课程设计--CA6140普通车床纵向进给系统的数控化改造（经济型）
目录
目录 (2)
一、设计任务书 (4)
二、设计要求 (5)
2.1总体方案设计要求 (5)
三、机械部分的改造设计和计算 (7)
3.1进给系统机械结构改造设计 (7)
3.2纵向进给伺服系统机械部分的计算与选
型 (8)
3.2.1、传动计算 (8)
3.2.2、切削力计算 (8)
3.2.3、滚珠丝杠设计计算 (9)
3.2.4、步进电机的选择 (10)
四、单片机型数控系统硬件电路设计 (12)
4.1 设计内容 (12)
4.2控制系统的功能要求 (12)
4.3硬件电路的组成： (13)
4.4选择电气元件及电路设计 (13)
4.4.1微机机型和扩展存储器的选择. 13
4.4.2确定I/O接口 (15)
4.4.3键盘接口设计 (15)
4.4.4 步进电机驱动电路设计 (16)
4.4.5 其它辅助电路设计 (16)
五、系统控制软件的设计 (17)
5.1 系统控制软件的主要内容 (17)
5.2 软件设计 (17)
5.2.1 系统控制功能分析 (17)
5.2.2 系统管理程序控制 (18)
5.2.3步进电机控制子程序设计 (18)
5.2.4 编语言程序设计 (21)
六、心得体会 (25)
七、参考文献 (26)
一、设计任务书
课程设计题目CA6140普通车床纵向进给系统的数控化改造（经济型）
学院机械工程学
院
专业
机械制造及其
自动化
年级2010
已知参数和设计要求：
1.工作台重量：W＝800N（粗估）
2.滚珠丝杆导程：T＝6mm（供参考）
3.行程：S＝640mm
4.脉冲当量： ＝0.01mm
5.快速进给速度：min
/
3m
V＝
快
6.快速进给速度：min
/
1m
V＝
进
7.时间常数：t≤100ms
学生应完成的工作：
1.机械结构装配图A1图纸2张，要求视图基本完整、符合标准。
2.数控系统组成框图(或画在设计说明书里面) A2图纸1张。
3.数控系统电气原理图A1图纸1张。
目前资料收集情况（含指定参考资料）：
1.机床设计图册哈工大华中纺织工业大学
2.机床设计手册机械工业出版社
3.机械设计手册化学工业出版社
4.微机接口设计参考书
5.现代机械设计师手册机械工业出版社
课程设计的工作计划：
1.方案论证 1.5天
2.机械部分设计 6.5天
3.电气部分设计 3.5天
4.软件设计 1.5天
5.编写说明书1天（约8000字）
6.准备答辩及答辩1天任务下达日期 2013 年 12 月 23 日完成日期年月
日
指导教师林利红（签名）学生（签名）
二、设计要求
2.1总体方案设计要求
总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。
（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。
（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。
（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS —51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS —51系列单片机扩展系统。
（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。
（5）设计自动回转刀架及其控制电路。
（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。
（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。
（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。
（9） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本
缩短改造周期。
（10）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正 安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。
Y 向
X 向
微 机 机光电隔离功率放大步进电机光电隔离功率放大步进电机上下
经济型数控车床总体方案框图
数控车床改造的总体方案示意图
三、机械部分的改造设计和计算
3.1进给系统机械结构改造设计
进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜
板
刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：
挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。
进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总
成
丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。
溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部
分操
作按钮。
横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝
杠螺
母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。
刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。
