C6140車床數(shù)控化改造課程設(shè)計心得

總結(jié)

課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設(shè)計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。

說實話，課程設(shè)計真的有點累。然而，當我一著手清理自己的設(shè)計成果，漫漫回味這3周的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓消。雖然這是我剛學會走完的第一步，也是人生的一點小小的勝利，然而它令我感到自己成熟的許多，另我有了一中”春眠不知曉”的感悟。

通過課程設(shè)計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心，細致。課程設(shè)計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂：但一想起吳吉平教授平時對我們的耐心教導。想到今后自己應當承擔的社會責任，想到世界上因為某些細小失誤而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提示自己，一定要養(yǎng)成一種高度負責、認真對待的良好習慣。這次課程設(shè)計使我在工作作風上得到了一次難得的磨練。

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C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

山東英才學院

畢業(yè)設(shè)計

題目普通車床C6140的數(shù)控化改造專業(yè)機電一體化工程姓名張海偉指導教師劉河洲

二O一一年三月

第1頁

C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

前言

我國目前機床總量為380萬余臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，這說明我國機床數(shù)控化率不到3%。我們大多數(shù)制造業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工設(shè)備大多數(shù)是傳統(tǒng)機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、成本高等缺點，因此這些產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機床的數(shù)控化率。

對于我國的實際情況，大批量的購置數(shù)控機床是不現(xiàn)實也是不經(jīng)濟的，只有對現(xiàn)有的機床進行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對于購置數(shù)控機床來說，能充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，改造后的機床比傳統(tǒng)機床有很多突出優(yōu)點，由于數(shù)控機床的計算機有很高的運算能力，可以準確的計算出每個坐標軸的運動量，加工出較復雜的曲線和曲面。其計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記憶和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可以實現(xiàn)另一工件的加工，從而實現(xiàn)“柔性自動化”。改造后的機床不象購買新機那樣，要重新了解機床操作和維修，也不了解能否滿足加工要求。改造可以精確計算出機床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，操作和維修方面培訓時間短，見效快。另外，數(shù)控改造可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新機那樣需要重新構(gòu)筑地基，還可以根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和檔次，將機床改造成當今水平的機床。

數(shù)控技術(shù)改造機床是以微電子技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ)，不但技術(shù)上具有先進性，同時在應用上比其他傳統(tǒng)的自動化改造方案有較大的通用性和可用性，且投入費用低，用戶承擔得起。由于自投入使用以來取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造中主要方向之一，也為我國傳統(tǒng)機械制造技術(shù)朝機電一體化技術(shù)方向過渡的主要內(nèi)容之一。

第2頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

目錄

第一節(jié)設(shè)計任務..................................3

1.1題目：...........................................31.2任務............................................3

第二節(jié)總體方案的確定............................4第三節(jié)機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案....................5

3.1主軸系統(tǒng)的改造方案...............................53.2安裝電動卡盤.....................................53.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架.................................53.4螺紋編碼器的安裝方案.............................63.5進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案........................6

第四節(jié)進給傳動部件的計算和選型..................7

4.1脈沖當量的確定...................................74.2切削力的計算.....................................74.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型......................84.4同步帶減速箱的設(shè)計..............................104.5步進電動機的計算與選型..........................134.6同步帶傳遞效率的校核............................17

第五節(jié)繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖.................17第六節(jié)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計.....................17第七節(jié)步進電動機驅(qū)動電源的選用.................20第八節(jié)控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計...................20參考文獻........................................27

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第一節(jié)設(shè)計任務

1.1題目：C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計

C6140型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會擁有量較大的普通型車床。經(jīng)過大量實踐證明，將其改造為數(shù)控機床，無論是經(jīng)濟上還是技術(shù)都是確實可行了。

一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數(shù)控車床，同時具有數(shù)控控制和原機床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。

