c625普通车床的经济数控化改造设计(共21页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计题 目：C625普通车床的经济数控化改造设计纵向进给机械结构设计系 别： 专业（含班级）： 学 号： 姓 名： 指导教师： 2011年11月11日专心-专注-专业目录摘要3前言4第一节 设计任务4第二节 总体方案的确定4第三节 机械系统的改造设计方案 5第四节 设计计算 61. 确定脉冲当量 62. 计算纵向外圆切削力 63. 滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）74. 同步减速器的设计 105. 步进电机的计算和选型（纵向） 136. 同步带传递功率的校核 19第五节 绘制进给传动机构的装配图 20第六节 设计小结 20参考文献 21C625普通车床的经济数控

2、化改造设计 纵向进给机械结构设计摘 要针对现有常规C625普通车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产效率。 改造过程如下：机械部分改造，主要是纵向进给方向机械结构的改造。主要包括对滚珠丝杆螺母副及反应式步进电机的设计选择及纵向机构装配图方案的制定。关键词：数控 步进电机 滚珠丝杠 改造前言机电一体化系统设计课程设计是在我们学完了机电一体化之后进行的，这次通过设计让我们获得综合运用过去所学过知识，独立进行一次机电结合的设计训练，学会了进给传动系统设计计算，并且通过课程设计掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处，能够做到熟练运用。 由于能力所限，设计

3、尚有许多不足之处，恳请老师给予批评指教。第一节 设计任务一、设计题目：C625普通车床的经济数控化改造设计 纵向进给机械结构设计二、设计原始资料： 主轴转速： 532800r/min(无级) 最大回转直径； 500mm 最大加工长度： 1000mm 溜板及刀架重量： 1800N 刀架快速运动速度：纵向 8m/min 横向 6m/min 最大进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3mmin 主电机功率： 7.5kW 机床定位精度： 0.015mm三、设计工作内容：（1）进给传动系统设计计算（2）纵向进给系统装配图A0 1张（3）综合课程设计说明书 1份第二节 总体方案的确定总体方案应考虑

4、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. 卧式车床经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.卧式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，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电机的开环控制系统。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，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、抗干扰能力强、性/价比高等优点。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

5、路、I/O、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电机的驱动电源以及主轴交流变频器等。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的滚珠丝杆螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杆的螺母应有预紧。计算选择步进电机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。第三节 机械系统的改造设计方案1、主传动系统的改造方案卧式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，这样减少改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用24速的多

6、速电机和单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于70Hz，原频率可以不更换，但所选变频器得功能应比电动机大）。其中，当采用有级变速时，可选用浙超力电机有限公司生产的YD系列7.5KW的三湘异步电动机，实现24档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推动F1000G0075T3B，适配7.5KW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。2、安装电动卡盘为了提高加工效率，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。安装自动回转刀架为了提高

7、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，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4BCK6140型四工位立式电动机，自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。螺纹编码器的安装方法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为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。当中，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半脉冲，所以螺纹编码器每转传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90的A、B相信号，可将A、B经逻辑运算获得2400个脉冲（

8、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得零位脉冲Z。基于上述要例选择螺纹编码器的型号为:ZLF-1200Z-05VO-15-CT。电源电压+5V，每转输出1200个A/B脉冲与一个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。螺纹编码器同常有两种安装形式：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主轴箱的后端，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

9、为1：1的同步齿形带与主轴连接起来，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结，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。5进给系统的改造与设计方案1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹的编码器。2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电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，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。4）拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板上方安装四工式电动刀架。5）拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段（长216mm,见书后插页图6-2）锯断保留,拆掉刻度盘附近的两个推力轴承,换上滚珠丝杠

10、副。6）将横向进给步进电机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相连。7）拆去三杠（丝杠、光杠与操作杠），更换丝杠的右支承。改造后的横向进给系统如后插页6-2。第四节 设计计算1、确定脉冲当量在进行机电一体化系统设计时，一般应根据伺服进给系统所要求的定位精度来确定脉冲当量。考虑到传动系统存在误差，脉冲当量通常要小于定位精度值【1】。则纵向的脉冲当量取0.01mm/脉冲。 2、计算纵向外圆切削力设工件材料为碳素结构钢,选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角=60，前角=10，刃倾 角；切削用量为：背吃刀量=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度=105m/mi

11、n。查表3-11，得：=2795, =1.0,=0.75, =-0.15；查表3-31，得：主偏角Kr的修正系数=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（1） (1) 式中 、-与被加工材料和切削条件相关的切削力系数、-分别为三个分力公式中，被吃刀量、进给量f和切削速度的指数、-当实际加工条件与经验公式的实验条件不相符时，各种影响因素对各切削分力的修正系数的乘积，即-切削速度，单位为m/min算得纵向主切削力=2673.4N，由经验公式=1:0.35:0.4,纵向进给切削力=935.69N，背向力=1069.36N3、滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）3.1工作