3.2纵向进给伺服系统机械部分的计算与选型
进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：计算切削力、滚珠丝杠螺
母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。
已知条件：
1.工作台重量： W ＝800N （粗估）
2.滚珠丝杆导程： T ＝6mm （供参考）
3.行程： S ＝640mm
4.脉冲当量： δ＝0.01mm
5.快速进给速度： min /3m V ＝快
6.切削进给速度： min /1m V ＝进
7.时间常数： t ≤100ms
3.2.1、传动计算
uT 360α
δ=
其中： α——步距角（本设计取0.75?），
δ——脉冲当量（本设计是0.005mm ）
T ——丝杠螺距（本设计取5mm ）。
所以 96.0575.0360
01.0360=??=??=T u αδ
确定齿轮参数：
取 Z 1=48，Z 2=50，m=1.5mm
则 d 1=mZ 1=1.5×48mm=72mm
d 2=mZ 2=1.5×50mm=75mm
b=25mm
3.2.2、切削力计算
主切削力：N f a F p C 7.18643.05.21840184075.075
.0=??==
切深抗力：N F F F c c p 35.9327.18645.05.0)6.01.0(=?==-=
走刀抗力：N
F F F c c f 35.9327.18645.05.0)7.015.0(=?==-=
式中 p a ——切削深度，取p a =2.5mm
f ——进给量，取f =0.3mm/r 。
3.2.3、滚珠丝杠设计计算
三角形—矩形综合导轨车床的轴向力按下列实验公式计算：
N W F KF F c f m 1205)8007.1864(05.035.93215.1)(=+?+?=++=μ
式中 系数K=1.15，摩擦系数μ按氟塑料导轨取0.05。
（1）疲劳强度计算
滚珠丝杠的当量动载荷m C 为:
m Q w m F F F L C 3=
式中 L ——工作寿命，)10(9010
2100060106066g 6转快=???==T T V nT L 。n 为丝杠转速， T 为实用时间寿命，数控机床取)(5000h T =。
w f ——载荷系数，取1.2；
Q f ——精度系数，取1
因此滚珠丝杠的当量动负荷：
N F F F L C m Q w m 7128120512.19033=???==
由该当量动载荷应小于丝杠的额定动负荷，且使用条件为纵向进给，故选择丝杠CMD2505-3。
（2）刚度验算
滚珠丝杠的刚度按照下式校核：
[]δδδδδ≤++=321
丝杠的支撑方式为一端固定，一端简支。
故丝杠拉压弹性位移：
mm 1017101.2175.3-254
1100120535
211-?=???==）（πδAE l F m 丝杠副內滚珠与滚道的接触变形:
m 2600
1205k F 2m 2μδ===， 其中k 2是预紧力为额定载荷的1/3时的接触刚度，查手册得k 2=600。
滚动轴承的接触变形：
3/23/12w 3Z
D 152.0m F ?=）（δ， 初选推力球轴承51104,mm D w 56.5=，14=Z ，代入上式得，m 72.53μδ=。
又因为轴承存在预紧力，所以
m m m μδδμδδμδδ86.22
1,121,25.441332211=='=='==' 丝杠精度取5级，故[]2324.1245.0'
3'2'1=<=++=δδδδδ，合格。
3.2.4、步进电机的选择
（1）负载转矩L M
αη
δπm L F M ?=180 式中
η—— 电机到丝杠的总传递效率，查机械设计手册取齿轮传递效率为 0.99，滚动轴承0.99，推力轴承0.99，联轴器0.99 导程角：。550.4)20
5(tan )(tan 11=?==--ππγd s 效率： 965.0)
10550.4tan(550.4tan )tan(tan '=+=+=φλγη 因此总效率：908.0965.099.099.099.04=???=总η
故 m N F M m L ?=????=?=-845.0909.075.012051001.0180180
3παηδπ （2）滚珠丝杠副预紧引起的附加转矩0M
α
δπ00F K 180M ???= 式中 F 0——丝杠螺母的预紧力，N F F m 7.4013
10==， K ——预紧螺母内部的摩擦系数，取0.2
因此 m N ?=????=???=-061.075
.07.4011001.02.0180F K 180M 300παδπ （3）加速度转矩a M
J t f f M a )(18001-=πα
式中 1f —— 电机工作频率。 切削进给时：Hz v f 166701
.060100016010001=??=?=δ进 空行程时：Hz v f 500001
.060100036010001=??=?=δ快 0f ——突跳起动频率,Hz f 2000=。
t ——加速时间,s t 1.0=。
J ——传动系统折算到电机轴上的等效转动惯量。
对于一级齿轮传动系 统，按下式计算：])180()[()()(23222110d
m J J Z Z J J J πδ++++= 式中，0J 为电机转子惯量，初取27.4cm kg ?；对于材料为钢的圆
柱形零件，其转动惯量可按下式计算：L D J 44108.7-?=
齿轮转动惯量：
2
34411032.15.26.9108.7m kg J ??=???=-- 234421056.15.210108.7m kg J ??=???=--
丝杆转动惯量：
244431037.11102108.7m kg J ??=???=--
