机电一体化课程设计C6140卧式车床数控化改造设计.docx

名目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 进给伺服系统机械局部设计与计算33.1 进给系统机械构造改造设计33.2 进给伺服系统机械局部的计算与选型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 步进电动机选用的根本原则114.1.1 步距角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124.2.1 C6140 纵向进给系统步进电机确实定124.2.2 C6140 横向进给系统步进电机确实定125 电动刀架的选择126 把握系统硬件电路设计196.1 把握系统的功能要求196.2 硬件电路的组成：196.3 电路原理图207 总结218 参考文献221 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 1000mmd= 0.013) X 方d 向=0横.02向的脉冲当量xmm/脉冲，Z 方向纵向脉冲z当量mm/脉冲4) X 方向最快移动速度 v=3000mm/min，Z 方向为vxmax=6000mm/minzmax5) X 方向最快工进速度 v=400mm/min，Z 方向为v=800mm/minxmaxfzmaxf6) 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) 自动把握主轴的正转、反转与停顿，并可以输注主轴有级变速与无极变速信号10) 自动把握冷却泵的起/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) 显示界面承受 LED 数码管，编程承受相应数控代码2 设计要求2.1 总体方案设计要求C6140 型一般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一般型车床。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，假设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，同时具有数控把握和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有的突破。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） 一般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，进展循环加工和螺纹加工等，因此数控系统选连续把握系统。（2） 车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证确定加工精度的前提下应简化构造、降低本钱，因此，进给伺服系统承受步进电机开环把握系统。（3） 依据一般车床最大的加工尺寸、加工精度、把握速度以及经济性要求，经济型数控机床一般承受 8 位微机。在 8 位微机中，MCS51 系列单片机具有集成度高、牢靠性好、功能强、速度快、抗干扰力气强、具有很高的性价比，因此， 可选 MCS51 系列单片机扩展系统。（4） 依据系统的功能要求，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把握命令的键盘， 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关心电路。（5） 设计自动回转刀架及其把握电路。（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区分率。（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退间隙，齿轮副也应有消退齿侧间隙的机构。（8） 承受贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。2.2. 其它要求（1） 原机床的主要构造布局根本不变，尽量削减改动量 ，以降低本钱缩短改造周期。（2） 机械构造改装局部应留意装配的工艺性，考虑正确的装配挨次，保证安装、调试、拆卸便利，需常常调整的部位调整应便利。3 进给伺服系统机械局部设计与计算3.1 进给系统机械构造改造设计进给系统改造设计需要改动的主要局部有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等。改造的方案如下：挂轮架系统：全部撤除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱局部：全部撤除，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局部。溜板箱局部：全部撤除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及局部操作按钮。