1.2任務

將一臺C6140普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標如下：

（1）床身上最大加工直徑400mm;（2）最大加工長度1000mm；

（3）X方向（橫向）的脈沖當量x0.005mm/脈沖，Z方向（縱向）

z0.01mm/脈沖；

（4）X

方向最快移動速度vxmax3000mm/min，Z方向最快工進速度vxmaxf400mm/min，Z

afx方向為

vxmax60mm00/mi；n

（5）X

方向為

vxm80mm0/mi；n

（6）X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm；（7）可以車削柱面、平面、錐面與球面等；

（8）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大

導程24mm；

（9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；

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（10）自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變

速與無級變速信號；（11）（12）（13）（14）（15）

自動控制冷卻泵的啟/停;

安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；縱、橫向安裝限位開關(guān)；數(shù)控系統(tǒng)可與PC機串行通信；

顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。

第二節(jié)總體方案的確定

總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。1．普通車床數(shù)控化改造后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、

圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設(shè)計成連續(xù)控制型。

2．普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定

加工精度的前提下，應結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。

3．根據(jù)技術(shù)指標中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控

系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性/價比高等優(yōu)點。

4．根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、

鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等，還要選擇步進電動機的驅(qū)動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。

5．為了達到技術(shù)指標中的速度和精度要求，縱、橫向的進給傳

動應選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應有預緊機構(gòu)等。6．計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速齒

第5頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

輪副，且應有消間隙機構(gòu)。

7．選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。

第三節(jié)機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案

3.1主軸系統(tǒng)的改造方案

對普通機床進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機構(gòu)

和變速操縱機構(gòu)，這樣可以減少機械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。

若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用2~4速的多速電動機代替原有的單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于70Hz，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器的功率應比電動機大）。改造C6140車床時，若采用有級變速，可選用浙江超力有限公司生產(chǎn)的YD系列7.5kW變級多速三相異步電動機，實現(xiàn)2~4檔變速；若采用無級變速，應加裝交流變頻器，推薦型號為：F100-G0075T3B,適配7.5kW電動機，生產(chǎn)廠家為煙臺惠豐電子有限公司。

3.2安裝電動卡盤

為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系。

3.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架

為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有

第6頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架，選用常州市宏達機床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140型四工位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換刀需要配置相應的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。

3.4螺紋編碼器的安裝方案

螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸信號的反饋元件，它與車床主軸同步。

改造后的車床能夠加工的最大螺紋導程是24mm，Z向的進給脈沖當量是0.01mm/脈沖，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應不少于24mm/(0.01mm/脈沖）2400脈沖�？紤]到編碼器的輸出有相位差

90的A、B相信號，可用A、B異或后獲得2400個脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），

這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（A、B信號）。另外，為了重復車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖Z。

基于上述要求，選擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓+5，每轉(zhuǎn)輸出1200個A/B脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑15mm，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。

螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為1:1的同步齒形帶與主軸連接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床組、主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。

3.5進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案

（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。

第7頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

（2）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步

帶減速箱總成。

（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝

縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架。

（4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立式

刀架。

（5）拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副，將滑動絲桿靠刻度盤一段

（長216mm，見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。

（6）將橫向進給步進電動機通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板

上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。

（7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。（8）改造后的橫向、縱向進給傳動系統(tǒng)分別見附圖一和附圖二。

第四節(jié)進給傳動部件的計算和選型

縱、橫向進給傳動部件的計算和選型主要包括：確定脈沖當量、

計算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計減速箱、選擇步進電動機等。

4.1脈沖當量的確定

根據(jù)設(shè)計任務要求，X方向（橫向）的脈沖當量為

x0.005mm/脈沖，Z方向（縱向）為z0.01mm/脈沖。

4.2切削力的計算

（1）縱向切削力算

設(shè)工件為碳素結(jié)構(gòu)鋼，b650MPa；選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角kr60，前角010，刃傾角s5；

第8頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

切削用量為：背吃刀量p3mm，進給量f0.6mm/r，切削速度。vc10m5/min查表得：GFc2795，xFC1.0，yFc0.75，nFc0.15；主偏角Kr的修正系數(shù)KKrFc0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。

