C6110普通车床数控化改造-横向进给机械参数（同步带传动)的设计.docx
C6110普通车床数控化改造-横向进给机械参数（同步带传动)设计5张CAD图
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普通车床 C6110 数控化改造【横向进给机械参数（同步带传动)的设计】摘 要针对大多数企业来,普通车床的特点是数量众多及较长使用寿命，其加工精度相对较低、不能够批量生产，自动化程度不怎么高，自适应行较差差，但考虑投资成本低，产业的连续性，又不能立刻被淘汰。购买新的数控机床是提高效率和产品质量的重要途径,但是成本比较高，很多企 业在比较短时间内不能实现，这严重阻碍了企业更换新设备的步伐。为此进行普通机床数控化改造，不失为一条提升产品质量、投资少、及生产效率的有效捷径，提升企业竞争力，这就可以让我国变为制造强国进程中，占有一席之地。本文的含有内容有：1. 详细论证并说明普通车床数控化的经济性，确定普通车床数控化改造2. 对横向进给系统的滚珠丝杠选择型号与装配设计说明，对支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机型号选择等进行了详细准确的说明研究；3. 对进口数控和国产数控装置系统进行的较，根据改造的性能要求及精度指标来对于选配数控装置系统和自动刀架型号，提供选择方法；4. 根 据普通车床 c61100原理图和电气控制系统与通车床数控化 CJK6140-A5. 的数控系统功能进行对比分析，形成普通车床数控化改造比较完整的电气控制技术图； 拆卸车床中，甩掉原本拥有的进给箱等，对主传动系统的进行大修理，滑板贴塑与铲刮调试，对机床部件及参数进行测绘、测量确定参数数据；6. 绘出相应的装备图和零件图；7. 说明车床数控化改造的调试、安装、修改方法。关键词：普通车床、横向进给、数控、改造VAbstractFor many companies, ordinary lathe has the characteristics of number and longer service life, its machining precisionTo the low, cant batch production, not very high degree of automation, adaptability is bad, but with considering the investment cost, the consistency of the industry, and can not be eliminated immediately.C N c machine tool is, as a representative of the typical products of mechanical and electrical integration of liquid gas to solve mass in machinery manufacturing, complicated structure, precision, a lot of problems, parts and changeable, processing quality is stable, the production efficiency is relatively high.Buy a new NC machine tool is an important approach to improve efficiency and the quality of products, but as this is higher, a lot of companiesIndustry in a short time cannot come true, which seriously hindered the enterprise change the pace of the new equipment. For ordinary machine tool numerical control transformation, can yet be regarded as a promotion product quality, less investment, effective shortcut and the production efficiency, improve enterprise competitiveness, this can be in the process of our country become a manufacturing powerhouse, has its place. Contains the content of this article are:1. For ordinary lathe numerical control transformation of the economic evaluation of detailed argumentation, determine the engine lathe numerical control transformation plan design;2. The transverse feed system of ball screw selection model and assembly design specifications, with respect to the manner of supporting design and bearing type selection, stepping motor model selection and so on has carried on the detailed and accurate description of research;3. To often use imported NC device system and domestic CNC system is detailed comparison, according to the changeMade of performance requirements and precision index to relative matching nc device system and automatic tool