3604 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計—縱向進給系統(tǒng)設(shè)計,臥式,車床,數(shù)控,改造,設(shè)計,縱向,進給,系統(tǒng) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 I 頁 共 Ⅰ 頁目 錄1 緒論 .................................................................11.1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀 ...........................................11.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 .................................................21.3 普通機床數(shù)控改造的意義 .............................................31.4 本文的設(shè)計任務(wù) .....................................................32 CA6140 普通車床數(shù)控改造的總體方案設(shè)計 .................................52.1 CA6140 普通車床介紹 .................................................52.2 總體方案的確定 .....................................................62.3 機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案 .............................................83 縱向進給系統(tǒng)的詳細設(shè)計與計算 ........................................133.1 脈沖當(dāng)量的確定 ....................................................133.2 切削力的計算 ......................................................133.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計及計算 ........................................143.4 齒輪傳動的計算 ....................................................183.5 步進電動機的選擇 ..................................................194 傳動間隙的調(diào)整與預(yù)緊及導(dǎo)軌的設(shè)計 ....................................224.1 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊 ....................................224.2 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 ........................................234.3 數(shù)控改造 CA6140 車床導(dǎo)軌設(shè)計 .......................................245 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計 ......................................285.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 ..............................................285.2 單板機控制系統(tǒng)的設(shè)計 ..............................................285.3 軟件設(shè)計 ..........................................................31結(jié)束語 .................................................................33致 謝 .................................................................34參 考 文 獻 ............................................................35 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 35 頁1 緒論1.1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1 國內(nèi)數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以 FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001 年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第 5 名，機床消費額在世界排名上升到第 3 位，達 47.39 億美元，僅次于美國的 53.67 億美元，消費額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001 年進口機床躍升至世界第 2 位，達 24.06 億美元，比上年增長27.3%。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。1.1.2 國內(nèi)數(shù)控機床的特點（1）新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。（2）數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達 1.8 萬臺，比上年增長 28.5%。金切機床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率從 2000 年的 17.4%提高到 2001 年的 22.7%。（3）數(shù)控機床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。 1.1.3 國外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀（1）國際機床市場的消費主流是數(shù)控機床。 1998 年世界機床進口額中大部分是數(shù)控機床，美國進口機床的數(shù)控化率達70%，我國為 60%。目前世界數(shù)控機床消費趨勢已從初期以數(shù)控電加工機床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機床、成套設(shè)備為主。（2）國外數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化。 隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運用，數(shù)控機床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網(wǎng)進入制造工廠的車間只是時間的問題。