资源描述
目 录前言 第一章 概述 一、数控机床的生产与发展 二、数控机床的结构及优点 三、数控机床的分类 四、数控系统的基本功能 五、数控机床的发展趋势 六、数控机床改造的必要性以及优点 第二章 CA6140车床的横向数控化改造 一、数控机床改造的设计步骤 二、设计方案的确定 三、机械部分改造设计与计算 四、步进电机的选择 第三章 数控系统的硬件电路设计 一、控制系统的功能要求 二、硬件电路的组成 三、设计说明 总结 致谢 参考资料 附录 附 录表 1 滚珠丝杠的支承方式系数支承方式一端固定 一端自由（F-O）两端游动（S-S）一端固定一端游动（F-S）两端固定（F-F）0.251.002.004.00表 2 步进电机相数、拍数、启动力矩表运行方式相数33445566拍数3648510612Mq/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表3 机床参数表独立式按键电路 8155扩展I/O口的键盘/显示器接口电路内容摘要利用微机改造现有的普通车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工车床，即经济型数控车床。本设计任务是对CA6140普通车床进行数控化改造。利用微机对横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽量少，以降低成本。确定总体方案为：采用微机对数据进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，由放大电路传到步进电机，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠，从而实现横向进给运动。先对系统进行机械部分的设计与计算，主要是纵向进给系统的设计，包括切削力计算 、滚珠丝杠设计计算 、齿轮及转矩有关计算。然后是步进电机的选择与计算，最后为数控系统的硬件电路设计。关键词：机床、改造、转动惯量、滚珠丝杠、步进电机、硬件电路前 言随着科学技术的不断发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新换代越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加，复杂形状零件越来越多，精度要求也越来越高。此外，激烈的市场竞争要求产品研制周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效、高质量加工要求。因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批量多变化零件加工问题的数控加工技术得到了迅猛发展和广泛应用，使制造技术发生了根本性的变化。因此，对于我们机电专业的学生的要求更高、压力更大，我们不仅要掌握机械的基础科目，还要牢固掌握一些专业知识。毕业设计是我们毕业生在毕业前一次重要的实践动手操作过程，是我们完成该专业教学计划的最后的一个极为重要的实践性教学环节,也是对我们三年专业学习的一个总结。它通常要求学生综合运用所学过的基本理论,基本知识与基本技能去独立解决专业范围内的工程技术问题。这对我们即将从事的有关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。数控机床是一个装有数字化程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有号码或其他符号编码指令规定的程序,是一种典型的机电一体化产品。为了能够更好的适应社会的快速发展，我们还得要掌握电子，计算机以及一些重要软件的使用。本次设计共分七部分，前言；第一章讲述概叙述数控机床的产生及发展、数控系统的基本功能、数控机床的发展趋势、机床的优点、数控机床的分类，机床改造的必要性；第二章讲述CA6140车床的改造；第三章大户控系统的硬件设计；总结；致谢；参考资料；附录。因为机床改造设计的知识面非常广，这就需要我们具有全方位的知识水平，不仅学会查阅资料，靠自己解决问题，而且还要学会与人交流合作，对我们走向工作岗位是一个过渡式的培养，对我们的能力也是一个锻炼。由于能力有限，书中多有不足之处，还望老师多多指正。第一章 概述一、数控机床的生产与发展随着科学技术的发展，机电产品日趋精密，产品的精度要求越来越高，更新换代的周期也越来越短。从而促进了现代制造业的发展，尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程控的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。随着科技的进步和生产的发展，机械产品和机械制造技术的内涵正在不断的发生变化。在企业的生产第一线，从事机电产品设计、制造、质量、销售、服务、维修等技术和管理工作的人员，强调要有较宽的知识面和跨学科综合解决工程实际问题的能力。因此，在高等教育的专业技术人才培养上，不仅要求他们学习和掌握计算机技术等多方面的新知识、新技术，而且对切削原理、切削机床和机械制造工艺等必备的理论和知识，要运用全新的观念，重新进行科学的优化组合，以形成新的课程体系与结构。而随着机械技术、微电子技术的飞速发展与应用，机械技术与微电子技术的相互渗透，则标志着机电有机结合的机电一体化技术也在飞速发展。机电有机结合的本质是从系统的 观点出发，用机械技术与微机控制技术构造最佳的一体化系统，从而实现系统或产品的短小轻薄和智能化，达到节能省源，节省材料，多功能、高性能和高可靠性的目的。