由經(jīng)驗公式：FCCFcpFcf背向力FP1069.36N。（2）橫向切削力計算

橫向主切削力為縱向的一半，所以橫向主切削力

Fc"1Fc1336.7N2xyFcVcFcKFc，算得主切削力Fc2673.4N;

n由經(jīng)驗公式：Fc:Ff:Fp1:0.35:0.4，算得縱向進給切削力Ff935.69N,

由經(jīng)驗公式Fc:Ff:Fp1:0.35:0.4,求得橫向進給切削力Ff467.85N，背向力Fp534.68N

。

4.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型1.縱向：

(1)工作載荷Fm的計算

已知移動部件總重量G1300N；車削力Fc2673.4，

FP1069.36N，F(xiàn)f935.69N。根據(jù)FzFc，F(xiàn)yFp，F(xiàn)xFf的對應關(guān)系，可得：Fz2673.4N，F(xiàn)y1069.36N，F(xiàn)x935.69N。

選用矩形-三角形組合滑動導軌，查表，取K1.15，0.16，代入FmKFx(FzG),得工作載荷Fm1712N.(2)最大動載荷FQ的計算

設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進給速度

v0.8m/min，初選絲杠基本導程Ph6mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速

n1000v/Ph133r/min。

第9頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

取滾珠絲杠的使用壽命T15000h，代入L060nT/106,得絲杠壽命系數(shù)L0119.7(單位為：。106r）查表，取載荷系數(shù)fW1.15，再取硬度系數(shù)fH1，代入式

FQ3L0fWfHFm，求得最大動載荷FQ3L0fWfHFm9703N。(3)初選型號

根據(jù)計算出的最大動載荷，查表，選擇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為40mm，基本導程為6mm，雙螺母滾珠總?cè)��?shù)為32圈6圈，精度等級取4級，額定動

0，滿足要求。載荷為13200N(4)傳動效率的計算

將公稱直徑d040mm，基本導程Ph6mm，代入

arctan[Ph/(d0)]，得絲杠螺旋升角244"。將摩擦角10"，代入

tan/tan()，得傳動效率94.2%。(5)剛度的驗算

1）縱向滾珠絲杠的支承，采取一端軸向固定，一端簡支的方式，見圖二。固定端采取一對推力角接觸軸承，面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為a1497mm；鋼的彈性模量E2.1105MPa；查表得滾珠直徑DW3.9688mm，算得絲杠底徑

FmaMa2中d2公稱直徑d0滾珠直徑DW36.0312mm。忽略式1ES2IE的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量

1Fma/(ES)0.01197mm。

2）根據(jù)公式Z(d0/DW)3，求得單圈滾珠數(shù)目Z29,該型號絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)��?shù)為326，則滾珠總數(shù)量Z296174。滾珠絲杠預緊時，取軸向預緊力FYJFm/3571N。則由式

20.0013Fm10DWFYJZ/1032,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量

20.00117mm。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實

mm。際變形量可減小一半，取20.0005853）將以上算出的1和2代入總12，求得絲杠總變形量（對應跨度1497mm）總0.012555mm12.555m。由表知，4級精度滾珠絲

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杠任意300mm軸向行程內(nèi)行程的變動量允許16m，而對于跨度為

1497mm的滾珠絲杠，總的變形量總只有12.555m，可見絲杠剛度足

夠。

(6)壓桿穩(wěn)定性校核

fk2EIFm計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表取支承根據(jù)式Fk2Ka系數(shù)fk2；由絲杠底徑d236.0312，求得截面積慣性矩

4Id2/6482734.15mm2；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安

裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值1497mm。代入式

fk2EIFkFm，得臨界載荷Fk51012N,遠大于工作載荷Fm(1712N)，

Ka2故絲杠不會失穩(wěn)。

綜上所述初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。

4.4同步帶減速箱的設(shè)計

為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。C6140車床縱向減速箱選用同步帶傳動。

設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動的功率P；主動輪轉(zhuǎn)速n1和傳動比i；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。

