機械設(shè)計制造及其

自動化課程設(shè)計

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機械制造及其自動化專業(yè)（本科）

課程設(shè)計

課程設(shè)計題目：普通車床C6132數(shù)控化改造

學生姓名：

學生學號：1

分校（教學點）：

指導教師姓名：

課程設(shè)計開始時間：年9月

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電大開放教育一級（春）—專業(yè)（本科）

課程設(shè)計成績評定表

分校：—工作站：直屬班級代號:

姓名專業(yè)課程名稱設(shè)計時間

機械制造及自動化傳感器與測試技術(shù).9-10

設(shè)計題目普通車床C6132數(shù)控化改造

指導教師

評語及簽字（蓋章）：

評分

年月日

設(shè)計小組

評價意見

及評分

簽字（蓋章）年月日

分校集中

實踐環(huán)節(jié)

指導小組

意見

簽字（蓋章）年月日

省電大集

中實踐環(huán)

節(jié)指導委

員會審核

意見

簽字（蓋章）年月日

說明：1.答辯小組應(yīng)填寫評價意見，小組成員均應(yīng)簽名（蓋章）,答辯

小組不應(yīng)少于3人。

2.此表附于封面之后。

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3.此表由分校、工作站自行復(fù)制。

目錄

一、緒論................................1

二、設(shè)計任務(wù)與總體方案確定......................1

1、設(shè)計任務(wù)...............................1

2、總體設(shè)計方案確定..........................1

3、CA6140車床數(shù)控改造.........................2

三、數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計.........................4

1、用戶加工程序存儲器、串口電路的設(shè)計.................4

2、鍵盤/顯示子系統(tǒng)的設(shè)計........................4

3、I/O接口的設(shè)計...........................5

4、電動刀架控制接口..........................6

5、限位保護控制接口..........................6

6、可編程序控制器..........................6

四、數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計.........................7

1、數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控程序的設(shè)計.......................7

2、步進電機的速度控制和升/降速控制..................7

五、結(jié)束語...............................10

參考文獻...............................11

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摘要

機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，對機床不但要求具有高的精度和生產(chǎn)

效率，耐用、靈活、通用，還能迅速適應(yīng)加工零件的變換。為了節(jié)約資

金，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，普通機床的數(shù)控化改造十分必要,經(jīng)改造后的車

床不但提高了加工精度而且提高了工作效率，為機械加工制造創(chuàng)造了有

利的條件。本文將普通機床改造為數(shù)控機床的技術(shù)從設(shè)計任務(wù)與總體方

案確定、數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計三個方面進行了闡

述。從設(shè)計理念到設(shè)計思想，從設(shè)計方案到設(shè)計圖，從理論數(shù)據(jù)到具體

數(shù)據(jù)，從理論到實踐，從硬件設(shè)計到軟件設(shè)計，都進行了重復(fù)的推理論

證，在實驗過程來看，基本上達到了設(shè)計改造的要求。不但提高了加工

精度，而且操作方便，大大將低了工人的勞動強度。為普通車床在再利

用找到了途徑。

關(guān)鍵詞：車床；數(shù)控化；改造；設(shè)計

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普通車床C6132數(shù)控化改造

一、緒論

中國工業(yè)化進程加快，社會生產(chǎn)和科學技術(shù)迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的

性能和質(zhì)量不斷提高，對機床不但要求具有高的精度和生產(chǎn)效率，耐

用、靈活、通用，還能迅速適應(yīng)加工零件的變換。為此，數(shù)控機床這種

靈活而高效的自動化機床應(yīng)運而生，并隨電子、自動化、計算機和精密

測試等技術(shù)的發(fā)展在機械制造業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

近年來，中國實行改革開放，從國外引進了數(shù)控機床技術(shù)，并加強

數(shù)控技術(shù)的開發(fā)、生產(chǎn)及使用，越來越多的企業(yè)希望利用數(shù)控機床生

產(chǎn)，更新設(shè)備。為了節(jié)約資金，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，普通機床的數(shù)控化

