C6140车床数控化改造课程设计心得
总结
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
说实话，课程设计真的有点累。然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这3周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消。虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，另我有了一中”春眠不知晓”的感悟。
通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致。课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱：但一想起吴吉平教授平时对我们的耐心教导。想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定要养成一种高度负责、认真对待的良好习惯。这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。
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C6140车床数控化改造设计
山东英才学院
毕业设计
题目普通车床C6140的数控化改造专业机电一体化工程姓名张海伟指导教师刘河洲
二O一一年三月
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C6140车床数控化改造设计
前言
我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。
对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。
数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。
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目录
第一节设计任务..................................3
1.1题目：...........................................31.2任务............................................3
第二节总体方案的确定............................4第三节机械系统的改造设计方案....................5
3.1主轴系统的改造方案...............................53.2安装电动卡盘.....................................53.3换装自动回转刀架.................................53.4螺纹编码器的安装方案.............................63.5进给系统的改造与设计方案........................6
第四节进给传动部件的计算和选型..................7
4.1脉冲当量的确定...................................74.2切削力的计算.....................................74.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型......................84.4同步带减速箱的设计..............................104.5步进电动机的计算与选型..........................134.6同步带传递效率的校核............................17
第五节绘制进给传动机构的装配图.................17第六节控制系统硬件电路设计.....................17第七节步进电动机驱动电源的选用.................20第八节控制系统的部分软件设计...................20参考文献........................................27
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第一节设计任务
1.1题目：C6140普通车床数控化改造设计
C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。
一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。
1.2任务
将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：
（1）床身上最大加工直径400mm;（2）最大加工长度1000mm；
（3）X方向（横向）的脉冲当量x0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）
z0.01mm/脉冲；
（4）X
方向最快移动速度vxmax3000mm/min，Z方向最快工进速度vxmaxf400mm/min，Z
afx方向为
vxmax60mm00/mi；n
（5）X
方向为
vxm80mm0/mi；n
（6）X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm；（7）可以车削柱面、平面、锥面与球面等；
（8）安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大
导程24mm；
（9）安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；
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（10）自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变
速与无级变速信号；（11）（12）（13）（14）（15）
自动控制冷却泵的启/停;
安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；纵、横向安装限位开关；数控系统可与PC机串行通信；
显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。
第二节总体方案的确定
总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。1．普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、
圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。
2．普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定