從另一角度來看，目前流行的 ERP 即工廠信息化對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 35 頁（人、財、物、產(chǎn)、供、銷）或設(shè)計、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠遠不夠的，工廠、車間的最底層加工設(shè)備——數(shù)控機床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的 ERP 就比較“虛”沒有能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問題。所以，對于面臨日益全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠來說，第一是要大大提高機床的數(shù)控化率，即數(shù)控機床必須達到起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機床必須具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。 以 FANVC 和西門子為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的 RS232 接口外，還備有以太網(wǎng)接口，為數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)接口功能被定義為用于遠程監(jiān)控、遠程診斷。 1.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（1）繼續(xù)向開放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展基于 PC 所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用 PC 機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC 機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。（2）向高速化和高精度化發(fā)展這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。（3）向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。（a）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。（b）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。（c）引入故障診斷專家系統(tǒng)（d）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 35 頁可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。1.3 普通機床數(shù)控改造的意義數(shù)控機床是制造業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)代化的主機,數(shù)控技術(shù)的水平高低和機床的數(shù)控化率是衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。目前我國機床的數(shù)控化率還不到 5%,新機床的數(shù)控化率也僅為 6%。無論從數(shù)控技術(shù)水平和機床的數(shù)控化率都大大落后于西方發(fā)達國家。從 20 世紀(jì)后期,我國調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式,作為自動化生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)備------數(shù)控機床,已遠遠滿足不了工廠逐年增加的生產(chǎn)需求。對于機械制造企業(yè),單純靠購買新的數(shù)控機床,所需投資大,周期長,常使許多中小企業(yè)望而怯步。因此,利用原有的部分普通機床進行數(shù)控化改造,提高機械設(shè)備的數(shù)控化率,無疑是一種有效的途徑。就是在美國、日本和德國等發(fā)達國家,機床的改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè),也是生意盎然,正處于黃金時代。在美國、日本、德國,用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場,已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新行業(yè)。在美國,機床改造業(yè)稱為機床再生業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton機床公司、 Devlieg-Bullavd(得寶)服務(wù)集團、US 設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本,機床改造業(yè)稱為機床改裝業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有:大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。由于機床以及技術(shù)的不斷進步,機床改造已是個”永恒”的課題。我國的機床改造業(yè),也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè),具有重要的現(xiàn)實意義和使用價值: （1）節(jié)省資金。機床的數(shù)控改造同購置新數(shù)控機床相比一般可以節(jié)省 60%左右的費用,大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新數(shù)控機床購置費的1/3。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級也只需花費購買新數(shù)控機床 60%的費用,并可以有效地利用現(xiàn)有地基。（2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期生產(chǎn)的磨合和不斷改進完善,幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)變力變形而影響精度。（3）提高生產(chǎn)效率。機床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化,效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 至 5 倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多,且可以不用或少用工裝,不僅節(jié)約了費用,而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期 [1]。1.4 本文的設(shè)計任務(wù) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 35 頁本課題主要是采用微機數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為 400mm 的普通臥式車床。要求在對臥式車床的改造任務(wù)和功能需求作出認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，做好總體改造方案設(shè)計及縱向進給系統(tǒng)的詳細設(shè)計。