数控机床是一种装有程控系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其它符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体的讲，把数字化了的刀具移动规迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。 机床技术是70年代发展起来的一种机床自动控制技术。数控机床是典型的机电一体化产品，是高新技术的重要组成部分。采用数空机床，提高机械工业的自动化生产水平和产品质量，是当前机械制造业技术改造的必由之路。现代数控机床是柔性制造单元，柔性制造系统乃至计算机集成组成制造系统中不可缺少的基础设备。目前被广泛应用的数控机床就是典型的机电结合。数控，即数字控制（Numbericalontrol，NC），在机床领域是指用数字华信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。如果采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能，则称为计算几数控（Computeized Numerical Control，CNC）。数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。计算机控制装置（CNC装置）主轴控制单元主轴电机机床进给电机位置检测器可编程器（PLC）输入设备程序速度控制单元图1-1 数控机床框图数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。数控机床具有加工零件精度高、产品质量稳定、自动化程度高、减轻工人劳动强度、大大提高生产率、能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面零件加工的特点，但要实现以上的优点，必须安全、合理的使用数控机床。用好数控机床的关键是提高数控技术人才的综合业务素质。CA6140型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通机床。实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经受到了良好的经济效果。由于产品的多样化，和产品的更新，解决单件、小批量生产自动化迫在眉睫。航空、宇航、造船、电子管工业对解决复杂型状零件加工和高精度零件加工要求越来越高。而刚性自动化不能满足此要求，于是柔性加工和柔性自动化迅速发展起来。微电子技术、自动信息处理、数据处理以及电子计算机的发展，给自动化带来新的概念，推动了机械自动化的发展。采用数字控制技术进行机械加工的思想，开始于40年代。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕尔森斯公司在制造飞机的框架以及直升飞机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径数据进行处理，并考虑了刀具直径的影响，提高了加工精度。1949年作为这一方案的主要承包商帕尔森斯公司，正式接受美国空军的委托，在嘛省理工学院的伺服机构研究实验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年的研究工作，于1952年，试制成功了世界第一台数控机床的研制工作。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，这便是数控的第一代。1953年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制ATP（Automatically Programmed Tools）自动编程系统的开始。1955年，美国空军花费巨额经费订购了100台数控机床，此后两年，数控机床在美国进入飞速发展阶段，市场上出现了商品化的数控机床。1958年，美国克耐杜列克公司也在世界上首先研制成功了带自动换刀装置的数控机床，称之为“加工中心”。1959年，计算机行业研制出年个晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入第二代数控。同时，美国航空工业协会（ATA）和麻省理工学院发展APT程序语言。1960年以后，点位控制数控机床在美国得到了迅速发展，数控技术不仅在机床上得到了实际应用，而且逐步推广到冲压机、绕线机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序编制方面，已由手工编程逐步发展到采用计算机自动编程。除了，ATP数控语言外，又发展了许多自动编程语言。从1960年开始，德国、日本等先进工业国家都陆续开发、生产及使用了数控机床。1965年，出现小规模集成电路。由于体积小，功率低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代，都是采用专业控制计算机的硬逻辑数控系统。装有这类数控系统的机床为普通数控机床，简称NC机床。1967年，英国首先把几台数控机床联接具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（Flexiable Manufacturing system 柔性制造系统）。之后，美国、欧洲、日本也相继进行开发与应用。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格集聚下降。