沈阳理工大学
机电一体化
课程设计计算说明书
题目：卧式车床数控化改造设计所属系部：机械运载学院
专业：机电一体化
班级：101313
学号： 10131304
学生姓名：
指导教师：赵晋芳
2012年 6月 13日
目录
摘要 (2)
设计题目 (3)
1. 设计任务 (4)
2. 总体方案的确定 (5)
3. 机械系统的改造设计方案 (5)
4. 进给传动部件的计算和选型 (8)
4.1 脉冲当量的确定 (8)
4.2 切削力的计算 (8)
4.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向） (9)
4.4 同步带减速箱的设计（纵向） (10)
4、5 步进电动机的计算与选型（纵向） (13)
4.6 同步带传递功率的校核 (17)
5. 绘制进给传动机构的装配图 (17)
6. 控制系统硬件电路的设计 (18)
7. 步进电动机驱动电源的选择 (19)
8. 控制系统的部分软件设计 (20)
8.1 存储器与I/O芯片地址分配 (20)
8.2 控制系统的监控管理程序 (20)
8.3 8255芯片初始化子程序 (21)
8.4 8279芯片初始化子程序 (21)
8.5 8279控制LED显示子程序 (22)
8.6 8279管理键盘子程序 (24)
8.7 D/A电路输出模拟电压程序 (25)
8.8 步进电动机的运动控制程序 (25)
8.9 电动刀架的转位控制程序 (25)
8.10 主轴、卡盘与冷却泵的控制程序 (25)
机电一体化课设的感受与收获 (27)
结论 (28)
谢辞 (29)
参考文献 (30)
摘要
整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。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。
（机电一体化系统设计课程设计指导书）
设计题目：——卧式车床数控化改造设计
普通车床（如C616/C6132、C618/C6136、C620/C6140、C630等）是金属切削加工最常用的一类机床。C6140普通车床的结构布局如图所示。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等，借助成型刀具，还能加工各种成形回转表面。
C6140普通车床的结构布局图
1-床脚2-挂轮3-进给箱4-主轴箱5-纵溜板6-溜板箱
7-横溜板8-刀架9-上溜板10-尾座11-丝杠12-光杠13-床身
机床实体图
普通车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，由光杆或丝杆带动溜板箱、纵溜板以及横溜板产生移动。进给参
数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，
切削次序需要人工控制。
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成用微机控制
的、能独立运动的进给伺服系统；将手动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按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横
向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，
并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。
1. 设计任务
题目：C6140普通车床数控化改造设计
任务：将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下
（1）床身上最大加工直径400 mm ；
（2）最大加工长度1000 mm ；
（3）X 方向(横向)的脉冲当量x δ = 0.005 mm/脉冲,Z 方向(纵向)z δ = 0.01 mm/
脉冲；
（4）X 方向最快移动速度max x v = 3000 mm/min ，Z 方向为max z v = 6000 mm/min ；
（5）X 方向最快工进速度F x v max = 400 mm/min ，Z 方向为zmxF v = 800 mm/min ；
（6）X 方向定位精度± 0.01 mm，Z 方向± 0.02 mm；
（7）可以车削柱面、平面、锥面与球面等；
（8）安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24
（9）安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；
（10)自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信
号；
（11)自动控制冷却泵的启/停；
（12)安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；
（13)纵、横向安装限位开关；
（14)数控系统可与PC 机串行通信；
（15)显示界面采用LED 数码管，编程采用ISO 数控代码。
2. 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，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常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，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。
（7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。
3. 机械系统的改造设计方案
3.1 主传动系统的改造方案
对普通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，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。
若要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速的多速电动机代替原有的单速主电动机；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电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器
时，若工作频率低于70Hz，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。
本例中，当采用有级变速时，可选用浙江超力电机有限公司生产的YD系列7.5kW变极多速三相异步电动机，实现2～４档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3B，适配7.5kW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。
3.2 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KD11250型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。
3.3 换装自动回转刀架
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刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成
3.4 螺纹编码器的安装方案
