毕业设计（论文）-CA6140普通车床经济型数控改造的总体方案设计.doc

河北机电职业技术学院毕业设计报告 1 河北机电职业技术学院 毕业设计报告 课题： ca6140 普通车床经济型数控改造的 总体方案设计 系 部： 电气工程系 专 业： 机电一体化技术 班 级： 机电 0801 姓 名： 学 号： 指导老师： 河北机电职业技术学院毕业设计报告 2 目录目录 前言前言-1 1 摘要摘要 -4 4 第第 1 1 章章 绪论绪论 -5 5 1.11.1 数控系统发展及趋势数控系统发展及趋势-5 5 （一）国内外数控系统发展概况（一）国内外数控系统发展概况 -5 5 （二）数控技术发展趋势（二）数控技术发展趋势 -6 6 （三）智能化新一代（三）智能化新一代 pcncpcnc 数控系统数控系统 -9 9 1.21.2 普通机床数控化改造市场普通机床数控化改造市场 -9 9 （一）改造的市场（一）改造的市场 -9 9 （二）进口设备和生产线的数控化改造市场（二）进口设备和生产线的数控化改造市场 -1010 第第 2 2 章章 c6140c6140 普通车床数改的总体方案普通车床数改的总体方案 -1111 2.12.1 主传动系统和进给系统的改造主传动系统和进给系统的改造 -1111 2.22.2 主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器 -1212 2.32.3 主轴脉冲发生器的结构及原理主轴脉冲发生器的结构及原理 -1313 第第 3 3 章章 数改数改 c6140c6140 自动刀架设计自动刀架设计 -1414 3.13.1 自动刀架的分类自动刀架的分类-1414 3.23.2 自动刀架的设计自动刀架的设计-1414 第第 4 4 章章 数改数改 61406140 步进电机的设计步进电机的设计 -1717 4.14.1 步进电机的工作方式步进电机的工作方式-1717 4.24.2 步进电机的选择步进电机的选择-1717 （一）步进电机选用的基本原则（一）步进电机选用的基本原则 -1717 （二）数改（二）数改 c6140c6140 纵向进给系统步进电机的确定纵向进给系统步进电机的确定 -1919 河北机电职业技术学院毕业设计报告 3 （三）数改（三）数改 c6140c6140 横向进给系统步进电机的确定横向进给系统步进电机的确定 -1919 第第 5 5 章章 数改数改 61406140 车床导轨设计车床导轨设计 -1919 5.15.1 导轨的作用导轨的作用-1919 5.25.2 塑料导轨软带塑料导轨软带-2121 第第 6 6 章章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计 -2323 6.16.1 数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成-2323 6.26.2 单板机控制系统的设计单板机控制系统的设计-2424 第第 7 7 章章 ca6140ca6140 生产成本及经济技术分析生产成本及经济技术分析 -2626 第第 8 8 章章 结结 论论 -2727 参考文献参考文献 -2828 致致 谢谢 -2929 河北机电职业技术学院毕业设计报告 4 摘要摘要 我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场 中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对 各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞 销积压，国外机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。这 种现象的出现，除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最 主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及 时针对用户的需求提供满意的产品。 普通机床的数控化改造事业方兴未艾，在我国目前形式下将大批故障机床 尤其是一大批闲置的普通机床进行改造、升级，以较小的投入尽快使这批设备 在经济发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题。 河北机电职业技术学院毕业设计报告 5 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 数控系统发展及趋势数控系统发展及趋势 （一）国内外数控系统发展概况（一）国内外数控系统发展概况 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发 达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在 现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自 动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特 点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前， 数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式 实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超 小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多 学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、 调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上， cad/cam 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，cnc 只能作为非智 能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工 程序在实际加工前用手工方式或通过 cad/cam 及自动编程系统进行编制。 cad/cam 和 cnc 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 cnc 只是一个封闭式 的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件 材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参 数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反 馈控制环节随机修正 cad/cam 中的设定量，因而影响 cnc 的工作效率和产品加 工质量。由此可见，传统 cnc 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构， 限制了 cnc 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此， 对数控技术实行变革势在必行。 