ca6140普通车床横向进给机构的数控化改造大学学位论文.doc

天津大学成人高等教育本科毕业设计(论文)

天 津 大 学

毕业设计（论文）任务书

题目：CA6140普通车床横向进给机构的数控化改造

完成期限：2010年8月23日至2010年12月24日

学院_机械工程学院_ 指导教师_ _
专业_机械工程及自动化_ 职 称_ _
学生 系 主 任________
接受任务日期_2010.8.23_ 批准日期 2010.8.23

一、原始依据（资料）
㈠ CA6140卧式车床的技术数据：
工件最大直径
在床身上
400mm
在刀架上
210mm
最大加工长度
750、1000、1500、2000mm
加工螺纹范围
公制螺纹 mm
1~12 (20种)
英制螺纹 t/m
2~24 (20种)
模数螺纹 mm
0.25~3 (11种)
径节螺纹 t/m
7~96 (24种)
主轴
最大通过直径
48mm
孔锥度
莫氏6#
正转转速级数
24
正转转速范围
10~1400r/min
反转转速级数
12
反转转速范围
14~1580r/min
进给量
纵向级数
64
纵向范围
0.028~6.33mm/r
横向级数
64
横向范围
0.014~3.16mm/r
滑板行程
横向
320mm
纵向
650、900、1400、1900mm
刀架
最大行程
140mm
最大回转角
±90°
刀杠支承面至中心的距离
26mm
刀杠截面B×H
25×25mm
尾座
顶尖套莫氏锥度
5#
横向最大移动量
±10mm
外形尺寸
长×宽×高
2418×1000×1267mm
工作精度
圆度
0.01mm
圆柱度
200:0.02
平面度
0.02/φ300mm
表面粗糙度Ra
1.6~3.2μm
电动机功率
主电动机
7.5kw
总功率
7.84kw

㈡ 横向进给机构改造的设计依据：
最大加工直径
在床面上
400mm
在床鞍上
210mm
快进速度
横向
2.4m/min
最大切削进给速度
横向
0.8m/min
定位精度
±0.015mm
起动加速时间
30ms
脉冲当量
0.01mm/脉冲
溜板及刀架重力
横向
600N
代码制
ISO
脉冲分配方式
逐点比较法
输入方式
绝对、增量
控制坐标数
2
自动升降速性能
有

㈢ 主要参考资料：
[1] 张新义主编，经济型数控机床系统设计，北京:机械工业出版社，1993
[2] 高钟毓主编，机电一体化系统设计，北京：机械工业出版社，2000，P17~25、P92~93
[3] 虞洪述主編，机械制图，西安：西安交通大学出版社，1997，P208~323
[4] 赵松林、张奇鹏主编，机电一体化机械系统设计，北京：机械工业出版社，1996
[5] 楼建勇主编，数控机床与编程，天津：天津大学出版社，1998
[6] 戴曙主编，金属切削机床，北京：机械工业出版社，1999年
[7] 杨可桢、程光蕴主编，机械设计基础，北京：高等教育出版社，1989
[8] 吴宗泽、罗圣国主编，机械设计课程设计手册，北京:高等教育出版社，1998
[9] 李洪主编，实用机床设计手册，辽宁：辽宁科学技术出版社，1999，P791~864
[10] 李斌主编，数控加工技术，北京：高等教育出版社，2001，P1
[11] 吴国华主编，金属切削机床，北京：机械工业出版社，1995年，P23~25、P242
[12] 李秀珍、曲玉峰主编，机械设计基础，北京：机械工业出版社，1999，P118
[13] 李金伴、马伟民主编，实用数控机床技术手册，北京：化学工业出版社，2007，P129~152
[14] 林其骏主编，数控技术与应用，北京：机械工业出版社，1995，P1~3、P56~69、P146~160
[15] 曹巧媛主编，单片机原理及应用，北京：电子工业出版社，1997，P130～150
[16] 陆剑中、孙家宁主编，金属切削原理与刀具（第2版），北京：机械工业出版社，1997，P52
[17] 郝忠军、雷晓玲主编，综合作业指导书，北京：机械部工程师进修大学电气学院出版社，1995，P53~85
[18] 胡旭兰，CA6140车床进给系统的数控改造，广州：机床与液压，2004，No.3，P167
[19] 孙国浩、左玉营，CA6140普通车床的数控化改造，山东：山东机械，2005，No.3，P22
[20] 赵中敏，旧机床数控化改造进给系统的设计及计算，北京：中国设备工程，2008，No9，P57~61
[21] 朱晓春主编，先进制造技术，北京：机械工业出版社，2004，P7
[22] 毛必显，普通机床的数控改造（续），北京：设备管理与维修，1997，No5，P21
[23] 赵中敏，机床数控改造探讨，北京：中国设备工程，2005，No10，P13~14
[24] 王亚鹏，CA6140型普通车床的数控化改造，北京：科技创新导报，2009，No30，P60
[25] 李志彪，普通机床的数控改造初探，吉林省长春：考试周刊，2010，No19，P156

