目录
摘要 (ⅰ)
Abstract (ⅱ)
绪论 (1)
第一章 CA6140车床微机数控系统总体设计方案的拟订 (3)
1-1 总体方案确定 (3)
1-2 设计X—Y数控工作台及其控制系统 (4)
第二章 CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算 (5)
2-1 脉冲当量的选择 (5)
2-2 切削力的计算 (5)
2-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (6)
2-4 齿轮传动比的计算 (14)
2-5 步进电机的计算与选型 (15)
2-6 设计绘制进给伺服系统机械装配图 (19)
第三章 CA6140 车床微机数控系统硬件电路的设计 (20)
3-1 单片机微机数控系统电路设计内容 (20)
3-2 MCS-51 系列单片机简介 (21)
3-3 存储器扩展电路的设计 (28)
3-4 I/O 接口电路及辅助电路设计 (37)
3-5 典型零件加工程序设计 (46)
总结 (49)
参考文献 (50)
致谢 (51)
外文资料及中文翻译 (52)
绪论
随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。
一、数控机床的产生
数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。
二、数控机床的发展
自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。
第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。
第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。
第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。
第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。
第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。
目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。
近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。
三、我国数控机床的发展概况
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，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
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。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。
四、数控机床的发展趋势
从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。
在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。
在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。
五、数控机床改造的意义
数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有300多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3至1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。
第一章CA6140车床微机数控系统总体设计方案
的拟定
数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。
一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。
1-1 总体方案确定
一、系统的运动方式与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因此，应选用连续控制系统。
X52K型铣床改造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，因闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设计，且闭环控制系统的造价昂贵。
二、计算机系统
根据机床要求，采用8位微机。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、具有很高的性能价格比等特点，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。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。
三、机械传动方式
为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机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以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。
1-2 设计X-Y数控工作台及其控制系统
计任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图1-1
根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。
为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。
机
图1-1 经济型数控车床总体方案框图
第二章CA6140车床进给伺服系统机械部分
设计计算
一台CA6140普通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。其主要设计参数如下：
加工最大直径：在床面上φ400㎜
在床鞍上φ210㎜
加工最大长度：1000㎜
溜板及刀架重力：纵向 1000N
横向 600N
刀架快速速度: 纵向 2.4m/min
横向 1.2m/min
最大进给速度: 纵向 0.6m/min
横向 0.3m/min
主电机功率 7.5Kw
起动加速时间 30ms
机床定位精度: ±0.015mm
伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：
2-1 系统脉冲当量的选择
一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.01～0.005mm/脉冲。
根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。
2-2 切的计算削力
在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，下面介绍数控车床中的切削力的计算。
1.纵车外圆
主切削力F z (N)按经验公式估算:
Z F =0.67D 5
.1max
=0.6734005.1=5360
按切削力各分力比例：
4.0:2
5.0:1::=Y X Z F F F X F =536030.25=1340 Y F =536030.4=2144
2.横切端面
主切削力)('N F Z 可取纵切的1/2. 26802
1
'==
Z Z F F 此时走刀抗力为'Y F (N),吃刀抗力为)('N F Z .仍按上述比例粗略计算: 'Z F :'Y F :'X F =1:0.25:0.4 'Y F =268030.25=670 'X F =268030.4=1072
2-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型
滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d 0（丝杠外径d ）、导程L 0、滚珠的工作圈数j 、列数K 、精度等级等。
滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。如参考书[1]中的图4-4所示。我们在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。
滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。
本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。
一、纵向进给丝杠
1.计算进给率引力m F (N)
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。
纵向进给为综合型导轨 由前所知：
X F =1340 N
Z F =5360 N
G =1000 N K =1.15 'f =0.16
得：
m F (N)= K X F +'f (Z F +G)
=1.1531340+0.163(5360+1000)=2559 N
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 =1000 N.
2.计算最大动负载c
利用滚珠丝杠副的直径d 0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C ，可以用下式计算：
c =m w F f L 3 L =61060T
n ?? 0
1000L u n s
?=
式中 0L --滚珠丝杠导程,初选0L =6㎜;
s u --最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(21～31),此处
s u =0.6m/min
T --使用寿命,按15000h;
w f --运转系数，按一般运转取w f =1.2～1.5;
L --寿命，以106转为1个单位。
将数据分别带入上式得： 01000L u n s ?=
=6
5
.06.01000??=50r/min L =
61060T n ??=6
1015000
5060??=45 =c m w F f L 3=34531.232559=10799 N
3.滚珠丝杠螺母副的选型
查阅附录A 表3,可采用W 1L3506外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,1列2.5圈,其额定动负载为16400 N,精确等级按表4-15选为3级(大致相当于老标准E 级).
