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机电一体化课程设计课程设计说明书 C6140普通车床数控化改造设计专业: 机电一体化工程(本) 姓名: 准考证号: 课程名: C6140普通车床数控化改造设计指导教师: 日期: 2011年七月十一日八月一日 第一节 设计任务21.1设计任务2第三节 总体体方案的确定32.1总体体方案的确定3第三节 主传动系统的改造方案43.1主传动系统的改造方案43.2换装自动回转刀架53.3螺纹编码器的安装方案5第四节 进给传动部件的计算和选型64.1脉冲当量的确定64.2切削力的计算64.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型(纵向)74.4同步带减速箱的设计(纵向)84.5步进电动机的计算和选型(纵向)104.6同步带传递功率的校核16第五节 绘制进给传动机构的装配图165.1绘制进给传动机构的装配图17第六节 控制系统硬件电路设计176.1控制系统硬件电路设计18第七节 步进电动机驱动电源的选用187.1步进电动机驱动电源的选用19第八节 控制系统的部分软件设计198.1控制系统的部分软件设计19 第一节 设计任务1.1设计任务题目C6140普通车床数控化改造设计任务将一台C614普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下:(1)床身上最大加工直径400mm;(2)最大加工长度1000mm;(3)X方向(横行)的脉冲当量0.005/脉冲,Z方向(纵向)的脉冲当量0.01/脉冲;(4)X方向最快移动速度vmax3000mmmin,Z方向为vmax6000mmmin;(5)X方向最快工进速度vmax400mmmin,Z方向为vmax800mmmin;(6)X方向定位精度0.01mm,Z方向定位精度0.02mm;(7)可以车削柱面,平面,锥面与球面等;(8)安装螺纹编码器,可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹,最大导程为24mm;(9)主动控制主轴的正转,反转与停止,并可输出主轴有级变速与无极变速信号;(10)安装四工位立式电动刀架,系统自动控制选刀;(11)自动控制冷却泵的起与停;(12)安装电动卡盘,系统控制工件的夹紧与松开;(13)纵,横安装限位开关;(14)数控系统可与PC机串行通信;(15)显示界面采用LED数码管,编程采用ISO数控代码。 第三节 总体体方案的确定2.1总体体方案的确定总体方案应考虑车床数控系统的运行方式,进给伺服系统的类型,数控系CPU的选择,以及进给传动方式和执行机构的选择等。 (1)普通数控车床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。(2)普通数控车床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,应简化结构,降低成本。因此,进给伺服系统常采用步进电动机的开环系统。(3)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,决定选用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,速度快,抗干扰能力强,性/价比高等优点(4)根据系统的功能要求,需要扩展程序存储器,数据存储器,键盘与显示电路,IO接口电路,DA转换电路,串行接口电路等;还要选择步进电动机的驱动电动以及主轴电动机的交流变频器。(5)为了达到技术指标中的速度和精度要求,纵,横向进给传动应选择摩擦力小,传动效率高的滚珠丝杠螺母副;为了消除传动间隙提高传动刚度,滚珠丝杠螺母应有预紧机构等。(6)计算选择步进电动机,为了圆整脉冲当量,可能需要减速齿轮副,且应有消间隙机构。(7)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 主传动系统的改造方案 3.1主传动系统的改造方案 对普通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,这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转.反转和停止可由数控系统来控制。 若要提高车床的自动化程度,需要在加工中自变换转速,可用2-4档的多速电动机代替原有的单速主电动机;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电动机以实现无级变速(工厂使用情况表明,使用变频时,若工作频率低于70Hz,原来的电动机可以不更换,但所选变频器的功率要比电动机大)。 本例中,当采用有级变速时,可选用浙江超力电机有限公司生产的YD系列7.5KW变极多速三相异步电动机,实现24档变速;当采用无级变速时,应加装交流变频器,推荐型号为:F1000-G0075T3H,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KD11250型电动三爪卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。 3.2换装自动回转刀架 为了提高加工精度,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刀架,选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路,由数控系统完成。 3.3螺纹编码器的安装方案 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,作为车床主轴位置信号的反馈元件,它与车床主轴同步转动。 