横溜板箱局部：将原横溜板的丝杠的螺母撤除，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：撤除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。3.2 进给伺服系统机械局部的计算与选型进给伺服系统机械局部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=Ndk其中Nc 为传动件的额定功率Nd主电机的额定功率， Nd=7.5 kw 主传动系统总功率，一般为 0.60.7，取=0.65 k进给系统功率系数，取 k=0.95则：Nc=7.5×0.65×0.954.63kwFz´VsFz´Vs又由于：Nc= 60´103 ×9.8 6120式中 Vs 切削速度，取 Vs=100m/min4.63´ 6120主切削力 Fz=100=283.356kgf=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=CFza xFz×fyFz×KFzp对于一般切削状况：xfz=1，yFz=0.75 ，KFz=1，CFz=188kg/ 2=1880Mpa F2 的计算结果如下：ap()333444f()0.20.30.40.20.30.4Fz(N)1614.982188.942716.062153.32918.593621.41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，Fx0.10.6FZFy(0.150.7)Fz取 Fx=0.5 FzFy=0.6FzFx=0.5×2833.56=1416.78(N) Fy=0.6×2833.56=1700.14(N)（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+fFz+W其中 K=1.15, f=0.150.18取 f=0.16 P=1.15×1416.78+0.16×(2833.56+800)=2210.67(N)1 强度计算60niTi寿命值 L=ini=1061000vf Dp L0由机床设计手册得 Ti=15000h,L0=12mm， D=80 ni=1000 ´100 ´ 0.380 ´12 ´ 3.1460 ´10 ´1500010(r/min)Li=106=9最大动负Q=Pf f3 Liw H其中运载系数 fw=1.2 硬度系数 Fh=13 9Q=×1.2×2210.67×1=5518.05(N)依据最大动力负载荷 Q 的值，查表选择滚珠丝杠的型号为 FFZ50124，查表得数控车床的纵向精度为 E 级，即型号为 FFZ50124E1800×640，其额定载荷是 44400N2 效率计算依据机械原理得，丝杠螺母副传动效率为= 由机械原理得j 一般为 812取j =10即：摩擦角j =10，螺旋升角中径处r=3O25tg30 25¢¢¢则=0.953tg(30 25 + 10 )3刚度验算tgr tg(r + j )滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程变化量L1=± PLoEF其中L =12 =1.2 OE=20.6×106N/ 2滚珠丝杠横截面积d48F=()=2×3.14=18.09( 2)d 为滚珠丝杠外径222210.67 ´1.2则L1= ±=7.12×10-67.12um20.6 ´106 ´18.09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。稳定性验算由于原机床杠径为30 ，现选用的滚珠丝杠为50 ，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jL传动比 i=O360dz其中j 表示步驱角， d z 表示脉冲当量0.75 ´12i= 360 ´ 0.02 =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=80mm da1 =2×(32+2)=68mmda2=2×(40+2)=84mmd + da=1 2264 + 80=2=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=(180 ´dzpj180 ´ 0.02)2W=( 3.14 ´ 0.75 )2×80= 1.859kg. 2=18.69N 2丝杠的转动惯量Js=7.8×10-4D4L=7.8×-4×54×180=87.75kg. 2=877.5N 2齿轮的转动惯量JZ1=7.8×10-4×(6.4)4×2=2.617kg. 2=26.17N 2JZ2=7.8×10-4×84×2=6.39kg. 2=63.9N 2由于电机的转动惯量很小，一般可无视不记所以总的转动惯量为1J 总= i 2 ×(Js+ JZ2)+ JZ1+ J11= (1.25)2×(87.75+6.39)+2.617+1.869=64.7356kg. 2=647.356N. 23） 所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩M=Mamax+Mf+MO最大切削负载时所需力矩M=Mat+Mf+M +MtO快速进给时所需力矩M=Mf+MO式中 Mamax 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。