通過這一典型機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，培養(yǎng)綜合運用所學(xué)專業(yè)知識改造開發(fā)新產(chǎn)品及解決工程實際問題的能力。具體內(nèi)容及要求如下：（1）調(diào)查研究、查閱及翻譯文獻資料，撰寫開題報告；（2）改造任務(wù)及功能需求分析；（3）總體改造方案的確定；（4）縱向進給系統(tǒng)機械部分和控制部分的詳細設(shè)計；（5）文檔整理、撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書及使用說明書。相關(guān)設(shè)計技術(shù)條件及要求如下：（1）床身上最大加工直徑：400mm；（2）最大加工長度：1000mm；（3）橫向進給脈沖當(dāng)量：0.005mm/脈沖，縱向進給脈沖當(dāng)量：0.01mm/脈沖；（4）橫向最快的工進速度：400mm/min，縱向最快的工進速度：800mm/min；（5）換刀時刀架轉(zhuǎn)速：30r/min；（6）CNC 系統(tǒng)主 CPU 采用單片機。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 35 頁2 CA6140 普通車床數(shù)控改造的總體方案設(shè)計2.1 CA6140 普通車床介紹CA6140 普通臥式車床的結(jié)構(gòu)布局如圖 2.1 所示。當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時,通過刀架的縱向和橫向移動,能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等,借助成形刀具,還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面。圖 2.1 CA6140 普通臥式車床的結(jié)構(gòu)布局（1）主軸箱是支撐主軸并帶動工件作回轉(zhuǎn)運動。箱內(nèi)裝有齒輪、軸等零件，組成變速傳動機構(gòu)，變換箱外手柄位置，可使主軸得到多種不同的轉(zhuǎn)速。（2）進給箱是進給傳動系統(tǒng)的變速機構(gòu)。它把交換齒輪箱傳遞來的運動，經(jīng)過變速后傳遞給絲桿，以實現(xiàn)各種螺紋的車削或機動進給。（3）交換齒輪箱是用來將主軸的回轉(zhuǎn)運動傳遞到進給箱。更換箱內(nèi)的齒輪，配合進給箱變速機構(gòu)，可以得到車削各種螺距的螺紋的進給運動；并滿足車削時對不同縱、橫向進給量的需求。（4）溜板箱是接受光桿傳遞的運動，驅(qū)動床鞍和中、小滑板及刀架實現(xiàn)車刀的縱橫進給運動。溜板箱上裝有一些微手柄和按鈕?？梢苑奖愕夭倏v車床上來選擇諸如機動、手動、車螺紋及快速移動等到運動方式。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 35 頁（5）床身是車床的大型基礎(chǔ)部件，精度要求很高，用來支撐和連接車床的各個部件。床身上面有兩條精確的導(dǎo)軌，床鞍和尾座可沿著導(dǎo)軌移動。（6）刀架部分由床鞍、兩層滑板和刀架體共同組成用于裝夾車刀并帶動車刀作縱向、橫向和斜向運動。（7）尾座安裝在床身導(dǎo)軌上，并可沿著導(dǎo)軌縱向移動，以調(diào)整結(jié)構(gòu)其工作位置。尾座主要用業(yè)安裝后頂尖，以支撐較長的工件，也可以安裝鉆頭、鉸刀等切削刀具進行孔加工。（8）床身前后兩個床腳分別與床身前后兩端下部連為一體，用以支撐床身及安裝在床身上的各個部件?？梢酝ㄟ^調(diào)整墊塊把床身調(diào)整到水平狀態(tài)，并用其所長地腳螺栓固定在此工作場地上。（9）冷卻裝置主要通過冷卻泵將切削液加壓后經(jīng)冷卻嘴噴射到切削區(qū)域 [2][3]。CA6140 普通臥式車床的功能如圖 2.2 所示。圖 2.2 CA6140 普通臥式車床的功能2.2 總體方案的確定CA6140 型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會擁有量較大的普通型車床。經(jīng)過大量實踐證明，將其改造為數(shù)控機床，無論是經(jīng)濟上還是技術(shù)都是確實可行了。一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 35 頁數(shù)控車床，同時具有數(shù)控控制和原機床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破?？傮w方案設(shè)計應(yīng)考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。（2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用 8 位微機。在 8 位微機中，MCS—51 系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS—51 系列單片機擴展系統(tǒng)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O 接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。（5）設(shè)計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。（6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應(yīng)滿足機床所要求的分辨率。（7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。CA6140 車床數(shù)控改造的總體方案如圖 2.3 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 35 頁圖 2.3 CA6140 車床數(shù)控改造的總體方案示意圖2.3 機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案（1）進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案（a）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器（b）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與齒輪減速箱總成。（c）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。（d）拆除四方刀架與上溜板的總成，在橫溜板上方安裝四工位立式電動刀架。（e）拆除橫溜板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一段鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。（f）將橫向進給步進電動機通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。（g）拆去三杠（絲杠、光杠與操縱杠） ，更換絲杠的右支承。（2）主傳動系統(tǒng)的改造方案 對普通車床進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)，這樣可減少機械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、何停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 35 頁若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用 2～4 檔的多速電動機代替原有的單速主電動機；當(dāng)多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無級變速。