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，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动本例中，改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24 mm，Z向的进给脉冲当量是0.02 mm/脉冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24 mm /（0.02 mm/脉冲）=1200脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为90o的A、B相信号，可用A、B异或后获得1200个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到600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的零位脉冲Z。
基于上述要求，本例选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。电源电压+5V，每转输出1200个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径15 mm，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。
螺纹编码器通常有两种安装形式：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床头箱的后端，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联接起来。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接，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。
3.5 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，安装螺纹编码器。
（2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动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，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。
（4）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架（5）拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段（长216 mm，见书后图6-2）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。
（6）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相联。
（7）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。
改造后的横向、纵向进给系统分别见图纸。
4. 进给传动部件的计算和选型
纵、横向进给传动部件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。以下详细介绍纵向进给机构，横向进给机构与纵向类似，在此从略。
4.1 脉冲当量的确定
δ= 0.005 mm/脉冲，Z 根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为
x
δ = 0.01脉冲。
方向（纵向）为
z
4.2 切削力的计算
切削力的分析和计算详见相关教材。以下是纵向车削力的详细计算过程
σ＝650 Mpa；选用刀具材料为硬质合金YT15；
设工件材料为碳素结构钢，
b
刀具几何参数为：主偏角r k ＝60°，前角0γ＝10°，刃倾角s λ＝－5°；切削用
量为：背吃刀量p a ＝3 mm ，进给量f =0.6 mm/r ，切削速度c v ＝105 m/min 。
查参考文献1表3-1，得：FC C ＝2795， FC x ＝1.0， FC y ＝0.75，FC n ＝
－0.15。
查参考文献1查表3-3，得：主偏角r k 的修正系krFC 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c F ＝2673.4 N 。由经验公式 c F : f F :p
F ＝1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力f F ＝935.69 N ，背向力p F =1069.36 N 。
4.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）
（1）工作载荷m F 的计算 已知移动部件总重量G=1300 N ；车削力c F =2673.4 N ，
p F =1069.36 N ，f F =935.69 N 。如图3-20所示，根据z F =c F ，y F =p F ，x F =f F 的
对应关系，可得：z F =2673.4 N ，y F =1069.36 N ，x F =935.69 N 。
选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表3-29，取K= 1.15，μ= 0.16，
代入m F ＝)(G F KF z x ++μ, 得工作载荷m F ≈ 1712 N。
（2）最大动载荷Q F 的计算 设本车床Z 向在承受最大切削力条件下最快的进给
速度V=0.8 m/min ，初选丝杠基本导程 h P = 6 mm ，则此时丝杠转速n = 1000V/h P
≈ 133 （ r/min ）。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h ，代入0L = 60 n T / 610，得丝杠寿命系
数0L = 119.7（单位为： 610r ）。
查参考文献1表，取载荷系数w f =1.15，再取硬度系数H f =1，代入式（3—
23），求得最大动载荷N f f f L F m H w a Q 97033≈=。
（3）初选型号
根据计算出的最大动载荷，查表3-31，选择启东润泽机床附件有限公司生
产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40 mm ，基本导程为6 mm ，双螺母滚
珠总圈数为3 3 2 = 6 圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200 N ，满足要
求。
（4）传动效率 的计算
将公称直径0d =40 mm ，基本导程6=h P mm ，代入λ= arctan[ h P / ( π
0d ) ]，得丝杠螺旋升角λ= 442 ′。将摩擦角?=10′，代入η= tan λ / tan(λ
+ ?)，得传动效率 η= 94.2%。
（5）刚度的验算
1）Z 向滚珠丝杠副的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，见书后图
6-3。固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，
左、右支承的中心距离约为a=1497 mm ；钢的弹性模量E ＝5101.2?Mpa ；查表3-33，
得滚珠直径w D =3.9688 mm ，算得:丝杠底径2d =公称直径0d －滚珠直径
W D =36.0312 mm ，则丝杠截2d S π=/4 =1019.64 （2mm ）
