机电一体化课程设计-C6140卧式车床数控化改造设计

C6140卧式车床数控化改造设计PAGE19机电一体化课程设计说明书设计题目：C6140卧式车床数控化改造设计班级：班设计者：学号：指导教师：目录1设计任务 22设计要求 32.1总体方案设计要求 32.2设计参数 42.3.其它要求 53进给伺服系统机械部分设计与计算 63.1进给系统机械结构改造设计 63.2进给伺服系统机械部分的计算与选型 63.2.1确定系统的脉冲当量 63.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 63.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 104步进电动机的计算与选型 134.1步进电动机选用的基本原则 144.1.1步距角α 144.1.2精度 144.1.3转矩 144.1.4启动频率 144.2步进电动机的选择 144.2.1C6140纵向进给系统步进电机的确定 144.2.2C6140横向进给系统步进电机的确定 155电动刀架的选择 156控制系统硬件电路设计 166.1控制系统的功能要求 166.2硬件电路的组成： 166.3电路原理图 166.4 主轴正反转与冷却泵启动梯形图 187总结 188参考文献 191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：床身最大加工直径460mm最大加工长度1150mmX方向（横向）的脉冲当量mm/脉冲，Z方向（纵向）脉冲当量mm/脉冲X方向最快移动速度vxmax=3100mm/min，Z方向为vzmax=6000mm/minX方向最快工进速度vxmaxf=370mm/min，Z方向为vzmaxf=730mmX方向定位精度±0.01mm，Z方向±0.02mm可以车削柱面、平面、锥面与球面等安装螺纹编码器，最大导程为25mm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自动控制冷却泵的起/停纵、横向安装限位开关数控系统可与PC机串行通讯显示界面采用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设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。由《机械加工工艺手册》表8.1-1可列出C6140卧式车床的技术数据如下：名称技术参数 在床身上400mm工件最大直径 在刀架上210mm顶尖间最大距离650;900;1400;1900mm 宋制螺纹mm1192加工螺纹范围英制螺纹t/m 224模数螺纹mm 0.2548径节螺纹t/m 196最大通过直径48mm孔锥度 莫氏6号主轴正转转速级数 24正转转速范围 10—1400r/min反转转速级数 12 反转转速范围 141580r/min 纵向级数 64 进给量 纵向范围 0.081.59 横向级数 64 横向范围 0.040.79滑板行程横向 320mm 纵向 650;900;1400;1900mm 最大行程 140mm 刀架 最大回转角 ±90° 刀杠支承面至中心的距离 26mm 刀杠截面B×H 25×25mm 顶尖套莫氏锥度 5号尾座 横向最大移动量 ±10mm外形尺寸长×宽×高 2418×1000×1267mm圆度 0.01mm 工作精度 圆柱度 200:0.02 平面度 0.02/φ300mm 表面粗糙度Ra 1.63.2μm 主电动机 7.5kw电动机功率 总功率 7.84kw改造设计参数如下:最大加工直径 在床面上46 在床鞍上 210mm最大加工长度 1150mm快进速度 纵向 6000mm/min 横向 3100mm最大切削进给速度 纵向 730mm/min 横向 370mm溜板及刀架重力纵向 800N 横向 600N脉冲当量纵向 0.02mm横向 0.01定位精度 纵向±0.02横向±0.01mm2.3.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=×9.8≈式中Vs——切削速度，取Vs=100m/min主切削力Fz==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：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，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)（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)eq\o\ac(○,1)强度计算寿命值Li=ni=由《机床设计手册》得Ti=15000h,=12mm，D=80㎜ni=≈10(r/min)Li==9最大动负Q=PfwfH其中运载系数fw=1.2硬度系数Fh=1Q=×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44400Neq\o\ac(○,2)效率计算根据《机械原理》得，丝杠螺母副传动效率为η=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==0.953 eq\o\ac(○,3)刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量△L1=± 其中LO=12㎜=1.2㎝E=20.6×106N/㎝2滚珠丝杠横截面积F=()π=（）2×3.14=18.09(㎝2)（d为滚珠丝杠外径）则△L1==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=其中表示步驱角，表示脉冲当量i==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)=a===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=()2W=()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齿轮的转动惯量JZ1=7.8×10-4×(6.4)4×2=2.617kg.㎝2=26.17N.cmJZ2=7.8×10-4×84×2=6.39kg.㎝2=63.9N.cm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=×(Js+JZ2)+JZ1+J1=×(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+MO+Mt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。