加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。
3．根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控
系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。
4．根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、
键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等，还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。
5．为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传
动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。6．计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿
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轮副，且应有消间隙机构。
7．选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。
第三节机械系统的改造设计方案
3.1主轴系统的改造方案
对普通机床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构
和变速操纵机构，这样可以减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。
若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用2~4速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于70Hz，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。改造C6140车床时，若采用有级变速，可选用浙江超力有限公司生产的YD系列7.5kW变级多速三相异步电动机，实现2~4档变速；若采用无级变速，应加装交流变频器，推荐型号为：F100-G0075T3B,适配7.5kW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。
3.2安装电动卡盘
为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系。
3.3换装自动回转刀架
为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有
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的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。
3.4螺纹编码器的安装方案
螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴信号的反馈元件，它与车床主轴同步。
改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24mm，Z向的进给脉冲当量是0.01mm/脉冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24mm/(0.01mm/脉冲）2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差
90的A、B相信号，可用A、B异或后获得2400个脉冲（一转内），
这样编码器的线数可降到1200线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。
基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。电源电压+5，每转输出1200个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径15mm，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。
螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为1:1的同步齿形带与主轴连接起来。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，且车床组、主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。
3.5进给系统的改造与设计方案
（1）拆除挂轮架所有齿轮，在此主轴的同步轴，安装螺纹编码器。
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（2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步
带减速箱总成。
（3）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装
纵向滚珠丝杠的的螺母座与螺母座托架。
（4）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四工位立式
刀架。
（5）拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段
（长216mm，见图一）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。
（6）将横向进给步进电动机通过法兰安装到横溜板后部的纵溜板
上，并与滚珠丝杠的轴头相联。
（7）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。（8）改造后的横向、纵向进给传动系统分别见附图一和附图二。
第四节进给传动部件的计算和选型
纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、
计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。
4.1脉冲当量的确定
根据设计任务要求，X方向（横向）的脉冲当量为
x0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）为z0.01mm/脉冲。
4.2切削力的计算
（1）纵向切削力算
设工件为碳素结构钢，b650MPa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角kr60，前角010，刃倾角s5；