4.传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率为：
η=
)
(?γγ
+tg tg
式中 γ—螺旋升角, W 1L3506 γ=3°39′
?--摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003～0.004
将各数据带入上式得：
η=)(?γγ
+tg tg =
949.0)
'10'73('730=+tg tg o
5.刚度验算
滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为
困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。
因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。
先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图2-1所示。最大牵引力为2559 N.轴承支撑间距L =1500㎜，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的31。
图2-1
（1）丝杠的拉伸或压缩变形量1δ
查图4-6，根据m P =2559 N ，O D =35㎜，*查出L L /δ=1.2*105-，可算出： L
L
δδ=
131500=1.63105-31500=2.43102-（㎜）.
由于两断均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸,故其刚度可以提高4倍。
其实际变形量'1δ(㎜)为:
'1δ=
2
1
1δ=0.63102- (2)滚珠与螺纹滚道接触变形2δ
查图4-7, W 系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q δ: Q δ=7.1μm
因进行了预紧, 2δ=
21Q δ=2
1
37.1=3.35μm
(3)支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形2δ
采用8107型推力球轴承，1d =35㎜,滚珠体直径Q d =6.35㎜,滚动体数量z =18,
c d =0.0024 3
2
2
Z
d F Q m ?=0.0024 322
1835.6256?0.0075(㎜) 注意,此公式中m F 单位应为 kgf 因施加预紧力,故 3δ=21c δ=2
1
30.0076=0.0038㎜ 根据以上计算:
δ=1δ+2δ+3δ=0.006+0.00355+0.0038 =0.01335㎜<定位精度
6.稳定性校核
滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核.
二、 横向进给丝杠
1.计算进给牵引力m F ' 横向导轨为燕尾形,计算如下: 由前所知：
'X F =1072 N
'Y F =670 N Z F =2680 N 'G = 600 N 'f =0.2 得：
m F '=1.43'Y F +'f (Z F +2'X F +'G )
=1.43670+0.23(2680+231072+600)≈2023 N
2.计算最大动负载c
n =
01000L v s ?=5
5
.03.01000??=30
L =
61060T n ??=6
10
15000
3060??=27 c =3L w f m F '=32731.232023=7283 N
3.选择滚珠丝杠螺母副
从附录A 表3中查出, W 1L3506 1列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副,额定动载荷为9700 N,可满足要求，选定精度为3级.
4.传动效率计算
η=)(?γγ
+tg tg =)
10'334(334'
'+ tg tg =0.965 5.刚度验算
横向进给丝杠支承方式如图2-2所示，最大牵引力为2425 N ，支承间距 L =450㎜，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。
图2-2
计算如下：
（1）丝杠的拉伸或压缩变形量1δ（㎜）
查图4-6，根据m F '=2023 N,0D =20㎜,查出L L δ=4.23105-,可算出
1δ=
L
L
δ3L =4.23105-450=1.893102-㎜
(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量2δ 查图4-7
Q δ=8.5m μ 因进行了预紧 2δ=
21Q δ=2
1
38.5=4.25m μ (3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3δ 采用8120推力球轴承,
0094.012
763.432.2020024.00024.032
322=?=?'=z d P d Q m Q )(mm 考虑到进行了预紧,故
)(0047.00094.02
1213mm c =?==δδ
综合以上几项变形之和:
mm 0279.00047.00043.00189.0321=++=++=δδδδ显然此变形量已大于定位精度的要求,应该采取响应的措施修改设计,因横向溜板空间的限制,不宜再加大滚珠丝杠的直径,估采用贴塑导轨见效摩擦力,从而减小最大牵引力.重新计算如下:
)2(4.1G F F f F F x z y m
'++'+'=' N 1155)600107222680(04.06704.1=-?+?+?=
从图4-6查出当N F m
1155='时,5104.2/-?=L L δ 0108.0450104.251=??=?=
-L L
L
δδ
2δ和3δ不变,
则mm 0198.00047.00043.00108.0321=++=++=δδδδ,定位精度为mm 01.0±,估此变形量仍不能满足,如果将滚珠丝杠再经过预拉伸,刚度还可提高四倍,则变形量可控制在要求的范围之内.
