C6150普通卧式车床主轴尾架改造及控制系统设计毕业设计论文

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1、北京信息科技大学毕业设计论文C6150普通车床数控改造北京XXXXX大学毕业设计（论文）题 目：C6150普通卧式车床主轴、尾架改造及控制系统设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： XXXXX 班级/学号 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 指导老师/督导老师： XXXXXXX 起止时间：2012 年2 月 20 日 至 2012 年6 月 8 日 II目录目录摘 要IVABSTRACTV第一章 概述11.1数控机床和数控技术11.1.1数控机床的发展趋势及国内外现状11.1.2数控技术的发展趋势21.2数控改造的必要性21.2.1机床数控化改造的必要

2、性21.2.2数控化改造的特点31.3数控改造中主要机械部件改装探讨41.4数控系统的分类41.4.1开环控制系统41.4.2死循环控制数控系统51.4.3半死循环数控系统5第二章 数控化改造总体方案72.1数控化改造总体方案的设计72.2 数控化改造总体方案的确定72.2.1 主传动系统的改造方案72.2.2尾架结构的改造方案92.2.3控制系统的设计方案9第三章 主传动系统的计算和选型103.1主轴参数的确定1031.1主轴转速范围的确定1031.2估算最大切削力1031.3主切削功率的确定103.2主电动机的选择113.2.1估算所需电动机的功率113.2.2选取电动机113.3同步带传

3、动的设计113.3.1同步带传动比的选取113.3.2同步带的设计123.4组件的设计183.4.1轴承发选择183.4.2润滑与密封系统设计183.5主轴的确定183.5.1确定主轴支承轴颈直径193.5.2确定主轴前端悬伸量193.5.3主轴支承跨距L及各段长度及直径的确定193.5.4验算主轴键侧压应力203.6轴的设计203.7滚动轴承的校核213.8主轴编码器的选择22第四章 液压尾架部分的计算234.1尾架的基本参数234.2 负载分析234.3液压缸参数的确定234.3.1 初选液压缸工作压力234.3.2 计算液压活塞缸的主要尺寸234.3.3 液压缸其他尺寸的确定244.4

4、液压缸参数的校核244.4.1 活塞杆直径 d 强度校验244.4.2缸体壁厚强度校核254.5液压系统的264.5.1拟定液压系统图264.5. 2选择基本回路274.5.3组成系统图284.6液压泵的选择294.7电动机功率的确定294.8其他组件、辅导组件的选择304.9验算液压回路304.9.1验算回路中的压力损失304.9.2验算油液温升31第五章 控制系统的设计335.1车床微机控制系统硬件的选择335.1.1 AT89S52 8位单片机335.1.2 8255可程序设计并行I/O口扩展芯片345.1.3 可程序设计键盘，显示器接口Intel8279365.2部分硬件接口电路及辅助

5、电路设计375.2.1外部扩展电路375.2.2掉电保护电路385.2.3 D/A转换电路385.2.4 8279构成的键盘、显示接口电路设计395.3控制系统的部分软件设计415.3.1内存与I/O芯片地址分配425.3.2控制系统程序流程图425.3.2控制系统的程序445.4插补程序设计495.4.1直线插补495.4.2圆弧插补515.4.3螺纹加工插补算法545.5液压尾架PLC控制系统的设计565.5.1分析控制对象、确定控制要求565.5.2分析控制要求，确定I/O点数565.5.3绘制PLC的实际（I/O端子）接线图565.5.4设计PLC控制的梯形图57第六章 小结58致谢5

6、9参考文献60摘要摘 要随着现代数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。而在中国机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工,所以对机床进行自动化改造很是必要。我在宁波市鄞州万顺科创机械有限公司为期一个月的车间实习、调研，从中搜索、查阅大连数控车床CAK6150、南通科技斜身式数控车床SL50、大连普通卧式车床CA6140/CA6150等多种车床的说明书和大量有关资料，并且对C6150普通卧式车床自动化改造技术进行了深入的研究和分析。本次设计主要是对C6150普通卧式车床的主传动系统数控改造、尾架在原来的基础上进行自动