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切削用量为：背吃刀量p3mm，进给量f0.6mm/r，切削速度。vc10m5/min查表得：GFc2795，xFC1.0，yFc0.75，nFc0.15；主偏角Kr的修正系数KKrFc0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。
由经验公式：FCCFcpFcf背向力FP1069.36N。（2）横向切削力计算
横向主切削力为纵向的一半，所以横向主切削力
Fc"1Fc1336.7N2xyFcVcFcKFc，算得主切削力Fc2673.4N;
n由经验公式：Fc:Ff:Fp1:0.35:0.4，算得纵向进给切削力Ff935.69N,
由经验公式Fc:Ff:Fp1:0.35:0.4,求得横向进给切削力Ff467.85N，背向力Fp534.68N
。4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型1.纵向：
(1)工作载荷Fm的计算
已知移动部件总重量G1300N；车削力Fc2673.4，
FP1069.36N，Ff935.69N。根据FzFc，FyFp，FxFf的对应关系，可得：Fz2673.4N，Fy1069.36N，Fx935.69N。
选用矩形-三角形组合滑动导轨，查表，取K1.15，0.16，代入FmKFx(FzG),得工作载荷Fm1712N.(2)最大动载荷FQ的计算
设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度
v0.8m/min，初选丝杠基本导程Ph6mm，则此时丝杠转速
n1000v/Ph133r/min。
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取滚珠丝杠的使用寿命T15000h，代入L060nT/106,得丝杠寿命系数L0119.7(单位为：。106r）查表，取载荷系数fW1.15，再取硬度系数fH1，代入式
FQ3L0fWfHFm，求得最大动载荷FQ3L0fWfHFm9703N。(3)初选型号
根据计算出的最大动载荷，查表，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为32圈6圈，精度等级取4级，额定动
0，满足要求。载荷为13200N(4)传动效率的计算
将公称直径d040mm，基本导程Ph6mm，代入
arctan[Ph/(d0)]，得丝杠螺旋升角244"。将摩擦角10"，代入
tan/tan()，得传动效率94.2%。(5)刚度的验算
1）纵向滚珠丝杠的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，见图二。固定端采取一对推力角接触轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a1497mm；钢的弹性模量E2.1105MPa；查表得滚珠直径DW3.9688mm，算得丝杠底径
FmaMa2中d2公称直径d0滚珠直径DW36.0312mm。忽略式1ES2IE的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量
1Fma/(ES)0.01197mm。
2）根据公式Z(d0/DW)3，求得单圈滚珠数目Z29,该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为326，则滚珠总数量Z296174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJFm/3571N。则由式
20.0013Fm10DWFYJZ/1032,求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量
20.00117mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实
mm。际变形量可减小一半，取20.0005853）将以上算出的1和2代入总12，求得丝杠总变形量（对应跨度1497mm）总0.012555mm12.555m。由表知，4级精度滚珠丝
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杠任意300mm轴向行程内行程的变动量允许16m，而对于跨度为
1497mm的滚珠丝杠，总的变形量总只有12.555m，可见丝杠刚度足
够。
(6)压杆稳定性校核
fk2EIFm计算失稳时的临界载荷Fk。查表取支承根据式Fk2Ka系数fk2；由丝杠底径d236.0312，求得截面积惯性矩
4Id2/6482734.15mm2；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安
装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值1497mm。代入式
fk2EIFkFm，得临界载荷Fk51012N,远大于工作载荷Fm(1712N)，
Ka2故丝杠不会失稳。
综上所述初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
4.4同步带减速箱的设计
为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。C6140车床纵向减速箱选用同步带传动。
设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传动的功率P；主动轮转速n1和传动比i；传动系统的位置和工作条件等。
根据改造经验，C6140车床纵向步进电动机的最大静转矩通常在15~25Nm之间选择。初选电动机型号为130BYG5501,五相混合式，最大静转矩20Nm，十拍驱动时步距角为0.72。
（1）传动比的确定
已知电动机的步距角0.72，脉冲当量z0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph6mm，代入式i（2）主动轮最高转速n1
由纵向床鞍的最快移动速度vzmax6000得出主动轮mm/min，的最高转速n1(vzmax/z)/3601200r/min。
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Ph算得传动比i1.23C6140车床数控化改造设计
（3）确定带的设计功率Pd
预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为fmax1201*60/(60)1201*60/(600.72)Hz10000Hz。当脉冲频率为10000Hz时，电动机的输出转矩约为3.8Nm，对应的输
出功率，为
。得
取出
POUTnT/9.551201*.8/9.55W478WKA1.2,代
入式P0.478kWPdKAP，
Pd1.20.478kW0.574kW.（4）选择带型和节距pb
根据带的设计功率Pd0.574kW和主动轮最高转速
n11200r/min，选取同步带的型号为L型节距pb9.525mm。（5）确定小带轮齿数z1和小带轮节圆直径d1取z115，则小带轮节圆直径d1pbz145.48mm。当n1达到