mm 0117.00047.00043.00108.041
41321=++?=++=δδδδ
6.稳定性校核
计算临界负载)(N F K
K F =2
2L
EI
f z π 式中 E ---材料弹性模量,钢: E =20.63106 N/㎝2;
I ---截面惯性矩(㎝4)丝杠: I =64
π
1d 4,1d 为丝杠内径;
L ---丝杠两支承端距离(㎝);
Z f ---丝杠支承方式系数,从表4-13中查出，一端固定,一端简支Z f =2.00
I =
64
π
1d 4=
64
π
31.67884=0.3899㎝4
K F =
22L I E f Z ???π=2
62453899
.0106.202????π=78214 N K n =
m K F F '=1155
78214=67.7>>[K n ] (一般[K n ]=2.5～4) 此滚珠丝杠不会产生失稳。
三、 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。
其几何参数如下:
名称 符号 公式 35061L W 20051L W 公称直径
d 35 20
导程 0L 6 5 接触角 β 3°7’ 4°33’ 钢球直径(㎜) q d 3.969 3.175 滚道法面半径 R q d R 52.0= 2.064 1.651 偏心距 e βsin )2/(q d R e -= 0.056 0.045 螺纹升角
γ
d L arctg
?=πγ 3°7’ 4°33’
螺杆外径 d q d d d )25.0~2.0(0-= 34 19.4 螺杆内径 1d R e d d 2201-+= 30.984 16.78 螺杆纹接触直径 Z d βcos 0q Z d d d -= 31.258 16.835 螺母螺纹直径 D R e d D 220+-= 39.365 23.212 螺母内径 1D q d d D )25.0~2.0(01+= 36.125 20.635
2-4 齿轮传动比计算
1.纵向进给齿轮箱传动比计算
已确定纵向进给脉冲当量P δ=0.01滚珠丝杠导程0L =6㎜，初选步进电机步距角 0.75°。可计算出传动比 i
i =
360L b p
θδ=
6
75.001
.0360??=0.8
可选定齿轮齿数为: i =
21Z Z =4032或2520 2.横向进给齿轮箱传动比计算
已确定横向进给脉冲当量P δ=0.005 ,滚珠丝杠导程0L =5㎜,初选步进电机步距角0.75°可计算传动比 i :
i =
360L b p
θδ=
5
75.005
.0360??=0.48
考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程,故此处可采用两级齿轮降速:
i =
21Z Z 43Z Z =53354=4024325
20
1Z =24、2Z =40、3Z =20、4Z =25
因进给运动齿轮受力不大，模数m 取2。有关参数如下:
2-5 步进电机的计算和选型
选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。
一、纵向进给步进电机计算
1.等效转动惯量计算
计算见图2-1，传动系统折算到电机轴上的总的惯量∑J （㎏2㎝2）可由下式计算：
∑J =M J +1J +2
2
1)(Z Z ()???
???????? ??++2
022πL g G J J S
式中 M J ---步进电机转子转动惯量（㎏2㎝2）;
1J 、2J ---齿轮1z 、2z 的传动惯量（㎏2㎝2）;
s J ---滚珠丝杠转动惯量（㎏2㎝2）。
参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF ，起转子转动惯量M J =10㎏2㎝2。
1J =0.783103-341d 21L =0.783103-36.4432=2.62㎏2㎝2
2J =0.783103-342d 22L =0.78*103-38432=6.39㎏2㎝2 s J =0.783103-3443150=29.952㎏2㎝2
G =1000 N
代入上式：
∑J =M J +1J +2
2
1)(Z Z
()??????????? ??++2
022πL g G J J S
=10+2.62+2
4032?
?
?
??()???
?
??????? ??+
+2
26.08.91000952.2939.6π =36.474㎏2㎝2
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 M J /∑J =10/36.474=0.274
基本满足匹配的要求。
2.电机力矩的计算
机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算： （1） 快速空载起动力矩M 起 。
在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：
M 起 =m ax a M +f M +0M
m ax
a M =∑J 2ε=∑
J a t n +π
260max 3102
-=∑J 3a
t n ???-601022max π
max n =
p
v δmax
3
360
b
θ
将前面数据代入，式中各符号意义同前。
max n =
p
v δmax
3
360b
θ=
360
75
.001.02400?