7、化改造、以及设计控制系统，使主轴实现无级变速、由脉冲发生器来加工所需要的螺纹、尾架通过液压系统自动顶紧和放松、整个控制系统以AT89S52型号的单片机为中心，通过程序设计对机床的驱动设备进行控制以达到所需要的加工程度。关键词：数控机床； 自动化改造；加工；C6150普通卧式车床；主轴；尾架；控制系统；AbstractABSTRACTWith modern numerical control machine tool in mechanical processing of the application of the industry more and more widely. While in

8、 China mechanical processing equipment in the lathe ordinary lathe constitute a high proportion. This has been more and more restricts the development of the industry. Numerical control machine tool because the price is expensive, and have higher technology processing, so for machine tool automation

9、 reconstruction is very necessary.I in Ninbo Yinzhou with Kechuang machinery Co., LTD. A month of workshop intership, research, to search, access to Dalian numerical control lathe CAK6150, Nantong technology inclined body type NC lathe SL50, Dalian ordinary horizontal lathes CA6140 / CA6150 and so o

10、n many kinds of lathes and the specification of the a vast amount of data, and to C6150 ordinary horizontal lathes automation reconstruction technique of further research and analysis. This design is mainly to the C6150 ordinary horizontal lathe of main transmission system transformation, the numeri

11、cal control in the original tail frame based on the automation reconstruction, and design and control system, make spindle realize stepless speed, by pulse generator to processing need thread, tail frame through hydraulic system to tight and relax, the top with 8031 model control system of the singl

12、e chip microcomputer as the center, through the programming of machine tool equipment to control the drive to achieve need processing degree.Keywords:Numerical control machine； Automation reconstruction；Machining；C6150 ordinary horizontal Lathes；Spindle；Tailstock；Control system；北京信息科技大学毕业设计论文C6150普通

13、车床数控改造第一章 概述整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越

14、来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。1.1数控机床

15、和数控技术1.1.1数控机床的发展趋势及国内外现状从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入21世纪，我国目前机床总量380余万台，而其中数控机

16、床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高

17、机床的数控化率。而在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。1.1.2数控技术的发展趋势 数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。 （1）高速化、高精度化、高可靠性 高速化：提高进给速度与提高主轴转速。 高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(2.53.5.3主轴支承跨距L及各段长度及直径的确定一般最佳跨距，由于考虑到结构以及支

18、承刚度因磨损会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距L往往大于上述最佳跨距，又由于是在原来机床的基础上进行改造，所以L的长度保持原来机床主轴的长度不变，L=534mm。而主轴上其他各段的长度和直径保持跟原来机床一致，参考机床设计图册【6】C6150普通车床床头箱装配图1-6-3。主轴形状如下(图3-3)图3-3 主轴形状简图3.5.4验算主轴键侧压应力参考机械设计【7】普通平键侧工作表面的挤压应力的计算公式为： (3-18)式中：T传递的扭矩；键与轮毂键槽的接触高度，； 键的工作长度，圆头平键,； 为轴的直径，84mm； 为许用挤压应力，参考机械设计【7】表62，取125；则 (3-19) 结果符

19、合设计要求，同理采用上述公司可知轴上所选键也符合设计要求。3.6轴的设计根据机械手册软件V3.0版【5】 轴的设计计算，根据轴的初始条件可得下表3-5：轴的最小直径，根据原机床轴的最小直径为，取，3.7滚动轴承的校核机床的一般传动轴用的滚动轴承，主要是由于疲劳破坏而失效，故应对轴承进行疲劳寿命验算。下面对按轴颈尺寸及工作状况选定的滚动轴承型号进行寿命验算：（1）计算当量动载荷 (3-20) 对于只能承受纯径向载荷的轴承对于只能承受纯轴向载荷的轴承（2）计算寿命 (3-21)式中：工作温度系数；由机械设计【7】表13-6动载荷系数可取为1.4；额定寿命；C滚动轴承尺寸表所示的额定动负荷N，根据自