根據(jù)改造經(jīng)驗，C6140車床縱向步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在15~25Nm之間選擇。初選電動機型號為130BYG5501,五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩20Nm，十拍驅(qū)動時步距角為0.72。

（1）傳動比的確定

已知電動機的步距角0.72，脈沖當量z0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導程Ph6mm，代入式i（2）主動輪最高轉(zhuǎn)速n1

由縱向床鞍的最快移動速度vzmax6000得出主動輪mm/min，的最高轉(zhuǎn)速n1(vzmax/z)/3601200r/min。

第11頁

Ph算得傳動比i1.23C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

（3）確定帶的設(shè)計功率Pd

預選的步進電動機在轉(zhuǎn)速為1200r/min時，對應的步進脈沖頻率為fmax1201*60/(60)1201*60/(600.72)Hz10000Hz。當脈沖頻率為10000Hz時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8Nm，對應的輸

出功

率，為

。得

取出

POUTnT/9.551201*.8/9.55W478WKA1.2,代

入式

P0.478kWPdKAP，

Pd1.20.478kW0.574kW.（4）選擇帶型和節(jié)距pb

根據(jù)帶的設(shè)計功率Pd0.574kW和主動輪最高轉(zhuǎn)速

n11200r/min，選取同步帶的型號為L型節(jié)距pb9.525mm。（5）確定小帶輪齒數(shù)z1和小帶輪節(jié)圓直徑d1取z115，則小帶輪節(jié)圓直徑d1pbz145.48mm。當n1達到

最高轉(zhuǎn)速1200r/min時，同步帶速度為v有超過L型帶的極限速度35m/s。

d1n16010002.86m/s，沒

（6）確定大帶輪齒數(shù)z2和大帶輪節(jié)圓直徑d2

大帶輪齒數(shù)z2iz118，節(jié)圓直徑d2id154.57mm。（7）初選中心距a0、帶的節(jié)線長度L0p、帶的齒數(shù)zb

初選中心距a01.1(d1d2)110.06mm，圓整后取a0110mm。則帶的節(jié)線長度為L0p(d1d2)22a0(d1d2)377.33mm。查

24a0表選取標準節(jié)線長度Lp381mm，相應齒數(shù)zb40。（8）計算實際中心距a實際中心距aa0LpL0p2111.835mm。

（9）校驗帶與小帶輪的的嚙合齒數(shù)zmzment[z1pbz1(z2z1)]7，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。222a此處ent表示取整。

（10）計算基準額定功率P0

第12頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

所選型號同步帶在基準寬度下所允許傳遞的額定功率：

(Tamv2)vP0，式中Ta表示帶寬為bs0時的許用工作壓力，查

1000表得Ta244.46N；m表示帶寬為bs0時的單位長度的質(zhì)量，查表得m0.095kg/m；v表示同步帶的帶速，由上述（5）知v2.86m/s。代入式子算得P00.697kW.

（11）確定實際所需同步帶寬度bsbsbs0(Pd1/1.14，式中bs0表示選定型號的基準寬度，查表)KzP0得bs025.4mm；Kz表示小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查表得Kz1。由上式算得bs21.42mm，再根據(jù)表選取標準帶寬bs25.4mm。（12）帶的工作能力驗算

根據(jù)式P(KzKwTbsmv2)v103，計算同步帶額定功率P的bs0精確值：式中Kw為齒寬系數(shù)：Kw(bs/bs0)1.141。經(jīng)計算得

P0.697kW,而Pd0.574kW,滿足PPd。因此，帶的工作能力合

格。

4.5步進電動機的計算與選型

（1）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq

已知：滾珠絲杠的公稱直徑d040mm，總長（帶接桿）

l1560mm，導程Ph6mm，材料密度7.85103kg/cm3；縱向

移動部件總重量G1300N；同步帶減速箱大帶輪寬度28mm，節(jié)徑54.57mm，孔徑30mm，輪轂外徑42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，節(jié)徑45.48mm，孔徑19mm，輪轂外徑29mm，寬度12mm；傳動比i1.2。