=500 min r 。 起动加速时间 a t =30ms m ax a M =∑J 3
a t n *602max ?π=36.474303
.0*60500
*2π3102-
=636.6 N 2㎝
折算到电机轴上的摩擦力矩f M ：
f M =i
L F πη200=120
'/2)(z z L G P f Z πη?+
=25
.18.026
.0)8005360(16.0???+?π=94 N 2㎝
附加摩擦力矩0M ：
0M =(
)2
012ηπη-i
L F p =120/231z z L
F m πη??()
2
01η-
=)9.01(25
.18.026
.025303
12-????π=805.330.19=153 N 2㎝ 上述三项合计：
M 起 =m ax a M +f M +0M
=636.6+94+153=881.5 N 2㎝
（2）快速移动时所需力矩M 快
M 快=f M +0M =94+153=247 N 2㎝ （3）最大切削负载时所需力矩M 切
M 切=f M +0M +x M =f M +0M +i
L F x πη20
=94+153+
25
.18.026
.01340???π=94+153+127.96
=375 N 2㎝
从上面的计算可以看出，M 起、M 快和M 切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据。
从表中查出，当步进电机为五相十拍时，λ=max j q M M =0.951。 最大静力矩max j M =881.5/0.951=927 N 2㎝ 。
按此最大静转距从表查出，002150BF 型最大静转距为13.72 N 2㎝ 。大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距频特性。
3.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率
k f =
p v δ?601000max =01
.0604
.21000??=4000 H Z
e f =
p s v δ?601000=01
.0606
.01000??=1000 H Z
从表中查出 002150BF 型步进电机允许的最高空载起动频率为2800 H Z 运行频率为8000 H Z ， 130BF001步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图2-3，2-4所示，可以看出，当步进电机起动时，f 起=2500Hz 时，M=100cm N ?，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（881.5cm N ?）直接使用将会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率将到1000Hz 时，起动力矩可增到588.4cm N ?，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。
当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图2-4）完全可以满足要求。
二、横向进给步进电机计算和选型
电机选为002
90BF计算步骤如上所述，经计算满足要求，此处计算略。
2-6设计绘制进给伺服系统机械装配图
在完成运动及动力计算后，已经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画出机械装配图。图见0号大图。
从图中可以看出，纵向进给部分拆去原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。横向进给部分也用滚珠丝杠代替原来的滚动丝杠，并在大溜板的后面安装横向齿轮减速箱和步进电机。并把原来的方刀架取掉，装上自动转位刀架及微型电机。
目录 第一章设计任务 (5) 1.1题目： (5) 1.2 任务 (5) 第二章总体方案的确定 (6) 第三章机械系统的改造设计方案 (7) 3.1主轴系统的改造方案 (7) 3.2安装电动卡盘 (7) 3.3换装自动回转刀架 (8) 3.4螺纹编码器的安装方案 (8) 3.5进给系统的改造与设计方案 (9) 第四章进给传动部件的计算和选型 (10) 4.1脉冲当量的确定 (10) 4.2切削力的计算 (10) 4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (11) 4.4同步带减速箱的设计 (12) 4.5步进电动机的计算与选型 (13) 4.6同步带传递效率的校核 (16) 第五章绘制进给传动机构的装配图 (18) 第六章控制系统硬件电路设计 (21) 第七章步进电动机驱动电源的选用 (22) 第八章容总结 (29) 参考文献 (30) 摘要
我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要容之一。
车床数控化机械部分的改造设计 发表时间：2018-12-26T12:35:56.377Z 来源：《防护工程》2018年第27期作者：王德顺 [导读] 车床是机械加工业中必不可少的加工工具。随着我国经济的迅速发展，机械加工业也在快速发展。 济宁市技师学院山东省济宁市 272000 摘要：近几年，我国生产制造行业得到了迅速的发展。在生产制造业发展过程中数控机床的市场需求也不断增加，对于普通机床的改造成为时代发展的主要趋势。在实际普通车床数控化改造过程中，电极参数选择不精确、数控系统功能不合理等问题频繁发生，影响了普通车床数控化改造的精确度。因此为了保证改造后数控机床的应用效率，对具体改造过程进行进一步分析非常必要。 关键词：普通车床；机械结构；数控化改造 车床是机械加工业中必不可少的加工工具。随着我国经济的迅速发展，机械加工业也在快速发展，数控车床逐渐取代了原本的普通车床，但是，普通车床仍然在使用。因为数控车床的价格比较高，很多企业无法负担，所以，需要对普通车床的机械结构进行数控化改造，以增强普通车床的自动加工能力，提高加工精度。通过对某型号普通车床机械结构进行数控化改造，提高普通车床的加工精度。 一、车床数控化改造的必要性 相比较于传统机床，通过数控机床，能够对繁琐复杂的零件开展加工工作；能够显著提高机床工作效率，确保机床加工自动化月柔性自动化的实现；数控机床所加工的零件具有非常高的精准度，尺寸计算能力更强，有利于安装与配置工作的开展，不需要开展有关修配工作；能够集中起多个工序，降低零件的搬运频率；能够自主开展有关报警监控与补偿等工作等等；使工人劳动强度得到显著降低，有效缩减新产品试制与生产周期。与此同时，在企业信息化改造过程中，机床数控化发挥着重要的基础作用，数控技术既是制造业自动化的核心技术，更是其重要的基础技术。 二、车床数控化改造的特点 1、车床改造方案的制定，是通过车床中存在的问题来进行的。在改造车床的过程中，具有较强的针对性，确保符合有关生产的要求与规定。在改造旧车床数控化过程中，大多数基础件与很多传动部分无需进行更换，应当将这些零部件予以高效利用，在减少原材料与资金费用开支的同时，能够有效缩短改造时间，确保生产工作的迅速开展。 2、通常情况下，车床大型构件的制造运用的是铸铁，相比较于新铸件其稳定性更加突出，只需对中小型部件开展修复或更换工作即可。应当满足多品种、小批量零件生产的需要，扩大车床应用范围。通过车床数控化改造，能够实现生产设备自动化水平与能力的提升，强化设备质量。此过程中，更加需要注入科学技术的力量，让科学技术的应用促进车床数控化的改造，以促进改造目的的实现。 