二、设计内容和要求：
㈠ 设计要求
1、CA6140数控车床横向进给机构的装配图（A0图纸一张）
2、横向进给机构的部分零件图（A4图纸一张）
3、数控车床进给系统的控制电路图（A1图纸一张）
4、设计说明书（1.9万余字）一份
5、答辩ppt文件一个
6、光盘一张

㈡ 设计内容
主要内容是CA6140型普通车床横向进给机构的数控化改造，包括绪论的编写，进行了国内外有关资料的搜集，确定了系统的脉冲当量，进行了滚珠丝杠螺母副的选型与参数计算，齿轮传动比计算，进给传动系统的刚度校核，驱动电机的选型计算，滚珠丝杠轴承的选型与校核，等效转动惯量计算，电机力矩计算，计算了步进电机的空载起动频率和切削时的工作频率，步进电动机的选择，标准件的选择和控制电路的设计等。进行了横向进给机构和部分零件图的绘制，还进行了改造后控制电路的绘制。
其中关键部分是横向进给机构改造的设计计算、步进电机的选型计算和控制电路的设计。

设计（论文）进度计划表

序号
起止日期
计划完成内容
实际完成内容
检查日期
检查人签名
1
2010.8.23-2010.9.5
调研、收集资料、写开题报告
完成

2
2010.9.6-2010.9.26
整理资料、拟订论文初稿
完成

3
2010.9.27-2010.10.17
绘制横向进给系统装配图
完成

4
2010.10.18-2010.10.31
绘制零件图
完成

5
2010.11.1-2010.11.21
绘制电路图
完成

6
2010.11.22-2010.12.12
编辑并整理论文或说明书
完成

7
2010.12.13-2010.12.24
修改并装订论文, 准备答辩
完成

指导教师批准日期 年 月 日 签名

摘 要

我本次的毕业设计主要是针对CA6140型普通车床的横向进给机构进行经济型数控改造，在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械传动和控制电路的改造，改造的主要内容包括：
⑴ 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替原来丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。选用滚珠丝杠时进行了相关计算，根据计算出来的结果选用标准的滚珠丝杠，从而降低改造的成本。
⑵ 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对轴和减速齿轮重新设计并且进行了有关的计算，保证与步进电机的步进角相配，从而对箱体进行改造。
⑶ 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。为此，本设计中采用旧床身淬火并贴塑的方案。
⑷ 刀架的选择，选用标准的数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠，同时成本也比较低。
⑸ 驱动元件的选择，根据改造的经济性要求选用步进电机作为驱动元件，同时进行相关参数的计算，这样改造后的机床能基本满足加工要求和改造的经济性。
⑹ 控制电路的选择，本次设计采用MCS-51系列单片机组成控制系统的电路，也是从改造的经济性要求上出发的。

