普通机床的自动化改造设计项目说明书.doc

摘 要

随着当今工业设备对精密限度规定越来越高，加工设备机械加工设备加工精密限度也规定越来越高。而在中华人民共和国机械加工设备车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术加工工人。因此对机床进行自动化改造很是必要。本篇论文是在对普通卧式车床C6150基本上对其进行自动化改造。
作者在搜索、查阅研究大量关于资料基本上，对机床自动化改造技术进行了进一步研究和分析，并描述了机床控制系统设计。整个改造过程重要对车床纵、横向进给系统进行改造，选用自动转位刀架，由脉冲发生器来加工所需要螺纹。整个控制系统以8031型号单片机为中心，通过编程对机床驱动设备进行控制以达到所需要加工限度。

核心词：

机床改造； 自动化机床； 控制系统

目 录

第1章 绪论 ........1
1.1数控机床与数控技术 1
1.1.1数控机床与发展趋势 1
1.1.2数控技术 1
1.1.3数控技术发展趋势 3
1.1.4数控机床当前在工业中地位 5
1.2数控改造必要性 5
1.2.1机床与生产线数控化改造市场 5
1.2.2机床数控化改造必要性 6
1.3数控化改造内容及优缺 6
1.4对国内数控技术和产业化发展战略看法 7
1.4.1形势考虑 8
1.4.2发展方略 8
1.5本文选题及重要研究内容 8
1.5.1本文选题 8
1.5.2重要研究内容 9
第2章 数控车床总体改造方案及机械某些设计 9
2.1设计规定 9
2.1.1设计基本思路 9
2.1.2改造方案拟定 9
2.1.3设计目 9
2.1.4总体方案设计 10
2.2滚珠丝杠设计计算与选用 11
2.2.1滚珠丝杠 11
2.2.2纵向滚珠丝杠设计与计算 11
2.2.3横向滚珠丝杠设计与计算 18
2.2.4滚珠丝杠安装与使用 24
2.3电机与滚珠丝杠连接用一级减速齿轮设计与校核 26
2.3.1齿轮传动 26
2.3.2纵向减速齿轮设计与校核 27
2.3.3横向减速齿轮设计与校核 29
2.4进给系统步进电动机计算与选取 31
2.4.1步进电动机 31
2.4.2纵向电机计算与选取 33
2.4.3横向电机计算与选取 34
2.5电动刀架选取与简介 26
第3章 普通车床自动化改造单片机控制 38
3.1系统设计 38
3.2用单片机控制系统电路 39
3.2.1键盘、显示屏接口电路 41
3.2.2步进电动机驱动电路设计 42
第4章 小结 44
参照文献 45
中文译文 46
致 谢 49

