C6136A型数控车床的改造

毕业设计说明书

Biyeshejishuomingshu

地 市： 准考证号：

姓 名：

高等教育自学考试

1

毕业设计任务书

一、 题目 C6136A型数控车床的改造

二、 本环节自2011 年3月8日起至2011年6月25日止

三、 进行地点：xxx工业贸易职业学院 四、 内容要求：

(1) C6136A型普通车床的改造成经济型数控机床总体设计方案,经济型数控机床进给伺服系统机械部分计算及校核，脉冲当量的选择，切削刀的计算，滚珠丝扣螺母的设计，计算及造型，进给伺服系统的传动计算，步进电动机的造型。

（2）绘制相关机构原理图，三张A0图纸 （3）设计说明书一份。

指导教师： 批准日期：

2

河南省高等教育自学考试

C6136A型数控车床的改造

摘 要

本毕业设计说明说包括：C6136A数控车床的总体设计方案的拟定，伺服系统的计算及校核。采用8031为cpu的控制系统对信号进行处理，有I/O接口输出步进脉冲，经以及齿轮传动减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向，横向的进给运动。

关键词

数控车床改造，伺服系统，滚珠丝杠，步进电机，单片机

ABSTRACT：

The Graduuation Progect Manual ,including：C6136A

CNC lathedesign programming .we adopt control system which has 8031 as cpu to copewith the signal and output the step pulse through I10interface .After transmitting and slowing down. By force lgear, the step pulses drive the leading sckew to roll. Thus achieve the vertical movenment and the crosswise movement.

KEY WORD:

Mumerical comtraltransforma，Servo system，Ball screw ，stepping motor，Single---chip

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目 录

第一章 C6136A型普通车床改造成经济型数控车床总体设计方案拟定 ........................................ 6

第一节 总体方案的设计内容 ...................... 6

一、系统运动方式的确定 ...................... 6 二、伺服系统的选择 .......................... 7 三、执行机构传动方式的确定 .................. 7 四、计算机的选择 ............................ 7 第二节 总体方案设计的应用举例 .................. 8

一、设计任务 ................................ 8 二、总体方案确定 ............................ 9 三、 机械传动方式 .......................... 10

第二章 经济型数控机床进给伺服系统驱动的开环控制系统 ................................................. 11

第一节 脉冲当量的选择 ......................... 11 第二节 计算切削力 ............................. 12

一、总车外圆 ............................... 12 第三节 滚珠丝杠螺母副的设计，计算及选型 ....... 13

（一） 纵向进丝杠 .......................... 13 （二）横向进丝杠 ........................... 16 （三）滚珠丝杠螺母副的几何计算 ............. 16 第四节 滚动导轨的计算机选型 ................... 17

一 选择滚动导轨的结构形式 .................. 17 二、滚动导轨预紧方式的确定 ................. 18 三 滚动导轨几何参数的确定 .................. 18 第六节 步进电机的计算及选型 ................... 19

1初选步进电机 ............................. 19 2.校核步进电机转矩 ......................... 20 3校核步进电机起动矩频特性和运行矩特性。 ... 23 第七节 伺服系统机械部分结构设计 ............... 24

一、微机数控化改造的结构设计中应注意的问题 . 24

4

二、绘制装配图底图时应注意的问题 ........... 24 三、绘制正式装配图时应注意的问题 ........... 25

第三章 数控系统硬件电路设计 ...................... 26

第一节 单片机数控系统硬件电路设计 ............. 26

一、绘制系统电气控制的结构框图 ............. 26 二、选择中央处理单元（CPU）的类型 .......... 27 三、存储器的扩展电路设计 ................... 27 四、I/O接口的电路设计 ..................... 27 第二节 MCS-51系列单片机简介 ................... 28

一、8031单片机的基本特性 .................. 28 二、8031芯片引脚及其功能 .................. 28 三、8013芯片的储存器结构及地址分配 ........ 30 四、MCS-51系列指令系统的简介 .............. 31 五、中断系统 ............................... 32 第三节 存储器扩展电路设计 ..................... 32

一、程序存储器的扩展 ....................... 32 二、数据存储器的扩展 ....................... 33

第四章 数控机床控制软件简介 ..................... 33

第一节控制软件的组成及功能 .................... 34 第二节 数控机床控制程序举例 ................... 34 第五章 结束语 ................................... 37 结 论 ............................................ 38

参考文献 ...................................... 39 致 谢 ............................................ 40

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第一章 C6136A型普通车床改造成经济型数控车床总

体设计方案拟定

第一节 总体方案的设计内容

机床数控系统通体方案的拟定应包括以下内容：系统的运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的机构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。

一、系统运动方式的确定

数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点倒直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式，例如：数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对点位控制的要求是快速定位，保证定位精度。

