【正文】 沈 陽 理 工 大 學(xué) 機電一體化 題 目 ： 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計 所屬系部： 機械運載學(xué)院 專 業(yè)： 機電一體化 班 級： 學(xué) 號： 10131304 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2021 年 6 月 13 日 目 錄 1 摘 要 .................................................... 2 設(shè)計題目 .................................................... 3 1. 設(shè)計任務(wù) ................................................. 4 2. 總體方案的確定 ............................................ 5 3. 機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案 ..................................... 5 4. 進(jìn)給傳動部件的計算和選型 ................................... 8 脈沖當(dāng)量的確 定 ........................................... 8 切削力的計算 ............................................. 8 滾珠絲杠螺母副的計算和選型（縱向） .......................... 9 同步帶減速箱的設(shè)計（縱向） ................................ 10 5 步進(jìn)電動機的計算與選型（縱向） ........................... 13 同步 帶傳遞功率的校核 ..................................... 17 5. 繪制進(jìn)給傳動機構(gòu)的裝配圖 .................................. 17 6. 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 .................................... 18 7. 步進(jìn) 電動機 驅(qū)動電源 的選擇 .................................. 19 8. 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計 .................................... 20 存 儲器與 I/O芯片地址分配 ................................. 20 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 ................................... 20 8255芯片初始化子程序 .................................... 21 8279芯片初始化子程序 .................................... 21 8279控制 LED顯示子程序 ................................... 22 8279管理鍵盤子程序 ...................................... 24 D/A 電路輸出模擬電壓程序 .................................. 25 步進(jìn)電動機的運動控制程序 ................................. 25 電動刀架的轉(zhuǎn)位控制程序 ................................... 25 主軸、卡盤與冷卻泵的控制程序 ............................. 25 機電一體化課設(shè)的 感受與收獲 .................................. 27 結(jié)論 ...................................................... 28 謝辭 ...................................................... 29 2 參考文獻(xiàn) .................................................. 30 摘 要 整個人類社會的文明史，就是制造技術(shù)不斷演變和發(fā)展的歷史。任何國家的制造業(yè)都是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是國民經(jīng)濟的主要來源。沒有發(fā)達(dá)的制造業(yè)，就不可能有國家真正的繁榮和強大。制造技術(shù) 是制造業(yè)的技術(shù)支柱，是一個國家科技水平、綜合國力的重要體現(xiàn)，制造技術(shù)的發(fā)展是一個國家經(jīng)濟增長的根本動力。而制造業(yè)中機床是其基礎(chǔ)裝備。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的 1/10左右，差距太大，急待改造。舊機床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。隨著數(shù)控機床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機床的技術(shù)經(jīng)濟效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要方面。 許多工廠一面購置數(shù)控機床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、 PC 技術(shù)改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。 1984 年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。 3 （ 機電一體 化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書） 設(shè)計題目： —— 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計 普通車床（如 C616/C613 C618/C613 C620/C61 C630 等）是金屬切削加工最常用的一類機床。 C6140 普通車床的結(jié)構(gòu)布局如圖所示。當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時，通過刀架的縱向和橫向移動，能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等，借助成型刀具，還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面。 C6140 普通車床的結(jié)構(gòu)布局圖 1床腳 2掛輪 3進(jìn)給箱 4主軸箱 5縱溜板 6溜板箱 7橫溜板 8刀架 9上溜板 10尾座 11絲杠 12光杠 13床身 機床實體圖 普通車床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運動，是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光桿或絲桿帶動溜板箱、縱溜板以及橫溜板產(chǎn)生移動。進(jìn)給參 4 數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時需要停車。刀架的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制。 對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用微機控制的、能獨立運動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能自動換刀的電動刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工 。由于加工過程中的切削參數(shù)、切削次序和刀具都可按程序自動進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱、橫向的聯(lián)動進(jìn)給功能，所以，改造后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實現(xiàn)多工序集中車削，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度。 1. 設(shè)計任務(wù) 題目： C6140 普通車床數(shù)控化改造設(shè)計 任務(wù)：將一臺 C6140 普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下 （ 1）床身上最大加工直徑 400 mm； （ 2）最大加工長度 1000 mm； （ 3） X 方向 (橫向 )的脈沖當(dāng)量 x? = mm/脈沖 ,Z方向 (縱向 )z? = mm/脈沖； （ 4） X 方向最快移動速度 maxxv = 3000 mm/min， Z 方向為 maxzv = 6000 mm/min； （ 5） X 方向最快工進(jìn)速度 Fxvmax = 400 mm/min， Z 方向為 zmxFv = 800 mm/min； （ 6） X 方向定位精度 177。 mm ， Z方向 177。 mm ； （ 7）可以車削柱面、平面、錐面與球面等； （ 8）安裝螺紋編碼器，可以車削公 /英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程為 24 （ 9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀； （ 10)自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無 級變速信號； （ 11)自動控制冷卻泵的啟 /停； （ 12)安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開； （ 13)縱、橫向安裝限位開關(guān)； （ 14)數(shù)控系統(tǒng)可與 PC 機串行通信； （ 15)顯示界面采用 LED 數(shù)碼管，編程采用 ISO 數(shù)控代碼。 5 2. 總體方案的確定 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU 的選擇，以及進(jìn)給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。 （ 1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制 型。 （ 2）普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電 動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用 MCS51系列的 8位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。 MCS51 系列8位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性 /價比高等優(yōu)點。 （ 4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù) 據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、 I/O 接口電路、 D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等 ；還要選擇步進(jìn)電動機的驅(qū)動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。 （ 5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)等。 （ 6）計算選擇步進(jìn)電動機，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速輪副，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。 （ 7）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。 3. 機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案 主傳動系統(tǒng)的改造方案 對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的 主傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)，這樣可減少機械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。 若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用 2～４速的多速電動機代替原有的單速主電動機；當(dāng)多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器 6 時，若工作頻率低于 70Hz，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電動機大）。 本例中，當(dāng)采用有級變速時，可選用浙江超力電機有限公司生產(chǎn)的 YD 系列 變極多速三相異步電動機，實現(xiàn) 2～４檔 變速；當(dāng)采用無級變速時，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型號為： F1000G0075T3B，適配 電動機，生產(chǎn)廠家為煙臺惠豐電子有限公司。 安裝電動卡盤 為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特機床附件總廠生產(chǎn)的 KD11250 型電動三爪自定心卡盤