2）根据公式Z ＝(W D d /0π)－3，求得单圈滚珠数目Z= 29；该型号丝杠为双螺
母，滚珠总圈数为332 = 6，则滚珠总数量∑Z ＝2936 =174。滚珠丝杠预紧时，
取轴向预紧力YJ F = m F /3≈571 N 。则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的
接触变形量2δ≈0.00117 mm 。
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，
取2δ= 0.000585 mm 。
3）将以上算出的1δ和2δ代入 21δδδ+=总,求得丝杠总变形量（对应跨度1497
mm ） 总δ=0.012555 mm=12.555μm 。
由表3-27知，4级精度滚珠丝杠任意300 mm 轴向行程内行程的变动量允许16
μm ，而对于跨度为1497 mm 的滚珠丝杠，总的变形量总δ只有12.555μm ，可见
丝杠刚度足够。
（6）压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷k F 。查表3-31，
取支承系数k F = 2；由丝杠底径2d = 36.0312mm, 得截面惯性矩64/42
d I π=≈
82734.154mm ；压杆稳定安全系数K 取3（丝杠卧式水平安装)；滚动螺母至轴
向固定处的距离。取最大值1497 mm 。代入式（3-28）,得临界载荷k F ≈51012 N ，
远大于工作载荷 m F （1712N ） 故丝杠不会失稳。
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
4.4 同步带减速箱的设计（纵向）
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。本例中，Z 向减速箱选用同步带传
动，同步带与带轮的计算和选型参见第三章第三节相关内容。
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n 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Z 向步进电动机的最大静转矩通常在15-25 N 2m
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20 N 2m ，
十拍驱动时步距角为0.72o。该电动机的详细技术参数见表4-5，运行矩频性曲
线见图4-1。
图4-1 130BYG5501步进电机运行矩频特性
（1）传动比i 的确定 已知电动机的步距角α= 0.72o，脉冲当量z δ= 0.01 mm/
脉冲，滚珠丝杠导程h P = 6 mm 。根据公式（3-12）算得传动比i = 1.2。
（2）主动轮最高转速1n 由Z 向拖板的最快移动速度max z v =6000mm/min ，可
以算出主动轮最高转速1n =（max z v /z δ）3α/ 360 =1200（r/min ）。
（3）确定带的设计功率d P 预选的步进电动机在转速为1200 r/min 时，对
应的步进脉冲频率为：f = 12003360 / ( 603α) = 10000（Hz ）。
从图6-4查得，当脉冲频率为10000 Hz 时，电动机的输出转矩约为3.8 N 2m ，
对应的输出功率为OUT P = n 3T / 9.55 = 120033.8 / 9.55≈478（W ）。同步带
传递的负载功率应该小于477.5 W ，今取P = 0.487 kW ，从表3-18中取工作情
况系数A K = 1.2，则由式（3-14），求得带的设计功率d P =A K =1.230.32 kW=
0.57 4kW 。
（4）选择带型和节距 根据带的设计功率b P =0.574 kW 和主动轮最高转速
1n =1200 r/min ，从图3-14中选择同步带，型号为 XL 型，节距b P =9.525 mm 。
（5）确定小带轮齿数1Z 和小带轮节圆直径1d 取1Z =15，则小带轮节圆直径
1d = π1
Z P b =40.48mm 。当1n 达最高转速1200r/min 时，同步带的速
度为v=1000601
1?n d π=2.86（m/s ），没有超过XL 型带的极限速度35 m/s 。
（6）确定大带轮齿数2Z 和大带轮节圆直径2d 大带轮齿数2Z =i 1Z =18,节
圆直径 2d =54.57mm 。
（7）初选中心距0a 、带的节线长度OP L 、带的齿数Zb Z 初选中心距0a =1.1
（1d +2d ）=110.06 mm ，圆整后取0a =110mm.则带的节线长度为
mm a d d d d a L OP 33.3774)()(220
12210=-+++≈π
。选取接近的标准节线长度p L =381mm ，相应齿数40=b Z 。
（8）计算实际中心距a 实际中心距mm L L a a OP P 835.1112
0=++
≈。 （9）校验带与小带轮的啮合齿数m Z m Z =7)](22[1221=--Z Z a
Z P ent b
ππ，啮合齿数
6大，满足要求。此处ent 取整。 （10）计算基准额定功率0P 1000
)(20v mv T P a -= 式中 a T ——带宽为0a b 的许用工作拉力，由表3-21查得a T =244.46N ；
m ——带宽为b 的单位长度的质量，由表3-21查得m=0.095kg/m ；
v ——同步带的带速，由上述（5）可知v=2.86 m/s 。
算得 0P = 0.697kW 。
（11）确定实际所需同步带宽度s b
s b ≥41.1/10
0)(P K P b z d s 式中 0s b —选定型号的基准宽度，由表3-21查得0s b = 25.4mm ；
z K —小带轮啮合齿数系数，由表3-22查得z K =1。
由上式算得s b ≥21.42 mm ，再根据表3-11选定最接近的带宽s b =25.4 mm
（12）带的工作能力验算 根据式（3-22），计算同步带额定功率P 的精确值： 320
10)(?-=v mv b b T K K P s s a w z 式中， w K 为齿宽系数:：1)/(41.10==s s w b b K
经计算得P = 0.697 kW ，而d P = 0.574 kW ，满足P ≥d P 因此，带的工作能力合
格。
4.5 步进电动机的计算与选型（纵向）
（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J 已知：滚珠丝杠的公
称直径0d =40 mm ，总长（带接杆)l=1560 mm ，导程h P ＝6 mm ，材料密度
23/1085.7cm kg -?=ρ;纵向移动部件总重量G = 1300 N ；同步带减速箱大带轮宽
度28 mm ，节径48.51 mm ，孔径30 mm ，轮毂外径42 mm ，宽度14 mm ；小带轮
宽度28 mm ，节径40.43 mm ，孔径19mm ，轮毂外径29 mm ，宽度12 mm ；传动比
i =1.2。
参照表4-1，可以算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：
滚珠丝杠的转动惯量s J =30.78 ；拖板折算到丝杠上的转动惯量
w J =1.212cm kg ? ；小带轮的转动惯量1z J =0.952cm kg ?;大带轮的转动惯量
2z J =1.992cm kg ?。在设计减速箱时，初选的Z 向步进电动机型号为130BYG5501，
从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量233cm kg J ?=。
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