當(dāng)采用有級變速時，可選用 YD 系列 7.5kW 變速三相異步電動機，實現(xiàn) 2～4 檔變速；當(dāng)采用無級變速時，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型號為：F1000-G0075T3B，適配 7.5kW 電動機。（3) 安裝電動卡盤為了提高加工效率，工件的夾緊與松動采用電動卡盤，選用 KD11250 型電動三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊和松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。（4）換裝自動回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架，選用 LD4B-CK6140 型四工位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換到需要配備相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。（5）螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器和圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動。改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是 24mm/（0.01mm/脈沖）=2400 脈沖?？紤]到編碼器的輸出有相位差為 90°的 A、B 相信號，可用 A、B 異或后獲得 2400 個脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)） ，這樣編碼器的線數(shù)可降到 1200 線（A、B 信號） 。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖 Z?；谏鲜鲆螅x擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出 1200 個 A/B 脈沖與 1 個 Z 脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑 15mm。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是將變編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速 [4-6]。數(shù)控改造后的車床傳動系統(tǒng)如圖 2.4 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 35 頁1 電動刀架 2 聯(lián)軸器 3 橫向步進電機 4 縱向步進電機 5 聯(lián)軸器6 縱向微調(diào)機構(gòu) 7 橫向滾珠絲杠 8 橫向螺母 9 縱向螺母 10 橫向微調(diào)機構(gòu) 11 縱向滾珠絲杠圖 2.4 數(shù)控改造后的車床傳動系統(tǒng)2.3.1 數(shù)控車床的布局形式結(jié)構(gòu)：平床身、斜床身、平床身與斜滑板、立床身。平床身：工藝性好、運動精度較高，但排屑困難，一般用于經(jīng)濟形數(shù)控車床。斜床身：排屑方便、占地面積小、外形美觀、便于安裝機械手、可實現(xiàn)單機自動化，一般用于中小型機床。數(shù)控車床的布局形式如圖 2.5 所示。（a） 平床身 （b） 斜床身 （c） 平床身與斜床身 （d） 立床身圖 2.5 數(shù)控車床的布局形式2.3.2 縱、橫向結(jié)構(gòu)示意圖齒輪傳動裝置是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、和轉(zhuǎn)向的變換器。在機電一體化進給伺服系統(tǒng)中，采用齒輪傳動裝置的主要目的有二：一是降速，將伺服電動機的高速、小轉(zhuǎn)矩輸出 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 35 頁變成克服負載所需的低速、大轉(zhuǎn)矩；二是使?jié)L珠絲桿和工作臺的轉(zhuǎn)矩慣量在傳動系統(tǒng)中所占比重減少，以保證傳動精度。對齒輪傳動裝置的總體要求是傳動精度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)速度快。對于開環(huán)伺服系統(tǒng)，傳動誤差將直接影響工作精度，因此，要盡可能縮短傳動鏈的長度，消除傳動間隙，以提高傳動精度和傳動剛度。縱、橫向結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2.6所示。1 步進電機 2 齒輪減速裝置 3 支承裝置 4 絲杠 5 托板圖 2.6 縱、橫向結(jié)構(gòu)示意圖2.3.3 自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計是普通機床數(shù)控化改造的關(guān)鍵。它要求刀架要具有抬起、回轉(zhuǎn)、下降、定位和壓緊這一系功能。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下，提供選用的多把刀的可能性。電動刀架的安裝較方便，只要將原車床上的刀架拆下將電動刀架裝即可，但要注意兩點（1）電動刀臺的兩側(cè)面應(yīng)與車床的橫向進給方向平行。（2）電動刀臺與系統(tǒng)的連線建議如下安裝：沿橫向工作臺右側(cè)面先走線到車床后面，再沿車床后導(dǎo)軌下方拉出的鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于：避免走線雜亂無章，而使得加工時切屑、冷卻液以及其它雜物磕碰電動刀架系統(tǒng)。下面是數(shù)控改造 CA6140 車床自動轉(zhuǎn)位刀架工作原理圖 2.7 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 35 頁1 刀架 2 固定安裝絲杠 3 安全離合器 4 電機圖 2.7 自動轉(zhuǎn)位刀架工作原理圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 35 頁3 縱向進給系統(tǒng)的詳細設(shè)計與計算經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造一般是步進電機經(jīng)減速驅(qū)動絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端。對車床改造來說，外觀不必象產(chǎn)品設(shè)計要求的那么高，而從改造方便，實用方面來考慮。一般都把步進電機放在縱向滾珠絲杠的左端。3.1 脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求, 橫向進給脈沖當(dāng)量： ，縱向進給脈沖當(dāng)0.5m/脈 沖量： 。0.1m/脈 沖3.2 切削力的計算電機初步估算轉(zhuǎn)速為 ，進給速度150r/minmax4/inV?根據(jù)《機械設(shè)計手冊》可知 axmhpin?式中 ——為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 ；hp——絲杠的最大移動速度 ；maxV/i——絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速 ；nrn——傳動比i則 402.13m1.5hP??所以根據(jù)滾珠絲杠基本導(dǎo)程的基本系列可在《機械設(shè)計手冊》中查到 ，選hp。