第1章 绪论

1.1数控机床与数控技术
1.1.1数控机床与发展趋势
（1）数控机床：1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表白人类创造了可增强和某些代替脑力劳动工具。它与人类在农业、工业社会中创造那些只是增强体力劳动工具相比，起了质奔腾，为人类进入信息社会奠定了基本。
6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，老式机床产生了质变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代发展。
①数控（NC）阶段（1952～1970年）
初期计算机运算速度低，对当时科学计算和数据解决影响还不大，但不能适应机床实时控制规定。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件发展，这个阶段历经了三代，即1952年第一代--电子管；1959年第二代--晶体管；1965年第三代--小规模集成电路。
②计算机数控（CNC）阶段（1970年～当前）　　
到1970年，通用小型计算机业已浮现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有"通用"两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机两个最核心部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微解决器（MICROPROCESSOR又可称为中央解决单元（简称CPU）。
到1974年微解决器被应用于数控系统。这是由于小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微解决器经济合理。并且当时小型机可靠性也不抱负。初期微解决器速度和功能虽还不够高，但可以通过多解决器构造来解决。由于微解决器是通用计算机核心部件，故仍称为计算机数控。　　
到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）性能已发展到很高阶段，可以满足作为数控系统核心部件规定。数控系统从此进入了基于PC阶段。
总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年第四代--小型计算机；1974年第五代--微解决器和1990年第六代--基于PC（国外称为PC-BASED）。
还要指出是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而国内仍习惯称数控（NC）。因此咱们寻常讲"数控"，实质上已是指"计算机数控"了。
1.1.2数控技术
随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械制造技术高速发展，机床数控技术有了长足进步。近几年某些有关技术发展，如刀具及新材料发展，主轴伺服和进给伺服、超高速切削等技术发展，以及对机械产品质量规定越来越高等，加速了数控机床发展。当前数控机床正朝着高速度、高精度、高工序集中度、高复合化和高可靠性等方向发展。世界数控技术及其装备发展趋势重要体当前如下几种方面。
① 高速高效高精度
高生产率。由于数控装置及伺服系统功能改进，主轴转速和进给速度大大提高，减少了切削时间和非切削时间。加工中心进给速度已达到80m/min～120m/min，进给加速度达9.8m/s2～19.6m/s2，换刀时间不大于1s。高加工精度。此前汽车零件精度数量级普通为10 μm，对精密零件规定为1 μm，随着精密产品浮现，对精度规定提高到0.1 μm，有些零件甚至已达到0.01 μm，高精密零件规定提高机床加工精度，涉及采用温度补偿等。微机电加工，其加工零件尺寸大小普通在1mm 如下，表面粗糙度为纳米数量级，规定数控系统能直接控制纳米机床。
②柔性化
柔性化涉及两个方面柔性：一是数控系统自身柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，便于不同顾客需求；二是DNC 系统柔性，同一DNC系统可以根据不同生产流程规定，使物料流和信息流自动进行动态调节，从而最大限度地发挥DNC 系统效能。
③工艺复合化和多轴化
数控机床工艺复合化，是指工件在一台机床上装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或旋转工作台等各种办法，完毕多工序、多表面复合加工。已经浮现了集钻、镗、铣功能于一身数控机床，可完毕钻、镗、铣、扩孔、铰孔、攻螺纹等多工序复合数控加工中心，以及车削加工中心，钻削、磨削加工中心，电火花加工中心等。此外数控技术进步也提供了多轴控制和多轴联动控制功能。
④ 实时智能化
初期实时系统普通针对相对简朴抱负环境，其作用是如何调度任务，以保证任务在规定期限内完毕。而人工智能，则试图用计算模型实现人类各种智能行为。科学发展到今天，实时系统与人工智能已实现互相结合，人工智能正向着具备实时响应更加复杂应用领域发展，由此产生了实时智能控制这一新领域。在数控技术领域，实时智能控制研究和应用正沿着几种重要分支发展，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如，在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统；在高速加工时综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能；在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统控制性能大大提高，从而达到最佳控制目。
⑤ 构造新型化
20 世纪90 年代一种完全不同于本来数控机床构造新型数控机床被开发成功。这种新型数控机床被称为“6条腿”加工中心或称虚拟轴机床(有还称为并联机床)，它能在没有任何导轨和滑台状况下，采用可以伸缩“6条腿”(伺服轴)支撑并联，并与安装主轴头上平台和安装工件下平台相连。它可实现多坐标联动加工，其控制系统构造复杂，加工精度、加工效率较普通加工中心高2～10 倍。这种数控机床浮现将给数控机床技术带来重大变革和创新。
⑥ 编程技术自动化
随着数控加工技术迅速发展，设备类型增多，零件品种增长以及零件形状日益复杂，迫切需要速度快、精度高编程，以便于对加工过程直观检查。为弥补手工编程和NC 语言编程局限性，近年来开发出各种自动编程系统，如图形交互式编程系统、数字化自动编程系统、会话式自动编程系统、语音数控编程系统等，其中图形交互式编程系统应用越来越广泛。图形交互式编程系统是以计算机辅助设计(CAD)软件为基本，一方面形成零件图形文献，然后再调用数控编程模块，自动编制加工程序，同步可动态显示刀具加工轨迹。其特点是速度快、精度高、直观性好、使用简便，已成为国内外先进CAD/CAM 软件所采用数控编程办法。当前惯用图形交互式软件有Master CAM、Cimatron、Pro/E、UG、CAXA、Solid Works、CATIA等。