关键字： 横向进给机构 步进电机 滚珠丝杠 控制电路

目 录

第一章 绪论……………………………………………………1
1.1课题背景……………………………………………………………1
1.1.1 数控的发展史…………………………………………………1
1.1.2 数控化改造的现状……………………………………………2
1.2机床改造的内容及意义……………………………………………3
1.2.1研究意义…………………………………………………………3
1.2.2主要研究内容及技术路线………………………………………3
1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题……………………5
第二章 设计要求………………………………………………6
2.1总体方案设计要求………………………………………………6
2.2设计参数…………………………………………………………7
2.3 其它要求…………………………………………………………9
第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算…………………10
3.1进给系统机械结构改造设计……………………………………10
3.1.1 拖板部分………………………………………………………10
3.1.2 溜板箱部分……………………………………………………10
3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型…………………………11
3.2.1确定系统的脉冲当量…………………………………………11
3.2.2 车削抗力分析和滚珠丝杠副的特点…………………………11
3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤………………12
3.3 齿轮传动比计算…………………………………………………17
3.4 滚珠丝杠轴承的选型与校核……………………………………18
3.4.1滚珠丝杠用轴承的选型………………………………………18
3.4.2 滚珠丝杠用轴承的校核………………………………………18
第四章 步进电动机的计算与选型……………………………22
4.1步进电动机选用的基本原则……………………………………22
4.2步进电动机的选择………………………………………………23
4.2.1 等效转动惯量计算……………………………………………23
4.2.2 电机力矩计算…………………………………………………24
4.2.3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率…………26
4.3 步进电机的选取…………………………………………………27
第五章 减速器箱的设计…………………………………………28
5.1减速器箱体的设计………………………………………………28
5.1.1 传动轴的计算…………………………………………………28
5.1.2 减速器箱体尺寸………………………………………………28
5.2标准件的选用……………………………………………………29
5.2.1 轴承的选择……………………………………………………29
5.2.2 轴承的校核……………………………………………………29
5.2.3平键的选用…………………………………………………29
5.3轴承盖的设计……………………………………………………30

第六章 微机控制系统硬件电路设计…………………………32
6.1控制系统的功能要求……………………………………………32
6.2硬件电路的组成…………………………………………………32
6.3设计说明…………………………………………………………32
第七章 主要部件安装及调整的注意事项…………………35
7.1 滚珠丝杆…………………………………………………………35
7.2导轨副……………………………………………………………35
7.3 数控车床刀架……………………………………………………35
7.4 编码盘的安装……………………………………………………36
结论……………………………………………………………………37
参考文献………………………………………………………………38
致谢……………………………………………………………………40