將上述數(shù)據(jù)代入公式，可得出：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量

JS30.78kgcm2；床鞍折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量JW1.21kgcm2；小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz10.95kgcm2，大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz21.9kgcm2。在設(shè)計減速箱時，初選的縱向步進

第13頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

電動機型號為130BYG5501，查表得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm33kgcm2。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：JeqJmJz1(Jz2JWJS)/i257.55kgcm2。（2）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq

分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1）快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩Teq1

由式Teq1TamaxTfT0，可知Teq1包括三部分：快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax、移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式T0FYJPh2(10)可知，T0相對于Tamax和Tf很2i小，可以忽略不計。則有：Teq1TamaxTf（4-1）

根據(jù)式

TamaxJeq2Jeqnm60ta，考慮縱向傳動鏈的總效率

，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)

矩：Tamax2Jeqnm60ta1（4-2）式中nm表示對應縱向空載最

快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；ta表示步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。其中：nmvmax（4-3）式中vmax表示縱向空載最快移360動速度，任務書指定為6000mm/min；表示縱向步進電動機步距角。為0.72；表示縱向脈沖當量，為0.01mm/脈沖。將以上各值帶入式（4-3），算得nm1200r/mmin。

設(shè)表示步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間

ta0.4s，縱向傳動鏈總效率0.7；則由式（4-2）求得：

TamaxFP257.551041200Nm2.58Nm，由式Tf摩h可

600.40.72i知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：

第14頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

Tf(FcG)Ph（4-4）式中表示導軌的摩擦因數(shù)，滑動

2i導軌取0.16；Fc表示垂直方向的工作載荷，空載時取0；表示縱向傳動鏈總效率，取0.7。則由式（4-4）得：

Tf0.16(01300)0.006Nm0.24Nm，最后由式（4-1），

20.71.2求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為：

Teq1TamaxTf2.82Nm(4-5)

2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩

Teq2

由式Teq2TtTfT0可知，Teq2包括三部分：折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩Tt、移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。T0相對于Tf和Tt很小，可以忽略不計。則有：Teq2TtTf（4-6）

其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩Tt由式TtFfPh2i計算，本例中在對滾珠絲杠進行計算的時

候，已知進給方向的最大工作載荷Ff935.69N,則有：

TtFfPh2i935.690.006Nm1.06Nm

20.71.2F摩Ph2i計算承受最大工作負載

再由式Tf（Fc2673.4N）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)

Tf軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩:

(FcG)Ph0.16(2673.41300)0.006Nm0.72Nm

2i20.71.2最后由式（4-6），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機

轉(zhuǎn)軸所承的負載轉(zhuǎn)矩：Teq2TtTf1.78Nm（4-7）

經(jīng)上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩：Teqmax{Teq1,Teq2}2.82Nm（4-7）

第15頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

（3）步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定

考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟布，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足：

Tjmax4Teq42.82Nm11.28Nm（4-8）

對于前面預選的130BYG5501型步進電動機，查表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax20Nm，可見完全滿足式（4-8）要求。（4）步進電動機的性能校核

1）最大工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核

任務書給定縱向最快工進速度vmaxf800mm/min，脈沖當量

0.01mm/脈沖，由式fmaxfvmaxf60求出電動機對應的運行頻率

fmaxf800/(600.01)Hz1333Hz。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf17Nm，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩Teq21.78Nm，滿足要求。

2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核

任務書給定縱向最快空載移動速度vmax6000，由式mm/minfmaxvmax60，求出電動機對應的運行頻率

fmax6000/(600.01)Hz10000Hz。查表得，此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax3.8Nm，大于快速空載起動時負載轉(zhuǎn)矩