post model, provides the selection method;4. According to general traffic bed c61100 original principle diagram and the electric control system and traffic bed number control reformCJK6140 - A numerical control system function, this paper compares and analyzes the formation of ordinary lathe numerical control transformation is complete electrical control charts;.5. Remove the engine lathe, get rid of the original feed box, etc., of the main drive system for relatively large repair, plastic skateboardAnd chipped debugging of surveying and mapping, surveying and mapping to determine parameters of machine components and parameters;6. Draw the corresponding equipment and parts diagram;7. That ordinary lathe numerical control transformation of installation, debugging and modification method.Key words: ordinary lathe, the transverse feed, numerical control, the trans formation目录摘 要IAbstractII绪 论1第一章数控机床改造的目的41.1 数控机床的概述41.2 数控未来发展的趋势61.3 数控机床改造的目的71.4 数控化改造的好处9第二章 总体方案101.1 系统分类101.2 数控机床伺服系统的选择121.2.1 开环控制系统121.2.2 闭环控制系统121.2.3 半闭环控制系统121.3 车床改造方案的确定121.3.1 普通车床的构成121.3.2 车头部分121.3.3 挂轮箱部分131.3.4 走刀的部分131.3.5 托板部分131.3.6 尾座131.3.7 床身131.3.8 附件131.4 步进电机的控制选择、安装、与控制131.4.1 步进电机的选择131.4.2 步进电机的安装151.4.3 步进电机的控制151.5 普通车床传动系统的改造161.6 车床改造机械部分具体零件的设计181.7 驱动电路的确定18第三章进给伺服系统计算19第四章C61100 车床 数控化改造的数控系统254.1 数控车床及数控系统概述254.1.1 机床主机274.1.2 驱动装置274.1.3 数控装置系统284.1.4 编程装置284.2 微机控制系统硬件电路设计284.2.1 控制系统的功能要求284.2.2 硬件电路的组成294.3 单板机控制系统的设计294.3.1 硬件配置294.3.2 存贮器空间分配294.3.3 I/O 口地址分配304.3.4.光电隔离电路304.4 8031 单片机简介304.5 存储器扩展电路设计314.5.1 程序存储器的扩展31第 五章经济性与环 保性分析34经济性与环 保性分析34总结35致谢36参考文献37 绪 论数控机床改造现在在国外已经发展成为一个新兴的工业部门。早在 60 年代就已开始迅速的发展，并有专门企业公司经营这门业务，其存在及发展的原因是多方面的。首先,就是技术的原因,在过去的几年里,金属切削的基本工作原理的变化不是太大, 但是发展社会生产力相对比较大,需要汽车和自动化制造技术和进步。而刀具材料和电子技术有很大的进步,然而,特别是微电子技术、计算机技术进步反映了控制系统,它可以帮助机床自动化技术可以提高加工精度,技术进步和增加产量率增加,精密加工技术等,突出了旧机床改造技术的必要性和紧迫性。二是经济原因。在许多发达国家已经做了系统数据的分析,如果那台旧机器工具集更新新设备,付出沉重的代价,如果使用“转换”技术,节省了很多的一些钱。这种获得两次结果与一半的努力和技术成果,不仅可以省钱,也为小企业创新技术改革创建了一个新的道路,还与巨大的经济吸引力许多强大的大型企业。再次是市场因素,数控机床的数量目前世界各地的许多国家,根据目前机床行业很难及时提供条件。机床“转换”成为市场需要的重要手段。最后,要素生产率,在工业生产中,许多品种、小批量生产是现代机械制造行业最基本的特点,相当比例的完成生产任务,然后选择普通机床,机床和数控机床床上,柔性制造系统,工业生产复杂程度需要产生的工件数量和总生产成本的比较可以看出数控机床更能适应这一需要。因此，我 国提出从全方位个推广经济型数控系统在这一技术的基础上，再推出全功能型数控这条光明道路，适合我国经济、生产水平，对于以后全动能型数控机床应 用的准备阶段 ，成为实现我国向传统的机械制 造的方向过度 的重要内容。C61100 机床是一种普通精度的及万能卧式机床，属于一种使用范围广的通用机床。这种机床的性能及质量相对较好。但是结构复杂，自动化程序比较低，是一种属于中型的普通机床，再各厂矿普通机械厂企业，应用的程序很广。为此，本次设计的主要任务是对 C61100 普通机床进行数控改造，利用微机对横向进给系统全面实行开环控制。驱动元件的部分是利用步进电动机，传动系统利用滚珠丝杠。 些组成要素内部及其相互之间的联系，是通过接口耦合，远动传递功能，物质流动能。基本组成：第 5 页1. 机械本体系统中所有功能元素的机械支持结构功能，包括机身零件，框架，联接等。由于机电一体化产品技术性能要求，水平和功能的相对提高，机械本体需要在机械结构材料，加工工艺，精度以及几何尺寸等方面适应产品高效，多功能，可靠性和在节能方面，小型和轻量，美观等要达到要求。2. 动力部分按照机械系统功能要求，为系统提供能量和动力保证能使系统正常运行。用尽可能少的动力输入来获得尽可能多的输出功能，是机电一体化产品的较显著特征之一。