如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系及连续控制系统，应具有控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件。所以李旭控制系统又称轮廓控制系统。例如：数控铣床、数控车床等均属于此种运动方式。在点位控制系统中不具有连续控制系统中所具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中缺具有点位系统的功能。

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二、伺服系统的选择

伺服系统科飞为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号时单方向传送的，指令放出后，不在反馈回来，古称开环控制。开环伺服系统主要有步进电机驱动。开环伺服系统机构简单，成本低廉、容易掌握、调试和维修都比简简单方便。

闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件。用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。闭环系统造价高、架构和调试复杂、多用于精度要求高的场合。

半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接监测工作台的位移量，而是用检测元件测出驱动轴的转角，在间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开缓和闭环系统之间。

三、执行机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动时，通常提出低摩擦，低惯量、高刚度、无间隙、告谐振以及有诗意的阻尼比的要求。在设计过程中应考虑以下几点：

（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动

副

（2）尽量消除传动间隙。例如采用消隙齿轮

（3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度、减小传

动链误差。可采用预紧的方法提高系统的刚度。

四、计算机的选择

微机数控系统是由CPU、存储器扩展电路、I10接口电路伺服电机

驱

动

电

路

、

检

测

电

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路等几部分组成。

微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要是字长和速度。目前，一些高档的CNC系统，已普遍使用32位微机，主机频率由5MHz提高到20-30 MHz，有的采用多CPU系统，进一步提高控制速度。经济型CNC系统则普遍采用8位微机。

第二节 总体方案设计的应用举例

一、设计任务

将C6136A型普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率

纵向 横向 设计参数如下： 最大加工直径

在床面上 500mm 在床鞍上 300 mm

8

最大加工长度 200 mm 快进速度

最大切削进给速度

纵向 0.7 m/min 横向 0.5 m/min 最小指令值

横向 0.005 mm/脉冲 刀具补偿量 0～99.99mm 代码值 ISO

脉冲分配方式 逐点比较法

输入方式 增量值，绝对值通用 进给传动间隙补修量

自动开降速性能 有

二、总体方案确定

（1）系统的运动方式与伺服系统的选择

由于改造后的经济型数控车床应具有定位，直线插补，顺圆和逆圆插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。有雨经济型数控机床加工精度要求高，为了降低成本，故采用步进电机开环控制系统。 （2）计算机系统

根据机床要求，采用8位微机，由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，性能价格比高等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。

控制系统由微机部分，键盘及显示器，I10接口及光隔离电路，

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步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

三、 机械传动方式

为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速而传动丝杠选用滚珠丝杠螺母副，同时，齿轮传动也要消除间隙的结构。 1、

绘制总体方案框图（图1-1）

图1-1 经济型守护空车床总体方案框图

根据设计任务的要求。决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。

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第二章 经济型数控机床进给伺服系统驱动的开环控

制系统

伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量，计算空载起动反切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计，计算及选用，会直接写部分装配图及零件工作图等。 1、

C6136A型普通车床微机数控化改造设计

将一台C6136型普通车床改造成经济行为及数控车床，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，其主要设计参数如下： 加工最大直径：

在床面上 500mm 在床鞍上 300mm 最大加工长度 2000mm 刀架快速速度： 纵向

最大进给速度：

纵向 0.7 m/min 横向 0.5 m/min

第一节 脉冲当量的选择

一个进给脉冲使机床运动部件的位移量称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。根据机床精度要求确定脉冲当量，最小：/脉冲，横向：/脉冲。

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第二节 计算切削力

一、 总车外圆：

主切削力F2（N）按经验公式估算：

、5D1max

1.55007×=5025mm

按切削力各分力比例：

Fx=(2025×

Fy=(5025×)=2010N 主切削力Fz’

此时走刀抗力为Fy’（N）吃刀抗力为Fy’仍按上述比例粗略计算： Fz’：Fx’：Fy’= Fy’×

Fx’×）=1005N

横切时的切削力可取纵切时的1/2。 如图 纵切和横切时切削力的示意图

a) 纵车外圆

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b) 横切外圆

第三节 滚珠丝杠螺母副的设计，计算及选型

滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚珠循环方式，关注死港府的预案方式。结构类型确定之后，在计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0，导程L0，滚珠的工作圈数J，列数K，精度等级等。

滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环分为螺旋槽式和插管式。滚珠丝杠副的预案方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。

（一） 纵向进丝杠

1,计算进给牵引力Fm（N） 纵向进给为综合型导轨

Fm=kFx+(Fz+G)=(1.15×1256.25+0.16(5025+1500))= 式中 K—考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15； ƒ′—滑动导轨的摩擦系数：0.15~0.18； G—溜板及刀架重力取1500N。

