C6163型車床的經濟型數(shù)控改造設計【含3張CAD圖紙】
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摘 要
目前,在市場上購買一臺數(shù)控車床的價格遠大于改裝一臺普通車床所需花費，且在有技術條件下，對普通車床的數(shù)控化改造更可行。所以，本課題著重對普通車床的數(shù)控化改造設計。
本設計是對普通車床C6163的數(shù)控化改造，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。其中主要對伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等方面做了詳細的計算和設計。
本文研究了數(shù)控伺服系統(tǒng)的工作原理，闡述了C6163機床的數(shù)控化改造方案，分析了數(shù)控化改造過程中數(shù)控系統(tǒng)的選型。根據(jù)機械、動力學及電氣設計原理，對數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)進行了設計和校核；根據(jù)進給系統(tǒng)的要求，對切削力和滾珠絲杠進行了計算，并選配了合適的齒輪和進給電機。
主要設計過程如下：
首先，明確設計任務，構思總體結構方案，確定主要構件位置和總體結構；
其次，根據(jù)工作條件進行理論計算，分析性能要求，合理選擇主要零部件；
第三，進行二維圖紙的繪制，優(yōu)化總體方案并進行裝配圖的繪制；
最終，對設計的產品進行經濟性、環(huán)保性分析。
通過設計，可以得到以下結論：
一是，機床數(shù)控化改造后，能夠達到所要求的加工精度，有很大的經濟價值；
二是，設計理論不夠成熟，本設計最大的缺陷是從生產技術來看，設計產品的實用與推廣進一步研究。我們要加強理論與實踐的結合，使我們的設計越來越科學先進。
關鍵詞：C6163車床;數(shù)控化;改造設計
I
Abstract
Currently, in the market, the price of a CNC lathe is much higher than the required modification of a normal lathe, and NC restructure of normal lathe is more practicable on condition of exsiting technology. Therefore, this design will focus on the NC restructure of normal lathe.
This design is NC restructure of normal lathe C6163, mainly on the creative design of original structure of lathe to make lathe relative perfect. While in the process, we do detailed calculation and design of servo system, NC and so on.
Hereby study NC servo system working principles, expatiate how to transform the NC lathe C6163, and make analysis of how to select NC system in transforming process. Design and revise the main drive system of NC lathe according to the theory of mechanism, dynamics, and electric; Calculate the cutting force and ball-screw according to requirement of forwarding supply system, and opt appropriate gear and forwarding supply motor.
The main design process is as follows:
Firstly, clear design task, conceive idea of overall structure, and determine the location of the main components and overall structure;
Secondly, theoretical calculating basing on working condition, analyzing performance requirements, selecting the main components;
Thirdly, finish two-dimensional drawings to optimize the overall program and finish the assembling drawings;
Finally, make analysis of the economical and environmental protection index.
We get final conclusion by design：
Firstly, lathe could achieve a certain precision as required after NC restructure, which means great economic value;
Secondly, design theory is not mature enough, the biggest flaw of this design is the practicality and promotion of design need further discussing from view of production technology. We should strengthen the integration of theory and practice, to make our design more and more scientific and advanced.
Key words: C6163 lathe; numerical control; reconstruct design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1數(shù)控車床 1
1.1.1數(shù)控車床加工特點 1
1.1.2數(shù)控機床組成 2