机电一体化系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时还要对水，油，温度， 尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于电力技术先如今的高度发展，高性能的步进驱动，直流和交流伺服驱动系统大量应用与机电一体化系统。3. 执行机构执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用与控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门， 但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置， 力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及 PID 控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。4. 控制及信息单元控制单元负责程序的流程管理。正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个 CP 的指挥控制中心，由指令寄存器指令译码器和操作控制器三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。机电一体化的系统对控制和信息处理单元基本要求是：提高信息处理的速度，提高可靠性，增强抗干扰能行力以及完善系统 自我诊断功能，实现信息处理的智能化和小型化，标准化，精确化。5. 接口耦合.能量转换（1) 变换两个需要进行信息交换、传输的环节之间，由于信息的存在 模式不同，无法直接实现信息及能量的交流，通过接口完成信息及能量的统一。（2） 放大在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大 ，达到能量的匹配。耦合变换和放大后的信号在环节间能可靠，快速，准 确的交换，必须遵循一致的时序，信号格式和逻辑规范。接口应保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。（3） 能量转换还包括了执行器，驱动器的不同类型能量的最最优转换方法和原理。6. 信息控制控制信息是指组织的管理部门，为了实现组织的整体目标而对组织活动的各环节进行监督、调节所应有的信息。控制信息主要来自组织的内部，要求比较详细具体。在系统中，智能组成要素的系统控制单元作用下，在软，硬件的保证下，完成数据采集，分析，决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度比较高的系统，还包括了知识获推理机制及知识自控学习等以知识驱动为主的信息控制系统。第一章数控机床改造的目的1.1 数控机床的概述数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制的自动化机床系统。该控制系统能够按理地处理具有控制编码或其他符号指令规定的各种程序，并将其译码，用代码化的数字显示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出不同控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸数据，自动地把零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、小批量、精密、多品种的零件问题，是一种柔性的、高效的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展明确方向，是一种典型的机电一体化系统产品。数控机床的操作及监控都是在这个数控单元中完成的，它是数控机床的主脑。与普通机床相比较，数控机床有如下的特点： 对加工对象的适应性比较的强，适应模具个产品单件生产的不同特点，为模具的制造生产提供了合适的各种加工方法； 加工精度比较高，具有相对稳定的加工质量； 可进行多坐标的相互联动，能加工形状复杂的不同的零件； 加工零件在改变时，只需要更改数控系统程序，可节省生产的时间； 机床自动化程度相对较高，可以减轻劳动的强度； 有利于生产管理的现代化生产 ，数控机床是使用数字信息及标准代码处理、传递信息，为计算机的辅助设计、制造及管理一体化奠定了一定的基础； 相对来说对操作人员的素质要求比较高，对维修人员的技术要求相对更高些； 机床的精度高、刚性大特点，产品的精度也相对高，生产率较高（一般为普通机床的 35 倍）； 可靠性较高。组成成分 在数控的加工中，数控铣削加工比较的复杂，解决的问题也是最多的。除数控铣削加工之外的数控车削、数控线切割、数控磨削等的数控编程系统都各有其特点， 伺服系统是把来自数控装置各种的脉冲信号转换成机床移动部件的运动的作用。具体有以下不同部分构成：主机主机是数控机床的主体，包括机床身、立柱、切削刀、主轴、进给机构等机械部件。他是作用是完成各种切削加工的机械部件。数控装置数控装置为数控机床的核心部件，它包括硬件（印刷电路板、CRT 显示器、纸带阅读机等）以及相应的各种软件，用于输入数字化的零件程序部件，来完成输入信息的存储、数据的不同变换、插补运算数据以及实现各种控制功能的作用。驱动装置驱动装置是数控机床执行的驱动部件，包括主轴驱动各种单元、主轴电机及进给电机等等。在数控装置系统的控制下通过电气及电液伺服系统完成主轴和进给驱动。当几个进给一起联动时，可以完成直线、定位、空间曲线及平面曲线的加工。第 6 页辅助装置辅助装置是指数控机床的的配套部件，用来保证数控机床的正常运行，如冷却、润滑、排屑、监测等。它包括液压及气动装置系统、排屑的装置、交换不同的工作台、数控转台，它还包括刀具及监控检系统等。编程及其他附属设备可用来在机外进行零件各种不同的的程序编制、存储等等。1.2 数控未来发展的趋势随着世界科技进步及机床工业的蓬勃的发展，数控机床已成为实现制造业现代化的关键的不可缺少的设备，是国防装备发展不可或缺的战略物资之一。数控机床的拥有的数量及其各种性能水平的高与低，是衡量一个国家综合实力最为的重要标志。我国现在最为重要的就是发展数控机床设备。就目前我国数的控机床的数量和品种来说，尚不能满足国内市场的各种需求。据中国机床工具工业协会总干事长吴柏林近日透露，国家数控机床产业发展专项规划草案已经制订完成，在修改完成以后，将报国给务院领导专家审阅批准，然后在施行。