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C=3L ƒmFm L=

60nT 106 N=

1000v3 L0式中 L0—滚珠丝杠导程，初选6mm；

v3—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1~1，

23此处v3m；

min T—使用寿命，按1500h； ƒ—

L—寿命以106转为1单位 n=

1000v310000.50.5rr=

minmin6L060nT6041.6715000= 106106 L=

C=3L ƒwFm=337.5×× 3. 滚珠丝杠螺母副的选型

查阅附录A表A-3，采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5图，其额定动负载为16400N，精确等级按表3-17选3级（大致相当于老标准E级）。

η=

tan

tan()式中 —螺旋升角，W1L4006 =2°44′ —摩擦角取10′ η=

tantan244'=η=

tan()tan(244'10')14

先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图3-17所示。最大牵引力为2638.6N。支承间距L=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1

3

图3-17 车床纵向进给系统计算简图 （1） 丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

查图3-4，根据Fm=2639N，D0=40mm，查出Lδ1=L××103××102mm

L×103，可算出：

L 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉

′压刚度可以提高4倍，其实实际变形量δ1为：

′δ1=

1×δ1×102mm 4（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2 δQ

δQμm

11因进行了预紧，δ2=δQ= ×μmμm

22（3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3

采用8170型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dQ=， 滚动体数量Ζ=18 δc32FmdQZ22263.9=3mm= 26.3518注意，此公式中FM单位应为N。

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因施加预紧力，故

11 δ3=δc= ×=

22根据以上计算：

δ=δ1+δ2+δ3=（0.003+0.0032+0.0039）mm =＜定位精度

显然此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施修改设计。因横向溜板空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减少摩擦力，从而减小最大牵引力。

横向进给定位精度应为纵向进给定位精度的1/2，如果变形量仍大于定位精度的要求，可将滚珠丝杠直径加大，也可将滚珠丝杠再经过预拉伸刚度还可提高四倍，则变形量可控制在要求的范围之内。 6，稳定性校核

对已选定尺寸的丝杠，在给定的支撑条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。缺少公式

（二）横向进丝杠

方式 一端固定一段自由 两端简支 一端固定一端简支 两端固定 Fz 临界负载Fk与最大工作负载Fm之比称为稳定性安全系数nk，nk=Fk/Fm≧(nk) ,则丝杠不稳定.(nk)为稳定性安全系数,一般取(nk)=2.5～4.

（三）滚珠丝杠螺母副的几何计算

滚珠丝杠副在确定了公称直径d0和导程L0以后，可按表2-12计算各部分的几何参数

表2-12滚珠丝杠螺母副的几何参数

参数名称 符号 16

关系式 W1L4006 螺纹滚道 公称直径 导型 接触角 钢球直径 滚道法面半径 偏心距 d0 L0 β dq R c c=(R- R=0.52 dq dq2)sinβ 螺纹升角 γ γ=arctan L0 d0螺杆 外径 d D=d0-(0.2~0.25) d1 内径 接触直径 d1 d1=d0+2r-2R d2 D D1 d2= d0- dqcosβ D= d0-2r-2R D1= d0-(0.2~0.25) dq 螺母 螺纹直径 内径 第四节 滚动导轨的计算机选型

目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小，f=0.0025~0.005，动，静摩擦系数很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好，低速运动时不易出现爬行现象，因为定位精度高。

一 选择滚动导轨的结构形式

滚动导轨可分为滚动体不做循环运动的直线运动导轨和滚动体做循环运动的直线运动导轨两大类。

滚动体不做循环运动的导轨又分为滚珠导轨，滚柱导轨和滚针导轨三类，其中，滚珠导轨结构紧凑，制造容易，成本较低，但由于点接触，因而刚度低，承载能力较小，只适用于载荷小于2000N，切削

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力矩和颠覆力矩都较小的机床，滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的机床，但对于导轨面得平行度要求较高，滚针导轨的滚动体是滚针，其长径比滚柱大，结构紧凑，与滚柱导轨相比，可在同样长度长排列更多的滚针，因而承载能力比滚柱导轨大，但摩擦系数也要大一些。

第二大类是滚动体做循环运动的直线运动导轨，又称作直线导轨块组件，是由专业厂家盛产制造号的导轨块组件，这种导轨块组件本身的制造精度横高，而对机床的安装基面要求不高，安装调试非常方便，其刚度高，承载能力大。

二、滚动导轨预紧方式的确定

滚动导轨经过预紧，可以显著提高其刚度。通常经过预警的导轨的刚度可以比没有预警的高三倍左右，因此对于颠覆力矩较大，或要求接触刚度或移动精度较高的导轨均应进行预紧。但预紧里应适当，预紧力过大会使牵引力显著增加。

