哈工大 华中纺织工业大学 2.机床设计手册 机械工业出版社 3.机械设计手册 化学工业出版社 4.微机接口设计参考书 课程设计的工作计划： 1.方案论证 1.5天 2.机械部分设计 6.5天 3.电气部分设计 3.5天 4.软件设计 1.5天 5.编写说明书 1天（约8000字） 6.准备答辩及答辩 1天 任务下达日期 2013 年 12 月 23 日 完成日期 年 月 日 指导教师 （签名） 学 生 （签名）
二、设计要求 2.1总体方案设计要求 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，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、具有很高的性价比，因此，可选 MCS —51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。 （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。 Y 向 X 向 微 机光电隔离 功率放大 步 进 电机 光电隔离功率放大步 进电机 上拖板 下拖板
数控机床进给传动系统 一．进给传动体系图 纵向和横向进给传动体系图 二．体系图的重要构造和功用 电念头： 1. 步进电念头 步进电念头是一种将电脉冲旌旗灯号转换成机械角位移的驱动元件。步进电
念头是一种特别的电念头，一般电念头通电后都是持续迁移转变的，而步进电念头则有定位与运转两种状况。当有一个电脉冲输入时，步进电念头就反转展转一个固定的角度，这角度称为步距角，一个步距角就是一步，所以这种电念头称为步进电念头。又因为它输入的是脉冲电流，也称作脉冲电念头。当电脉冲持续赓续地输入，步进电念头便跟随脉冲一步一步地迁移转变，步进电念头的角位移量和输入的脉冲个数严格成正比例，在时光上与输入脉冲同步。是以，只需控制输入脉冲的数量、频率及电念头绕组的通电次序，便可获得所需转角、转速和偏向。在无脉冲输入时，步进电念头的转子保持原有地位，处于定位状况。步进电念头的调速范围广、惯量小、灵敏度高、输出转角可以或许控制，并且有必定的精度，常用作开环进给伺服体系的驱动元件。与闭坏体系比拟，它没有地位速度反馈回路，控制体系简单，成本大年夜大年夜降低，与机床配接轻易，应用便利，因而在对精度、速度请求不十分高的中小型数控机床上获得了广泛地应用。 2. 直流伺服电念头 因为数控机床对进给伺服驱动装配的请求较高，而直流电念头具有优胜的调速特点，是以在半闭坏、闭坏伺服控制体系中，获得较广泛地应用。直流进给伺服电念头就其工作道理来说，固然与通俗直流电念头雷同。然而，因为机械加工的特别请求，一般的直流电念头是不克不及知足须要的。起首，一般直流电念头转子的迁移转变惯量过大年夜，而其输出转矩则相对较小。如许，它的动态特点就比较差，尤其在低速运转前提下，这个缺点就更凸起。在进给伺服机构中应用的是经由改进构造，进步其特点的大年夜功率直流伺服电念头，重要有以下两种类型： （1）小惯量直流电念头。重要构造特点是其转子的迁移转变惯量尽可能小，是以在构造上与通俗电念头的最大年夜不合是转子做成细长形且滑腻无槽。以此表示为转子的迁移转变惯量小，仅为通俗直流电念头的1/10阁下。是以，响应特别快，机电时光常数可以小于10 ms，与通俗直流电念头比拟，转矩与惯量之比要大年夜出40~50倍。且调速范围大年夜，运转安稳，实用于频繁起动与制动，请求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但因为其过载才能低，并且电念头的自身惯量比机床响应活动部件的惯量小，是以应用时都要经由一对中心齿轮副，才能与丝杠相连接，在某些场合也限制了它广泛地应用。 （2）大年夜惯量直流电念头。又称宽调速直流电念头，是在小惯量电念头的基本上成长起来的。在构造上和惯例的直流电念头类似，其工作道理雷同。当电枢线圈经由过程直流电流时，就会在定子磁场的感化下，产生带动负载扭转的电转矩。小惯量电念头是从减小电念头迁移转变转量来进步电念头的快速性，而大年夜惯量电念头则是在保持一般直流电念头迁移转变惯量的前提下，尽量进步转矩的办法来改良其动态特点。它既具有一般直流电念头便于调速、机械特点较好的长处，又具有小惯量直流电念头的快速响应机能。是以，可归纳为以下特点： 1）转子惯量大年夜。这种电念头的转子具有较大年夜的惯量，轻易与机床匹配。可以和机床的进给丝杠直接连接，省掉落了减速机构，故可使机床构造简单，即避免了齿轮等传念头构产生的噪声和振动，又进步了加工精度。 2）低速机能好。这种电念头低速时输出转矩大年夜，能知够数控机床经常在低速进给时进给量大年夜、转矩输出大年夜的特点，如能在1 r/min甚至0.1 r/min下安稳运转。 3）过载才能强、动态响应好。因为大年夜惯量直流电念头的转子有槽，热容量大年夜，同时采取了冷却办法后，进步了散热才能。是以可以过载运行30分钟。别的，电念头的定子采取矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电念头过载10倍而不会去磁，这就明显地进步了电念头的刹时加快力矩，改良了动态响应，加减速特点好。 4）调速范围宽。这种电念头机械特点和调速特点的线性度好，所以调速范
1绪论 1.1数控系统的发展简史及国外发展现状 1949年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。1952年第一代数控系统——电子管数控系统的诞生。20世纪50年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统——晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965年出现了第三代数控系统——集成电路数控系统。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统——小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974年，第五代数控系统——微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。综上所述，由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，发展非常迅速，几乎5年左右时间就更新换代一次[1]。 数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990年日本机床产值数控化率达75％，美国达70．1％，德国达57％。目前世界数控机床年产量超过15万台，品种超过1500多种[2]。 1.2我国数控系统的发展现状及趋势 1.2.1 数控技术状况 目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型向开放型过渡的时期。 我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包括核心技术)，已达到国际先进水平。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1m 当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