据了解，规划在施行以后，我国机床工具业的数控机床和自主开发能力偏低的一系列的问题将得到全面的解决，我们国家的数控机床在世界数控车床市场的占有率将得到一定的改善。按照规划，未来几年机床行业将营造 20 个数控机床基地及跟它配套的 10 个基础功能一致零部件基地，基地企业将会得到国家政策和资金上的相支持。规划中明确指出，数控机床所生产的各种产品的税收将会得到返还。在东北各地区税改以后，在其他地区，特别是中西部增值税转型受到极大关注。规划实施以后，东北以外地区的数控机床从而也得到双重税收优惠。吴柏林认为，想要提高产业化的水平，必要调整产业的结构，提高功能部件的开发及制造的能力。企业的改造技术也必定要加强。“制造高精度机床，用低精度普通机床去做，难度是非常大的。”专家表示，机床企业想要进入产业化的基地，技术开发的投入量不能低于产品销售收入的 5%以下。达到了这个标准，就会得到国家给予的一定的补贴。按照规划的目前的目标，到“十一五”末期时间，国产数控机床在国内市场占有率必将提高达到 50%以上，同时，国产的机床产品在国内市场占有率也必将达到 60%以上。 1.3 数控机床改造的目的篇一 传统机床为何比需要数控化改造一，机床数控化改造的意义 ：一般说来，数控机床相比传统机床有以下的优越性。1. 可以加工出传统机床所不能加工出来的曲线面等各种复杂的零件。2. 可以用来完成加工的自动化，效率就可比传统机床提高 48 倍。3. 零件加工的精度较高高，尺寸精度高，使装配比较的容易，不再需要工人的修配。4. 可进行多工序的集中控制，减少零件在机床间的来回搬运。5. 拥有全自动的报警、自动补偿等很多种自控的功能，因而就可实现很长时间不需要人看管就可加工。二，机床数控化改造的市场我国大多数的机床都是传统的机床，而且大多数都是使用多年的旧机床。用这种车床加工出来存在质量较差、品种较少、档次较低、成本相比较高、供货期较长产品， 这就在国际及国内市场上竞争力较差，直接影响到了各个企业的生存和发展。所以就必须提高机床的数控化率，提高能力。由于近几年国内外高速发展的数控系统，就使的原来进口的高档数控系统不再能够满足现在发展的各种的产品需求，那么就必须更换最新的数控系统及软件。由于机床数控技术的飞速发展，机床改造已经是个永恒不变的课题。我国现在的的机床改造业，已进入到了以数控技术为主的新的行业模式。三. 机床数控化改造的主要形式有以下几点：其一是恢复机床原本的功能，对机床存在的故障进行诊断并加以恢复； 其二是 NC 化，把机床改造成为 NC 机床、CNC 机床；其三就是翻新，为提高加工的精度、效率以及自控的程度，对机械及电气部分进行翻新，恢复原高精度；对不满足要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行系统的更新；篇二 传统机床怎样实现数控化的改造一，改造方案怎样确定改造的各性能可行性分析通过以后，就可以针对机床的现况来进一步确定改造方案，一般包括：1. 机械的修理与电气的改造相结合需进行数控改造不同的机床，都需进行机械的修理。要确定修理的因素有要求、范围、内容等等；还要确定数控改造系统与机械修理原理。机械性能的完好是数控改造成功的必要基础。2. 新旧系统接口的转换设计需求每台设备改造范围各不相同，需事先设计接口部分的转换，若全部改造的，应设计机电转换的接口、参数数据测量点、互联部分的接点、维修处理位置等。局部改造的，要考虑新旧系统不同及性能匹配的要求、电压极性的变换、安装的位置等，必要时还要自己制作转换的接口。二，改造方案如何实施准备工作完成后，进入改造实施的阶段。实施阶段内容分为： 1.原机床全面的维护保养机床如果长期使用后，会不同程度地出现在机械、润滑、液压、清洁等方面的缺陷，所以首先必须要进行全面的维护保养。然后应对机床进行一次改前的几何数据精度、尺寸数据精度测量。这样既可作参考作用，又可作对比分析用。2.原系统的拆除原系统的拆除必须对照原图纸进行，防止遗漏或过拆部件(局部改造情况下)。在拆的过程中也可能会发现一些新系统的缺陷，及时补充与修改，拆下的系统还有一定使用价值的，可作别的机床备件使用。1.4 数控化改造的好处一、有利提高技术、节约成本数控机床与普通机床相比，优势比较大，数控机床柔性相对较高，加工精度较高， 生产率比较高，利于改善劳动条件，利于生产管理的现代化；相比普通机床精度低， 效率低，适合精度要求不高的零活类零件。它投资成本较低，但对操作技能要求较高， 因此工人工资水平也就高。这样会企业的支出就相对高。二、有利于扩大数控化市场订购数控机床的交货周期一般比较的长,很难满足各用户的各种需要,而改造的数控机床能够适应市场的要求。因此就可以得到了用户广泛的应用,机床的数控化改造现在已成为市场需求的重要补充手段,对中、小型企业是极其理想的选择。三、有利于提高工业化水平数控机床是代表的现代机械相对重要设备，数控水平的高低及机床的数控化率机床的拥有量已成为一个国家现代工业化水平的重要衡量标志。四、有利于企业的全方位发展数控机床的改造是在微电子技术与传统技术相结合的基础上实现的，具有极高可靠性与柔性，比较容易实现机电一体化和经济性可观等特点。为此，在旧机床上实现第 11 页数控化改造来提高机床的各种性能、尽可能的降低成本，投入的资金比较少但获得的 第二章 总体方案1.1 系统分类数控机床的种类很多，对数控机床进行分类有： 按工艺用途可分为：数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗铣床、数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控齿轮加工机床、数控冲床、数控液压机等各种用途的数控机床。 按伺服控制方式分：开环控制数控机床：这类机床不带位置检测反馈装置，通常用步进电机作执行机构。输入数据经过数控系统的运算，发出脉冲指令，使步进电机转过一个步距角， 再通过机械传动机构转换为工作台的直线移动，移动部件的移动速度和位移量由输入脉冲的频率和脉冲个数所决定。 半闭环控制数控机床：在电机的端头或丝杠的端头安装检测元件（如感应同步器或光电编码器等），通过检测其转角来间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控系统中。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内此可获得较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床，但调试比较方便因而被广泛采用。