数控系统课程设计
C6140普通卧式车床数控化改造之横向进给系统（X）轴设计
----李红
一·车床横向进给系统存在的问题分析
C6140车床横向进给系统在连续的使用过程中，由于磨损等原因，使丝杠与丝母间隙过大，产生轴向窜动，影响进给精度。通过调整可消除丝杠与丝母间的间隙，但实践证明，这种调整方法只消除了丝母的磨损间隙，而没有消除丝杠的磨损间隙。如果按丝杠磨损较大部位调整丝母，则在丝杠磨损较小部位可能因间隙过小而使进给手柄转动太沉。
经过长期的观察和实践，发现几乎所有的机床都在很大程度上存在着进给机构精度因磨损而严重下降的问题。普通车床的横向进给机构因其使用频繁且承受很大的切削力，所以，磨损程度较其它机床严重，如果能够有效地解决车床的进给精度问题对其它类似的机构都有指导意义。
几十年来，国内外车床一直采用上述的传统结构，操作者在使用过程中必须经常进行调整，并把这项工作列入一级保养内容。因此，增加了工人的劳动强度，降低了设备的利用率，即使这样也不能很好地保证设备的精度。
常见改进方案及存在问题
针对普通车床横向进给机构的进给精度问题国内外专家多采用以下三种解决方案。
1.在中修或项修过程中，更换新的横向进给丝母。必要时，对横向进给丝杠进行修复，然后再配作丝母，这种办法并没有从根本上解决横向定位精度问题。机床只是在修复后最初阶段能够保障横向进给精度，数月后就进人反复调整阶段.而且加大了维修成本。
2.有的专家试图用改进横向进给丝杠支承结构或减小丝杠变形的方法来解决问题。这种方案仅提高了丝杠的刚度，虽然能够间接地减缓丝杠和丝母的磨损，但仍然没有从实质上解决问题。这种方法的缺点是改造的成本和维修费用很大。
3.80年代中期，随着电子技术的进步与发展，国内外的专家们纷纷采用数控或数显技术对机床进行改造。采用数控技术改善机床进给机构精度，尤其是采用闭环控制，很好地解决了进给精度问题。但是这种技术改造成本太高，一般企业无法承受。采用数显技术改善机床进给精度的实例在国内比较多，虽然这种方案比数控技术改造投资小，但考虑到投资收益比，也不适合普通车床这类造价较低的设备改造，一般企业仅把这项技术应用于精、大、稀设备的改造，最常见的是造价几十万元的镗铣床改造。
二·摘要
此设计是经济型中档精度数控车床横向进给系统。面对我国目前机床数量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的面貌。而数控车床（及其系统）已经成为现代机器制造业中不可缺少的组成部分。所以，实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机床。
进给系统是由伺服电机经滚珠丝杠拖动工作台来完成的所以设计涉及伺服电机的选择，滚珠丝杠设计等。目前绝大部分的机床的横向进给均是采用滚珠丝杠来传递运动的，传动的精确性主要取决于丝杠支承形式，丝杠与伺服电机的联接方式。在设计中充分考虑到这两个问题，并且，设计精度须达原始数据。
卧式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，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电机的开环控制系统。
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，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、抗干扰能力强、性/价比高等优点。
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、D/A 转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电机的驱动电源以及主轴交流变频器等。
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的滚珠丝杆螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杆的螺母应有预紧。
计算选择步进电机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙
选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。
三、机械系统的改造设计方案
1、主传动系统的改造方案
卧式车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样减少改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。
提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用2~4速的多速电机和单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于70Hz，原频率可以不更换，但所选变频器得功能应比电动机大）。
其中，当采用有级变速时，可选用浙超力电机有限公司生产的YD系列7.5KW的三湘异步电动机，实现2~4档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推动F1000——G0075T3B，适配7.5KW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。
2、安装电动卡盘
为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床附件总厂生产的电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。
安装自动回转刀架
为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B——CK6140型四工位立式电动机，自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。
螺纹编码器的安装方法
螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。
当中，改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24mm，Z向的进给脉冲当量是半脉冲，
