机械设计制造及其自动化--课程设计

机械制造及其自动化专业（本科）

课程设计

课程设计题目：普通车床C6132数控化改造

学生姓名：

学生学号： 1

分校（教学点）：

指导教师姓名：

课程设计开始时间： 2015 年 9 月

课程设计提交日期： 2015 年 10 月 20日

电大开放教育2011级（春） 专业（本科）

课程设计成绩评定表

说明：1. 答辩小组应填写评价意见，小组成员均应签名（盖章）。答辩小组不应少于3人。

2. 此表附于封面之后。

3. 此表由分校、工作站自行复制。

目录

一、绪论...............................................................1

二、设计任务与总体方案确定.............................................1

1、设计任务............................................................1

2、总体设计方案确定....................................................1

3、CA6140车床数控改造..................................................2

三、数控系统的硬件设计.................................................4

1、用户加工程序存储器、串口电路的设计...................................4

2、键盘/显示子系统的设计...............................................4

3、I/O接口的设计.......................................................5

4、电动刀架控制接口....................................................6

5、限位保护控制接口....................................................6

6、可编程序控制器......................................................6

四、数控系统的软件设计.................................................7

1、数控系统监控程序的设计..............................................7

2、步进电机的速度控制和升/降速控制.....................................7

五、结束语............................................................10

参考文献.............................................................11

摘 要

机械产品的性能和质量不断提高，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，耐用、灵

活、通用，还能迅速适应加工零件的变换。为了节约资金，充分利用现有设备，普通机

床的数控化改造十分必要, 经改造后的车床不仅提高了加工精度而且提高了工作效率，

为机械加工制造创造了有利的条件。本文将普通机床改造为数控机床的技术从设计任务

与总体方案确定、数控系统的硬件设计、数控系统的软件设计三个方面进行了阐述。从

设计理念到设计思想，从设计方案到设计图，从理论数据到具体数据，从理论到实践，

从硬件设计到软件设计，都进行了反复的推理论证，在实验过程来看，基本上达到了设

计改造的要求。不仅提高了加工精度，而且操作方便，大大将低了工人的劳动强度。为

普通车床在再利用找到了途径。

关键词：车床；数控化；改造；设计

普通车床C6132数控化改造

一、绪论

我国工业化进程加快，社会生产和科学技术迅速发展，机械产品的性能和质量不断

提高，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，耐用、灵活、通用，还能迅速适应加

工零件的变换。为此，数控机床这种灵活而高效的自动化机床应运而生，并随电子、自

动化、计算机和精密测试等技术的发展在机械制造业中得到越来越广泛的应用。

近年来，我国实行改革开放，从国外引进了数控机床技术，并加强数控技术的开发、

生产及使用，越来越多的企业希望利用数控机床生产，更新设备。为了节约资金，充分

利用现有设备，普通机床的数控化改造十分必要，其必要性主要有下面几个方面：

1、数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小型企业是心有余而力不足。

2、目前各企业均有大量普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，一是耗资巨

大，二是现有机床被替换后闲置造成浪费。

因此，普通机床的数控化改造十分必要，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是

如此。

二、设计任务与总体方案确定

1、设计任务

利用微机对纵、横进给系统进行开环控制。本设计任务是对CA6132普通车床进行

数控改造。其横向最小单位设定量为0.005mm ，纵向最小单位设定量为0.01mm 。即横向

脉冲当量为0.005mm/脉冲，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲。改造后具有外圆端面加工，