电机转子惯量很小，可以忽略
2
323
4323
1093.2)75.01001.080.1(800)1037.11056.1()5048(1032.1m kg J ??=????+?+??+?=-----π 切削进给时：
m N M a ?=??-??=
-563.01093.2)1
.02001667(18075.03π 空行程时： m N M a ?=??-??=
-84.11093.2)1.02005000(180
75.03π 故总转矩： cm kg m N M ?=?=++=36.27746.284.1061.0845.0
综合考虑，查步进电动机技术数据表选用110BF003型直流电动机，能满足使用要求。
四、单片机型数控系统硬件电路设计
4.1 设计内容
（1）按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；
（2）选择计算机或中央处理单元的类型；
（3）根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；
（4）根据控制对象以及系统工作要求设计扩展Ｉ／Ｏ接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；
（5）选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；
（6）绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；
（7）说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。
4.2控制系统的功能要求
（1）z向和x向进给伺服运动控制
（2）自动回转刀架控制
（3）螺纹加工控制
（4）行程控制
（5）键盘及显示
（6）面板管理
（7）其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。
4.3硬件电路的组成：
后面所画大图采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：
（1）CPU采用8031芯片；
（2）扩展程序存储器2732两片，6264一片；
（3）扩展可编程接口芯片8155两片；
（4）地址锁存器，译码器个一个；
（5）键盘电路，显示电路；
（6）光电隔离电路，功率放大功率；
（7）越程报警电路，急停电路，复位电路；
（8）面板管理电路。
RA
CP I/O光功步
外
键盘、
数控系统结构框图
4.4选择电气元件及电路设计
4.4.1微机机型和扩展存储器的选择
确定微机机型就是选择CPU。单片机价格低、可靠性较高，适用于控制，选择单片机做控制器比较合适。
根据总体方案的确定，微机采用MCS-51系列单片机。51系列有三种型号：8031是无ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计就采用8031单片机。
8031单片机是美国Intel公司的产品MCS—51系列单片机的一个型号，是
目前性能较高的8位单片微型计算机。8031单片机内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位定时器，四个八位并行口，一个全功能串行口，可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量为64K字节，具有5个中断源并配有两个优先级，还有21个特殊功能寄存器。
所以8031单片机是一种理想的8位微型计算机，在各种数控系统中的到广泛的应用。
A．程序存储器的扩展
a．选用2732芯片
常用的EPROM存储器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分别为2K、4K、8K、16K，32K。由于车床数控系统包括系统控制程序和加工程序，采用4KB×8的2732芯片。
2732芯片是一个有24根引脚的双列直插式集成元件。该芯片共有13根地址线A0～A12，8根数据线D0～D7，其余的为控制线。
2732低八位地址线和74LS373的输出端连接,高六位地址线直接与8031的P2.0～P2.5连接。它的八位数据线直接与8031的P0口连接。
b．地址锁存器74LS373
单片机规定P0口提供低8位地址线，同时又要作为数据线，所以P0是一个分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低8位地址信息，通常采用74LS373作为地址锁存器。
除74LS373外，74LS273、8282、8212等芯片也可用作地址锁存器，使用时接法稍有不同，由于接线稍繁，多用硬件和价格稍贵，故不如74LS373用得普遍。74LS373作为地址锁存器。D1～D8是输入端，Q1～Q8是输出端，CE是片选端，片选端G与8031单片机的地址锁存信号ALE连接。当片选端G=1时，74LS373的输出端与输入端相通，当G端从高电平返回低电平（下降沿）时，输入的地址信息就被锁入Q1～Q8中。
B．数据存储器的扩展
a．选用6264芯片
数据存储器选用8K×8位的6264芯片。6264低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相接，高5位地址线分别与P2.0～P2.4相连，8位数据线直接接到8031P0口，读写控制引脚OE,WE与8031的读写控制引脚RD,WR直接相连，片选端CE1通过译码电路与8031相连。
b．地址译码器74LS138