闭环控制数控机床：这类数控机床带有位置检测反馈装置，其位置机械传动链中的传动误差，最终实现精确定位。 按运动方式分：点位控制数控机床： 数控系统只控制刀具从一点到另一点的准确位置，而不控制运动轨迹，各坐标轴之间的运动是不相关的，在移动过程中不对工件进行加工。这类数控机床主要有数控钻数控坐标镗床、数控冲床等。直线控制数控机床：数控系统除了控制点与点之间的准确位置外，还要保证两点间的移动轨迹为一直线，并且对移动速度也要进行控制，也称点位直线控制。这类数控机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床、数控磨床等。单纯用于直线控制的数控机床已不多见。轮廓控制数控机床：轮廓控制的特点是能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行连续相关的控制，它不仅要控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且要控制整个加工过程的每一点的速度、方向和位移量，也称为连续控制数控机床。这类数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机床、加工中心等。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、圆弧插补第 16 页功能，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，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、具有很高的性价比，因此， 可选 MCS51 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， 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。总体方案设计图如 2.1 图所示1.2 数控机床伺服系统的选择数控机床按伺服控制主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。1.2.1 开环控制系统这类机床不带位置检测反馈装置，通常用步进电机作为执行机构。输入数据经过数控系统的运算，发出脉冲指令，使步进电机转过一个步距角，再通过机械传动机构转换为工作台的直线移动，移动部件的移动速度和位移量由输入脉冲的频率和脉冲个数所决定。1.2.2 闭环控制系统这类数控机床带有位置检测反馈装置，其位置检测反馈装置采用直线位移检测件， 直接安装在机床的移动部件上，将测量结果直接反馈到数控装置中，通过反馈可消除从电动机到机床移动部件整个机械传动链中的传动误差，最终实现精确定位。1.2.3 半闭环控制系统在电机的端头或丝杠的端头安装检测元件（如感应同步器或光电编码器等），通过检测其转角来间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控系统中。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床，但调试比较方便，因而被广泛采用。1.3 车床改造方案的确定1.3.1 普通车床的构成数控改造机床是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上完成的。在数控改造技术中引入单片机的应用技术，不但技术上具有先进性优越性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案有通用性与协调性及精确性。在实现对机床的改造的过程中坚持这样一条原则：在不改变车床原有功能的基础上，尽可能实现自动控制的目的，完成改造。 对普通车床技术的自动改造包括三大部分：机械部分、硬件（含电部分）、软件部分。车床改造前，有以下几部分构成。车床部分名称和用途如下：1.3.2 车头部分1. 车头箱 用来带动车床主轴和卡盘转动，在变换箱外的手柄位置，可以使主轴达2. 到各种不同的转速。3. 卡盘 用来夹住工件，并带动工件一起转动。1.3.3 挂轮箱部分把主轴的转动传给走刀箱。用来调换箱体内的齿轮，并与走刀箱配合，可以车削各种不同数据螺距的螺纹。1.3.4 走刀的部分1. 走刀箱利用它内部的齿轮机构，把主轴的旋转运动传给丝杠部分，变换箱体外面的手柄位置，可以使主轴得到各种不同数据的转速。2. 用来车削螺纹部件。它能使拖板和车刀按要求作很精确的直线移动。1.3.5 托板部分1. 拖板箱把丝杠的转动力传给拖板部分，变换箱外的手柄位置，经拖板部分使车刀作纵向或横向走刀。2. 托板 分类为大、中和小托板三种：大的是在横向车削工件时使用；中的是纵向和控制吃道时使用；小的是在横向较短或者加工角度工件时用的。3.刀架 用来装夹刀具。1.3.6 尾座用来安装顶针，支顶较长的工件。它还可以安装各种切削刀具。1.3.7 床身用来支持和安装车床的各个部件，床身上面有两条比较精确的导轨。托板和尾座可沿着导轨移动。1.3.8 附件1. 中心架 车削较长工件时用来支持工件的部件。2. 冷却嘴 达到来注入切削液的功能。1.4 步进电机的控制选择、安装、与控制1.4.1 步进电机的选择改造后的车床属于的是开环控制。改造系统选择步进电机当作为双向进给驱动电动机。步进电机的功能是将电脉冲信号转变成角位移或直线位移的一种增量运动电磁执行元件。它的位移量和输入脉冲同步一致，因而只要控制输入脉冲的数量、频率及电机各组的接通次序确定，便可精确地获得所要求的转角及速度和转动方向，但同时应注意电机的丟步，多步的现象。步进电机定子上有 A、B、C 三相，当定子三相按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子一步一步运转。为了改善步进电机达到良好工作性能， 采用双相轮流通电控制技术，由于两相通电与单相轮流通电相比的话转子受力矩大一些，所以，工作稳定不易丢步。但步矩角和单相的方式是一样的。步进电机的选择主要考虑以下几个方面：1) 步矩角2）最大静转矩3)对于安装条件而言的外形尺寸首先，必须要保证步进电机的输出功率必须大于负载所需的功率，因此应先计算机械系统的负载转矩的数据，使电机矩频特性能有一定的量，以保证运行可靠行，即在实际工作中，各种频率下的负载转矩一定要在矩频特性曲线上。