本科毕业设计论文--c6140的数控化改造.doc

重庆工业职业技术学院毕业设计题 目 C6140的数控化改造专 业 姓 名 指导教师 二O 一 六 年 三 月 九 日目 录摘 要4Abstract:5第一章 概述61.1 我国数控车床的现状与发展趋势61.2 数控机床改造的意义71.3 数控机床的特点及组成71.4数控机床的分类91.4.1按数控机床的运动轨迹分类91.4.2按进给伺服系统控制方式分类9第二章 普通车床数控化改造的设计方案112.1普通车床数控化改造的任务112.2设计方案参数的确定112.3主要改造系统的选择122.4具体私服进给系统机械改造方案的确定13第三章 进给私服机构机械部分的计算与选型153.1脉冲当量的选择153.2切削力的计算153.2.1纵向切削力的计算153.2.2横向切削力的计算163.3滚珠丝杠螺母副的计算、选型163.3.1纵向进给丝杠173.3.2横向进给丝杠183.4滚珠丝杠的安装、使用与保养193.5传动比计算203.6步进电机选型213.6.1步进电机的选用原则213.6.2步进电机的选择23第四章 自动转位刀架264.1数控机床刀架的基本要求264.2刀架的工作原理264.3刀架的安装27第五章 普通车床自动化改造的单片机控制295.1系统电路的组成295.1.1CPU与存储器295.1.2接口电路305.2单片机控制的系统电路315.2.1存储器扩张电路315.2.2面板操作键和功能选择开关335.2.3步进电机驱动电路设计35小 结38致 谢39参考文献4040摘 要本论文设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择等几个部分。改造后的机床，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并且要求达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。关键字：数控改造 进给系统 滚珠丝杠 自动刀架Abstract:This introduction of the design included:The draw-up of the general outline, the decision and verify of the total designal projection, the reforms design to the parts of the lord spreads to move,the reforms design to the system of serve enters ,the choice and design to the knife which turn automatically,and so on.while the Motorcycle been reformed, the lord exercises realize to change speed automatically. lengthways, horizontal enter to proceed to system the number controls the control, and request to attain lengthways minimum sport unit as 0.01 mm/ pulse, horizontal minimum sport unit as 0.005 mm/ pulse, knife must be the automatic control a knife which is turning automatically,and it is able to slice the thread automatically.Key word: The number controls to reforms the system of enters roll the bead in silk automatic knife 第一章 概述随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是其代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限大的经济与社会效应。它是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其产量在金属切削机床总拥有量中的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是机电一体化的主要品种之一，它在机械制造行业中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 1.1 我国数控车床的现状与发展趋势 数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。 我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不断努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。长期以来，国产数控车床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因是国内的数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时中国在应用技术及技术集成方面也比较落后，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统太少，制约了数控机床产业的发展。 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。国外公司在中国数控系统销量中的80以上是普通型数控系统。如果我们能在普通型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现跨越。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。 1.2 数控机床改造的意义1.节省资金 机床数控化改造和购置新机床相比一般可节省60左右的资金，而且可以充分利用陈旧机床中可以再次利用的构建和设备，以便节省资源。大型机床尤为明显，一般的大型机床的改造只需花新机床购置费的30，即使将原机床结构进行彻底改造升级也只需花新机床购置费的60左右。2.性能稳定、可靠 因为原机床各基础件经过长期有效使用，几乎不会产生应力变形而影响精度。3.提高生产效率 机床经数控改造后即可实现加工的自动化，效率比传统机床提高 3至5倍。1.3 数控机床的特点及组成数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床自动加工所需零件。与普通车床相比，数控机床有如下特点：1.加工精度高，具有稳定的加工质量;2.可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件;3.加工的零件改变时，一般只需改变程序，可节省生产准备时间；4.机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）；5.机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；6.对操作人员和维修人员的技术素质要求较高； 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成，如图1-1所示为数控机床的加工过程。 图1-1数控机床的加工过程控制介质：控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运行等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工；数控装置：数控装置是数控机床的核心。包括硬件以及相应的软件，用于输入数字化的程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算，并向伺服系统发出相应的脉冲，通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。伺服系统：伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成。