1.1.3 數(shù)控車床的工作原理 3
1.1.4數(shù)控車床的國內外現(xiàn)狀 3
1.2數(shù)控車床的發(fā)展趨勢 4
1.3 機床數(shù)控化改造的必要性 5
1.3.1微觀改造的必要性 5
1.3.2宏觀改造的必要性 6
1.4本設計的目的和意義 6
1.5設計過程 7
第2章 機床改造的任務及總體思路 8
2.1 機床改造的總體任務 8
2.2 運動系統(tǒng)方案確定 8
2.3 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設計 9
2.4數(shù)控系統(tǒng)硬件結構 9
2.5數(shù)控系統(tǒng)軟件結構 9
第3章 進給伺服系統(tǒng)計算 11
3.1已知參數(shù) 11
3.2確定系統(tǒng)脈沖當量 11
3.3切削力的確定 11
3.4計算進給牽引力 11
3.5計算最大動負載C 12
3.6傳動效率的計算 13
3.7剛度計算 14
3.8確定傳動比 15
3.9齒輪參數(shù)的計算 15
第4章 數(shù)控系統(tǒng)設計 22
4.1主控器 22
4.1.1 MCS-51芯片概述 22
4.1.2 在MCS-51單片機內部主要有 24
4.1.3 MCS-51單片機的存儲器 25
4.2 EPROM、RAM與8031的連接 26
4.2.1 EPROM與RAM的選擇 26
4.2.1 8031與外部程序存貯器的連接 27
第5章 控制系統(tǒng)設計 28
5.1 單片機簡介 28
5.2 光電隔離電路和功率放大器設計 28
5.3電氣原理圖具體設計 29
第6章 經濟性與環(huán)保性分析 31
第7章 結論 32
參 考 文 獻 33
致 謝 34
IV
沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文）
第1章 緒論
1.1數(shù)控車床
數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作并加工零件[1] 。
數(shù)控車床又稱為 CNC車床，即計算機數(shù)字控制車床，是目前國內使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25%。數(shù)控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產品。是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點的工作母機。數(shù)控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。
數(shù)控車床、車削中心，是一種高精度、高效率的自動化機床。它具有廣泛的加工藝性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋。具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復雜零件的批量生產中發(fā)揮 了良好的經濟效果[2] 。
1.1.1數(shù)控車床加工特點
（1）自動化程度高，可以減輕操作者的體力勞動強度。數(shù)控加工過程是按輸入的程序自動完成的，操作者只需起始對刀、裝卸工件、更換刀具，在加工過程中， 主要是觀察和監(jiān)督機床運行。但是，由于數(shù)控機床的技術含量高，操作者的腦力勞動相應提高。
（2）加工零件精度高、質量穩(wěn)定。數(shù)控機床的定位精度和重復定位精度都很高，較容易保證一批零件尺寸的一致性，只要工藝設計和程序正確合理，加之精心操作，就可以保證零件獲得較高的加工精度，也便于對加工過程實行質量控制。
(3)生產效率高。數(shù)控機床加工是能再一次裝夾中加工多個加工表面，一般只檢測首件，所以可以省區(qū)普通機床加工時的不少中間工序，如劃線、尺寸檢測等，減少了輔助時間，而且由于數(shù)控加工出的零件質量穩(wěn)定，為后續(xù)工序帶來方便，其綜合效率明顯提高。
(4)便于新產品研制和改型。數(shù)控加工一般不需要很多復雜的工藝裝備，通過編制加工程序就可把形狀復雜和精度要求較高的零件加工出來，當產品改型，更改設計時，只要改變程序，而不需要重新設計工裝。所以，數(shù)控加工能大大縮短產品研制周期，為新產品的研制開發(fā)、產品的改進、改型提供了捷徑。
(5)可向更高級的制造系統(tǒng)發(fā)展。數(shù)控機床及其加工技術是計算機輔助制造的基礎。
(6)初始投資較大。這是由于數(shù)控機床設備費用高，首次加工準備周期較長，維修成本高等因素造成。
(7)維修要求高。數(shù)控機床是技術密集型的機電一體化的典型產品，需要維修人員既懂機械，又要懂微電子維修方面的知識，同時還要配備較好的維修裝備。
1.1.2數(shù)控機床組成
數(shù)控車床一般由下列幾個部分組成：
(1)主機，他是數(shù)控機床的主題，包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件。他是用于完成各種切削加工的機械部件。
（2）數(shù)控裝置，是數(shù)控機床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。
（3）驅動裝置，他是數(shù)控機床執(zhí)行機構的驅動部件，包括主軸驅動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。他在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進給驅動。當幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。
（4）輔助裝置，指數(shù)控機床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。
（5）編程及其他附屬設備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。
1.1.3 數(shù)控車床的工作原理
數(shù)控車床的主要任務就是根據(jù)輸入的零件程序和操作指令，車床數(shù)控車床進行相應的處理，控制車床各運動部件協(xié)調動作，加工出合格的零件。