12、载荷Fm的计算 （2）纵向进给导轨为综合型导轨K取1.15查表3-29；滑动导轨摩擦系数0.150.18取；溜板及刀架重力G=1800N；=935.69N，=1069.36N，=2673.4N代入公式（2）得3.2 计算最大动负载 最大切削力下的纵向最大进给速度为0.6m/min,丝杠导程选,则滚珠丝杠的平均速度为： （3）数据代入公式（3）得 滚珠丝杠的使用寿命T取15000h由 （4）代入公式（4）得r查表3-301得载荷系数 一般运转取1.21.5，则 =1.15 再取硬度系数=1 (5)代入公式（5）得 3.3 滚珠丝杆螺母副的选型根据计算出的最大动载荷，查表3-331选择采用FL40

13、06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32圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N3.4 传动效率计算 将公称直径，基本导程，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入，得传动效率 3.5 刚度验算（1）纵向滚珠丝杆副的支撑，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力球轴承，面对面组配。左右支撑丝杆的间距a=1497mm；钢的弹性模量 ；查表3-331得滚珠直径 ，算得丝杆底径=36.0312mm，则丝杆的截面积 ，即算得丝杆在工作载荷 作用下产生的拉/压变形量;（2）根据公式 （6） 代入公式（6）得单圈滚珠数目Z=29，该型号丝杆为双螺

14、母，滚珠总圈数32=6，则滚珠总数量 ;丝杆及轴承均必须进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3,即 ,则由公式（7） （7）得 ， 因为丝杆加有预紧力，且为轴向的1/3，所以实际变形量可减少一半，取mm。（3）将以上算出的 代入 ，求得丝杆的总变形量由表3-271知，4级精度滚珠丝杆任意300mm轴向行程内的行程变动量允许 ，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杆，总的变形量为,故丝杆的刚度足够了。3.6 压杆稳定性校核 根据公式 (8)其中压杆稳定安全系数K=3(丝杆卧式水平安装)查表3-341， 取支承系数 ，由丝杆底径d2=36.0312mm，求得截面惯性矩；压杆稳定安全系数K取3；滚动螺母

15、至轴向固定处的距离a取最大值1497mm。代入公式（8）得 ,由于该临界载荷远大于工作载荷 （1712N）,故丝杆不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杆副满足使用要求。4、同步减速器的设计为了减小冲击和调整步进电机的输出速度，在步进电机和丝杠之间加一个减数器。在此只对减速器的齿轮做设计，其他部件如支承齿轮的轴和轴承等根据实际情况而定。4.1 确定传动比由设计要求可知纵向进给系统的脉冲当量 ，滚珠丝杠的导程为6mm。今初选的步进电机的型号为130BYG5501，五相混合式，最大静力矩为20 Nm ，步进角为0.720 ，脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杆导程=6mm,由此可计算传动比如下： （

16、9）式中 电动机步距角 滚珠丝杠导程 Z方向（纵向）的脉冲当量代入公式得 4.2 主动轮最高转速 根据公式 （10）床鞍的最快移动速度，代入公式（10）得4.3 确定带的设计功率 预选的步进电动机在转速为500r/min时，对应的步进脉冲频率为 （11）代入公式（11）得。由图当脉频率为13333Hz时，电动机的输出转矩约为3.7Nm，对应的输出功率为今取，查表3-181得工作情况系数K=1.2,则带的设计功率4.4 选择带型和节距 根据带的设计功率和主动轮最高转速，由图3-141中选择同步带及表3-20选择节距，型号为L，其节距。4.5 确定小轮 和小带轮节圆直径 取 ，则小带轮节圆直径。当

17、达到最高转速1600r/min时，同步带的速度为 ，没有超过H型带的极限转速35m/s。4.6 确定大带轮 和大带轮节圆直径 大带轮的齿数 ,节圆直径。4.7 初选中心距 、带的节线长度、带的齿数 初选中心距，圆整后取=110mm。则带的节线长度为查表3-131，选取最接近的标准节线长度，相应齿数。4.8 计算实际中心距a 实际中心距。4.9 校验带与小带轮的啮合齿数啮合齿数比6大，满足要求。此处ent表示取整。4.10基准额定功率 (12)式中 带宽为 的许用工作拉应力，查表3-211得 ；m带宽为 时的单位长度的质量，查表3-211得； v 为同步带的带速，。 算得。4.11确定所需同步带

18、宽度 （13） 式中 选定型号的基准宽度，查表3-211得； 小带轮啮合齿数系数，查表3-221得 即，再根据表3-111选定最接近的带宽4.12带的工作能力验算 根据式（13），计算同步带额定功率P的精确值。 (14)式中 经计算得，而,满足。因此，带的工作能力合格。5、步进电机的计算和选型（纵向）目前在伺服驱动系统中常用的是步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等设备。在此次改造设计中选用步进电机作为伺服驱动设备，它与其他设备相比有如下优点：步进电机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小及波形的影响。可以开环控制，也可闭环控制，控制灵活。开环控制不需要位置或速度的检测元件，系统结构

19、简单，能方便的控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速。采用位置反馈和速度反馈的闭环控制系统，不仅可以控制精确的位置和平稳的转速，而且扩大了步进电机的应用领域。输出转角（步距角）没有长期积累误差。每转一圈，积累误差会自动消除。启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成，并具有定位转矩。选用步进电机主要考虑三个问题：一、是步距角要满足系统脉冲当量的要求；二、是满足最大静转矩的要求；三、是启动转矩与启动频率、工作运行转矩与运行频率必须满足所选电机型号相应的启动矩频特性和工作矩频特性。5.1 在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杆的公称直径，总长(带轴)，导程，材料密