⑦ 集成化
数控系统采用高度集成化芯片，可提高数控系统集成度和软、硬件运营速度，应用平板显示技术可提高显示屏性能。平板显示屏(FPD)具备科技含量高、质量小、体积小、功耗低、便于携带等长处，可实现超大规模显示，成为与CRT 显示屏抗衡新兴显示屏，是21 世纪显示屏主流。它应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融于一体,通过提高集成电路密度，减小互连长度和数量来减少产品价格、改进性能、减小组件尺寸、提高系统可靠性。
⑧ 开放式闭环控制模式
采用通用计算机构成总线式、模块化、开放、嵌入式体系构造，便于裁减、扩展和升级，可构成不同档次、不同类型、不同集成限度数控系统。闭环控制模式是针对老式数控系统仅有专用型封闭式开环控制模式提出。由于制造过程是一种有多变量控制和加工工艺综合伙用复杂过程，涉及诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因而，要实现加工过程多目的优化，必要采用多变量闭环控制，在实时加工过程中动态调节加工过程变量。在加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、多媒体技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。
1.1.3数控技术发展趋势
（1）数控技术装备工业技术水平和当代化限度决定着整个国民经济水平和当代化限度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)使能技术和最基本装备。马克思曾经说过“各种经济时代区别，不在于生产什么，而在于如何生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动最基本生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家战略物资，不但采用重大办法来发展自己数控技术及其产业，并且在“高精尖”数控核心技术和装备方面对国内实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位重要途径。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制技术，数控装备是以数控技术为代表新技术对老式制造产业和新兴制造业渗入形成机电一体化产品，即所谓数字化装备，其技术范畴覆盖诸多领域:(1)机械制造技术;(2)信息解决、加工、传播技术;(3)自动控制技术;(4)伺服驱动技术:(5)传感器技术:(6)软件技术等。
（2）数控技术发展趋势
数控技术应用不但给老式制造业带来了革命性变化，使制造业成为工业化象征，并且随着数控技术不断发展和应用领域扩大，她对国计民生某些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)发展起着越来越重要作用，由于这些行业所需装备数字化已是当代发展大趋势。从当前世界上数控技术及其装备发展趋势来看，其重要研究热点有如下几种方面。
①高速、高精加工技术是装备新趋势
效率、质量是先进制造技术主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大当代制造技术之一，国际生产工程学会(CIRP)将其拟定21世纪中心研究方向之一。
在轿车工业领域，年产30万辆生产节拍是40秒/辆，并且多品种加工是轿车装备必要解决重点问题之一;在航空和宇航工业领域，其加工零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小状况下，才干对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”办法来制造机翼、机身等大型零件来代替各种零件通过众多铆钉、螺钉和其她联结方式拼装，使构件强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性规定。
当前高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运营速度可达100m/min左右。当前世界上许多汽车厂，涉及国内上海通用汽车公司，己经采用以高速加工中心构成生产线某些代替组合机床。美国CINCINNAT工公司HyperMach机床进给速度最大达60m/min，迅速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样零件在普通高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h;德国DMG公司双主轴车床主轴速度及加速度分别达
1r/mm和lgo
在加工精度方面，近来，普通级数控机床加工精度已由l0um提高到5} m，精密级加工中心则从3}5um，提高到1一1.5}m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0. O1 u动。
在可靠性方面，国外数控装置MTBF值己达6 OOOh以上，伺服系统MTBF值达到30000h以上，体现出非常高可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套功能部件如电主轴、直线电机得到
了迅速发展，应用领域进一步扩大。
②智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展重要趋势
21世纪数控装备将是具备一定智能化系统，智能化内容涉及在数控系统中各个方面:为追求加工效率和加工质量方面智能化，如加工过程自适应控制，工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接以便智能化，如前馈控制、电机参数自适应运算、自动辨认负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面智能化，如智能化自动编程、智能化人机界面等;尚有智能诊断、智能监控方面内容、以便系统诊断及维修等。
③数控设备更注重安全性、操作性
数控设备是集机电一体化产品，由于其自动化限度高，因此对其安全性和可操作性有了更高规定。
1.1.4数控机床当前在工业中地位
近年来国内公司数控机床占有率逐年上升，在大中公司已有较多
使用，在中小公司甚至个体公司中也普遍开始使用。
国内数控金切机床产量已达1. 8万台，比上年增长28. 5%，机床行业产值数控化率从17. 4%提高到22. 7%。
，国内机床工业产值己进入世界第5名，机床消费额在世界
排名上升到第3位，达47. 39亿美元，仅次于美国53. 67亿美元，消费