所以螺纹编码器每转—传输出的脉冲数应不少于24mm/(0.01mm·脉冲)=2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为90°的A、B相信号，可将A、B经逻辑运算获得2400个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到1200线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个得零位脉冲Z。
基于上述要例选择螺纹编码器的型号为:ZLF-1200Z-05VO-15-CT。电源电压+5V，每转输出1200个A/B脉冲与一个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径15mm,生产厂家为长春光机数显技术有限公司。
螺纹编码器同常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在主轴箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为1：1的同步齿形带与主轴连接起来，需要注意的是编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联结，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。
5．进给系统的改造与设计方案
1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹的编码器。
2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电机与同步带减速箱总成。
3）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。
4）拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板上方安装四工式电动刀架。
5）拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段（长216mm,见书后插页图6-2）锯断保留,拆掉刻度盘附近的两个推力轴承,换上滚珠丝杠副。
6）将横向进给步进电机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相连。
7）拆去三杠（丝杠、光杠与操作杠），更换丝杠的右支承。
改造后的横向进给系统如后插页6-2。
四、进给传动部件的计算和选型
纵、横向进给的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。以下详细介绍横向进给机构。
1．脉冲当量的确定
根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为脉冲为=0.005mm/脉冲，方向（横向）为&x=0.01mm/脉冲。
2切削力的计算
以下是横向切削力的详细计算过程。
设工件材料为碳素结构钢，&b=650MPa;选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角kr=60。，前角ro=10。，刃倾角a= -5。；切削用量为：背吃刀量ap=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度vc=105m/min。
查表，得：C=2795,x=1.0,y=0.75,n=-0.15。
查表，得：主偏角Kr的修正系数K=0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。
由经验公式（3-2），算得主切削力Fc=2673.4N。有经验公式Fc:Ff:Fp=1:0.35:0.4,
算的纵向进给切削力F f = 935.69 N，背向力F p = 1069.36 N。
3.滚珠丝杠螺母副的的计算和选型（横向）
F
（1）计算进给率引力'
m
横向导轨为燕尾型，计算如下：
''''' 1.4(2)m y x X F F f F F G =?+++
=1.46700.2(268021072600)?++?+
2023N ≈
（2）计算最大动负载C 。
0661********.30.530/min 5606030150002710101.220237283s w m v n r L n T L C F N
???=
==????=====?=
（3）滚珠丝杆螺母副的选型 查阅【机电一体化设计手册】，可选用WL20051列2.5
圈外循环螺纹预紧滚珠丝杆副，额定动载荷为8800N ，可满足要求，选定精度为3级。
（4）传动效率η的计算 ： 0'
0''tan tan 4330.965tan()tan(43310)
γηγ?===++ (5)刚度的验算
先画出此横向进给滚珠丝杆支撑方式草图，最大进给率引力为2023，支撑间距L=450mm ；
丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3.
1）丝杠的拉伸或压缩变形量1δ，根据'm F =2023N ，020D mm =，查出
54.210L L δ-=?，可算出： 521
1450 4.210450 1.8910mm L δδ--=?=??=?
由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉紧，故其拉压刚度可以提高4
倍。其实际变形量
'211
0.47104
y mm δδ-=?=? 2)滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ。查【机电一体化设计手册】相关图表，W 系列1列
2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q δ
38.510Q mm δ-=?
因为进行了预紧，故 332118.510 4.251022
Q mm δδ--==??=? 3）支撑滚珠丝杆轴承的轴向接触变形3δ
因为施加预紧力，故
3331
19.410 4.71022
e mm δδ--==??=? 综合以上几项变量之和：
'3123(4.7 4.25 4.7)10δδδδ-=++=++?