??根據(jù)零件圖制訂工藝方案，采用手工或計算機進行零件程序的編制，并把編好的零件程序存放于某種控制介質上；經相應的輸入裝置把存放在該介質上的零件程序輸入至CNC裝置；CNC裝置根據(jù)輸入的零件程序和操作指令，進行相應的處理，輸出位置控制指令到進沈陽車床給伺服驅動系統(tǒng)以實現(xiàn)刀具和工件的相對移動；輸出速度控制指令到主軸伺服驅動系統(tǒng)以實現(xiàn)切削運動；輸出M、S、T指令到PLC以實現(xiàn)順序動作的開關量I／0控制，數(shù)控車床從而加工出符合圖樣要求的零件。其中CNC系統(tǒng)對零件程序的處理流程包括譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補、位置控制、PLC控制等環(huán)節(jié)。
1.1.4數(shù)控車床的國內外現(xiàn)狀
20世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發(fā)明與應用，計算機及控制技術在機械制造設備中的應用是世紀內制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術進步。自從1952年美國第1臺數(shù)控銑床問世至今已經歷了50個年頭。數(shù)控設備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專機，形成龐大的數(shù)控制造設備家族，每年全世界的產量有10～20萬臺，產值上百億美元 [3] 。
我國數(shù)控車床發(fā)展，始于上世紀70年代，通過30余年的經歷，我國生產的數(shù)控車床，按中國需求的特色，形成經濟型臥式數(shù)控車床(平床身臥式數(shù)控車床)、普及型數(shù)控車床(斜床身數(shù)控臥式車床和數(shù)控立式車床)和中高檔數(shù)控車床(3軸控制以上)三種形式。經濟型臥式數(shù)控車床，普遍采用平床身結構和立軸四工位方刀架，約占數(shù)控車床產量90%。普及型數(shù)控車床生產量不到數(shù)控車床產量的10%。中高檔數(shù)控車床，即車削中心和車銑復合中心，約占數(shù)控車床生產0.02%[4] 。
經濟型數(shù)控車床，價格低廉，售價僅10萬元人民幣左右，不到普及型數(shù)控車床的1/3，設備費用投入較少，可以廣泛的滿足企業(yè)發(fā)展初期的需要，特別是受到民營企業(yè)的歡迎，仍是我國當前數(shù)控車床的主流產品。我國已有十余家企業(yè)生產規(guī)模達到年產千臺以上，普及型數(shù)控車床，即2軸控制的臥式數(shù)控車床(斜床身)和立式數(shù)控車床，國產產品得到了用戶認可，基本可以滿足用戶需要[5] 。
? 車削中心等3軸控制以上的中高檔數(shù)控車床，國內用戶選購的大部分是進口的產品或合資、獨資企業(yè)如大連因代克斯、寧夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等機床有限公司生產的產品，國產機床市場占有率較低。近幾年，雖然，我國開發(fā)了不少中高檔數(shù)控車床新品種，如具有Y軸功能的車削中心、雙主軸雙刀架車削中心、倒置順置主軸立式車削單元、車銑復合中心等等。但是，高級型數(shù)控車床的重點是要進一步開發(fā)市場，取得國內用戶廣泛認可。
“十五”期間國產數(shù)控機床發(fā)展很快。從技術上看，數(shù)控車床技術比較成熟，通過技術引進和合作生產、消化吸收和自主創(chuàng)新，我國已掌握了數(shù)控車床設計和制造技術。從產品水平上看，我國已能自行開發(fā)設計各種中高檔數(shù)控車床，國際上最熱門的、水平最高的雙主軸、雙刀架9軸控制車銑復合中心，我國已有多家企業(yè)開發(fā)試制成功，有的已被國內用戶選購和出口國外。
? 從品種上看，我國生產的數(shù)控車床品種比較齊全，每年都有100多個數(shù)控車床新品種，可供各方面用戶選用。從生產規(guī)模上看，國產經濟型數(shù)控車床已形成規(guī)模生產，有十余家企業(yè)生產規(guī)模達到年產千臺以上[6] 。
1.2數(shù)控車床的發(fā)展趨勢
數(shù)控車床產業(yè)的發(fā)展目標及重點已基本確定，未來五年的突破重點是：大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數(shù)控機床大部分依賴進口的現(xiàn)狀。力爭通過加快產業(yè)和產品結構的大規(guī)模調整，國產數(shù)控車床占國內需求的比重從現(xiàn)在的不足40%上升至50%以上，國產數(shù)控機床采用自己的功能部件達到60%以上[7] 。
近年來制造業(yè)成為了國家大力支持和發(fā)展的行業(yè)，而各個制造行業(yè)的發(fā)展都與車床裝備的發(fā)展密切相關。車床下游行業(yè)主要由汽車零部件行業(yè)、通用機械零部件行業(yè)、航空航天和模具行業(yè)等為主。2004年汽車零部件和工程機械行業(yè)消耗了近50%的機床。其中，汽車零部件制造業(yè)的發(fā)展對車床業(yè)影響最大，以1990~2005年的數(shù)據(jù)進行分析，二者產量相關系數(shù)為0.82，產量增幅的相關系數(shù)是0.61[8] 。
我國機床行業(yè)發(fā)展前景廣闊。根據(jù)我國數(shù)控車床1996~2005年消費數(shù)量，通過模型擬合，預計2009年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達8.9萬臺，年均增長率為16.5%。根據(jù)我國加工中心1996~2005年消費增長模型，預計2009年加工中心消費數(shù)量將達2.8萬臺，較2005年年均增長率為17.8%。
我國數(shù)控機床開發(fā)的重點：一是重點發(fā)展關鍵功能部件和數(shù)控系統(tǒng)，為數(shù)控機床產品升級奠定基礎。主要發(fā)展項目包括中高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速主軸及其伺服單元、高性能刀庫及機械手、高速滾珠絲杠和直線導軌副、直線電機、全功能數(shù)控刀架和數(shù)控轉臺、高速防護裝置等。二是高精度數(shù)字化測量儀器和數(shù)控刀具。三是滿足國家重點工程需要，實施高級型數(shù)控機床示范工程。重點發(fā)展的高級數(shù)控機床范圍有：高速、精密數(shù)控車床，車削中心類及四軸以上聯(lián)動的復合加工機床；高速、高精度數(shù)控銑鏜床，高速、高精度立臥式加工中心；重型、超重型數(shù)控機床；數(shù)控磨床；數(shù)控電加工機床；數(shù)控金屬成形機床(鍛壓設備)；數(shù)控專用機床及生產線等[9] 。
1.3 機床數(shù)控化改造的必要性
1.3.1微觀改造的必要性
微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。?
