机电一体化课程设计-C6140卧式车床数控化改造设计

1、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 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的确定 124.2.2 C

2、6140 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x m0.m01/脉冲， Z方向(纵向)脉冲当量 z m0.m02/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

3、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

4、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

5、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， MCS51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 MCS51 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

6、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

7、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

8、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=Nd k 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=7.50.65 0.95 4.63kw又因为：

9、Fz VsNc=60 1039.8Fz Vs 6120式中 Vs 切削速度，取 Vs=100m/min4.63 6120主切削力 Fz=283.356(kgf )=2833.56N100由机电一体化系统设计课程设计指导书可知主切削力Fz=CFzapxFzf yFzKFz对于一般切削情况：2xfz=1 ，yFz=0.75 ，KFz=1， CFz=188kg/ 2=1880MpaF2 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=2833.56

10、N,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 )FZ Fy(0.15 0.7)Fz取 Fx=0.5 Fz Fy=0.6Fz Fx=0.52833.56=1416.78(N)Fy=0.62833.56=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+f（Fz+W）其中 K=1.15 , f =0.150.18取 f =0.16P=1.151416.78+0.16 （2833.56+800）=2210.67（N）1 强度计算寿命值Li=60niTi1

11、0ni=1000vfD L0由机床设计手册得 Ti=15000h, L0=12mm， D=80 ni=1000 100 0.3 10(r/min)80 12 3.14Li=60 10 15000=910最大动负 Q= 3 Li Pfwf H其中运载系数 fw=1.2硬度系数 Fh=1Q=3 91.2 2210.671=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 FFZ50124，查表得 数控车床的纵向精度为 E级，即型号为 FFZ50124E 1800640，其额定载 荷是 44400N2 效率计算根据机械原理得，丝杠螺母副传动效率为tgr tg(r由机械原理得

12、 一般为 8 12取 =10 即：摩擦角 =10，螺旋升角（中径处） r=3 O25则=tg0 3 25 =0.953tg (3025 10)刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量L1=PLoEF其中 L O=12 =1.2 E=20.6106N/ 2 滚珠丝杠横截面积F=（ d ）=（ 48 ）23.14=18.09（ 2） （d为滚珠丝杠外径）22则 L1=2210.667 1.2 =7.1210-67.12um20.6 106 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

13、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）有关齿轮的计算传动比 i=LO360其中 表示步驱角， z 表示脉冲当量i=0.75 12=1.25360 0.02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=64mm d2=mz2=240=80mmda1 =2 (32+2)=68mm da2=2 (40+2)=84mmd1 d2 a= 1 2 264 80 =7222）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=(180z ) 2W=(18

14、0 0.02 ) 280= 1.859kg.3.14 0.7522 2=18.69N.cm2丝杠的转动惯量-4 4 -4 4 2 2 Js=7.8 10-4D4L=7.8 -454180=87.75kg. 2=877.5N.cm2 齿轮的转动惯量-4 4 2 2JZ1=7.8 10-4(6.4) 42=2.617kg. 2=26.17N.cm2-4 4 2 2JZ2=7.810-4842=6.39kg. 2=63.9N.cm2 由于电机的转动惯量很小，一般可忽略不记 所以总的转动惯量为J 总= 12 (Js+ JZ2)+ JZ1+ J11.252 (87.75+6.39)+2.617+1.86

15、9=64.7356kg.2 2=647.356N. 3) 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+MO+Mt 快速进给时所需力矩 M=Mf+M O 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 O 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 Mat 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。Ma= Jn 10-4 (N.m)其中 T=0.0259.6 T 当 n=nmax时， Mamax=Ma Vmaxi 730 1.25 nmax= =