=0.001365mm
显然此变形量已大于定位精度要求，应该采用相应的措施修改设计，但因横向溜板受
空间限制，不宜再加大滚珠丝杆直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力，
重新计算如下：
'''''1.4(2)m y z x F F f F F G =?+++
=1155N
（6）压杆稳定性校核 计算失稳时的临界载荷Fk 22
Z K f EI F l π= 式中：E-----丝杆材料弹性模量，对刚E=620.610-?
I------截面惯性矩，丝杆截面惯性矩I=
4164d π l------丝杆两支撑端距离
z f ----丝杆的支撑方式系数，查表知z f =2.00
对于本设计：
I=4164d π=443.14 1.67880.389964
cm ?=；；；；；；；；； 22Z K f EI F l
π==78214N '
67.7K k m F n F == 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求，不会产生失稳。
4.同步带减速箱的设计(横向)
为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能
地减小，传动链中常采用减速传动。本设计中，横向减速箱选用同步带传动。
设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传递的功率P ；主动轮转速n1和传动比i;传
动系统的位置和工作条件等。
根据改造经验，C6140车床纵向步进电动机的最大静转矩通常在
15～25N ·m 之间选择。今初选电动机型号为130BYG5501,五相混合式，
最大静转矩为20N ·m ，十拍驱动时步距角0.72°。运行矩频特性曲
线如图6-4所示。
（1）传动比i 的确定 已知电动机的步距角α=0.72°，脉冲
当量δz=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=6mm 。根据式（3-12）算得
传动比i=1.2。
（2）主动轮最高转速n1 由横向床鞍的最快移动速度U zmax =6000mm/min,可以算出主
动轮最高转速n1=（U zmax /δz ）×α/360=1200r/min 。
（3）确定带的设计功率Pd 预选的步进电动机在转速为1200r/min 时，对应的步进
脉冲频率为∫max =1200×360/(60×a) =1200×360/(60×0.72) Hz =10000Hz 。
从图6-4查得，当脉冲频率为10000Hz 时，电动机的输出转矩约为3.8N ·m ，对应的
输出功率为P O UT =nT/9.55 = 1200×3.8/9.55W ≈478W 。今取P = 0.478kW ，从表3-18
中取工作情况系数KA = 1.2，则由式（3-14），求得带的设计功率P d = K A P =1.2×0.478kW
=0.574kW 。
（4）选择带型和节距P b 根据带的设计功率P d =0.574 kW 和主动轮最高转速n 1
=1200r/min ，从中选择同步带，型号为L 型节距P b =9.525mm 。
（5）确定小带轮齿数Z1 和小带轮节圆直径d1 取Z1 = 15，则小带轮节圆直径d 1 =π
1PbZ =45.48。当n 1 达最高转速1200r/min 时，同步带的速度为U = π1000×6011n d =2.86m/s ，没有超过L 型带的极限速度35m/s 。
（6）确定大带轮齿数Z2 和大带轮节圆直径d 2 大带轮齿数Z 2 =i Z1 =18，节圆直
径d 2 =id 1 =54.57mm 。
（7）初选中心距a 0 、带的节线长度L 0p 、带的齿数z b 初选中心距a 0 =1.1(d 1 +
d 2)=110.06mm ，圆整后取a 0 =110mm 。则带的节线长度为L 0p ≈2a 0 +2
π(d 1 + d 2) + 4a0d2)2+1(d =377.33mm 。根据3-33，选取要接近的标准节线长度p L =381mm ，相应齿数b Z =40。
（8）计算实际中心距a 实际中心距0111.8352p op
L L a a mm -≈+=。
（9）效验带与小带轮的啮合齿数m Z m Z =ent ()7a π2212211=??
