C616数控改造课程设计说明书Word文件下载.docx
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数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。
能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。
如：
数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控改造，大有可为。
它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。
数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。
能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：
（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；
（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）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。
要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。
普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。
机床数控化改造的优点：
（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；
（2）适应多品种、小批量零件生产；
（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；
（4）降低对工人的操作水平的要求；
（5）数控改造费用低、经济性好；
（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。
目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。
用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。
普通车床等是金属切削加工最常用的一类机床。
普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。
进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。
刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。
对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；
刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。
这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。
由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。
第一章设计内容
1.1课程设计III任务书
班级：
姓名：
学号：
题目：
C616普通车床纵向进给系统数控改造（单片机控制）
要求
1、对C616普通车床进给工作台进行数控改造；
2、对纵向控制系统进行开环控制；
3、脉冲当量：
0.01mm/脉冲；
4、主控单元采用MCS-51系列单片机，要求有数字显示功能；
时间：
2011年11月21日至2011年12月30日共6周
具体任务：
1、总体方案确定；
2、机械部分设计及计算，要求数据具有科学性；
3、绘制装配图及其零件图若干张；
4、控制部分包括硬件和软件（流程）设计；
5、编写设计说明书（不少于1万字）。
1.2 主传动系统改装
为提高机床的自动化程度，实现在加工过程中自动变速，对原C616主传动系统作如下改装：
取消原变速箱，将主电机换成步进电动机；
保留原主轴箱内的背轮机构。
通过微机控制多速电机变速和手动控制背轮机构变速，使主轴获得高、低两档共8级转速，其中每档有四级转速可以在机床加工过程中自动变换。
1.3进给系统的改装
改装后为保证较高的传动精度和传动效率，采用结构简单、步距均匀、连续性好且易于数控的步进电机，经齿轮传动驱动滚珠丝杠实现进给。
滚珠丝杠选用单圆弧滚道截面，外循环方式、精度选F级。
为了在齿轮传动中消除间隙，实现微量自动补偿以提高传动精度，选用双片薄齿轮调隙、可调拉簧式结构。
1.4 C616的数控系统
采用南京微分电机厂生产的JWK-15T型数控系统。
该系统由TP8031单板机、驱动电源装置及110BF003型、110BC380B型功率步进电机等组成开环控制系统。
主要技术特性:
可控制车削端面、内外圆、任意锥面、螺纹、球面以及用球面逼近的任意曲面;
有直线、圆弧插补功能，程序中可给出一定延时；
有自动循环，间隙补偿、程序暂停、点动、报警功能，还具有对自动刀架转位及主轴正、反转、变速、停止等装置的控制功能。
第二章C616普通车床数控改造总体方案的设计
2.1选题及主要任务
a对C616普通车床进行数控改造，
b对纵向控制系统进行开环控制；
c脉冲当量：
d主控单元采用MCS-51系列单片机，要求有数字显示功能；
2.2设计参数
机床外形尺寸2340X900X1190毫米
工件最大回转直径在床面上320毫米
在床鞍上175毫米
工件最大加工长度700毫米
主轴孔径30毫米
2.3总体设计方案的确定
由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本。
C616车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作有：
控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速，刀架能实现纵向进给运动，加工螺纹时应保证主轴转一转，刀架移动1个被加工螺纹的螺距或导程。
这些工作就是数控化改造数控系统控制的对象。
根据C616车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为
采用单片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。
对现有的普通车床进行数控改造，包括以下两个方面：
①机械部分改造：
主传动系统不作变动，纵向进给系统采用滚珠丝杠螺母副替换进给轴原有的普通丝杆副。
②电气控制系统改造：
伺服控制采用开环控制，在机械部分改造完成后，根据技术指标中的最大尺寸，最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定采用MSC—51系列的80318位单片机作为数控系统CPU，控制步进电动机驱动纵向和横向进给运动，8031具有功能多，速度快，抗干扰能力强，性价比高等优点。
其系统框图如图。
第三章纵向进给伺服系统机械部分的计算与选型
3.1纵向进给系统的设计
经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。
步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。
对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。
3.2纵向进给系统的设计计算
按照导轨上面移动部件的重量进行估算。
包括工作平台，电机，减速箱，滚珠丝杠副，直线滚动导轨副，导轨座等，估计重量W=80kgf=800N（根据图纸粗略计算）
3.2.1脉冲当量的确定
根据设计任务的要求，Z方向为δp=0.01mm/脉冲
3.2.2切削力的计算
由〈〈机床设计手册〉〉可知，切削功率
Nc=NηK
式中N——电机功率，查机床说明书，N=4KW；
η——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7取η=0.65；
K——进给系统功率系数，取为K=0.96。
则：
Nc=4×
0.65×
0.96=2.496KW
又因为
NC=
FZ=
所以
式中v——切削线速度，取v=100m/min。
主切削力
FZ=1527.6N
由〈〈金属切削原理〉〉可知，主切削力
FZ=CFzapxFzfYFzKFz
查表得：
CFz=188kgf/mm21880Mpa
XFz=1YFz=0.75KFz=1
则可计算FZ如表3.1所示
表3.1FZ计算结果
ap（mm）
2
8
f（mm）
0.2
0.3
0.4
FZ（N）
1125
1524
1891
1687
2287
2837
当FZ=1520N时，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。
从〈〈机床设计手册〉〉中可知，在一般外圆车削时：
FX=（0.1～0.6）FZFZ=（0.15～0.7）FZ
取：
FX=0.5FZ=0.5×
1527.6=763.8N
FY=0.6FZ=0.6×
1527.6=916.5N
3.2.3滚珠丝杠设计计算
a工作载荷Fm的计算
已知移动部件的总重G=800NFZ=1527.6NFZ=0.5×
1527.6=916.5N.