常用的预紧方法有两种，采用过盈配合和采用调整元件。

三 滚动导轨几何参数的确定

1 滚动体尺寸和数目的选择

滚动体直径愈大，滚动摩擦阻力及接触应力就愈小，滚动体的直径国小，则不仅摩擦力加大而且还会产生滑动现象，所以在结构尺寸不受限制时，应尽可能选用较大的直径。滚动体的滚珠和滚珠直径应不小于6-8mm，滚柱的长度应适当，过短会增加导轨面得压强，过长则会因滚柱的锥度误差引起载荷分布不均匀，一般淬硬钢制造的导轨，滚柱的长径比最好不超过1.5~2。

滚动体的数目也应选择适当，滚动体数目过小，则导轨的制造误差将明显地影响动导轨的位置精度，随着滚动体的数目增加，不仅提高了东倒柜的位置精度还可以降低导轨的压强。通常每个导轨上每排滚子的数量最少为12-16，但滚动体数目太多，则会出现载荷在滚动

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体上分布不均匀的现象，部分滚动体可能收不到载荷而不起作用，反而使刚度下降。确定每一导轨上滚动体数目的最大值： 缺少公式

在根据结构选择滚动体的尺寸和数目，还要验算滚动体的承载能力。发现不能满足时，可加大滚动体的直径或增加滚动体的数目，对于滚动导轨，由于承载能力与滚珠直径的平方成正比，因此增大滚珠直径比增加滚珠数目有利。对于滚柱而言，增大直径和增加数目效果是相同的。

滚动导轨长度的计算有三种不同的情况：滚动导轨中的滚动体和保持架随着导轨移动，但其移动速度近视动导轨速度的一半。

第六节 步进电机的计算及选型

选用步进电机时，应该首先根据机械草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，包括步进电机转子的转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动，运行频率特性选择合适的步进电机。

1初选步进电机

（1）计算步进电机负载转矩TM TM=

360.012638.636PFm=N•cm 2b20.750.980.990.99094 =223.96 N•cm 式中 P—脉冲当量（mmstep）；

Fm—进给牵引力（N）； b—°

η—电机一丝杠的传动效率，为齿轮、丝杠效率之积，分别为

0.98、0.99、0.99和0.94；

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(2)估算步进电机起动转矩Tq

TM223.26 Tq= 0.3~0.5=0.3N•cm

(3) 计算最大静转矩T

jmax

查表3-22，如取五相10拍，则

TqT

jmax= 0.951 •cm

（4） 计算步进电机运算频率ƒe和最高起动频率ƒk

ƒe=

10000.51000vs=

600.0160pƒk=

1000vmax10002.4= Hz=4000Hz

600.0160pminmmin式中 vs—最大切削进给速度（m vmax—最大快移速度（m δp—mm

minmmin

step（5） 初选步进电机型号 根据估算的最大静转矩 T为931N •cm>T

jmaxjmax在表3-23中查出130BF001最大静转矩

可以满足要求。考虑到此经济型数控车床有可能使

用较大的切削用量，应该选稍大转矩的步进电机，以留有一定的余量。另一方面，与国内同类型机床进行类比，决定采用150BF002步进电机。但从表中看出，150BF002步进电机最高空载起动频率为2800Hz，不能满足ƒk（4000Hz）的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降速程序来解决。

前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选之后，应该进行

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校核计算。

（1）等效转动惯量计算

计算简图见3-17.根据表3-24，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算： JZ= JM +J1+ (

LZ12G)[(J2+J3)+ ( 0)

2Z2g2]

式中 JM— 步进电机转子转动惯量（kg•cm2）

J1、J2—齿轮的转动惯量（kg•cm2）

J3—滚珠丝杠转动惯量（kg•cm2）。

参考同类机床，初选反应步进电机150BF，其转子转惯量JM=10 kg•cm2

4 J1×103×d1•L1×103×4×2) kg•cm2=•cm2 3422 J2×103×d4•L×10×8×2) kg•cm=•cm 22 J3×103×44×150) kg•cm2=kg•cm2 G=1500N 代入上式:

JZ= JM +J1+ (

LZ12G)[(J2+J3)+ ( 0)

2Z2g2]

={10+2.62+( =kg•cm2

32215000.62(2)]} kg•cm2 )[(6.39+29.952)+

409.8考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。

JM10JZ =39.452

基本满足惯量匹配的要求。 （2）电机转矩计算

机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： 1）快速空载起动转矩M

在快速空载起动阶段，加速转矩点的比例交大。具体计算公式如下： M=Mamax+M1+M0

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nmax2nmax1022 Mamax=J=J ×10= J×

6060tsts2 nmax=

vmax×b 360P将前面的数据代入。式中各符号意义同前。 nmax= 起动加速时间ta=30ms

MnmaxJz2nmax250036.355102N.cm 60tk600.0324000.75vmax×b=×=500r

min3600.01360P 643.5N

折算到电机轴上的摩擦转矩

M1M1

F0L0F1(PZG)L02I2Z2/Z10.16(53601500)0.6N.cm 20.81.25附加摩擦转矩M0

FpoL01/3FmL022(10)(10)2i2Z2/Z1M0

1/32638.60.62[(10.9）]N.cm 20.81.25 =(83.990.19)N.cm=15.96N.cm 上述三项合计：

M=M2maxmM1M0634.5104.815.96755.26N.cm

'2）快速移动时所需转矩 M

MM1M0104.815.96N.cm120.76N.cm

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'3）最大切削负载时所需转矩 M\"