Teq12.82Nm，滿足要求。

3）最快空載移動時電動機運行頻率校核

最快空載移動速度vmax6000，對應的電動機運行頻mm/min率fmax10000Hz。查表可知130BYG550的極限運行頻率為

201*0Hz，可見沒有超出上限。

4）起動頻率的計算

已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq57.55kgcm2，電動機轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量Jm33kgcm2，查表可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何

第16頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

負載時最高空載起動頻率fq1800Hz。由式fLfq1Jeq/Jm，可

以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：fL1087Hz，上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于1087Hz。實際上，在采用軟件升降頻率時，起動頻率選得很低，通常只有100Hz(即100脈沖/s)。

綜上所述，縱向進給系統(tǒng)選用130BYG550步進電動機，可以滿足要求。

4.6同步帶傳遞效率的校核

分兩種工作情況，分別進行校核。（1）快速空載起動

電動機從靜止到加速至nm1200r/min，由式（4-5）可知，同步帶傳遞的負載轉(zhuǎn)矩Teq12.82Nm，傳遞的功率為

PnmTeq1/9.551201*.82/9.55W354.3W。（2）最大工作負載、最快工進速度

由式（4-7）可知，帶需要傳遞的最大工作負載轉(zhuǎn)矩

Teq21.78Nm，任務書給定最快工進速度vmaxf800mm/min，對應電動機轉(zhuǎn)速nmaxf(vmaxf/z)/360160r/min。傳遞的功率為

PTeq2/9.551601.78/9.55W29.8W。

可見，兩種情況下同步帶傳遞的負載功率均小于帶的額定功率

0.697kW。因此，選擇的同步帶功率合格。

第五節(jié)繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖

在完成滾珠絲杠螺母副和步進電機的計算選型后可以著手繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖。在繪制機械裝配圖時，還應認真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的一些問題。

（1）了解原機床的詳細結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。

第17頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

（2）根據(jù)載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號。（3）考慮各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。箱上的聯(lián)接與定位等。

（4）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構(gòu)等問題。

（5）在進行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。

第六節(jié)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

根據(jù)任務書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：

1）2）3）4）5）6）7）8）9）

接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示；接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號；接收車床限位開關(guān)信號；接收螺紋編碼器信號；

接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；控制X、Z向步進電動機的驅(qū)動器；控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；

控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速；控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速；

10）控制切削液泵起動/停止；11）控制電動卡盤的夾緊與松開；12）控制電動刀架的自動選刀；13）與PC機的串行通信。圖（2）為控制系統(tǒng)的原理框圖。

CPU選用ATMEL公司的8位單片機AT89S52；由于AT89S52本身資源有限，所以擴展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與LED顯示采用8279來管理；輸入/輸出口的擴展選用了并行接口8255芯片，一些進/出的信號均做了

第18頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

隔離放大；模擬電壓的輸出借助于DAC0832;與PC機的串行通信經(jīng)過MAX233芯片。

數(shù)控系統(tǒng)的操作面板布置如圖（1）所示。面板設(shè)置了48個微動按鈕，三個船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括1組數(shù)碼管和7只發(fā)光二極管。復位電晶振電EPROM芯片SRAM芯片鍵盤與顯示接串行接口芯片CPUAT89S52單片機圖（2）

第19頁

并行接口芯片8255隔離放隔離放隔離放隔離放隔離放隔離放隔離放隔離放X向步進電動Z向步進電動刀架電動機主軸電動機卡盤電動機切削液泵電刀架刀位信限位開關(guān)信D/A轉(zhuǎn)換芯片螺紋光柵信交流變主軸電動操作面板開關(guān)/按鈕C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

第七節(jié)步進電動機驅(qū)動電源的選用

本例中X向步進電動機的型號為110BYG5802,Z向步進電動機的型號為30BYG5501。兩種電動機除了外形尺寸、步距角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基本相同，均為5相混合式，5線輸出，電動機供電電壓DC120~310V，電流5安。這樣，兩臺電動機的驅(qū)動電源可用同一型號。在此，選擇合肥科林數(shù)控科技有限責任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進驅(qū)動器，型號為BD5A。

