机械机床毕业设计36CA6140型车床的经济型数控改造设计横向

摘要

针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。

改造过程如下：（1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向、横向机构装配图方案的制定。（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。

关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，改造

I

ABSTRACT

ABSTRACT

To remedy the defects of ordinary lather C6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forwa rd to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。

Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart.

Key words :numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform

III

目录

摘要 (Ⅰ)

ABSTRACT（英文摘要） (Ⅱ)

目录 (Ⅲ)

第一章前言 (1)

第二章总体方案设计 (2)

2.1机械部分改造 (2)

2.2数控系统部分设计 (2)

第三章机械部分改造设计 (4)

3.1横向进给系统的设计与计算 (4)

3.1.1横向进给系统的设计 (4)

3.1.2横向进给系统的设计计算 (4)

3.1.3步进电机的选择 (7)

3.2数控车床的传动装置设计 (7)

3.2.1螺旋传动 (7)

3.2.2轴的结构设计 (9)

3.2.3透盖的结构设计 (10)

3.2.4螺母座的结构设计 (10)

3.3自动转位刀架的设计 (11)

第四章微机数控系统设计 (13)

4.1概述 (13)

4.2数控系统的硬件电路设计 (13)

4.2.1微机机型和扩展存储器的选择 (14)

4.2.2确定I/O接口 (15)

4.2.3键盘接口设计 (16)

4.2.4显示电路设计 (17)

4.3软件设计 (18)

4.3.1插补原理及其程序设计 (19)

IV

ABSTRACT

4.3.2步进电机的控制及其程序设计 (21)

4.3.3间隙补偿功能 (29)

4.3.4键盘的诊断 (30)

4.3.5自动换刀程序设计 (31)

结论 (33)

参考文献 (34)

V

ABSTRACT

1 前言

国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。

我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。

由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。

本课题来源于生产实践。将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6140车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求：

a．横向（X向）进给脉冲当量为0.005mm /脉冲；

b．进给速度范围：向 3 ～ 1000mm/min （无级调速）

快进速度：X向 1000 ～ 3000mm/min内任意设定；

c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联动；

d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能；

e.改造方便，成本低。

该设计的总体思路是采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会