外部芯片都通过总线与单片机连接，单片机数据总线分时地与各个外部芯片进行数据传送，故需进行片选控制。若芯片内有多个地址单元时，还要进行片内地址选择。8031单片机应用系统的地址译码规定，外部扩展芯片与数据存储器统一编址，所以外部芯片不仅占用数据存储器一定数量的地址单元，而且要使用读/写信号与读/写指令完成数据传送。
经济型数控硬件结构中采用全地址译码方式。所谓全地址译码是：低位地
址作为片内地址，高位地址用译码器译码，译码器输出的地址选择信号作为片选线连至每个外部芯片的片选端。
地址译码常用74LS138译码器，G1、G2A和G2B是赋能端，A、B、C是选择端，Y0～Y7是输出端。
74LS138地址译码电路输入端出占用了8031单片机的P2.5～P2.7三根高位地址线，剩余的13根地址线用作数据存储器的内地址线。74LS138译码器每一个输出端可接一个外部芯片的片选端实现分时片选控制，因此，一个74LS138译码器的8根输出端可以连接8个8K字节地址空间。单片机的读/写信号经过与门后控制译码器的赋能端G2A、G2B，这就保证只有在读/写状态时译码器输出端才会输出片选。
4.4.2确定I/O接口
8031只有P1口可作为普通I/O口用，所以需扩展。键盘需要32个键，采用矩阵式键盘，需12个I/O口；显示器采用6个LED，需6个I/O接口；两个三相步进电机，采用软件环行分配器，需6个；刀架需4个；紧急停需1个。采用一片8279芯片和一片8255A即可。
键盘/显示器接口采用8279芯片，因为8279芯片是专用的键盘/显示器接口芯片，还可以编程。8279芯片具有消颤（去抖动）、双键同时按下保护功能。显示控制亦按扫描方式工作，可以显示8或16个数码（字符）。LED的个数应满足显示值的要求和便于显示。
8279与单片机8031的连接无特殊要求，除数据线、RESET、WR、RD直接连接外，CS与74LS138译码器输出线Y1相连；8279的IRQ经反相器与8031的中断请求输人线INT1相连；时钟输人端CLK与8031的地址锁存控制端ALE 相连。8279键盘最大可配置8×8个键，实际用了32个键。扫描线信号为SL0～SL2，经74LS138译码器输出的4个列选信号，接入键盘列线。键盘行查询用了RL0～RL7的8根回馈线，接人键盘行线。8279配置的8位共阴极LED显示器，其字位线由扫描线SL0～SL2经译码器、驱动器提供，字段线由OUTA0～OUTBA3、OUTB0～OUTB3通过驱动器提供。
4.4.3键盘接口设计
首先判断键盘上有无键闭合，先送8255的PA口一个数据为00H，使列线PA0～PA7的电平均为0，然后读PB口的PB0～PB2的状况；若不全为“1”，则有键闭合，此时延时10ms去掉抖动后再判断有无键闭合。如无则继续扫描，如有则判断按下的键号。
如确定有键按下时，便开始计算键值。当采用8行4列的键盘时，定义第一行的键为00H～03H，定义第二行键的键值为04H～07H，依次类推。首先判
断是哪一行有键闭合，若第一行有键闭合，设置初值为00H，若第二行有键闭合，则设置初值为04H，依次类推。接着对列线进行扫描以判断是哪一列闭合。方法上使PA0对应的列线输出低电平，其余均为高电平，判断一下是否第一列有键闭合，如有则列计数为00H，与初值相加则为键值，也即是键盘的键号，如无则把低电平移到第二列上再判断，直到四列线全判断完毕，找出列线为止。然后计算键值，最后可根据键号跳转到相应的键功能程序的入口。
4.4.4 步进电机驱动电路设计
(1）脉冲分配器
步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。
（2）光电隔离电路
在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。
（3）功率放大器
脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。
4.4.5 其它辅助电路设计
（１）８０３１的时钟电路
单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。
内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在１.２～１２之间任意选择，耦合电容在５～３０pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。
（２）复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引脚上出现１０ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后ＣＰＵ便从００００Ｈ单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与８０３１复位要求一致时，可以直接相连。
五、系统控制软件的设计
5.1 系统控制软件的主要内容
数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：
1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。
2、零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。
3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。
4、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。
诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。
5、机床的自动加工及手动加工控制程序。