????--Z Z Z P Z b ,啮合齿数比6打，满足要求。此处ent 表示取整。
（10）计算基准额定功率P0（所选型号同步带在基准宽带下所允许传递的额定功率）：
()
1000v 20v m T a -=P 式中 a T ——带宽为0s b 时的许用工作拉力，由表查得a T =244.46N ；
m ——带宽0s b 时的单位长度的质量，由表查得m=0.095kg/m;
u ——同步带的带速，由上述（5）可知u=2.86m/s 。
算得o p =0.697kW 。
（11）确定实际所需同步宽带s b
01/1.140()d z P s s K P b b ≥s b
s b ≥0s b 14.1/10???? ??p K p a d
式中 0s b 0s b ——选定型号的基准宽带，由表查得0s b 0s b =25.4mm 。
z k ——小带轮啮合齿数系数，由表查得z k =1。
由上式可得算得14，再根据表（3-22），计算同步带额定功率P 的精确值： 3
2010-????? ??-=v mv b b T k k p s s a w z 式中 w k 为齿宽系数：w k =()1/14.10=s s b b 。
经计算得p =0.697kW ，满足d p p ≥。因此，带的工作能力合格。
5.步进电动机的计算与选型（横向）
（1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq j 已知：滚珠丝杆的公称直径
mm d 400=，总长（带接杆）mm l 1560=，导程mm p h 6=，材料密度
33/1085.7cm kg p -?=；横向移动部件总重量G=1300N ；同步带减速箱大带
轮宽带28mm ，节径54.57mm ，孔径30mm ，轮毂外景42mm ，宽度14mm ；小带轮
宽度28mm ，结晶45.48mm ，孔径19mm ，轮毂外径29mm ，宽度12mm ；传动比2.1=i 。
，可以算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杆的转动惯量
278.30cm kg j s ?=；床鞍折算到丝杆上的转动惯量221.1cm kg j w ?=小带轮的转动惯量
2195.0cm kg j z ?=；大带轮的转动惯量2299.1cm kg j s ?=。在设计减速箱时，初选的横向
步进电动机型号130BYG5501，从表中查得该型号电动机转自的转动惯量233cm kg j m ?=。
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
()2
2155.57/cm kg i j j j j j s w z m eq ?=+++= （2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eq T ，分快速空载启动和承受最大工作负载
两种情况进行计算。
1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩eql T 由式（4-8）可知，eql T 包括三部
分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩max a T 、移动部件运动时折算到电
动机转轴上的摩擦转矩f T 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T 。因
为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，0T 相对于max a T 和f T 很小，可以忽
略不计。则有：
max eql a f T T T =+
（6-1）
根据式（4-9），考虑纵向传动链的总效率η,计算快速空载起动时折算到电动机转轴上
的最大加速转矩：
max 2160eq m a n J n T t =
（6-2）
式中m n ——对应横向空载最快移动速度的步进电机最高转速，单位为r/min ；
a t ——步进电机由静止到加速至所需要的时间，单位时间s 。
其中：
max 0360m v n δ?=
（6-3）
式中max v ——横向空载最快移动速度，任务书指定为6000mm/min ；
α——横向步进电机步距角，为72°；
δ——横向脉冲当量，本例δ=0.01mm/脉冲。
将以上各值代入式（6-3）,算得m n =1200r/min 。
设步进电机由静止到加速至m n 转速所需时间a t =0.41s ，横向传动链总效率η=0.7；则
由式（6-2）求得： 4max 257.55101200. 2.58.600.40.7
a T N m N m π-???=≈?? 由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： ()2c h f F G P T i
μπη+= （6-4）
式中 μ——导轨的摩擦因素，滑动导轨取0.06;
c F ——垂直方向的工作负载，空载时取0；
η——横向传动链总效率，取0.7。
则由式（6-4），得： 0.16(01300)0.006.0.24.20.7 1.2
f T N m N m π?+?=≈??
