机械机床毕业设计36CA6140型车床的经济型数控改造设计横向
C6140车床数控改造毕业设计论文
毕业设计任务书毕业设计题目：经济型C6140车床数控改造内容和要求：内容：司服进给系统的校核计算和微机数控系统硬件电路设计，完成普通C6140车床的数控化改造及相关图纸。
技术要求：利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠，刀架采用自动转位刀架。
工作质量要求：方案设计合理，理论计算准确，结构设计合理，图纸图面清楚，投影正确，标注完整，设计及绘图过程符合国家要求等。
软硬件条件：个人计算机；参考书；AutoCAD（或其他绘图条件）指导教师（签字）：年月日机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。
计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。
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。
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。
关键词：机床, 数控机床, 伺服进给系统, 单片机1．前言 (1)1.1 概述 (1)1.2 数控机床和数控技术 (1)1.3 数控机床的特点 (2)1.4 数控机床的发展 (3)2．总体方案的设计 (4)2.1 设计任务与要求 (4)2.1.1 课程设计的目的 (4)2.1.2 课程设计的主要技术参数 (4)2.2.3 课程设计的内容 (5)2.2.4 课程设计的要求 (5)2.2.5 课程设计的图纸 (5)2.2 总体方案的设计 (5)2.2.1 数控系统运动方式的确定 (5)2.2.2 伺服进给系统的改造设计 (6)2.2.3 数控系统的硬件电路设计 (6)3．伺服进给系统的计算 (8)3.1 确定系统脉冲当量 (8)3.2 切削力的计算 (8)3.2.1 纵车外圆 (8)3.2.2 横切端面 (8)3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (9)3.3.1 纵向进给丝杠 (9)3.3.2 横向进给丝杠......................................... .11 3.3.3 纵向和横向滚珠丝杠螺母副几何参数..................... .143.4 齿轮传动比计算 ........................................ .15 3.4.1 纵向进给齿轮箱传动计算 .............................. .15 3.4.2 横向进给齿轮箱传动计算 .............................. .15 3.5 步进电动机的计算和选型 ................................ .16 3.5.1 纵向进给步进电动机计算 .............................. .16 3.5.2 横向进给步进电动机的计算和选型 ...................... .20 4．微机数控系统硬件电路设计............................... .21 4.1 微机控制系统硬件的选择 ................................ .21 4.2 8255A可编程并行I/O口扩展芯片......................... .23 4.3 8255端口的寻址........................................ .26 4.4 可编程键盘，显示器接口—Intel8279 ..................... .27 4.5 部分硬件接口电路及辅助电路设计 ........................ .28 4.6 数控系统软件设计 ...................................... .30 结论 ................................................... ..32 致谢 .................................................... .33 参考文献 .................................................. .34 附件 .. (35)1 前言1.1 概述整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。
车床CA6140主轴系统的数控化改造及仿真毕业设计
车床CA6140主轴系统的数控化改造及仿真毕业设计1.摘要本论文针对车床CA6140主轴系统进行数控化改造及仿真设计，旨在提高车床的加工精度和生产效率。
首先，对车床的主轴系统进行了详细分析，并确定了改造的目标和需求。
然后，基于数控系统的工作原理和数控编程的方法，设计了适用于CA6140主轴系统的数控控制系统。
最后，通过仿真模拟对改造方案进行了验证，并使用实际加工试验进行了实验验证。
实验结果表明，通过数控化改造，主轴系统的加工精度和生产效率得到了显著提高。
2.引言车床是传统机械加工设备中常用的一种，但是由于其控制方式落后，存在加工精度低、生产效率不高等问题。
因此，对车床进行数控化改造是提高其加工精度和生产效率的重要手段。
主轴系统作为车床的核心部件之一，其控制精度对整个车床的加工效果起着重要作用。
本论文针对车床CA6140主轴系统进行了数控化改造及仿真设计，旨在提高其加工精度和生产效率。
3.车床CA6140主轴系统的分析与改造目标首先，对车床CA6140主轴系统的结构和工作原理进行了详细分析，发现其存在传动链路复杂、加工精度不稳定等问题。
基于此，确定了改造目标为提高主轴系统的加工精度和稳定性，并提高其生产效率。
4.数控控制系统的设计根据数控系统的工作原理和数控编程的方法，设计了适用于CA6140主轴系统的数控控制系统。
首先，选取了适合主轴系统控制的数控设备，并设计了相应的控制算法和程序。
然后，对数控编程进行了详细设计，并使用仿真软件进行了仿真验证。
5.改造方案的仿真与验证为了验证改造方案的有效性，使用仿真软件对其进行了仿真模拟。
首先，建立了CA6140主轴系统数学模型，并将其运行参数与改造后的数控控制系统进行了耦合。
然后，通过调整控制系统的参数，对加工过程进行了仿真模拟，并对加工结果进行了分析和评估。
最后，使用实际加工试验进行了实验验证，并与仿真结果进行了对比分析。
6.结论通过车床CA6140主轴系统的数控化改造及仿真设计，本论文有效提高了主轴系统的加工精度和生产效率。
CA6140车床的经济型数控改造设计 机械 毕业设计
摘要我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。
这种现象的出现，除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。
普通机床的数控化改造事业方兴未艾，在我国目前形式下将大批故障机床尤其是一大批闲置的普通机床进行改造、升级，以较小的投入尽快使这批设备在经济发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题。
此次毕业设计中，我主要改造的部分是自动刀架、传动机构的滚珠丝杠的加入，实现了单片机控制，并对步进电机进行了选择，并加入了主轴脉冲发生器,使车床的精度，安全性得到了一定的提高，同时节省了操作时间。