一般说的数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此普遍采用变频调速和伺服控制系统为数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向移动。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。机床本体：它是数控机床的主体，包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱。它是用于完成各种切削加工的机械部件。1.4数控机床的分类数控机床的分类方式有很多很多，例如按工艺用途分类、按数控机床运动轨迹分类、按进给伺服系统控制方式分类等。下面我们只介绍常用的分类方式，如按数控机床运动轨迹分类和按进给伺服系统控制方式分类等。1.4.1按数控机床的运动轨迹分类数控机床运动轨迹主要有三种形式：点位控制运动、直线控制运动和连续控制运动（轮廓控制运动）。点位控制 点位控制数控机床的特点为机床的运动部件只能够实现从一个位置到另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。如数控钻床、数按坐标镗床和数控弯管机等。 直线控制 直线控制的特点为机床的运动部件不仅要实现从一个坐标位置到另一个位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线进给运动。 连续控制 连续控制数控机床的特点为机床的运动部件能够实现两个坐标轴同时进行联动控制。它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要求控制运动轨迹。1.4.2按进给伺服系统控制方式分类数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。开环控制系统 即不带位置反馈装置的控制系统。这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图1-2所示，这种控制方式对执行机构不检测，无反馈控制信号，因此称之为开环控制系统。开环控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机的限制。 图1-2开环控制系统闭环控制系统 这种控制系统大多数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电路。如图1-3所示，它是在机床最终的运动部件相应位置上安装检测装置，将直接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令的位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。这种控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试较复杂，而且设备的成本较高。 图1-3闭环控制系统半闭环控制系统 它是在开环控制伺服电动机柱上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角间接地检测出运动部件的位移反馈给数控装置的比较器，与输入的指令进行比较，用差值控制运动部件。如图1-4所示，半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。图1-4半闭环控制系统第二章 普通车床数控化改造的设计方案2.1普通车床数控化改造的任务本设计是对C6140普通车床的数控化改造。利用8031单片机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量0.005mm/脉冲。驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。2.2设计方案参数的确定根据C6140型普通车床的原始数据及数控改造设计要求，确定主要设计参数如下：最大加工直径：车床身上: 400mm 车床鞍上：210mm最大加工长度：1000mm快进速度：纵向2.4m/min 横向1.2m/min最大切削进给速度：纵向0.5m/min 横向0.25m/min脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲 横向0.005mm/脉冲脉冲分配方式： 逐点比较法控制坐标数： 2机床定位精度： ±0.015mm溜板及刀架重力：纵向： 800N 横向： 600N起动加速时间： 30ms主电机功率： 7.5Kw2.3主要改造系统的选择1.系统的运动方式与私服系统的选择由于改造后的数控机床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.机械传动系统的选择卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低，在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠。若要求机床精度和被加工精度较高的情况下，应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。3.计算机系统的选择根据机床要求，本控制是选用8031单片机。8031单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等。4.步进电机的选择步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。它由步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。要想选择一个步进电机，必须确定它的三大要素。在这里我们所选用的步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。5.自动转位刀架的选择设计数控机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架，本设计决定采用常州宏达数控设备厂生产的LD4四工位螺旋转位刀架。2.4具体私服进给系统机械改造方案的确定1.横向进给机械改造方案拆除原机床中托板丝杆，安装滚珠丝杆，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙。2.纵向进给机械改造方案拆除原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。 纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力变小，起不到消除间隙的目的；当负载小时，弹簧弹力又变大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床原外观，起到美化机床的效果，在溜板箱上安装了纵向快速进给和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的急停处理需要。第三章 进给私服机构机械部分的计算与选型3.1脉冲当量的选择根据机床精度要求确定脉冲当量为纵向：0.01mm/脉冲， 横向：0.005mm/脉冲（半径）3.2切削力的计算3.2.1纵向切削力的计算由实用机床设计手册可知：切削功率：= N电机功率 N=7.5kw主传动链的总效率 取=0.90进给系统的功率系数 取=0.96则： =7.5×0.90×0.96=6.48（）又因为： = 则： =切削线速度，取v=100所以： =581.64（kgf）=5700（）由金属切削原理可知：主切削力：=9.81查表得：=188 =1 =0.75 =1当=1495.2时，切削深度=2，走刀量=0.3以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时：=（0.10.6）=（0.150.7）当参数取0.5时，=0.5=0.5×5700=2850（）当参数取0.6时，=0.6=0.6×5700=3420（）3.2.2横向切削力的计算主切削力（N）可取纵向的0.5倍则 ，=0.5FZ =0.5×5700=2850（N）此时走刀抗力为（N），吃刀抗力为（N）。按比例粗略计算：由于FZ/FX/FY =1/0.25/0.4 因此，/ =1/0.25/0.4则， =2850×0.25=712.5（N） =2850×0.4=1140（N）3.3滚珠丝杠螺母副的计算、选型滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想产品。