20、己所选轴承查表可得； 工作温度系数；由机械设计【7】表13-4温度系数表可取为1.0；寿命指数，对于球轴承：= 3 ；对于滚子轴承：=10/3；轴承的计算转速，为各轴的计算转速； P当量动载荷N ; 对于轴的上的深沟球轴承6207： 因此预期轴承10更换一次， (3-22)同理使用上述公式对各轴承进行寿命校核，所选轴承均符合设计要求。3.8主轴编码器的选择我们通常在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用

21、的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即可满足要求。 本次进行数控化改造时，为保留原有的机构，这样减少改造的工作量。在轴I上安装一个增量式光电码盘，用以检测轴的转速。为了使增量式编码器测得的转速与主轴一致，必须在反馈控制设置一个比例为1：2，这样主轴转一圈，编码器对应输出相应的脉冲信号。第四章 液压尾架部分的计算4.1尾架的基本参数设计任务 设计 CK6150 数控车床液压尾架。该数控车床尾架利用液压原理以实现自动夹紧。本设计采用PLC 作为控制系统来控制车床尾架的运动，从而实现车床尾架的工进、后退、停止功能。 其设计参数如下：尾架套筒

22、的最大行程大于 50mm 夹紧力大于 20 公斤4.2 负载分析 本液压系统比较简单，不必做工况分析，只需要确定最大负载和最大速度点，根据经验设计。 本设计取加紧力为40公斤则：负载 FL= 409.8N=392N （3-1）取尾架（即活塞）运动速度 0.008m/s4.3液压缸参数的确定4.3.1 初选液压缸工作压力 查表 10.3-1【8】许贤良，王传礼.液压传动M.北京：国防工业出版社，2006并结合本液压系统设计实际，初选液压缸工作压力 P1（无杆腔）为0.15MPa。4.3.2 计算液压活塞缸的主要尺寸 正向行程（无杆腔进油）时 (4-1)其中 P2 为有杆腔压力，此处取 P2 0,

23、m 为机械效率（m=0.880.95），通常取m=0.95。 所以 P1A1m= FL 即 其中 D 为液压缸内径 (4-2)根据表 23.1-9 【9】王文斌，机械设计手册（液压传动与控制）M.北京：机械工业出版社、2007，D取标准值 63mm 故活塞杆直径d可由 求得 (4-3) 其中为速度比， ( 4-4)推荐值为 1.332，查表 4.8-1 1 【1】 取 =1.33 根据表 23.1-10【9】，d取标准值32mm (4-5)则液压缸（有杆腔）的有效面积 (4-6)4.3.3 液压缸其他尺寸的确定 活塞的宽度 B 按缸的工作压力和活塞的密封方式确定，一般为（0.61）D 【10】

24、狄瑞民，王雪建.数控机床液压传动与气压传动M.北京：国防工业出版社.2006故取，圆整为 导向套滑动面的长度,当时，取（0.61）D 故取 圆整为 液压缸的总长度 S 按其最大行程确定，一般不大于（2030）D (4-7)L:液压缸行程，本设计取 160mm H:最小导向长度，它的大小影响到液压缸的稳定性和初始扰度要求 (4-8)C:其他长度，比如密封件长度 故取 S=238mm 液压缸缸体的壁厚缸体厚度 的取值由强度条件决定，取=20mm 4.4 液压缸参数的校核4.4.1 活塞杆直径 d 强度校验 活塞杆直径强度 【8】 按下式校验强度 (4-9)式中 FL 为液压缸负载，单位为N 为材料

25、许用应力，为材料抗拉强度，单位为，为安全系数，一般取活塞杆采用45号钢，查表2-7【11】吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京：高等教育出版社，2006 ,其材料强度为=600MPa所以活塞杆的直径强度满足要求。4.4.2缸体壁厚强度校核由公式 (4-10)故按公式【8】进行壁厚强度验算式中为实验压力，比缸最高工作压力大20%30%，单位为。为缸体材料的许用应力（MPa），为材料抗拉强度，为安全系数，一般取。本缸体采用灰铸铁，牌号HT200，查表2-3【11】得灰铸铁最小抗拉强度。所以故缸体壁厚满足强度要求。下图4-1为本次设计的液压尾架三维图：图4-1 液压尾架三维图4.5液压系统的