最后由式（6-1，求得快速空载起动时电动机转矩所承受的负载转矩为：
max 2.82.wql a f T T T N m =+= （6-5）
2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eq T 由式（4-13）可知，2eq T 包括
三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T 、移动部件运动时折算到电动机转轴上
的摩擦转矩t T 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T .0T 相对于t T 和 很小,可以忽略不计.则有:
2eq t f T T T =+ (6-6)
其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T1由式{4-14}计算。本设计中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷F1=.935.69N,则有：
1T = m N m N i P F h
f ·06.1·2
.17.02006.069.9352≈???=ππη 再由式{4-10}计算承受最大工作负载{Fe=2673.4N}情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
()()m N m N i P G F T h C ·72.0·2
.17.02006.013004.267316.021≈???+?=+=ππημ 最后由式{6-6}，求的最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：
m N T T T f t eq ·78.12=+= （6-7） 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：
{}m N T T T eq eq eq ·
82.2,max 21== {3}步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的开环控制，当电网电压降低时其输出转矩会下降，可能造成丢歩，甚至堵转。因此，根据Teq 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本设计中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：
m N m N T T eq j ·28.11·
82.244max =?=≥ (6-8) 对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，由表可知，其最大静转Tjmax= 20N · m,可见完全满足式（6-8）的要求。
（4）步进电动机的性能校核
1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定横向最快工进速度f v m ax =800mm/min,脉冲当量δ=0.01mm/脉冲，由式（4-16）求出电机对应的运行频率f f m ax =800/(60×0.01)Hz ≈1333Hz 。从130BYG5501的运行矩频特性图6-4可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf ≈17N ·m,远远大于最大工作负载转矩Teq2=1.78N ·m,满足要求。
2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定横向最快空载移动速度m ax v =6000mm/min,仿照式（4-16）求出电机对应的运行频率f f m ax =6000/(60×0.01)Hz=10000Hz 。从图6-4查得，在此频率下，电动机的输出转矩m ax T =3.8 N ·m,大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=2.82N ·m,满足要求。
3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度Vmax=6000mm/min, 对应电动机的运行
频率?max=10000Hz 。查表可知130BYG5501的极限运行频率为20000Hz,可见没有超出上限。
4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量eq J =57.55kg.cm,电动机转子自身的转动惯量Jm=33kg.cm,查表可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率?q=1800Hz 。则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为： Hz J J f f m eq q
L 10871=+=
上式说明，要想保证步进电动机起动时不失歩，任何时候的起动频率都必须小于1087Hz 。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100Hz （即100脉冲、s ）。
综上所述，本设计中横向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。
6.同步带传递功率的校核
分两种工作情况，分别进行校核。
（1）快速空载起动 电动机从静止到加速至n m =1200/min,由式（6-5）可知，同步带传
递的负载转矩T eq1=2.82N.m,传递的功率为P=n m T eq1/9.55=1200×2.82/9.55W ≈354.3W
(2) 最大工作负载、最快工作速度 由式（6-7）可知，带需要传递的最大工作负载转矩
T eq2 =1.78N.m ，任务书给定最快工进速度V maxf =800mm/min,对应电动机转速n maxf =(V maxf /〥z )
a/360=160r/min. 传递的功率为P=n maxf T eq2/9.55=160×1.78/9.55W ≈29.8W.