一般来说，最大静转矩 M max 大的电机，负载转矩也大，数据通常取 M/ =0.2-0.5。选择步进电机时，应使步矩角和机械系统相匹配，可以达到机床使用要求的脉冲当量&（mm/脉冲）。步进电机在有载载荷启动时，其启动频率和矩频特性用下式近似计算：F q=F q=(1-M f/M)(1+JF/J)式中:M 是启动频率下的由矩频特性决定的步进电机转矩（N/m） J f 是负载惯量（Nmss）F q 是步进电机空载启动频率负载参数无法确定，则可估算数据，当然还应该结合电机温升，供贷等具体条件而定。根据以上阐述，选择了 55BF003 型步进电机，其基本参数如下表 2-1：相数步距角电压相电流42.13.5A0.75N.m空载启动频率数据空载运行频率数据分配的方式外形尺寸数据170011000三相六拍f5672f7表 2-1 步进电机基本参数1.4.2 步进电机的安装普通车床刀架的滑移由两个驱动装置的滑移组成的，与导轨平行方向及垂直的水平方向，由于在这两个方向可随意的滑移，所以，刀架（包括刀具）可以在加工有效区的任意位置停留。1. 沿导轨方向：在这个方向上是由丝杠驱动完成，当溜板箱上手柄扳到自动走刀位置时，由驱动装置的转动，经齿轮转动进行，最后在丝杠驱动实现导轨方向走刀过程。在动力来源上，由步进电机控制经步进电机转轴传递给一级齿轮，再经齿轮的啮合传递给二级齿轮，二级齿轮轴向连接丝杠，最后，丝杠将动力传给溜板箱，实现导轨方向进给的过程。2. 与导轨垂直水平方向：将原有手柄手工进给改造，保留手柄部分，加装第二个步进电机，将电机轴与原有丝杠连接起来。1.4.3 步进电机的控制总前所述，我们可选择了两个方向,与导轨平行方向和与导轨垂直的水平方向作为双坐标联动，这样刀具在工作范围内任意一点工作时，同时选择了两个步进电机对这两个方向进行控制。对步进电机的控制，其方案有很多种：硬件集成电路的联接、单片机、工业 PC 机、微机等等。经综合比较分析，我们选取了单片机，其主要原因有：控制类微型计算机的典型机种是单片机原理，即将运算器、输入输出接口、控制器、部分存储器以及其他一些部件集成在一片芯片上。这样的单片机具有体积小、质量好、重量轻， 功能强耗电少和价格低等特点；由于数据大多都是在芯片内传递处理，所以运行速度比较快，抗干扰能力比较强，用于控制领域中是非常理想的选择，在国外一般称为微控制器系统。单片机虽然从七十年代出现到现在只三十多年左右时间，但发展异常迅速，现在的单片机因其品种多种多样，功能各异的优点，应用越来越广。1.5 普通车床传动系统的改造现有的普通车床有纵向和横向两个方向的进给，如图所示。 图 2-1（a）车床横向传动改造示意图1.谐波减速器2.步进电机 3.纵向进给丝杠 4.刀架1图 2-1（b）车床纵向传动改造示意图第 16 页1.横向进给 的驱动丝杠部分2.溜板 箱部分3.纵向进给的驱 动丝杠 4.齿轮 26.谐波减速器7.电机5.齿轮 1 1.6 车床改造机械部分具体零件的设计下面将详细介绍（包括绘图）机械部分的零件设计、零件结构、尺寸数据等主要从下面几个方面进行设计。1. 传动的稳定 不影响精度或者精度满足在要求的范围之内。2. 结构尽量的简单、传动合理。3. 经济性较好。图(2-2)为横向进给时所需的具体零件及零件装配示意图。1234561191087图 2-2 横向进给零件装配示意图。1. 电机2. 螺钉3.联轴器4.谐波减速器5.薄片斜齿轮6.支承轴7.斜齿轮8.横向丝杠9.下箱体10.螺钉11.上箱体图 2-3 为纵向进给时所需的具体零件及零件装配示意图第 17 页 87图 2-3 纵向进给零件装配示意图1. 主电机2.螺钉3.联轴器4.谐波减速器5.纵向丝杠6.联轴器7.下箱体8.螺钉9.上箱体1.7 驱动电路的确定从微机接口中输出的电流为毫安能，虽然它不能驱动电机，这就需要针对计 算机输出电流进行放大处理，因此，必须有一套比较完整的功率放大电路，用它去驱动步进电机。第 19 页第三章 进给伺服系统计算横向进给系统： 已知条件：工作台总重量为 7350N; 时间的常数 T=2.5ms；滚珠丝杠基本导程数据 Lo=10mm左转； 行程数据 S=2000mm；脉冲当量sp =0.005mm/步；步距角为 a=0.075/步；快速进给速度数据V max=1.5m/min； 工作时快速进给速度的数据为 50r/min； 主轴转速为10r/min；主切削力 F8传动比 i=8；一.切削的计算=50kN；横向进给数据量大约为纵向的，我们就取，则横向主切削力约为纵向的。FZ =由机床设计手册可知，x=.z =.=.FY =. FZ =.=FX 为横切端面时的进给力 FY 为背向力二.滚珠丝杠设计计算1. 机械寿命基本时间，滑动阻750kgf=2. 丝杠的基本导程为=10mm3. 平均基本导程 P e 的计算为第 20 页当牵引力 FM 最大时，Fm=1.4 FY +f（ F Z+2 1.415000+0.16（25000+212500+7350）=30176NVs=10r/min10mm=0.1m/min n=1000Vs/Po=10000.10.5/10=5r/min t=60nt/10000000=60515000/10000000=4.5 万 rPFFF= 3 tmaxWHM3= 4.5 1.3130176=64765.3N当 FM 最小时 M=F gFX +G）=0.167350=176NVs=150r/min10mm=1.5r/min n=1000Vs/Po =10001.50.5=75r/min t=60nt/10000000=607515000/10000000=67.5 万 rPFFF=3 tminWHM3= 67.5 1.311176=6224.7N求平均 P e=（2 Pmax + Pmin ）/3=(264765.3+6227.4)/3=45251.84. 平均回转数n m=15090%+1010%=136r/min5. 所需动力载为Ca=P e*f s=45251.81.0=45251.8N=4617.5kg*f6. 所需静额定负载 Co a 计算Co a=P max *f s=64765.3 1.0=64765.3=6608.7kg*f7. 螺帽形式的选定计算Ca4617.5kg*f; Co a6608.7kg*f 依照规定，按表选取 SFVO5O10-4.8 Ca=4823 kg*fCo a=14080 kg*f 8.