6mhp?已知條件工作臺重量 95kg0NW?步距角 .7/setp??滾珠絲杠基本導(dǎo)程 06mL 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 35 頁行程 6mS?脈沖當(dāng)量 0.1/p?setp快速進給速度 max4/inV切削力計算 由《機床設(shè)計手冊》可知，切削功率 cpk??式中 ——電機功率，查機床說明書， ；p 7.5wN——主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.6～0.7 取 ； ? 0.65??——進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 。k 0.96k?則 7.50.6.94.8cp??又因為切削力應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削速度來計算，即 3106ZcFvp????所以 3cZpv式中 ——切削線速度 ，取 ；v??m/in150/min?——主切削力 。ZFN主切削力 ??3604.8172N5ZF???由《機床設(shè)計手冊》中可得知，在一般外圓車削時， ??XZ0.1~F??YZ.~0F取 .5.872936NXZ??061.YF?3.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計及計算（1）工作載荷 的計算p 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 35 頁工作負載的數(shù)值可《機床設(shè)計手冊》中進給牽引力的實驗公式計算，對于綜合導(dǎo)軌 ??'PXZFKfW??式中 ——為 方向上的切削力；XFZ、 、——為工作臺的重量 ；W??950N——導(dǎo)軌的摩擦系數(shù), ，取為 ； 'f '.1~.8f?0.16——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù), 。k .5k則 ??1.59360.18729017.2NPF????（2）最大動載荷 計算Q610iinTL?式中 ——為滾珠絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速； in——使用壽命時間 。iT??5h由以上條件，可以確定步進電機與滾珠絲杠齒輪之間的傳動比 0.761.2536pLi?????由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動，所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為max1150r/min20r/i.2ni??電 機由《機械設(shè)計手冊》可知，當(dāng)量轉(zhuǎn)速 在 之間變化時iaxmin與axin2in??取 為 ；min1r/i則 1206.5r/minin??取 60r/iin?則 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 共 35 頁??66015041iL????轉(zhuǎn)最大動負載 3QiPHWFf其中 ——滾珠絲杠的軸向力； PF——壽命值；iL——運動系數(shù)； Wf——硬度系數(shù)。H根據(jù)工作負載 壽命 ，取 ； ；PFiL1.2Wf?1Hf?則 ??3540.279430.69NQ??根據(jù)最大動負載 的值，可選擇滾珠絲杠的型號?？稍凇稒C械計手冊》中查到適合的滾珠絲杠。型號為 額定動載荷 ，所以強度足夠用。CMFZD.5?180（3）效率計算根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率 為0???0tan?????式中 為螺旋升角； ?為摩擦角。?0tanLd????其中 為滾珠絲杠基本導(dǎo)程； 0L為滾珠絲杠的公稱直徑。d'6arctn243.10r?????滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) ,其中摩擦角 可計算為~.f ? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 共 35 頁arctn12f???則 0240.93(1)tg??????（4）剛度驗算滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用，將引起基本導(dǎo)程 的變化，因滾珠絲0L杠受扭時引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計，故工作負載引起的導(dǎo)程變化量 為1L?00PFLES???式中 ——滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 ； 0L??cm——工作負載 ；PF??N——彈性模量， ； E6220.1/cE??——滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑定） ；S??滾珠絲杠截面積 2dS????????其中 02deR??式中 ——滾珠絲杠滾道圓弧偏心距；e——滾道圓弧半徑。R其中 cos2WDeR?????????1.04式中 ——滾珠直徑；WD——接觸角。? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 共 35 頁根據(jù)《機械設(shè)計手冊》中的滾珠標(biāo)準(zhǔn)系列選 ；4mWD?05?則1.04.42.082WDR????0cos.cos5.7me???????????????02402.72.83.9d?????3.59.10.4cS??????????因此 60061527.904.3910cmPFLES????????滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小，可忽略。L?即 0?所以，導(dǎo)程變形總誤差 為L?總 6014.39107.μm/???總查表可知 3 級精度滾珠絲杠允許的螺距誤差（1 米）長為 ，故剛度夠用。9/（5）穩(wěn)定性驗算由于滾珠絲杠兩端采用固定支承，所以穩(wěn)定性沒有問題。3.4 齒輪傳動的計算有關(guān)齒輪計算傳動比 i 0.7561.236pLi????? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁 共 35 頁故取； ； ； ； ；132z?240z2m?0b20???.98i?6dmZ?281aah???24d1268072m?3.5 步進電動機的選擇（1）工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量2222180180.()()95.kgm5.Ngc347pJW?????????絲杠的轉(zhuǎn)動慣量417.80sJDL?式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑； D——絲杠長度。1L則4 227.801529.kgm.95NgcsJ???????齒輪的轉(zhuǎn)動慣量4 21.6..7Ncz??2780239gzJ???電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。因此，總轉(zhuǎn)動慣量??212 21(9.563.).7564.3Ngcm.sZJJJi?????（2）所需轉(zhuǎn)動力矩計算 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁 共 35 頁快速空載啟動時所需力矩 max0fM??最大切削負載時所需力矩 0atft??