可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率0.697KW 。因此，选择的同步
带功率合格。
五、绘制进给传动机构的装配图
在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传
动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题：
1) 了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等的结构尺寸。
2) 根据载荷特点和支承形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预
紧和调节方式。
3) 考虑各部件之间的定位、连接和调整方式。例如：应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，
保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的连接与定位，同步带减
速箱的安装与定位，同步带的张紧力调节，步进电动机的联接与定位等。
4) 考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如：丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保
护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。
5) 在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺学，考虑装配的顺序，保证安装、调试和
拆卸的方便。
6) 注意绘制装配图时的一些基本要求。例如：制图标准，视图布置及图形画法要求，重
要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的标注，装配技术
要求、标题栏等。
横向进给传动机制的装配图，如后插页的图6-2
六、控制系统硬件电路设计
根据人任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：
1）接收键盘数据，控制LED 显示;
2）接收控制面板的开关与按钮信号;
3）接收车床限位开关信号;
4）接收螺纹编码器信号；
5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；
6）控制X、Z向步进电动机的驱动器；
7）控制主轴的正转、反转与停止；
8）控制多速电动机，实现主轴有级变速；
9）控制交流变频器，实现主轴无级变速；
10）控制切削液泵起动/停止；
11）控制电动卡盘的夹紧与松开；
12）控制电动刀架的自动选刀；
13）与PC机的串行通信。
图6-5为控制系统的原理框图。CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52；由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助与DAC0832；与PC机的串行通信经过MAX233芯片。如下图所示：
数控系统的操作面板布置如图6-6所示。面板设置了48个微动按键，三个船形开关，一只急停按钮，显示器包括1组数码显示管和7只发光二极管。
七，步进电动机驱动电源的选用
本例中X向步进电动机的型号为110BYG5802，Z向步进电动机的型号为130BYG5501，生产厂家为常州宝马集团公司。这两种电动机除了外形尺寸，步距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为5相混合式，5线输出，电动机供电电压DC120~310V，电流5A。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型号。在此，选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为BD5A。它与控制系统的连接如图6-9所示。
八，控制系统的部分软件设计
1.存储器与I/O芯片地址分配
根据地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以算出主机板中存储器与I/O芯片的地址分配，如表6-1所示。
5 结论
经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。其改造涉及到机械、电气、计算机等领域，是一项理论深、实践强的系统工程。在进行数控改造时，应该做好改造前的技术准备。改造过程中，机械修理与电气改造相结合，先易后难、先局部后全局。
参考资料
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（2）徐灏文，机械设计手册，北京：机械工业出版社，1992
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（5）王信义，等，机电一体化技术手册，北京：机械工业出版社，1994
（6）张新义，经济型数控机床系统设计，北京：机械工业出版社，1997
（7）杨俊主，机床数控系统课程设计指导书，北京：科学出版社，1991
（8）戴曙，金属切削机床设计，北京：机械工业出版社，1981
（9）余锡存，单片机原理与接口技术，西安：电子科技大学出版社，2000
（10）
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
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。
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，
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
简易数控机床控制系统设计 学号：0601302009 专业：机械电子工程姓名：浦汉军 2007，9，10 南宁任务： 设计以单片机为控制核心的简易数控机床的数字程序控制器。要求 1、能用键盘控制工作台沿+X、-X、+Y、-Y向运动，以校正工作台位置。 2、可用于加工直线和圆弧。 3、在运行过程中可人工干预而紧急停车。 4、能实现越界报警。 5、可与PC机通讯。 总体方案设计 一、数控系统硬件电路设计 选用MCS-51系列的8031CPU作为数控系统的中央处理机。外接一片EPROM用于存放控制程序、固定批量生产的工件加工程序和数据，再选用一片8kb的6264RAM作为存放试制工件或小批量生产的工件加工程序和数据。由于系统扩展，为使编程地址统一，采用74LS138译码器完成译码法对扩展芯片进行寻址的功能。还要考虑机床与单片机之间的光电隔离、功率放大电路。其设计框图如下图所示： 图1.1 总体设计框图 工作原理：单片机系统是机床数控系统的核心，通过键盘输入命令，数控装置送来的一系列连续脉冲通过环形分配器、光电耦合器和功率放大器，按一定的顺序分配给步进电动机各相绕组，使各相绕组按照预先规定的控制方式通电或断电，这样控制步进电动机带动工作台按照指令运动。1．各单元电路设计
