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，所以实际变形量可减小一半，取