经济型数控车床进给伺服系统设计

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数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。

1.2 数控机床改造的必要性

我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待需要新的制造方法及技术。

科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一，它不仅能够提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。

我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，

全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国一般的中小型企业购置困难，但是中小型企业为了发展生产，急待对原有机床进行改造。

随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。

可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计

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实例具有典型性和实用性。

1.3本课题的研究对象及其相关参数

根据以上分析，本设计选择对CA6140 普通车床地纵向进给系统进行数控改造。横向进给系统的改造与纵向类同。 相关参数：

加工最大直径：在床面上 ?400mm 在床鞍上: ?210mm 最大加工长度： 1000mm

溜板及刀架重力： 纵向 800N 刀架快速速度： 纵向 2.4 mm/min 最大进给速度： 纵向 0.6mm/min 主电机功率 7.5kw 启动加速时间 30ms 机床定位精度 0.015mm

此机床进给伺服系统脉冲当量选择：

根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/step, 横向：0.005 mm/step （半径）。

第二章 纵向进给系统总体方案的设计

2.1 设计任务

本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝

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杠副。

2.2 总体方案的论证

对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。

（1）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。

（2）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：

1. 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 3. I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。

除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。

2.3 总体方案的确定

经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造示意图如图所示。车床的纵向（Z轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，

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由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向进给运动。

加工工件图纸数控程序编制手工输入计算机磁带或控制计算机车床功率放大器变速箱步进电机

第三章 机 械 部 分 设 计

纵向进给系统的设计与计算

1、纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任一端。对车床改造来说外观不必项产品设计要求的那么高，而从改造方便，使用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端。

2、纵向进给系统的设计计算，已知条件： 加工最大直径：在床面上 ?400mm 在床鞍上: ?210mm 最大加工长度： 1000mm

溜板及刀架重力： 纵向 800N 刀架快速速度： 纵向 2.4 mm/min

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