C6140卧式车床数控化改造毕业设计论文

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1、目录1 设计任务2.2 设计要求3.2.1总体方案设计要求32.2设计参数33 2.3.其它要求5进给伺服系统机械部分设计与计算53.1进给系统机械结构改造设计54 3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型6确定系统的脉冲当量6纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核6横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核10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134.1.1步距角a131.2精度14转矩144.1.4启动频率14步进电动机的选择14C6140纵向进给系统步进电机的确定14C6140横向进给系统步进电机的确定145电动刀架的选择156控制系统硬件电路设计156.1 控制系统的功能要求1

2、66.2 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错误！未定义书签。1 7总结188参考文献18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460mm3) 2)最大加工长度1150mmX方向(横向)的脉冲当量5二0.01mm/脉冲，Z方向(纵向)脉冲当量5=0.02mm/脉冲X方向最快移动速度vxmax=3100mm/min，Z方向为vzmax=6000mm/minxmaxzmaxX方向最快工进速度v=370mm/min，Z方向为v=730mm/minxmaxfzmaxf4) X方向定位精度土0.01

3、mm,Z方向土0.02mm5) 可以车削柱面、平面、锥面与球面等6) 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7) 自动控制冷却泵的起/停8) 纵、横向安装限位开关9) 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

4、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，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

5、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

6、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400mm210mm在床身上工件最大直径I在刀架上顶尖间最大距离宋制螺纹mm加工螺纹范围英制螺纹t/m主轴模数螺纹I径节螺纹mmt/m（最大通过直径孔锥度正转转速级数正转转速范围反转转速级数反转转速范围纵向级数纵向范围横向级数I横向范围滑板行程横向纵向刀架最大回转角刀杠支承面至中心的距离I刀杠截面BXH厂顶尖套莫氏锥度J横向最大移动量外形尺寸圆度圆柱度

7、平面度表面粗糙度Ra650;900;1400;1900mm1-1922-240.25-481-9648mm莫氏6号24101400r/min1214-1580r/min640.08-1.59mm/r640.04-0.79mm/r320mm650;900;1400;1900mm140mm9026mm25X25mm5号10mm2418X1000X1267mm0.01mm200:0.020.02300mm1.6-3.2m7.5kw电动机功率7.84kw总功率改造设计参数如下:最大加工直径在床面上I在床鞍上最大加工长度快进速度纵向I横向最大切削进给速度纵向横向溜板及刀架重力纵向横向脉冲当量纵向横向定位

8、精度纵向横向460mm210mm1150mm6000mm/min3100mm/min730mm/min370mm/min800N600N0.02mm/脉冲0.01mm/脉冲0.02mm0.01mm2.3.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

9、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

10、选型等。确定系统的脉冲当量广纵向：0.02mm/脉冲由设计要求可知：脉冲当量Yk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切削力的计算由机床设计手册得Nc=Ndnk其中Nc为传动件的额定功率血一主电机的额定功率，Nd=7.5kwn主传动系统总功率，一般为0.60.7，取n=0.65k进给系统功率系数，取k=0.95则：Nc=7.5X0.65X0.95=4.63kwFzxVsFzxVs又因为：Nc=60103X986120式中Vs切削速度，取Vs=100m/min4.63x6120主切削力Fz=硕=283.356(kgf)=2833.56N由机电一体化系统设计课程设计指

11、导书可知主切削力Fz=CFz誓XffKFz对于一般切削情况：xfz=l,yFz=0.75，Kfz=1,CFz=188kg/mm2=1880MpaF2的计算结果如下：ap(m)333444f(m)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=4mm,走刀量f=0.3mm,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(0.10.6)FZFy(0.150.7)Fz取Fx=0.5FzFy=0.6FzFx=0.5X2833.56=1416.78(N

12、)Fy=0.6X2833.56=1700.14(N)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二KFx+f(Fz+W)其中K=1.15,f=0.150.18取f=0.16P=1.15X1416.78+0.16X(2833.56+800)=2210.67(N)强度计算寿命值L=i60niTi106ni=1000Vf由机床设计手册得Ti=15000h,L=12mm，D=80mm0.1000X100X0.3“/.、ni=10(r/min)80X12X3.1460X10X15000Li=9106最大动负Q=vLiPffwH其中运载系数fw=1.2硬度系数Fh=1Q=3记X1