222155.57/)(cm kg i J J J J J J s w z 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 分快速空载起动和承受
最大工作负载两种情况进行计算。
1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩eq T eq 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（4-12）式可知，0T 相对于max
a T 和f T 很小，可以忽略不计。则有：
f a eq T T T +=max 1 （4-1）
根据式（4-9），考虑Z 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： ηπ1602max ?=a m
eq a t n J T （4-2）
式中 m n ——对应Z 向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为
r/min ；
a t ——步进电动机由静止到加速至m n 转速所需的时间，单位为s 。
其中： δ
α 360m ax v n m = （4-3） 式中 max v ——Z 向空载最快移动速度，任务书指定为6000 mm/min ；
α ——Z 向步进电动机步距角，为0.72o；
δ ——Z 向脉冲当量，本例δ=0.01 mm/脉冲。
将以上各值代入式（6-3），算得m n =1200 r/min 。
设步进电动机由静止到加速至m n 转速所需时间a t =0.4 s ，Z 向传动链总效率
η = 0.7。则由式（6-2）求得：
)(58.27
.04.06012001055.5724m ax m N T a ?≈?????=-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： i
P G F T h c f πημ2)(+= （4-4） 式中 μ——导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16；
c F ——垂直方向的工作负载，空载时取0；
η——Z 向传动链总效率，取0.7。
则由式（6-4），得： )(24.02
.17.02006.0)13000(16.0m N T f ?≈???+?=π 最后由式（6-1），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：
80.2m ax 1=+=f a eq T T T N 2m （4-5）
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 ，
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 。0T 相对于t T 和f T 很小，可以忽略不计。则有：
f t eq T T T +=2 （4-6） 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T 。本例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f T = 935.69 N ，则有： m N j P F T h t t ?≈???==
06.12.17.02006.069.9352ππη
再计算承受最大工作负载（c F =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：
72.02.17.02006.0)13004.2673(16.02)(≈???+?=+=
ππημi P G F T h c f （N 2m ）
最后由式（6-6），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩
2eq T = t T +f T = 1.78 N 2m （4-7） 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
eq T =max{1eq T ，2eq T }= 2.82 N 2m
（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是开环控制，当
电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据eq
T 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数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 ?=??=≥28.1182.244m ax （4-8）
对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，由表4-5可知，其最大静转矩max j T =
20 N 2m ，可见完全满足（6-8）式的要求。
（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Z 向最快工进速度 f v max =800mm/min ，脉冲当量δ=0.01 mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率
f f max = 800/（6030.01）≈1333(Hz)。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f T max ≈17 N 2m ，远远大于最大工作负
载转矩2eq T =1.78 N 2m ，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Z 向最快空载移动速度 max v =6000mm/min ，求出电动机对应的运行频率max f =6000/（6030.01）
Hz=10000(Hz)。从图6-4查得，在此频率下，电动机的输出转矩max T =3.8 N 2m ，
大于快速空载起动时的负载转矩1eq T = 2.82N 2m ，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max v = 6000 mm/min 对应的电动机运行频率max f = 10000 Hz 。
查表4-5可知130BYG5501的极限运行频率为20000 Hz ，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 =
57.552cm kg ? ，电动机转子自身的转动惯量233cm kg J m ?=，查表4-5可知电
动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率q f =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 1087/1=+=
上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，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，起动频率选得很低，通常只有100Hz
（即100脉冲/s ）。
综上所述，本例中Z 向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要
求。
4.6 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m n =1200 r/min ，由（6-5）式
可知，同步带传递的负载转矩1eq T =2.82 N 2m ，传递的功率为P = m n 31eq T / 9.55