39

第一章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 数控的发展史
20世纪40年代以来，喷气飞机和导弹工业发展迅速，原来的加工设备已经无法承担加工航空工业需要的制造精度较高的复杂形状零件。1948年美国Parsons公司与空军签订合同，发展一种柔性的控制系统，希望装备有这种控制系统的机床能在规定的精度下得到最高生产率，在变更加工零件时工夹具的变换不要太花费时间，并且适合于中、小批量生产。Parsons公司将研制此控制系统的任务，交给了美国麻省理工学院（MIT）。在1952年，MIT研制成功了三坐标数控系统，并且在Cincinnate铣床上装备了这种控制系统，在美国诞生了第一台数控机床。[10]
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，从而给国民经济的产业结构带来了巨大的变化。数控机床不但是机械工业的重要基础装备，而且是汽车、石化、电子等支柱产业生产现代化的主要手段，也是世界第三次产业革命的一个重要内容。[10]
在1959年3月，由美国卡耐·特雷克公司（Keaney&Trecker Corp.）开发出来了加工中心。这种机床在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具，根据穿孔带的指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上，对工件进行加工。它可缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。加工中心现在已经成为数控机床中一种非常重要的品种，不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣类加工中心，还有用于回转整体零件加工的车削中心、磨削中心等。
在20世纪60年代，英国Molins公司的工程师大卫·威廉逊（David Williamson）首先提出了“柔性制造系统”（Flexible Manufacturing System—FMS）的概念之后，美、欧、日等也相继进行开发及应用。[21]
1974年以后，随着微电子技术的迅速发展，微处理器直接用于数控机床，使数控的软件功能加强，发展成计算机数字控制机床（简称为CNC机床），进一步推动了数控机床的普及应用和大力发展。
80年代，国际上出现了1～4台加工中心或车削中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell—FMC）。这种单元投资少，见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成到FMS或更高级的集成制造系统中使用。
目前，FMS也从切削加工向板材冷作、焊接、装配等领域扩展，从中小批量加工向大批量加工发展。
在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，从1958年开始研制数控机床，到70年代末生产了4108台数控机床，其中86%是数控线切割机床。80年代初以来，随着我国实行改革、开放政策，引进了日本、美国等先进的数控技术，开始批量生产数控系统和伺服系统，使我国数控机床在质量和性能上有了很大的提高。[10]
近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。我国利用稀土永磁材料的优势，开发新型大功率、高效率、宽调速范围永磁同步型交流电主轴单元，将可有效解决现有电主轴存在的问题，形成具有中国特色的新一代电主轴产品。
1.1.2 数控化改造的现状
我国目前机床总量380余万台，但是其中数控机床总数只有11.34万台，只占我国机床总量的3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。但是机床的年产量的数控化率只为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，柔性制造系统生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是非数控的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的老旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在互换性差、产品单一、档次低、成本高、供货期长的问题，从而在国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的经济效益，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。但是，数控机床价格较贵，一次性投资大，不易被中小型企业所接受；各企业又都拥有大量的普通机床，用数控机床替换下来的旧机床又会造成浪费，而将普通机床进行数控化改造可以说是一条经济实用之路。[24]
我国近几年内需要数控化改造的普通设备10万台以上，旧数控机床在4000台以上，这将是一个能提供几十亿到上百亿元的广阔市常因此在机械制造业中，尤其在机床制造行业中，应该充分利用自己的技术特长，去迅速占领市场，为国民经济的迅速发展做出自己的行业贡献。
在美国、德国和日本等发达国家，将机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。在美国、日本、德国等老牌工业强国中，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在德国，从事机床改造的著名的公司有：Hellwig公司、Letnstatt公司等。在美国，机床改造业称为机床再生业，从事再生业的著名公司有Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等，并且美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装业，从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、千代田工机公司等。
我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。从事机床改造的公司有沈阳金切机床有限公司、北京鼎信合力数控成套设备有限公司等。