最高转速1200r/min时，同步带速度为v有超过L型带的极限速度35m/s。
d1n16010002.86m/s，没
（6）确定大带轮齿数z2和大带轮节圆直径d2
大带轮齿数z2iz118，节圆直径d2id154.57mm。（7）初选中心距a0、带的节线长度L0p、带的齿数zb
初选中心距a01.1(d1d2)110.06mm，圆整后取a0110mm。则带的节线长度为L0p(d1d2)22a0(d1d2)377.33mm。查
24a0表选取标准节线长度Lp381mm，相应齿数zb40。（8）计算实际中心距a实际中心距aa0LpL0p2111.835mm。
（9）校验带与小带轮的的啮合齿数zmzment[z1pbz1(z2z1)]7，啮合齿数比6大，满足要求。222a此处ent表示取整。
（10）计算基准额定功率P0
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所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率：
(Tamv2)vP0，式中Ta表示带宽为bs0时的许用工作压力，查
1000表得Ta244.46N；m表示带宽为bs0时的单位长度的质量，查表得m0.095kg/m；v表示同步带的带速，由上述（5）知v2.86m/s。代入式子算得P00.697kW.
（11）确定实际所需同步带宽度bsbsbs0(Pd1/1.14，式中bs0表示选定型号的基准宽度，查表)KzP0得bs025.4mm；Kz表示小带轮啮合齿数系数，查表得Kz1。由上式算得bs21.42mm，再根据表选取标准带宽bs25.4mm。（12）带的工作能力验算
根据式P(KzKwTbsmv2)v103，计算同步带额定功率P的bs0精确值：式中Kw为齿宽系数：Kw(bs/bs0)1.141。经计算得
P0.697kW,而Pd0.574kW,满足PPd。因此，带的工作能力合
格。
4.5步进电动机的计算与选型
（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq
已知：滚珠丝杠的公称直径d040mm，总长（带接杆）
l1560mm，导程Ph6mm，材料密度7.85103kg/cm3；纵向
移动部件总重量G1300N；同步带减速箱大带轮宽度28mm，节径54.57mm，孔径30mm，轮毂外径42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，节径45.48mm，孔径19mm，轮毂外径29mm，宽度12mm；传动比i1.2。
将上述数据代入公式，可得出：滚珠丝杠的转动惯量
JS30.78kgcm2；床鞍折算到丝杠上的转动惯量JW1.21kgcm2；小带轮的转动惯量Jz10.95kgcm2，大带轮的转动惯量Jz21.9kgcm2。在设计减速箱时，初选的纵向步进
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电动机型号为130BYG5501，查表得该型号电动机转子的转动惯量Jm33kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：JeqJmJz1(Jz2JWJS)/i257.55kgcm2。（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1
由式Teq1TamaxTfT0，可知Teq1包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式T0FYJPh2(10)可知，T0相对于Tamax和Tf很2i小，可以忽略不计。则有：Teq1TamaxTf（4-1）
根据式
TamaxJeq2Jeqnm60ta，考虑纵向传动链的总效率
，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转
矩：Tamax2Jeqnm60ta1（4-2）式中nm表示对应纵向空载最
快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；ta表示步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。其中：nmvmax（4-3）式中vmax表示纵向空载最快移360动速度，任务书指定为6000mm/min；表示纵向步进电动机步距角。为0.72；表示纵向脉冲当量，为0.01mm/脉冲。将以上各值带入式（4-3），算得nm1200r/mmin。
设表示步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间
ta0.4s，纵向传动链总效率0.7；则由式（4-2）求得：
TamaxFP257.551041200Nm2.58Nm，由式Tf摩h可
600.40.72i知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
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Tf(FcG)Ph（4-4）式中表示导轨的摩擦因数，滑动
2i导轨取0.16；Fc表示垂直方向的工作载荷，空载时取0；表示纵向传动链总效率，取0.7。则由式（4-4）得：
Tf0.16(01300)0.006Nm0.24Nm，最后由式（4-1），
20.71.2求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：
Teq1TamaxTf2.82Nm(4-5)
2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩
Teq2
由式Teq2TtTfT0可知，Teq2包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。T0相对于Tf和Tt很小，可以忽略不计。则有：Teq2TtTf（4-6）
其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由式TtFfPh2i计算，本例中在对滚珠丝杠进行计算的时
候，已知进给方向的最大工作载荷Ff935.69N,则有：
TtFfPh2i935.690.006Nm1.06Nm
20.71.2F摩Ph2i计算承受最大工作负载
再由式Tf（Fc2673.4N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转
Tf轴上的摩擦转矩:
(FcG)Ph0.16(2673.41300)0.006Nm0.72Nm
2i20.71.2最后由式（4-6），求得最大工作负载状态下电动机
转轴所承的负载转矩：Teq2TtTf1.78Nm（4-7）
经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：Teqmax{Teq1,Teq2}2.82Nm（4-7）
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（3）步进电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢布，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K4，则步进电动机的最大静转矩应满足：