关键词:滚珠丝杠单片机脉冲发生器自动刀架目录第1章绪论----------------------------------------------------------11.1 国内外车床发展概况及存在的问题--------------------11.2 数控化改造的内容-----------------------------------------21.3 数控机床的发展趋势--------------------------------------2第2章C6140普通车床数改的总体方案----------------------42.1 总体改造方案-----------------------------------------------42.2 主传动系统和进给系统的改造--------------------------42.2.1 机械部分的改造---------------------------------------52.2.2 刀架的改造---------------------------------------------5第3章数改C6140车床传动装置设计-------------------------53.1 传动装置总体设计--------------------------------------------53.2 滚珠丝杠螺母副选择-----------------------------------------63.2.1 滚珠丝杠副的特点及类型---------------------------73.2.2 滚珠丝杠副的结构------------------------------------83.3 纵向进给系统的设计与计算--------------------------------93.3.1 纵向进给系统的设计计算---------------------------93.3.2 滚珠丝杠设计计算------------------------------------113.3.3 齿轮及转矩的有关计算------------------------------153.4 横向进给系统的设计计算-----------------------------------193.4.1 横向进给系统的设计计算---------------------------193.4.2 滚珠丝杠设计计算------------------------------------203.4.3 齿轮及转矩有关计算---------------------------------223.5 滚珠丝杠副的安装结构--------------------------------------243.6 进给系统传动齿轮间隙的消除-----------------------------253.6.1 采用减速箱的目的及注意事项---------------------253.6.2 减少或消除空程的必要性和方法-----------------25第4章数改C6140自动刀架设计------------------------------264.1 自动刀架的分类----------------------------------------------264.2 自动刀架的设计----------------------------------------------274.2.1 刀架抬起--------------------------------------------------274.2.2 刀架转位--------------------------------------------------274.2.3 刀架定位--------------------------------------------------274.2.4 夹紧刀架--------------------------------------------------28第5章数改C6140步进电机的选择---------------------------295.1 步进电机的工作方式----------------------------------------295.2 步进电机的选择----------------------------------------------295.2.1 数改C6140纵向进给系统步进电机的确定-------295.2.2 数改C6140横向进给系统步进电机的确定-------305.3 主轴脉冲发生器---------------------------------------------305.4 主轴脉冲发生器的结构及原理--------------------------315.5 数控系统基本硬件组成-----------------------------------325.6 单片机控制系统的设计-----------------------------------335.6.1 硬件配置-------------------------------------------------335.6.2 存贮器空间分配----------------------------------------335.6.3 I/O口地址分配-----------------------------------------345.6.4 光电隔离电路-------------------------------------------34第一章绪论1.1国内外车床发展概况及存在的问题随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。
CA6140普通车床经济型数控改造设计
优秀设计XXXX大学毕业设计说明书学生姓名：学号：学院：专业：题目：CA6140普通车床经济型数控改造设计指导教师：职称:职称:20**年XX月XX日毕业设计（论文）任务书注：任务书的具体内容可依据各系要求进行修正。
另，学生所做毕业设计(论文)的工作的研究成果归河北理工大学所有，学生不能向第三方泄露有关成果内容和技术秘密。
目录摘要 (6)Abstract (7)1绪论 (8)1.1引言 (8)1.2机床数控改造的目的 (9)1.3数控系统的产生和发 (10)1.3.1数控系统的出现和发展 (10)1.3.2数控系统的发展趋势 (11)1.4数控改造的必要性 (11)1.5数控机床改造的优点 (12)1.6数控机床改造的设计步骤 (13)1.7 CA6140的数控改造 (14)1.7.1数控系统的选择 (14)1.7.2 CPU和存储器 (15)1.7.3 I/O接口电路 (16)1.7.4其它部件的选择 (16)2数据参数的选择及其计算 (18)2.1纵向进给系统得设计计算（装配图2） (18)2.1.1选择脉冲当量： (18)2.1.2计算切削力： (18)2.1.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型： (20)2.1.4齿轮及转距的有关计算： (21)2.2横向进给系统的设计计算： (23)2.2.1切削力计算： (24)2.2.2滚珠丝杠设计计算： (24)2.2.3齿轮及设计的有关计算： (26)2.2.3步进电机的选择： (27)2.3自动刀架的设计 (29)2.3.1刀架的抬起： (29)2.3.2刀架的回转和选位 (29)2.3.2刀架的下降定位和压紧 (30)2.3.3减速机构的设计计算 (31)2.3.3蜗杆传动的设计计算 (34)2.3.4螺旋升降装置得设计计算 (38)3数控系统硬件电路设计 (43)3.1概述 (43)3.2 8088微处理器控制系统设计 (44)3.2.1主要技术特性及硬件配置 (44)3.2.2存储空间的分配 (44)3.2.3I/O地址分配 (44)3.2.4单片机部分电路设计图如图纸所示 (44)3.2.5光电隔离电路 (44)3.2.6功率放大电路 (45)3.2.7其他辅助电路 (46)4软件设计部分 (47)4.1概述 (47)4.2总体方案设计 (47)4.3插补方法的确定 (48)4.4进给控制字FCW的设置 (50)4.5环行分配器的子程序 (50)附录Ⅰ (51)附录Ⅱ (57)致谢 (62)参考文献 (63)摘要近20年来.我国数控技术和数控机床走过了引进技术、消化吸收和实现产业化的历程。
