普通卧式车床（C6136）经济型数控车床改造

1、 高等教育自学考试毕业论文封面市地：淄博 2011年 3月15日专 业机电一体化姓 名联系电话准考证号档 案 号通讯地址山东省淄博市张店区南定镇山铝花园路8号邮 编论文题目车床数控改造论文页数29指导教师指导教师评估签 名评 审 意 见签 名答辩评估签 名毕业考核成绩主考院校签章年 月 日序 言经济型数控是我国80年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定

2、，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教学环节，也是学生完成工程师基本训练的重要环节。其目的是培养学生综合运用所学的专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题的能力，树立正确的设计思想和工作作风。毕业设计说明书不只反映了设计

3、的思想内容，方法和步骤，而且还反映了学生的文理修养和作风。本说明书分为概述、设计内容、总结三部分，分别介绍了此次设计任务将普通卧式车床（C6136）改造为经济型数控车床；有关经济型数控车床改造总体方案确定及框图、进给伺服系统机械部分设计计算及校核、数控系统硬件电路的设计、加工程序编制；主要是对本次毕业设计的心得。本书在编写过程中，得到了指导老师和各位老师及同学的大力支持和热心帮助，在此表示谢意由于作者水平有限，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者批评指正。目 录第一章 概述1 设计目的-82 设计任务-9第二章 设计内容1 总体方案确定及框图-102 机床进给伺服系统机械部分设计计算及校核-12

4、3 C6136经济型数控车床数控系统硬件电路的设计-274 数控机床加工程序编制-29第三章 总结1 设计体会-30第一章 概 述1.设计目的通过毕业设计，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深时所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识，使认识提高到一个新的水平，通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通过毕业设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了科学性，牢固树

5、立实事求是和严肃认真的工作态度。2.设计任务：(1) 要求：将C6136车床改造成用MCS51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm. 横向：0.005mm(2) 设计参数：最大加工直径：在床面上： 360mm在床鞍上： 200mm最大加工长度：1000mm快进速度：纵向：2.0m/min横向：1.0m/min最大进给速度：纵向： 0.5m/min横向： 0.25m/min代码制：ISO脉冲分配方式：逐点比较法输入方式：增量值，绝对值通用。控制坐标数：2最小指令值：纵向： 0.01mm/st

6、ep横向： 0.005mm/step刀具补偿量：099.99mm进给传动链间隙补偿量：纵向： 0.15mm横向： 0.075mm自动升降速性能： 有(3)工作量： 机床改造总图； 进给伺服系统一个坐标轴（纵向或横向）的机械装配图： 单片机控制系统电路原理图；设计计算说明书。 控制系统总体方案的分析论证的及控制标准图 机械部分设计计算及结构设计说明 硬件电路部分设计说明 加工程序控制及说明第二章 设 计 内 容1.总体方案的确定及框图(1)、总体方案的确定 系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英制螺纹加工等功能，故应选择连

7、续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS51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、性能价格比高等特点，决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺

8、母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。(2)、设计方案 系统运动方式的确定数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统 伺服系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或位流伺服电机驱动。半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作

9、台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。 执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。 尽量肖除传动间隙。例如采用隙齿轮等。 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。 计算机的选择微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、

10、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。(3)绘制总体方案框图（图1） 图 2.机床进给伺服系统机械部分设计计算及校核(1)确定系统的脉冲当量 根据数控机床精度要求确定脉冲当量0.005mm/setp(2) 计算切削力横切端面 查综合作业指导书P13页式中车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切时的式中 走刀方向的切削力（N） 垂直走刀方向的切削力（N） (3)滚珠丝杆螺母副的设计、计算、选型 计算进给牵引力横向进给选为三角型或综合导轨 参考机床设计手册.26.2-2；6.2-3表 查阅综合作业指导书P22页 式中：，切削分力（） G移动部件的重量（N） 表1-1查得横

11、向溜板及刀架重力800N 滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 取=0.15-0.18 K考虑颠复力矩影响的实验系数 取K=1.15 计算最大动负载C 选用滚珠丝杆导轨 参考机床设计手册.3P185-P210 式中：L寿命，以转为一单位 n丝杆转速（r/min） 为最大切削条件下进给速度，可取最高进给速度的1/2-1/3 取 丝杆导程（mm） 初选=5mm T为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h 运转系数，查表3-14一般取1.2-1.5 滚珠丝杆螺母副的选型可采用WD2505外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为9700N,精度等级按表3-17选为级。 传动效