FxLoM\"MM+MM+M10t10 2i

13400.6(104.815.96)N.cm 20.81.25 (104.815.96127.96)N.cm 248.72N.cm 从上面计算可以看出，M 、M 和

'M\" 三种工况下，以快速空载运

动所需转矩最大，即一次项作为校核步电机转矩的依据。

从表3-22查出，当步进电机为无相十拍时 Mq/Mmax0.951, 则最大静转矩为

Mmax(755.26/0.951)N.cm792.4N.cm

从表3-23查出150BF002型步进电机最大转矩为 13.72N.cm ，大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。

3校核步进电机起动矩频特性和运行矩特性。

前面已经计算出此机床最大快移时所需步进电机的最高起动频率fk为4000Hz，切削进给时所需步进电机运行频率fk为833Hz。 ）直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将启动频率降到1000Hz时，启动转矩可增高到588.4N.cm,然后在电路上再采用高低压驱动电路、还可将步进电机输出转矩扩大一倍左右。

图3-19 150BF002型步进电机运行矩频特性

当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频特性（图3-19）完全可以满足要求。

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第七节 伺服系统机械部分结构设计

机械部分结构设计的任务是画出进给伺服系统的机械装配图，用以表达设计者的构思，设计特点及计算结果。是伺服系统设计的重要内容。

一、微机数控化改造的结构设计中应注意的问题

1、 尽量减少普通机车数控化改造的改动量

对于普通机床数控化改造设计时，在满足机床总体布局的前提下，应尽可能利用原来的零部件，尽量较少改动量。尤其对机床上较大的部分件，例如车床床身，床鞍，拖板，铣床的工作台等。尽量利用原来的部件，只作少量的加工改造。这样可以大大降低成本，缩短制造周期。 2、

滚珠丝杠螺母副和消除齿轮安装调整要方便系统是很关键的

问题，如果调整不好，会出现反向死区和失步现象，影响数控机床的加工精度。 3、

设计的注意装配工艺性。

在设计绘制进给伺服机构时，应注意装配工艺性，考虑到正确的装配顺序，必须注意留出螺钉的孔或足够的扳手空间。保证安装调试，扯些方便。

二、绘制装配图底图时应注意的问题

确定了各种参数和结构形式后，就可以动手画装配图底图，在标准图幅的图纸上，用应铅笔轻轻地画出装配图各部分的轮廓及重要结构，不需要画剖面线和标注尺寸。经过修改以后，在加深即成正式的装配图。为保证图画质量，画画底图时，线条必须画得很浅很细，以便于修改。 1、

注意合理布置视图

主要的机械结构图要求用A0或A1号图纸绘制，为了正确清楚地

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表达各部分的结构，必须选择足够的视图和局部剖视，以达到视图完整的要求。所谓视图完整，就是能够从装配图上拆绘出任一零件的零件工作图。

根据各视图及局部剖视图的大致轮廓尺寸，并考虑好标题栏，零件明细栏。零件编号。以及技术要求的文字说明等位置就可以进行图画的合理布置。布置视图时要注意将视图不知在图面上的主要位置。 2、

严格按比例绘图

必须严格按制图国标规定的比例绘图，主要视图应该采用1:1或1：2绘制，局部剖视图可采用与主视图不同的比例，但必须在图上注明，决不允许参样图任意放大或缩小。 3、

必须按标准绘图

图面上出现的螺钉、螺母、垫片、定位销、轴承等标准件必须按照最新国标绘制。

滚珠丝杠螺母副按所采用的标准画出各部分外形尺寸，滚珠部分可不剖开。

三、绘制正式装配图时应注意的问题

1、 注意线条比例

图面质量的好坏，与各部分线条的好坏有很大的关系。线条的粗

细必须按比例画，粗实线，细实线，虚线，点划线都要区别清楚。剖面线应画出45°，丝杠及螺纹应化成细实线等。 2、

标注必要的尺寸和公差配合

装配图上应标注最大形体尺寸，特征尺寸，如机床的中心高，刀架的行程等，安装尺寸：如减速箱体的身上安装螺孔中心距等，主要零件的配合尺寸，影响运转性能与传动精度的配合尺寸等。 3、

要求标准清楚装配图的技术条件

绘制机械装配图时，应标注必要的技术条件。例如：要求滚珠丝杠中心与导轨平行度在水平及垂直方向在全长上应小于0.05mm（中型机床），丝杠的轴向窜动量应小于0.01mm，滚动丝杠转动应轻便灵活，无阻滞现象。

