机电一体化课程设计C6140卧式车床数控化改造设计

目录1设计任务..........................................................22设计要求..........................................................22.1总体方案设计要求..............................................22.2其它要求......................................................33进给伺服系统机械部分设计与计算....................................33.1进给系统机械结构改造设计......................................33.2进给伺服系统机械部分的计算与选型..............................33.2.1确定系统的脉冲当量............................................33.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核............................43.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核............................44步进电动机的计算与选型...........................................114.1步进电动机选用的基本原则.....................................114.1.1步距角α.....................................................114.1.2精度.........................................................114.1.3转矩.........................................................114.1.4启动频率.....................................................124.2步进电动机的选择.............................................124.2.1C6140纵向进给系统步进电机的确定.............................124.2.2C6140横向进给系统步进电机的确定.............................125电动刀架的选择...................................................126控制系统硬件电路设计.............................................136.1控制系统的功能要求...........................................136.2硬件电路的组成：.............................................136.3电路原理图...................................................147总结.............................................................148参考文献.........................................................151设计任务设计任务:将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：1)床身最大加工直径400mm2)最大加工长度1000mm3)X方向（横向）的脉冲当量mm/脉冲，Z方向（纵向）脉冲当量mm/脉冲4)X方向最快移动速度vxmax=3000mm/min，Z方向为vzmax=6000mm/min5)X方向最快工进速度vxmaxf=400mm/min，Z方向为vzmaxf=800mm/min6)X方向定位精度±0.01mm，Z方向±0.02mm7)可以车削柱面、平面、锥面与球面等8)安装螺纹编码器，最大导程为24mm9)自动控制主轴的正转、反转与停止，并可以输注主轴有级变速与无极变速信号10)自动控制冷却泵的起/停11)纵、横向安装限位开关12)数控系统可与PC机串行通讯13)显示界面采用LED数码管，编程采用相应数控代码2设计要求2.1总体方案设计要求C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装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，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，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、具有很高的性价比，因此，可选MCS—51系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电01.0x02.0z路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。2.2.其它要求（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。3进给伺服系统机械部分设计与计算3.1进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等。改造的方案如下：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。3.2.1确定系统的脉冲当量纵向：0.02mm/脉冲由设计要求可知：脉冲当量横向：0.01mm/脉冲3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核（1）切削力的计算由《机床设计手册》得Nc=Ndηk其中Nc—为传动件的额定功率Nd—主电机的额定功率，Nd=7.5kwη—主传动系统总功率，一般为0.6~0.7，取η=0.65k—进给系统功率系数，取k=0.95则：Nc=7.5×0.65×0.95＝4.63kw又因为：Nc=31060VsFz×9.8≈6120VsFz式中Vs——切削速度，取Vs=100m/min主切削力Fz=100612063.4=283.356（kgf）=2833.56N由《机电一体化系统设计课程设计指导书》可知主切削力Fz=CFzapxFz×fyFz×KFz对于一般切削情况：xfz=1，yFz=0.75，KFz=1，CFz=188kg/㎜2=1880MpaF2的计算结果如下：为便于计算,所以取Fz=2833.56N,以切削深度ap=4㎜，走刀量f=0.3㎜，为以下计算以此为依据。由《机床设计手册》得，在一般外圆车削时，Fx≈（0.1～0.6）FZFy≈(0.15～0.7)Fz取Fx=0.5FzFy=0.6Fz∴Fx=0.5×2833.56=1416.78(N)Fy=0.6×2833.56=1700.14(N)ap(㎜)333444f(㎜)0.20.30.40.20.30.4Fz(N)1614.982188.942716.062153.32918.593621.41（2）滚珠丝杠的设计计算由《经济型数控机床总设计》，综合车床导轨丝杠的轴向力得P=KFx+f′（Fz+W）其中K=1.15,f′=0.15～0.18取f′=0.16P=1.15×1416.78+0.16×(2833.56+800)=2210.67(N)○1强度计算寿命值Li=61060niTini=01000LDvf由《机床设计手册》得Ti=15000h,0L=12mm，D=80㎜ni=14.312803.01001000≈10(r/min)Li=610150001060=9最大动负Q=3LiPfwfH其中运载系数fw=1.2硬度系数Fh=1Q=39×1.2×2210.67×1=5518.05(N)根据最大动力负载荷Q的值，查表选择滚珠丝杠的型号为FFZ5012—4，查表得数控车床的纵向精度为E级，即型号为FFZ5012—4—E—1800×640，其额定载荷是44400N○2效率计算根据《机械原理》得，丝杠螺母副传动效率为η=)(rtgtgr由《机械原理》得一般为8′～12′取=10′即：摩擦角=10′，螺旋升角（中径处）r=3O25′则η=)01523(52300tgtg=0.953○3刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量△L1=±EFPLo其中LO=12㎜=1.2㎝E=20.6×106N/㎝2滚珠丝杠横截面积F=(2d)π=（248）2×3.14=18.09(㎝2)（d为滚珠丝杠外径）则△L1=09.18106.202.167.22106=7.12×10-6≈7.12um查《机床设计手册》，E级精度丝杠允许的螺距误差（1800㎜螺丝长度）为15um/m，因此，丝杠的刚度符合要求。即刚度足够。④稳定性验算由于原机床杠径为Φ30㎜，现选用的滚珠丝杠为Φ50㎜，支承方式不变。所以，稳定性不成问题，无需验算。（3）齿轮及转矩的相关计算1）有关齿轮的计算传动比i=zOL360其中表示步驱角，z表示脉冲当量i=02.03601275.0=1.25取齿数Z1=32,Z2=40模数m=2mm啮合角为200齿轮齿宽b=20㎜d1=mz1=2×32=64mmd2=mz2=2×40=80mmda1=2×(32+2)=68mmda2=2×(40+2)=84mma=221dd=28064=722）转动惯量的选择工作台质量折算到电机轴上的转动惯量J1=(z180)2W=(75.014.302.0180)2×80=1.859kg.㎝2=18.69N.cm2丝杠的转动惯量Js=7.8×10-4D4L=7.8×-4×54×180=87.75kg.㎝2=877.5N.cm2齿轮的转动惯量JZ