Mf 折算到电机轴上的摩擦力矩。M 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。OMat 切削时折算到电机轴上的加速度力矩。Ma=Mt 折算到电机轴上的切削负载力矩。Jn×10-4N.m其中 T=0.0259.6 ´ T当 n=nmax 时，Mamax=MaV max i730 ´1.25nmax=76.0(r/min)lo1264.7356 ´ 76Mamax=×10-4=2.05N.m=20.5kgf 9.6 ´ 0.0251000V fint=Dp lo1000 ´ 0.3 ´1.25=12.44r/min3.14 ´ 80 ´1212.44 ´ 64.7356Mat=×10-4=0.3355N =3.355kgf 9.6 ´ 0.025FoLof ¢WLoMf=2phi2ph i当 =0.8，f=0.16 时，0.16 ´ 80 ´1.2Mf=2 ´ 3.14 ´ 0.8 ´1.25PoLo=2.446kgf =24.46N MO= 6phi(1-2)o1当 =0.9 时，预加荷 PO11=Fx3FxLo(1 -ho 2)´141.678 ´1.2 ´ (1 - 0.92)M = 3O2phi= 3=1.715kgf =17.15N 2 ´ 3.14 ´ 0.8 ´1.25Mt=1 FxLo3=13 ´141.678 ´1.2=9.024kgf =90.24N 2ph i2 ´ 3.14 ´ 0.8 ´1.25所以，快速空载启动所需力矩M 快空=Mamax+Mf+M =20.5+2.446+1.715=24.661kgf =246.61N O切削时所需力矩M 切= Mat+Mf+M +Mt=3.355+2.446+9.024+1.715=16.54kgf =165.4N O快速进给时所需力矩M 快速=Mf+M =2.446+1.715=4.161kgf =41.61N O由以上计算可得所需最大力矩 Mamax 发生快速启动时Mamax=M 快空=246.61N 3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核（1） 切削力的计算111横向进给量约为纵向的 2 3 ,取横向切削力约为纵向切削力的 211Fz= 2 F 纵 z= 2 ×2833.56=1416.78N在切断工件时Fy=0.6 F 纵 z=0.6×1416.78=850.068N（2） 滚珠丝杠的设计计算1 强度计算对于燕尾型导轨 P=KFy+fFz+W 其中 K=1.4, f=0.2P=1.4×850.068+0.2×(1416.78+300)=1533.45N1000 ´100 ´ 0.3n=80 ´10 ´ 3.14=12r/min60nTi60 ´12 ´15000寿命值 Li=10.81061063 Li最大动负载 Q=Pfwfh其中 fw=1.2fh=13 10.8Q=×1.2×1×1533.45=4067.48N依据最大动负载荷的值,可选择滚珠丝杠的型号,其公称直径为 40 ,型号为FFB4010-2-E，额定动负载荷为 21100W，所以强度够用。2 效率计算依据机械原理得，丝杠螺母副传动效率为=由机械原理得j 一般为 812取j =10即：摩擦角j =10，螺旋升角中径处r=3O38tgr tg (r + j )则=tg3 38”=0.956tg(3038”3 刚度验算+ 10¢)滚珠丝杠受工作负载，P 引起的导程变化量L1= ±pLO = ±1533.45 ´1F=EF20.6 ´106 ´ Fd39.52 p=2×3.14=12.25 cm 2其中 d 为滚珠丝杠的外径22 L1 = ±1533.45 ´120.6 ´106 ´12.25=±6.08×10-6 =6.08um由于滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2 很小可无视不计，即L=L1，100100即导程变化总误差为=L=×6.08×10. -6=6.08um/mLo1查表知 E 级精度丝杠允许的螺矩误差为 15um/n ，所以刚度足够。4 稳定性验算由于原机床杠径为30 ，现选用的滚珠丝杠为40 ，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jL传动比 i=O360dx其中j 表示步驱角， d x 表示脉冲当量0.75 ´10i= 360 ´ 0.01 =2.1取齿数 Z1=30, Z2=63模数 m=2mm 啮合角为 200 齿轮齿宽 b=20 d1=mz1=2×30=60mm d2=mz2=2×63=126mm da1 =2×(30+2)=64mm da2=2×(65+2)=130mmd + da=1 2264 + 126=2=932） 转动惯量的选择工作台质量折算到电机轴上的转动惯量180 ´dx180 ´ 0.02J1=(pj)2W=( 3.14 ´ 0.75 )2×30= 