小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多的功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称之为计算机数控系统，（CNC）1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种数控系统，成为第四代数控。而由计算机直接对许多机床进行控制的控制系统，称之为直接控制系统（DNC）。1970年以后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，美，日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统，近20年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛的应用。这就是第五代数控系统，（MNC）。80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC（Flexiable Manufacturing Cell）。FMC和FMS被认为是实现CIMS（Computer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统）的必经阶段和基础。二、数控机床的结构及优点（一） 数控机床结构数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成，图1-2 机床基本结构1.控制介质 控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。 2.数控装置 数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。 3.伺服系统 伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。 4.机床本体 数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。（二）数控机床的优点数控机床较好的解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械 加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。数控机床是一种高效的自动加工机床，是典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有以下特点：1.工异型复杂零件。2.可以实现一机多用，多机看管。3.大大减少专用工装夹具，并有利于提高刀具使用寿命。4.易于保证加工质量，一致性好。5.工件加工周期短、效率高。6.具有广泛的适应性和较大的灵活性。7.可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量。8.可以实现软件误差补偿和优化控制。9.实现柔性自动加工的重要设备，是发展柔性生产和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing ，CAM）的基础。鉴于以上数控机床的优点，以及改造的客观要求，应对普通机床进行数控化改造已经势在必行。三、数控机床的分类目前，数控机床品种齐全，规格繁多，可从不同角度和按照多种原则进行分类。（一）按工艺用途分类1. 金属切削类数控机床 如：数控车床数控铣床数控钻床数控磨床数控镗床以及加工中心等等。2. 金属成型类数控机床 如：数控折弯机数控弯管机数控回转头压力机等。3. 数控特种加工以及其它类型数控机床 如：数控线切割机数控电火花加工机床数控激光切割机床数控火焰切割机床等。（二）按控制的运动的方式分类1. 点位控制数控机床这类数控机床的数控装置只要求精确地控制运动部件从一个坐标点移动到另一个坐标点的定位精度。这类数控机床主要有数控钻床数控镗床数控测量机数控冲剪床等等。2. 直线控制数控机床这类数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且还要保证从一点到另一点之间移动的轨迹是一条直线。这类数控机床包括有数控车床数控镗铣床加工中心等。3. 轮廓控制的数控机床这类数控机床的控制装置能同时控制两个或两个以上的坐标轴，并具有插补功能。对位移和速度进行严格的不间断的控制，即可以曲线或曲面零件。（三）按伺服系统的控制方式分类数控机床按照对被控制量有无检测回馈装置可以分为开环和死循环两种。在死循环系统中，根据测量装置安放的位置又可以将其分为全死循环和半死循环两种。在开环系统的基础上，还发展了一种开环补偿型数控系统。开环控制数控机床，在开环控制中，机床没有检测回馈装置（见图13）。图13 开环控制系统框图数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程,它对 机床移动部件的实际位置不作检验，所以机床加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。 工作过程是: 输入的数据经过数控装置运算分配出指令脉冲,通过伺服机构(伺服组件常为步进电机)使被控工作台移动。 这种机床工作比较稳定、反应迅速、调试方便、维修简单，但其控制精度受到限制。 它适用于一般要求的中、小型数控机床。由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求，所以必须检测它的实际工作位置，为此，在开环控制数控机床上增加检测回馈装置，在加工中时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到很高的加工精度。 