CA6140型普通车床数控化改造设计
7、可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度,及时提提高生产设备自动化水平和效率，提高机床质量和档次,将旧机床改造成当今水平的机床。自动化程度高、专业性强、加工精度高、生产效率高。
8、增强了功能，如圆弧加、锥度加工，这是传统加工方法难以完成的。
9、交货期短，可满足生产急需。
六、 数控改造的设计步骤
1.旧机床的设备选型
通常对一台旧机床，是否需要进行数控化改造，首先应对该设备进行估价，这也就是设备选型。已判断该设备是否有改造价值，改造后不能满足需求，改造后的可能性等，这些都于设备的选择密切相关，所以设备选型是设备改造的重要环节，应重点考虑几个重要参数:设备的型号规格、生产厂家和国别、投产时间、目前运行状况、剩余价值(机械、电气)、改造后可达到的预期效果。数控改造应尽可能采用20世纪80年代后生产的机床，因为这类机床由于使用年限短，其几何精度相对高一些，改造效果也要好一些。
以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
（二）从宏观上看，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。 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，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 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，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
毕业设计_CA6140车床数控改造设计说明书
CA6140车床数控改造设计说明书目录1 概论 (2)1.1 数控机床应用的局限性 (2)1.2机床数控化改造的优点 (2)2总体方案设计 (3)3 进给伺服系统机械部分设计计算与校核 (4)3.1机械结构改装设计 (5)3.1.1方案的确定 (5)3.2计算切削力 (5)3.2.1 纵车外圆 (5)3.2.2 横切端面 (5)3.3滚珠丝杠副的计算和选型 (6)3.3.1纵向进给丝杠 (6)3.3.2 横向进给丝杠 (8)3.3.3纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 (10)3.4齿轮传动比计算 (11)3.4.1纵向进给齿轮箱传动比计算 (11)3.4.2横向进给齿轮箱传动比计算 (11)3.5步进电机的计算和选型 (12)3.5.1纵向进给步进电机 (12)3.5.2横向进给步进电机 (15)4 进给伺服系统机械部分结构设计 (19)4.1进给伺服系统总图设计 (19)4.2进给伺服系统的装配图 (19)5微机控制系统硬件电路设计 (20)5.1硬件电路一般要求 (20)5.2控制系统的组成及功能 (21)5.2.1 CPU、存储器、I/O接口电路扩展 (21)5.2.2控制系统的功能 (22)5.3步进电机控制电路 (22)5.3.1步进电机半闭环驱动原理 (22)5.3.2脉冲分配 (23)5.3.3驱动电路 (23)5.3.4其他辅助电路 (24)6 微机控制系统的软件设计 (24)7 机床的加工程序编制 (30)参考文献 (31)致谢 (32)附录…………………………………………………………………………………………………331概论数控机床与通用机床相比，增加了功能，提高了性能，简化了结构，较好地解决形状复杂、精密、小批及形状多变零件的加工问题，能够获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。
1.1 数控机床应用的局限性（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。
CA6140车床的经济型数控改造设计 机械 毕业设计
For personal use only in study and research; not forcommercial use摘要我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。
这种现象的出现，除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。
普通机床的数控化改造事业方兴未艾，在我国目前形式下将大批故障机床尤其是一大批闲置的普通机床进行改造、升级，以较小的投入尽快使这批设备在经济发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题。
此次毕业设计中，我主要改造的部分是自动刀架、传动机构的滚珠丝杠的加入，实现了单片机控制，并对步进电机进行了选择，并加入了主轴脉冲发生器,使车床的精度，安全性得到了一定的提高，同时节省了操作时间。
关键词:滚珠丝杠单片机脉冲发生器自动刀架目录第1章绪论----------------------------------------------------------11.1 国内外车床发展概况及存在的问题--------------------11.2 数控化改造的内容-----------------------------------------21.3 数控机床的发展趋势--------------------------------------2第2章C6140普通车床数改的总体方案----------------------42.1 总体改造方案-----------------------------------------------42.2 主传动系统和进给系统的改造--------------------------42.2.1 机械部分的改造---------------------------------------52.2.2 刀架的改造---------------------------------------------5第3章数改C6140车床传动装置设计-------------------------53.1 传动装置总体设计--------------------------------------------53.2 滚珠丝杠螺母副选择-----------------------------------------63.2.1 滚珠丝杠副的特点及类型---------------------------73.2.2 滚珠丝杠副的结构------------------------------------83.3 纵向进给系统的设计与计算--------------------------------93.3.1 纵向进给系统的设计计算---------------------------93.3.2 滚珠丝杠设计计算------------------------------------113.3.3 齿轮及转矩的有关计算------------------------------153.4 横向进给系统的设计计算-----------------------------------193.4.1 横向进给系统的设计计算---------------------------193.4.2 