【正文】 第一章 緒 論數(shù)控機(jī)床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的動態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動鏈從作為動力源的電動機(jī)到工作部件要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)，在這些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進(jìn)使傳動性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于是出現(xiàn)了“直接傳動”的概念，即取消從電動機(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。直線電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動上的應(yīng)用，使機(jī)床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機(jī)床性能有了新的飛躍。目前，世界先進(jìn)制造技術(shù)不斷興起，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。為適應(yīng)這種情況，數(shù)控機(jī)床正朝著以下幾個方面發(fā)展。、高精度化速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 目前，數(shù)控系統(tǒng)采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度。同時，采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。并采用直線電機(jī)直接驅(qū)動機(jī)床工作臺的直線伺服進(jìn)給方式，其高速度和動態(tài)響應(yīng)特性相當(dāng)優(yōu)越。在直線電機(jī)剛開始開發(fā)時，因其能實(shí)現(xiàn)高速加工而備受矚目。但近年來，使用直線電機(jī)的目的已逐漸轉(zhuǎn)向高精度化。也就是說，在直線電機(jī)的諸多優(yōu)良特性中，很高的定位精度和圓弧插補(bǔ)精度尤其令人刮目相看。其原因是非接觸式的驅(qū)動系統(tǒng)沒有傳統(tǒng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)減速用的齒輪副、滾珠絲杠、耦合件等各種機(jī)械因素引起的誤差，以及直線電機(jī)必然采用閉路控制。智能化現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床將引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)，根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工過程中能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較好的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。具有自診斷、自修復(fù)功能，在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障，立即采用停機(jī)等措施，并進(jìn)行故障報警，提示發(fā)生故障的部位、原因等。還可自動使故障模塊脫機(jī)，而接通備用模塊，以確保無人化工作環(huán)境的要求。為實(shí)現(xiàn)更高的故障診斷要求，其發(fā)展趨勢是采用人工智能專家診斷系統(tǒng)。3．控制系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)小型化控制系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)小型化便于將機(jī)、電裝置結(jié)合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印刷電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度安裝，較大規(guī)?？s小系統(tǒng)的占有空間。而利用新型的彩色液晶薄型顯示器替代傳統(tǒng)的陰極射線管，將使數(shù)控操作系統(tǒng)進(jìn)一步小型化。這樣可方便地將它安裝在機(jī)床設(shè)備上，更便于對數(shù)控機(jī)床的操作使用。 機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的必要性由于當(dāng)前市場竟?fàn)幖ち?，一個企業(yè)想要生存和發(fā)展就必須迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，并且以最低的價格、最好的質(zhì)量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。目前來說，普通機(jī)床已不適應(yīng)多品種，小批量生產(chǎn)的要求，而數(shù)控機(jī)床則綜合了數(shù)控技術(shù)，微電子技術(shù)，自動檢測技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期短的零件。因此，要對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造以是迫不得已。數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)的普通機(jī)床相比有許多優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)點(diǎn)主要從數(shù)控機(jī)床的計算機(jī)系統(tǒng)來說主要表現(xiàn)在以下幾個方面：，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該達(dá)到的運(yùn)動量，因此可以加工出帶有曲線或曲面以及帶有錐度的零件?？梢詫?shí)現(xiàn)加工的自動化，加工效率高。，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動化。，尺寸分散度小，使裝配容易。，減少了零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度。、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。大大的提高了勞動生產(chǎn)率，縮短了生產(chǎn)周期，同時帶來了很高的經(jīng)濟(jì)效益。第二章 CW6163臥式車床總體方案設(shè)計 本設(shè)計任務(wù)是對CW6163臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造。大體步驟是將x軸（橫向）、z軸（縱向）改為微機(jī)控制，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠傳動。其中x軸（橫向）脈沖當(dāng)量：，Z軸（縱向）脈沖當(dāng)量：。：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工。：起動、點(diǎn)動、單步運(yùn)行、自動作循環(huán)、暫停、停止。 2 .2 總體方案的確定對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機(jī)床的改造應(yīng)盡可能少，以便降低成本。一、數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式分為：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓弧插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工，螺紋加工等功能，由于在車削加工中，要求刀具沿各坐標(biāo)軸運(yùn)動，要有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對工件沿加工路徑運(yùn)動，所以不能選用點(diǎn)位系統(tǒng)，因?yàn)辄c(diǎn)位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動過程中，不進(jìn)行切削。所以，此微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。二、伺服系統(tǒng)的選擇數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)之分。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。由于CW6163型車床改造屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，所以，本設(shè)計采用開環(huán)控制系統(tǒng)。三、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由于MCS51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價格比等優(yōu)點(diǎn)，因此采用MCS51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分，鍵盤及顯示器，I/O接口及光電隔離電路，步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用LED顯示器。四、機(jī)械傳動方式為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電動機(jī)加聯(lián)軸器與傳動絲杠連接；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，同時為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)載的貼塑性滑動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)。2 .3 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案一、主傳動系統(tǒng)的改造為減少機(jī)械改造的工作量，保留原有的主傳動機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。為了在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用交流變頻器來控制主軸電動機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無級變速。二、改裝自動回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將原有的手動刀架換成由微機(jī)控制的經(jīng)電動機(jī)驅(qū)動的自動回轉(zhuǎn)刀架。三、螺紋編碼器的安裝為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器（也稱螺紋編碼器），為此采用同軸安裝方式，即編碼器直接安裝在主軸后端，因?yàn)檫@種方式結(jié)構(gòu)簡單。主軸和編碼器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給微機(jī)。四、進(jìn)給系統(tǒng)的改造，在主軸的同步軸處，安裝螺紋編碼器。，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)與錐環(huán)聯(lián)軸器。，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。，以及刀架縱橫向移動手柄，刀架的移動由微機(jī)控制，在橫溜板上方安裝四工位立式電動刀架。，將滑動絲桿靠刻度盤一段鋸斷保留，