1.2 机床改造的内容及意义
1.2.1 研究意义
⒈ 节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比．一般可节省60％-80％的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1／3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60％的费用，并可以利用现有地基。
⒉ 性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
⒊ 提高生产效率。机床经数控改造后，即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3-7倍。对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。[23]
⒋ 企业的需求。企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品柔性加工要求。在原有机床基础上进行改造，和新的数控机床相比较。工人更容易上手。培训时间短，培训费用少。[25]
1.2.2 主要研究内容及技术路线
⒈ CA6140型普通车床进给系统的数控化改造方向的确定。
数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有柔性加工的基本功能，操作维修方便。
⑴ 数控系统的选择
数控系统是机床的核心，在选择时，要对其性能、经济性及维修服务等进行综合考虑，尽量选用名牌产品。根据被改机床的结构、性能及被加工零件的精度来选择数控系统。既要功能相匹配，又要尽量减少过剩的数控功能。这样一方面可避免资金浪费，另一方面也可避免因数控系统复杂而增加的故障率。
目前数控系统主要有三种类型：步进电机拖动的开环系统；异步电机或直流电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统；交/直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统。其中步进电机拖动的开环系统，其伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。该系统位移精度较低，但结构简单、调试维修方便、质量稳定可靠、成本低、抗干扰性能强、对环境室温要求不高，易改装成功。适用于精度要求一般的中小型机床的改造，也是目前数控改造中应用最为广泛的一种。异步电机或直流电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统控制精度高，但在结构上比开环进给系统复杂，工作量大，成本也高，调试困难，一般不采用。交/直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统，其精度介于前二者之间，结构与调试都较闭环系统简单，适用于控制精度要求较高的大、中型机床的改造。
⑵ 机械部分改造
机床数控改造后应达到较高的静动态刚度，为此要求运动副之间的摩擦系数小、传动无间隙、功率大，并且便于操作和维修等。对数控车床来说，导轨除应具有原精度外，还要有良好的耐摩性和小的摩擦阻力。目前多使用在原导轨上粘接聚四氟乙烯软带，能防爬，并具有自润滑性,可提高导轨寿命，工作量小、周期短、费用低。
传动链的精度受传动丝杠和齿轮副的影响。滑动丝杠价格低，但难以满足精度要求较高的零件加工；滚珠丝杠摩擦损失小，传动效率可在90％以上，传动灵敏、精度高、寿命长，且可以降低电机启动力矩，可满足较高精度零件的加工要求。为保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高，要达到无隙传动。消除齿轮副的传动间隙有柔性调整法和刚性调整法两种。柔性调整法结构复杂，传动刚度低；刚性调整法传动刚度高，结构简单。[23]
本次设计选用的是经济型数控系统：步进电机开环控制系统，步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01 mm，已能满足CA6140车床改造后加工零件的精度要求。
⒉ 滚珠丝杠的选型及校核。
为了实现丝杠无隙传动，应将原机床的滑动丝杠改换成滚珠丝杠副。如对机床精度要求不高时，可以通过预紧螺母的方法消除传动间隙。并进行相关的校核。
⒊ 伺服电机的选择及校核。
车床进给传动部分改造时要拆除机械传动机构，代之以步进电机经齿轮驱动丝杠，带动刀架移动。横向步进电机固定在床鞍上。并进行相关的校核。
⒋ 控制电路设计。
系统有直线插补、圆弧插补、车公/英制螺纹、刀具补偿、间隙补偿、刀具自动转位等功能，性能稳定，价钱适中，操作面板简单直观，有启动键、暂停键、单段/连续开关、连续进给键、急停键、键盘、显示屏等。不但控制弱电，而且对主轴变速、刀架转位、主轴启停与换向及其他一些辅助性动作也能通过指令控制。[23]
1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题
主要解决的问题有：
⒈ 恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复。
⒉ 数控化，在普通机床上加数控系统，将其改造成数控机床。
⒊ 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；用满足生产要求的CNC系统进行更新。
⒋ 技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造；同时还要保证经济性。
⒌ 绿色环保是实现可持续发展的重要途径，其主要思想是清洁和节约。为此应加强开发绿色环保的数控产品，加速促进数控产品、数控产业以及整个制造业的绿色化，主要战略措施应考虑以下几方面：
1) 有效减少产品制造及使用过程中的环境污染。如减少数控机床的铸件结构，消除铸造对环境的污染；将数控机床主轴的润滑以油气润滑、喷油润滑等取代油雾润滑，减少对生产环境的污染；在精密数控机床及其运行环境的温度控制中采用无氟制冷的恒温技术；以电传动代替机械传动，减少噪声污染。
2) 大幅度降低资源消耗和能源消耗。如以软件代替硬件，从而减少硬件制造的资源和能源消耗及污染，并减少产品寿命结束后硬件装置的拆卸回收问题；以永磁驱动代替感应驱动，提高效率和功率因数，节约能源；以电传动代替机械传动，提高效率，减少能源消耗。
3) 大力发展绿色数控机床。绿色数控机床应是材料消耗少、能耗低、无污染，寿命长且便于拆卸回收的新型机床。以并联结构代替串联结构就是开发绿色数控机床的一条途径，因为并联结构机床消耗的金属材料仅为常规串联结构机床的几分之一，其加工量也比常规机床大幅度减少，特别是减少了大型结构件的铸造，这将显著降低机床制造过程中的能源消耗和对环境的污染。此外，并联结构机床有利于采用电传动，效率高，可有效降低使用中的能源消耗。
4) 加强用数控技术改造传统机床。这既符合运用信息技术和自动化技术改造传统产业，使传统产业生产技术和装备现代化这一产业可持续发展的目标得以实现，又可取得巨大的经济效益。我国拥有普通机床数百万台，加强用数控技术改造传统机床将成为下世纪我国数控领域的重要发展方向。
总之，制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，是对21世纪我国数控技术及其相关产业发展的关键。