第八節(jié)控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計

1.存儲器與I/O芯片地址分配

根據(jù)圖三中地址譯碼器U4（74LS138）的連接情況，可以算出

第20頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

主機板中存儲器與I/O芯片的地址分配，如下表所示：器件名稱地址選擇線（A15~A0）626482558279DAC0832

2.控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序

系統(tǒng)設(shè)有7檔功能可以相互切換，分別是“編輯”、“空刀”、“自動”、“手動1”、“手動2”、“手動3”和“回零”。選中某一功能時，對應的指示燈點亮，進入相應的功能處理�？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程見圖（3）。

編編輯處圖（3）

3.8255芯片初始化子程序

B255:MOVDPTR，#3FFFH；指向8255的控制口地址MOVA，#10001001B；PA口輸出，PB口輸出，PC

第21頁

片內(nèi)地址單元數(shù)8K421地址編碼0000H~1FFFH3FFCH~3FFFH5FFEH~5FFFH7FFFH000,,,0011,1111,1111,110101,1111,1111,1110111,1111,1111,1111系統(tǒng)上電CPU、8255、8279等工作狀態(tài)N空空刀處N自自動處N手手動處N回回零處NC6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

口輸入，均為方式0

MOVX@DPTR，A；控制字被寫入MOVDPTR，#3FFCH；指向PA口

MOVA，#0FFH；預置PA口全“1”MOVX@DPTR，A；輸出全“1”到PA口MOVDPTR，#3FFDH；指向PB口

MOVA，#0FFH；預置PB口全“1”MOVX@DPTR，A；輸出全“1”到PB口RET

4.8279芯片初始化子程序

B279:MOVDPTR，#5FFFH；指向8279的控制口地址MOVA，#0CFH；清除FIFO與顯示RAM命

令

MOVX@DPTR，A；命令字被寫入

WAIT:MOVXA，@DPTR；從8279的控制口讀取8279的狀態(tài)字

JBACC.7，WAIT；測試顯示RAM有沒有被清

除完畢。只有狀態(tài)字的D7=0，清除才結(jié)束

MOVA，#08H；編碼掃描，左入口，16位

字符顯示，雙鍵互鎖

MOVXA，@DPTR

MOVA，#34H；分頻系數(shù)取20MOVX@DPTR，ARET

5.8279控制LED顯示子程序

設(shè)顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH，系統(tǒng)在指定的工作狀態(tài)下，需要顯示的字

符段碼的編碼，事先存儲在CPU內(nèi)部的RAM的6BH~73H這9個字節(jié)中。已知

8279的控制口地址為5FFFH，數(shù)據(jù)口地址為5FFEH，則顯示程序如

第22頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

下：

DIR:MOVDPTR，#5FFFH；8279的控制口地址MOVA，#90H；寫8279顯示RAM的命令MOVX@DPTR，A；從顯示RAM的00H地址

6BH

DIR0:；DTAB:MOVMOVMOVMOVADDMOVCMOVXINCDJNZRET

DBDBDBDBDBDBDBDB開始寫，每寫一次，顯示RAM的地址自動加1

R0，#6BH；顯示緩沖區(qū)的首地址為R7，#09H；顯示緩沖區(qū)的長度為9個

字節(jié)

DPTR，#5FFFH；8279的數(shù)據(jù)口地址A，@R0；從CPU的RAM中讀取顯示

段碼的編碼

A，#05H；PC與DTAB表格之間的偏

移量

A，@A+PC；查表，取出顯示段碼@DPTR，A；送到8279顯示RAM中指定

的字節(jié)