6、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。
5.2 软件设计
5.2.1 系统控制功能分析
数控X-Y工作台的控制功能包括：
（1）、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。
（2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。
（3）、输入和显示加工程序。
（4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描
等功能。
（5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。
（6）、工作台的自动控制。
（7）、工作台的手动控制。
（8）、工作台的联动控制。
5.2.2 系统管理程序控制
管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y 工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。
5.2.3步进电机控制子程序设计
步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。
通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。
（1）时间常数的确定
在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：
3
61010e e T T t --?=?
式中：T 为脉冲时间间隔（ms ）；e t 为单片机机器周期（μs ），在时钟为6MHz 时，e t =2μs 。
（2）步进电机加，减速进给脉冲及脉冲时间间隔的确定
设步进电机加，减速方式为直线加，减速。
要使步进电机不失步，应满足：
m g I T T T ≥+
式中：m T 为步进电机启动力矩；g T 为负载力矩；I T 为惯性力矩。
由步进电机max j T =3。92N 。m ，取步进电机的加速启动力矩
max 0.8660.33920.8660.3101.84M j T T =??=??=
则使步进电机不失不的惯性力矩
101.8496.57 5.27.I m g T T T N cm ≤-=-=
步进电机角加速度
2
245.2710676.25(/)0.779310
I d T rad s J ε--?=≤≤? 又max b b m f d df dt dt t ωεθθ===
式中：m t 为上升到步进电机最高频率所需时间，所以有：
max 21.5166736064.5()676.25
m b f t ms πθε??=≥= 加速脉冲个数：3max 11166764.51053.7622
m n f t -==???= 确定加减脉冲个数都为54个 又因为：max 0.50.5()n n n m
f n ft t t t == 所以脉冲时刻max
2m m n t n t f = 结合361010e e T T t --?=?可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。
EPROM存储器中，时间常数依次安排在首地址为1000H的存储单元中，每个时间常数占据两个字节，低位地址存放时间常数低8位，高位地址存放时间常数高8位。
在程序中，设置加速，恒速，减速脉冲计数器N0，N1，N2。以计数器的值是否为0作为相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示：
图5-3 步进电机控制子程序
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。
数控车床编程与操作课程设计 轴类零件的编程加工 学生姓名：王军 专业：数控技术 学号：20140024 指导教师：鄢明强 所在系部：机电工程系 中国·资阳 2015年11月
课程设计任务书 一、课程设计原始资料 1.查阅相关资料了解数控车床及机械加工工艺； 2.了解典型轴类零件加工的数控车削加工过程相关资料； 3.学习利用课本知识编写数控程序 二、课程设计任务及要求 1.绘制轴类零件标准的零件图一份 2.轴类零件机械加工工艺方案 3.数控加工工序卡一份 4.数控加工课程设计说明书一份 三、课程设计工作量 1．设计说明书 课程设计说明书应包括下列内容：封面、课程设计任务书、中文摘要、英文摘要、目录、前言、正文、参考文献、致谢、附录、评定成绩，并按顺序排列。课程设计说明书的字数应在20000字以上，采用A4纸打印。 2．查阅参考文献 查阅文献10篇以上，其中查阅与课题有关的外文文献2篇以上，并将其中的1篇文献的摘要的原文和译文（不少于3000汉字）附在附录中。 3．设计图纸 毕业设计图纸应符合国家有关制图标准，正确体现设计意图，图面整洁，布置匀称，尺寸标注齐全，字体端正，线型规范。图纸全部由计算机绘制。
四、课程设计进度安排 1.何宁，曾华林，赵云龙﹒数控原理及运用[M]﹒重庆：重庆大学出版社，2004.9 2.郭建平，郭辉﹒车工技术一体化教程[M]﹒北京：北京邮电大学出版社，2014.5 3.苏采兵，王凤娜﹒公差配合与测量技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2013.4 4.彭磊，张国军.钳工技术及技能训练[M].北京：北京理工大学出版社，2012.7 5.黄永荣.金属材料与热处理[M].北京：北京邮电大学出版社，2015.5 6.周怀兵，褚芮.工程制图[M].长沙：国防科技大学出版社，2013.3 7.周讯阳.数控车床编程与操作[M].北京：机械工业出版社，2011.7 六、审批意见 系主任签名： 年月日