三、机床精度、质量检测与调试 1、精度调试。普通车床机械部分数控化改造后，必须进行精度调试。数控车床精度主要体现在：主轴跳动、刀塔精度、丝杠精度三方面可以用主轴千分表测量主轴精度、刀塔两项精度；跳动、圆度精度不合格的通过主轴卡头重新装配或车卡头来实现精度调整； X、Z 轴丝杠精度可通过调节伺服电机的齿轮比及精修丝杠和调节反向间隙及刀塔装配位置调整，反向间隙调试时要选用千百分表；进行几何精度调试时，可选择用角尺，平尺，千分表；当进行定位误差调试时，必须用激光干涉仪对定位精度进行测量，然后，根据情况进行适当的补偿，可以大大提高机床的定位精度和加工精度。重复定位精度不合格，要通过调整丝杠和丝杠母间隙或更换丝杠和轴承。精度调试是一个比较复杂的过程，一般是机械和电气部分都改造好后再调试。不同的机型调试也有差异，要根据机型特点进行调试，一般都要反复调几次，直到调好为止。 2、质量检测与调试 （1）质量检测。质量检验指机床性能和功能的检验，普通车床数控化改造后，机床性能检验项目主要有主轴性能、进给性能、机床噪声、润滑等。主轴性能有手动操作、手动数据输入方式（MDA）；进给性能有手动操作、手动数据输入方式（MDA）、软硬限位、回原点；数控功能检验项目有准备功能、辅助功能、操作功能、显示功能等方面。 （2）检测与调试。质量检测与调试包括空运转检测调试、动作检测调试、功能检测调试及试切削检测调试等。空运转检测调试：让机床主运动由低、中、高运转，观察主轴轴承温度是否稳定，再输入程序做连续运动，如果正常可连续运转不少于48h。动作检测调试：按数控系统安装手册进行主轴变挡指令调试，检测各轴正负两个方向的超程。功能检测调试：用指令对机床的功能进行调试，检查动作的灵活性和功能的可靠性。然后做进给坐标超程、手动数据输入、位置显示、程序暂停、程序删除、回基准点，程序序号显示和检索、直线插补、直线切削循环、刀具位置补偿、螺距补偿、锥度切削循环、螺纹切削循环、圆弧切削循环、间隙补偿等功能的可靠性、动作灵活性等调试。试切削检测调试：把事先准备好的零件程序输入系统，进行试切削加工，检测机床数控化改造后的加工性能和精度的稳定性。 四、车床数控化改造 1、普通车床床身导轨的改造。我国大部分普通车床的床身材料为铸铁，在进行数控化改造时，为了提高床身导轨的精度，可以在铸铁导轨上粘贴塑料软带。塑料软带能够提高车床导轨的润滑性，使导轨上的主刀行进得更加流畅，从而保证车床的加工精度。在改造过程中，也可以将传统的铸铁导轨改造为滚动导轨，滚动导轨的摩擦系数比较小，不会影响机械加工的几何精度。 2、滚珠丝杠的改造。滚珠丝杠主要是由滚珠、丝杠、回珠管等构成的，它可以将车床机械部件的回转运动转化为直线运动。普通车床中的滚珠丝杠可以提高车床的传动效率，使车床刀轴的行进过程更加平稳。因为滚珠丝杠在运行过程中不会产生较大的振动，所以，不会产生过大的摩擦阻力。对滚珠丝杠进行数控化改造时，需要测量滚珠丝杠的齿差缝隙、丝杠转速和滚珠直径等，以保证改造完成后车床不会出现直线行进失稳的情况。 3、主轴传动系统的数控化改造。普通车床的主轴是由电动机带动皮带使主轴旋转。在数控化改造时，尽量不要破坏原本的主轴箱，主要改造电机的变速系统。因此，可以用双速或者四速电动机代替原本的电动机，以增强主轴传动系统的传动能力。在改造过程中，可以在主轴传动系统中增加脉冲编码器，标记主轴运行的初始位置，为主轴传动编码，让主轴每转动一圈编码器自动调整一次主轴刀具的位置。一般情况下，脉冲编码器安装在主轴箱中，并与电动机的传动齿轮1∶1 连接，从而实现主轴与编码器的同步运行。 4、车床进给系统的数控化改造。在改造进给系统时，需要加装步进电机，并在进给系统的步进电机上安装减速器。减速器通过连接装
摘要 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，很好的解决了现代机械制造中的结构复杂.精密.批量小.多变零件的加工问题。且能稳定加工质量，大幅度提高生产效率。但数控机床价格昂贵，一次性投入对企业来说负担很大。另一方面，在国内还有大量的普通机床,只需对其进行一些相关的技术性改造就可以形成一定生产能力的经济型数控机床。不仅能节省很大一部分资金，还能提升其市场竞争力。具有极大的经济潜力。 对于职业院校的数控实训教学而言，通过闲置的普通车床进行数控化改造，可盘活资产，实现资产优化配置，同时对教师和学生而言也是一次很好的学习、锻炼和提高的机会。对推动教学改革、专业转型和课程开发都有积极的意义。 我院现有闲置的普通车床为云南机床厂生产的CAY6140-1000，通过对该机床的结构特点进行分析，对机械和电气进行数控化改造，改造后的数控车床主要用于中小型轴类零件、盘类零件及螺纹的加工。
第一章数控机床的结构和工作原理 1.1数控车床工作原理及加工特点 以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床，简称为数控机床。 数字控制系统是相对于模拟系统而言：数字控制系统中的信息是数字量，而模拟控制系统中的信息是模拟量。随着计算机技术的发展，硬件数控系统已被逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控（CNC）系统。 图1-1 数控车床 1．数控车床的工作原理 数控车床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如择刀、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其辅助装置严格地按照程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 2．数控车床的加工特点 （1）高难度零件加工：“口小肚大”的内成型面零件，有仅在普通车床上难以加工，还难以测量。 （2）高精度零件加工：高精度零件均可在高精度的特种数控车床上加工完成。 （3）高效率完成加工：为了提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批工序特别复杂零件车削全过程的自动化。 1.2 数控车床的组成 数控车床一般由输入/输出装置、CNC装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体和测量装置组成。图3-1是数控车床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统
摘要 普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括： (1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。 (2) 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。 (3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。 (4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。 通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。 关键字：普通车床数控改造步进电机经济型数控系统数控刀架