R0；寫8279的下一個顯示

RAM

R7，DIR0；循環(huán)9次，完成9位顯示段碼字符編碼6FH；F00-01

0DAH

0BEH；X02-030E7H

0A3H；Z04-050CBH

0D1H；U06-070D3H

第23頁

C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

DB0DCH；W08-09DB0CEH

DB0DFH；-0ADB21H；00BDB7BH；10CDB91H；20DDB19H；30EDB4BH；40FDB0DH；510DB05H；611DB69H；712DB01H；813DB09H；914DB20H；0.15DB7AH；1.16DB90H；2.17DB18H；3.18DB4AH；4.19DB0CH；5.1ADB04H；6.1BDB68H；7.1CDB00H；8.1DDB08H；9.1E

；根據(jù)系統(tǒng)需要編制字

庫

當需要顯示一組字符時，首先給顯示緩沖區(qū)的6BH~73H這9個字節(jié)賦值，然后調(diào)用DIR子程序即可。例如，要顯示“X-1234.56”，程序如下：

MOV6BH，#02H；“X”的一半MOV6CH，#03H；“X”的另一半MOV6DH，#0AH；-

第24頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

MOV6E，#0CH；1MOV6FH，#0DH；2MOV70H，#0EH；3MOV71H，#19H；4.MOV72H，#10H；5MOV73H，#11H；6

CALLDIR；向8279的顯示RAM寫數(shù)

顯示緩沖區(qū)（CPU內(nèi)部RAM）：

(6BH)(6CH)(6DH)(6EH)(6FH)(70H)(71H)

(72H)(73H)

|||||||

||

顯示字符：X-1234.56

|||||||||

字符編碼：02H03H0AH0CH0DH0EH19H10H11H

6.8279管理鍵盤子程序

如圖三所示，當矩陣鍵盤有鍵按下時，8279即向CPU的INT1申請中斷，CPU隨即執(zhí)行中斷服務程序，從8279的FIFO中讀取鍵值，程序如下：

CLREX1；關(guān)CPU的INT1中斷

MOVDPTR，#5FFFH；指向8279控制口地址

MOVA，#01000000B；準備讀8279FIFO的命令

MOVX@DPTR，A；寫入8279控制口

第25頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

MOVDPTR，#5FFFH；指向8279數(shù)據(jù)口地址

MOVXA，@DPTR；讀出鍵值CJNEA，#KEY0，NEXT0；依次進行判別JMP_KEY0；對應鍵進行處理NEXT0:CJNEA，#KEY1，NEXT1

JMP_KEY1NEXT1:CJNEA，#KEY2，NEXT2JMP_KEY2NEXT2:

7.D/A電路輸出模擬電壓程序

如圖三所示，當CPU執(zhí)行寫命令時，只要選中7FFFH這個地址，DAC0832與741組成的D/A轉(zhuǎn)換電路即可輸出直流電壓。程序如下：

MOVDPTR，#7FFFH；指向DAC0832口地址MOVA，#DATA；準備輸出的數(shù)字量

00H~0FFH

MOVX@DPTR，A；輸出直流電壓0~10V8.步進電動機的運動控制程序9.電動刀架的轉(zhuǎn)位控制程序

10.主軸、卡盤與切削液泵的控制程序

車床主軸的控制，就是控制主電動機的正/反/停，以及自動變速；電動卡盤需要控制其夾緊與松開；切削液泵需要控制它的起/停。這些程序都非常簡單，對于某個動作的控制，只要從輸出接口芯片的某個引腳輸出一個電平信號即可。

現(xiàn)以主軸正轉(zhuǎn)為例，從圖三可以看出，主軸的正轉(zhuǎn)由8255的PA0來控制，當用低電平信號來控制主軸正轉(zhuǎn)時，程序如下：MOVDPTR，#3FFFH；8255的PA口地址MOVXA，@DPTR；讀出PA口鎖存器內(nèi)容CLRACC.0；修改

MOVX@DPTR，A；置PA0=0,直流繼電器K+

第26頁C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計

閉合，主軸正轉(zhuǎn)

參考文獻

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[17]陶乾主編．金屬切削原理，高等教育出版社，1957

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