它是由螺杆、螺母和滚珠组成。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器，是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。3.3.1纵向进给丝杠 计算进给牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动时的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型号有关。纵向进给为综合型导轨=K+（+G）=1.15×2850+0.16×（5700+800） =4317.5（N）式中 K考虑颠复力距影响的实验系数，综合导轨取K=1.15； 滑动导轨摩擦系数：0.150.18；取0.16； G溜板及刀架重力：G=800N 计算最大动负荷CC=L=60×n×t/n =1000×/ 式中 滚珠丝杆导程，初选=6mm； 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3），此处=0.6×1/3=0.2m/min t使用寿命，按15000h； 运转系数，按一般运转取=1.21.5； L寿命，以转为一单位。n=1000 /=1000×0.2/6=33r/minL=60×n×T/=60×33×15000/=30C= ×1.2×4317.5=16061.1N 滚珠丝杆螺母副的选型查阅资料得，可用W1L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级按表4-15选为3级（大致相当老标准E级）。 传动效率计算 = =0.94式中螺旋升角，W1L400b =2º44摩擦角，取103.3.2横向进给丝杠 计算进给牵引力横向导轨为燕尾形，计算如下：=1.4×+ (+2+) =1.4×712.5+0.2×(5700+2×1140+600)=2713.5（N） 计算最大动负荷C n=1000×/=1000×0.3×0.5/5=30 L=60×n×t/=60×30×15000/106 =27 C= ×1.2×2713.59768.87N 选择滚珠丝杠螺母副W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。 传动效率计算=0.9653.4滚珠丝杠的安装、使用与保养1.润滑为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种：润滑脂 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3；润滑油 润滑油的给油量标准如表3-1所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。表3-1 润滑油的给油量标准轴 颈 (mm)给油量 (cc)480.0310140.0515180.0720250.1028320.1536400.2545500.3055630.40701000.501001600.602.防尘滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨损。因此，考虑有污物（切削碎削）进入，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等），将丝杠轴完全保护起来。另外，如没有异物，但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈，可根据需要按编号规则选择合适规格的型号。3.使用滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项：滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杠轴而使滚珠掉落。滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。防逆传动方法可用蜗轮蜗杆传动、液压式电器制动器及超越离合器等。4.安装 滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项：滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等不良负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时应注意： 丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线；安装螺母时，尽量靠近支撑轴承； 同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。滚珠丝杠副安装时，请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下时，要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点： 辅助套外径应小于丝杠底径0.10.2mm； 辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩； 装卸时，不可使过大力以免螺母损坏；装入安装孔时要避免撞击和偏心。3.5传动比计算1.纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量 p =0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程=6mm，初选步进电机步距角为0.75。可计算出传动比i： i=0.8 由 i =Z1/Z2 可选定齿轮齿数为： Z1=32，Z2=40 ，或Z1=20，Z2=252.横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量p =0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程L0=5mm，初选步进电机步距角0.75º。可计算出传动比i i=0.48考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速：i=Z1Z2/Z3Z4=3×4/5×5=24×20/40×25Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照下表：齿数324024402025分度圆d=mz648048804050齿顶数da=d+2m688452844454齿根数df=d-21.25m597543753545齿宽(6-8)m202020202020中心距A=(d1+d2)/27264453.6步进电机选型3.6.1步进电机的选用原则  步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。      选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。因此，在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩大的电机，负载力矩大。     选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。     选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量与机床所要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。  合理选用步进电机是比较复杂的问题，需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的选择。 步进电机步距角的选择步距角应满足：式中i传动比系统对步进电机所驱动部件的最小转角 步进电机精度计算步进电机的精度可用步距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，所选用的步进电机应满足。i式中步进电机的积累误差。系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。 