快速進給時所需力矩 0fM式中 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；maxM——折算到電機軸上的摩擦力矩；f——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩；0——切削時折算到電機軸上的加速度力矩；at——折算到電機軸上的切削負載力矩。tM410Ngm9.6aJnT????當(dāng) 時mxnmax?ax401.2583.r/min6hVinP???4max26.438.9.7Ng9.7kfgc905M?????當(dāng) 時tnat001150.3214.7r/min.46it VfinfDL?????26.43.7.kgfc95atMNm???00fFfWLihi?????? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 共 35 頁當(dāng) 時， 時0.8h?0.16f??95.1.452kgfcm14.52Ngc23.48fM???????00PLi????當(dāng) 時預(yù)加載荷 ，則0.9??13bXF?????2 20095.470.6.90.576kgfcm5.76Ngc681xFLMi??????????0...f91.2232xti?????所以，快速空載啟動所需力矩max0917.45.7638.0NgcmfM?????切削時所需力矩015.42..2.kf26.5atf? ??快速進給時所需力矩 0..76.098kgfcm0.98NgcfM??????由上分析計算可知，所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動時：axMm73.c?（3）數(shù)控改造 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 098.16.N.5lq???為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知 /0.qjmM所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距 為j1876.2.46Nc0.qjm???步進電機最高工作頻率 maxa Z06.H6.1pVf?? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁 共 35 頁綜合考慮，查表選用 110BF003 型直流步進電動機，能滿足要求 [7-12]。4 傳動間隙的調(diào)整與預(yù)緊及導(dǎo)軌的設(shè)計4.1 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊滾珠絲杠副的軸向間隙，是指負載時滾珠與滾道型面接觸的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。滾珠絲杠副的軸向間隙直接影響其傳動剛度和傳動精度，尤其是反向傳動精度。因此，滾珠絲杠副除了對本身單一方面的進給運動精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴(yán)格的要求。滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊，通常采用雙螺母預(yù)緊方式，其結(jié)構(gòu)型式有兩種?；驹硎鞘箖蓚€螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。（1）墊片調(diào)隙式圖 4.1 所示結(jié)構(gòu)。是通過改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。這種結(jié)構(gòu)簡單可靠、剛性好，但調(diào)整費時，且不能在工作中隨意調(diào)整。圖 4.1 雙螺母墊片式結(jié)構(gòu)圖（2）螺帽調(diào)隙式 圖 4.2 所示為利用螺帽來實現(xiàn)預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，兩個螺母以平鍵與外套相聯(lián)，鍵可限制螺母在外套內(nèi)移動，其中右邊的一個螺母外伸部分有螺紋。用兩個鎖緊螺帽1、2 能使螺母相對絲杠作軸向移動。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整也方便，故應(yīng)用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整也方便，幫應(yīng)用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制，因此，預(yù)緊力也不能準(zhǔn)確控制。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁 共 35 頁1、2 鎖緊螺帽圖 4.2 雙螺母帽式結(jié)構(gòu)圖4.2 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除（1）采用減速箱的目的及注意事項為了保證步進電機的啟動性能，要特別考慮負載慣性矩。當(dāng)所帶負載的慣性矩增大時，由于步進電機是按電磁鐵吸力原理來動作，所以當(dāng)慣性矩增大到某一值時，就會使步進電機產(chǎn)生擅動就會產(chǎn)生啟動不良效果，所以，使用步進電機時盡量選小的負載。在本次設(shè)計過程中我們采用減速齒輪來聯(lián)結(jié)滾珠絲杠和步進電機，以達到改變慣性矩的目的。同時，應(yīng)該盡可能地消除配對齒輪之間的間隙，否則就會產(chǎn)生使運動滯后的指示信號的誤差，對加工件的精度就會產(chǎn)生很大的影響。（2）減少或消除空程的必要性和方法（a）減少或消除空程的必要性數(shù)控機床的傳動精度，除了機床的幾何精度、絲桿精度影響外，又受其本身因素的影響，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象而引起的間隙誤差。在這次設(shè)計改造過程中只能采用開環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)不能對車床的誤差進行修改，所以只能通過機械的方式對其各部分傳動誤差進行修改。（b） 消除方法本次設(shè)計采用雙片齒輪來達到消隙的目的，通常將一對齒輪的從動齒制成兩片， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 35 頁其中一片固定在軸上，兩片之間裝有彈簧，彈簧力使兩片齒輪的齒廓分別與主動齒輪的齒廓貼緊，從而完全消除了齒側(cè)間隙。雙片薄齒輪錯齒調(diào)整機構(gòu)如圖 4.3 所示。圖 4.3 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整機構(gòu)4.3 數(shù)控改造 CA6140 車床導(dǎo)軌設(shè)計（1）導(dǎo)軌的作用導(dǎo)軌的作用主要是對運動部件起導(dǎo)向和支撐作用，也就是支撐運動部件（如刀架、工作臺等） ，并保證運動部件在外力作用下能準(zhǔn)確沿著規(guī)定方向運動。因此，導(dǎo)軌的制造精度及性能對機床加工精度、承載能力等有著重要影響。數(shù)控機床對導(dǎo)軌主要有以下幾方面要求。（a）導(dǎo)向精度高 導(dǎo)向精度是指機床的運動部件沿導(dǎo)軌移動時與有關(guān)基面之間的相互位置的準(zhǔn)確性。無論空載還是加工，導(dǎo)軌都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。這是對導(dǎo)軌的基本要求。各種機床對于導(dǎo)軌本身的精度都有具體的規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)，以保證導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 35 頁（b）精度保持性好 精度保持性是指導(dǎo)軌能否長期保持原始精度。