0.1753kg. 2=1.753N 2丝杠的转动惯量Js=7.8×10-4D4L=7.8×-4×44×64=12.78kg. 2齿轮的转动惯量JZ1=7.8×10-4×64×2=2.02kg. 2JZ2=7.8×10-4×12.64×2=39.32kg. 2由于电机的转动惯量很小，一般可无视不记，所以总的转动惯量为1J 总=×(Js+ JZ2)+ JZ1+ J1i 21= (2.1)2 ×(12.78+39.32)+2.02+0.1753=14.01kg. 23） 所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩M=Mamax+Mf+MO最大切削负载时所需力矩M=Mat+Mf+M +MtO快速进给时所需力矩M=Mf+MO式中 Mamax 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。Mf 折算到电机轴上的摩擦力矩。M 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。OMat 切削时折算到电机轴上的加速度力矩。Mt 折算到电机轴上的切削负载力矩。JnMa= 9.6 ´ T×10-4N.m其中 T=0.025当 n=nmax 时，Mamax=MaV max i370 ´ 2.1nmax=77.7(r/min)lo1014.01´ 77.7Mamax=9.6 ´ 0.025×10-4=0.4536N.m=4.536kgf 1000VDpfi1000 ´ 0.3 ´ 2.1nt=lo3.14 ´ 80 ´10=25.08r/minMat=25.08 ´14.019.6 ´ 0.025×10-4=0.1464N.m=1.464kgf FoLof ¢WLoMf=2ph i = 2ph i当=0.8，f=0.2 时，Mf=0.2 ´ 80 ´12 ´ 3.14 ´ 0.8 ´ 2.1PoLo=0.5687kgf =0.05687N.mM =O6ph i(1-2)o1当 =0.9 时，预加荷 PO11=Fy3FyLo(1 -ho 2)´ 85.0068 ´1´ (1 - 0.92)M = 3O2phi= 3=0.17kgf =0.017N. m2 ´ 3.14 ´ 0.8 ´ 2.11 FyLo31 ´ 85.0068 ´13Mt=2ph i=2.686kgf =0.269N.m2 ´ 3.14 ´ 0.8 ´ 2.1所以，快速空载启动所需力矩M 快空=Mamax+Mf+M =0.4536+0.05687+0.017=0.52747N.m=5.2747kgf O切削时所需力矩M 切=Mat+Mf+M +Mt=0.1464+0.05687+0.017+0.269=0.48927N.m=4.8927kgf O快速进给时所需力矩M 快速=Mf+M =0.05687+0.017=0.07387N.m=0.7387kgf O由以上计算可得，所需最大力矩 Mamax 发生快速启动时 Mamax=M 快空=0.52747N.m4 步进电动机的计算与选型4.1 步进电动机选用的根本原则合理选用步进电动机是比较简洁的问题，需要依据电动机在整个系统中的实际工作状况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最根本的原则介绍如下：4.1.1 步距角步距角应满足 式中i传动比amini系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角min4.1.2 精度步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开头，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较有用，所选用的步进电动机应满足： i ms式中，m -步进电动机的累积误差。s-系统对步进电动机驱动局部允许的角度误差。4.1.3 转矩为了使步进电动机正常运转不失步，不越步正常启动并满足对转速的要求，必需考虑以下条件M启动力矩，一般启动力矩选取为Mql 00.3 0.5式中 Mq电机启动力矩M 电机静负载力矩L0在要求在运行频率范围内，电机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机的转动惯量包含负载的转动惯量引起的惯性矩之和。4.1.4 启动频率由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： ftfopm式中f -极限启动频率，tf m-要求步进电动机最高启动频率。op4.2 步进电动机的选择4.2.1 C6140 纵向进给系统步进电机确实定MM =l 0246.61=616.525 N q0.40.4为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：M /M =0.866qjm所以步进电动机最大静转矩 MM为：M =q616.525=711.92N =7.12 N.jmjm0.8660.866m步进电动机最高工作频率：fV=max730=608.3HZmax60dz60 ´ 0.02综合考虑，查表选用 90BF002 型直流电动机，能满足使用要求。