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第三章 数控系统硬件电路设计

第一节 单片机数控系统硬件电路设计

一、绘制系统电气控制的结构框图

根据总体方案及机械机构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电器控制的机构框图。

数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。

机床硬件电路由以下五部分组成： （1）主控制器，即中央处理单元（CPU）

（2）总线，包括数据总线，地址总线和控制总线 （3）存储器，包括程序存储器和数据存储器 （4）接口即I10输入/输出接口电路

（5）外围设备，如键盘，显示器及光电输入机等，见图3-1

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二、选择中央处理单元（CPU）的类型

在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素： （1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度 （2）可扩展存储器的容量

（3）指令系统功能，影响编程灵活性。

（4）I10口扩展的能力，即对外设控制的能力。 （5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路

三、存储器的扩展电路设计

存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码器电路的设计。

四、I/O接口的电路设计

应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘，显示电路

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以及其他辅助电路的设计。

第二节 MCS-51系列单片机简介

一、8031单片机的基本特性

8031单片机具有以下特点：

（1）具有功能很强的8位中央处理单元

（2）片内有时钟发生电路，每执行一条指令为2us或1us （3）片内具有128字节RAM （4）具有21个特殊寄存器

（5）可扩张64k字节的外部数据存储器和64k字节的外部程序存储

器

（6）具有4个I10口，32根I10线 （7）具有2个16位定时器/计数器

（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级 （9）具有一个全双功串行接口 （10）

具有位寻址能力，适用逻辑运算。

二、8031芯片引脚及其功能

8031芯片具有40根管脚，其引脚如图3-2

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40根引脚按其功能可以分为四类： 1、

电源线 2根 Vu：编程和正常操作时的电源电压，接5v。Vss：

低电平 2、

晶体振荡器 2根 XTAL1：振荡器的反相放大器输入。适用

外部振荡器时必须接地。 XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入，当适用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。 3、

I10 共有P0 P1 P2 P3四个8位口，32根I10线其功能

如下：

（1）P0.0~P0.7（AD0~AD7）是I10端口O的引脚，端口O是一个8

位漏极开路的双向I10端口，在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。 （2）

端口1的引脚是一个带内部上位电阻的8位双向I10通道，专供用户使用。

（3）P2.0~P2.7端口2的引脚。端口2是一个带上位电阻的8位双

向I10口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8~A15 （4）P3.0~P3.7端口3的引脚，端口3是一个带内部上位电阻的8

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位双向I10口，该口得每一位均可独立地定义第一I10口功能或第二I10功能。座位第一功能适用时，口的结构与操作与P1kou完全相同，第二功能如下示： 口引脚 第二功能

P3.0 RAD（穿串行输入口） P3.1 TXD (串行输出口) P3.2 INT0 (外部中断) P3.3 INT1(外部中断)

T0(定时器0外部输入)

三、8013芯片的储存器结构及地址分配

8031芯片内部256字节的空间被分成两部分,其中内部数据存储器(RAM)地址是00H～7FH,特殊功能寄存器的地址80H～FFH。在内部存储器中的00H～1FH为四个工作寄存器，其中：

0区 00H～07H 1区 08H～0FH 2区 10H～17H 3区 18H～1FH

每个区都有8个8位寄存器R0~R7，可以用来暂存运算的中间结构以提高运算速度，其中的R0和R7 还可以用来存放8位地址要确定采用哪个工作寄存器区，可通过标志寄存器PSW中的Rs0.RS1两位来指定。

8031芯片内部没有程序存储器，且仅有128字节的数据存储器因而在组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器，由于地址线是16位的故最多能扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，其地址位OOOOH~FFFFH，即程序存储器和数据存储器位独立编址。因此，RAM和ROM的地址分配比较自由，编程时，不必考虑地址冲突问题。

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四、 MCS-51系列指令系统的简介

系列指令系统共有11条基本指令，其中单字节指令49条，双字节指令45条，三字节指令17条

1 MCS-51指令系统寻址方式简介

（1）立即寻址 跟在操作码后面的一个字节就是实际操作数。叫

立即数。例如： MOV A,#40H

（2）直接寻址 在指令中没有给出立即数，而是直接给出参加运

算或传送的数的地址，可以访问三种地址，特殊寄存器 内部 128个字节单元。221个位地址空间。例如： MOV A,70H （3）寄存器寻址 指定某一寻址的寄存器的内容为操作数寻址