死循环控制系统框图如图14所示。 图中A为速度测量组件， C为位置测量组件。当指令值发送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，则没有回馈量，指令值使得伺服电机转动，通过A将速度回馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量回馈回去，在位置比较电路中与指令值进行比较，用比较的差值进 行控制，直至差值消除时为止，最终实现工作台的精确定位。这类机床的优点是精度高、速度快，但是调试和维修比较复杂。其关键是系统的稳定性，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视 。 图14 死循环控制系统框图可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产，模块化的软、硬件，提高了系统的质量和可靠性。所以，现代数控机床都采用 CNC 装置。 半死循环控制数控机床。半死循环控制系统的组成如图15所示。图15 半死循环控制系统框图这种控制方式对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量组件，如测速发电机 A 和光电编码盘 B( 或旋转变压器 ) 等间接检测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位移量，图 15 半死循环控制系统框图用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制 。 从图 15 可以看出，由于工作台没有完全包括在控制回路内，因而称之为半死循环控制。这种控制方式介于开环与死循环之间，精度没有死循环高，调试却比死循环方便。 开环补偿型数控机床。将上述三种控制方式的特点有选择地集中起来，可以组成混合控制的方案 。这在大型数控机床中是人们多年研究的题目，现在已成为现实。 因为，大型数控机床，需要高得多的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度。如果只采用全死循环的控制，机床传动链和工作台全部置于控制环节中，因素十分复杂，尽管安装调试多经周折，仍然困难重重。为了避开这些矛盾，可以采用混合控制方式。在具体方案中它又可分为两种形式：一是开环补偿型；一是半死循环补偿型。这里仅将开环补偿型控制数控机床加以介绍。图16为开环补偿型控制方式的组成框图。它的特点是：基本控制选用步进电机的开环控制伺服机构，附加一个校正伺服电路。通过装在工作台上的直线位移测量组件的回馈信号来校正机械系统的误差。图16 开环补偿型控制框图(四)按数控装置分类数控机床若按其实现数控逻辑功能控制的数控装置来分，有硬线（件）数控和软线（件）数控两种。1. 硬线数控（称普通数控，即NC）。 这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能均由集成电路或分立组件等器件实现。一般来说，数控机床不同，其控制电路也不同，因此系统的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在 70 年代以前应用得比较广泛。2. 软线数控（又称计算机数控或微机数控，即CNC或MNC）。 这类系统利用中、大规模及超大规模集成电路组成 CNC 装置，或用微机与专用集成芯片组成，其主要的数控功能几乎全由软件来实现， 对于不同的数控机床，只须编制不同的软件就可以实现， 而硬件几乎 可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产，模块化的软、硬件，提高了系统的质量和可靠性。所以，现代数控机床都采用 CNC 装置。四、数控系统的基本功能 数控系统是一种位置控制系统。进行零件加工时，总是先将编好的零件程序输入到系统的内存中，而后系统根据输入的程序段插补出理想的轨迹，并控制执行部件加工出合格的零件。可见，输入、插补、伺服控制是数控系统的3个基本功能。（一） 输入 数控系统的输入指零件程序及各种参数的输入。（二） 插补 插补即是根据给定的数学函数，诸如线性函数、圆函数或高次函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点间，确定一些中间点的一种方法。通常在给定直线或圆弧的起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统的插补功能主要由软件完成，目前主要有以下两类插补方法：1.脉冲增量法 脉冲增量法的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲。输出脉冲的最大速率取决与执行一次插补运算所需的时间。这种方法适用与步进电机驱动的开环数控系统，进给速度比较低。2.数字增量法 整个控制系统通过计算机形成闭环。计算机定时采样反馈的实际的位置，将采样结果与插补生成的指令数据进行比较，求得误差信号，进而得出轴进给速度指令。这种方法适用于直流或交流伺服电机驱动的位置采样控制系统。 （三）伺服控制将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电机（步给电机或交、直流伺服电机）的转动，从而带动机床工作台移动。 （四）数控加工技术的主要应用对象下列这些零件最适宜于数控加工：1. 