影響精度保持性的主要因素是導(dǎo)軌的磨損，此外，還與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式及支撐件（如床身）的材料有關(guān)。數(shù)控機床的精度保持性要求比普通機床高，應(yīng)采用摩擦系數(shù)小的滾動導(dǎo)軌，塑料導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌。（c）足夠的剛度 機床各運動部件所受的外力，最后都由導(dǎo)軌面來承受，若導(dǎo)軌受力后變形過大，不僅破壞了導(dǎo)向精度，而且惡化了導(dǎo)軌的工作條件。導(dǎo)軌的剛度主要取決于導(dǎo)軌類型、結(jié)構(gòu)形式、尺寸大小、導(dǎo)軌與機床本身的連接方式、導(dǎo)軌材料、表面加工質(zhì)量等。數(shù)控機床的導(dǎo)軌截面積通常較大，有時還需要在主導(dǎo)軌外添加輔助導(dǎo)軌來提高剛度。（d）良好的摩擦特性 數(shù)控機床導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)要小，而且動、靜摩擦因數(shù)應(yīng)盡量接近，以見效摩擦阻力和導(dǎo)軌熱變形，使運動輕便平穩(wěn)，低速無爬行。此外，導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)工藝性要好，便于制造和裝配。便于檢驗、調(diào)整和維修，而且有合理的導(dǎo)軌防護、潤滑設(shè)施等。機床導(dǎo)軌按其接觸面間的摩擦性質(zhì)可以分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌三種。目前，數(shù)控機床上常用有直線滾動導(dǎo)軌副和鑲粘塑料的滑動導(dǎo)軌。（2）塑料導(dǎo)軌軟帶導(dǎo)軌軟帶的材料以聚四氟乙烯為機體，加入青銅粉、二硫化鉬、石磨等填充藥混合燒結(jié)，并做成厚度為 0.1-2.5mm 的軟帶狀。目前比較常見的導(dǎo)軌軟帶有國外的Turcite-B 導(dǎo)軌軟帶以及國產(chǎn) TSF 塑料軟帶。塑料導(dǎo)軌軟帶有以下幾個顯著的特點。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁 共 35 頁02468102.135.因/min)因圖 4.4 滑動導(dǎo)軌的摩擦速度特性曲線（a）摩擦性能好 鑄鐵淬火導(dǎo)軌副的靜摩擦因數(shù)、動摩擦因數(shù)相差較大，幾乎相差一倍。而金屬聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的靜、動摩擦因數(shù)基本不變。圖 4.4 為 TSF-鑄鐵導(dǎo)軌和鑄鐵-鑄鐵導(dǎo)軌的摩擦-速度特性曲線。由圖可見，鑄鐵-鑄鐵導(dǎo)軌副即使在有潤滑的條件下，摩擦因數(shù)也很大，且隨速度 v 的增大而降低，摩擦-速度曲線斜率為負值。而塑料-鑄鐵導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)很低，曲線為正斜率，無論干摩擦或有潤滑都是這樣，表明了具有良好的摩擦特性，能防止低訴爬行。（b）耐磨性好 除了摩擦因數(shù)低外，聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶材質(zhì)中含有青銅、二硫化鉬和石墨，因此，本是很即具有潤滑作用，對潤滑油的供油量要求不高，采用間歇式供油即可。此外塑料質(zhì)地較軟，即便嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不至損傷金屬導(dǎo)軌面和軟帶本身，可延長導(dǎo)軌副的使用壽命。（c）減振性好 塑料有很好的阻尼性能，其減振消聲的性能對提高摩擦副的相對運動速度有很大的意義。（d）工藝性能好 可降低對粘貼塑料的金屬導(dǎo)軌基體的硬度和表面治療要求，而且塑料易于加工，使導(dǎo)軌副接觸面獲得良好的表面質(zhì)量。此外，還有化學(xué)穩(wěn)定性好，維修方便，經(jīng)濟性好等優(yōu)點。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁 共 35 頁圖 4.5 塑料導(dǎo)軌軟帶的粘結(jié)塑料導(dǎo)軌軟帶的粘結(jié)方法簡單，通常采用黏結(jié)材料將其貼在所需處，作為導(dǎo)軌表面。其工藝如下：首先將導(dǎo)軌粘貼面加工至表面粗糙度 3.2～1.6，有時為了起定位作用，導(dǎo)軌粘貼面加工成 0.5～1mm 深的凹槽，如圖 4.5 所示；用汽油或金屬清洗或丙酮清洗導(dǎo)軌粘貼面后，用膠黏劑粘合導(dǎo)軌軟帶，加壓初固化 1～2h 后再合攏到配對的固定導(dǎo)軌或?qū)Ｓ脢A具上施以一定的壓力，并在室溫固化 24h，取下清除余膠，即可開油槽和進行精加工 [13-16]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 28 頁 共 35 頁5 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計5.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。（1）中央處理單元 CPU。（2）總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB） 、地址總線（AB）和控制總線（CB） 。（3）存貯器。包括只讀可編程存貯器和隨機讀寫存貯器。（4）I/O 輸入/輸出接口電路。其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路直協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是 CPU 與存貯器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是 CPU 與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如 5.1 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 29 頁 共 35 頁圖 5.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖由于 MCS—51 系列單片機在我國機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價廉，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟型數(shù)控車床改造的需要。CA6140 數(shù)控改造以 8031CPU 組成的單板機為數(shù)控控制系統(tǒng)。也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置，如南京大方數(shù)控設(shè)備公司生產(chǎn)的 JWK 系列數(shù)控產(chǎn)品。5.2 單板機控制系統(tǒng)的設(shè)計（1）主要技術(shù)特性及硬件配置中央處理器為 Z80CPU,系統(tǒng)時鐘為 1.9968MHz，晶體頻率為 3.9936 MHz。存儲器選用 4 片 2K*8 位的只讀可編程存儲器 2716（EPROM）和 4 片 2K*8 位隨機（讀寫）存儲器（RAM）6116。監(jiān)控程序固化在 EPROM2716 中，占用 2K 字節(jié)（即一片 2716） ，各功能模塊存放在另一片 EPROM2716 中，剩下的兩片 2716 可用于存放常用零件加工程序。