寿命时间 Lt 的计算Lt=31/60 nm 10 =80h9.螺杆长度的数据决定螺杆长度=最大行程+2螺帽的长度+15 倍导程+2安全导程=2000+293+1510+220=2376mm三刚度验算受轴向力和转矩的作用时，滚珠丝杠工作时将引起导程 Po 的变化，而受转矩力作用时滚珠丝杠引起的导程变化很小，可忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量Po=Fmp0第 21 页对于刚度 E=20.66 N/2A 按丝杆螺纹底面直径 d 确定 即 d=4.2 cm则 A=/4d =13.84cm Po=10mm=1cmEA = 20.61000000013.84受转矩引起的滚珠丝杠导程变化量很小，忽略不计，所以导程变形总误由机床说明书可知，丝杠横的向有效行程为 2000mm，且丝杠精度等级为 7级，查表 3.2 累积代表导程误差（ E）与变动（e）之间的容许量的行程允许变四稳定性校核正是在丝杠两端装向心轴承的关系，丝杠才不会发生失稳的现象。安全系数稳定性 n k 是临界负载 PX 与工作负载 P 之比称，系统稳定的标准是系统的安全系数数据大于许用的稳定性安全系数数据。P maxn k=10n k，一般n k=2,54，而对于水平丝杠，考虑自重影响P min取n k=4。五轴承的计算d=35cm选用 7207B 型 40 度接触球轴承1，求出当量动载荷数据 PFa=25kNFr=12.5kN查表得 e=1.14Fa =0.51.14则选用 X=1Y=0Fr则 P=X Fr+Y Fa=112500+025000=12500N轴承在 Fr=25000N 和 Fa=12500N 作用下使用寿命就相当于同等纯径向载荷为 12500N 作用下使用的寿命。2，计算所需要的径向基本额定动载荷值第 22 页Cr= FP (60n/1000000Ln)1/ 3 Nft查表得 f p=1.1ft=1n=136r/minLn=80h1.112500则 Cr=1/3=11927.9N11927.9N,Cor=18.8kN，故适用。 六步进电动机的选择与计算1 最大静转矩及负载转矩的数据计算选择选取伺服电动机 MF120S，其惯性矩 JF=1.09kg 2 在快速空载起速时需要是的转矩 T 的计算数控机床对动态性能要求比较的高。所以在确定电动机获得最大静转矩时， 应满足快速空载启动时所需转矩 T 的数据要求T=Ta max+TF+To式中Ta max快速空载启动时所需的转矩(NM) TF克服摩擦所需的转矩（NM）To丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩（NM） 由动力学可知Ta max=JFx其中x= n ，t 为加速时的时间常数，t=25ms=0.25s，n=150r/min30t第 25 页Ta max=1.0910-43.1415300.25=0.068NMTF=GFP0= 7500 0.16100.003=0.25NM2gogii23.140.9720.988To=Fopo=10058.6710 0.003 =2.1NM2gogii23.140.9720.988F-o=1/3Fm=1/330176=10058.67T=Ta max+TF+To=0.068+0.251+2.10=2.419NM3 在快速移动时所需的转矩 T 快T 快=TF+To=0.251+2.1=2.351NM4 最大切削负载所需要的转矩 T 切FXP012500100.003T 切=TF+To+T 削= TF+To+=0.251+2.1+=2.560NM2hoi23.140.972 8由此看来，在快速移动中所需的转矩 T 快，在快速空载启动时所需要的转矩 T， 和最大切削负载时所需的转矩 T 切三种情况下，相比较在最大切削负载时所需的转矩 T 切最大时。只有它可以作为校核初选电动机的依据。初选步进电动机为：TqT 切三相六拍，由于=0.951，T j Max=2560/0.886=2.956NMl J i Maxl5 步进电动机的最高工作频率 f max=1000Vmax/60 p =1000 1.5/600.01HZ=2500HZ由以上选型计算，最终选用 75BF00 型反应式步进电机。75BF003 型反应步进电动机参数型号相数额定电压/V静态电流/A步距角/度保持转矩/NM75BF0034805.61.6/44 第四章C61100 车床 数控化改造的数控系统4.1 数控车床及数控系统概述数控系统的组成分为输入、输出装置、数控装置、可编程控制器。1、输入输出装置输入装置可将不同加工信息传递于计算机。数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已基本淘汰；目前为止，使用键盘、磁盘等，一定程度上有利于信息输入的工作。输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），通常在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。2、数控装置（CNC）数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口的电路、CRT 显示器等硬件及相应的软件系统。3、可编程控制器可编程控制器是在 60 年代末美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器 PLC（Programmable Logic Controller），目的是取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制的功能。PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准通用的。根据实际应用的对象，将控制的内容编成软件写入控制器的用户程序存储器中。图 4-1 数控机床的主要结构第 25 页 4.1.1 机床主机数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。4.1.2 驱动装置它的核心是计算机运行在其上的软件，在数控车床中的作用是“指挥”数控庄子 接收由加工程序送来的各种不同的信息，并经处理调配后，向驱动机构发出执行命令。在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置系统，以便经处 理后发出新的执行命令。