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1、 前 言计算机技术和先进制造技术的发展，推动了机械加工在各方面的变革和进步。典型的数控机床已成为现代加工器械的鲜明代表。考虑到企业的生产效率和投资成本，普通车床的数控化改造将是一个极为有意义的课题。在过去的几十年，虽然金属切削的基本原理变化不大，但随着社会生产力的发展，要求制造业向自动化和精密化方向发展，而刀具材料和电子技术的几部，特别是微电子技术、电子计算机技术的进步，运用到控制系统中，技能帮助机床的自动化又能提高加工精度，这些都要求对旧机床进行改造，另外，在经济方面，用机床的数控改造比更新设备节约50%的资金。再加上市场的原因，由于目前机床市场供给无法满足大量的机床设备的更新要求，因此更显
2、示出机床数控化改造的必要性。数控改造相对于购置机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多的突出优点。由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲面和曲线。而且计算机有很强的记忆和储存能力，可以将输入的程序记忆和储存下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不像新购买的机床不了解加工精度，而改造的机床可以精确的计算出加工能力。另外，数控改造可以充分利用现有地基，还可以根据技术革新发展的速度,及时的提高生产设备的自动化水平。数控技术改造机
3、床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上还有先进性同时在应用上臂其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性。而且投入费用低，。由于自投入以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一也为我国传统技术制造技术朝机电一体化方向过渡的主要任务之一。普通车床数控化改造的设计是机电一体化系统课程设计的主要内容，通过综合运用所学的机械、电子、自动控制、计算机等知识，进行一次机电结合的全面训练，已培养学生的独立分析问题、解决问题和进行机电一体化系统初步设计的能力。本人将在四个星期内，在陈建刚老师的指导下，对CA6140数控车床进行开环控制纵向进给的改造。目 录一、前言 1二
4、、正文 3第1章 绪论 3 1.1 设计任务书 3 1.2 总体方案的确定 3 1.3 机械系统的改造设计方案 4第2章 机械部分设计及计算 5 2.1 脉冲当量的确定 5 2.2 切削力的计算 5 2.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（纵向）6 2.4 同步带减速箱的设计 13 2.5 步进电动机的计算与选型 19 2.6 同步带传递功率的校核 23 第3章 绘制进给传动机构的装配图 23第4章 控制系统设计 24 4.1 控制系统硬件电路设计 24 4.2 步进电动机驱动电源的选用 25 4.3 控制系统软件部分设计 26 三、 个人总结29 四、 参考文献30第1章 绪论在机械加工设备中，
5、如果绝大多数传统机床改用微机控制、实现机电一体化改造，将会适应多品种、小批量、复杂零件加工的需求，不但提高加工精度和生产率，而且会降低生产成本、缩短生产周期，更加适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种，一种是以微机为中心设计控制系统；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置，前者需要重新设计控制系统、比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统、比较简单。这种标准的微机控制系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用控制程序组成的开环控制，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进行插补计算，由软件和硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲
6、，经功率放大、驱动纵横轴运动的步进电机。1.1 车床改造总体方案的确定1.1.1 课程设计任务书1.题目：CA6140型车床数控化改造（纵向）2.设计参数：1）行程：1000mm2）快速进给：2400 mm/min3）最大切削速度：500 mm/min4）溜板及刀架质量：81.63mg5）主电动功率：7.5kw6）定位精度： 0.04 mm/全行程7）重复定位精度：0.016mm/全行程8）程序输入方式：增量值、绝对值通用9）控制坐标数：210）脉冲当量：0.01mm/脉冲1.1.2 总体方案的确定 总体方案主要考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动
7、方式和执行机构的选择等。 卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。1. 卧式车床数控化改造后属于经济型数控车床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。2. 根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU 。MCS-51系列8位机具有多功能、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。3. 根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、
8、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。4. 为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。5. 计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。1.3 机械系统的改造设计方案1.3.1主传动系统的改造方案 对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正传、反转和停止可由数控系统来控制。若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用24挡的多速电动机代替原有
9、的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速。应任务书的要求，采用有级变速，选用YD系列7.5kw变极多速三相异步电动机，实现24挡变速。1.2.2.进给系统的改造与设计方案 为了保证加工精度，需要根据实际情况对机床进行检修，以保证控制精度。原机床运动部件（包括导轨副、丝杠副等）安装质量的好坏，直接影响阻力和阻转矩的大小，应尽量减小阻力（转矩），以提高步进电动机驱动转矩的有效率。对丝杠要提高其直线度，导轨压板及螺母的预紧力都要调得合适。为减少导轨副的摩擦阻力可改换成滚动导轨副。 根据阻力（转矩）、切削用量的大小及机床型号的不同，应通过计算，选用与
10、之相匹配的步进电动机。对要求加工精度较高的机床，进给丝杠应改换为滚珠丝杠。第2章 机械部分设计及计算纵向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电机等。2.1 脉冲当量的确定根据设计任务的要求，纵向的脉冲当量为=0.01mm/脉冲2.2 车削力的分析与计算 车削外圆时的切削抗力如图2-1所示。主切削力F 与切削速度 的方向一 致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；背向力Fp与进给方向（即 工件轴线方向）相垂直，对加工精度的影响较大；进给力Ff与进给方向平行且指向相反。图2-1为了计算方便，在生产实际中，常用以下经验公式来估算
11、切削力； （ 2-1） 设工件材料为碳素结构钢，b=650MP; 选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角Kr=60，前角0=10，刃倾角s=-5；切削用量为：背吃刀量ap=3mm，进给量 f =0.6mm/r，切削速度 =105m/min.查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-1，得： =2795， = 1.0， =0.75，n =-0.15。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-3，得：主偏角Kr的修正系数K =0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。由经验公式（2-1），算得主切削力Fz=2673.4N。由经验公式Fz:Ff:Fp=1；0.35；0.
12、4；，算得纵向进给切削力 =935.69N,背向力Fp=1069.36N.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（纵向）滚珠丝杠螺母副是在丝杠和螺母的滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置，滚珠通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。滚珠丝杠副的外形如图2-2所示。 图2-2 滚珠丝杠副的外形滚珠丝杠副具有传动效率高、运动平稳、使用寿命长特性，广泛应用于各种工业设备、精密仪器和数控机床等。2.3.1 滚珠丝杠副的主要尺寸参数和精度等级 1. 滚珠丝杠副的主要尺寸参数 ，如
13、图2-3所示。称直径d0：滚珠在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。基本导程(或螺距)：丝杠相对螺母旋转2弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 行程：丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 此外，还有丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、丝杠螺纹全长ls等。 图2-3 主要尺寸参数2. 精度等级： 根据GB/T17587.3-1998标准，滚珠丝杠副的精度被分为1、2、3、4、5、7、10七个等级。其中最高级为1级，最低级为10级。2.3.2 国际标准化组织(1SODIS3408-2-1991)中规定：公称直径(mm)：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80， 100，125，160及200。基本导程(mm)：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。尽可能优先选用25，5，10，20及40。2.3.3滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，其支承方式与其传动精度和刚度有很大关系，它的典型支承方式可分为四种类型，有：1. 轴向刚度较高；2. 预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比双推-双推低；3. 适