步进电机的转距计算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；启动力矩，一般启动力矩选取为式中电机启动力矩电机静负载力矩在要求的运行频率范围内，电机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机的转动惯量（包含负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。启动频率由于步进电机的启动频率随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：ftfcpm其中ft极限启动频率fcpm要求步进电机最高启动频率3.6.2步进电机的选择C6140纵向进给系统步进电机的确定启动力矩：=当参数为0.4时，=258.76/0.4=644.6 (N·m)表3-2步进电机相数、拍数、启动力矩表运行方式相数33445566拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查步进电机相数、拍数、启动力矩表：查表3-2知/=0.866，所以步进电机最大静转矩为：=/0.886=644.6/0.866=744.34(N·m)所以，步进电机最高工作频率是：=2000/60×0.01=3333.3 (HZ) 综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机能满足使用要求。C6140横向进给系统步进电机的确定 当参数取0.4时，启动力矩为=4.2079/0.4=105.2(N·cm)电动机仍选用三相六拍工作方式，查表得/=0.866，所以步进电机最大静转矩为：=105.2/0.866=121.5(N·cm) =1.215(N·m)步进电机的最高工作频率为=1000/60×0.005=3333.3(HZ)综合考虑，查表选用110BF004型直流步进电机，能够满足使用要求。110BF003型直流步进电机主要技术参数电机型号相数步驱角电压相电流最大转矩最高空载启动率110BF00330.758067.84（80）1500运行频率转子转动惯量线圈电阻分配方式重量外径长度轴径700046.06(4.7)0.37三相六拍611016011参考价原型号350BFG090811110BF004型直流步进电机主要技术参数电机型号相数步驱角电压相电流最大转矩最高空载启动率110BF00430.753044.9（50）500运行频率转子转动惯量线圈电阻分配方式重量外径长度轴径700034.3(3.5)0.76三相六拍5.511011011参考价原型号350BFG09041111第四章 自动转位刀架自动转位刀架的设计与选择是普通车床数控化改造的关键，它要求刀架要具有抬起、回转、下降、定位和压紧这一系列动作。所以车床数控改造应将原机床的普通手动转位刀架用自动转位刀架替换。自动转位刀架由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及机床控制方式确定自动刀架的刀位数和刀架类型。4.1数控机床刀架的基本要求数控车床的刀架是数控车床的主要组成部分，刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造水平。它和一个机床的加工精度也是密切相关的，所以我们在对机床进行改造和设计时，都对它的刀架的选择和设计提出了很高的要求。所有要求基本如下所示：1.转位准确可靠，工作平稳安全；机床刀架转位的准确程度直接影响到它的加工精度，工作平稳安全这也是对所有机械设备的基本要求，在这里也不必多说。2.按最短线路就近选择，转位时间短；刀架的运转时间在一定意义上也决定了一个机床的工作效率，所以我们在设计上也得重点考虑它的转位路径和转位时间。3.重复定位精度高；4.防水，防屑，密封性能优良；5.夹紧刚性高，适宜重负荷切削。4.2刀架的工作原理数控机床机械部分的结构和功能是否先进、可靠，关键在于自动转位刀架的设计。这里介绍一种已使用多年较成熟的自动刀架，即常州宏达机床数控设备厂立式转位刀架。图4-1 自动转位刀架工做原理图自动转位刀架工作原理如图4-1所示，微电机经弹簧安全离合器至涡轮副带动螺母旋转，螺母抬起刀架使定位用的端齿盘的上盘与下盘分开，随即带动刀架旋转到位。然后发出信号使电机反转锁紧，完成刀架换位后，再进行切削加工。其具体过程是：当微机发出换刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动涡轮蜗杆减速机构，螺杆升降机构使上刀架上升。当上刀架上升到一定高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔元件，当( 1-电机；2-固定安装丝杠；3-安全离合器；4-刀架)上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选的刀位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转，活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠作用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮合，完成精定位，并通过涡轮蜗杆锁紧螺母，使刀架夹紧固定。向数控系统发出转位完成信号，切断电源，电机停转，完成选刀过程。4.3刀架的安装自动刀架的安装比较简单，只要把原机床上的原有刀架拆除，然后将自动刀架安装上即可。但需要注意两个方面：1.自动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行；2.自动刀台与系统的连线建议这样安装：沿横向工作台右侧面先走线到机床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走到系统。这样走线的好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工的时候切削、冷却液以及其他杂物与系统引线发生碰撞。图4-3 刀架的安装尺寸该刀架安装时，需先拆除原机床上的小拖板和原来的刀架，然后把自动刀架置于中拖板上。此时，刀架高度应使车刀前刀面基本通过车床主轴轴心线，否则要在刀架下面加垫片，调整其高度。然后，卸掉刀架电动机风扇罩壳，逆时针方向转动电动机，使上刀体相对于下刀体转动450左右。打装螺孔，再用内六角螺栓将刀架与中拖板固定，固定的时候应注意，使刀架的两侧面分别与车床纵向和横向的进给方向水平。第五章 普通车床自动化改造的单片机控制5.1系统电路的组成任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件组成是系统的基础，其性能的好坏，直接影响到系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成：1.中央处理器CPU；2.总线，包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）；3.存储器，包括只读可编存储器和随机读写存储器；4.I/O输入、输出接口电路；其中，CPU是数控系统的核心，是控制其它各部分协调工作的“大脑”，其作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件、应用程序（监控程序）和运行中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。三总线则是CPU与存储器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与外界进行信息交换的必由之路。5.1.1CPU与存储器中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统的协调工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，因此，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器(ROM)：  8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时/计数器(ROM)：  8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 并行输入输出(I/O)口：  8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。 中断系统：  8051具备较完