Tjmax4Teq42.82Nm11.28Nm（4-8）
对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，查表可知，其最大静转矩Tjmax20Nm，可见完全满足式（4-8）要求。（4）步进电动机的性能校核
1）最大工进速度时电动机输出转矩校核
任务书给定纵向最快工进速度vmaxf800mm/min，脉冲当量
0.01mm/脉冲，由式fmaxfvmaxf60求出电动机对应的运行频率
fmaxf800/(600.01)Hz1333Hz。在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf17Nm，远远大于最大工作负载转矩Teq21.78Nm，满足要求。
2）最快空载移动时电动机输出转矩校核
任务书给定纵向最快空载移动速度vmax6000，由式mm/minfmaxvmax60，求出电动机对应的运行频率
fmax6000/(600.01)Hz10000Hz。查表得，此频率下，电动机的输出转矩Tmax3.8Nm，大于快速空载起动时负载转矩
Teq12.82Nm，满足要求。
3）最快空载移动时电动机运行频率校核
最快空载移动速度vmax6000，对应的电动机运行频mm/min率fmax10000Hz。查表可知130BYG550的极限运行频率为
201*0Hz，可见没有超出上限。
4）起动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq57.55kgcm2，电动机转子自身的转动惯量Jm33kgcm2，查表可知电动机转轴不带任何
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负载时最高空载起动频率fq1800Hz。由式fLfq1Jeq/Jm，可
以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：fL1087Hz，上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1087Hz。实际上，在采用软件升降频率时，起动频率选得很低，通常只有100Hz(即100脉冲/s)。
综上所述，纵向进给系统选用130BYG550步进电动机，可以满足要求。
4.6同步带传递效率的校核
分两种工作情况，分别进行校核。（1）快速空载起动
电动机从静止到加速至nm1200r/min，由式（4-5）可知，同步带传递的负载转矩Teq12.82Nm，传递的功率为
PnmTeq1/9.551201*.82/9.55W354.3W。（2）最大工作负载、最快工进速度
由式（4-7）可知，带需要传递的最大工作负载转矩
Teq21.78Nm，任务书给定最快工进速度vmaxf800mm/min，对应电动机转速nmaxf(vmaxf/z)/360160r/min。传递的功率为
PTeq2/9.551601.78/9.55W29.8W。
可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率
0.697kW。因此，选择的同步带功率合格。
第五节绘制进给传动机构的装配图
在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。
（1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。
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（2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。（3）考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。箱上的联接与定位等。
（4）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。
（5）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。
第六节控制系统硬件电路设计
根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：
1）2）3）4）5）6）7）8）9）
接收键盘数据，控制LED显示；接收操作面板的开关与按钮信号；接收车床限位开关信号；接收螺纹编码器信号；
接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；控制X、Z向步进电动机的驱动器；控制主轴正转、反转与停止；
控制多速电动机，实现主轴有级变速；控制交流变频器，实现主轴无级变速；
10）控制切削液泵起动/停止；11）控制电动卡盘的夹紧与松开；12）控制电动刀架的自动选刀；13）与PC机的串行通信。图（2）为控制系统的原理框图。
CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52；由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了
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隔离放大；模拟电压的输出借助于DAC0832;与PC机的串行通信经过MAX233芯片。
数控系统的操作面板布置如图（1）所示。面板设置了48个微动按钮，三个船形开关，一只急停按钮，显示器包括1组数码管和7只发光二极管。复位电晶振电EPROM芯片SRAM芯片键盘与显示接串行接口芯片CPUAT89S52单片机图（2）
第19页
并行接口芯片8255隔离放隔离放隔离放隔离放隔离放隔离放隔离放隔离放X向步进电动Z向步进电动刀架电动机主轴电动机卡盘电动机切削液泵电刀架刀位信限位开关信D/A转换芯片螺纹光栅信交流变主轴电动操作面板开关/按钮C6140车床数控化改造设计
第七节步进电动机驱动电源的选用
本例中X向步进电动机的型号为110BYG5802,Z向步进电动机的型号为30BYG5501。两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为5相混合式，5线输出，电动机供电电压DC120~310V，电流5安。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型号。在此，选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为BD5A。
第八节控制系统的部分软件设计
1.存储器与I/O芯片地址分配
根据图三中地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以算出
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主机板中存储器与I/O芯片的地址分配，如下表所示：器件名称地址选择线（A15~A0）626482558279DAC0832
