数控加工数控原理及应用课程设计.doc
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甘肃广播电视大学
课程设计
2006级春季机械设计制造及其自动化专业本科
课程设计题目:
CA6140普通车床数控化改造
学生姓名:
任立王旭同徐钢
学号:
061190114061190112061190115
电大分校:
甘肃电大亚盛分校
工作站:
玉门工作站
学生所在单位:
中核四零四总公司第三分公司
中核华原钛白股份有限公司
中核四零四总公司第三分公司
指导教师:
石敬东
甘肃电大开放教育_2006_级（春、秋）机械制造专业（本科）
课程设计成绩评定表
分校：
亚盛集团分校工作站：
酒泉工作站班级代号：
061190052
姓名
专业
课程名称
设计时间
王旭同
机械制造
数控原理及其应用
2007年10月
设计题目
CA6140普通车床数控化改造
指导教师评语及
评分
签字（盖章）年月日
设计小组
评价意见
及评分
签字（盖章）年月日
分校集中实践环节指导小组意见
签字（盖章）年月日
省电大集中实践环节指导委员会审核意见
签字（盖章）年月日
说明：
1.答辩小组应填写评价意见，小组成员均应签名（盖章）。
答辩小组不应少于3人。
2.此表附于封面之后。
3.此表由分校、工作站自行复制。
目录
机床的数控改造………………………………………………………………………
机床数控改造总体方案确定……………………………………………………
机械部分设计计算………………………………………………………………………
数控系统硬件电路设计……………………………………………………………
软件设计…………………………………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………………………………
[内容提要]随着科学技术的发展，由于普通机床效率差、性能落后，世界各工业发达国家通过发展数控技术、建立数控机床产业，促使机械加工业跨入一个新的“现代化”的历史发展阶段，从而给国民经济的结构带来了巨大的变化。
本系统是一个典型的经济型数控装置。
系统采用微机实现数控机床的位置控制。
使用变频调速系统控制主轴电机的运行。
本系统具有巡检速度快、精确、方便、可靠性能高、抗干扰能力强等诸多优点，在工商业领域应用地越来越多。
[关键词]数控机床步进电机齿轮传动滚珠丝杠硬件电路程序设计计算
一、机床的数控改造
1、概述
随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。
目前，机械加工中单件、小批量加工约占80％，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活、通用，能迅速适应加工零件的变更。
数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题。
它具有适应性强、较高的加工精度、稳定的加工质量和高生产效率的优点。
所以，数控机床是一种灵活而高效的自动化机床。
随着电子、自动化、计算机和精度测试等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将越来越重要。
2、数控机床的产生与发展
第一台数控机床是适应航空工业制造复杂零件的需要而产生的。
1948年，美国帕尔森兹（Parsons）公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。
后来受空军委托与麻省理工学院合作开始了将三坐标铣床数控化的研究工作。
1952年公开发表了世界上第一台数控机床样机，这是一台直线插补连续控制的三坐标铣床，使用了电子管元件。
后来又经过三年的改进与自动化程序编制的研究，于1955年进入实用阶段，投产了一百台类似产品。
这些数字控制铣床在复杂的曲面零件加工中，发挥了很大的作用。
数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的全新型机床。
就其数控系统而言已经历了几代变化：
第一代：
1952～1959年采用电子管元件；
第二代；从1959年开始采用晶体管元件，
第三代：
从1965年开始采用集成电路；
第四代；从1970年开始采用大规模集成电路及小型通用计算机；
第五代：
从1974年开始采用微处理机或微型计算机。
从数控系统的发展来看，它主要向着增强功能、方便使用、提高可靠性和降低价格方向发展。
数控机床的发展不仅表现为数量的迅速增长，而且在质量与性能上也有显著提高。