13、.2X2210.67X1=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FFZ50124E1800X640,其额定载荷是44400N效率计算根据机械原理得，丝杠螺母副传动效率为n=tg（r+申）由机械原理得p一般为812取申=10即：摩擦角p=10，螺旋升角（中径处）r=3o25刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量Li二土pLoEF其中L=12mm=1.2cmOE=20.6X106N/m2滚珠丝杠横截面积d48F=（d）n=（-8）2X3.14=18.09（cm2）（d为滚珠丝杠外径）222210.67x

14、1.2则厶L1=土=7.12X10-67.12um20.6x106x18.09查机床设计手册,E级精度丝杠允许的螺距误差（1800mm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床杠径为30mm,现选用的滚珠丝杠为50mm,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=3608其中p表示步驱角，8表示脉冲当量z0.75x121251=1.25360x0.02取齿数Z1=32,Z2=-0模数m=2mm啮合角为200齿轮齿宽b=20md1=mz1=2X32=6-mmd2=mz2=2X-0=80mma=d+d

15、2=64+8=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Jl=(180x5z)2W=(180x0.02)2X80=1.859kg.cm2=18.69N.cm2兀申3.14x0.75丝杠的转动惯量Js=7.8X10-4D4L=7.8X-4X54X180=87.75kg.m2=877.5N.cm2齿轮的转动惯量JZ1=7.8X10-4X(6.4)4X2=2.617kg.m2=26.17N.cm2JZ2=7.8X10-4X84X2=6.39kg.m2=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总二丄X(Js+JZ2)+Jzi+J11(1.25)2i2X

16、(87.75+6.39)+2.617+1.869=64.7356kg.m2=647.356N.m23）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M=Mamax+Mf+MOM=Mat+Mf+M+MtOM=Mf+M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。JnMa=X10-4(N.m)其中T=0.0259.6xT当n=nmax时，Mamax=Manmax=Vmaxilo730x1.251=76.0(

17、r/min)Mamax=寫霊6Xi0-4=2.05N.m=20.5kgf.cmnt=1000VDlo1000x0.3x1.253.14x80x12=12.44r/minMat=空x6473569.6x0.025X10-4=0.3355N.cm=3.355kgf.cmoFoLofWLo2兀耳i2兀耳i当g=0.8,f=0.16时，0.16x80x1.2Mf=2.446kgf.cm=24.46N.cm2x3.14x0.8x1.25PoLoM=(1-g2)06兀耳io1当=0.9时，预加荷P=1FxO311FxLo(1-no2)x141.678x1.2x(1-0.92)M=1.715kgf.cm=1

18、7.15N.cm02兀ni2x3.14x0.8x1.25FxLoMt二32兀ni1x141.678x1.232x3.14x0.8x1.25=9.024kgf.cm=90.24N.cm所以，快速空载启动所需力矩M快空二Mamax+Mf+M=20.5+2.446+1.715=24.661kgf.cm=246.61N.cm切削时所需力矩M切=Mat+Mf+M+Mt=3.355+2.446+9.024+1.715=16.54kgf.cm=165.4N.cm快速进给时所需0力矩M快速二Mf+M=2.446+1.715=4.161kgf.cm=41.61N.cm由以上计算0可得所需最大力矩Mamax发生快

19、速启动时Mamax=M快空二246.61N.cm横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核（1）切削力的计算111横向进给量约为纵向的11,取横向切削力约为纵向切削力的1232Fz二1F2z=1X2833.56=1416.78N2在切断工件时Fy=0.6F纵z=0.6X1416.78=850.068N滚珠丝杠的设计计算强度计算对于燕尾型导轨P=KFy+f(Fz+W)其中K=1.4,f=0.2P=1.4X850.068+0.2X(1416.78+300)=1533.45N1000x100x0.3n=12r/min60nTi60x12x15000“o寿命值Li=10.8106106最大动负载Q=3LPfw

20、fh其中fw=1.2fh=1Q=310.8X1.2X1X1533.45=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40mm,型号为FFB4010-2-E，额定动负载荷为21100W,所以强度够用。效率计算根据机械原理得，丝杠螺母副传动效率为n=tg（r+申）由机械原理得p一般为812取申=10即：摩擦角p=10，螺旋升角（中径处）r=3o38tg338=0.956tg(3038+10)刚度验算滚珠丝杠受工作负载，P引起的导程变化量占p“=153345x1EF20.6x106xFd39.5F=(d)2兀=(395)2X3.14=12.25cm2(其中d为滚珠丝杠的外