一绪论 我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。 由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。 机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。 普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。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，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，
一、机床进行数控化改造的必要性 （1）数控机床：1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 ①数控（NC）阶段（1952～1970年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代--电子管；1959年的第二代--晶体管；1965年的第三代--小规模集成电路。 ②计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在） 到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的"通用"两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。 到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代--小型计算机；1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC（国外称为PC-BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控
C6132普通车床数控化改造设计 摘要 机床数控化改造的研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资金受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。 本文对C6132普通车床数控化改造进行了深入研究，包括对机床改造进行可行性分析、对机床关键部件参数的计算、对机床结构的设计、对机床改造方案优化选择、选择合适的机床伺服系统和计算机系统，以及在改造中应注意的事项等进行了详细的论述。结果表明:经改造后的机床已达到预期的功能和精度，完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。 关键词:普通车床，数控改造，步进电机，经济型数控系统，MCS-51
C6132 NC lathe design of ordinary ABSTRACT S tudy on machine tool numerical control transformation of important project is to improve the level of technical equipment in China, with large extended serviceand technology in China urgently needs to be updated of the old machine tool case, because the NC machine tool processing capacity and funding is limited, of machine tool numerical control transformation is a saves money, fasted effective way. C6132 lathe NC system to rebuild this article to be an in-depth study, including machine tools retrofitting feasibility analysis, calculation of parameters of the key parts of machine tool design, machine tool, machine too l structure rebuilding scheme optimal selection, choose a suitable machine tools servo system and computer system, and matters for attention in the reform are discussed in detail. Results: after the transformation has reached the expected functionality and accuracy of machine tool, fully able to realize process of cylindrical, conical, thread, automatic control at the end, improve the efficiency of the original production of machine tools, lower labor intensity KEY WORDS：Lathe, numerical control transformation, stepping motors, CNC system, MCS-51
普通机床数控化改造实例及分析 来源：数控产品网添加：2010-05-22 阅读:649次 [ 内容简介] 机床与生产线的数控改造主要内容有：(1)恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； (2) NC化，在普通机床上加数显装置或加数控系统；(3)翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不能满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；(4)技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新。 现在很多企业为了生存和发展，不断地提高机床的数控化率是必要的。需要进行数控改造的设备一般包括传统机床及近期从国外引进，因存在问题而不能投产的机床设备和生产线。我们芜湖高新重型机床有限公司，在机床数字化控制和改造方面有独特的心得和实际经验。在普通机床恢复精度改造成高效的数控机床方面做了大量的工作。现为了更好的服务客户，我们总结了有关机床数控改造的知识供大家参考。 一、数控改造的内容 机床与生产线的数控改造主要内容有：(1)恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； (2) NC化，在普通机床上加数显装置或加数控系统；(3)翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不能满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；(4)技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新。 二、数控系统发展的趋势 l．向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控任务PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。在远程通信、远程诊断和维修的应用将更加普遍。 