数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 1 引言 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。 X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X 、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 2 设计任务 题目：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下： 1. 立铣刀最大直径的d=15mm ； 2. 立铣刀齿数Z=3; 3. 最大铣削宽度e a =15mm; 4. 最大背吃刀量p a =8mm; 5. 加工材料为碳素钢活有色金属。 6. X 、Y 方向的脉冲当量x y δδ==0.01mm;
7. X 、Z 方向的定位精度均为0.04mm; 8. 重复定位精度为0.02mm; 9. 工作台尺寸 250×250㎜; 10.X 坐标行程 300mm; 11.Y 坐标行程 120mm; 12.工作台空载进给最快移动速度：V xmaxf =V zmaxf =1500mm/min; 13.工作台进给最快移动速度:max max 400mm /min x f z f V V ==; 3 总体方案确定 3.1机械传动部件的选择 3.1.1导轨副的选用 要设计数控车床X-Z 工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 3.1.2丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.004mm 冲当量和01.0±mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 3.1.3伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.01mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1500mm/min ，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。 3.1.4减速装置的选用 为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，需要设置减速装置，且应有消间隙机构。因此决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 3.1.5检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所
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
目录 1、前言 (2) 2、控制系统硬件的基本组成 (2) 2.1系统扩展 (2) 2.1.1 8031芯片引脚 (3) 2.1.2 数据存储器的扩展 (6) 2.1.3 数据存储器的扩展 (7) 3、控制系统软件的组成及结构 (9) 3.1 监控程序 (10) 3.1.1 系统初始化 (10) 3.1.2 命令处理循环 (10) 3.1.3 零件加工程序（或作业程序）的输入和编辑 (10) 3.1.4 指令分析执行 (10) 3.1.5 系统自检 (11) 3.2 数控机床控制系统软件的结构 (11) 3.2.1 子程序结构 (12) 3.2.2 主程序加中断程序结构 (12) 3.2.3 中断程序结构 (12) 4 、心会得体 (13) 5 、参考文献 (14)
1 、前言 数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。数控机床控制系统的作用是使数控机床机械系统在程序的控制下自动完成预定的工作，是数控机床的主要组成部分。 2、控制系统硬件的基本组成 数控机床控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统在使用中的控制对象各不相同，但其硬件的基本组成是一致的。控制系统的硬件基本组成框图如图1所示。 图1 控制系统硬件基本组成框图 在图1中，如果控制系统是开环控制系统，则没有反馈回路，不带检测装置。 以单片机为核心的控制系统大多采用MCS-51系列单片机中的8031芯片单片机，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。 2.1系统扩展 以8031单片机为核心的控制系统必须扩展程序存储器，用以存放程序。同时，单片机内部的数据存储器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存储