滚珠丝杠设计计算------------------------------------203.4.3 齿轮及转矩有关计算---------------------------------223.5 滚珠丝杠副的安装结构--------------------------------------243.6 进给系统传动齿轮间隙的消除-----------------------------253.6.1 采用减速箱的目的及注意事项---------------------253.6.2 减少或消除空程的必要性和方法-----------------25第4章数改C6140自动刀架设计------------------------------264.1 自动刀架的分类----------------------------------------------264.2 自动刀架的设计----------------------------------------------274.2.1 刀架抬起--------------------------------------------------274.2.2 刀架转位--------------------------------------------------274.2.3 刀架定位--------------------------------------------------274.2.4 夹紧刀架--------------------------------------------------28 第5章数改C6140步进电机的选择---------------------------295.1 步进电机的工作方式----------------------------------------295.2 步进电机的选择----------------------------------------------295.2.1 数改C6140纵向进给系统步进电机的确定-------295.2.2 数改C6140横向进给系统步进电机的确定-------305.3 主轴脉冲发生器---------------------------------------------305.4 主轴脉冲发生器的结构及原理--------------------------315.5 数控系统基本硬件组成-----------------------------------325.6 单片机控制系统的设计-----------------------------------335.6.1 硬件配置-------------------------------------------------335.6.2 存贮器空间分配----------------------------------------335.6.3 I/O口地址分配-----------------------------------------345.6.4 光电隔离电路-------------------------------------------34第一章绪论1.1国内外车床发展概况及存在的问题随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。
C6140车床数控化改造课程设计
把 普 通 车 床 C6140 改 造 成 经 济 型 数 控 车 床 。主 要 的 任 务 要 求 如 下所列：
（1）床身上最大加工直径 400mm; （2） 最大加工长度 1000mm；
（ 3 ） X 方 向（ 横 向 ）的 脉 冲 当 量 0.005mm /脉冲，Z 方 向（ 纵 向 ）
3.2 安装电动卡盘
数控化改装的要求就是提高加工效率，同时使车床的操作简单 方 便 ，因 此 工 件 的 定 位 选 用 电 动 卡 盘 ，而 KD11250 型 电 动 三 爪 自 定 心卡盘就可以很好的实现这个要求。卡盘的控制由数控系统完成。
3.3 换装自动回转刀架
考虑到车床的加工精度和自动化程度，如果安装自动回转刀架 可以完成一次装夹多道工序，则会满足以上的要求。因此将原有的 刀 架 换成 自 动 回 转 刀 架 ，刀 架 选 用 LD4B-CK6140 型 四 工 位 立式 电 动刀架。刀架的自动换刀由相应的数控系统完成。
第四节 进给传动部件的计算和选型
纵 、横 向 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 主 要 包 括 ：确 定 脉 冲 当 量 、 计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机 等。
4.1 脉冲当量的确定
步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的轨型元
件 。对 于 每 一 个 电 脉 冲 ，步 进 电 机 都 将 产 生 一 个 恒 定 的 步 进 角 位 移 ，
长 期 以 来 ，我 国 的 数 控 系 统 为 传 统 的 封 闭 式 体 系 结 构 ，C N C只 能 作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数 形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及 自 动 编 程 系 统 进 行 编 制 。CAD/CAM和 C N C之 间 没 有 反 馈 控 制 环 节 ， 整 个 制 造 过 程 中 C N C只 是 一 个 封 闭 式 的 开 环 执 行 机 构 。 在 复 杂 环 境 以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、 进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无 法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通 过 反 馈 控 制 环 节 随 机 修 正 CAD/CAM中 的 设 定 量 ， 因 而 影 响 CN C的 工 作 效 率 和 产 品 加 工 质 量 。 由 此 可 见 ， 传 统 CNC系 统 的 这 种 固 定 程 序 控 制 模 式 和 封 闭 式 体 系 结 构 ，限 制 了 C N C向 多 变 量 智 能 化 控 制 发 展 ， 已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必 行。
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摘要针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。
本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。
采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。
改造过程如下：（1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。
主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向、横向机构装配图方案的制定。
（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。