河北机电职业技术学院毕业设计报告 6 （二）数控技术发展趋势（二）数控技术发展趋势 1 性能发展方向 (1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 cpu 芯片、risc 芯片、多 cpu 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字 伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精 高效化已大大提高。 (2) 柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖 面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系 统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最 大限度地发挥群控系统的效能。 (3) 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制 功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指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。 数控技术轴，西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4) 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务， 以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种 智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正 向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、 更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领 域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊 控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中 配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿 河北机电职业技术学院毕业设计报告 7 等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、 动态前馈功能， 在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能 大大提高，从而达到最佳控制的目的。 2 功能发展方向 (1) 用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要 求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最 困难的部分之一。当前 internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术 也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用， 人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体 动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示 比例缩放功能的实现。 (2) 科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于 用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技 术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机 技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。 在数控技术领域，可视化技术可用于 cad/cam，如自动编程设计、参数自动设 定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演 示等。 (3) 插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺 纹插补、极坐标插补、2d+2 螺旋插补、nano 插补、nurbs 插补(非均匀有理 b 样条插补)、样条插补(a、b、c 样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补 偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前 馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 (4) 内装高性能 plc 河北机电职业技术学院毕业设计报告 8 数控系统内装高性能 plc 控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具 有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准 plc 用户 程序实例，用户可在标准 plc 用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立 自己的应用程序。 (5) 多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声 音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做 到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生 产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。 3 体系结构的发展 (1) 集成化 采用高度集成化 cpu、risc 芯片和大规模可编程集成电路 fpga、epld、cpld 以及专用集成电路 asic 芯片，可提高数控系统的集成度和 软硬件运行速度。应用 fpd 平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具 有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸 显示，成为和 crt 抗衡的新兴显示技术，是 21 世纪显示技术的主流。应用先进 封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、 减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的 可靠性。 (2) 模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求， 将基本模块，如 cpu、存储器、位置伺服、plc、输入输出接口、通讯等模块， 作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成 不同档次的数控系统。 (3) 网络化 河北机电职业技术学院毕业设计报告 9 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机 床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在 每一台机床的屏幕上。 (4) 通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁 剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭 环控制 模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由 于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如 加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现 加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态 调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式， 易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、cad/cam、伺服控制、自 适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构 成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。 （三）智能化新一代（三）智能化新一代 pcncpcnc 数控系统数控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代 pcnc 数控系统已成为可能。 智能化新一代 pcnc 数控系统将计算机智能技术、网络技术、cad/cam、伺服控制、自 适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制 造过程闭环控制体系。 1.21.2 普通机床数控化改造市场普通机床数控化改造市场 （一）改造的市场（一）改造的市场 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即 我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万 台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年 以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 河北机电职业技术学院毕业设计报告 10 20，fmc/fms 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床 占 60以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是 传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来 的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、 国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益。所以必须大 力提高机床的数控化率。 （二）进口设备和生产线的数控化改造市场进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术 改 造。据不完全统计，从 19791988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项，大约 165.8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥 了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转， 甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产 线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良； 有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成 项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作 用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为 能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。 种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好 了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投 资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大 的改造市场。 河北机电职业技术学院毕业设计报告 11 加工工件 图纸 图2-1 数改620-1b车床总体方案示意图 步进电机 变速箱 步进电机 车床 数控程序 编程 手工 输入 或 变速箱 功率放大器 控制计算机 计算机 磁带 第第 2 2 章章 c6140c6140 普通车床数改的总体方案普通车床数改的总体方案 总体方案总体方案 由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是满足使用要 求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。根据 c6140 车床有关资料 以及数控车床的改造经验，确定总体方案为： 采用微机对数据进行计算处理，由 i/o 接口输出步进脉冲，经一级齿轮减 速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。如图 21 所示。 图 2-1 数改 c6140 车床总体方案示意图 河北机电职业技术学院毕业设计报告 12 齿轮 图2-2 车螺纹及控制电路 8086 pid 光 电 隔 离 电 路 主轴脉冲 发生器 主轴 2.12.1 主传动系统和进给系统的改造主传动系统和进给系统的改造 c6140 型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后 的车床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控 制，但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆 掉进给系统的同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进 给运动之间的联系。同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原 机床的光杠，并且采用单独的步进电机来控制。这样不仅提高了机床的性能和 精度，还提高了机床的使用性能。 