改造十分必要，其必要性主要有下面幾個方面：

1、數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，對中小型企業(yè)是心有余

而力不足。

2、當前各企業(yè)均有大量普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可

能，一是耗資巨大，二是現(xiàn)有機床被替換后閑置造成浪費。

因此，普通機床的數(shù)控化改造十分必要，而且大有可為，特別對一

些中小企業(yè)更是如此。

二、設(shè)計任務(wù)與總體方案確定

1、設(shè)計任務(wù)

利用微機對縱、橫進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制。本設(shè)計任務(wù)是對

CA6132普通車床進行數(shù)控改造。其橫向最小單位設(shè)定量為0.005mm,

縱向最小單位設(shè)定量為O.Olmmo即橫向脈沖當量為0.005mm/脈沖，縱

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向脈沖當量為0.01mm/脈沖。改造后具有外圓端面加工，具有警停、暫

停、單步及連續(xù)加工等操作功能，能夠?qū)崿F(xiàn)兩坐標聯(lián)動、自動換刀，且

改造后的各項加工精度不低于原機床的加工精度。驅(qū)動元件采用直流步

進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。

2、總體設(shè)計方案確定

CA6132型普通車床適用于各種車削加工工作，如車削內(nèi)外圓柱

面、圓錐面、端面及其它旋轉(zhuǎn)面，車削各種螺紋一一公制、英制、模數(shù)

和徑節(jié)，并能進行鉆孔、較孔和切槽等工作。

主電動機功率：4KW機床的工作精度：0.01mm

精車端面平面度：0.025/400mm表面粗糙度：

Ra2.5-l.25um

一般數(shù)控車床的基本組成部分如圖一所示。

圖1數(shù)控車床基本組成框圖

根據(jù)以上資料和數(shù)控車床的改造經(jīng)驗，確定總體設(shè)計方案為：采用微

機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速后，帶

動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。

VI（或XI）處裝上一個脈沖發(fā)生器，用它發(fā)出脈沖使步進電機準

確地配合主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生進給運動實現(xiàn)螺紋加工功能（即主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車

刀移動一個被車工件的螺距）。將刀架換上一具自動轉(zhuǎn)動刀架，以數(shù)控

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轉(zhuǎn)換刀具進行切削加工，實現(xiàn)自動換刀要求。其總體布置見圖紙

3、CA6140車床數(shù)控改造

縱向進給機構(gòu)的改造。拆除原機床進給箱和溜板箱，利用原機床進

箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，

兩端仍采用原固定方式。由于滾珠絲機的摩擦系數(shù)小于原絲杜，故縱向

進給裝置整體剛度增大。

橫向進給機構(gòu)改造。保留原手動機構(gòu)，用于微進給和機床刀具對零操

作，原有的支承結(jié)構(gòu)也保留。步進電機一一齒輪箱體安裝在拖板后方。

為便于安裝滾珠絲杠副，絲杠軸不是整體的，而采用分移式，然后用套

筒剛性聯(lián)接。

縱、橫向進給機構(gòu)都采用一級齒輪減速，并采用22片齒輪錯齒法

消除間隙。雙片齒輪錯齒法這種消除齒側(cè)隙的一對嚙合齒輪中，其中一

個是寬齒輪，另一具是把兩薄片組成的齒輪，同時采取措施使一個薄片

齒輪的齒左側(cè)和另一個薄片齒輪的齒右側(cè)，分別緊貼在寬齒輪的齒槽

左、右兩側(cè)，這樣錯齒后就消除了齒側(cè)隙，反向時不會出現(xiàn)死區(qū)，采用

的措施為可調(diào)拉簧式，彈簧所受張力大小可用螺母調(diào)節(jié)螺釘?shù)纳斐鲩L

度，調(diào)整好后再用螺母鎖緊，從而消除間隙。這樣提高了系統(tǒng)的傳動精

度，減小了轉(zhuǎn)角誤差。

縱向齒輪箱和溜板箱，脈沖信號發(fā)生器均加外罩，以保持機床美觀，在

溜板箱上安裝縱、橫向快速進給按鈕和急停按鈕，以適應(yīng)機床調(diào)整時的

操作需要和遇到意外情況時緊急處理的需要。

由此計算如表1所示。

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表1:

3

aP(mm)222334444

f(mm)0.20.30.40.20.30.40.20.30.40.43

Fz112.5152.4189.1168.7228.7283.7161.96219.38272.46286.4

(Kgf)

由表1數(shù)據(jù)與FZ=152.76kgf對照，得到時切削深度ap=2mm,走刀

量f=0.3mm。

由于在一般外圓車削時：Fx=(0.1-0.6)FzFr=(0.15-0.7)Fz

因止匕取Fx=0.5Fz=0.5X152.76=76.38kgf

Fy=0.6Fz=0.6X152.76=91.65kgf

數(shù)控機床的滾珠絲杠是精密傳動元件，它在軸向力的作用下將產(chǎn)生伸

長或縮短,在扭矩的作用下將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，這將引起絲杠的導程發(fā)生變化，從

而影響其傳動精度及定位精度，因此滾珠絲化應(yīng)驗算滿載時的變形量。

滾珠絲杠受工作負載FX引起的導程L0的變化量

F/o

ALl=i式中：L0------基本導程，L0=0.6cm

由下表可知，E級數(shù)度絲杠允差剛度足夠。

絲杠精度等級允許誤差絲杠精度等級允許誤差(Prn/m)

C5F30

D10G60

E15H100

由于機床原絲杠直徑為①32mm,現(xiàn)選用的絲杠直徑也為①32mm,

支承方式不變，因此穩(wěn)定性不存在問題，不再驗算。

對于工作方式為三相六拍的步進電機，因此采用高低壓功放電路，

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并在程序設(shè)計中有速度控制程序，以免啟停時發(fā)生失步現(xiàn)象。，乃選用

110BF003型直流步進電機，便于設(shè)計和采購，同時也采用高低壓功放

電路和速度控制子程序，防止丟步。

三、數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控車床的核心部件，主要用來接收加工程序的各種信息,

完成數(shù)值計算、邏輯判斷、輸入輸出控制等功能。然后，向伺服系統(tǒng)發(fā)出

執(zhí)行的命令。一般由計算機、輸入輸出接口及可編程序控制器等組成，

其核心是計算機及其軟件。由于單片機具有體積小、速度快、功耗低、

性能可靠、使用方便、價格低廉等特點，因此，我們選擇單片機對此普

通車床進行數(shù)控改造。

1、用戶加工程序存儲器、串口電路的設(shè)計

①考慮到數(shù)控系統(tǒng)的運行環(huán)境以及數(shù)控系統(tǒng)對加工程序數(shù)據(jù)掉電保

護的要求，系統(tǒng)采用DALLAS公司生產(chǎn)的存儲器芯片DS1243Y來存儲

用戶加工程序。該芯片內(nèi)含8KbNVRAM、內(nèi)置式實時時鐘、嵌入式鋰

電池和32768Hz晶振，它具有高可靠上電、掉電及強電磁沖擊等數(shù)據(jù)保

護功能，還具有讀/寫速度快、方式簡單、次數(shù)無限的特點，并可為數(shù)

控系統(tǒng)的運行提供實時時鐘。該芯片引腳排列與一般的靜態(tài)RAM6264

完全兼容，可直接替代6264,因此，它與89C58的接口非常方便，具

體接口電路如圖紙。

②數(shù)控系統(tǒng)與上機位（PC機）的串行通信由1片MAX232芯片完

成。接口電路如圖紙（四），其中89C58的TxD、RxD分別與

MAX232的T2IN、R2OUT相連，而MAX232的T2OUT、R2IN接至

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PC機。

③時鐘、復(fù)位電路的設(shè)計。系統(tǒng)時鐘由89c58內(nèi)部振蕩電路與外接

晶振、電容共同產(chǎn)生，晶振頻率12MHzo復(fù)位電路主要由IMP813L構(gòu)