形状复杂、加工精度要求高或用数学方法定义的复杂曲线、曲面轮廓。2. 公差带小、互换性高、要求精度复杂的零件。3. 用普通机床加工时，要求设计制造复杂的专用工装或需很长调整时间的零件。4. 价值高的零件。5. 小批量生产的零件。6. 钻、镗、铰、攻螺纹以及铣削加工联合进行的零件。五、数控机床的发展趋势（一）高速化速度精度是机械制造技术的关键性能指标。提高微处理器的位数和速度是提高数控系统速度的最有效的手段。日本的FANUC公司的数控系统已广泛采用32位CPU，实现位移单位为0.1m,最大进给速度达到100m/min.在数控机床的高速化中,提到主轴旋转速度是非常重要的。目前，许多数控机床采用高速内装式主轴电动机，使主轴的驱动不必通过变速箱，而是直接将主轴与电动机连接成一体装入主轴部件中，其主轴转速可达40000100000r/min。（二）高精度化高精度化一直是数控机床发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度两个方面。目前，加工中心的定位精度就已由过去的5m，提高到现在的1m，预测21世纪超精度加工将进入纳米级加工的时代。（三）高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品的一项关键性指标。提高数控机床系统的可靠性通常可采用故障诊断技术自动检测纠错技术系统恢复技术软件可靠性技术等技术。目前，很多企业正在对可靠性设计技术可靠性实验技术可靠性评价技术可靠性增张性技术以及可靠性管理与可靠性保证体系等进行深入研究和广泛应用。(四)高柔性化柔性是指机床适应加工对象改变的能力。作为数控机床的大脑数控系统，在21世纪将具有最大限度的柔性，能实现多种用途，具体指具有开放性体系结构。(五)高效化数控机床加工提倡以减少工序及辅助时间为主要目的的复合加工，而且正向着多轴多系列控制功能发展。工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序，多表面的复合加工，数控技术的进步提供了多轴和多轴联动控制。（六）复合化复合化包括工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已经模糊了粗精加工工序的概念。而加工中心的出现，又把车铣镗钻等的工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序极限和分开加工的工艺规程。（七）智能化智能化是一种设计思想和观点，是将功能设计和美学设计有机的结合，是技术与经济文化艺术的统一。工业发达国家早已将其广泛用于各种产品的设计中，因此它是经济腾飞提高市场竞争能力的重要手段。六、数控机床改造的必要性以及优点（一） 微观看数控改造的必要性和迫切性：微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1.可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。 2.由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。3.数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。4.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。可实现多任务序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。5.拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 （二）宏观看数控改造的必要性和迫切性:宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。利用微机改造现有的普通车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工车床，机经济性数控车床。（三）数控机床改造的优点数控机床改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工的能力。其数控改造的优点有：1. 从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值。2. 使用多品种，小批量零件的生产。3. 自动化程度高，专业行强，加工精度高，生产效率高。4. 降低对工人技术水平的要求。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。鉴于以上数控机床的优点，以及改造的客观要求，应对普通机床进行数控化改造已经势在必行。第二章 CA6140车床的横向数控化改造一、数控机床改造的设计步骤我国是制造业大国。在新一轮国际产业结构变革中，我国正逐步成为全球制造业的重要基地之一。“以信息化带动工业化，发挥后发优势，推动社会生产力的跨越式发展”是国家发展战略；应用高新技术，特别是信息技术改造传统产业、促进产业结构化升级，将成为今后一段时间制造业发展的主题之一。将普通机床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象的要求和工厂实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计。其改造设计的一般过程如下：对加工对象进行工艺分析，确定工艺方案 被加工工件既是机床改造的依据，又是机床改造后加工的物件。