機電一體化課程設計-C6140普通車床數(shù)控化改造設計.doc

機電一體化課程設計合肥工業(yè)大學1課程設計說明書C6140普通車床數(shù)控化改造設計專業(yè)：機電一體化工程（本）姓名：準考證號：課程名：C6140普通車床數(shù)控化改造設計指導教師：日期：2011年七月十一日八月一日機電一體化課程設計合肥工業(yè)大學2第一節(jié)設計任務.31.1設計任務.3第三節(jié)總體體方案的確定.42.1總體體方案的確定.4第三節(jié)主傳動系統(tǒng)的改造方案.53.1主傳動系統(tǒng)的改造方案.53.2換裝自動回轉(zhuǎn)刀架.53.3螺紋編碼器的安裝方案.5第四節(jié)進給傳動部件的計算和選型.74.1脈沖當量的確定.74.2切削力的計算.74.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型（縱向）.74.4同步帶減速箱的設計（縱向）.94.5步進電動機的計算和選型（縱向）.114.6同步帶傳遞功率的校核.17第五節(jié)繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖.175.1繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖.17第六節(jié)控制系統(tǒng)硬件電路設計.186.1控制系統(tǒng)硬件電路設計.18第七節(jié)步進電動機驅(qū)動電源的選用.217.1步進電動機驅(qū)動電源的選用.21第八節(jié)控制系統(tǒng)的部分軟件設計.218.1控制系統(tǒng)的部分軟件設計.21機電一體化課程設計合肥工業(yè)大學3第一節(jié)設計任務1.1設計任務題目C6140普通車床數(shù)控化改造設計任務將一臺C614普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標如下：（1）床身上最大加工直徑400mm；（2）最大加工長度1000mm；（3）X方向（橫行）的脈沖當量0.005/脈沖,Z方向（縱向）的脈沖當量0.01/脈沖；（4）X方向最快移動速度vmax3000mmmin，Z方向為vmax6000mmmin；（5）X方向最快工進速度vmax400mmmin，Z方向為vmax800mmmin；（6）X方向定位精度0.01mm，Z方向定位精度0.02mm；（7）可以車削柱面，平面，錐面與球面等；（8）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導程為24mm；（9）主動控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無極變速信號；（10）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)自動控制選刀；（11）自動控制冷卻泵的起與停；（12）安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；（13）縱，橫安裝限位開關(guān)；（14）數(shù)控系統(tǒng)可與PC機串行通信；（15）顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。機電一體化課程設計合肥工業(yè)大學4第三節(jié)總體體方案的確定2.1總體體方案的確定總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運行方式，進給伺服系統(tǒng)的類型，數(shù)控系CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。（1）普通數(shù)控車床數(shù)控化改造后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補，圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。（2）普通數(shù)控車床數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)常采用步進電動機的開環(huán)系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標中的最大加工尺寸，最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機具有功能多，速度快，抗干擾能力強，性/價比高等優(yōu)點（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路，IO接口電路，DA轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等；還要選擇步進電動機的驅(qū)動電動以及主軸電動機的交流變頻器。（5）為了達到技術(shù)指標中的速度和精度要求，縱，橫向進給傳動應選擇摩擦力小，傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠螺母應有預緊機構(gòu)等。（6）計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速齒輪副，且應有消間隙機構(gòu)。（7）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。機電一體化課程設計合肥工業(yè)大學5第三節(jié)主傳動系統(tǒng)的改造方案3.1主傳動系統(tǒng)的改造方案對普通車床進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)，這樣可減少機械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn).反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自變換轉(zhuǎn)速，可用2-4檔的多速電動機代替原有的單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機以實現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻時，若工作頻率低于70Hz，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器的功率要比電動機大）。本例中，當采用有級變速時，可選用浙江超力電機有限公司生產(chǎn)的YD系列7.5KW變極多速三相異步電動機，實現(xiàn)24檔變速；當采用無級變速時，應加裝交流變頻器，推薦型號為：F1000-G0075T3H，適配7.5KW電動機，生產(chǎn)廠家為煙臺惠豐電子有限公司。2.安裝電動卡盤為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特機床附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動三爪卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。3.2換裝自動回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架，選用常州市宏達機床數(shù)控設備有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140型四位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換刀需要配置相應的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。3.3螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動。本例中，改造后的車床能夠加工的最大螺紋導程24mm，Z向的進給脈沖當機電一體化課程設計合肥工業(yè)大學6量是0.01脈沖所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應不少于24(0.01mm/脈沖)=2400脈沖?？紤]到編碼器的輸出有相位差為90的A、B相信號，可用A、B異或后獲得2400個脈沖(一轉(zhuǎn)內(nèi))，這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（A、B信號）。另外，為了重復車削同一螺紋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖Z?；谏鲜鲆?，本例中選擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05Z0-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出1200個AB脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑15mm，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式；同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝時指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式機構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔，異軸安裝時是指將編碼器安裝在床頭箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可以將編碼器通過一對傳動比為1:1的同步齒形帶與主軸連接起來，需要注意的是，編碼器的最高允許轉(zhuǎn)速。5.進給系統(tǒng)的改造與設計方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座和螺母座墊架。（4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四位工位立式電動機刀架。（5）拆除橫溜板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一段（見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。（6）將橫向進給步進電動機通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。（7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。改造后的橫向、縱向進給傳給系統(tǒng)見圖一、圖二。機電一體化課程設計合肥工業(yè)大學7第四節(jié)進給傳動部件的計算和選型縱、橫向進給傳動部件的計算和選型主要包括：確定脈沖當量、計算切削力、選擇滾珠絲桿螺母副、設計減速箱、選擇步進電動機。4.1脈沖當量的確定根據(jù)設計任務的要求，X方向（橫向）的脈沖當量為x=0.005脈沖，Z方向（縱向）為z=0.005脈沖。4.2切削力的計算縱向切削力的詳細計算過程。設工件材料為碳素機構(gòu)鋼，b=650MPa；刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角060rK，前角0=100，刃傾角s=50；切削用量為：pa=3mm背吃刀量，進給量f=0.6mmr，切削速度cv=105mmin。查表10-1，得：FCG=2795，xFC=1.0，F(xiàn)Cy=0.75，F(xiàn)Cn=0.15。查表10-3，得：主偏角Kr的修正系數(shù)krFCK=0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。由經(jīng)驗公式（10-2），算得主切削力acF=2673.4N。由經(jīng)驗公cF：Ff：pF=1：0.35：0.4，算得縱向進給切削力Ff=935.69N，背向力pF=1069.36N。4.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型（縱向）（1）工作載荷F的計算已知