关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，改造IABSTRACTABSTRACTTo remedy the defects of ordinary lather C6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forwa rd to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。
This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。
We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。
After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。
Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。
Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart.Key words :numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reformIII目录摘要 (Ⅰ)ABSTRACT（英文摘要） (Ⅱ)目录 (Ⅲ)第一章前言 (1)第二章总体方案设计 (2)2.1机械部分改造 (2)2.2数控系统部分设计 (2)第三章机械部分改造设计 (4)3.1横向进给系统的设计与计算 (4)3.1.1横向进给系统的设计 (4)3.1.2横向进给系统的设计计算 (4)3.1.3步进电机的选择 (7)3.2数控车床的传动装置设计 (7)3.2.1螺旋传动 (7)3.2.2轴的结构设计 (9)3.2.3透盖的结构设计 (10)3.2.4螺母座的结构设计 (10)3.3自动转位刀架的设计 (11)第四章微机数控系统设计 (13)4.1概述 (13)4.2数控系统的硬件电路设计 (13)4.2.1微机机型和扩展存储器的选择 (14)4.2.2确定I/O接口 (15)4.2.3键盘接口设计 (16)4.2.4显示电路设计 (17)4.3软件设计 (18)4.3.1插补原理及其程序设计 (19)IVABSTRACT4.3.2步进电机的控制及其程序设计 (21)4.3.3间隙补偿功能 (29)4.3.4键盘的诊断 (30)4.3.5自动换刀程序设计 (31)结论 (33)参考文献 (34)VABSTRACT1 前言国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。
1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。
此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。
1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。
随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。
我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。
由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。
如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。
如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。
这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。
实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。
本课题来源于生产实践。
将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6140车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。
在整个设计过程中满足以下几点要求：a．横向（X向）进给脉冲当量为0.005mm /脉冲；b．进给速度范围：向 3 ～ 1000mm/min （无级调速）快进速度：X向 1000 ～ 3000mm/min内任意设定；c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联动；d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能；e.改造方便，成本低。
该设计的总体思路是采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。
微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。
步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。
由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会CA6140型车床的经济型数控改造设计(横向)引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。
2 总体方案设计由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。
2.1 机械部分改造横向进给机构的改造：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。
2.2 数控系统部分设计数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系统根据设计要求，CA6140车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。
根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。
采用以步进电机驱动的开环控制。
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。
开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。
采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。
其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。
自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。
该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。
微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。
步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动ABSTRACT图 2-1 CA6140车床数控改造的总体方案示意图综上所述，本设计改造的总体方案为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。
数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。
CA6140型车床的经济型数控改造设计(横向)3 机械部分改造设计3.1 横向进给系统的设计与计算3.1.1 横向进给系统的设计步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。