不同形状，不同技术要求的工作，其加工方法就不同，对机床的要求也不相同。例如，对圆柱形状的零件可用车削、外磨等方法加工，平面则一般用铣削，磨平面等方法加工；对精度、表面粗造度要求一般的外圆柱表面，常用车削加工；而精度高和表面粗造度要求低时则要在外圆磨床上加工。在工艺分析基础上，绘制工序图，初步选定切削用量、刀具运动路线，计算（或估算）生产率。然后计算切削力及切削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩等。这是选择方案及驱动部件的依据，目前多用模拟法或测定法完成。（一）分析被改造机床，确定被改造机床类型 改造机床和设计机床是不同的，机床设计是根据设计任务书，对机床进行整体设计，然后将机床的个组成零、部件逐一地制造，最后装成机床.本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对横进给系统进行开环控制，横向进给脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。而机床改造则是围绕某台机床进行工作，不仅要考虑机床本身结构的改造还要考虑工艺系统中的刀具、夹具及其辅助设备的改进，以满足生产需要。在制定机床改造方案时，可先根据制定的工艺方案，初步选定被改造机床的类型，然后对被选定的机床进行认真分析，了解被改造机床的技术规格，技术状况，各部联系尺寸等，分析机床强度和刚度，分析被改造机床能否适应要求以及经济性等。最后确定被改造机床的型号。（二）拟订技术措施，制定改造方案 根据加工对象的要求和被改造机床的实际情况，拟订应采取的技术措施，制定机床的改造方案，选用外购件时，一定要保证质量。在拟订技术措施，制定改造方案的过程中，应充分进行技术经济分析，力求使改造的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的经济效益，使技术的先进性与经济的合理性较好地统一起来。（三）设计或选用数控装置 在满足加工零件要求的同时，尽量使设计的数控装置功能强稳定可靠，通用性好，价格低，或选用国内生产的专用数控装置。（四）进行机床改造的技术设计。（五）绘制机床改造的工作图。二、设计方案的确定CA6140型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通机床。实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经受到了良好的经济效果。由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽量少，以降低成本。确定总体方案为：采用微机对数据进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠，从而实现横向进给运动，方案示意图见下图。图2-1 数控改造的总体方案示意图三、机械部分改造设计与计算（横向）包括传动组件的设计计算及选用、运动部件的惯性计算、步进电机的计算预选型等。（一）切削力的计算横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度已知条件： CA6140机床的部分参数：最大工件直径/mm最大工件长度/mm溜板及刀架重量/N刀架快移速度m/min最大进给速度m/min定位精度mm主电动机功率/kw启动加速时间/ms滚珠丝杠导程/mm床身上床鞍上横向横向横向横向400210750/10006001.20.30.0157.5305左旋1. 横向进给已知条件：行程： S=190mm表2-1 CA6140数控化改造参数步距角： =0.75/step最大切削功率 =式中 主电动机功率，CA6140车床； 主传动系统的总效率，一般为0.70.85，取。则切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削速度（或转速）来计算，即式中 主切削力（N） 最大切削速度（）。按用硬质合金刀具半精车钢件时的速度取。横向进给量为纵向的1/21/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2，则切削力约为纵向切削力的1/2在切断工件时 2. 滚珠丝杠副的计算和选型 滚珠丝杠副的设计主要是型号的选择和性能验算。横向进给为燕尾型导轨，按式计算丝杠轴向进给切削力。其中K=1.4,取，则最大切削力下的进给速度可取最高进给速度的（取），横向最大进给速度为0.3，丝杠导程，则丝杠转速为 丝杠使用寿命时间取为。则丝杠的计算寿命L为 根据工作负载、寿命，按式计算滚珠丝杠副承受的最大动载荷，取 由参照某厂滚珠丝杠副产品样本，可采用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，强度足够用，精度等级选为3级。其几何参数如下：公称直径，导程，螺纹升角，钢球直径，螺杆内径。按式校验丝杠螺母副的传动效率，其中摩擦角丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的。丝杠的变形量计算如下滚珠丝杠截面积，按丝杠螺纹的底径确定：工作负载引起的导程的变化量可用下式计算 则丝杠的拉伸或压缩变形量 =3.7um查表知3级精丝杠允许的螺距误差（1m长）为15m/m，故刚度足够。稳定性验算：由于选用滚珠丝杠为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。3. 