12、率计算 式中：螺旋升角，WD2505 摩擦角取 滚动摩擦系数0.003-0.004 刚度验算横向进给丝杆支承方式图所示，最大牵引力1121.1N,支承间距350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。图计算如下: 丝杆的拉伸或压缩变形量(mm)查阅综合作业指导书图3-4,根据1121.1N,D=25mm查出可算出： 滚珠与螺纹滚道间接触变形量查图3-5得系列列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量因进行了预紧 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形采用推力球轴承8104查阅机床设计手册.表5.9-137,d=20mm,滚动体直径=5.556mm,数量Z=13综合以上几项变形量之和：定位精度 稳定性校

13、核计算临界负载(N) 式中:E材料弹性模量() I截面惯性矩() L丝杆两轴承端距离(cm) 丝杆支承方式系数，从表3.15中查出，一端固定，一端简支为2.00 一般=2.5-4.0,所以 此滚珠丝杆不会产生失稳。 横向滚珠丝杆副的几何参数 (其参数如表1）表1.WD2505滚珠丝杠几何参数参数名称符号关系式WD2505螺纹滚道公称直径25导程5接触角钢球直径3.175滚道法面半径R1.651偏心距e0.045螺纹升角螺杆外径d24.365内径21.788接触直径21.83螺母螺纹直径D28.212内径25.635(4)齿轮传动比计算 横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向脉冲当量，滚珠直径导程

14、=5mm, 初选步进电动机步距角可计算传动比: 考虑到结构上的原因不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板有行程，故此处可采用两级齿轮降速。因进给运动齿轮受力不大，模数m取2，有关参数参照表2表2: 传动齿轮几何参数齿数Z24402025分度圆d=mz48804050齿顶圆52844454齿根圆43753545齿宽(6-10)m20中心距6445 横向步进电机计算和选型 初选步进电机a 计算步进电机负载转矩 式中: 脉冲当量，取 进给牵引力(N) 步距角，初选双拍制为 电机丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为 b 估算步进电机起动转矩根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩(

15、N.cm) 一般横向进给伺服系统取0.4-0.5c 计算最大静转矩查表3-22如取五相十拍，则d 计算步进电机运行频率和最高启动频率 式中:最大切削进给速度 最大快移速度 脉冲当量，取 e 初选步进电机型号 根据估算出的最大静转矩在表3-23中查出90BF004最大静转矩为245N.cm 可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量，应该选用稍大转矩的步进电机，以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床进行类比的要求。决定采用90BF004，步进电机最高空载启动频率为4000Hz,满足空载时(3333.33Hz)的要求。 校核步进电机转矩前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进

16、行校核计算。 等效转动惯量计算计算简图见图2，根据表3-24，经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量可由下式计算: 式中:齿轮及其轴的转动惯量 齿轮的转动惯量 丝杆转动惯量 丝杆导程(cm) G工件及工作台重量(N) G=800(N)a齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算 表3-24所示圆柱体转动惯量计算公式如下: 对于钢材，式中:M圆柱体质量 D圆柱体直径 (cm) L圆柱体长度或原长(cm) 钢材的密度为 因此 基本满足惯量匹配的要求。b电机转矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算:1） 快速空载起动转矩在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下

17、： 式中: 快速空载起动转矩 空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩 折算到电机轴上的摩擦转矩 由于丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩 在采用丝杆螺母副传动时，上述各种转矩可用下式计算： 式中:传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 电机最大角速度 电机最大转速 运动部件最快速度 脉冲当量 步进电机的步距角 运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间(s) 起动加速时间=30(ms) 折算到电机轴上的摩擦转矩 式中: 导轨的摩擦力(N) 垂直方向的切削力(N) G运动部件的总重量(N) 导轨摩擦系数，取=0.15 齿轮降速比 传动链总效率，一般可取0.7-0.8 附加摩擦转矩: 式中: 滚

18、珠丝杆预加负荷，一般取，为进给牵引力(N) 滚珠丝杆导程(cm) 滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取 上述三项合计: 2） 快速移动时所需转矩 3） 最大切削负载时所需要的转矩 式中:折算到电机轴上的切削负载转矩 从上面计算看出、三种工况下，以快速空载所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。从表3-22查出，当步进电机为五相十拍时为则最大静转矩为: 从表3-23查出90BF004最大转矩为为245，大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。 校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性前面已经计算出机床最大快移时，需步进电机的最高起动频率为3333.33Hz,切削进给时所需步进电机运行频率为