MO——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=×10-4（N.m）其中T=0.025当n=nmax时，Mamax=Manmax===76.0(r/min)Mamax=×10-4=2.05N.m=20.5kgf.cmnt===12.44r/minMat=×10-4=0.3355N.cm=3.355kgf.cmMf==当ŋ=0.8，f′=0.16时，Mf==2.446kgf.cm=24.46N.cmMO=(1-ŋo2)当ŋ=0.9时，预加荷PO=FxMO===1.715kgf.cm=17.15N.cmMt===9.024kgf.cm=90.24N.cm所以，快速空载启动所需力矩M快空=Mamax+Mf+MO=20.5+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=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～,取横向切削力约为纵向切削力的∴Fz=F纵z=×2833.56=1416.78N在切断工件时Fy=0.6F纵z=0.6×1416.78=850.068N（2）滚珠丝杠的设计计算eq\o\ac(○,1)强度计算对于燕尾型导轨P=KFy+f′（Fz+W）其中K=1.4,f′=0.2P=1.4×850.068+0.2×(1416.78+300)=1533.45Nn==12r/min寿命值Li===10.8最大动负载Q=Pfwfh其中fw=1.2fh=1Q=×1.2×1×1533.45=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。eq\o\ac(○,2)效率计算根据《机械原理》得，丝杠螺母副传动效率为η=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=3O38′则η==0.956 eq\o\ac(○,3)刚度验算滚珠丝杠受工作负载，P引起的导程变化量△L1==F=（）2=（）2×3.14=12.25（其中d为滚珠丝杠的外径）L1==±6.08×10-6㎝=6.08um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，即导程变化总误差为△=△L=×6.08×10.-6=6.08um/m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。eq\o\ac(○,4)稳定性验算由于原机床杠径为Φ30㎜，现选用的滚珠丝杠为Φ40㎜，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=其中表示步驱角，表示脉冲当量i==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=60mmd2=mz2=2×63=126mmda1=2×(30+2)=64mmda2=2×(65+2)=130mma===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J1=()2W=()2×30=0.1753kg.㎝2=1.753N.cm2丝杠的转动惯量Js=7.8×10-4D4L=7.8×-4×44×64=12.78kg齿轮的转动惯量JZ1=7.8×10-4×64×2=2.02kg.㎝JZ2=7.8×10-4×（12.6）4×2=39.32kg.㎝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=×(Js+JZ2)+JZ1+J1=×(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+MO+Mt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。MO——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=×10-4（N.m）其中T=0.025当n=nmax时，Mamax=Manmax===77.7(r/min)Mamax=×10-4=0.4536N.m=4.536kgf.cmnt===25.08r/minMat=×10-4=0.1464N.m=1.464kgf.cmMf==当ŋ=0.8，f′=0.2时，Mf==0.5687kgf.cm=0.05687N.mMO=(1-ŋo2)当ŋ=0.9时，预加荷PO=FyMO===0.17kgf.cm=0.017N.mMt===2.686kgf.cm=0.269N.m所以，快速空载启动所需力矩M快空=Mamax+Mf+MO=0.4536+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α步距角应满足α≤QUOTEαmini式中i—传动比αmin—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：△θm≤i[△θs]式中，△θm步进电动机的累积误差。[△θs]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①启动力矩，一般启动力矩选取为Mq≥式中Mq——电机启动力矩ML0——电机静负载力矩②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：ft≥[fop]m式中ft极限启动频率，[fop]m要求步进电动机最高启动频率。4.2步进电动机的选择4.2.1C6140纵向进给系统步进电机的确定Mq=QUOTEML00.4＝123.3380.4QUOTEMLo0.4=268.670.4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：Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为：Mjm=QUOTEMq0.866＝308.350.866QUOTEMg0.866=671.6750.866==711.92N.cm=步进电动机最高工作频率：fmax=QUOTEVmax60δP＝200060×0.01QUOTE综合考虑，查表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。4.2.2C6140横向进给系统步进电机的确定Mq=QUOTEML00.4＝123.3380.4QUOTEMLo0.4=268.670.4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：Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为：Mjm=QUOTEMq0.866＝308.350.866QUOTEMg0.866=671.6750.866步进电动机最高工作频率：fmax=QUOTEVmax60δP＝200060×0.01QUOTE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：电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。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。机床型号C6140刀位数4电机功率（W）7500电机转