第八章 卧式车床数控化改造设计

杭州电子科技大学机械工程学院第八章卧式车床数控化改造设计机电一体化系统设计1设计任务2总体方案的确定引言第八章卧式车床数控化改造设计3具体设计机电一体化系统设计一、引言普通车床（如C616/C6132、C618/C6136、C620/C6140、C630等）是金属切削加工最常用的一类机床。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等，借助成型刀具，还能加工各种成形回转表面。机电一体化系统设计图C6140普通车床的结构布局1-床脚2-挂轮3-进给箱4-主轴箱5-纵溜板6-溜板箱7-横溜板8-刀架9-上溜板10-尾座11-丝杠12-光杠13-床身机电一体化系统设计普通车床刀架的纵向和横向进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动溜板箱、纵溜板以及横溜板产生移动。进给参数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工控制。卧式车床数控化改造设计机电一体化系统设计对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。卧式车床数控化改造设计机电一体化系统设计题目：C6140普通车床数控化改造设计任务：将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。一、设计任务机电一体化系统设计一、设计任务主要技术指标如下：（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δx=0.005mm/脉冲,Z方向(纵向)δz=0.01mm/脉冲；（4）X方向最快移动速度vxmax=3000mm/min，Z方向为vzmax=6000mm/min；（5）X方向最快工进速度vxmaxf=400mm/min，Z方向为vzmaxf=800mm/min；（6）X方向定位精度±0.01mm，Z方向±0.02mm机电一体化系统设计（7）可以车削柱面、平面、锥面与球面等；（8）安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；（9）安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；（10)自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；（11)自动控制冷却泵的启/停；（12)安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；（13)纵、横向安装限位开关；（14)数控系统可与PC机串行通信；（15)显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。一、设计任务机电一体化系统设计总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。二、总体方案的确定（1）普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。机电一体化系统设计二、总体方案的确定（2）普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。机电一体化系统设计（3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。二、总体方案的确定机电一体化系统设计（4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。二、总体方案的确定机电一体化系统设计（5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。二、总体方案的确定机电一体化系统设计（6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。二、总体方案的确定机电一体化系统设计（7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。二、总体方案的确定机电一体化系统设计1．主传动系统的改造方案三、机械系统的改造设计方案对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。机电一体化系统设计提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，用2～４速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于70Hz，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。三、机械系统的改造设计方案机电一体化系统设计采用有级变速时，可选用浙江超力电机有限公司生产的YD系列7.5kW变极多速三相异步电动机，实现2～４档变速；三、机械系统的改造设计方案采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3B，适配7.5kW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。机电一体化系统设计为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。三、机械系统的改造设计方案2．安装电动卡盘机电一体化系统设计3．换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，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。三、机械系统的改造设计方案机电一体化系统设计4．螺纹编码器的安装方案三、机械系统的改造设计方案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。机电一体化系统设计改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24mm，Z向的进给脉冲当量是0.01mm/脉冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24mm/（0.01mm/脉冲）=2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为90º的A、B相信号，可用A、B异或后获得2400个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到1200线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。三、机械系统的改造设计方案机电一体化系统设计基于上述要求，本例选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。电源电压+5V，每转输出1200个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径15mm，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。三、机械系统的改造设计方案机电一体化系统设计螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为1：1的同步齿形带与主轴联接起来。三、机械系统的改造设计方案机电一体化系统设计需要注意的是：编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。三、机械系统的改造设计方案机电一体化系统设计5．进给系统的改造与设计方案三、机械系统的改造设计方案（1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，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同步带减速箱总成。（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，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架。机电一体化系统设计（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（长216mm）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，并与滚珠丝杠的轴头相联。（7）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。三、机械系统的改造设计方案机电一体化系统设计纵、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。以下详细介绍纵向进给机构，横向进给机构与纵向类似，在此从略。四、进给传动部件的计算和选型机电一体化系统设计1．脉冲当量的确定四、进给传动部件的计算和选型根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为δx=0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）为δz=0.01mm/脉冲。机电一体化系统设计四、进给传动部件的计算和选型2．切削力的计算——纵向车削力的计算设工件材料为碳素结构钢，σb＝650Mpa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角kr＝60°，前角γ0＝10°，刃倾角λs＝－5°；切削用量为：背吃刀量ap＝3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度vc＝105m/min。机电一体化系统设计四、进给传动部件的计算和选型机电一体化系统设计查表3-1，得：＝2795，＝1.0，＝0.75，＝－0.15。查表，得：主偏角Кr的修正系＝0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。由经验公式，算得主切削力＝2673.4N。由经验公式::＝1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力＝935.69N，背向力=1069.36N。cFCcFxcFycFncFkrkcFcFfFpFfFpF四、进给传动部件的计算和选型机电一体化系统设计已知移动部件总重量G=1300N；车削力=2673.4N，=1069.36N，=935.69N。cFpFfF四、进给传动部件的计算和选型3．滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）（1）工作载荷Fm的计算机电一体化系统设计根据=，=，=的对应关系，可得：=2673.4N，=1069.36N，=935.69N。选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表，取=1.15，=0.16，代入Fm＝+,得工作载荷Fm≈1712N。zFyFxF)(GFzKKcFpFfFzFyFxFxF四、进给传动部件的计算和选型机电一体化系统设计设车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度V=0.8m/min，初选丝杠基本导程Ph=6mm，则此时丝杠转速n=1000V/Ph≈133（r/min）。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=119.7（单位为：106r）。四、进给传动部件的计算和选型（2）最大动载荷FQ的计算查表3-30，取载荷系数fW=1.15，硬度系数fH=1，代入下式，得到最大动载荷：309703QWHmFLffFN机电一体化系统设计根据计算出的最大动载荷，查表3-33，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为3×2=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求。四、进给传动部件的计算和选型（3）初选型号机电一体化系统设计将公称直径=40mm，基本导程mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，得丝杠螺旋升角λ=244′。将摩擦角=10′，代入=tanλ/tan(λ+)，得传动效率=94.2%。0d6hP四、进给传动部件的计算和选型（4）传动效率的计算机电一体化系统设计采取一端轴向固定，一端简支的方式。固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a=1497mm；钢的弹性模量＝2.1Mpa；查表，得滚珠直径=3.9688mm，算得:丝杠底径d2=公称直径－滚珠直径=36.0312mm，则丝杠截面积/4=1019.64（mm2）。E510四、进给传动部件的计算和选型（5）刚度的验算1）Z向滚珠丝杠副的支承wD0dwD22dS机电一体化系统设计＝(