可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，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，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。
加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件?在機床間的頻繁搬運。
擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術[10][11]。
1.3.2宏觀改造的必要性
宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
1.4本設計的目的和意義
隨著科學技術的不斷發(fā)展,對機械產品的質量和生產率提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的最重要的措施。它不僅能夠提高產品的質量，提高生產效率，降低生產成本，還能夠大大改善工人的勞動條件。
和普通車床相比較，數(shù)控化車床具有很多優(yōu)勢，例如與普通車床比較，加入了數(shù)控裝置，在操作上更加方便、快捷；使用了滾珠絲杠螺母副，改進了普通車床結構剛性不足，抗振性差，滑動面的摩擦阻力較大以及傳動元件中的間隙等弱點；綜合考慮，大大提高了生產效率，約為普通車床的2-3倍[12] 。
目前,在市場上購買一臺數(shù)控車床的價格遠大于改裝一臺普通車床所需花費，且在有技術條件下，對普通車床的數(shù)控化改造更可行。所以，本課題著重對普通車床的數(shù)控化改造設計。
1.5設計過程
(1) 進給伺服系統(tǒng)設計計算：此部分為設計計算部分，用以確定脈沖當量，進給牽引力，選擇絲杠螺母副，計算傳動效率，確定傳動比，選擇伺服電機等，并繪制改造后機床的總裝配圖及箱體零件圖。
(2) 控制系統(tǒng)設計：采用單片機控制系統(tǒng)，設計電路原理圖。
第2章 機床改造的任務及總體思路
2.1 機床改造的總體任務
機床的數(shù)控改造，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機床不是簡單地將傳統(tǒng)機床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎上，僅對局部加以改進而成。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機床對加工精度、表面質量、生產率以及使用壽命等要求。現(xiàn)代的數(shù)控技術，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結構，還是整體布局、外部造型等都已經發(fā)生了很大變化，已經形成了數(shù)控機床的獨特機械結構。因此，我們在對普通機床進行數(shù)控改造的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能地與數(shù)控機床相接近。
1）節(jié)省資金。機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3.即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。
2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。
3）提高生產效率。機床經數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產準備周期。
2.2 運動系統(tǒng)方案確定
1）伺服系統(tǒng)的選擇：本次改造由于使用步進電機，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng)
2）傳動方式的選擇：滾珠絲杠螺母副
2.3 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設計
為保證改造后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度及工作臺的平穩(wěn)性，在設計機床的傳動系統(tǒng)時，應努力保證傳動系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時必須重點考慮：
(1) 加強系統(tǒng)可靠性。
(2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。
(3) 提高使用方便性。
2.4數(shù)控系統(tǒng)硬件結構
數(shù)控系統(tǒng)硬件結構系統(tǒng)由工控PC硬件平臺、數(shù)控操作面板(包括LCD顯示器，鍵盤)、數(shù)控接口板卡(工/0板，D/A板)和驅動執(zhí)行機構等組成。PC硬件平臺包括工控電源、無源母板、工控PC主板和軟盤驅動器、硬盤驅動器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計算機與外部執(zhí)行裝置間進行信息交換和轉換的通道，對內通過無源母板與工控PC主板相連，對外通過屏蔽電纜與驅動執(zhí)行裝置相連接。
2.5數(shù)控系統(tǒng)軟件結構