CE ：片选信号，低电平有效，输入 ：读信号，低电平有效，输入 PGM ：编程脉冲输入端，输入 Vpp ：编程电压(典型值为12.5V) Vcc ：电源(+5V) GND ：接地(0V) D 011 D 112D 213D 315D 416D 517D 618D 719A 010A 19A 28A 37A 46A 55A 64A 73A 825A 924A 1021A 1123A 12 2 G N D 14C E 20 PG M 27V c c 28V p p 1 N C 26 O E 22 2764 输出允 许编程 逻辑 译 码 输出缓冲 256 256存储矩阵 A12 A11 ``` A0 OE PGM CE D0 ``` D7
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
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
目录 一、设计目的 二、设计要求 三、设计的内容和步骤 （一）总体设计方案 （二）机械部分改装设计 ①设计机构的性能要求 ②待改装钻床型号的确定 ③控制方式的确定 ④伺服系统的确定 ⑤工作台参数的初步选定 ⑥导轨的选型思路 ⑦滚珠丝杠选型思路 ⑧丝杠和电机连接零件的选取思路 ⑨支承座材料的选取 ⑩轴承类型的选取思路 （三）计算部分 ①确定工作台的尺寸及其重量 ②支承座参数设计 ③滚珠丝杠参数设计 ④滚动导轨参数设计 ⑤电机参数设计
⑥联轴器的选着 （四）设计总结 （五）参考文献 一、设计的目的 通过本次设计，使我们全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本内容和基本知识，初步掌握数控机床的设计方法，并学会运用手册标准等技术资料。同时培养我们学生的创新意识、工程意识和动手能力。 二、设计要求 1、改造后的钻床能够加工最大面积为200×2102 mm，最大工件重量为150kg。 2、数控XY工作台要求孔的定位精度在±0.02mm内，工作台快进速度为2.4m/min，加速时间为：0.2秒。 三、设计的内容和步骤 题目：钻床数控改装——数控XY工作台的设计 设计一套简易数控XY工作台，固定在某一钻床的工作台上。XY工作台的位置控制采用步进电机数控系统，通过上述方案将该普通钻床改装成简易的经济型数控钻床。 （一）、总体设计方案 1、机电一体化机械系统应具备良好的伺服性能（即高精度、 快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足以 下几方面：
（1）转动惯量小在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大 会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度 降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。 所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。 （2）刚度大刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的：①伺服系统动力 损失随之减小。②机构固有频率高，超出机构的频带宽 度，使之不易产生共振。③增加闭环伺服系统的稳定性。 所以在设计时应选用大的刚度的机构。 （3）阻尼合适机械系统产生共振时，系统的阻尼增大，其最大振幅就越小且衰减也快，但大阻尼也会使系统的 稳态误差增大，精度降低，所以设计时，传动机构的阻 尼要选着适当。 此外还要求摩擦小（提高机构的灵敏度）、共振性好（提 高机构的稳定性）、间隙小（保证机构的传动精度），特 别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特 性相匹配。 2、将普通钻床改装成数控钻床，是一项技术性很强的工作。必 须根据加工对象的要求和加工数量的大小实际情况，确定切 实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计。进行改造的 可行性分析，针对某台钻床或钻床的某一部分的现况确定改
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.
新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书 学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计 接受任务日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指导教师指导教师单位机械工程系 设 计(论文)内容目标 培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。 设计(论文)要求 1．论文格式要正确。 2．题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。 3．设计要求学生整个课题由学生独立完成。 4．学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。 论文指导记录 2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。 2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。 2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。 2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。 2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。 参考资料[1]成大先.机械设计手册-轴承[M].化学工业出版社 2004.1 [2]濮良贵纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社 2006.5 [3]李晓沛张琳娜赵凤霞. 简明公差标准应用手册[M].上海科学技术出版社 2005.5 [4]文怀兴夏田.数控机床设计实践指南[M].化学工业出版社 2008.1 [5][日]刚野修一(著). 杨晓辉白彦华(译) .机械公式应用手册[M].科学出版社 2004
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