成，其RST信號與步進電機限位保護輸出信號進行或邏輯運算后接至

89c58的RESET引腳，復(fù)位操作可由上電、按復(fù)位鍵、限位保護控制

電路完成。

2、鍵盤/顯示子系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)采用圖形點陣式液晶顯示器MGLS-240128T,由于液晶顯示器

具有顯示容量大的特點，因此，系統(tǒng)鍵盤監(jiān)控管理可方便地設(shè)計成菜單

驅(qū)動方式，從而實現(xiàn)編輯模塊的全屏編輯功能。

3、I/O接口的設(shè)計

I/O接口是微處理器與外界聯(lián)系的通路，完成必要的數(shù)據(jù)格式和信號

形式的轉(zhuǎn)換。因此，I/O模塊以可編程并口芯片Intel8255為主體，經(jīng)過

8255實現(xiàn)89C58與電動刀架控制、步進電機控制及光電編碼接口電路

的連接。

由于環(huán)形分配器的輸出信號只有幾十毫安，而步進電機的繞組電流一

般需要數(shù)安培，因此，輸出信號需要進行功率放大,步進電動機的繞組是鐵

心電感線圈,在每一電壓脈沖期間，步進電動機的工作都是處于過渡過程

狀態(tài)，由于電感的影響,電流不能瞬時地跟隨電壓波形變化.頻率越高，滯后

就越嚴重,這就使力矩受到影響，造成失步。為了消除步進電機的低頻振

蕩，提高它的輸出轉(zhuǎn)矩和分辨率，步進電機的驅(qū)動采用恒頻脈寬細分驅(qū)

動控制方法。具體電路如圖。

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52558

PB口7LP521-4

刀架正轉(zhuǎn)

PCO

刀架反轉(zhuǎn)

PC1ILP521-4機控制

1

T]

PC2T2

PC3T3刀號反饋

PC4ILP521-4T4

PC5

限位保護

行

程

X+

X-開

Z+關(guān)

Z-

RQCRR

20KHzCLR

D/A

圖4步進電機、電動刀架及限位保護電路接口圖

工作原理：89c58經(jīng)過定時器TO輸出20KHz的方波，送D觸發(fā)器，作

為恒頻信號。同時，輸出的階梯電壓（Ua）的數(shù)字信號到D/A轉(zhuǎn)換

器，作為控制信號，Ua的每一次變化，都使轉(zhuǎn)子走一細分步。細分驅(qū)

動使步進電機的實際步距角變得更小，從而大大提高對執(zhí)行機構(gòu)的控制

精度。

4、電動刀架控制接口

由于改造后的車床為經(jīng)濟型的數(shù)控車床，因此從經(jīng)濟、實用的角度出

發(fā)，我們選擇的刀架具有4個工位，在控制電路的作用下依靠其機械部

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分實現(xiàn)刀具旋轉(zhuǎn)。電動刀架控制接口電路如圖4o圖中，89c58經(jīng)過

8255的PC口、光電隔離器件TLP521-4發(fā)出刀架電機正、反轉(zhuǎn)信號

JI、J2,經(jīng)過繼電器KAI、KA2控制電動刀架的動作切換。在刀架的旋

轉(zhuǎn)過程中，每個工件上的霍爾元件會依次切換為有效狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)刀