2.控制系统的监控管理程序
系统设有7档功能可以相互切换，分别是“编辑”、“空刀”、“自动”、“手动1”、“手动2”、“手动3”和“回零”。选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程见图（3）。
编编辑处图（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口输出，PB口输出，PC
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片内地址单元数8K421地址编码0000H~1FFFH3FFCH~3FFFH5FFEH~5FFFH7FFFH000,,,0011,1111,1111,110101,1111,1111,1110111,1111,1111,1111系统上电CPU、8255、8279等工作状态N空空刀处N自自动处N手手动处N回回零处NC6140车床数控化改造设计
口输入，均为方式0
MOVX@DPTR，A；控制字被写入MOVDPTR，#3FFCH；指向PA口
MOVA，#0FFH；预置PA口全“1”MOVX@DPTR，A；输出全“1”到PA口MOVDPTR，#3FFDH；指向PB口
MOVA，#0FFH；预置PB口全“1”MOVX@DPTR，A；输出全“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与显示RAM命
令MOVX@DPTR，A；命令字被写入
WAIT:MOVXA，@DPTR；从8279的控制口读取8279的状态字
JBACC.7，WAIT；测试显示RAM有没有被清
除完毕。只有状态字的D7=0，清除才结束
MOVA，#08H；编码扫描，左入口，16位
字符显示，双键互锁
MOVXA，@DPTR
MOVA，#34H；分频系数取20MOVX@DPTR，ARET
5.8279控制LED显示子程序
设显示缓冲区的首地址为6BH，系统在指定的工作状态下，需要显示的字
符段码的编码，事先存储在CPU内部的RAM的6BH~73H这9个字节中。已知
8279的控制口地址为5FFFH，数据口地址为5FFEH，则显示程序如
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下：
DIR:MOVDPTR，#5FFFH；8279的控制口地址MOVA，#90H；写8279显示RAM的命令MOVX@DPTR，A；从显示RAM的00H地址
6BH
DIR0:；DTAB:MOVMOVMOVMOVADDMOVCMOVXINCDJNZRET
DBDBDBDBDBDBDBDB开始写，每写一次，显示RAM的地址自动加1
R0，#6BH；显示缓冲区的首地址为R7，#09H；显示缓冲区的长度为9个
字节
DPTR，#5FFFH；8279的数据口地址A，@R0；从CPU的RAM中读取显示
段码的编码
A，#05H；PC与DTAB表格之间的偏
移量
A，@A+PC；查表，取出显示段码@DPTR，A；送到8279显示RAM中指定
的字节
R0；写8279的下一个显示
RAM
R7，DIR0；循环9次，完成9位显示段码字符编码6FH；F00-01
0DAH
0BEH；X02-030E7H
0A3H；Z04-050CBH
0D1H；U06-070D3H
第23页
C6140车床数控化改造设计
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
；根据系统需要编制字
库当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的6BH~73H这9个字节赋值，然后调用DIR子程序即可。例如，要显示“X-1234.56”，程序如下：
MOV6BH，#02H；“X”的一半MOV6CH，#03H；“X”的另一半MOV6DH，#0AH；-
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MOV6E，#0CH；1MOV6FH，#0DH；2MOV70H，#0EH；3MOV71H，#19H；4.MOV72H，#10H；5MOV73H，#11H；6
CALLDIR；向8279的显示RAM写数
显示缓冲区（CPU内部RAM）：
(6BH)(6CH)(6DH)(6EH)(6FH)(70H)(71H)
(72H)(73H)
|||||||
||显示字符：X-1234.56
|||||||||
字符编码：02H03H0AH0CH0DH0EH19H10H11H
6.8279管理键盘子程序
如图三所示，当矩阵键盘有键按下时，8279即向CPU的INT1申请中断，CPU随即执行中断服务程序，从8279的FIFO中读取键值，程序如下：
CLREX1；关CPU的INT1中断
MOVDPTR，#5FFFH；指向8279控制口地址
MOVA，#01000000B；准备读8279FIFO的命令
MOVX@DPTR，A；写入8279控制口
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MOVDPTR，#5FFFH；指向8279数据口地址
MOVXA，@DPTR；读出键值CJNEA，#KEY0，NEXT0；依次进行判别JMP_KEY0；对应键进行处理NEXT0:CJNEA，#KEY1，NEXT1
JMP_KEY1NEXT1:CJNEA，#KEY2，NEXT2JMP_KEY2NEXT2:
7.D/A电路输出模拟电压程序
如图三所示，当CPU执行写命令时，只要选中7FFFH这个地址，DAC0832与741组成的D/A转换电路即可输出直流电压。程序如下：
MOVDPTR，#7FFFH；指向DAC0832口地址MOVA，#DATA；准备输出的数字量
00H~0FFH
MOVX@DPTR，A；输出直流电压0~10V8.步进电动机的运动控制程序9.电动刀架的转位控制程序
10.主轴、卡盘与切削液泵的控制程序
车床主轴的控制，就是控制主电动机的正/反/停，以及自动变速；电动卡盘需要控制其夹紧与松开；切削液泵需要控制它的起/停。这些程序都非常简单，对于某个动作的控制，只要从输出接口芯片的某个引脚输出一个电平信号即可。
现以主轴正转为例，从图三可以看出，主轴的正转由8255的PA0来控制，当用低电平信号来控制主轴正转时，程序如下：MOVDPTR，#3FFFH；8255的PA口地址MOVXA，@DPTR；读出PA口锁存器内容CLRACC.0；修改
MOVX@DPTR，A；置PA0=0,直流继电器K+
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闭合，主轴正转
参考文献
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[19]杨波．浅谈机床数控改造.e-works,e-works论坛，201*
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[4]普通C6140车床的说明书
[17]陶乾主编．金属切削原理，高等教育出版社，1957
第27页
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