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1、 中国矿业大学2007届本科生毕业设计 第86页摘 要数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用，但数控机床一次性投资较大，对机床进行数控化改造不失为一良策。本设计利用数控装置对CA6140普通车床进行控制,主传动系统部分 采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架(四工位)从而实现自动换刀；通过MCS-51系列8051单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速度和
2、行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。本次设计的数控改造为经济适用型，改造简单易行，可降低劳动强度，提高生产效率。主要介绍了经济型数控机床进给伺服系统设计计算。阐述了CA6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床纵向、横向进给系统的改造设计及计算。关键词： CA6140车床；数控改造；滚珠丝杠；步进电动机ABSTRACT The NC machine plays a very great role in mechanical engineeringAlthough the investment needs a great
3、deal of money，it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.The spindle speed of CA6140 remains the manual function of shifting gearsThe alteration is easy and it can reduce labor intensityand improve productive efficiency but the NC Machine larger one-time investment, NC machine t
4、ools for the transformation of a good after all. The design of the device using NC Lathe CA6140 control, part of the main transmission system using AC spindle motor and graded by the pulley driven spindle gearbox, through the inverter and gearbox to achieve sub; Feed System used by stepper motor dri
5、ven ball screw slowdown after campaign vertical feed system through a gear after the ball screw drive, in the horizontal feed system through two gear-driven ball screw; Tool to automatically transfer tool carrier (4-position), thus achieving automatic tool change; by MCS-51 series 8051 data to be de
6、alt with. from the I / O interface stepper pulse output signal to control the feed rate and itineraries; In order to maintain the function of cutting thread, to the outer end of spindle or other appropriate location loaded pulse generator; Lathe will be transformed into Tailstock manually controlled
7、 electric Tailstock. The design of the NC transformation of the economy - the application, transforming simple, can reduce labor intensity, improve production efficiency. Introduced a major economic NC machine tool servo system design. Expounded the CA6140 ordinary NC lathe spindle system improvemen
8、ts and vertical machine, horizontal feed system of the design and calculation. Keywords：CA6140 lathe；digital modification；ball screw；stepping motor目 录第一章 概述11.O 引言61.1 经济型数控改造的实际意义61.1.1 技术分析61.1.2 经济分析61.1.3 市场分析71.1.4 生产分析71.1.5 综合分析71.2 数控机床的基本结构及工作原理71.3数控机床的分类81.3.1 按加工工艺方法分类81.3.2 按控制运动的方式分类91
9、.3.3 按驱动装置的特点分类91.4 数控机床的特点及应用范围111.4.1 数控机床的加工特点111.4.2数控机床的应用范围12第二章 经济型车床数控改造总体方案的确定132.1设计任务132.2总体数控改造方案设计13第三章主传动系统设计153.1概述153.1.1数控机床主传动系统的特点153.2主传动系统的配置方式163.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型163.2.2交流主轴电机的调速173.2.3分级变速齿轮箱的传动系统设计183.2.4主传动系统组件的结构形式22第四章伺服进给系统的结构设计与计算244.1伺服进给传动系统概述244.2步进电动机及开环进给控制254.2.1
10、步进电动机的驱动控制254.2.2、步进电机的驱动放大电路284.2.3步进电动机参数说明314.3纵向进给系统的设计计算324.3.1 设计参数324.3.2纵向进给切削力的确定334.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型334.3.4纵向进给减速齿轮的设计与校核364.3.5纵向进给步进电动机的计算和选型374.4横向进给系统的设计计算404.4.1横向进给切削力的确定404.4.2横向进给切削力的确定404.4.3 横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型404.4.4横向进给减速齿轮的设计与校核424.4.5横向进给步进电动机的计算和选型454.5 滚珠丝杠的安装474.5.1滚珠丝杠
11、的安装形式474.5.2滚珠丝杠轴承的校核484.5.3消除齿轮间隙的措施：51第五章自动回转刀架的设计535.1自动回转刀架主要类型及特点535.2自动回转刀架的设计计算535.2.1自动回转刀架步进电动机的选用545.2.2自动回转刀架的蜗轮蜗杆设计计算54第六章电动尾座的设计586.1设计方案586.2电动尾座改造部分设计计算586.2.1电动尾座驱动电动机的选择586.2.2电动尾座用的齿轮设计58第七章主轴编码器的设计6171编码器工作原理6172主轴编码器的安装62第八章数控车床数控系统设计638.1概述638.2 计算机数控（CNC）系统的简介648.2.1概述648.2.2微处
12、理器数控（MNC）系统的组成658.3 CNC系统的硬件结构678.3.1 单微处理机与多微处理机结构678.3.2大板式结构与功能模块式结构688.4 CNC系统的软件698.4.1 CNC系统软件的组成与功能698.4.2 CNC系统软件的特点和结构728.4.3.CNC系统软件结构的分类748.5CNC系统的工作过程758.5.1 CNC系统的数据段历程758.5.2 CNC系统自动工作时的总体流程758.6 运动轨迹的插补原理768.6.1 运动轨迹插补的概念768.6.2 运动轨迹插补的方法778.6.3 逐点比较法77结论84参考文献85致谢86 第一章 概述1.O 引言由于现代工
13、业的飞速发展，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。如果设备全部更新换代，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。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造，这样既可以提高生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。1.1 经济型数控改造的实际意义 目前，各企业一般都有不少普通车床，完全用数控车床加以替换根本不可能。解决这个问题，必须走普通车床数控改造之路。日本大企业中有26%的机床经过数控化改造，而中小企业则占74%;美国有许多数控专业化公司为用户提供数控改造服务。我国拥有300万台机床，其中大量的是
14、通用车床。因此，普通车床的数控改造，大有可为。 数控改造一般是指对普通车床某些部位作一定的改造，配上数控装置，从而使车床具有数控加工能力。1.1.1 技术分析在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术、计算机技术的发展更快。应用到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，有些企业已在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床满足了技术发展的需要，提高了生产率和产品精度，增大了设备适应能力和型面加工范围。1.1.2 经济分析由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，要花费大量的资金，而替换下
15、的机床又会闲置起来造成浪费，若采用数控技术对旧机床加以改造，和购买新机床相比，则可以节省50 以上的资金。一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的13到l5，一般用户都能够承担得起，这为资金紧张的中小型企业的技术改造开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力。1.1.3 市场分析据国内资料统计，订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足用户需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。1.1.4 生产分析在现代机械制造工业中，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重。若要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。1.1.5 综合分