號反饋信號’門、T2、T3、T4狀態(tài)的變化，推斷出當前的刀號，并判斷

是否為當前所選用刀具，一旦符合，則刀架電機反向旋轉(zhuǎn)，鎖緊刀具。

5、限位保護控制接口

步進電機的運動由4個行程限位開關(guān)實現(xiàn)保護。4個限位開關(guān)為常

開狀態(tài)，正常時輸入信號X+、X?、Z+、Z.為低電平，它們經(jīng)過邏輯或

運算后輸出XW為低電平信號，再經(jīng)光電隔離后與IMP8I3的RST信號

相或，送到89C58的RESET引腳。當4個限位開關(guān)中有1個被壓下，

則XW為高電平，從而產(chǎn)生有效的RESET信號，迫使系統(tǒng)熱啟動，步

進電機停運，起到保護作用。

6、可編程序控制器

可編程序控制器在數(shù)控機床中主要完成各執(zhí)行機構(gòu)的邏輯順序

（M、S、T功能）控制，如刀具的更換、主軸的起停與變速、工件的裝

夾、冷卻泵的開關(guān)等。采用可編程序控制器可提高計算機數(shù)控裝置的靈

活性、可靠性和利用率，并使結(jié)構(gòu)緊湊。為此，采用歐姆龍C系列的可

編程序控制器，用于主軸電機起停與變速、冷卻泵的開關(guān)等。

C6132普通車床由主地電動機、潤滑泵電動機和冷卻泵電動機三臺交流

異步電動機拖動。三臺電動機均由380V三相交流電源供電，控制線路

采用380V交流電，照明燈的電壓為24V,信號燈的電壓為6V。由此可

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確定輸入輸出元件如下表所示:

輸入元件功能輸出元件功能

SB1停止按鈕KM1潤滑泵控制接觸器

SB2主軸正轉(zhuǎn)按鈕KM2主軸電動機正轉(zhuǎn)接觸器

SB3主軸反轉(zhuǎn)按鈕KM3主軸電動機反轉(zhuǎn)接觸器

SB4潤滑泵啟動按鈕EL照明燈

FR熱繼電器觸點HL信號燈

SA照明開關(guān)

根據(jù)C6132普通車床電氣控制所需輸入輸出元件數(shù)選擇C20P的

可編程序控制器。

四、數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1、數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控程序的設(shè)計

監(jiān)控程序是實現(xiàn)計算機數(shù)控裝置協(xié)調(diào)工作的主體軟件。本數(shù)控系統(tǒng)的

監(jiān)控程序采用模塊化設(shè)計，全程菜單驅(qū)動，具有容錯性強、使用方便的

特點。共由5大模塊組成：

①手動模塊。該模塊主要實現(xiàn)工作臺在x、z兩軸上正、反2個方

向的點動、聯(lián)動操作，以及手動控制換刀等，用于方便對刀、工作原點

設(shè)置等。

②自動模塊。該模塊主要實現(xiàn)加工程序的處理（包括程序語法檢

查、程序編譯、數(shù)據(jù)處理等）、插補運算、步進電機的控制及自動換刀

等。

③參數(shù)設(shè)置模塊,該模塊主要用于實現(xiàn)刀具補償參數(shù)設(shè)置、間隙補

償參數(shù)設(shè)置等自動加工參數(shù)的設(shè)置。

④編輯模塊。該模塊主要實現(xiàn)零件加工程序的鍵盤編輯、輸入，具

有類似于EDIT編輯器全屏編輯功能，是整個系統(tǒng)軟件的重要模塊。

顯示士菜單

申通

等待按鍵并判斷處理

米實

通■

訊

器

J時

E

模

塊

?/降速

「始加

3達到

圖5數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控程序流程框圖

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軟件實現(xiàn)方法：設(shè)AS為每個頻段上所定的步數(shù)，S為已走步數(shù)，f

為該段速度頻率，fmax為步進電機的最高工作頻率，則步進電機的升/降

速控制程序流程圖如圖6。

電氣控制梯形圖

根據(jù)C6132普通車床的控制要求，結(jié)合PLC控制特點，設(shè)計下列

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電氣控制梯形圖:

01000

潤滑泵

01003

照明燈

01004

信號燈

01002

正轉(zhuǎn)

01001

反轉(zhuǎn)

注：輸入元件均接為常開

步序程序指令器件號

程序為：0LDNOT00000

1ANDNOT00001

2IL

3LD00004

4OR01000

步序程序指令器件號

程序為：