选用矩形—三角形组合滑动导轨，查表3—29，取K=1.15,u=0.16,代入：
Fm=KFX+u（FZ+G）
式中K=1.15，f′=0.15～0.18，取为0.16。
则
Fm=1.15×
763.8+0.16×
（1527.6+800）=1250.8N
b强度计算：
设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min，初选丝杠基本导程Ph=6mm.
寿命值L1=
n1=
=
取工件直径D=40mm,查表得TI=15000h
=199.04r/min
L1=
=18
最大动负载FQ=
运转系数fw=1.2硬度系数fH=1
FQ=
×
1.2×
1×
1250.8=3993.36N
c初选型号
根据最大动负载FQ的值，可选择滚珠丝杠的型号。
，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠直径为φ32mm,型号为FC1B32×
6—5—E2，其额定动载荷是10689N，所以强度足够用。
d传动效率计算：
根据〈〈机械原理〉〉的公式，丝杠螺母副的传动效率η为：
将公称直径d=32mm，基本导程Ph=6mm，代入γ=arctan[Ph/（3.14d）]得丝杠螺旋升角γ=3°
25′代入摩擦角ψ=10′至
η=
η=
刚度验算：
滚珠丝杠受到工作负载P引起的导程的变化量
△L1=±
式中L0=6mm=0.6cm；
E=20.6×
166N/cm2。
e刚度验算
纵向滚珠丝杠副的支承，采取一端固定，一端简支的方式，固定端采用异地推力角接触球轴承面对面组配，丝杠加上两端接杆后，左右支撑中心距离约a=1479mm，钢的弹性模量E=2.1X10^5Mpa查表得滚珠直径Dw=3.9688mm,计算丝杠底径为28.0312mmF=（
）2π=（
）2×
3.14
△L1=±
=±
5.9×
10-6㎝
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小,可忽略,即：
△L=△L1。
所以：
导程变形总误差△为
△=
10-6=9.8μm/m
查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15μm/m，故刚度足够。
稳定性验算：
由于机床原丝杠直径为φ30mm，现选用的滚珠丝杠直径为φ32mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。
3.3齿轮及转距的有关计算
3.3.1有关齿轮计算传动比
i=
=1.25
故取Z1=32mmZ2=40
m=2mmb=20mmα=20°
d1=mZ1=2×
32=64mm
d2=mZ2=2×
40=80mm
dα1=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
α=
=72㎜
3.3.2转动惯量计算
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：
J1=（
）2W=（
80=0.468㎏·
㎝2
=4.68N·
丝杠的转动惯量：
JS=7.8×
10-4×
D4L1=7.8×
3.24×
140.3
=11.475㎏·
㎝2=114.75N·
齿轮的转动惯量：
JZ1=7.8×
6.44×
2=2.617㎏·
㎝2=26.17N·
JZ2=7.8×
84×
2=6.39㎏·
㎝2=63.9N·
电机转动惯量很小可以忽略。
因此,总的转动惯量：
J=
（JS+JZ2）+JZ1+J1
（11.475+6.39）+2.617+0.468
=14.519㎏·
㎝2=145.19N·
3.3.3所需转动力矩计算
快速空载启动时所需力矩
M=Mamax＋Mf＋M0
最大切削负载时所需力矩
M=Mat＋Mf＋M0＋Mt
快速进给时所需力矩
M=Mf＋M0
式中Mamax——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；
Mf——折算到电机轴上的摩擦力矩；
M0——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；
Mat——切削时折算到电机轴上的加速度力矩；
Mt——折算到电机轴上的切削负载力矩。
Ma=
10-4N·
m
当n=nmax时Mamax=Ma
nmax=
=416.7r/min
Mamax=
10-4=2.52N·
m=25.72㎏f·
㎝
当n=nt时Ma=Mat
nt=
=24.88r/min
Mat=
10-4=0.1505N·
m=1.536㎏f·
Mf=
当η0=0.8f′=0.16时
=1.223㎏f·
M0=
（1-η02）
当η0=0.9时预加载荷P0=
Fx则：
M0=
=0.462㎏f·
㎝=4.62N·
Mt=
=7.297㎏f·
㎝=72.97N·
所以,快速空载启动时所需力矩：
=25.72＋1.223＋0.462=27.405㎏f·
=274.05N·
切削时所需力矩：
M=Mat＋Mf＋M0＋Mt
=1.536＋1.223＋0.462＋7.297=10.518㎏f·
=105.18N·
快速进给时所需力矩：
M=Mf＋M0=1.223＋0.462=1.685㎏f·
=16.85N·
由以上分析计算可知：
所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，
Mmax=27.405㎏f·
㎝=274.05N·
第四章步进电机的选择
4.1步进电机的选择的基本原则
合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。
现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：
步距角α 步距角应满足：
α≤
式中i——传动比
αmin——系统对步进电机所驱动部件的最小转角。
4.2精度
步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。
积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值。
用积累误差衡量精度比较实用。
所以选用不进电机应满足
△Q≤i[△θs]
式中△Q——步进电机的积累误差；
[△θs]——系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。
4.3转矩
为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑：
（1）启动力矩