本例中,改造后的车床能够加工的最大螺纹导程24mm,Z向的进给脉冲当量是0.01脉冲所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24(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,可用A、B异或后获得2400个脉冲(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纹槽时不乱扣,编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。 基于上述要求,本例中选择螺纹编码器的型号为:ZLF-1200Z-05Z0-15-CT。电源电压+5V,每转输出1200个AB脉冲与1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。螺纹编码器通常有两种安装形式;同轴安装和异轴安装。同轴安装时指将编码器直接安装在主轴后端,与主轴同轴,这种方式机构简单,但它堵住了主轴的通孔,异轴安装时是指将编码器安装在床头箱的后端,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,可以将编码器通过一对传动比为1:1的同步齿形带与主轴连接起来,需要注意的是,编码器的最高允许转速。5.进给系统的改造与设计方案(1)拆除挂轮架所有齿轮,在此寻找的同步轴,安装螺纹编码器。(2)拆除进给箱总成,在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。(3)拆除溜板箱总成与快刀的齿轮齿条,在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座和螺母座垫架。(4)拆除四方刀架与上溜板总成,在横溜板上方安装四位工位立式电动机刀架。(5)拆除横溜板下的滑动丝杠螺母副,将滑动丝杠靠刻度盘一段(见图一)锯断保留,拆掉刻度盘上的手柄,保留刻度盘附近的两个推力轴承,换上滚珠丝杠副。(6)将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上,并与滚珠丝杠的轴头相连。(7)拆去三杆(丝杆、光杆与操纵杆),更换丝杆的右支承。 改造后的横向、纵向进给传给系统见图一、图二。 第四节 进给传动部件的计算和选型纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括:确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杆螺母副、设计减速箱、选择步进电动机。 4.1脉冲当量的确定根据设计任务的要求,X方向(横向)的脉冲当量为x=0.005脉冲,Z方向(纵向)为z=0.005脉冲。4.2切削力的计算 纵向切削力的详细计算过程。设工件材料为碳素机构钢,b=650MPa;刀具材料为硬质合金YT15;刀具几何参数为:主偏角,前角0=100,刃倾角s=50;切削用量为: =3mm背吃刀量,进给量f=0.6mmr,切削速度 =105mmin。查表10-1,得: =2795, =1.0, =0.75, =0.15。查表10-3,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(10-2),算得主切削力 =2673.4N。由经验公 :Ff : =1:0.35:0.4,算得纵向进给切削力Ff=935.69N,背向力 =1069.36N。4.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型(纵向)(1)工作载荷F的计算 已知移动部件总重量G=1300N;车削力 =2673.4N, =1069.36N,Ff=935.69N。如图10-20所示,根据 = , = , =Ff的对应关系,可得:=2673.4 , =1069.36N, =935.69N。选用矩形三角形组合滑动导轨,查表10-29,得K=1.15,=0.16代人Fm=KFX (G),得工件载荷F1712N。(2)最大动载荷FQ的计算 设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8mmin,初选丝杆基本导轨Ph=6mm,则此时丝杆转速n=1000vPh 133rmin。取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h,代入L0=60nT106,得丝杠寿命L0=119.7。查表10-30,取载荷系数fm=1.15、硬质系数=1,代入式(10-23),求得最大动载荷。(3)初选型号 根据计算的最大动载荷,查表10-34,选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杆副。其公称直径为40mm,基本导程为6mm,双螺母滚珠总圈数为32=6圈,精度等级取4级,额定动载荷为13200N,满足要求。(4)传动效率的计算 将公称直径d0=40mm,基本导程Ph=6mm,代入= Ph(d0),得丝杆螺旋升角=2044,将摩擦角=10,代入=tantan(+),得传动效率=94.2。(5)刚度的计算 Z向滚珠丝杆副的支承,采用一端轴向固定,一端简支的方式,见图二。固定端采用一对推力角接触球轴承,面对面组配。丝杠加上两端接杆后,左、右支承的中心距离约为a=1497mm;钢的弹性模量E=2.1105MPa;查表10-34,得滚珠直径=3.9688mm,算得丝杠底径d2=公称直径d0滚珠直径则丝杠截面积S=d224=1019.64mm2。忽略式(10-25)中的第二项,算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉压变形量1=(ES) 0.01197mm。根据公式Z=(d0)3,求的单圈滚珠数目Z=29;该型号丝杠为双螺母,滚珠总圈数为32=6,则滚珠总数量Z=296=174。滚珠丝杆预紧时,取轴向预紧力FYJ=Fm3571N;则由式(10-27),求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.00117mm。因为丝杠加有预紧力,且为轴向负载的1/3,所以实
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