科学技术的迅速发展，对机械产品提出了高精度、高复杂性的要求，而且产品改型频繁。
这对机床设备不仅提出精度与效率的要求，而且也提出了通用性与灵活性的要求。
特别是宇航、造船、武器生产等工业部门，需要加工的零件多具有精度高、形状复杂、批量小、经常变动等特点。
使用普通机床加工这些零件，不仅劳动强度大、效率低，而且难以保证精度，有些零件甚至无法加工。
现将其主要发展方向简述如下。
随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多祥化的要求愈来愈强烈。
中、小批量生产的比重明显增加，要求现代数控机床成为一种具有柔性、精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。
同时，为了满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），以及计算机集成制造系统（CIMS）提供基础设备．也要求数控机床向更高水平发展。
当前数控机床技术呈现如下发展趋势。
（1）高精度化
现代科学技术与生产的发展，对机械加工与测量提出了越来越高的精度要求。
加工精密化不只是由于发展高、新技术的需要，也是为了提高普通机电产品的性能质量、寿命和可靠性的需要，同时还是为了减少机械产品装配时的修配工作量，提高装配效率的需要。
故机床的加工精度有不断提高的趋势。
（2）运动高速化
高速是高效的基础，要提高生产，首先就得提高切削速度。
这正是机床技术发展追求的基本目标之一。
而实现这个目标的最主要、员直接的方法就是提高切削速度和减少辅助时间。
数控机床的“高速化”主要体现在主轴转速和进给速度。
随着刀具、电机、轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大幅度提高。
（3）高柔性化
柔性是指机床适应加工对象变化的能力。
传统的自动化设备，由于是机械或刚性连接和控制的，当被加工对象变换时，调整很困难，甚至是不可能的，有时只得全部更新、更换。
数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元，对满足加工对象变换有很强的适应能力。
而且，在提高单机柔性化的同时，正努力向单元柔性化相系统柔性化发展。
实践证明，采用柔性自动化设备或系统是提高加工精度和效率、缩短生产和供货周期、并能对市场变化需求做出快速响应和提高竞争能力的有效手段。
作为柔性化典型设备的数控机床及FMC、FMS，80年代发展很快。
其中体现柔性化程度较高的机种——加工中心的产量、产值增长更快，都远远超过数控机床年平均增长率。
（4）高自动化
这里指的柔性自动化是包括物料流和信息流的自动化。
80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”（单台数控机床）发展到“线”的自动化＜FMS、FTL）和“面”的自动化（柔性制造车间）。
结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化。
在国外已出现FA（自动化工厂）和CIM（计算机集成制造）工厂的实体。
尽管由于这种高自动的技术还不够完备，投资过大，回收期较长，但数控机床的高自动化以及向FMC、PMS的系统集成方向发展的总趋势仍是机械制造业发展的主流。
数控机床（包括FMC和FMs）的自动化除进一步提高其自动编程、自动换刀、自动上下料、自动加工等自动比程序外，在自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、自动管理等方面也进一步得到发展的同时也提高了其标准化和在线的适应能力。
（5）复合化
复合化包括工序复合化相功能复合化。
数控机床的发展已模糊了粗、精加工工序的概念。
目前，很多企业正在对可靠性设计技术、可靠性试验技术、可靠性评价技术、可靠性增长技术以及可靠性管理与可靠性保证体系等进行深入研究和广泛应用，以期使数控机床的整机可靠性水平提高到一个新水平。
（7）宜人化
宜人化是一种新的设计思想和观点，是将功能设计与美学设计有机结合，是技术与经济、文化、艺术的协调统一，其核心是使产品变为更具有魅力、更适销的对路商品，引导人们进入一种新的生活方式和工作方式。
工业先进国家早已将其广泛用于各种产品的设计中。
因此它是经济腾飞、提高市场竞争能力的重要手段。
使用户在操作安全、使用方便、性能可靠的同时，还能体会到一种美的享受感、舒服感、欣赏感，令人在心情愉快中完成工作。
（8）设计CAD化