16、=76.0(r/min)lo 12Mamax=64.7356 76 10-4 =2.05N.m=20.5kgf.cm9.6 0.025 1000V fiD fi 1000 0.3 1.25nt= D = =12.44r/minlo 3.14 80 12Mat=12.44 64.7356 10-4=0.3355N.cm=3.355kgf.cm9.6 0.025FoLo f WLoMf= =2 i 2 i当?=0.8 ，f =0.16 时，0.16 80 1.2Mf= =2.446kgf.cm=24.46N.cm2 3.14 0.8 1.25MO= PoLo (1- ?o2)6i1当?=0.9 时

17、，预加荷 PO= 1 Fx31 2 1 2FxLo (12)141.678 1.2 (1 0.92 )MO=3= 3 =1.715kgf.cm=17.15N.cm2 2 3.14 0.8 1.2511FxLo 141.678 1.2Mt= 3 = 3 =9.024kgf.cm=90.24N.cm2 i 2 3.14 0.8 1.25 所以，快速空载启动所需力矩 M快空 =Mamax+Mf+O=M20.5+2.446+1.715=24.661kgf.cm=246.61N.cm 切削时所需力矩M切= Mat+Mf+MO+Mt=3.355+2.446+9.024+1.715=16.54kgf.cm=

18、165.4N.cm快速进给时所需力矩M快速 =Mf+MO=2.446+1.715=4.161kgf.cm=41.61N.cm 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.cm3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核（1）切削力的计算横向进给量约为纵向的 1 1, 取横向切削力约为纵向切削力的 1 2 3 2 11Fz= 1 F纵z= 1 2833.56=1416.78N 22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+f （Fz+W） 其中

19、K=1.4 , f =0.2P=1.4 850.068+0.2 (1416.78+300)=1533.45Nn=1000 100 0.380 10 3.14=12r/min106寿命值 Li= 6100n6Ti =60 12 15000=10.8最大动负载 Q=3 Li Pfwfh其中 fw=1.2 fh=1Q=3 10.8 1.2 11533.45=4067.48N 根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 效率计算根据机械原理得，丝杠螺母副传动效率为=tgrtg(r由机械原理得

20、一般为 8 12取 =10即：摩擦角 =10，螺旋升角（中径处） r=3 O38则=tg(3tg03383810)=0.9563 刚度验算滚珠丝杠受工作负载， P 引起的导程变化量O L1= pLEF1533.45 1620.6 106 F39.5 2=（ 39.5）23.14=12.2521533.45 16= 6.0820.6 106 12.25 因为滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2 很小可忽略不计，即 L=L1，F=( d2 )2 L1 =cm 2 （其中 d 为滚珠丝杠的外径）-610 =6.08um即导程变化总误差为 =100L=1006.0810. -6 =6.08um/mLo

21、 1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LO传动比 i= 360 x其中 表示步驱角， x 表示脉冲当量0.75 10i= =2.1360 0.01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=263=126mm da1 =2 (30+2)=64mm da2=2 (65+2)=130mma=d1 d2 =64 12

22、6 =9322）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 x 2 180 0.02 2 2 2 J1=( 180 x)2W=(31.8104 00.0725 ) 230= 0.1753kg. 2=1.753N.cm2丝杠的转动惯量-4 4 -4 4 2Js=7.810-4D4L=7.8-44464=12.78kg. 2 齿轮的转动惯量JZ1=7.810-4642=2.02kg. 2-4 4 2JZ2=7.810-4（12.6）42=39.32kg. 2 由于电机的转动惯量很小，一般可忽略不记，所以总的转动惯量为J 总= 12 (Js+ JZ2)+ JZ1+ J1 i2121 2

23、(12.78+39.32)+2.02+0.1753=14.01kg. 22.1 2M=Mamax+Mf+MOM=Mat+Mf+MO+Mt M=Mf+M O3）所需转动力矩的计算 快速空载启动时所需力矩 最大切削负载时所需力矩 快速进给时所需力矩 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 O 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 Mat 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。Ma= Jn 10-4 （N.m）其中 T=0.0259.6 T 当 n=nmax时， Mamax=Ma Vmaxi 370 2

