JC02-008@CA6140型车床的经济型数控改造设计（横向）
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JC02-008@CA6140型车床的经济型数控改造设计（横向）,机械毕业设计全套
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I 摘 要 针对现有常规 CA6140 普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了 CA6140 机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以 8031 为CPU的控制系统对信号进行处理，由 I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。 改造过程如下： （ 1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选 择及纵向 、横向机构装配图方案的制定。 （ 2）电气控制部分的设计， 主要 包括 MCS-51系列单片机及扩展 芯片 的选用 和电气控制图的设计。 关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，改造 ntsABSTRACT III ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather C6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate。 This paper presents the process of designing numerical control reform， and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。 We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal， and output the step pulse through the I/O interface。 After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。 Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart. Key words : numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform ntsABSTRACT IV 目 录 摘 要 . ABSTRACT（英文摘要） . 目 录 . 第一章 前言 . 1 第二章 总体方案设计 . 2 2.1 机械部分改造 . 2 2.2 数控系统部分设计 . 2 第三章 机械部分改造设计 . 4 3.1 横向进给系统的设计与计算 . 4 3.1.1 横向进给系统的设计 . 4 3.1.2 横向进给系统的设计计算 . 4 3.1.3 步进电机的选择 . 7 3.2 数控车床的传动装置设计 . 7 3.2.1 螺旋 传动 . 7 3.2.2 轴的结构设计 . 9 3.2.3 透盖的结构设计 . 10 3.2.4 螺母座的结构设计 . 10 3.3 自动转位刀架的设计 . 11 第四章 微机数控系统设计 . 13 4.1 概述 . 13 4.2 数控系统的硬件电路设计 . 13 4.2.1 微机机型和扩展存储器的选择 . 14 4.2.2 确定 I/O 接口 . 15 4.2.3 键盘接口设计 . 16 4.2.4 显示电路设计 . 17 4.3 软件设计 . 18 4.3.1 插补原理及其程序设计 . 19 ntsABSTRACT V 4.3.2 步进电机的控制及其程序设 计 . 21 4.3.3 间隙补偿功能 . 29 4.3.4 键盘的诊断 . 30 4.3.5 自动换刀程序设计 . 31 结论 . 33 参考文献 . 34 ntsABSTRACT 15 1 前言 国外利用数字计算机进行控制加工是从 40 年代开始的。 1952 年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从 60 年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用 数控机床。 1974 年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它 在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。 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。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。 实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值， 为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景 。 本 课题来源于生产实践。将 CA6140 型普通车床改造成经济型数控车床，应能实 现 CA6140 车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求： a横向（ X向） 进给脉冲当量为 0.005mm /脉冲； b进给速度范围：向 3 1000mm/min （无级调速） 快进速度： X向 1000 3000mm/min 内任意设定； c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联动； d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能； e.改造方 便，成本低。 该设计的总体思路是 采用以 8031 单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过 I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，ntsABSTRACT 16 驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将 I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的 损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。 2 总体方案设计 由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是在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。 2.1 机械部分改造 横向进给机构的改造： 拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副； 保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采 用一级齿轮减速， 步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。 2.2 数控系统部分设计 数控系统按运动方式分为点位控制系 统、点位直线控制系统、连续 (轮廓 )控制系统根据设计要求， CA6140 车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。 采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。 采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数 控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。 该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过 I/O 接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该 信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。 ntsABSTRACT 17 图 2-1 CA6140车床数控改造的总体方案示意图 综上所述，本设计改造的总体方案为：采用 MCS-51 单片机对数据进行计算处理，由 I/O接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化 程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。 光电隔离 微 机 功率放大 步进电 机 横向工作台 x x ntsABSTRACT 18 3 机械部分改造设计 3.1 横向进给系统的设计与计算 3.1.1 横向进给系统的设计 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，以保证同轴度，提高传动精度。 3.1.2 横向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N 时间常数 T=25ms 滚珠丝杠基 本导程 L=4mm左旋 行程 S=230mm 脉冲当量 p=0.005mm/step 步距角 =0.75 /step 快速进给速度 max=1mm/min A.切削力计算 查参考文献 1可得知， 横向进给量为纵向的 1/2 1/3,取 1/2,则切削力约为纵向的 1/2 F z =(1/2) 152.76=76.38kgf=763.8N （ 3-1） 在切断工件时： F z =0.5F z =0.50 76.38
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