数控机床的设计是一项要求较高、综合性强、工作量大的工作故应用CAD（ComputerAidedDesigin）一计算机辅助设计）技术就更有必要、更迫切。
3、数控改造的必要性
数控机床可以较好解决形状复杂、精密，小批、多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，但是应用数控机床还受到其它条件的限制。
（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。
（2）目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费。
（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需。
（4）通用数控机床对具体生产有多余功能。
要较好地解决上述问题，应走普通机床数控改造之路。
从美国、日本等工业化国的经验看，机床的数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。
如日本的大企业中有26％的机床经过数控改造，中小企业则是74％。
在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供机床数控改造服务。
因此，普通机床的数控改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是如此。
4、数控改造的优点
数控改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。
其改造的目的有几点。
（1）提高资本效率出发，改造闲置旧设备，发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值。
（2）为了提高生产效率进行数控改造。
（3）为了适应多品种、小批量零件生产而进行数控改造。
（4）为了使技术等级较低的工人也能加工出高质量的产品零件和提高生产效率而进行数控改造。
（5）为了减小整个设备投资计划而进行数控改造。
所有这些目的都围绕一点，即提高机床的性能价格比，用较少的价格，得到较高的机床性能。
因此数控改造具有以下优点。
（1）易于对现有的机床实现自动化，而且专业性强，没有多余功能。
（2）减少辅助加工时间，提高机床的生产效率。
（3）降低对工人技术等级的要求。
（4）控改造费用低，可充分利用原有机床设备。
（5）数控改造的周期短，可满足生产急需。
5、简易型数控机床
简易型数控机床又称为经济型数控机床。
这种机床的特点是简单、实用、价廉、可靠、操作维修方便。
简易型数控机床的设计思想是面向生产第一线的操作工人，使操作适合操作工人的特点，经过短期培训就能迅速地掌握，并让工人在加工中发挥他们原有的操作经验。
简易型数控机床，其零件程序一般不使用纸带输入，而用键盘或磁带输入。
它去掉了一些传统的、复杂的自动机能，而保留了自动加工的基本功能。
这种装置由于体积小，往往与机床构成一体，所以具有价廉、可靠等优点，且在技术上具有一定的先进性，为我国现有旧机床的改造提供了有利条件。
适应目前技术革新与技术改造中量大面广的需要。
目前国内发展了许多品种的简易型数控机床，其中以简易型数控车床为最多。
二、设计任务与总体方案确定
1．设计任务
（1）本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造，利用微机对纵、横进给系统进行开环控制。
纵向脉冲当量为0.Ol0mm／脉冲，横向脉冲当量为0．005mm／脉冲。
驱动元件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杠。
（2）实现要求：
车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工。
（3）操作要求：
起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止。
2．总体方案的确定
（1）确定改造对象
本方案所选改造车床为应用范围较广的CA6140普通车床,该车床是我国自行设计、制造的机床。
该机床万能性大，适用于加工各种轴类、套筒类、轮盘类零件上的回转表面。
CA6140型车床因加工范围广、结构复杂、自动化程度不高，所以，一般用于单件、小批生产。
其主要技术规格如下:
（2）CA6140主要技术参数
型号
技术参数
CA6140
床身上最大回转直径（主参数）
400mm
工件最大长度（第二主参数）