24、.1 nmax= = =77.7（r/min）lo 10Mamax=14.01 77.7 10-4=0.4536N.m=4.536kgf.cm9.6 0.025 1000VD fi 1000 0.3 2.1nt= = =25.08r/minlo 3.14 80 10Mat= 25.08 14.0110-4=0.1464N.m=1.464kgf.cm9.6 0.025Mf= FoLo = fWLo2 i 2 i当?=0.8 ，f =0.2 时，0.2 80 1Mf= =0.5687kgf.cm=0.05687N.m2 3.14 0.8 2.1MO= PoLo (1- ?o2)6i当 ?=0.9

25、时，预加荷PO= 1 Fy31FyLo (1MO=32)1285.0068 1 (1 0.92 )3= 3 =0.17kgf.cm=0.017N. m2 3.14 0.8 2.121 85.0068 13 =2.686kgf.cm=0.269N.mMt=2 i 2 3.14 0.8 2.1所以，快速空载启动所需力矩M快空=Mamax+Mf+O=M0.4536+0.05687+0.017=0.52747N.m=5.2747kgf.cm 切削时所需力矩M切=Mat+Mf+MO+Mt=0.1464+0.05687+0.017+0.269=0.48927N.m=4.8927kgf.cm 快速进给时所需

26、力矩M快速=Mf+MO=0.05687+0.017=0.07387N.m=0.7387kgf.cm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 步进电动机选用的基本原则 合理选用步进电动机是比较复杂的问题， 需要根据电动机在整个系统中的实 际工作情况， 经过分析后才能正确选择。 现仅就选用步进电机最基本的原则介绍 如下：4.1.1 步距角 步距角应满足 错误 ! 未找到引用源。 mini式中 i 传动比 min系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角4.1.2 精度 步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡

27、量， 累积误差是指转子从任 意位置开始，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 误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：mi s 式中， m - 步进电动机的累积误差。 s- 系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。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，必须考虑以下条件启动力矩，一般启动力矩选取为 Mq l00.3 0.5式中 Mq电机启动力矩ML0电机静负载力矩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

28、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，ft fopm246.61 =616.525 N.cm0.4相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： 式中 f t - 极限启动频率，f opm- 要求步进电动机最高启动频率。4.2 步进电动机的选择4.2.1 C6140 纵向进给系统步进电机的确定Mq=M l0 错误!未找到引用源。错误 !未找到引用源Mq/Mjm=0.8660.4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： 所以步进电动机最大静转矩 Mjm为：Mjm= Mq 错误!未找到引用源。错误 ! 未找到0.866引用源。616.525 =711.92N.c

29、m=7.12 N. m0.866 步进电动机最高工作频率： f max=错误! 未找到引用源。错误 ! 未找到引用源730 = 730 =608.3HZ60 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的确定Mq=M l0 错误!未找到引用源。错误 !未找到引用源。 = 0.52747 =1.3187 N.mMq/Mjm=0.8660.4 0.4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： 所以步进电动机最大静转矩 Mjm为：Mjm= Mq 错误!未找到引用源。错误 ! 未找到0.866引用源。1.3187

30、=1.5227N. m0.866 步进电动机最高工作频率： f max=错误! 未找到引用源。错误 ! 未找到引用源 = 370 =616.7HZ60 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普通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。尽管其结构复杂，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，提供选用的多把刀的可能性。电动刀架的安装较方便， 只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可， 但 要注意两点：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

31、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：避免 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。C6140475001400r/min1152 152161 171机床型号 刀位数 电机功率（ W） 电机转速 夹紧力 切体尺寸 下刀体尺LD4-I 型刀架技术指标配车床型号C6140重复定位精度 0.005mm工作可靠性30000 次换刀时间902.9（秒）1803.4（秒）2703.9（秒）6 控制系统硬件电路设计6.1 控制系统的功能要求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）控制 X（90BF002）、Z（90BF002）向步进电动机的驱动器5）控制主轴的正反转与停止信号6）控制切削液泵起动和停止7）控制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