=120032.78/9.55≈354.3W
（2）最大工作负载、最快工进速度 由（6-7）式可知，带需要传递的最大
工作负载转矩2eq T = 1.78 N 2m ，任务书给定最快工进速度f v max = 800mm/min ，
对应电动机转速 f n max =（f v max /z δ）3α/360=160（r/min ）。传递的功率
为 P=f n max 2eq T /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。
5. 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、纵溜板、横溜板、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、联接和调整方法。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联接与定位，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，应注意装配的工艺性，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。比如，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。
6.控制系统硬件电路设计
根据任务书的要求，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）接收操作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）控制冷却泵启动/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6-1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用作程序存储
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于DAC0832；与PC机的串行通信经过MAX233芯片。
图6-1 车床数控系统操作面板布置图
图6-2 控制系统原理框图
控制系统的操作面板布置如图6-1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。
控制系统的主机板电原理图见书后图6-2，键盘与LED显示电原理图见书后图6-8。详细的电路设计原理及电路分析请参考第五章相关内容
7.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7-1所示。
图7-1 BD5A驱动器与控制系统的连接
8. 控制系统的部分软件设计
8.1 存储器与I/O芯片地址分配
根据书后图6-7中地址译码器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 8-1所示。
表8-1 主机板中存储器与I/O芯片的地址分配表
8.2 控制系统的监控管理程序
系统设有7档功能可以相互切换，分别是“编辑”、“空刀”、“自动”、“手动1”、“手动2”、“手动3”和“回零”。选中某一功能时，对应的指
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 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
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 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.
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
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)
普通车床的数控化改造培训资料(doc 36页)
普通车床的数控化改造 第一章绪论 1.1 本文选题的背景及意义 1.1.1 金属切削机床及其在国民经济中的地位 金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，他是制造机器的机器，所以又被称为“工作母机”或“工具机”。 机床的母机属性决定了它在国民经济中的地位。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备，促进机械制造工业的生产能力和工艺水平的提高。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，即为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具。为适应现代化建设的需要，必须大力发展机械制造工业。可见，机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础，而机床则是机械制造工业的基础。一个国际机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。
出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需1～2个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。 (4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。 (5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。 为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有
目录 CE6152普通车床数控化改造摘要.......................................... II Abstract ............................................................... IV 第1章绪论 (1) 1.1本文选题的背景及意义 (1) 1.1.1 概述 (1) 1.1.2数控机床的优越性 (1) 1.1.3数控机床在我国的发展现状 (2) 1.2机床进行数控化改造的必要性 (3) 1.2.1从微观上看改造的必要性 (3) 1.2.2从宏观上看改造的必要性 (4) 1.3机床数控化改造的现状 (4) 1.3.1国外机床改造业的现状 (4) 1.3.2我国机床改造业现状 (5) 1.3.3目前我国数控化改造市场的现状 (5) 1.3.4数控化改造是发展我国数控设备的一个重要方面 (6) 1.4卧式车床数控化改造的特点 (6) 第2章数控化改造方案 (9) 2.1总体设计方案的拟定 (9) 2.2设计参数 (9) 2.3总体方案确定 (9) 第3章介绍CE6152普通车床 (11) 3.1 CE6152机床的组成和主要技术参数 (11) 3.2 加工范围及特点 (13) 3.2.1加工范围 (13) 3.2.2 CE6152车床的加工特点 (13) 3.3 传动系统的介绍 (14) 3.3.1主运动传动系统 (14) 3.3.2进给传动系统 (14) 3.3.3刀架纵横向移动 (15) 3.3.4机动进给量的计算 (15) 3.3.5车削螺纹 (15) 第4章数控系统软、硬件的设计 (17) 4.1数控系统的特点 (17) 4.2硬件设计 (17) 4.2.1单片机的选择 (17) 4.2.2存储芯片的选择 (18) 4.2.3I/O接口芯片 (18) 4.3软件设计 (20) 4.3.1监控模块 (20)