數(shù)控系統(tǒng)軟件結構數(shù)控系統(tǒng)軟件為實時多任務系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務在數(shù)控實時操作系統(tǒng)控制下協(xié)調進行。
(1) 數(shù)控實時操作系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對系統(tǒng)中的資源進行統(tǒng)一管理，對各任務進行動態(tài)調度，協(xié)調各模塊的高效運行，并輔助完成各任務間的通訊和信息交換。
(2) 信息預處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補前的坐標轉換和刀補運算。
(3) 軌跡插補。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務是根據(jù)信息預處理給出的希望軌跡和從檢測裝置獲得的實際軌跡信息，實時生成機床各坐標軸的移動指令，并完成機床運動的加減速控制。
(4) 運動控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補運算結果，通過高速算法對機床各坐標軸進行高精度位置控制，并完成主軸轉速與轉角的控制任務。
(5) 加工仿真模塊。該模塊以動畫方式對數(shù)控加工過程進行動態(tài)仿真，從而在加工前檢驗參數(shù)輸入正確性和機床運動合理性。
第3章 進給伺服系統(tǒng)計算
3.1已知參數(shù)
最大回轉直徑:630mm;電機功率:10KW;Lmax:2000mm;定位精度:0.015m/min;
加速時間:30ms;機床效率:0.7;
快進速度:橫向:1.2m/min ;切削速:橫向:0.25m/min;移動部件重量:橫向:800N;
縱向:2.4m/min; 縱向:0.5m/min; 縱向:1200N;
3.2確定系統(tǒng)脈沖當量
車床縱向脈沖當量為0.01/mm脈沖；
橫向脈沖當量為0.005mm/脈沖
3.3切削力的確定
縱切端面時的主切削力
3.4計算進給牽引力
作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因此其數(shù)值的大小與導軌的類型有關。 縱向采用三角形導軌：
（3－1）
橫向采用燕尾形導軌：
（3－2）
式中：G為移動部件的重量（N）；
為導軌上的摩擦系數(shù)，隨導軌形勢而不同；
K為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)。
在正常情況下，K及 可取如下數(shù)值：
燕尾形導軌： K=1.4
三角形導軌： K=1.15
3.5計算最大動負載C
選用滾珠絲杠副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉100萬轉后，在它的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C，計算如下：
縱向：
初選絲杠基本導程
（3－3）
（3－4）
（3－5）
查表取
橫向：
初選絲杠基本導程
查表選擇FFZD2506,
均為FFZD型內循環(huán)浮動返向器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副,其中：
表3-2 運轉系數(shù)
運轉狀態(tài)
運轉系數(shù)
無沖擊狀態(tài)
1.0~1.2
一般運轉
1.2~1.5
有沖擊運轉
1.5~2.5
3.6傳動效率的計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率:
（3－6）
其中：
縱向：
橫向：
3.7剛度計算
滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，因此應考慮以下引起軸向變形的因素。
絲杠的拉伸或壓縮變形量：
縱向：
（3－7）
（3－8）
預緊后滿足要求。
橫向；
預緊后滿足要求。
3.8確定傳動比
確定當機床脈沖當量和滾珠絲杠導程確定以后，可以先初選步進電機的步距角，計算伺服系統(tǒng)的降速比I：
（3－9）
縱向:
橫向：
3.9齒輪參數(shù)的計算
模數(shù)m取2，計算如下：
縱向：取小圓齒數(shù)為36。
小齒輪：
大齒輪：
橫向：取小圓齒數(shù)為18。
小齒輪：
大齒輪：
齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算（）
（3－10）
對于鋼材：
（3－11）
式中：
M—圓柱體質量（）
D—圓柱體直徑（）
L—圓柱體長度（）
—鋼材的密度
對于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
對于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長度。
具體計算如下。
縱向：
橫向：
（2）絲杠傳動時折算到電機軸上的總傳動慣量
步進電機經一對齒輪降速后傳到絲杠，此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉動慣量為：
（3－12）
式中：
具體計算如下：
縱向：
橫向：
電機的負載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動時所需力矩、快速進給時所需力矩、最大切削負載時所需力矩等幾部分介紹其計算方法。
（1） 快速空載起動時所需力矩