20、度；纵向移动部件总重量G=1800N；传动比；同步带减速箱大带轮宽度28mm，节径54.57mm，孔径30mm，轮毂外径42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，节径45.48mm，孔径19mm，轮毂外径29mm，宽度12mm。查机械设计表参照表4-11可以算得各个零部件的转动惯量如下 ：滚珠丝杆的转动惯量；丝杆上的转动惯量；小带轮的转动惯量大带轮的转动惯量，在设计减速箱时，初选的纵向步进电动机型号130BYG5501，从表中查得该型号电动机转自的转动惯量。由公式2（15） (15)得。5.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。5.2.

21、1快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式 (16)可知，包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式 （17）式中 -滚珠丝杆的预紧力，一般取滚珠丝杆工作载荷的1/3，单位为N-滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取。可知， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有： （18）根据公式（19） （19）考虑纵向传动链的总效率,计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （20）其中： 经计算得。设步进电机由静止到加速至转速所需时间=0.

22、5s，横向传动链总效率=0.7；则由公式（20）求得： 移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （21）式中 导轨的摩擦因素，滑动导轨取0.16； 垂直方向的工作负载，空载时取0； 横向传动链总效率，取0.7。则由公式（21），得：最后由公式（18），求得快速空载起动时电动机转矩所承受的负载转矩为： （22）5.2.2最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由公式 （23）可知，包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。相对于和很小,可以忽略不计.则有: (24)其中，折算到电动机

23、转轴上的最大工作负载转矩T1 本设计中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Ff=935.69 N,则有： = 计算承受最大工作负载=2673.4N情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 最后由式（24），求的最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： （25）经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩： 5.2.3步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的开环控制，当电网电压降低时其输出转矩会下降，可能造成丢歩，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本设计中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满

24、足： （26） 对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，由表可知，其最大静转Tjmax= 20N m,可见完全满足式（26）的要求。5.2.4步进电动机的性能校核 1)最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定纵向最快工进速度=600mm/min,脉冲当量=0.01mm/脉冲，求出电机对应的运行频率=600/(600.01)Hz=1000Hz。从130BYG5501的运行矩频特性图2可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩=17Nm,远远大于最大工作负载转矩=2.06Nm,满足要求。 2)最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定横向最快空载移动速度=8000mm/min,求出电机对

25、应的运行频率=8000/(600.01)Hz=13333Hz。从图6-41查得，在此频率下，电动机的输出转矩,大于快速空载起动时的负载转矩=3.10,满足要求。3)最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度=8000mm/min, 对应电动机的运行频率=13333Hz。查表可知130BYG5501的极限运行频率为20000Hz,可见没有超出上限。4)起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量=57.55.9kgcm,电动机转子自身的转动惯量=33kg.cm,查表可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率q=1800Hz。由公式 （27）得步进电动机克服惯性负载的起动频率为： 说明

26、，要想保证步进电动机起动时不失歩，任何时候的起动频率都必须小于1085HZ实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本设计中纵向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。6.同步带传递功率的校核分两种工作情况，分别进行校核。6.1 快速空载起动 电动机从静止到加速至1600r/min，由式（22）可知，同步带传递的负载转矩，传递的功率。6.2 最大工作负载、最快工进速度 由式（25）可知，带需要传递的最大工作负载转矩，任务书给定最快工进速度，对应电动机转速。传递的功率为W。 可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的

27、额定功率0.926kW。因此，选择的同步带功率合格。第五节 绘制进给传动机构的装配图在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题：(1) 了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等的结构尺寸。(2) 根据载荷特点和支承形式，确定轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式。 (3) 考虑各部件之间的定位、连接和调整方式。例如：应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的连接与定位，齿轮减速箱的安装与定位等。(4) 考虑密封、防护、润滑以及安全机

28、构等问题。例如：丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。(5) 在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺学，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。(6) 注意绘制装配图时的一些基本要求。例如：制图标准，视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的标注，装配技术要求、标题栏等。第六节 设计小结通过本次课程设计，对普通车床的数控经济型改造设计，培养了独立分析问题和解决问题的能力，树立系统设计的思想，提高了应用手册和标准、查阅文献资料的能力。总的来说，这次设计，让我更深刻的理解了这门学科，在理论与实际的联系中得到了一次有意义的训练，对知识的掌握从枯燥的理论转变为了提高思维能力和动手能力的实践中，提高了学习的效率，让知识的掌握更加深刻。参考资料1尹志强 机电一体化系统设计课程设计指导书 北京：机械工业出版社2008年3月第1版2张建民 机电一体化系统设计 北京：高等教育出版社 2007年7月第3版3于惠力 机械设计 科学出版社 2008年4月第二次出版4刘朝儒等主编，机械制图；高等教育出版社，2007。5王信义主编，机电一体化技术手册；北京：机械工业出版社，2000。