750、1000、1500、2000mm
刀架溜板上最大工件回转直径
210mm
主轴孔前端锥度
莫氏6号
主轴孔径
48mm
主轴转速
正转24级10～1400r/min
反转12级14～1580r/min
进给量
纵向64级0.028～6.33mm/r
横向64级0.014～3.16mm/r
纵向快速4m/min
横向快速2m/min
车削螺纹
公制44种1～192mm
英制20种2～24牙／英寸
模数39种0.25～48mm
径节37种1～96牙／英寸
刀架行程
最大纵向行程4种650、900、1400、1900mm
最大横向形成2种260、295mm
小刀架最大行程2种139、165mm
主轴中心线至刀杆支面距离
25mm
刀杆截面尺寸
25mm2×5mm
尾座套筒顶尖空锥度
莫氏5号
主电机
功率7.5kw
转速1400r/min
溜板快速移动电机
功率250kw
转速1360r/min
外形尺寸
长度2668mm
宽度100mm
高度1267mm
察看了CA6140车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体方案为：
采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。
如图1所示。
纵向工作台
功率放大
步进电机
光电隔离
微
机
横向工作台
功率放大
光电隔离
步进电机
由于设计的是简易型经济数控,所以考虑具体方案时,基本原则是在满足需要的前提下,对于机床尽可能减小改动量,以降低成本。
采用开环控制改造后保留原机床的主传动部分，去掉进给箱、溜板箱，拆下机床三杠。
纵向进给机构的改造：
纵向进给机构利用原车床进给箱的按装孔和销钉孔按装齿轮箱体。
进给运动的实现有滚珠丝框完成他置于原丝框的位置，两端采用原有固定方式。
用步进电机数控系统带动丝框控制纵向工作台运动。
横向进给机构的改造：
保留原手动机构，用于微进给和机床刀具对零操作，原有的支承结构也保留。
纵、横进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双齿轮错齿法消除间隙。
改造后的机床上安装有纵横快速进给和急停按钮以适应机床调整时的操作和意外事故的紧急处理。
经济型数控车床上加工螺纹和丝杠，需配置脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步运转，发出车床主轴转角位置变化信号，输送到计算机。
为延长主轴脉冲发生器的使用寿命，减少磨损。
可安装电磁离合器不使用时将其断开。
数控系统采用MCS-51系列的单片机控制，经比较采用具有价格低，功能强，使用灵活等优点的8031有扩展系统的单片机，即用8031外接2764（EPROM）、6264（RAM）及8155（扩展I/O）等芯片扩展一个较简单的微机控制系统。
CA6140车床数控改造总布置图（如图2）
三、机械部分的设计计算
1、纵向进给系统的设计计算（装配图）
（1）切削力的计算
机床切削力的大小取决于刀具的材料、被加工工件的材料、切削用量等因素。
而机床设计首先是由切削力的大小来估算电机的功率。
本系统为对现有CA6140型普通车床的改造，所以可以由该机床的电动机功率和主轴上传动的功率反推出工作台进给时的切削力，由金属切削原理得出机床的纵向切削力：
机床纵向切削力
Fx＝CFX.aPxFx.fyFx.VzFx
Fx＝CFX.aP.f0。
5.V－0。
4
切削用量:
aP=4mm,f=0.4mm/r,v=100m/min
式中：
CFX＝294、xFx=1.0、YFx=0.5、zFx=-0.4
FZ＝＝＝＝＝＝
0.3
FX
将已知数据代入上式纵向切削力：
FX＝130.71kgfFZ＝435.6kgf
（2）滚珠丝杠的设计计算
①工作负荷P的计算
工作负荷P是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力。
其数值可由下式计算：
纵向工作负载：
P＝kFX+f＇（FZ＋G）
式中：
k——考虑颠覆力矩影响的实验系数。
f＇——导轨上的摩擦系数。
G——移动部件的重量。
取k=1.15f＇＝0.15
计算结果：
纵向工作负载P=266.6kgf
②寿命L的计算
106
60nT
L＝
式中：
n——滚珠丝杠的转速（r/min）
T——使用寿命时间（h）本系统T取1500h
计算结果：
L＝52.47
③最大动负荷Q的计算
Q＝fwfHP
式中：
fw——运转系数：
取1.5
fH——运转系数：
取1.0
计算结果:
纵向最大负载：