四片6116RAM 用于調(diào)試程序存放和運行的中間數(shù)控的存放，也可以存放用戶加工程序，而ROM 中只存系統(tǒng)程序。選用三片 Z80～PIO，現(xiàn)需擴展兩片。PI (U19)中 PA1～PA8 為米字 LED 管字形1O驅(qū)動輸出口，PB0 為主軸同步信號輸入口，PB1 為刀具回答信號輸入口，PB2 為行程限位中斷信號輸入口；PB3 為急停中斷信號輸入口，PB4～PB7 為+X，-X,+Z，-Z 四個手動方向鍵輸入口。PIO2(U20)中 PA0～PA3 為 T01～T04 四把刀具信號輸入口，PA4～PA7 為備用輸入口，也可作 S01～S04 信號輸入口。PB0 為啟動，PB1 為暫停。PIO3(U18)中 PA0P～A2 為 X 向步進電機的輸入口，PA3～PA5 為 Z 向步進電機的輸入口，PB0～PB4 依次為 M03、M04、M05 等 M 功能輔助指令信號輸入口，PB5 為 Z/X 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 30 頁 共 35 頁坐標(biāo)現(xiàn)實性選擇信號輸入口。選用 Z80～CTC 計算器/定時器芯片一片，它的 4 個通道中 0#和 3# 在用戶程序中使用，其余由監(jiān)控程序使用。原顯示器為 6 位 LED 構(gòu)成。現(xiàn)擴展為 8 位，并增設(shè)一片位鎖存器 74LS273，其中7 個數(shù)碼管，1 個米字管。TP801A 有 31 個鍵，包括 16 個數(shù)字鍵，14 個命令鍵及一個復(fù)位鍵。根據(jù)設(shè)計要求，除了保留數(shù)字鍵、復(fù)位鍵及部分命令鍵外，其余均重新定義，新定義的功能鍵與原功能鍵對應(yīng)關(guān)系見表 1。 表 1 功能鍵的新定義（2）光電隔離電路在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進電機勵磁繞組。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強電干擾。輕則影響計算機程序的正常工作，重則導(dǎo)致計算機和接口電路損壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。（3）步進電機的驅(qū)動電路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 31 頁 共 35 頁圖 5.2 步進電機驅(qū)動電路（A 相）步進電機驅(qū)動電路的主要功能是功率放大，它將光電隔離電路送來的弱信號經(jīng)功率放大，變成較強的電信號，直接驅(qū)動步進電機。它分單電源和雙電源型。單電源型線路簡單，但效率不高，所以選用雙電源型。雙電源型采用高低壓供電電路，如圖 5.2 所示。當(dāng)控制脈沖來時，V1、V2、V3、V4 全導(dǎo)通，并使脈沖變壓器 Tc 的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使 V2 導(dǎo)通，使 V5 處于反向偏置，將低壓 Ga 與繞組 La 切斷，高壓電源 Gh 通過 V2、V1 為步進電機某一相繞組 La 供電，使其電流上升沿變陡。經(jīng)過時間后脈沖電流消失，使 V2 截至，Gh 與繞組之間被切斷。Ga 通過 V5、V1 為 Labt供電，提供電動機所需的額定電流、通過調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和 R5 可改變高壓供電的時間寬度 。bt（4）數(shù)碼管及鍵盤的驅(qū)動電路由于這些電路的電流較小，故使用 TTL 電路即可驅(qū)動。如半導(dǎo)體數(shù)碼管，發(fā)光二極管發(fā)亮?xí)r，所需電流約為 2～20Ma，壓降為 1.2～2.4V，因此，用于字母管的字形驅(qū)動選用 74LS06；用于鍵盤和字位鎖存電路的驅(qū)動，選用 74LS273。5.3 軟件設(shè)計軟件采用模塊化設(shè)計。主要包括主模塊，子程序模塊和定時中斷模塊等。（1）主程序主程序即系統(tǒng)管理程序，開機后即執(zhí)行該程序，其功能是做好數(shù)控加工的準(zhǔn)備，對 CTC，PIO 初始化，對外部設(shè)備初始化（如隊 MTS 功能接口） ，步進電機置初態(tài)等。開放中斷，然后根據(jù)工作方式，選擇開關(guān)的位置，轉(zhuǎn)入各工作方式處理模塊。（2）自動加工模塊程序當(dāng)工件方式選擇開關(guān)為自動加工時，轉(zhuǎn)入自動加工模塊程序，其功能是：從目錄區(qū)域找到要加工零件程序的首址和末址，從 RAM 中逐段取出用戶零件程序，校對無語法錯誤后，對功能字譯碼，再轉(zhuǎn)入各功能模塊進行處理，執(zhí)行完一段用戶程序后，再取下一段執(zhí)行，直至加工完畢，再返回系統(tǒng)管理程序。（3）逐點比較法圓弧插補程序設(shè)計（a）逐點比較法插補原理是：進給機構(gòu)每一步后，計算出新坐標(biāo)點的位置與加工曲線理想位置的偏差，根據(jù)偏差的正負確定下一步進給方向，以逼近理想位置， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 32 頁 共 35 頁最后加工出零件外形。一個插補循環(huán)由四個節(jié)拍組成，即偏差判別、進給、偏差計算和終點判別。（b）逐點比較法圓弧插補算法相對或絕對坐標(biāo)編程時的終點坐標(biāo)計算如圖 5.3 所示圖 5.3 相對或絕對坐標(biāo)編程XEIA???ZKWZ當(dāng)（XD、ZD）=（XE，ZE）時，終點到式中（XA、ZA）——起點坐標(biāo)（XD、ZD）——動點坐標(biāo)（XE、ZE）——終點坐標(biāo)XA、ZA、XD、ZD、XE、ZE、FUN——各為 3 個字節(jié)圖 5.4 圓弧插補數(shù)據(jù)預(yù)處理程序（4）圓弧插補數(shù)據(jù)預(yù)處理程序從 Y 軸的負方向看 X～Z 單面上的圓弧（即從紙里面向紙外面看）將圓弧分為順圓 G02 和逆圓 G03，根據(jù)刀具進給規(guī)律，又將它們分為Ⅰ類和Ⅱ類圓弧，即進給時，﹝X﹞增加，﹝Z﹞減少的圓弧為Ⅰ類：﹝X﹞減少，﹝Z﹞增加的圓弧為Ⅱ類，如圖 5.4所示偏差判別函數(shù) FUN： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 33 頁 共 35 頁??221/FUNKR???22或 FUN=I+4K-R起點偏差： 0若加工點在圓上或圓外， 0?若加工點在圓內(nèi)， ??當(dāng)±ΔX 時， ；當(dāng)±ΔZ 時，21(,1)FUNIIXA????。84,1,FUNKZA???為減少插補運算時間，令動點坐標(biāo) ， ，則XDI?8ZK當(dāng)±ΔX 時， ；當(dāng)±ΔZ 時，,(2,1)FNXA???。4,(8)1FNZDZA??程序中，首先將 I、K、U/X、W/Z 坐標(biāo)由十進制換算成二進制取補，再給XD、ZD、XE、ZE 賦值，換算根據(jù) XD、ZD 是否同號和是否為 G02，確定圓弧類型，若為Ⅰ類，則 FLAG：0 賦 1，否則是 1 賦 0。再根據(jù) XD、ZD 是否為 0 等條件決定進給方向，最后送插補程序進行插補 [17][18]。結(jié)束語隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，我國的機床數(shù)控化在近十年來有了很大的發(fā)展，而普通機床的數(shù)控化改造后在滿足完成同樣的加工任務(wù)的前提下，可大大降低技術(shù)改造的投資經(jīng)費，在實際中得到廣泛應(yīng)用。基于對 CA6140 普通車床進行經(jīng)濟型數(shù)控改造設(shè)計過程中，我認(rèn)為普通機床的數(shù)控改造具