2．向高速化和高精度化发展 3．向智能化方向发展 (1)应用自适应控制技术。数控系统能检测过程中的重要信息，并自动调整系统参数，改进系统运行状态。 (2)引入专家系统指导加工。将熟练工人和专家经验、加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 (3)引入故障诊断专家系统 (4)智能化数字伺服驱动装置。可以通过自动识别负载和自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行状态。 三、数控系统的选择 1．开环系统 该系统的伺服驱动装置是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。这种系统不需要位置和速度反馈，位移精度主要决定于步进电机的角位移精度和齿轮丝杠等传动元件的精度，所以位移精度低。但系统结构简单、调试维修方便、工作可靠、成本低、易改装成功。 2．闭环系统 该系统由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置信号反馈给计算机，与给定值进行比较，将两者的差值放大并变换，驱动执行机构，以消除偏差。此系统复杂、成本高、对环境温度要求严。但系统精度高、速度快、功率大。可根据产品技术要求，决定是否采用。
目录 1设计任务 (2) 2设计要求 (3) 2.1总体方案设计要求 (3) 2.2设计参数 (3) 2.3.其它要求 (5) 3进给伺服系统机械部分设计与计算 (5) 3.1进给系统机械结构改造设计 (5) 3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型 (6) 3.2.1确定系统的脉冲当量 (6) 3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (6) 3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (10) 4步进电动机的计算与选型 (13) 4.1步进电动机选用的基本原则 (13) 4.1.1步距角α (13) 4.1.2精度 (14) 4.1.3转矩 (14) 4.1.4启动频率 (14) 4.2步进电动机的选择 (14) 4.2.1 C6140纵向进给系统步进电机的确定 (14) 4.2.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 (14) 5电动刀架的选择 (15) 6控制系统硬件电路设计 (15) 6.1控制系统的功能要求 (16) 6.2硬件电路的组成： (16) 6.3电路原理图 (16) 6.4主轴正反转与冷却泵启动梯形图.......................................... 错误！未定义书签。7总结 (18) 8参考文献 (18)
1设计任务 设计任务:将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床。 主要技术指标如下： 1) 床身最大加工直径460mm 2) 最大加工长度1150mm 3) X 方向（横向）的脉冲当量 mm/脉冲，Z 方向（纵向）脉冲 当量 mm/脉冲 4) X 方向最快移动速度v xmax =3100mm/min ，Z 方向为v zmax =6000mm/min 5) X 方向最快工进速度v xmaxf =370mm/min ，Z 方向为v zmaxf =730mm/min 6) X 方向定位精度±0.01mm ，Z 方向±0.02mm 7) 可以车削柱面、平面、锥面与球面等 8) 安装螺纹编码器，最大导程为25mm 9) 自动控制主轴的正转、反转与停止，并可以输注主轴有级变速与无极变 速信号 10) 自动控制冷却泵的起/停 11) 纵、横向安装限位开关 12) 数控系统可与PC 机串行通讯 13) 显示界面采用LED 数码管，编程采用相应数控代码 01.0=x δ02.0=z δ
摘要 针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰。 数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。 购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有： 1．对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案； 2．对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究； 3．对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法； 4．根据普通车床CA6140电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造CJK6140-A的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图； 5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图； 6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量； 7.绘出相应的零件图和装备图； 8．给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。 关键词：普通车床、数控、改造
ABSTRACT Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise’s production. As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises’equipment updating step are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country.The main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle. 2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. 3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. 4. The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140’s electricity control system and principle with the reforming CJK6140-A’s NC system. 5. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a techniquediagram. 6. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe. 7. Draw out parts diagrams and assemble diagram. 8 .Methods of installing and testing of general purpose lathe’s numerically controlled reforming were put forward.