（3－13）
式中：
（2） 快速進給時所需力矩
（3－14）
因此對運動部件已起動，固不包含，顯然。
（3） 最大切削負載時所需力矩
（3－15）
式中：
在采用絲杠螺母副傳動時，上述各種力矩可用下式計算：
（3－16）
式中：
摩擦力矩：
（3－17）
式中：
；
空載快速起動時,進行切削加工時，其計算如計算牽引力處摩擦力的計算；
；
；
；
附加摩擦力矩：
（3－18）
式中：
折算到電機軸上的切削負載力矩：
（3－19）
式中：
具體計算：
橫向：
由上面計算知，在、、三種工況下，快速空載起動所需力矩最大，所以只需計算。
縱向：
經濟型數(shù)控車床中大多數(shù)采用反應式步進電機。
1. 首先根據(jù)最大靜轉距
從表中查出，當步進電機為三相六拍時，
縱向：
按此最大靜轉矩產步進電機型號表（三相）可查出，110BYG3500型最大靜轉矩轉矩為8N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起。動矩頻特性和運行矩頻特性：
步進電機起動頻率：
Hz
最高工作頻率：
Hz
從電機表中查出，110BYG3500型步進電機的空載起動頻率為1600Hz，運行頻率為30000Hz，滿足要求。
橫向：
按此最大靜轉矩產步進電機型號表（三相）可查出，90BYGH3502型最大靜轉矩轉矩為5N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。
步進電機起動頻率：
Hz
最高工作頻率：
Hz
從電機表中查出，90BYGH3500型步進電機的空載起動頻率為1800Hz，運行頻率為30000Hz，滿足要求。
第4章 數(shù)控系統(tǒng)設計
4.1主控器
主控制器及主控制芯片的選擇：目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有8086，8088，80286，80386以及8098，8096等16位機的CPU，在一般的數(shù)控系統(tǒng)中推薦采用MCS—51系列單片機作為主控制器。這里選用MCS—51系列中的8031芯片。
4.1.1 MCS-51芯片概述
MCS一51單片機應用系統(tǒng)功能較強、價格較低，較早應用，目前應用廣泛。MCS-51系列的三個基本產品是8031、8751、8051。它們本是同根生，引腳與指令完全兼容，核心是一個8位的CPU，但內部結構有所不同。
8031除CPU外，還包括128字節(jié)的RAM，21個特殊功能寄存器（SFR）、4個8位并行輸入輸出口、1個全雙工串行口，2個16位的定時器／計數(shù)器，但內部沒有程序存儲器，需要在芯片外擴展EPROM芯片。8051包含了8031，芯片內又集成了4K字節(jié)的ROM，用作程序存儲器，并且8051是掩膜型單片機，不超過4K字節(jié)的程序是廠家制作芯片時，代用戶燒制的，用戶不能修改。所以8051在國內很少見到。
與8051功能相同的是8751，但是它的4K字節(jié)的程序存儲器采用了EPROM，用戶可以其中反復修改程序。但是8751價格較貴，甚至比8031外加一片4K字節(jié)的EPROM還貴，而且經常擦寫的EPROM也較易損壞，8751的EPROM一旦損壞，整個片子就沒用了。
Intel還在MCS-51系列三種基本型產品的基礎上，推出了各類增強型產品，主要有8032／8052／8752：它們的內部RAM增到256字節(jié)，8752／8052片內的程序存儲器容量增到8K字節(jié)，定時器／計數(shù)器增至3個16位計數(shù)器，有6個中斷源。另外還有低功耗的CHMOS工藝芯片的80C31／87C51／80C51：有二種掉電工作方式，其一是讓CPU停止工作，其它部分仍繼續(xù)工作，其二是除片內為RAM繼續(xù)保持數(shù)據(jù)外，其它部分都停止工作。還有一種可用BASIC語言編程的BASIC52單片機，其芯片內固化有BASIC解釋程序，而且BASIC52語言能和MCS一51匯編語言混合使用。
表4－1 MCS-51各引腳功能
序號
名稱
功能
序號
名稱
功能
1~8
P1.0~1.7
P1口準雙向I/O線
18
XTAL2
接外部晶振
9
RST/VPD
復位/備用電源
19
XTAL1
接外部晶振
10
RXD/P3.0
串行輸入口/P3.0
20
Vss
接地
11
TXD/P3.1
串行輸出口/P3.1
21~28
P2.0~P2.7
P2口 I/O線
12
INTO/P3.2
外部中斷0輸入/P3.2
29
PSEN
外部RAM讀選通
13
INTI/P3.3
外部中斷1輸入/P3.3
30
ALE/PROG
地址鎖存允許/編程脈沖
14
T0/P3.4
定時/記數(shù)器0輸入/P3.4
31
EA/Vpp
有無內部程序存儲器/編程電源
15
T1/P3.5
定時/記數(shù)器1輸入/P3.5
32~39
P0.7~P0.0
P0口I/O線
16
WR/P3.6
外部RAM寫選通/P3.6
40
Vcc
電源
17
RD/P3.7
外部RAM讀選通/P3.7
MCS-51系列單片機是40腳雙列直插式封裝（DIP）的VLSI芯片，其引腳如圖4-1所示。各引腳功能如表4-1所示。
圖4－1 MCS-51芯片引腳圖
4.1.2 在MCS-51單片機內部主要有
8位微處理器（CPU）
4KB ROM/EPROM；128RAM；
4個并行口P0，P1，P2，P3；
一個全雙工串行口；
兩個16位定時/計數(shù)器；