第二章 设计要求
2.1 总体方案设计要求
机床的总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等（本次设计主要是横向进给机构的改造设）。
⒈ 普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。
⒉ 车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。
⒊ 根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS-51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS-51系列单片机扩展系统。
⒋ 根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。
⒌ 横向和纵向进给各是一套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。
⒍ 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，应选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。
⒎ 为防进给部件爬行，影响运动平稳性和定位精度，采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。
⒏ 安装光电编码器。加工螺纹时为了保证步进电机进给与主轴的旋转相配合，切削出固定螺距、固定起点、多头螺纹等量分度的螺纹，通常在主轴尾部安装增量式光电编码器。切制螺纹时，编码器与主轴同步旋转，同时发出与主轴转角相对应的脉冲信号，控制刀架纵向移动。
⒐ 自动刀架安装。将原车床的刀架换成自动转位刀架。卧式车床自动转位刀架最常见的型式是四转位刀架，拆除小拖板后将刀架调整好高度安装在中拖板上， 由数控系统直接控制，效率高，工艺性能可靠。

机床的总体方案设计图，如图2-1所示：

图2-1 数控车床改造的总体方案示意图

进给伺服系统总体方案方框图，如图2-2所示：

图2-2 经济型数控车床进给伺服系统方案框图

2.2 设计参数
设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。
现列出CA6140卧式车床的技术数据，见表2-1：

表2-1 CA6140卧式车床的技术数据
名称
技术参数
工件最大直径
在床身上
400mm
在刀架上
210mm
最大加工长度
750、1000、1500、2000mm
加工螺纹范围
公制螺纹 mm
1~12 (20种)
英制螺纹 t/m
2~24 (20种)
模数螺纹 mm
0.25~3 (11种)
径节螺纹 t/m
7~96 (24种)
进给量
纵向级数
64
纵向范围
0.028~6.33mm/r
横向级数
64
横向范围
0.014~3.16mm/r
主轴
最大通过直径
48mm
孔锥度
莫氏6#
正转转速级数
24
正转转速范围
10~1400r/min
反转转速级数
12
反转转速范围
14~1580r/min
滑板行程
横向
320mm
纵向
650、900、1400、1900mm
刀架
最大行程
140mm
最大回转角
±90°
刀杠支承面至中心的距离
26mm
刀杠截面B×H
25×25mm
尾座
顶尖套莫氏锥度
5#
横向最大移动量
±10mm
外形尺寸
长×宽×高
2418×1000×1267mm
工作精度
圆度
0.01mm
圆柱度
200:0.02
平面度
0.02/ 300mm
表面粗糙度Ra
1.6~3.2μm
电动机功率
主电动机
7.5kw
总功率
7.84kw

本次设计要求的横向进给机构改造设计参数，见表2-2：

表2-2 横向进给机构改造设计参数
名称
技术参数
最大加工直径
在床面上
400mm
在床鞍上
210mm
快进速度
横向
2.4m/min
最大切削进给速度
横向
0.8m/min
定位精度
±0.015mm
起动加速时间
30ms
脉冲当量
0.01mm/脉冲
溜板及刀架重力
横向
600N
代码制
ISO
脉冲分配方式
逐点比较法
输入方式
绝对、增量
控制坐标数
2
自动升降速性能
有
主电机功率
7.5kW

2.3 其它要求
⒈ 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本及缩短改造周期。
⒉ 机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。

注：本次毕业设计的计算公式和手册主要参考：
⒈郝忠军、雷晓玲主编，综合作业指导书，北京：机械部工程师进修大学电气学院出版社，1995；
⒉吴宗泽、罗圣国主编，机械设计课程设计手册，北京:高等教育出版社，1998；
⒊李洪主编，实用机床设计手册，辽宁：辽宁科学技术出版社，1999；
⒋李金伴、马伟民主编，实用数控机床技术手册，北京：化学工业出版社，2007。