19、1666.7Hz从表3-23中查出90BF004型步进电机允许的最高空载起动频率为4000Hz，运行频率为16000Hz，再从图3-15，3-16查出90BF004不进电机起动矩频特性和运行矩频特性如图3所示: 当快速运动和切削进给时，90BF004型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性可以满足要求。(6) 进给伺服系统机械部分结构设计机械部分结构设计的任务是画出进给伺服系统的装配图，用以表达设计构思、设计特点及计算结果，进给伺服系统总图设计： 横向进给伺服系统总图设计横向进给机构可以从俯视图看出，横向进给的齿轮箱和步进电机装在床鞍后面，滚珠丝杆也需用盖板保护。横向进给的手柄可以拆除也可保留，将

20、原机的方刀架拆除，改装自动回转刀架，由计算机控制，根据程序，自动转位、夹紧。从总图中可以看到带动刀架回转的微型电机、齿轮箱。总体图上还画出此车床上加工螺纹的部件光电编码器在数控车床上，利用光电编码器装在主轴或主轴箱中与主轴保持一定传动比的伸出轴上，当主轴旋转一圈时，光电编码器就发出一定数量的脉冲，输入到计算机中，经过计算机的运算控制步进电机，带动滚珠丝杆，使刀架进给一定的螺距。而附录E中光电编码器用弯板装在主轴箱左端面，通过弹性联轴器与主轴箱中一伸出轴相连。因伸出轴不可能与弹性联轴器孔的尺寸完全一致，故还要设计一个中间过渡套。 控制面板上有数码显示，按键、各种指示灯及开关，注意设计时要与硬件电

21、路图一致。 进给伺服系统的装配图经过计算，已知横向进给系统采用90BF004型步进电机。经过二对齿轮减速，齿轮齿数。齿轮模数m=2,滚珠丝杆直径为mm, 滚珠丝杆螺母选用的是外循环沟槽式垫片调隙WD2505。 进行应保证足够应考虑以上问题 设计应保证足够的行程，C6136经济型数控车床，在床面上加工最大尺寸为360mm，横向进给行程至少为185mm，图中设计了两对减速齿轮，减小了齿轮箱体的高度，使横向拖板运动时，防尘盖11不致和箱体上盖4干涉，从图中可以看出横向拖板12最大运动距离为200mm，另外还需注意从横向拖板装刀架的中心到主轴中心的距离必须大于等于行程与方刀架见方及刀头伸出度之和，设计

22、时应注意，主轴中心与床身中心并不重合，C6136车床此尺寸为5mm。C6136车床刀架见方为，刀头伸出长度为30mm左右。 滚珠丝杆与横向导程的平行度应小于0.05mm，为达到此要求，可在镗床上对床鞍两边的装轴承孔在一次装卡中镗出。 为保证滚珠丝杆转动轻快灵活，无阻滞现象，必须使滚珠螺母与两端轴承同轴。在本设计中，滚珠螺母14与横向拖板12之间装有一垫片，通过水平面内滚珠螺母，在垂直面内与两端支承同轴，在通过内六角螺钉20的过孔，调整水平面内滚珠螺母与两端支承同轴，调整好以后，打入定位销21。 滚珠丝杆左右各采用一对径向轴承，在右端又采用一对止推轴承，以承受轴向力。当丝杆受到向右的轴向力时，通

23、过丝杆台阶传给止推轴承15动圈，经钢珠传给止推轴承15不动圈，再通过挡圈，一对径向轴承16的外圈传给法兰盘再传到床鞍上。丝杆受到向左的轴向力通过丝杆右端的圆螺母传给止推轴承的动圈钢珠，经不动圈传给法兰盘、床鞍，此处必注意丝杆所受的轴向力必须传到床鞍等固定体上。另外，要注意止推轴承不动圈和轴颈之间必须画出间隙。 双片消隙齿轮的中间开有三个月牙形的槽放入压簧，并用三个内六角螺钉固定（A-A断面和E-E断面），这种消隙齿轮的装配顺序:首先将双片齿轮相对转过一个齿距，使双片齿轮的齿对齐，弹簧40受压，上紧螺钉29，装入箱体后将螺钉29松开，弹簧40将双片齿轮沿周向错开，以消除与齿轮43的间隙，此时在将