五個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級；
64KB ROM/EPROM尋址空間；
64KB RAM/I/O尋址空間。
當Vcc剛一上電時或當RESET引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平時，8051將被復位。RESET恢復低電平后，CPU從零地址開始執(zhí)行程序。復位后各寄存器的狀態(tài)列于表4－2中：
表4－2 復位后各寄存器的狀態(tài)
寄存器
內容
寄存器
內容
PC
0000H
T0*
000H
ACC*
00H
T1*
000H
B*
00H
SCON*
00H
PSW*
00H
IE*
0XX00000B
SP*
07H
TMOD*
00H
DPTR*
0000H
TCON*
00H
P0*~P3*
0FFH
SBUF*
IP*
XXX0000B
PCON*
0XXXXXXXB
注：表中帶有*號者是特殊功能寄存器
4.1.3 MCS-51單片機的存儲器
MCS-51單片機的存儲器分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，兩種存儲器相互獨立，各有64K的地址空間。程序存儲器用于存儲程序指令、常數(shù)和表格等;數(shù)據(jù)存儲器則存放緩沖數(shù)據(jù)。由于本控制過程比較簡單，控制程序所需的存儲容量不大，AT89C51本身的4K存儲空間已足夠用。因此應用系統(tǒng)僅擴展一片6116(RAM)作為數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51單片機還具有特殊功能寄存器〔SFR〕，其功能是，反映了MCS-51單片機的狀態(tài)，實際上是MCS-51單片機的狀態(tài)字及控制字寄存器。此外，MCS-51單片機的一個很大優(yōu)點在于它具有一個功能強大的布爾處理器。
圖4－2 2764引腳配置圖
4.2 EPROM、RAM與8031的連接
4.2.1 EPROM與RAM的選擇
（1）EPROM的選擇
不同型號的芯片滿足不同的需求，他們有不同的參數(shù)，主要有最大讀出速度，工作溫度及容量。在確定容量后選擇EPROM的型號，主要考慮因素是讀取速度，這決定系統(tǒng)能否正常工作。根據(jù)CPU與EPROM的匹配要求，應滿足8031能提供的讀取時間大于EPROM所需要的讀取時間。
（2）RAM的選擇
選擇RAM主要考慮因素是RAM的讀寫速度與CPU提供的讀寫時序的匹配要求， 并且8031所能提供的讀寫時間應大于RAM所需求的讀寫時間，常用RAM主要有6116和6264兩種。
4.2.1 8031與外部程序存貯器的連接
表4－3 2764引腳功能
A0~A 12
地址線
O0~O7
數(shù)據(jù)線
片選
輸出允許
VPP
編程電源
編程脈沖
用3片紫外線擦除可編程存貯器進行本次設計的外部程序存貯器的擴展，2764是一種容量為8kB的EPROM。單一+5V供電，最大靜態(tài)工作電流100mA，最大維持電流40mA。2764為28線雙列直插式封裝芯片，其引腳配置如下圖。
2764的引腳功能和工作方式見表4-3。
第5章 控制系統(tǒng)設計
5.1 單片機簡介
單片機實際上是微型計算機的一種，自從它問世以來，人們對它不斷地改進，以應用于現(xiàn)代化社會的各方各面。單片機體積小，價格低廉，開發(fā)較為容易，可根據(jù)需要制作成各種智能控制器以代替人工的操作，實現(xiàn)自動化。在我國，由于ASIC（專用集成電路）的生產還跟不上，單片機的作用更加地重要，在智能儀器儀表、工業(yè)設備過程控制、家用電器中，都可以見到它的蹤跡。
?單片機的品種非常多,接著用途分共有兩大類.分為專用型和非專用型(通用型)；專用型是為某一特定的設備研制的。遙控彩電的發(fā)射和接受系統(tǒng)的是為它量身定做的。通用型可以設計成各種應用我們生活的設備,這類可以說品種繁多,它可以應用各種行業(yè)。
單片機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成,這一點它和PC機一樣,硬件由存儲器,輸入輸出,CPC等組成真可謂麻雀雖小,五臟俱全,軟件是由各種應用程序組成。這就要看單片機其他硬件(元器件)組成的是一臺什么設備了,要根據(jù)單片機應具備的工具編相應的程序,給單片機編程序普通地都用匯編語言,此外還有用C語言給單片機編程的，但難度較高，現(xiàn)在給單機編程只有這兩種語言。
單片機的硬件部分,是必不可少的部分,除了單片機本一塊集成快以外,還需要外國元件的支持,它才能工作。
雖然如此,但它仍優(yōu)于傳統(tǒng)的模式電路.用單片機系統(tǒng),簡化電腦設計,外圍元件少,能多,故障少。
所謂軟件是指各種程序,如同人大腦的思想它是實現(xiàn)各種功能的工具,比方說用單片機設計多花樣的彩燈,用傳統(tǒng)的方式只有1--4鐘,而用單片機,通過程序設計出來的花樣可達20--100多種。
5.2 光電隔離電路和功率放大器設計
光電隔離電路設計：步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞阻。由于步進電機需要的驅動電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），如果將Ｉ／Ｏ口輸出的信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響計算機程序的正常運行，重則導致計算機接口電路的損壞。所以在接口電路與功率放大器之間要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。如圖5－1所示。