一般启动力矩选取为：
Mq≥
式中Mq——电动机启动力矩；
ML0——电动机静负载力矩。
根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表4.1所示。
Mjm为步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。
表4.1步进电机相数、拍数、启动力矩表
运行
方式
相数
3
4
5
6
拍数
10
12
Mg/Mjm
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
4.4启动频率
在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。
由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：
ft≥[fcp]m
式中ft——极限启动频率；
[fcp]m——要求步进电机最高启动频率。
4.5步进电机的选择
C616纵向进给系统步进电机的确定
Mq=
685.125N·
为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：
Mq/Mjm=0.866所以步进电机最大静转矩Mjm为：
Mjm=
791.14N·
步进电机最高工作频率
fmax=
Hz
综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。
第五章机床导轨改造
卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。
导轨就
能起到支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定的方向运动。
导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工承载能力和使用性能。
数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。
滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。
精度高，但价格贵。
经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。
因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。
滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。
普通机床的导轨一般是铸铁—铸铁或铸铁—淬火钢导轨。
这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。
贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；
耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，且有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成本低。
目前应用较多的聚四氟乙稀（PTEE）贴塑软带，如美国生产的Twrcite—B和我国生产的TSF软带材料，次、此种软带厚度为0.8㎜、1.6㎜、3.2㎜等几种规格。
考虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，选用厚度为1.6㎜为宜。
贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。
粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行加工修理。
根据导轨尺寸长度放大3～4㎜，切下贴塑软带。
金属粘结面与软带结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。
作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足装配要求。
第六章控制系统硬件电路设计
6.1实现功能及要求
根据任务书的要求，设计控制系统硬件电路是主要考虑一下功能
（1）CPU采用8031芯片；
（2）扩展程序存储器2764两片，6264一片；
（3）扩展可编程接口芯片8155两片；
（4）地址锁存器，译码器个一个；
（5）键盘电路，显示电路；
（6）光电隔离电路，功率放大功率；
（7）越程报警电路，急停电路，复位电路；
（8）面板管理电路。
6.2设计说明
（1）CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器2764两片（16KB），数据存储器6264（8KB）一片。
8031的I/O口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了两片8155可编程接口芯片。
（2）采用74LS138三--—八译码器的输出作为片选信号。
2764
（1）、2764
（2）、6264、8155
（1）和8155
（2）的片选信号分别接到译码器的Y0~Y4,74LS138的输入A、B、C分别接8031的P2.5、P2.6、P2.7。
（3）由于2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线，A0~A7低8位接74LS373芯片的输出。
A8~A12接8031芯片的P2.0~P2.A，74LS373地址锁存器在选通信号ALE在高电平时直接传送8031P0口低8位地址，当ALE在高电平变低电平的下降沿时，低8位地址锁存器，此时，P0口可用来向片外传送读写数据。
（4）接口芯片与外设的联接及设计说明如下：
8155
（2）PA.0~PA.3输出的指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大电路直接驱动纵向和横向步进电机的共4相绕组。
在本系统中采用软件环形分配器方式，虽然运行速度慢一些，但可以省去两个硬件环形分配器，电路比较简单，由于步进电机的每一相绕组需和一个I/O接口相连，以便与控制寄存器中某一指定相位对应，因此，占用的I/O口数量较多。
8155
（2）的PC.0~PC.5作为显示器位选信号，显示器的段选信号则由8031的P1.0~P1.7发出，8155的PB.0~PB.3是键盘扫描输入。
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