第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算
3.1 进给系统机械结构改造设计
进给系统改造设计需要改动的主要部分有拖板部分和溜板箱部分。
3.1.1 拖板部分
拖板是数控系统直接控制的对象，不论是点位控制还是连续控制，对被加工零件的最后坐标精度将受拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。对于应用步进电机作拖动元件的开环系统尤其是这样。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令值如果有差别就会造成加工误差。因此，除了拖板及其配件精度要求较高外，还应采取以下措施来满足传动精度和灵敏度要求。
⒈ 在传动装置的布局上采用减速齿轮箱来提高传动扭矩和传动精度（分辨率为0.01 mm/脉冲）。
⒉ 在齿轮传动中，为提高正、反传动精度必须尽可能的消除配对齿轮之间的传动间隙，其方法有两种，柔性调整法和刚性调整法。柔性调整法是指调整之后的齿轮侧隙可以自动补偿的方法，在齿轮的齿厚和齿距有差异的情况下，仍可始终保持无侧隙啮合。但将影响其传动平稳性，而且这种调整法的结构比较复杂，传动刚度低。刚性调整法是指调整之后齿轮侧隙不能自动补偿的调整方法，它要求严格控制齿轮的齿厚及齿距误差，否则传动的灵活性将受到影响。但用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动刚度，而且结构比较简单。在设备改造中应用的配对齿轮侧隙方法是刚性调整法。
⒊ 采用滚珠丝杠代替原滑动丝杠，提高传动灵敏性、降低功率和步进电机力矩损失。
3.1.2 溜板箱部分
采用数控系统控制。拆除原溜板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱除固定在滚珠丝杠的螺母上。挂轮箱、走刀箱拆除，在此两个位置分别装控制螺纹加工的主轴脉冲编码器和拖板轴向伺服元件功率步进电机及减速箱。使改造后的机床外型美观、合理。改造后机床的启动、停机均由数控系统完成，故拆除原机床操纵杆，变向杠、立轴等杠杆零件。
⒈ 进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱，光杠和梯型丝杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。
⒉ 横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。
3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型
进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。
3.2.1 确定系统的脉冲当量
脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。在CA6140的技术参数中，横向脉冲当量fp为0.01mm/脉冲（直径）。
3.2.2 车削抗力分析和滚珠丝杠副的特点
⒈ 车削抗力分析
车削外圆时的切削抗力有Fx、Fy、Fz，如图3-1。主切削力Fz，主运动切削速度方向的分力，是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是确定车床主轴电机切削功率的主要依据；切深抗力Fy，切深方向的分力，不消耗功率，是造成振动的主要因素，影响加工精度或已加工表面质量；进给抗力Fx进给方向的分力，消耗了总功率的5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。[11]

图3-1 车削合力及分力

⒉ 滚珠丝杠副的特点
滚珠丝杠副具有和滚动轴承相似的特征。与滑动丝杠副或液压缸传动相比，有以下主要特点：
1) 传动效率高 滚珠丝杠的传动效率可达85%~98%，为滑动丝杠副的2~4倍，由于滚珠丝杠副的传动效率高，对机械小型化，减少启动后的颤动和滞后时间以及节约能源等方面，都具有重要意义。
2) 运动平稳 滚珠丝杠副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。所以滚珠丝杠副运动平稳，启动时无颤动，低速时无爬行。
3) 传动可逆性 与滑动丝杠副相比，滚动丝杠副突出的特点是具有运动的可逆性。正逆传动的效率几乎可高达98%。滚珠丝杠副具有运动的可逆性，但是没有像滑动丝杠副那样运动具有自锁性。因此，在某些机构中，特别是垂直升降机构中使用滚珠丝杠副时，必须设置防止逆转的装置。
4) 可以预紧 通过对螺母施加预紧力能消除滚珠丝杠副的