额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场需求，使国内机床进口额呈逐年上升态势，进口机床跃升至世界第2位，达24. 06亿美元，比上年增长27％。
近年来国内出口额增幅较大数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口数控机床品种以中低档为主。
1.2数控改造必要性
1.2.1机床与生产线数控化改造市场
（1）机床数控化改造市场
　　国内当前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即国内机床数控化率不到3％。近来，国内数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床年产量数控化率为6％。国内机床役龄以上占60％以上；如下机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见咱们大多数制造行业和公司生产、加工装备绝大数是老式机床，并且半数以上是役龄在以上旧机床。用这种装备加工出来产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺少竞争力，直接影响一种公司产品、市场、效益，影响公司生存和发展。因此必要大力提高机床数控化率。
（2）进口设备和生产线数控化改造市场
　　国内自改革开放以来，诸多公司从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全记录，从1979～1988年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大概165.8亿美元。
　　这些项目中，大某些项目为国内经济建设发挥了应有作用。但是有引进项目由于种种因素，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使公司效益受到影响，严重使公司陷入困境。某些设备、生产线从国外引进后来，有消化吸取不好，备件不全，维护不当，成果运转不良；有引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，导致项目不完整，设备潜力不能发挥；有甚至不能启动运营，没有发挥应有作用；有生产线产品销路较好，但是由于设备故障不能达产达标；有由于能耗高、产品合格率低而导致亏损；有已引进较长时间，需要进行技术更新。种种因素使有设备不但没有创造财富，反而消耗着财富。
　　这些不能使用设备、生产线是个包袱，也是一批很大存量资产，修好了就是财富。只要找出重要技术难点，解决核心技术问题，就可以最小投资盘活最大存量资产，争取到最大经济效益和社会效益。这也是一种极大改造市场。
1.2.2机床数控化改造必要性
（1）微观看改造必要性
从微观上看，数控机床比老式机床有如下突出优越性，并且这些优越性均来自数控系统所包括计算机威力。
可以加工出老式机床加工不出来曲线、曲面等复杂零件。
由于计算机有高超运算能力，可以瞬时精确地计算出每个坐标轴瞬时应当运动运动量，因而可以复合成复杂曲线或曲面。
可以实现加工自动化，并且是柔性自动化，从而效率可比老式机床提高3～7倍。
由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入程序记住和存储下来，然后按程序规定顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一种程序，就可实现另一工件加工自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了"柔性自动化"。
加工零件精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要"修配"。
可实现多工序集中，减少零件 在机床间频繁搬运。
拥有自动报警、自动监控、自动补偿等各种自律功能，因而可实现长时间无人看守加工。
由以上五条派生好处。
如：减少了工人劳动强度，节约了劳动力（一种人可以看守多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出迅速反映等等。
以上这些优越性是前人想象不到，是一种极为重大突破。此外，机床数控化还是履行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）等公司信息化改造基本。数控技术已经成为制造业自动化核心技术和基本技术。
（2）宏观看改造必要性
　　从宏观上看，工业发达国家军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对老式产业（涉及军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还涉及在产品开发中履行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中履行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产产品中增长信息技术，涉及人工智能等含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行进一步改造（称之为信息化）最后使得她们产品在国际军品和民品市场上竞争力大为增强。而咱们在信息技术改造老式产业方面比发达国家约落后。如国内机床拥有量中，数控机床比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因而每年均有大量机电产品进口。这也就从宏观上阐明了机床数控化改造必要性。
1.3数控化改造内容及优缺
（1）国外改造业兴起
在美国、日本和德国等发达国家，它们机床改造作为新经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术不断进步，机床改造是个"永恒"课题。国内机床改造业，也从老行业进入到以数控技术为主新行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具备辽阔市场，已形成了机床和生产线数控改造新行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业知名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中华人民共和国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业知名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
（2）数控化改造内容
机床与生产线数控化改造重要内容有如下几点：
其一是恢复原功能，对机床、生产线存在故障某些进行诊断并恢复；