减速齿轮设计 根据给定的横向进给脉冲当量0.005mm滚珠丝杠导程，及初选的步进电动机步距角，可计算出传动比故选取齿轮的齿数为：Z1=24, Z2=40, Z3=20, Z4=25;因为进给伺服系统传动功率不大，一般取模数m=12，取m=1.25。所选齿轮参数如下：名称计算公式齿轮Z1齿轮Z2齿轮Z3齿轮Z4齿数z24402025模数m1.251.251.251.25齿宽b20202020压力角a20202020齿顶高haha=m1.251.251.251.25顶隙cC=0.25m0.3150.3150.3150.315齿根高hfHf=ha+c1.56251.56251.56251.5625齿高hH=ha+hf2.81252.81252.81252.8125分度圆直径dD=mz30502531.25基圆直径dbDb=dcosa28.1946.9823.4929.37顶圆直径daDa=d+2ha32.552.527.533.75根圆直径dfDf=d-2hf26.87546.87521.87528.125齿距pP=m3.9273.9273.9273.927齿厚sS=p/21.9631.9631.9631.963齿槽宽eE= p/21.9631.9631.9631.963中心距：a1=0.5（d1+d2）=0.5（30+50）=40mm a2=0.5（d3+d4）=0.5（25+31.25）=28.125mm四、步进电机的选择 刀具最大快速移动速度，床鞍及刀架总重量，驱动系统总效率，滚珠丝杠未预紧时效率,滚珠丝杠导程，公称直径，步进电机的步距角，滑动导轨摩擦因数，步进电机起动加速时间为，预加载荷为最大轴向载荷的1/3，即，试选择电动机的型号，计算转化到电动机轴上的负载转动惯量和负载转矩，并结合步进电机的起动矩频特性，分析在此条件下，步进电动机能否起动。（一）负载转动惯量计算 齿轮的转动惯量 M-圆柱体质量 D-圆柱体直径（cm） L-圆柱体长度或厚度（cm） -材料密度（），对钢材 丝杠的转动惯量，可以从数控技术表5-16中查出： 等效惯量.步进电动机与进给系统负载惯量匹配条件为；参考同类机床，初选反应式步进电动机110BF003，此电动机转动惯量，完全满足惯性匹配的要求。（二）负载转矩计算及最大静转矩选择 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别进行计算1.计算快速空载起动时所需转矩将已知数据代入，考虑了电动机转子的转动惯量以后，传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量折算到电动机轴上的摩擦力矩 式中-导轨的摩擦力（N），-垂直方向的切削力（N）；-运动部件的总重量（N）；-导轨摩擦因数；-齿轮降速比；-传动链总效率，一般可取 附加摩擦力矩式中 -滚珠丝杠预加负荷， -滚珠丝杠导程（m） -滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取则2.快速移动时所需力矩 3.最大切削负载时所需力矩-折算到电动机上的切削负载力矩（）式中：-进给方向最大切削力（N） 从上面计算看出三种工作情况下，以快速空载启动所需力矩最大，所以以此项作为初选步进电动机的依据。 对于工作方式为五项十拍的步进电动机最大静转矩为：从相关资料查出，110BF003型步进电动机最大静转矩为800，大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但需考核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性。（三）步进电动机的空载起动频率 查相关资料知:110BF003型步进电动机允许的最高空载起动频率为1500Hz，运行频率为7000Hz，由步进电机起动矩频特性可看出，当步进电动机起动时，f=2500Hz，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（123.09），直接使用会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（可用软件实现），将起动频率降到2000 Hz时，起动扭矩可增高到200，然后在电路上再采用高低压驱动电路，可将步进电动机输出转矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，由110BF003型步进电动机运行矩频特性知该电动机完全满足，根据上述计算综合考虑，横向进给系统采用110BF003步进电动机能满足要求。第三章 数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统地工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。中央处理单元CPU。总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。I/O输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总想则是CPU与存储器、接口以及其它转换电路联系的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。一、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.行程加工控制；5.键盘及显示器；6.面板管理；7.其他功能：光电隔离，功率放大，报警，急停，复位等。二、硬件电路的组成图中是采用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是采用8031芯片；2.