1. 机械部分的改造 首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向 小拖板、 横向拖板的丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。 2. 刀架的改造 c6140 普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以， 必须要换成数控自动刀架。 2.22.2 主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器 由于 c6140 普通车床的主传动系统的精度及其灵活性基本满足数改后车床 精度的要求。改造后的车床既需要考虑一定的技术要求，以实现造价低廉、 经济方便的要求。所以在改造时，仍然保留原有的主传动系统，只是为了在车 螺纹时保证主运动与进给运动的联系，在原床头 x 轴输出端上安装一个脉冲发 河北机电职业技术学院毕业设计报告 13 生器，发生脉冲以使步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动，从而完 成车削螺纹的动作，其车螺纹的控制电路如图 22 所示：c6140 普通车床在加 工螺纹时，为了得到符合加工要求的螺距，就必须保证主轴和进给之间的联系。 但是，在数改后的车床上，由于主轴的运动与进给运动之间没有机构上的直接 联系，为了变成这些功能，就设置了主轴脉冲发生器，发出脉冲以使步进电机 准确地配合主轴的旋转而产生进给运动，这样既可以解决了主轴转一转，车刀 进给一个螺距的动作的问题，进而在单片机系统的控制下，保证这种联系的顺 利完成。 2.32.3 主轴脉冲发生器的结构及原理主轴脉冲发生器的结构及原理 图 23 主轴脉冲发生器示意图 脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及 其光电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过 研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。在 光栅盘上刻有明暗条纹，有单条和 1024 个条两组。当平行光束经过光栅盘时， 在光栅盘的另一面就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光 敏管上，从而产生光电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产 生同步脉冲，每转发一个脉冲；1024 条纹的一组通过光栏上两个相位差 /4 河北机电职业技术学院毕业设计报告 14 间距的狭缝，产生两组每转 1024 个脉冲组相差为 /4 的脉冲序列，供给微机 处理，借以判断主轴正、反转，且可以从 1024 个脉冲中均匀地取出 f 个脉冲， 作为中断信号控制插补速度，实现 f 进给控制的目的。 第第 3 3 章章 数改数改 c6140c6140 自动刀架设计自动刀架设计 在零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具，装卸、测量和搬运 零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。数控机床要 提高效率的重要内容之一，就是要缩短非切削时间。为此，近年来带有自动换 刀装置的数控机床（加工中心）得以迅速的发展。自动换刀装置已广泛用于各 种多工序数控机床，台镗床、铣床、车床及组合机床等。使用这种装置，不仅 提高了机床的生产效率，扩大了单功能数控机床的使用范围，而且由于零件在 一次安装中完成多工序加工，大大减少了零件安装定位次数，从而提高了加工 精度。 自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短、刀具 重复定位精度高、足够的刀具存储量、刀库占地面积小及安全可靠等。 3.13.1 自动刀架的分类自动刀架的分类 1.螺旋转位刀架 2.十字槽轮转位刀架 3.凸台棘爪式转位刀架 3.23.2 自动刀架的设计自动刀架的设计 河北机电职业技术学院毕业设计报告 15 从自动转位刀架的工作原理可知，这类刀架由控制系统直接控制，刀架能 自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧这样一系列的动作，下面是数 改 ca6140 车床自动刀架的工作过程如下： 1.刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，步进电机启动正转，通过平键套筒联轴器使 蜗杆轴 1 转动，从而带动蜗轮 2 转动。蜗轮与转轴连接在一起，因此一起转动， 刀架体 7 的内孔加工有螺纹，与转轴连接在一起的丝杠套 5 外圈有螺纹。当蜗 轮开始转动时，由于刀架底座 3 和刀架体 7 上的端面齿处在啮合状态，且丝杠 套轴向固定，因此这时刀架体 7 抬起。 2.刀架转位 当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开，转位套 8 用销钉与丝杠套联接， 随转轴一同转动，当端面齿完全脱开时，转位套正好转过 60 度，球头销 11 在 弹簧力的作用下进入转位套 8 的槽中，带动刀架体转位。 3.刀架定位 刀架体 7 转动，当转到程序指定的刀号时，粗定位销 4 在弹簧的作用下进 入刀体底座的粗定位盘的槽中进行粗定位，同时霍尔开关发出电机反转的指令， 使电机反转。由于粗定位销的限制，刀架体 7 不能转动，使其在该位置垂直落 下，刀架体 7 和刀架底座 3 上的端面齿啮合实现精确定位。 4.夹紧刀架 电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴 1 自身转动，当两端面齿增 加到一定夹紧力时，电动机 1 停止转动，实现了夹紧。 河北机电职业技术学院毕业设计报告 16 河北机电职业技术学院毕业设计报告 17 图 41 自动转位六方刀架 第第 4 4 章章 数改数改 61406140 步进电机的设计步进电机的设计 4.14.1 步进电机的工作方式步进电机的工作方式 步进电机的工作方式和一般电机的不同，是采用脉冲控制方式工作的。只 河北机电职业技术学院毕业设计报告 18 有按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能实现转动。数控机床中采 用的功率步进电机有三相、四相、五相、和六相等。工作方式有单 m 拍，双 m 拍、三 m 拍及 2m 拍，m 是电机的相数。所谓单 m 拍是指每拍只有一相通电， 循环拍数为 m；双 m 拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为 m；三 m 拍是每拍 有三相通电，循环拍数为 m 拍；2m 拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相 通电。一般电机的相数越多，工作方式越多。 由步距角计算可知，循环拍数越多，步距角越小，因此定位精度越高。另 外，通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性、稳定性等都有很大 的影响。步进电机的相数也对步进电机的运行性能有很大影响。为提高步进电 机输出转矩、工作频率和稳定性，可选用多相步进电机，并采用 2m 拍工作方 式。 