其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改导致NC机床、CNC机床；
其三是翻新，为提高精度、效率和自动化限度，对机械、电气某些进行翻新，对机械某些重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产规定CNC系统以最新CNC进行更新；
其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基本上进行较大规模技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次更新改造。
（3）数控改造中重要机械部件改装探讨
一台新数控机床，在设计上要达到：有高静动态刚度；运动副之间摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述规定。不能以为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床规定，还应对重要部件进行相应改造使其达到一定设计规定，才干获得预期改造目。
①滑动导轨副
对数控车床来说，导轨除应具备普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同步要有足够刚度，以减少导轨变形对加工精度影响，要有合理导轨防护和润滑。
②齿轮副
普通机床齿轮重要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用齿轮精度级别都比普通机床高。在构造上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床重要齿轮必要满足数控机床规定，以保证机床加工精度。
③滑动丝杠与滚珠丝杠
丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠选用重要取决于加工件精度规定和拖动扭矩规定。被加工件精度规定不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损状况，如螺距误差及螺距合计误差以及相配螺母间隙。普通状况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高零件加工。
滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以减少电机启动力矩。因而可满足较高精度零件加工规定。
④安全防护
必要以安全为前提。在机床改造中要依照实际状况采用相应办法，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状异物进入滑动面损伤导轨。
1.4对国内数控技术和产业化发展战略看法
1.4.1形势考虑
国内是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业构造调节中，国内制造业将进一步“空芯”。咱们以资源、环境、市场为代价，互换得到也许仅仅是世界新经济格局中华人民共和国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术制造中心地位，这样将会严重影响国内当代制造业发展进程。
咱们应站在国家安全战略高度来注重数控技术和产业问题，一方面从社会安全看，由于制造业是国内就业人口最多行业，制造业发展不但可提高人民生活水平，并且还可缓和国内就业压力，保障社会稳定;另一方面从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家战略物质，对国内实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最佳例证。
1.4.2发展方略
从国内基本国情角度出发，以国家战略需求和国民经济市场需求为导向，以提高国内制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目的，用系统办法，选取可以主导21世纪初期国内制造装备业发展升级核心技术以及支持产业化发展支撑技术、配套技术作为研究开发内容，实现制造装备业跨跃式发展。
强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机(如量大面广数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业核心设备等)带动数控产业发展。重点解决数控系统和有关功能部件(数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备附件等)可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性产品;没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力产品;固然，没有规模中华人民共和国数控装备最后难以有出头之日。
在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最后顾客紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目的，按国家意志实行攻关，以解决国家之急需。
在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具备自主知识产权技术和产品，为国内数控产业、装备制造业乃至整个制造业可持续发展奠定基本。
1.5本文选题及重要研究内容
1.5.1本文选题
在我签约徐州华东机械厂建材机械分厂内，共有卧式车床两台，建材厂重要生产大型建材设备，因此要经常加工好多小零件，如螺钉，小型轴套等。由于这是常年生产建材设备，因此所要加工零件也需要诸多。由于零件太多，像垫片之类，有时就是加工好了这个又缺少另一种，而用普通卧式车床去加工有时一种人加工东西都会误差很大，这样给所造设备带来诸多小问题。而如果要新买一台新数控车床，一是总体成本太高，由于性价比不是太高，容易挥霍资源，二是建材厂没有工人精通数控车床，因此要培训工人一定又要耗费诸多时间影响生产进度。
因此设想决定对其数控改造，改造同步让操作人员始终在旁边学习，学习怎么改装，怎么安装，并解说如何使用。
把所要加工零件程序输入到存储器中，用届时直接调用即可，这样一种人即可操作两台机床，并且效率提高了好大，精度也会提高很高，会为厂带来很大经济利益。
1.5.2重要研究内容
1. C6150车床数控化改造总体机械部件设计。
2.进给系统设计和选用。涉及了进给滚珠丝杠设计与选用，消隙减速齿轮系设计计算与校核，进给用步进电机选取与校核。
3．主轴脉冲发生器安装
4．刀架选用
5.控制系统设计。选用8031型号单片机控制进给系统与刀架，并把脉冲发生器数据通过单片机来加工螺纹。