24、螺钉29上紧（因而在设计时，箱壁上要留有可伸入六角扳手的孔，弹簧两端用削扁的销子41压住）此设计中应注意箱体中留足够的扳手空间，双片齿轮5用二个六角螺钉固紧，六角扳手可以齿轮箱体上端面伸入（端盖拆下），六角螺钉和滚珠丝杆在轴向留有足够的空间，但此空间也不宜留得过大，以免加大箱体尺寸，双片齿轮8采用三个开槽螺钉紧固。螺丝刀需从箱体左面孔中伸入（拆去端盖3）。 90BF004型步进电机轴为平键，为防止运转过程中齿轮25从电机上松动滑出，在齿轮25的轮毂上装一顶丝27，（电机轴上钻一小窝）并用铅丝在顶丝口处与齿轮轮毂缠住以防松。3. C6136经济型数控车床数控系统硬件电路的设计 附录H图H-1是用

25、MCS-51系列单片机组成的控制系统，该系统采用8031作CPU，扩展了两片2764芯片、一片6264芯片、两片8155可编程并行I/O接口。 控制系统的功能（1） Z向和X向进给伺服系统运动（2） 键盘显示（3） 自动转位刀架控制（4） 螺纹加工控制（5） 面板控制（6） 行程控制（7） 其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路、功能电路等。 CPU、存储器及I/O接口CPU采用8031芯片，选用6MHz晶体振荡器。它的作为数据总线和地址共用。16位地址线由经地址锁存器74LS373提供8位地址，高8位地址由8031的口直接提供。ALE为地址锁存允许。为低电平时选通外部存储器（EP

26、ROM），相应的指令字节出现在EPROM的数据线（）上，输入到口，8031将指令读入。RESET为复位控制，当RESET输入端出现高电平时，8031被初始化复位，在复位有效期向ALE、PSEN也输出高电平。当RESET输入端返回低电平后，CPU从O地址开始执行程序。（故设计中一定有一片2764芯片连到74LS138的）设计中采用上电复位和开关复位。另外，两片8155的RESET也与8031的RESET管脚相连，它们可同时复位。8031的是片内的定时器/计数器溢出中断申请，由主轴后面的光电编码器输入。当车床车螺纹时，主轴光电编码器向8103发出进给脉冲，用以控制不同导程的螺纹加工。光电编码器还发

27、出一个零位螺纹信号，输入8155(1)的，用以防止车螺纹乱扣。8155(1)主要用于功能键的控制，刀架转位控制以及报警等。其中PA口为输入口，作为功能键的控制管理，刀架控制编辑、空运行、自动、手动I，手动和回零。PB口也是输入口，由面板上的按键分别控制起动、暂停、单段、连续、急停等功能。是换刀回答，当自动转位刀架按指令转位、夹紧，刀架电机停转之后，发出此信号，开始执行进给指令。接光电编码器输出的零位螺纹信号。PC口是输出口，控制自动转位刀架四个刀位的选刀。用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色发光二极管亮，当系统出现异常情况时，输出高电平，经反向后，红色发光二极管亮，实现报警功能。 8

28、155(2)控制步进电机，行程控制，以及键盘，显示电路。其中为输出口，用于控制Z向、X向步进电机运转，Z向步进电机为五相，X向为三相。此系统采用软件分配。键盘显示电路为46键和6位显示器。作为键盘的6条列线，是键盘扫描线，是输出口。接行线作为键盘输入口。是6位数码显示器的位选信号，8031的口是数码显示器的段选信号。接越程限位控制电路，当床鞍或拖板在Z向或X向越程时，即向计算机输入此信号，使进给系统停止。 3、存储器及I/O口芯片地址分配（表3） 表3 数控车床控制系统芯片地址分配芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元地址编码2764(1)000xxxxxxxxxxxxx8K0000H

29、-1FFFH2764(2)001xxxxxxxxxxxxx8K2000H-3FFFH6264010xxxxxxxxxxxxx8K4000H-5FFFH8155(1)I/O00xxx66100H-6105H8155(2)I/O00xxx68100H-8105H4. 数控机床加工程序编制如下图所示，在图中零件外圆85mm不加工，要求编制精加工程序。 程序如下：00001 N001 G50 X200.0 Z350.0 T0101 N002 S630 M03 N003 G00 X41.8 Z292.0 M08 N004 G01 X48.34 Z289.0 F0.15 N005 Z227.0 N006 X50.0 N007 X62.0 W-60.0 N008 Z155.0 N009 X78.0 N010 X80.0 W-1.0 N011 W-19.0 N012 G02 W-60.0 I63.25 K-30.0 N013 G01 Z65.0 N014 X90.0 N015 G00 X200.0 Z350.0 T0100 M09 N016 M06 T0202 N017 S315 M03 N018 G00 X51.0 Z227.0 M08 N019 G01 X45.0 F016 N020 G04 U5.0 N