目 录
第一章 设计任务 .................................. 5
1.1题目： ........................................... 5 1.2 任务 ............................................ 5
第二章 总体方案的确定 ............................ 6 第三章 机械系统的改造设计方案 .................... 7
3.1主轴系统的改造方案 ............................... 7 3.2安装电动卡盘 ..................................... 7 3.3换装自动回转刀架 ................................. 8 3.4螺纹编码器的安装方案 ............................. 8 3.5进给系统的改造与设计方案 ........................ 9
第四章 进给传动部件的计算和选型 ................. 10
4.1脉冲当量的确定 .................................. 10 4.2切削力的计算 .................................... 10 4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ..................... 11 4.4同步带减速箱的设计 .............................. 12 4.5步进电动机的计算与选型 .......................... 13 4.6同步带传递效率的校核 ............................ 16
第五章 绘制进给传动机构的装配图 ................. 18 第六章 控制系统硬件电路设计 ..................... 21 第七章 步进电动机驱动电源的选用 ................. 22 第八章 容总结 ................................... 29 参考文献 ........................................ 30
摘 要
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容之一。
第一章 设计任务
1.1题目：CA6140普通车床数控化改造设计 1.2 任务
将一台CA6140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?x?0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）
?z?0.01mm/脉冲；
（4）X
方向最快移动速度vxmax?3000mm/min，Z
方向为
vxmax?6000mm/min；
（5）X
方向最快工进速度vxmaxf?400mm/min，Z
方向为
vxmaxf?800mm/min；
（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； （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。
第二章 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
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，可选用超力生产的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，生产厂家为惠丰电子。
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，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用市宏达机床数控设备生产的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。
CA6140普通车床数控化改造设计