第2章 数控车床总体改造方案及机械某些设计

2.1设计规定
2.1.1设计基本思路
改造C6150车床基本思路是把本来机床进行大修，只保存机床导轨、主轴、溜板、尾座等部件，别的所有撤除。带之以滚珠丝杠和步进电机，用单片机系统来驱动各轴运动。通过严密计算和论证，选取丝杠和驱动电机，依照使用规定，选取系统配备和设计控制电路。
2.1.2改造方案拟定
C6150车床重要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件加工，这些零件加工工艺规定机床应完毕工作内容有:控制主轴正反转和实现其不同切削速度主轴变速;刀架能实现纵向和横向进给运动，并具备在换刀点自动变化四个刀位完毕选取刀具;冷却泵、润滑泵启停:加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一种被加工螺纹螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制对象。察看C6150车床及关于资料，并且参照数控车床改造经验，拟定总体改造方案为:①对机床改造部位是:拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架;拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副;主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用由于改造设计是简易型经济数控，因此在考虑详细方一案时，基本原则是在满足需要前提下，对于机床尽量减小改动量，以减少成本。总体改造如下图所示。
对该机床进行机械修理以便恢复机械精度规定，修理重要目是恢复机床导轨、主轴、拖板精度，撤除机床主轴箱和溜板箱内传动部件以及传动丝杠，只保存导轨、主轴、溜板、尾座。修理后已恢复其重要部件精度。

2.1.3设计目
运用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.005mm/脉冲，横向脉冲为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，主轴采用变频器控制。
图一 C6150改造后系统传动图

2.1.4总体方案设计
由于是经济型数控改造，因此在考虑详细方案时，基本原则是在满足使用规定前提下，对机床改动尽量少，以减少成本。依照C616车床关于资料，总体方案拟定如图22所示:采用单片机8031控制系统对数据进行计算解决。步进电动机经同步带轮传动或直接传动后，带动滚珠丝杠转动
，从而实现纵向、横向进给运动。主轴变速采用变频器调速控制。
2.2滚珠丝杠设计计算与选用
2.2.1滚珠丝杠
滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动抱负产品。
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠构成。它功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝进一步延伸和发展，这项发展重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具备很小摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用传动元件，其重要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同步兼具高精度、可逆性和高效率特点。
1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
由于滚珠丝杠副丝杠轴与丝母之间有诸多滚珠在做滚动运动,因此能得到较高运动效率。与过去滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3如下,即达到同样运动成果所需动力为使用滚动丝杠副1/3。在省电方面很有协助。
2)高精度保证
滚珠丝杠副是用日本制造世界最高水平机械设备连贯生产出来，特别是在研削、组装、检查各工序工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格控制,由于完善品质管理体制使精度得以充分保证。
3)微进给也许
滚珠丝杠副由于是运用滚珠运动,因此启动力矩极小,不会浮现滑动运动那样爬行现象,能保证明现精准微进给。
4)无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值进而得到较高刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠斥力可使丝母部刚性增强)。
5)高速进给也许
滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、因此可实现高速进给(运动)。
2.2.2纵向滚珠丝杠设计与计算
已知条件：
工作台重量=80KG=800N 工件及夹具最大重量=200N 工作台最大行程=950mm工作台导轨摩擦系数为u=0.1 迅速进给速度=4m/min 定位精度为20um/300mm,全行程25um,重复定位精度为10um 规定寿命为10000小时（单班制工作十年）。各种切削方式纵向切削力Fa,速度V和时间比例q及其她见下表