Q＝4671.7N
由以上计算结果选取滚珠丝杠：
纵向选取：
dD2=40mm,选用FB40×6-3-E2
④传动效率
tg（γ+φ）
tgγ
η＝
γ——螺纹的螺旋升角
φ——摩擦角
滚珠丝杠滚动摩擦系数f＝0.003～0.004其摩擦角φ约等于10＇
γ＝2044＇
所以纵向传动效率η＝0.9428
⑤刚度验算
滚珠丝杠受工作负载FX引起的导程L0的变化量
EA
PL0
△L1＝±
式中：
L0=6mm弹性模量E＝20.6×104MPa
纵向:
266.6×9.81×6
A1=πR2=1135.0403mm2
=±6.7×10-5mm
20.6×104×1135.0403
A2＝±
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小可忽略
△＝△L1
=6.7×10-6×100/0.6=11.16µm/m
100
所以
L0
查表知E级精度丝杠允差15µm。
故刚度足够。
⑥稳定验算
FK＝
FZπ2EI
L2
取弹性模量E＝20.6×104MPa
I=πd4/64=π×36.0314/64=82732L=1000mm
支承方式由表2－7得fz=4.0
将数据代入上式得FK＝672822
ηK=FK/Fm=263
ηK>[nk]=25-4263>>4故丝杠不会失稳是安全的
（3）齿轮及步进电机的计算
①传动比的计算
设计计算公式均来自《机床设计手册》
传动比
步距角:
φ＝0.75/step滚珠丝杠导程:
S＝6mm
脉冲当量δp=0.010mm/step
=1.25
360δp
i=
φS
360×0.01
0.75×6
=
②主要几何尺寸的计算
故取：
Z1=40Z2=50
m=2mmha*＝1B1=25mmB2=20mmα=20°
齿轮主要几何尺寸计算
d1=mZ1=2×40=80mmd2=mZ2=2×50=100mm
da1=d1+2ha*=84mmda2=d2+2ha*=104mm
df1=d1-2hf*=75mmdf2=d2-2hf*=95mm
a=
2
d1+d2
=90mm
③转动惯量的计算
齿轮的转动惯量
Jz1=7.8da1B1×10-4
Jz2=7.8da2B2×10-4
Jz1=7.8×8.44×2.5×10-4=9.7085（kgcm2）
Jz2=7.8×10.44×2.0×10-4=18.25（kgcm2）
丝杠的转动惯量
Js=7.8×10-4D4L=7.8×10-4×104×100＝19.968（kgcm2）
3.14×0.75
πφ
J=（
180δp
180×0.01
）2M=（
）2×80=
0.468kgcm2
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量
电机转动惯量很小可忽略。
总的转动惯量
1
i2
（Js+Jz2）+Jz1+JI
J＝
1
1.252
（19.968+18.25）+9.7085+0.468=34.64（kgcm2）
J＝
④步进电机转轴上启动力矩的计算
纵向启动力矩
2πθb2η
Tq＝
36δp2［P+μ（P+G）］
式中：
Px———运动方向的切削抗力（N）；
μ———摩擦系数；
P1———垂直方向的切削力（N）；
G———工作台重量（包括工件夹具在内）（N）；
η———总机械效率。
得出纵向启动力矩25.15kgfcm
⑤δp
Fmax=
1000Vmax
步进电机的最高工作频率计算：
式中：
Vmaxx=0.21m/s;Vmaxy=0.45m/s
计算结果：
fmaxz=5000步／s
⑥Tq
Jmax=
步进电机的选择
0.866
步进电机最大静转矩Jmax:
纵向最大静转矩Jmaxy=96.76kgfcm
由Jmax和fmax选取纵向均为110BF003
110BF003：
步距角0.75／1.5，最大静转矩（N.cm）800，最高空载启动频率（step/s）1500，运行频率（step/s）7000，相数3，电压（V）80，相电流（A）6。
外形尺寸：
外径110长度160轴径60mm重量60N
⑦校核齿轮传动的强度
小齿轮材料用40Cr、调质处理HB1=280大齿轮材料用45#钢、调制处理HB2=240；齿轮精度为7级，传递功率P1＝4.1047×10－1KW小齿轮转速n1=500r/min大齿轮n2=400r/min齿数Z1=40,Z2=50,m=2齿宽B1＝25B1＝20双向传动、寿命十年，每日两班制、小齿轮相对轴承悬臂布置、载荷平稳、用步
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