具有警停、暂停、单步及连续加工等操作功能，可以实现两坐标联动、自动换刀，且改

造后的各项加工精度不低于原机床的加工精度。驱动元件采用直流步进电机，传动系统

采用滚珠丝杠。

2、总体设计方案确定

CA6132型普通车床适用于各种车削加工工作，如车削内外圆柱面、圆锥面、端面

及其它旋转面，车削各种螺纹——公制、英制、模数和径节，并能进行钻孔、铰孔和切

槽等工作。

主电动机功率：4KW 机床的工作精度：0.01mm

精车端面平面度：0.025/400mm 表面粗糙度：Ra2.5~1.25um

一般数控车床的基本组成部分如图一所示。

根据以上资料和数控车床的改造经验，确定总体设计方案为：采用微机对数据进

行计算处理，由I/O接口步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现

纵向、横向的进给运动。

VI （或XI ）处装上一个脉冲发生器，用它发出脉冲使步进电机准确地配合主轴旋转

产生进给运动实现螺纹加工功能（即主轴转一转，车刀移动一个被车工件的螺距）。将

刀架换上一具自动转动刀架，以数控转换刀具进行切削加工，实现自动换刀要求。其总

体布置见图纸

3、CA6140车床数控改造

纵向进给机构的改造。拆除原机床进给箱和溜板箱，利用原机床进箱的安装孔和销

钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端仍采用原固定方式。由于滚

珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，故纵向进给装置整体刚度增大。

横向进给机构改造。保留原手动机构，用于微进给和机床刀具对零操作，原有的支承结

构也保留。步进电机——齿轮箱体安装在拖板后方。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠轴不

是整体的，而采用分移式，然后用套筒刚性联接。

纵、横向进给机构都采用一级齿轮减速，并采用22片齿轮错齿法消除间隙。双片

齿轮错齿法这种消除齿侧隙的一对啮合齿轮中，其中一个是宽齿轮，另一具是把两薄片

组成的齿轮，同时采取措施使一个薄片齿轮的齿左侧和另一个薄片齿轮的齿右侧，分别

紧贴在宽齿轮的齿槽左、右两侧，这样错齿后就消除了齿侧隙，反向时不会出现死区，

采用的措施为可调拉簧式，弹簧所受张力大小可用螺母调节螺钉的伸出长度，调整好后再用螺母锁紧，从而消除间隙。这样提高了系统的传动精度，减小了转角误差。

纵向齿轮箱和溜板箱，脉冲信号发生器均加外罩，以保持机床美观，在溜板箱上安装纵、横向快速进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时紧急处理的需要。

由此计算如表1所示。

由表1数据与FZ=152.76kgf对照，得到时切削深度ap=2mm，走刀量f=0.3mm。 由于在一般外圆车削时： Fx=（0.1~0.6）Fz Fr=（0.15~0.7）Fz

因此取 Fx=0.5Fz=0.5×152.76=76.38kgf

Fy=0.6Fz=0.6×152.76=91.65kgf

数控机床的滚珠丝杠是精密传动元件, 它在轴向力的作用下将产生伸长或缩短, 在扭矩的作用下将产生扭转, 这将引起丝杠的导程发生变化, 从而影响其传动精度及定位精度, 因此滚珠丝杠应验算满载时的变形量。

滚珠丝杠受工作负载FX 引起的导程L0的变化量

F x L 0

ΔL1=±EA 式中：L0——基本导程，L0=0.6cm

由下表可知，E 级数度丝杠允差15µm/m，刚度足够。

由于机床原丝杠直径为Ф32mm ，现选用的丝杠直径也为Ф32mm, 支承方式不变，所以稳定性不存在问题，不再验算。

对于工作方式为三相六拍的步进电机，所以采用高低压功放电路，并在程序设计中

有速度控制程序，以免启停时发生失步现象。仍选用110BF003型直流步进电机，便于设计和采购，同时也采用高低压功放电路和速度控制子程序，防止丢步。

三、数控系统的硬件设计

数控系统是数控车床的核心部件, 主要用来接收加工程序的各种信息, 完成数值计算、逻辑判断、输入输出控制等功能。然后, 向伺服系统发出执行的命令。一般由计算机、输入输出接口及可编程序控制器等组成，其核心是计算机及其软件。由于单片机具有体积小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、价格低廉等特点，因此，我们选择单片机对此普通车床进行数控改造。