4.24.2 步进电机的选择步进电机的选择 （一）步进电机选用的基本原则（一）步进电机选用的基本原则 合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统的实际工 作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如 下： （1）步距角 步距角应满足：； mn a i 式中： 传动比； i 系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 mn a （2） 精度 步进电机的精确可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意 位 置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误 差衡量精度比较实用。所选用的步进电机应满足： 河北机电职业技术学院毕业设计报告 19 qi 式中： 步进电机的积累误差； m 系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。 s （3） 转距 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步） ，正常启动并满足对转速的要 求，必须考虑： （4） 启动力矩 一般启动力矩选取为： 0 0.30.5 l m m : 式中： 电动机启动力矩； q m 电动机静负载力矩。 0l m 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电 动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 （5）启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相 应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： top m ff 式中： 极限启动频率； t f 要求步进电机最高启动频率； op m f （二）数改（二）数改 c6140c6140 纵向进给系统步进电机的确定纵向进给系统步进电机的确定 河北机电职业技术学院毕业设计报告 20 0 938.078 1876.16 0.50.5 l q m mn cm: 为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： ； /0.866 qjm mm 所以，步进电机最大静转距为： jm m 1876.16 2166.46 0.8660.866 q jm m mn cm: 步进电机最高工作频率： max max 4000 6666.6 6060 0.01 p v fhz 综合考虑，查表选用 130bf003 型直流步进电动机，能满足要求。 （三）数改（三）数改 c6140c6140 横向进给系统步进电机的确定横向进给系统步进电机的确定 0 101.61 203.22 0.50.5 l q m mn cm: 为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： ； /0.866 qjm mm 所以，步进电机最大静转距为： jm m 203.23 234.67 0.8660.866 q jm m mn cm: 步进电机最高工作频率： max max 2000 6666.6 6060 0.005 p v fhz 综合考虑，查表选用 110bf003 型直流步进电动机，能满足要求。 第第 5 5 章章 数改数改 61406140 车床导轨设计车床导轨设计 河北机电职业技术学院毕业设计报告 21 5.15.1 导轨的作用导轨的作用 导轨的作用主要是对运动部件起导向和支撑作用，也就是支撑运动部件 （如刀架、工作台等） ，并保证运动部件在外力作用下能准确沿着规定方向运动。 因此，导轨的制造精度及性能对机床加工精度、承载能力等有着重要影响。数 控机床对导轨主要有以下几方面要求。 （1）导向精度高 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时与有关基面之间的相互位置的 准确性。无论空载还是加工，导轨都应具有足够的导向精度。这是对导轨的基 本要求。各种机床对于导轨本身的精度都有具体的规定或标准，以保证导轨的 导向精度。 （2）精度保持性好 精度保持性是指导轨能否长期保持原始精度。影响精度保持性的主要因素 是导轨的磨损，此外，还与导轨的结构形式及支撑件（如床身）的材料有关。 数控机床的精度保持性要求比普通机床高，应采用摩擦系数小的滚动导轨，塑 料导轨或静压导轨。 （3）足够的刚度 机床各运动部件所受的外力，最后都由导轨面来承受，若导轨受力后变形 过大，不仅破坏了导向精度，而且恶化了导轨的工作条件。导轨的刚度主要取 决于导轨类型、结构形式、尺寸大小、导轨与机床本身的连接方式、导轨材料、 表面加工质量等。数控机床的导轨截面积通常较大，有时还需要在主导轨外添 加辅助导轨来提高刚度 （4）良好的摩擦特性 数控机床导轨的摩擦系数要小，而且动、静摩擦因数应尽量接近，以见效 摩擦阻力和导轨热变形，使运动轻便平稳，低速无爬行。 此外，导轨结构工艺性要好，便于制造和装配。便于检验、调整和维修， 而且有合理的导轨防护、润滑设施等。 机床导轨按其接触面间的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导 轨 河北机电职业技术学院毕业设计报告 22 三种。目前，数控机床上常用有直线滚动导轨副和镶粘塑料的滑动导轨。 5.25.2 塑料导轨软带塑料导轨软带 导轨软带的材料以聚四氟乙烯为机体，加入青铜粉、二硫化钼、石磨等填充 药混合烧结，并做成厚度为 0.1-2.5mm 的软带状。目前比较常见的导轨软带有 国外的 turcite-b 导轨软带以及国产 tsf 塑料软带。塑料导轨软带有以下几个 显著的特点。 0 2004006008001000 1200 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.10 0.20 0.30 因因/因mm/min) 因因因因 图 6-1 滑动导轨的摩擦速度特性曲线 1. 摩擦性能好 铸铁淬火导轨副的静摩擦因数、动摩擦因数相差较大，几乎相差一倍。而 金属聚四氟乙烯导轨软带的静、动摩擦因数基本不变。图 6-1 为 tsf-铸铁导轨 和铸铁-铸铁导轨的摩擦-速度特性曲线。由图可见，铸铁-铸铁导轨副即使在有 润滑的条件下，摩擦因数也很大，且随速度 v 的增大而降低，摩擦-速度曲线斜 率为负值。而塑料-铸铁导轨副的摩擦因数很低，曲线为正斜率，无论干摩擦或 有润滑都是这样，表明了具有良好的摩擦特性，能防止低诉爬行。 2. 耐磨性好 除了摩擦因数低外，聚四氟乙烯导轨软带材质中含有青铜、二硫化钼和石 墨，因此，本是很即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式 供油即可。此外塑料质地较软，即便嵌入金属碎屑、灰尘等，也不至损伤金属 导轨面和软带本身，可延长导轨副的使用寿命。 河北机电职业技术学院毕业设计报告 23 3. 减振性好 塑料有很好的阻尼性能，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度 有很大的意义。 4. 工艺性能好 可降低对粘贴塑料的金属导轨基体的硬度和表面治疗要求，而且塑料易于 加工，使导轨副接触面获得良好的表面质量。 