空间，是 例如： MOV A,Rn

（4）寄存器间接寻址 由指令自定某一寄存器的内容作为操作

数地址，选定 R0 R SP 来存放地址。使用时前面加@.例如： MOV A,@R0

（5）变址寻址 有指令指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和

基址寄存器 DPTR或PC相加所得结构作为操作数地址。例如 MOVC A,@A+DPTR

（6）相对寻址 把指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元

地址相加，即得列真正有效的操作数地址。

（7）位寻址 对内部 RAM中的128和SFR块内容的93位，共

211位进行位操作。

2 MCS-51系列指令系统主要指令简介 (1) 数据传送类 29条 （2）算术操作类 24条 （3）逻辑操作类 24条 （4）控制程序转移类 17条 （5）布尔变量操作类17条

在这些指令中，使用的最多是数据传送类指令，这类指令又可以分为三类：

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1、 单片机内部数据传送 包括工作寄存器Rn，特殊功能寄存

器SFR和片内RAM之间，以及其各部分与累加器A之间的数据传送，用助记符MOV表示 2、

和外部RAM传送依据 累加器A和片外扩展的RAM或I10口

进行数据传送用助记符MOVX表示。 3、

程序存储器和累加器A之间数据传送用助记符MOVC表示。

五、中断系统

MCA-51系列单片机提供5个中断源，配备两个中断优先级。两个位INT0、INT1 输入外部中断请求，低电平有效，两个位片内定时/计数器T0和T1，溢出中断请求TF0 和TF1 一个为片内串行口中断请求T1和R1。这些中断请求源的引脚都为P3的第二功能，对于每个终端可编程为高优先级或低优先级中断，并能实现两级中断嵌套。 个中断源所对应的终端服务程序的入口地址和优先级如下： 中断源 入口地址 优先级 INT0 0003H 0 T0 0002H 1 INT1 0013H 2 T1 001BH 3 串行口中断 0023H 4

第三节 存储器扩展电路设计

MCA-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对于简单的应用场合MCA-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求。

一、程序存储器的扩展

MCA-51的程序存储器的寻址空间为64KB字节，8031片内不带

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ROM。用作程序存储器的器件是EPROM.

1、

常用的ROM芯片

2716（2k×8） 2732A(4K×8)等 2、

地址锁存器

由于单片机8031芯片的P0端口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。常用的地址锁存器芯片是74L373,74L373是带三态，缓冲输出的8D触发器，其引脚及与8031芯片连接见图3-4

二、数据存储器的扩展

由于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器（RAM）。

1、常用的静态RAM芯片有 6116（2k×8） 6260（8k×8） 等。

第四章 数控机床控制软件简介

机床数控系统是由硬件和软件两部分组成，只有软件和硬件相结合才能在实现数控机床控制系统的功能。

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第一节控制软件的组成及功能

控制软件的功能如图4-1模型：

控制软件接受输入的数据，如零件加工程序，对这些输入数据进行处理，加工最终产生输出，使驱动元件动作或使机床工作窗台发生变化。

控制软件主要由以下几部分组成：

一、 系统总控程序 这是计算机数控系统的主循环程序，系统上电后

便进入这部分程序运行。主要完成以下工作： 1，系统的初始化， 2，命令处理循环

零件加工程序的输入和输出管理 ，零件加工程序的输入有两种方法：意识通过光电阅读机输入，梁志忠是从键盘输入，其处理方法基本相同。 二、 两件加工程序的编辑 三、 机床的手动调整控制 四、 零件加工程序的解释和执行 五、 插补计算 六、 伺服控制 七、 系统自检

第二节 数控机床控制程序举例

以硬环分配直线插补参考程序为例：

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LP： MOV SP,#60H MOV A,#1EH MOV DPTR,#A100H MOVX @DPTR,A MOV 5AH,#00H MOV 59H,#00H MOV A,#1AH MOV DPTR,#A103H MOVX @DPTR,A MOV A,5FH ADDA,5CH MOV 60H,A MOV A,5DH ADD A,5BH MOV 5FH,A LP1： MOV A,59H JB ALL,LP4 MOV A,#1EH MOV DPTR,#A103H MOVX @DPTR,A CLR C MOV A,5AH SUBBA,5CH MOV 5AH,A MOV A,59H SUBBA,5BH MOV59H,A LP2： MOV A,#DBH

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MOV DPTR,#A104H MOVX @DPTR,A MOV A,#85H MOV DPTR,#A105H MOVX @DPTR,A MOV A,#DEH MOV DPTR,#A100H MOVX @DPTR,A CLR C MOV A,60H SUBBA,#01AH MOV 60H,A MOV A,5FH SUBBA,#00H MOV 5FH,A ORL A,60H JNZL P2 LJMP 0000H LP3： MOVA,#17H MOV DPTR,#A103H MOVX @DPTR,A MOV A,5AH ADDA,5EH MOV 5AH,A MOV A,59H ADDC A,5DH MOV 59，A SJMP LP2