1、用户加工程序存储器、串口电路的设计

①考虑到数控系统的运行环境以及数控系统对加工程序数据掉电保护的要求，系统采用DALLAS 公司生产的存储器芯片DS1243Y 来存储用户加工程序。该芯片内含8KbNV RAM 、内置式实时时钟、嵌入式锂电池和32768Hz 晶振，它具有高可靠上电、掉电及强电磁冲击等数据保护功能，还具有读/写速度快、方式简单、次数无限的特点，并可为数控系统的运行提供实时时钟。该芯片引脚排列与一般的静态RAM6264完全兼容，可直接替代6264，因此，它与89C58的接口非常方便，具体接口电路如图纸。

②数控系统与上机位（PC 机）的串行通信由1片MAX232芯片完成。接口电路如图纸（四），其中89C58的TxD 、RxD 分别与MAX232的T2IN 、R2OUT 相连，而MAX232的T2OUT 、R2IN 接至PC 机。

③时钟、复位电路的设计。系统时钟由89C58内部振荡电路与外接晶振、电容共同产生，晶振频率12MHz 。复位电路主要由IMP813L 构成，其RST 信号与步进电机限位保护输出信号进行或逻辑运算后接至89C58的RESET 引脚，复位操作可由上电、按复位键、限位保护控制电路完成。

2、键盘/显示子系统的设计

系统采用图形点阵式液晶显示器MGLS-240128T ，由于液晶显示器具有显示容量大的特点，因此，系统键盘监控管理可方便地设计成菜单驱动方式，从而实现编辑模块的全屏编辑功能。

3、I/O接口的设计

I/O接口是微处理器与外界联系的通路，完成必要的数据格式和信号形式的转换。因此，I/O模块以可编程并口芯片Intel8255为主体，通过8255实现89C58与电动刀架控制、步进电机控制及光电编码接口电路的连接。

由于环形分配器的输出信号只有几十毫安, 而步进电机的绕组电流通常需要数安培, 因此, 输出信号需要进行功率放大. 步进电动机的绕组是铁心电感线圈, 在每一电压脉冲期间, 步进电动机的工作都是处于过渡过程状态, 由于电感的影响, 电流不能瞬时地跟随电压波形变化. 频率越高, 滞后就越严重, 这就使力矩受到影响, 造成失步。为了消除步进电机的低频振荡，提高它的输出转矩和分辨率，步进电机的驱动采用恒频脉宽细分驱动控制方法。具体电路如图。

工作原理：89C58通过定时器TO 输出20KHz 的方波，送D 触发器，作为恒频信号。同时，输出的阶梯电压（Ua ）的数字信号到D/A转换器，作为控制信号，Ua 的每一次变化，都使转子走一细分步。细分驱动使步进电机的实际步距角变得更小，从而大大提高对执行机构的控制精度。

4、电动刀架控制接口

由于改造后的车床为经济型的数控车床，所以从经济、实用的角度出发，我们选择的刀架具有4个工位，在控制电路的作用下依靠其机械部分实现刀具旋转。电动刀架控制接口电路如图4。图中，89C58经过8255的PC 口、光电隔离器件TLP521-4发出刀架电机正、反转信号J1、J2，通过继电器KA1、KA2控制电动刀架的动作切换。在刀架的旋转过程中，每个工件上的霍尔元件会依次切换为有效状态，系统根据刀号反馈信号T1、T2、T3、T4状态的变化，推断出目前的刀号，并判断是否为当前所选用刀具，一旦符合，则刀架电机反向旋转，锁紧刀具。

5、限位保护控制接口

步进电机的运动由4个行程限位开关实现保护。4个限位开关为常开状态，正常时输入信号X+、X-、Z+、Z-为低电平，它们通过逻辑或运算后输出XW 为低电平信号，再经光电隔离后与IMP813的RST 信号相或，送到89C58的RESET 引脚。当4个限位开关中有1个被压下，则XW 为高电平，从而产生有效的RESET 信号，迫使系统热启动，步进电机停运，起到保护作用。