此外，还有化学稳定性好，维修方便，经济性好等优点。 因因因因 图 6-2 塑料导轨软带的粘结 塑料导轨软带的粘结方法简单，通常采用黏结材料将其贴在所需处，作为 导轨表面。其工艺如下：首先将导轨粘贴面加工至表面粗糙度 3.21.6，有时 为了起定位作用，导轨粘贴面加工成 0.51mm 深的凹槽，如图 6-2 所示；用汽 油或金属清洗或丙酮清洗导轨粘贴面后，用胶黏剂粘合导轨软带，加压初固化 12h 后再合拢到配对的固定导轨或专用夹具上施以一定的压力，并在室温固化 24h，取下清除余胶，即可开油槽和进行精加工。 河北机电职业技术学院毕业设计报告 24 7-1 数控系统硬件框图 i/o 接口 cpu 外设 存储器 ram rom 控制 信号 信号 变换 第第 6 6 章章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计 6.16.1 数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成 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，直接影响整个系统的工作性能。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。 1. 中央处理单元 cpu 2. 总线。包括数据总线（db） 、地址总线（ab）和控制总线（cb） 。 3. 存贮器。包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。 4. 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 直协调工作。存贮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。总线则是 cpu 与存贮器、 河北机电职业技术学院毕业设计报告 25 接口以及其它转换电路联接的纽带，是 cpu 与部分电路进行信息交换和通讯的 必由之路。数控系统硬件框图如 61 所示。 由于 mcs51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯 片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床 改造的需要。c6140 数控改造以 8031cpu 组成的单板机为数控控制系统。也可 直接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置，如南京大方数控设备公 司生产的 jwk 系列数控产品。 6.26.2 单板机控制系统的设计单板机控制系统的设计 1. 硬件配置 存贮器选用 1 片 4k8 的 2732eprom 和 1 片 8k8 位的 6234ram。监控程 序固化在 2732eprom 内，各功能模块程序及常用零件的的加工存放在 2732eprom 内。1 片 6234ram 做为调试程序存放和运行程序的中间数据存放用。 i/o 接口芯片选用 8155 可编程 i/o 扩展接口，它的 a 口做为 x、y 进给系 统步进脉冲的输出口，其中 pa0pa2为 x 向的输出口，pa3pa5为 y 向输出口。 b 口为为位控方式，其中 pb4pb7为-y、+y、-x、+x 的行程越位信号输入。显示 由 8 位 led 构成，具有 24 键的键盘。 2. 存贮器空间分配 单板机可寻址范围是 64k 字节，板上提供的插座占 16k，已插入的芯片占 10k， 其余以备扩展使用。其存贮空间分配如下。 0000h07ffh 2kb eprom 放监控程序 0800h0fffh 2kb eprom 放零件加工程序 1000h17ffh 2kb ram 调试程序 2000h27ffh 2kb ram 测试程序等 3. i/o 口地址分配 单板机设置 i/o 口地址为 809fh 共 32 个口地址，分配如下。 80h83h mcs51 8031 河北机电职业技术学院毕业设计报告 26 84h87h 字形锁存 88h8bh 字位锁存 8ch8fh 读键值 90h9fh 用户使用 4. 光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。 由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器 直接相联，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计 算机和接口电路损坏。所以一般在接口电路功率放大器之间都要接上隔离电路。 河北机电职业技术学院毕业设计报告 27 第第 7 7 章章 ca6140ca6140 生产成本及经济技术分析生产成本及经济技术分析 技术经济学识一门新兴的边缘学科，闯入经济学领域后，只几年时间，技术经济分析 就成了决定企业技术改造、项目投资必不可少的关键手段，编制可行性研究已是申请、审 批项目必不可少的程序。 反之，经济的技术问题，本应是技术部门研究的一个重要课题，却没有引起人们系统 地去考虑。经济的需要是技术进步的动力，而技术的进步是推动经济发展的手段，振兴经 济靠技术。经济问题，从技术方面来分析，是工程技术人员参予企业管理一个很重要的方 面。为此我从这次的毕业设计ca6140 的数控改造，来对它的成本进行一个大体的分析。 本次对 ca6140 的数控改造，保留了原有的床头箱，也就是主传动系统未变，把车床 的进给传动系统和刀架改成了数控机床用的，其中原来的纵向和横向进给系统改成了由滚 珠丝杠副代替光杠的传动，这样原有的刀架改成了数控六方刀架，另外床鞍也有一些小的 改动。 对于本次改造，应尽量改动得越少，降低成本，改动得越好，提高加工精度，缩短加 工工时。对于加工滚珠丝杠，比加工一般的光杠成本要高，再加上其附属结构，其成本比 原来还高。但是，由于用了滚珠丝杠，就使得原来传动箱的一大串齿轮省去了，这样也就 很大的节约了加工齿轮的材料和工时，降低了成本。由于数控六方刀架的成本也比原来的 贵很多，所以当加以数控改造时，其该着成本不会超过 1 万，原机床 ca6140 生产厂家在 东北有沈阳和牡丹江机床厂，其出厂价一般不到 5 万，也就是说改造之后的车床成本比原 有成本高不到 20%。但是当工厂买下此产品进行工作时，可以大大节约加工时间，提高加 工效率。按原有的机床分析：以每一个工人工 1000 元/月计算，每天工作 10 小时，其中可 生产的工件单位 100 个，其生产出的价值按 1500 元/月计算，则厂家的毛利润 500 元/月。 当机床数控改后，由于大大节约了加工工时，在同样的时间内，工人生产的产品能达到原 来的 2-5 倍，甚至更高，就以两倍的关系计算，工人同样每天 10 小时，加工的产品数量为 200 个，工资基本不变，任为 1000 元/月，其生产出的价值变为 3000 元/月，这样工厂的毛 河北机电职业技术学院毕业设计报告 28 利润变成 2000 元/月，经过不了多长时间，改造成本就回来了，同时还大大的盈利了。 第第 8 8 章章 结结 论论 随着微电子技术的发展，我国的机床数控化在近十年来有了很大的发展， 而普通机床的数控化改造后在满足完成同样的加工任务的前提下，可大大降低 技术改造的投资经费，在实际中得到广泛应用。基于对 c6140 普通车床进行经 济型数控改造设计过程中，我认为普通机床的数控改造具有很多的优点、必要 性及其良好的发展趋势。 全功能的数控系统