表一各种切削方式纵向切削力Fa,速度V和时间比例q

切削方式
纵向切削力
Pxi(N)
垂向切削力
Pzi(N)
进给速度
Vi(m/min)
工作时间比例
%
丝杠轴向载荷
(N)
丝杠转速
r/min
强力切削

1200
0.6
10
2200
60
普通切削
1000
500
0.8
30
1150
80
精切削
500
200
1
50
620
100
迅速进给
0
0
４
５
1000
375

图二 进给用滚珠丝杠装配图
1） 拟定滚珠丝杠副导程

：工作台最高移动速度
：电机最高转速；
I ：传动比
电机与丝杠间为齿轮连接式，i=4（取一级减速齿轮）
由上表查得=4m/min，=1500r/min
代入得0.67mm
查《当代机床设计手册》取5mm
2） 拟定当量转速与当量载荷
（1） 各种切削方式下，丝杠转速
由上表查=0.6,=0.8,=1,=4
代入得120，160，200，800
（2） 各种切削方式下，丝杠轴向载荷
：丝杠轴向载荷，：纵向切削力，：垂向切削力
由上表得(i=1,2,3,4)分别为 N,1000N,500N,0N
(i=1,2,3,4)分别为1200N,500N,200N,0N
已知＝800 N，＝200 N
代入得(i=1,2,3,4)分别为2200N，1150N，620N，1000N
（3） 当量转速
/100+/100+/100+/100
数据代入得240r/min
（4） 当量载荷

带入数据得＝1057N
3） 初选滚珠丝杠副
由公式《当代机床设计手册》（3.7－24）知

查《当代机床设计手册》表（3.7－51）—表（3.7－54）
得＝1，＝1，＝1，＝0.53，=1.3，＝10000h
代入数据可求得＝13589N=13.58KN
4)拟定容许最小螺纹底径
（1）估算丝杠容许最大轴向变形量
①（1/3—1/4）重复定位精度
②(1/4—1/5 )定位精度
：最大轴向变形量
已知重复定位精度10
定位精度25
①＝3，②＝6
取两种成果最小值＝3
（2）估算最小螺纹底径
丝杠规定预拉伸，取两端固定支承形式

：最小螺纹底径mm
L＝（1.1—1.2）行程+(10—14)
静摩擦力=
已知行程950mm，＝800N，=0.2
代入数据得L=1110mm，＝160N，=9.5mm
5）拟定滚珠丝杠副得规格代号
（5） 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式
（6） 由计算出，，在《当代机床设计手册》中选用相应规格滚珠丝杠副FFZD4005-5
=5,=2N>=13589N
6)拟定滚珠丝杠副预紧力
=
其中＝2200
＝733N
7)行程补偿值与拉伸力
（1）行程补偿值C=11.8
式中＝
查《当代机床设计手册》＝950
＝110，＝（2—4）＝15
温差取
代入数据得C=32
(2)预拉伸力
＝1.95
代入得＝4807N
8）拟定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格
（1）轴承所承受得最大轴向载荷
＝4807＋2200＝7007
（2）轴承类型
两端固定支承形式，选背对背60角接触推力球轴承
（7） 轴承内径
d略不大于＝40，=，取d＝30
带入数据得＝2336N
（8） 轴承预紧力：预力负荷
（9） 按《当代机床设计手册》选用轴承型号规格
当d＝30mm，预加负荷为：
因此送7602030TVP轴承
d＝30，预加负荷为2900>＝2336N
9)滚珠丝杠副工作图设计
(1)丝杠螺纹长度
由表查得余程
（2）两固定支承距离，丝杠L
(3)行程起点离固定支承距离
＝1290，＝1350
＝1410，＝30
10）传动系统刚度
（1）丝杠抗压刚度
1）丝杠最小抗压刚度
＝6.6
:丝杠底径
：固定支承距离
代入数据＝782N/
2）丝杠最大抗压刚度
＝6 .6
代入数据得9000 N/
（2）支承轴承组合刚度
1）一对预紧轴承组合