C6140普通车床数控化改造设计方 案 有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术
机床数控改造的意义 1)节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型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，并可以利用现有地基。2)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。3)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至5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。 1普通车床的数控化改造设计 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成(那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论)。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。 2数控车床的性能和精度的选择 并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。1)轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。2)进给运动：进给速度：Z向(通常为8～400mm/min)；X向(通常为2～100 mm/min)。快速移动：Z向(通常为1.2～4m/min)；X向(通常为1.2～3m/min)。脉冲当量：在0.025～0.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。加工螺距范围：包括能加工螺距类型(公制、英制、模数、径节和锥螺纹等)，一般螺距在10mm以内都不难达到。3)进给运动驱动方式(一般都选用步进电机驱动)。4)给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。5)刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。6)其他性能指标选择：插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车床加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等，实现有限的诊断功能。以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标，有的车床改造根据需要还会有些专门的要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、车刀高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设
普通车床的数控化改造设计 摘要 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为CNC装置控制的能独立运动的进给伺服系统，将刀架改造成能自动换刀的回转刀架。这样，利用CNC装置，车床就可以按预先输入的加工程序进行切削加工。由于切削参数，切削次序和刀具选择都可以由程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给联动的功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量，多品种复杂零件的加工。 本设计主要对横向进给系统的数控改造，其中包括一般的铸铁导轨改成贴塑导轨，把螺纹丝杠改成滚珠丝杠，一把的异步电动机改成伺服电动机（步进电动机），最后把手动刀架改造成有伺服电动机驱动能自动换刀的刀架。这样改造后的数控车床就能满足自动加工和一般的加工精度。 关键词：进给伺服系统，回转刀架，滚珠丝杠，导轨
目录 前言 (1) 第1章横向进给传动链的设计计算 (6) 1.1 主切削力及其切削分力的计算 (6) 1.2 导轨摩擦力的计算 (6) 1.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (7) 1.4 确定进给传动链的传动比i和传动级数 (7) 1.5 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 (7) 第2章滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 (10) 2.1 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷 F的校验 (10) c 2.2 滚珠丝杠螺母副临界转速 n的校验 (10) c 2.3 滚珠丝杠螺母副的额定寿命的校验 (11) 第3章计算机械传动系统的刚度 (12) 3.1 计算机械传动系统的刚度 (12) (13) 3.2 计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度K φ 第4章驱动电动机的选型与计算 (14) 4.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 (14) 4.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩 (14) 4.3 计算折算到电动机轴上的加速力矩 T (15) ap 4.4 计算纵向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩16 4.5 选择驱动电动机的型号 (16) 第5章机械传动系统的动态分析 (18) 5.1 计算丝杆—工作台纵向振动系统的最低固有频率 ω (18) nc 5.2 计算扭转振动系统的最低固有频率 ω (18) nt 第6章机械传动系统的误差计算与分析 (19) 6.1 计算机械传动系统的反向死区? (19) 6.2 计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 δ (19) k max 6.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 (19)
机电一体化系统设计任务书总汇 课题：C6140普通机床的数控化改造 姓名：蒋青松（第7组） 班级： 5 学号： 专业：机械设计制造及其自动化 院系：机械工程学院 2015年6月
任务一 一：总体方案的确定 总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给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单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。 2.普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。 3.根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。 4.根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等，还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。 5.为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。 6.计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副，且应有消间隙机构。
二：机械本体 初步原理框图
数控原理框图 三：问题说明 1：连续控制系统：由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速度相对于工件沿加工路径运动（因为点位控制系统要求工件相对于刀具运动过程不进行切削），所以选择之； 2：开环控制系统：该改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，没有加入反馈系统，为了简化系统，降低成本，所以选择之。3：机床选择X，Z两轴联动。 4：由于是开环控制，而且结构简单，适用于普通数控机床，功能水平低。