第一章 绪 论
1.1数控机床的发展现状
数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示其巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。
目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。为适应这种情况，数控机床正朝着以下几个方面发展。
1.高速度、高精度化
速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。 目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。并采用直线电机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。在直线电机刚开始开发时，因其能实现高速加工而备受瞩目。但近年来，使用直线电机的目的已逐渐转向高精度化。也就是说，在直线电机的诸多优良特性中，很高的定位精度和圆弧插补
精度尤其令人刮目相看。其原因是非接触式的驱动系统没有传统伺服电机旋转减速用的齿轮副、滚珠丝杠、耦合件等各种机械因素引起的误差，以及直线电机必然采用闭路控制。
采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。
2.引进自适应控制技术
智能化现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较好的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。
数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化、通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量、又便于组织生产和质量把关。还可通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀具损坏、干扰、断电等各种意外发生时，自动进行相应的保护。
3．控制系统和数控系统小型化
控制系统与数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。
1.2 机床进行数控化改造的必要性
由于当前市场竟争激烈，一个企业想要生存和发展就必须迅速地更新和开发出新产品，并且以最低的价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。目前来说，普通机床已不适应多品种，小批量生产的要求，而数控机床则综合了数控技术，微电子技术，自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期短的零件。因此，要对普通机床进行数控化改造以是迫不得已。
首先，数控机床与传统的普通机床相比有许多优点，而这些优点主要从数控机床的计算机系统来说主要表现在以下几个方面：
1.计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该达到的运动量，因此可以加工出带有曲线或曲面以及带有锥度的零件。可以实现加工的自动化，加工效率高。
2.计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。
3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易。
4.工序集中，减少了零件在机床间的频繁搬运，大大降低了工人的劳动强度。 5.拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种功能，因而可实现长时间无人看管加工。大大的提高了劳动生产率，缩短了生产周期，同时带来了很高的经济效益。
其次，从机械工业的发展形式来看，工业发达的国家，已开始大规模应用数控机床。其本质是采用数控技术对传统产业进行技术改造。除了在制造过程中采用数控机床外，在产品开发中还推行CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）以及MIS（管理信息系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等等。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造，最终使得发达国家的产品
在国际军品和民品的市场上竞争力大大增强。而我国在数控技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。因此，每年我国都有大量的机电产品进口。这也就进一步说明了机床数控化改造的必要性。
第二章 CW6163卧式车床总体方案设计
2.1.设计任务
本设计任务是对CW6163卧式车床进行数控化改造。大体步骤是将x轴（横向）、z轴（纵向）改为微机控制，采用步进电机驱动滚珠丝杠传动。其中x轴（横向）脉冲当量：0.005/mm脉冲，Z轴（纵向）脉冲当量：0.010/mm脉冲。 1.实现功能：车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工。
2.操作要求：起动、点动、单步运行、自动作循环、暂停、停止。
2.2 .总体方案的确定
对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改造应尽可能少，以便降低成本。 一、数控系统运动方式的确定
数控系统按运动方式分为：点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。由于改造后的经济型数控车床应具有定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，螺纹加工等功能，由于在车削加工中，要求刀具沿各坐标轴运动，要有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中，不进行切削。所以，此微机数控系统采用连续控制系统。 二、伺服系统的选择
数控机床的伺服进给系统有开环、闭环和半闭环之分。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。由于CW6163型车床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，所以，本设计采用开环控制系统。 三、微机数控系统
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，具有很高的性能价格比等优点，因此采用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，I/O接口及光电隔离电路，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LED显示器。 四、机械传动方式
为了简化结构，降低成本，采用步进电动机加联轴器与传动丝杠连接；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，同时为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的贴塑性滑动导轨和滚珠丝杠副机构。 2.3. 机械系统的改造设计方案
一、主传动系统的改造
为减少机械改造的工作量，保留原有的主传动机构和变速操纵机构。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。为了在加工中自动变换转速，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速。 二、改装自动回转刀架
为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将原有的手动刀架换成由微机控制的经电动机驱动的自动回转刀架。 三、螺纹编码器的安装
为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器（也称螺纹编码器），为此采用同轴安装方式，即编码器直接安装在主轴后端，因为这种方式结构简单。主轴和编码器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。 四、进给系统的改造
1.拆除挂轮架所有齿轮，在主轴的同步轴处，安装螺纹编码器。
2.拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与锥环联轴器。 3.拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。
4.拆除四方刀架与上溜板总成，以及刀架纵横向移动手柄，刀架的移动由微机控制，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架。
5.拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。 6.将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并通过联轴器与滚珠丝杠的轴头相联。
7.拆去三杆：丝杆、光杆与操纵杆。
第三章 CW6163卧式车床横向进给系统的设计 3.1 横向进给系统切削力计算
1.技术指标：
机床长度：3630mm 机床高度：1830mm 机床宽度：1375mm
工作台重（根据图纸粗略计算）：W=40kgf=400N 滚珠丝杠基本导程：L0=12mm ,左旋 行程: S=450mm
最大加工直径：在床身上630mm ；在刀架上550mm 最大加工长度：1500mm
快速进给速度：Vmax?2000mm/min 最大切削进给速度：250mm/min 切削线速度：100m/min 主电动机功率：11kw