光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，當輸入信號加到輸入端時，發(fā)光二極管導通激發(fā)出紅外光，光敏三極管受光照射后，由于光敏效應產生光電流，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了輸入端、輸出端在電氣上的完全隔離。
脈沖分配器的輸出功率很小，必須將其輸出的信號經功率放大器從而產生足夠大的功率才能驅動步進電機正常運轉，功率放大器的型號要根據(jù)步進電機的具體型號選取。
圖5－1 光電隔離電路
5.3電氣原理圖具體設計
電氣原理圖編制應滿足的要求：
（1） 橫向、縱向進給伺服電機控制；
（2） 刀架電機控制；
（3） 鍵盤控制；
（4） 行程控制；
（5） 復位電路，報警電路等。
采用軟件環(huán)形分配器。由于橫向和縱向的兩個步進電機為三相，所以直接與8155（2）的PA口相接就可以了，經光電耦合電路，功放電路驅動電機。具體電氣原理圖設計見圖5－2。
圖5－2 電氣原理設計圖
第6章 經濟性與環(huán)保性分析
在如今競爭萬分激烈的社會環(huán)境中，工業(yè)生產越來越注重工作效率和經濟效益，因此，在產品設計中應該時刻注意材料和能源的節(jié)約。在滿足技術條件的情況下，在結構設計和選件時，應始終想著經濟性。
在本次設計過程中，經過認真的分析計算，比較準確的選擇了各個零部件，這樣就在滿足使用要求的情況下避免了資金的浪費。在車床數(shù)控化改造過程中，不僅提高了車床的剛性和抗震性，而且大大提高了生產效率。
在現(xiàn)代，由于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已經成為一個戰(zhàn)略性的問題擺在人們的面前，產品設計中環(huán)保問題也變的越來越重要。在本次設計過程總，由于選用了滾珠絲杠的傳動方式，減少了工作中的噪音污染，減少了對人體的危害。
現(xiàn)代的產品設計都會注意環(huán)保問題，因為環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已經成為一個戰(zhàn)略性的問題，在產品設計中一定要考慮到對于環(huán)境的影響，并應把對環(huán)境的損害降到最低點。如今的工業(yè)生產非常注重工作效率和經濟利益，因此對產品設計作出適當?shù)慕洕图夹g分析是非常重要的。在本設計中，經過計算校核從而得出比較合理的數(shù)據(jù)，這樣在各個部件的選擇上就有了很大的優(yōu)勢，避免了不必要的資金浪費?，F(xiàn)代的產品設計都會注意環(huán)保問題，因為環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展成為一個戰(zhàn)略性的問題已經擺在人們面前，在產品設計中一定要考慮到對于環(huán)境的影響，并應把對環(huán)境的損害降到最低點，符合現(xiàn)代社會以人為本的思想。
第7章 結論
本設計是C6163數(shù)控化改造。設計主要完成的內容是：
（1）介紹了數(shù)控系統(tǒng)控制原理，數(shù)控系統(tǒng)的分類及選型；
（2）針對傳動與進給系統(tǒng)進行了設計和計算，重點對進給系統(tǒng)中的切削力、滾珠絲杠副進行了選擇和計算；
（3）介紹了單片機的分類、特點，對數(shù)控化改造過程中單片機的選型及控制原理
通過我的設計，可以得到以下結論：
（1）機床數(shù)控化改造后，能夠達到所要求的加工精度，有很大的經濟價值；
（2）本設計最大的缺陷是，設計理論比較不成熟，主要根據(jù)大學所學知識來設計，但從生產技術的提高等各個角度來看，我們要進一步加強理論與實踐的研究，使我們的設計越來越科學先進。
參 考 文 獻
[1] 黃應勇.數(shù)控機床[M].北京：北京大學出版社，2007.
[2] 關穎.數(shù)控車床[M].遼寧：遼寧科學技術出版社，2009.
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[4] 劉鐵.我國數(shù)控車床業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展. 2009.
[5] 侯麗君.C616車床數(shù)控化改造. 2008.
[6] 淘波.數(shù)控車床的發(fā)展前景.2009.
[7] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.
[8] 李宏勝.機床數(shù)控技術及應用[M].北京.高等教育出版社.2008.
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[11] 王世振.機床數(shù)控化改造的必要性及其改造方法.2010.
[12] 劉英.車床C6163數(shù)控化改造. 2009.
致 謝
感謝沈陽工業(yè)大學遼陽校區(qū)四年來對我的辛苦培育，讓我在大學這四年來學到很多東西，特別感謝工程學校為我提供了良好的學習環(huán)境、感謝老師們四年來對我無微不至的關懷和指導，讓我得以在
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