前言........................................................................................................................ 3 1 机床进给传动控制方向的选择 .. (4) 1.1 开环控制系统 ...................................................................................... 4 1.2 闭环控制系统 ...................................................................................... 4 1.3 半闭环控制系统 .................................................................................. 4 2 传动系统的设计 .. (5) 2.1 直联传动系统 ...................................................................................... 5 2.2 带传动系统 .......................................................................................... 5 2.3 传动系统图 .......................................................................................... 5 3 数控车床伺服进给系统X 轴设计 . (6) 3.1 确定滚珠丝杠副的导程()mm P h ......................................................... 6 3.2 确定当量转速与当量载荷 .................................................................. 6 3.3 预期额定动载荷()N C am ..................................................................... 7 3.4 确定允许的最小螺纹底径 .................................................................. 8 3.5 确定滚珠丝杠副的规格代号 .............................................................. 9 3.6 确定滚珠丝杠副预紧力()N F p ......................................................... 10 3.7 对预拉伸的滚珠丝杠副 .................................................................... 10 3.8 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 .................................... 10 3.9 滚珠丝杠副工作图设计 .................................................................... 11 3.10 伺服电动机的选择 .......................................................................... 11 3.11 传动系统刚度 .................................................................................. 12 4 验算 .. (14) 4.1 传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 ................................ 14 4.2 验算滚珠丝杠副临界压缩载荷()N F c .............................................. 15 4.3 验算滚珠丝杠副的临界转速()min n n c ........................................... 15 4.4 验算n D ............................................................................................... 15 4.5 基本轴向额定静载荷oa C 验算： (16)
液压传动课程设计 中国矿业大学机电学院 选修课
设计参数： 不计惯性负载 题目：在某专用机床上有一夹紧进给液压系统，完成工件的先夹紧后、后进给任务，工作原理如下： 夹紧油缸： 快进→慢进→达到夹紧力后启动进给油缸工作 进给油缸： 快进→慢进→达到进给终点→快速退回 夹紧油缸快速退回。 夹紧缸快进速度：0.05m/s 夹紧缸慢进速度：8mm/s 最大夹紧力：40KN 进给油缸快进速度：0.18m/s 进给油缸慢进速度：0.018m/s 最大切削力：120KN 夹紧缸行程：用行程开关调节（最大250mm） 进给缸行程：用行程开关调节（最大1000mm） 一、工况分析： 1．负载分析
已知最大夹紧力为40KN，则夹紧油缸工作最大负载 140 F KN = 已知最大切削力为120KN，则进给油缸工作最大负载 2120 F KN = 根据已知负载可画出负载循环图1(a) 根据已知快进、快退速度及工进时的速度范围可画出速度循环图1(b) 图1(a) 图1(b)