【2】图 6-2 进给传动表明每一个可控轴进给机构伺服系统的基本构成，按反馈控制形式分为以下三大类。图 4-2 数控机床进给机构伺服系统1) 开环伺服系统。开环伺服系统由步进电动机和步进电动机驱动线路系统组成。数控装置根据输入不同的指令，经过运算发出脉冲指令给步进电动机驱动线路，从而驱动工作台移动一定的距离。这种伺服系统比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到一定的限制。只用于经济型数控机床一类2) 半闭环伺服系统的工作原理和闭环伺服系统很相似，只是位置检测器不是安装在工作台上的，而是安装在伺服电动机的轴上的。这种伺服系统的精度可以的速度和动太特性优高于开环伺服系统，但其复杂性及成本都低于闭环伺系统，主要用于大多数中小型数控机床运用。3) 闭环伺服系统。闭环伺服系统由伺服电动机、伺服放大线路、比较线路、速度检测器和位置检测器组成。这种系统对工作台实际位移量进行自动检测并与指令值进行比较，用差值进行控制。这种系统定位精比较度高，但系统复杂，调试和维修比较的困难，价格较贵，主要用于高精度和大型数控机床的运用。第 26 页 4.1.3 数控装置系统数控机床的控制核心是数控装置系统，它是由存储和及运算等计算机硬件、CRT 显示器，各种不同形式纷输入输出装置，操作面板和键盘，和配套相应的控制运算软件等组成。【8】绝大一部分数控的机床都采用计算机的数控装置(例如 CNC 装置)，即配置专用软件的方式是按微机结构原理的硬件平台(有的采用少量专用芯片)方式，从而组成软件的数控系统。可控轴控制及多轴联动的控制、各种补偿的功能、CR 的 T 显示各种插补的运算、代码的转换、局部的加工功能选择，与管理系统联网通信、人机的对话、故障自诊断的功能、通常是数控装置通常具备的功4.1.4 编程装置手工和自动编程是数控机床程序编制(简称编程)主要方法。用手工即可实现的是对于点位加工或形状不太复杂的零件，程序段不多的编程，计算比较简单。然而针对空间曲面零件，编程计算的相当繁琐，编程工作量自也较大，不得不实行自动。离线编程和在线编程又构成自动编程的方法。【9】例如有的 CNC 装置具有人机对话型编程功能，就是将离线编程机的许多功能移植到了数控系统的一种方法。4.2 微机控制系统硬件电路设计4.2.1 控制系统的功能要求（1）z 向及 x 向进给伺服运动控制（2） 自动回转刀架的控制（3） 螺纹加工的控制（4） 行程控制（5） 键盘及显示控制（6） 面板管理控制4.2.2 硬件电路的组成接下来的所画图形全部运用 MCS-51 系列单片机组成的控制系统硬件电路部分的原理图。【4】电路组成有：（1） CPU 采用 8031 芯片；（2） 扩展程序存储器 2764 两片和 6264 一片；（3） 两片可扩展的可编程的接口芯片 8155；（4） 地址锁存器及译码器个一个；第 29 页（5） 键盘电路，显示电路；（6） 功率放大功率及光电隔离电路；（7） 面板管理电路。正是由于 MCS51 系列单片机在我国机床数控改造扮演着重要的角色，而且它的配套芯片价格低廉，普及性广、通用性能比较强，完全适用于经济型数控车床改造的需要。4.3 单板机控制系统的设计4.3.1 硬件配置选用 1 片 4K8 的 2732EPROM 和 1 片 8K8 位的 6234RAM 作为存贮器来使2732EPROM 内固化有监控程序存在，2732EPROM 内存放有各功能模块程序及常用零件的的加工。【6】调试程序存放和运行程序的中间数据存放在 1 片 6234RAM 中。 选用 8155 可编程 I/O 扩展接口作为 I/O 接口的芯片，其 A 口设为 X、Y ，他们是进给系统步进脉冲的输出端口，其中 PA0PA2 为 X 向的输出口， Y 向输出 PA3PA5。位控方式为 B 口。4.3.2 存贮器空间分配一般单板机可寻址范围是从 0-64K 字节，而且已插入的芯片大约占 10K，板上提供的插座大约占 16K，而其他的以备扩展使用。其存贮空间分配:空间范围空间大小存储类型作用0000H 到 07FFH2KBEPROM放监控制程序0800H 到 0FFFH2KBEPROM零件加工程序1000H 到 17FFH2KBRAM调试程序2000H 到 27FFH2KBRAM测试程序等4.3.3 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。80H83HMCS51 803184H87H字形锁存88H8BH字位锁存8CH8FH读键值90H9FH用户使用 4.3.4.光电隔离电路光电隔离也称光电的藕合。【3】是现代电子电路里常用的组件。基本构成就是一只光电发射管。(多为发光二极管。)和一只光电接收管 (光敏电阻或光敏二极管)所组成的由发射端发出的可见光或红外及其它不可见的脉冲在关敏器件接收后再去执行指令! 进而完成电路的工作。4.4 8031 单片机简介8031 单片机具有以下的特点：（1） 具有功能很强打的 8 位中央处理单元（CPU）；（2） 8031 片内有时钟发生电路，一条指令的周期大约为 1 微秒到 2 微秒时间；（3） 片内 RAM 的大小是 128 字节；（4） 具有 21 个很特殊寄存器；（5） 外部数据存储器可扩展为 64K 字节，外部程序存储器可扩展为 64K 字节。（6） 它的 I/O 线有 32 根，I/O 口有 4 个；（7） 16 位定时/器计数器有 2 个；（8） 中断源有 5 个，中断优先级有 2 个；（9） 全双功串行接口有一个；图 4-3 8031 芯片引脚见下图：第 29 页 4.5 存储器扩展电路设计4.5.1 程序存储器的扩展(1) 单片机在置位或者重启的时候，会根据 EA 端是否接低电平来选择片内还是片外，如果片内的存储器已满，则自动跳转到片外程序的存储器，此时 EA 控制信号就不起作用了。比如说 51 系列单片机系统，片内只有 4KB 容量，如果 EA 接的是高电平，则选用内部程序存储器，超出 4KB，PC 计数器自动转到片外 60KB 的范围继续读程序（程序计数器 PC 为 16 位，可寻址空间为 64KB），而且片内 ROM 和 ROM 地址是不重复的。【1】其引脚如下图：(2) ROM 芯片及引脚的选择选择半导体芯片 2764（8K8）。选用 6MHz 晶体频率
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