扩展程序存储器2764两片，扩展数据存储器6264一片；3.扩展可编程接口芯片8155两片；4.地址锁存器，译码器各一个；5.键盘电路，显示电路；6.光电隔离电路，功率放大电路；7.越程报警电路，急停电路，复位电路；8.面板管理电路。三、设计说明 1. CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器27128一片（16KB），数据存储器62128（16K）一片。8031的I/O口也不能满足输入输出的要求，本系统也扩展了两片8155可编程接口芯片。 2. 采用74LS139二四译码器的输出作为片选信号。27128，62128，8155（1）和8155（2）的片选信号分别接到译码器的，74LS139的输入A，B分别接8031的 3. 由于27128和62128芯片都是16KB，需要14根地址总线。低8位接74LS139芯片的输出，接8031芯片的，74LS373地址锁存器在选通信号ALE为高电平时直接传送8031口低8位地址，当ALE在高电平变低电平的下降沿时，低8位地址被锁存，此时口可采用向片外传送读写数据。 4. 接口芯片与外设的联接与设计说明如下： 8155（2）输出的指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大电路直接驱动纵向步进电动机的共八相绕组在本系统中采用软件环形分配器方式，虽然运行速度慢一些，但可以省去两个硬件环形分配器，电路比较简单。由于步进电机的每一相绕组需和一个I/O口相连，以便与控制寄存器中某一指定位相对应，因此占用的I/O口数量较多。 8155（2）的作为显示器位选信号，显示器的段选信号则由8031的发出，8155的是键盘扫描输入。行程限位警报信号+Z,-Z,+X,-X分别通过8155（2）的提出中断请求。根据不同的中断口可以直接识别行程方向，此时相应的红灯报警。 8155（1）的接自动回转刀架（四方刀架）。自动回转刀架需要换刀时，由发出刀位信号，表示已完成换刀过程，可以进行切削加工。换刀回答信号经8155（1）的输入计算机，控制刀架开始进给。 8155（1）的接控制面板上的选择开关，设有编辑，空运转，自动，手动（I），手动（）回零等选择方式。 8155（1）的接控制面板上的按钮开关，设有启动，暂停，单段运行，连续运行，急停等操作功能。 加工螺纹时，与车床主轴相连的光点脉冲发生器会发出螺纹加工信号和零位螺纹信号。螺纹加工信号送入8031的P3.4。通过设置不同的时间常数，可以改变主轴每转时的纵向进给量，从而加工出不同螺距的螺纹。零位螺纹信号送入8155（1）的。用来防止多次走刀时螺纹乱扣。5. 系统各芯片采用券地址译码，各存储器及I/O接口芯片地址编码见表，硬件图详见图纸。芯片接74LS139引脚地址选择线片内地址单元地址编码2712800* * * *16K0000H-3FFFH6212801* * * *16K4000H-7FFFH8155（1）RAMI/O1011 1110 * *1011 1111 1111 1*25660BE00H-0BEFFH0BFF8H-0BFFDH8155（2）RAM1111 1110 * *2560FE00H-0FEFFHI/O1111 1111 1111 1*60FFF8H-0FFFDH表2-2 芯片地址编码总 结 机械化是社会生产率发展水平的重要标志。在各个生产部门实现机械化、自动化、利用机械来代替和减轻人们的体力劳动乃至脑力劳动，不断提高生产率，这对我国进行社会主义建设，发展国民经济和逐步实现四个现代化有着极其重要的意义。在我国，机械的创造、发展有悠久的历史。但如今很缺乏专业性技术人才。 纵国内外，制造业正在从计算机数控化制造向计算机智能化柔性制造发展，制造业这个为人类文明发展起到重要作用的老行业，已经不能在依靠本身的力量继续发展下去了。如今信息社会里，信息以过去数倍的速度传播，产品流通的速度也要比过去快上不知几倍，制造能力的高低直接影响企业的发展乃至一个国家的综合国力。反观国内，制造业与建国初期相比可说有了质的飞跃。但和欧美以及日韩等国比起来存在相当大的差距，表现在以下两个方面：第一、国内缺乏熟练的新型技术工人队伍。造成了这样的一个怪现象：某企业，从国外不惜重金引进的制造装备无人会使用，更不要说维护和保养，最终，不得已从外国聘用技工。第二、高技术水平装备的研发相对落后于发达国家，一些高精度制造设备严重依赖进口。认清了当前的趋势，就应奋起直追，这一点，作为中国新一代制造业的接班人我们责无旁贷。通过这次锻炼让我发现了自己的不足，同时也收获了不少东西，相信对我今后发展会起到巨大的作用。在此次的毕业设计中发现自己有很多不足之处，从车床改造、电路图设计中发现要学的东西还很多。通过搞毕业设计对我们所学的知识有所巩固，但最重要的是我们应该学会思考，开拓思路，勇于创新，把自己向专业型技术人才方向培养！ 致 谢我非常感谢我的指导老师唐明媚老师。感谢她她在毕业设计期间对我的细心指导、对我们百说不厌的讲解，使我收获甚多。她严谨的教学态度，感染了我，让我做时不再那么马虎。她不断的督促我们做毕业设计，并给我们制定计划，分阶段完成毕业设计要求，正是有轻快的唐老师的督促，才使我们能按时完成毕业设计。感谢王晓光老师对我们的认真负责。正是有王老师给我们深入浅出的讲解，让我们充分而轻松的接受了上课所学的知识，让我们做其毕业设计来，并不太费力。同时也感谢机械系的任课老师，因为有他们的谆谆教诲、认真负责的授课，让我们学会了很多知识，做毕业设计时才能有思路，并且他们都给了我很大帮助，是毕业设计任务轻松了很多。感谢同学们对我
展开阅读全文