2.确定液压缸主要参数 根据系统工作原理可知系统最大负载约为120KN 参照负载选择执行元件工作压力和主机类型选择执行元件工作压力最大负载宜选取18p MPa =。动力滑台要求快进、快退速度相等，选用单杆液压缸。此时液压缸无缸腔面积1A 与有缸腔面积2A 之比为2，即用活塞杆直径d 与活塞直径D 有d=的关系。为防止液压缸冲击，回油路应有背压2P ，暂时取MPa P 6.02=。 从负载循环图上可知，工进时有最大负载，按此负载求液压缸尺寸。根据液压缸活塞力平衡关系可知： M e F A p A p η+= 2211 212A A = 其中，M η为液压缸效率，取95.0=M η 2 46 2 111046.8910)3.04(95.031448)2 (m p p F A M e -?=?-= - = η m A D 1067.014 .31046.894441 =??== -π m D d 075.0707.0== 将D 和d 按GB2348-30圆整就近取标准值，即
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，
太原科技大学数控技术课程设计 学院：机械工程学院 专业：机械电子工程 班级：机电091201班 姓名：崔世君 学号：200912010103 指导教师：贾育秦 时间：2013年1月15号
数控技术课程设计任务书 一、课程设计题目： 设计轴类零件数控加工工艺规程及数控技术仿真 二、课程设计目的： 通过数控加工工艺课程设计，掌握零件的数控加工工艺的编制及加工方法。 三、课程设计内容： 1.毛坯图一张 2.零件图一张 3.机械加工工艺过程卡一张 4.机械加工工序卡四张 5.仿真结果图一张 6.设计说明书一份 班级：机电091201 学生：崔世君 学号：200912010103 指导教师：贾育秦宋建军 教研室主任：贾育秦
目录 一、前言第3页 二、零件图的工艺分析第3页 1.加工内容第4页 2.毛坯的选择第4页 3.定位基准的确定第4页 4.加工顺序的确定第4页 5.加工工序、工步的确定第5页 三、机床的选择第6页 四、刀具的选择第6页 五、夹具的选择第7页 六、量具的选择第7页 七、切削用量的确定第7页 八、机械加工时间的计算第8页 九、编写数控部分程序第9页 十、数控仿真及其结果第10页十一、总结第13页十二、参考文献第14页
一、前言 制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术是制造业实现自动化、集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不可少的物资手段。数控技术的广泛应用给传统制造业的生产方式、产品结构带来了深刻的变化。也给传统的机械、机电专业的人才带来新的机遇和挑战。 随着我国综合国力的进一步加强。我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心。现如今，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。这就体现了学好数控技术的重要性。 这次课程设计让我们更好的熟悉数控车床、确定加工工艺、学会分析零件、学会简单的程序编程以及数控仿真，为走上工作岗位打下坚实的基础。 二、零件图的工艺分析
摘要 数控机床及其制造系统的柔性化、集成化和网络化水平进一步得到提高，可按照市场需求，实现生产能力快速重组，以适应用户多品种变批量生产的需求，更要在精度上满足客户的需求。 一台机床的精度主要分散在进给系统上，所以若能在进给系统有更高精度的突破，高精度、反向误差小、高负载能力、高可靠性、运行平稳。若满足这些机床的性能指标，从而提高数控机床加工质量和刀具的使用寿命。经济型数控车床适宜加工各种形状复杂的轴、套、盘类零件, 如车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、切槽、倒角、车螺纹等，工艺适应性强，加工效率高，精度高，加工质量稳定，可降低对工人技术熟练程度的要求。数控加工编程容易，操作简单，可广泛适用于汽摩配件、家电、液压气动、轴承、仪器仪表、五金阀门等制造业中、小型零件的批量加工，是理想的中小型机械加工设备。 通过技术调研，我们认为经济型数控机床的开发具有可行性。该项目的实施过程，是根据国内市场的需求分析及调研的结果，确定产品的性能，进行总体设计，部件研制，安装，以及整机的调试等一系列过程，需要设计，制造，供应，机加工，装配等一系列的密切配合。 关键词：数控；经济型；设计
目录 摘要 (1) 目录 (2) 1. 总体方案设计 (3) 1.1 设计任务 (3) 1.2 总体方案确定 (3) 2．经济型数控车床进给运动机械部件设计 (3) 2.1 系统脉冲当量 (4) 2.2 切削力计算 (4) 2.2.1 纵车外圆 (4) 2.2.2 横切端面 (5) 2.3 滚动螺旋副选型计算与验算 (5) 2.3.1 纵向进给丝杠 (5) 2.3.2 横向进给丝杠 (7) 2.3.3 滚珠丝杠副几何参数 (9) 2.4 齿轮传动比计算 (9) 2.4.1 纵向进给齿轮传动比计算 (9) 2.4.2 横向进给齿轮传动比计算 (10) 2.5 步进电机的计算与选型 (10) 2.5.1 等效转动惯量计算 (10) 2.5.2 电机力矩计算 (11) 2.5.3 步进电机性能验算 (12) 2.5.4 步进电机型号确定及主要参数列表： (13) 3. 电气控制原理图设计 (14) 3.1 CPU的选择 (14) 3.2 芯片的介绍 (15) 4. 数控加工编程设计 (18) 4.1 加工零件图 (18) 4.2 加工工艺卡的编写 (19) 4.2 加工程序的编写 (20) 总结 (25) 参考文献 (26)
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
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。
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