6、可编程序控制器

可编程序控制器在数控机床中主要完成各执行机构的逻辑顺序（M 、S 、T 功能）控制，如刀具的更换、主轴的起停与变速、工件的装夹、冷却泵的开关等。采用可编程序控制器可提高计算机数控装置的灵活性、可靠性和利用率，并使结构紧凑。为此，采用欧姆龙C 系列的可编程序控制器，用于主轴电机起停与变速、冷却泵的开关等。

C6132普通车床由主轴电动机、润滑泵电动机和冷却泵电动机三台交流异步电动机拖动。三台电动机均由380V 三相交流电源供电，控制线路采用380V 交流电，照明灯的电压为24V ，信号灯的电压为6V 。由此可确定输入输出元件如下表所示：

根据C6132普通车床电气控制所需输入输出元件数选择C20P 的可编程序控制器。

四、数控系统的软件设计

1、数控系统监控程序的设计

监控程序是实现计算机数控装置协调工作的主体软件。本数控系统的监控程序采用模块化设计，全程菜单驱动，具有容错性强、使用方便的特点。共由5大模块组成：

①手动模块。该模块主要实现工作台在x 、z 两轴上正、反2个方向的点动、联动操作，以及手动控制换刀等，用于方便对刀、工作原点设置等。

②自动模块。 该模块主要实现加工程序的处理（包括程序语法检查、程序编译、数据处理等）、插补运算、步进电机的控制及自动换刀等。

③参数设置模块。该模块主要用于实现刀具补偿参数设置、间隙补偿参数设置等自动加工参数的设置。

④编辑模块。该模块主要实现零件加工程序的键盘编辑、输入，具有类似于EDIT 编辑器全屏编辑功能，是整个系统软件的重要模块。

⑤通信模块。该模块主要实现与上位机或其它智能设备的串行通信，可用于加工程序的传送等。

2、步进电机的速度控制和升/降速控制

①步进电机的调速控制

步进电机的速度控制通过微控制器89C58发出的步进脉冲频率来实现。由于环形脉

冲分配器采用8713，因此，步进电机的调速通过定时器中断的方法来实现。

②步进电机的升/降速控制

该程序可使进给指令脉冲平滑地进入环型分配器，避免失步。升/降速控制原理：步进电机启动或速度突变时，电机从突变速度Vo 开始加速，当速度达到规定的最高速度Vmax 时，开始匀速运动，当达到Smax 点时，速度应突变为Vo ，这样电机就能达到预定目标。

.

.

软件实现方法：设ΔS 为每个频段上所定的步数，S 为已走步数，f 为该段速度频率，f max 为步进电机的最高工作频率，则步进电机的升/降速控制

程序流程图如图6。

电气控制梯形图

根据C6132普通车床的控制要求，结合PLC 控制特点，设计下列电气控制梯形图

:

注：输入元件均接为常开

步序 程序指令 器件号

程序为： 0 LDNOT 00000

1 AND NOT 00001

2 IL

3 LD 00004

4 OR 01000

步序 程序指令 器件号

程序为： 5 OUT 01000

6 LD 00005

7 OUT 01003

8 OUT 01004

9 LD 01000

10 IL

11 LD 00002

12 OR 01002

13 ANT NOT 01001

14 OUT 01002

15 LD 00003

16 OR 01001

17 ANT NOT 01002

18 OUT 01001

19 ILC

20 ILC

21 END

五、结束语

经改造后的车床不仅提高了加工精度，而且操作方便，大大将低了工人的劳动强度。由于车床床身结构，大、小拖板的定位和相关零件的补充加工较困难，个别环节还待进一步完善。

参考文献

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[2] 李宏胜. 数控原理与系统. 北京：机械工业出版社， 2003.

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[11] 李善术. 数控机床及其应用. 北京：机械工业出版社， 2004.