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第五章 结束语

随着微电子技术的发展，我国的机床数控化在近十年来有了很大的发展，而普通机床的数控化改造后在满足完成同样的加工任务的前提下，可大大降低技术改造的投资经费，在实际中得到广泛应用。基于对CA6140普通车床进行经济型数控改造设计过程中，我认为普通机床的数控改造具有很多的优点、必要性及其良好的发展趋势。

全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国的一般中小企业购置困难，但是中小型企业为了发展生产，希望对原有机床进行改造，进行数控化、自动化、以提高生产效率。经济型数控机床系统就是结合现实的生产实际，我国的国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。目前我国经济型数控系统发展迅速，研制了几十种简易NC系统，有力地促进了我国数控事业的发展。

改造后的车床，可手动、机动操作，操作简单，使用方便，价格低廉，其性能价格比适中；而且还能解决复杂零件的加工精度控制问题，节约大量工装费用，减轻工人的劳动强度，提高工人素质。

企业应用经济型数控对设备进行改造后，增强了企业应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件，提高了加工精度和批量生产的能力，提高了设备自身对产品更新换代所需要的应变能力，增强了企业的竞争能力。

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结 论

为期三个多月的毕业设计在紧张而有序中接近尾声，在这三个多月中，我严于律己，刻苦钻研，按质、按量、按时完成了“C6140普通车床的数控化改造”这一毕业设计。因为白天还有工作要做，所用时间基本是节假日，晚上。这段时间感到特别累，但是当看到成果，学到收获时，心中感到特别的高兴。

这次毕业设计的收获概括起来主要有以下几点：

一、完成机械部分的改造与设计，全面透彻地了解到C6140车床的结构，搞清了其传动及工作原理，掌握了主要部件的作用。

二、完成了纵向，横向进给伺服系统的设计，认识了交流伺服电机、滚珠丝杠等数控机床主要部件的基本性质及工作原理，熟悉并实践了机床数控化改造的基本思路和一般方法。

三、养成了遇到问题查阅资料，独立思考的好习惯。

这次毕业设计使我在本专业领域增长了知识，增多了专业常识，增进了见识，加深了认识。

通过这次毕业设计，我认识到更深入更广泛学习的必要性、重要性和紧迫性。这次毕业设计的经验将永远伴随着我。

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参考文献

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 现代数控机床 数控机床结构与编程 数控技术 实用数控机床技术手册 数控机床及应用 机械设计 机械设计手册（第四版） 机械设计 机械设计基础课程设计 电工技术 单片微机原理及应用 机床数控改造设计与实例 工业用微型计算机 赵玉刚 湖北科技出版社 宋现春 机械工业出版社 1993 1997 2001 1993 2001 2001 2002 2001 1999. 文献名称 作者 发表刊物 时间 廖效果 机械工业出版社 刘又午 毕承恩 董献昆 朱晓春 濮良贵 李佳 纪名刚 成大先 王昆 何机械工业出版社 北京社出版 清华大学出版社 高等教育出版社 化学工业出版社 机械工业出版社 机械工业出版社 机械工业出版社 机械工业出版社 小柏 机械工业出版社 39

致 谢

三个月的毕业设计已经基本完成了，在设计的过程中，得到了各位老师和同学的热情指导和帮助，使我的设计任务得以顺利、圆满地完成。在此，表示衷心地感谢！

我特别感谢我的指导老师师张河新教授，她不但在设计上给了我认真、细致的指导，提出了很多解决问题的方法和经验，而且给我提供了设计所需的仪器和设备，使我有一个良好的设计环境。教授治学严谨，工作兢兢业业，她不仅无私地传授我知识和学习的方法，同时给我精神上的支持和鼓励，增加了我克服困难的信心和勇气。这一切都是我无比宝贵的财富。此外，她的敬业精神、对待任何困难的执着态度，也是我学习的榜样。

其次，应感谢同学。他们对我的设计提出了一些很好的建议，做了很多准备工作。在他们的帮助下，解决了设计中存在的许多问题。我们共同努力，完成了设计工作。

同样感谢老师对我的关心和照顾，使我完成数控化改造，能够全身心地投入，对我设计的按时完成起了巨大的作用。

最后，我还感谢以上没有提及的一直关心并支持我设计的所有老

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师和同学。他们的关怀和鼓励时刻激励着我，为我的设计顺利开展和圆满结束起了不可估量的作用。

在此，我祝愿所有为这篇论文提供帮助的人们生活顺心，工作顺利！在未来的人生道路上，我将尽我的努力做好一切，争取取得良好的成绩，用实际的行动回报你们的殷切希望。

高等教育自学考试

毕业设计指导老师意见书

意见 41

指导老师 职称 年 月 日 高等教育自学考试

毕业设计评阅意见书

意见 42

评阅老师 职称 年 月 日 高等教育自学考试

毕业设计答辩成绩评定书

评 语：

成绩总评：

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答辩委员会主任：

答辩小组 组长： 答辩小组 成员：

年 月 日

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