2.1 改造任务
本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。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，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。
2.2 改造方案的论证
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，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。
① 控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、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。
②伺服进给系统的改造设计
数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。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。所以，本设计决定采用开环控制系统。
③数控系统的硬件电路设计
任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。
在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素： (1) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； (2) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； (3) I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。
除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。
2.3改造方案的确定
CA6140A车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应完成的工作内容有：能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；刀架能
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够实现纵向和横向的进给运动，并具有在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具的功能；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个加工螺纹的螺距或导程。这些内容就是数控化改造后数控系统需要控制的对象。
数控机床由机床、数控系统和外围技术三部分组成。普通车床改造的目的是利用数控系统控制车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产效率。在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动，以降低改成本。改造中需要解决的问题是：将机械传动的进给和手动控制的转位刀架改造成数控装置控制的自动转位刀架和自动进给的数控加工车床。根据CA6140A车床的有关资料，确定总体方案为：
利用数控系统对输入的加工程序进行运算处理，发出的进给指令通过I/O接口输出给X轴和Z轴步进电机，经齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，由螺母带动刀架直线移动，从而实现纵向和横向的自动进给运动。换刀指令通过刀架控制器控制三相电动机实现刀架自动转位功能，由脉冲编码器协调完成螺纹车削功功能。
3主要结构的数控改造方法 3.1 数控系统的改造
数控系统是数控机床的灵魂，其性能的稳定性直接影响零件的加工的尺寸精度、位置精度及操作工人的人身安全。一般的，普通车床数控改造时，由于需要加工圆锥、圆弧等曲面，需要选择两轴联动控制的数控系统。
3.1.1 数控系统的选择
机床数控系统(CNC系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。
目前市场上流行的数控系统，如FANUC、西门子、GSK980TD等都配置有车床数控系统，能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功能强大等特点。在对多家数控系统进行比较后!我们选择了GSK980TD型数控系统。数控机床应能长期连续加工，其数控系统必须能够长期无故降连续运行。为保证机床长期可靠地运行，数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。
常年的工作考脸证明GSK980TD系统是最可靠的数控系统之一，它能在一般车间环境下运行。其工作场地的室温为0-45℃，相对湿度75%短时可达95%,抗震为0.5g ，电网电压波动为10%-15%,经对使用中系统的实际统计，GSK980TD系统的故障率为0.008，比较好地满足了我国市场的要求。
GSK980TD系统之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素： (1)可靠的高质量的元器件及良好的老化筛选工艺。
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(2)大规模及超大规模的专用集成电路芯片：GSK980TD系统采用了许多由富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片。
(3)全自动化工厂生产制造：多层印刷板的制板、元件的插装、焊接、印刷板的检查、系统的组装、电机投料、冲片、精铸、机械加工、装配、成品的包装出厂全部为自动化，这就使得在生产过程中避免了外界(人)的不稳定因素的干预。所以产品的一致性好，增加了可靠性。
(4)良好的控制软件设计：GSK980TD系统经过在国内各地数年的运行，积累了丰富的数据，因此在软件设计时考虑了可能出现的各种故障情况，加入了许多保护和提高可靠性的措施，如开机和状态切换时的层层检侧、过压、过流、反馈断线等报警，使得机床运行中出现故障时，系统能及时处理，从而进免了元部件的损坏。
(5)数字式进给伺服和数字式主轴驱动：数字控制、数据的串行传输大大提高了运行的可靠性。主轴控制信号的传送使用光缆，使信号免受外界干扰。
3.1.3电气控制原理
1、主轴控制系统：
主轴采用三相异步电机驱动由西门子440变频器US控制，其动力由U、V、W三相电源经变频器US提供，主轴电机的正反转由指令控制经PLC输出再经变频器US控制主轴电机的正反转，主轴电机转速由数控系统经XS9口直接连到变频器US控制电机转速，若出现故障，则由变频器US发出信号经PLC输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 控制原理图如下：
图2.1 主轴控制系统原理图
2、Z轴进给伺服控制系统：
Z轴采用松下伺服电机驱动由松下伺服模块控制，其动力由R、S、T三相电源经伺服模块提供，伺服电机控制刀架的Z（纵向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由
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数控系统发出，它们与数控系统的接口为XS30-XS33，若出现故障，则由伺服模块发出信号经PLC输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 3、 X轴进给伺服控制系统：
X轴电机采用雷赛步进电机驱动，由雷赛伺服模块控制，其动力由+V1电源经伺服模块提供，步进电机控制刀架的X（横向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由数控系统发出，它与数控系统的接口为XS30，若出现故障，则由伺服模块发出信号经PLC输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 4、刀架控制电路：
刀架电机采用三相异步电机驱动由继电器模块控制，刀架电机控制刀架的换刀（正反转）及转动角度指令由数控系统发出，若出现故障，则由PLC发出信号输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 5、 光栅尺控制电路：
光栅尺通过测量反馈控制刀架进给与后退量的实际尺寸与指令尺寸的误差大小反馈给数控系统，若误差太大超出允许误差范围，数控系统可根据加工情况进行时时调整，若出现故障，由系统判断故障类型并在显示器上报警显示报警号。
3.2 纵向（Z向）进给系统的改造
3.2.1 改造思路
丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情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的零件加工。纵向进给系统由伺服电动机经减速后驱动滚珠丝杠螺母机构运动，带动大拖板左右纵向移动。伺服电动机安装在纵向丝杠的右端。
3.2.2 纵向进给系统的设计计算
已知条件：
工作台重量 W=80(kg)(根据图样粗略估计) 时间常数 t=25（ms）
滚珠丝杠基本导程 P =6（mm） 行程 s=1000（mm） 脉冲当量 δp=0.01/脉冲
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步距角 ψ=0.75（mm/脉冲） 快速进给速度 V =4（m/min） (1) 切削力计算
纵切外圆时，车床的切削力Fz可以用下式计算： F =0.67 （2-1）
式中： 为在车床床面上加工的最大直径(mm)， =21（mm） 则 F =0.67×210 =2039(N)
进给抗力Fx和切深抗力可按下列比例分别求出 F ： F ： F = 1 ： 0.25 ： 0.4
则 F =0.25×2039=510(N) F = 0.4 × 2039 = 815.6(N) (2) 滚珠丝杠设计计算
① 实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力
可用下列进给牵引力实际公式计算，对于三角形或综合导轨机床： f = K F + f′(F + W) （2-2）
式中： F 、F — X（横） 、Z（纵）方向上的切削分力，单位为（N） W—移动部件的重量，单位为（N） f ′—导轨上的摩檫系数 K—考虑颠覆力矩影响的实验系数 对于三角形或综合性导轨机床： K = 1.15 f′= 0.15-0.18 取f′= 0.16 = 1.15 ×510 + 0.16 (2039 + 800) = 1040.7(N) ② 最大动负载C的计算及主要尺寸初选
滚珠丝杠应根据额定动载荷C 选用，最大动载荷计算原理与滚珠轴承相似，滚珠丝杠最大C可用下式计算： C = f F （2-3）
式中： L—工作寿命，单位为10 r ， L= ； n —丝杠转速(r/min)，n = ；
V—最大切削力条件下的进给速度(m/min)，可取最高进给速度的 ～ ； L —丝杠基本导程(mm) ；
f —运转状态系数，一般情况取1.2-1.5；
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