21、径)22L1=1533.45x120.6x106x12.25=6.08X10-6cm=6.08um因为滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量Z很小可忽略不计，即L=L1，即导程变化总误差为二型二型X6.08X10.-6=6.08um/mLo1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。稳定性验算由于原机床杠径为30mm,现选用的滚珠丝杠为40mm,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3606其中申表示步驱角，6表示脉冲当量x.0.75x10i=2.1360x0.01取齿数Z1=30,Z2=63模数m=2mm啮合角为200齿轮齿宽b

22、=20mmd1=mZ=2X30=60mmd2=mZ2=2X63=126mmda1=2X(30+2)=64mmda2=2X(65+2)=130mm64+126=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180x6x180x0.02Jl=（）2W=（）2X30二0.1753kg.cm2=1.753N.cm2兀申3.14x0.75丝杠的转动惯量Js=7.8X10-4D4L=7.8X-4X44X64=12.78kg.m2齿轮的转动惯量JZ1=7.8X10-4X64X2=2.02kg.m2JZ2=7.8X10-4X（12.6）4X2=39.32kg.m2由于电机的转动惯量很小，一般可忽略

23、不记，所以总的转动惯量为J总=X（Js+Jz2）+Jzi+J11(2.1)2i2X(12.78+39.32)+2.02+0.1753=14.01kg.m23）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M=Mamax+Mf+MOM=Mat+Mf+M+MtOM=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。M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。JnMa=X10-4(N.m)其中T=0.0259.6xT当n=nmax时，Mamax=

24、MaloVmaxi370x2.1nmax=o14.01x77.7、八八八彷”,30000次2.9（秒）3.4（秒）3.9（秒）换刀时间901802706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、电动刀架刀位信号控制X(90BF002)、Z(90BF002)向步进电动机的驱动器控制主轴的正反转与停止信号控制切削液泵起动和停止控制电动卡盘的加紧与松开与PC的串行通信(可选)6.2硬件电路的组成：后面所画大图采用系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：(1)光电编码器(2) 三菱编程器FX

25、2N64MR001(主机32入/32出继电器输出)(3) X轴、Y轴与刀架台步进电机驱动器CH250(4) X轴、Y轴与刀架台驱动步进电机90BF002(5) CE2109串口光电隔离器(6) 主轴电机(7)液压泵电机(8)数控面板(9)LED显示器6.3电路原理图380V主轴正转反转冷却泵刀架台轴轴VX刀架脉冲刀架转向轴脉冲轴转向Y25Y26Y27丫33轴脉冲轴转向YJ1焜erLL_二匚1；.T-.T,刀架台电机驱动器00Q66X轴驱动器QcQ66轴驱动器0001号刀具2号刀具3号刀具4号刀具轴负限位轴负限位卡盘松开7总结机电一体化课程设计是一个重要的实践性教学环节。要求学生综合运用所学过的

26、机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练。本次设计，让我们对三年的知识有了总体的综合运用，提高了我们综合能力和灵活运用所学的基础理论的能力，各科之间的联系有了清晰的认识。在做设计的过程中，不但复习了所学过的知识点，还学到了新的知识，同时将所学到的知识充分的运用起来，做到了学以致用，还学会了查资料，除此之外，我还懂得了团结合作的重要性，知道了集体的力量！当然，在此过程中也有许多不足之处，例如：知识的不全面，所学的还没有全部掌握，思维的狭隘等，让我在毕业前上了生动形象的一课。通过这次课程设计，让我们知道自己还有很多的不足，只有通过不断的学习、改进，更好的提高自己的综

27、合能力才能在社会上立足。同时我也坚信只要努力、坚持，我们就能走好人生的每一步。8参考文献1、数控技术课程设计范超毅、赵天婵、吴斌方主编华中科技大学出版社2007年5月2、机械设计手册单行本（机械传动）成大先主编化工工业出版社2004年1月3、机械原理（第七版）西北工业大学机械原理及机械零件教研室主编高等教育出版社2006年5月4、机械设计（第八版）西北工业大学机械原理及机械零件教研室主编高等教育出版社2006年5月5、机电一体化机械系统设计赵松年、张奇鹏主编机械工业出版社6、机床设计手册机械工业出版社1996年机床设计手册编委会主编1979年7、机床电气自动控制陈远龄主编重唐大学出版社2007年7月8、机电一体化设计基础刘武发、刘德平主编化工工业出版社9、计算机工程制图华南理工大学出版社2007年5月陈锦昌、刘就女、刘林编著2001年8月10、机械制造工艺设计简明手册李益民哈尔滨工业大学1994年