4.2.2 C6140 横向进给系统步进电机确实定MM =l 00.52747=1.3187 N.mq0.40.4为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：M /M =0.866qjm所以步进电动机最大静转矩 MM为：M =q1.3187=1.5227N. mjmjm0.8660.866步进电动机最高工作频率：fV=m ax370=616.7HZmax60d x60 ´ 0.01综合考虑，查表选用 90BF002 型直流电动机，能满足使用要求。5 电动刀架的选择自动转位刀架的设计是一般机床数控化改造的关键。它要求刀架要具有抬起、回转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其构造简洁，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，供给选用的多把刀的可能性。电动刀架的安装较便利，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可，但要留意两点：1) 电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。2) 电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避开走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架系统。综合各方面因素，选用常州武进机床数控设备厂生产的 LD4-I 型系列四工位自动刀架。机床型号C6140刀位数4电机功率W7500电机转速1400r/min夹紧力1切体尺寸152×152下刀体尺161×171LD4-I 型刀架技术指标配车床型号C6140重复定位精度0.005mm工作牢靠性>30000 次换刀时间90°2.9秒180°3.4秒270°3.9秒6 把握系统硬件电路设计6.1 把握系统的功能要求1) 接收操作面板的开关与按钮信号2) 接收车床限位开关信号3) 接收螺纹编码器信号、电动卡盘加紧信号、电动刀架刀位信号4) 把握 X90BF002、Z90BF002向步进电动机的驱动器5) 把握主轴的正反转与停顿信号6) 把握切削液泵起动和停顿7) 把握电动卡盘的加紧与松开8) 与 PC 的串行通信可选6.2 硬件电路的组成：后面所画大图承受系列单片机组成的把握系统硬件电路原理图。电路的组成如下：（1） 光电编码器（2） 三菱编程器 FX2N64MR001 主机 32 入/32 出继电器输出3X 轴、Y 轴与刀架台步进电机驱动器 CH2504X 轴、Y 轴与刀架台驱动步进电机 90BF002（5） CE2109 串口光电隔离器（6） 主轴电机（7） 液压泵电机（8） 数控面板（9） LED 显示器6.3 电路原理图主轴自动回原点直线圆弧锥面螺纹速度换刀步进对刀点动轴负限位轴负限位 卡盘松开手动去除轴正限位轴正限位 卡盘夹紧光电编码器FX2N-64MR-001主轴正转冷却泵卡盘松开轴转向轴转向照明灯主轴反转卡盘夹紧轴脉冲轴脉冲电磁离合器风扇电机正转反转冷却泵刀架台轴轴刀架脉冲刀架转向轴脉冲轴转向轴脉冲轴转向刀架台电机驱动器轴驱动器轴驱动器1号刀具检索录制保存2号刀具确定点负3号刀具4号刀具7 总结机电一体化课程设计是一个重要的实践性教学环节。要求学生综合运用所学过的机械、电子、计算机和自动把握等方面的学问，独立进展一次机电结合的设计训练。本次设计，让我们对三年的学问有了总体的综合运用，提高了我们综合力气和灵敏运用所学的根底理论的力气，各科之间的联系有了清楚的生疏。在做设计的过程中，不但复习了所学过的学问点，还学到了的学问，同时将所学到的学问充分的运用起来，做到了学以致用，还学会了查资料，除此之外，我还懂得了团结合作的重要性，知道了集体的力气！固然，在此过程中也有很多缺乏之处，例如：学问的不全面，所学的还没有全部把握，思维的狭隘等，让我在毕业前上了生动形象的一课。通过这次课程设计，让我们知道自己还有很多的缺乏，只有通过不断的学习、改进，更好的提高自己的综合力气才能在社会上立足。同时我也坚信只要努力、坚持，我们就能走好人生的每一步。8 参考文献1、数控技术课程设计范超毅、赵天婵、吴斌方主编华中科技大学出版社2023 年 5 月2、机械设计手册单行本机械传动成大先主编化工工业出版社2023 年 1 月3、机械原理第七版西北工业大学机械原理及机械零件教研室主编高等教育出版社2023 年 5 月4、机械设计第八版西北工业大学机械原理及机械零件教研室主编高等教育出版社2023 年 5 月5、机电一体化机械系统设计赵松年、张奇鹏主编机械工业出版社1996 年6、机床设计手册机床设计手册编委会主编机械工业出版社1979 年7、机床电气自动把握陈远龄主编重唐大学出版社2023 年 7 月8、机电一体化设计根底刘武发、刘德平主编化工工业出版社2023 年 5 月9、计算机工程制图陈锦昌、刘就女、刘林编著华南理工大学出版社2023 年 8 月10、机械制造工艺设计简明手册李益民哈尔滨工业大学1994 年