前 言我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，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，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，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”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用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，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。目 录第一节 设计任务31.1题目：31.2 任务3第二节 总体方案的确定4第三节 机械系统的改造设计方案53.1主轴系统的改造方案53.2安装电动卡盘53.3换装自动回转刀架53.4螺纹编码器的安装方案63.5进给系统的改造与设计方案6第四节 进给传动部件的计算和选型74.1脉冲当量的确定74.2切削力的计算74.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型84.4同步带减速箱的设计104.5步进电动机的计算与选型124.6同步带传递效率的校核16第五节 绘制进给传动机构的装配图16第六节 控制系统硬件电路设计17第七节 步进电动机驱动电源的选用19第八节 控制系统的部分软件设计19参考文献26第一节 设计任务1.1题目：C6140普通车床数控化改造设计1.2 任务将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：（1） 床身上最大加工直径;（2） 最大加工长度；（3） X方向（横向）的脉冲当量，Z方向（纵向）；（4） X方向最快移动速度，Z方向为；（5） X方向最快工进速度，Z方向为；（6） X方向定位精度，Z方向；（7） 可以车削柱面、平面、锥面与球面等；（8） 安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程；（9） 安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；（10） 自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；（11） 自动控制冷却泵的启/停;（12） 安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；（13） 纵、横向安装限位开关；（14） 数控系统可与PC机串行通信；（15） 显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。第二节 总体方案的确定总体方案应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单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。2 普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。3 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位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。4 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、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。5 为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横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。6 计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副，且应有消间隙机构。7 选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。第三节 机械系统的改造设计方案3.1主轴系统的改造方案 对普通机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，这样可以减少机械改造的工作量。主轴的正转、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速的多速电动机代替原有的单速主电动机；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（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。 改造C6140车床时，若采用有级变速，可选用浙江超力有限公司生产的YD系列变级多速三相异步电动机，实现档变速；若采用无级变速，应加装交流变频器，推荐型号为：F100-G0075T3B,适配电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。3.2安装电动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系。3.3换装自动回转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。3.4螺纹编码器的安装方案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴信号的反馈元件，它与车床主轴同步。改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是，Z向的进给脉冲当量是，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于。考虑到编码器的输出有相位差的A、B相信号，可用A、B异或后获得个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。电源电压+5V，每转输出个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为的同步齿形带与主轴连接起来。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，且车床组、主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。3.5进给系统的改造与设计方案（1） 拆除挂轮架所有齿轮，在此主轴的同步轴，安装螺纹编码器。（2） 拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。（3） 拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的的螺母座与螺母座托架。（4） 拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四工位立式刀架。（5） 拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段（长，见图一）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（6） 将横向进给步进电动机通过法兰安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相联。（7） 拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。（8） 改造后的横向、纵向进给传动系统分别见附图一和附图二。第四节 进给传动部件的计算和选型 纵、横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、选择步进电动机等。4.1脉冲当量的确定根据设计任务要求，X方向（横向）的脉冲当量为，Z方向（纵向）为。4.2切削力的计算（1）纵向切削力算设工件为碳素结构钢，；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角，前角，刃倾角；切削用量为：背吃刀量，进给量，切削速度。查表得：，；主偏角的修正系数；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为。由经验公式：，算得主切削力;由经验公式：，算得纵向进给切削力,背向力。（2）横向切削力计算横向主切削力为纵向的一半，所以横向主切削力由经验公式,求得横向进给切削力，背向力。4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型1.纵向： (1) 工作载荷的计算已知移动部件总重量；车削力，。根据，的对应关系，可得：，。 选用矩形-三角形组合滑动导轨，查表，取，代入,得工作载荷.(2) 最大动载荷的计算 设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度，初选丝杠基本导程，则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命，代入,得丝杠寿命系数。查表，取载荷系数，再取硬度系数，代入式，求得最大动载荷。(3) 初选型号 根据计算出的最大动载荷，查表，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为，基本导程为，双螺母滚珠总圈数为，精度等级取4级，额定动载荷为，满足要求。(4) 传动效率的计算将公称直径，基本导程，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入，得传动效率。(5) 刚度的验算 1） 纵向滚珠丝杠的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，见图二。固定端采取一对推力角接触轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为；钢的弹性模量；查表得滚珠直径，算得丝杠底径公称直径滚珠直径。忽略式中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的变形量。2）根据公式，求得单圈滚珠数目,该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为，则滚珠总数量。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力。则由式,求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的，所以实际变形量可减小一半，取。3）将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度）。由表知，4级精度滚珠丝杠任意轴向行程内行程的变动量允许，而对于跨度为的滚珠丝杠，总的变形量只有，可见丝杠刚度足够。(6) 压杆稳定性校核根据式计算失稳时的临界载荷。查表取支承系数；由丝杠底径，求得截面积惯性矩；压杆稳定安全系数取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值。代入式，得临界载荷,远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。综上所述初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4.4同步带减速箱的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。C6140车床纵向减速箱选用同步带传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传动的功率；主动轮转速和传动比；传动系统的位置和工作条件等。根据改造经验，C6140车床纵