26、4.5.1拟定液压系统图液压系统工作原理【12】章宏甲 ，王积伟，黄谊 主编，液压与气压传动，北京：机械工业出版社，2005 （液压系统原理图如下图4-2所示）：图4-2 液压系统原理图活塞杆前进：进油：变数液压泵2通过滤油器1从邮箱7里面取油;通过单向阀3经三位四通电磁液位换向阀4HF1通电，经调速阀5进入液压缸6左腔，推动活塞杆前进，顶紧工件。回油：液压缸6右腔经三位四通电磁液位换向阀4HF1通电进入背压阀7进入邮箱8。活塞杆后退：进油：变数液压泵2通过滤油器1从油箱8罩里面取油；通过单向阀3经三位四通电磁液位换向阀4HF2通电，经调速阀5进入液压缸6右腔，活塞杆后退，松开工件。回油：液压

27、缸6左腔经调速阀5、三位四通电磁液位换向阀4HF2通电进入背压阀7进入油箱8。4.5. 2选择基本回路(1)根据系统功能的要求，并结合液压系统作原理和基本液压回路的特性，确定如下两套液压系统方案。方案一：液压系统回路如下图4-3所示。方案一的液压系统回路中只包含有减压回路。图4-3方案二：液压系统回路如图4-4所示。方案二的液压系统回路中包含有减压回路、节流调速回路和单向锁紧回路。图4-4(2)本液压系统方案的确定要求：(a)进油节流调速回路的确定考虑到本次设计的液压系统功率小，工作负载为阻力负载，液压缸正、负行程需要一稳定的速度，故因该选用进油节流调速回路。由于系统选用节流调速方式，系统为开

28、式循环系统。(b)减压回路的确定本液压尾架系统T作循环简单，只有进、退两个行程，尾架工作所需压力也低。但标准中各液压泵的标准工作压力均远大于尾架工作所需的压力，所以本液压系统内需加减压回路，以降低进油压山。(c)锁紧回路的确定（单向锁紧）为使执行组件(液压缸活塞）能在最大行程内的任意位置上停止不动或防止停止后窜动，液压系统内需采用锁紧回路。 综上一所述，本液压系统的基本回路应包含进油节流调速回路，减压回路，锁紧回路（单向锁紧）。 所以比较后可知方案二符合系统设设计要求。因此，采用方案二作为本课题的设计方案。4.5.3组成系统图 在所选定的基本回路的基础上，再考虑到在调整和运行中，为了便于测试山

29、系统中有关部位的压力，应该设置压力表及其开关，便可组成个完整的液压系统。如图4-5所示：图4-54.6液压泵的选择（1）液压泵工作压力的确定【9】 (4-11)是液压执行组件的最高工作压力，对于本系统的最高压力是尾架正行程时泵的输出压力。液压缸的工作压力是经减压阀减压后的压力，为0.15MPa。取4MPa。是泵到执行组件间总的管路损失。由系统图可见，从泵到液压缸之间串接有一个溢流阀，一个节流阀，一个换向阀和一个液控单向阀，取=0.8MPa。故液压泵的工作压力为（2）液压泵流量的确定 (4-12)系统最大流量发生在尾架正行程时，取泄漏系数K为1.2，求得液压泵的流量选用YBP型变数叶片泵，其流量

30、为6L/min4.7电动机功率的确定取液压泵的总效率，泵的总驱动功率为 (4-13)根据计算功率查机械设计课程设计手册（第三版）【13】选用Y80-4型电动机，其额定功率为0.55Kw。4.8其他组件、辅导组件的选择根据液压系统的工作压力和通过各组件、辅导组件的实际流量，所选择的组件、辅组组件的规格如下表4-1所示。管道尺寸由选定的标准组件接口尺寸确定确定油箱的有效容积按经验公式计算 为了更好的散热取V=160L序号组件名称通过阀最大流量型号规格额定流量额定压力1叶片泵YBP66.32溢流阀6C-1751273减压阀6YJF3636.34节流阀1.5SR30255三位四通电磁换向阀1.5WE514216液控单向阀1.5AY4031.57滤油器6XU_50200506.38压力表开关K6B表4-1 液压组件规格4.9验算液压回路 4.9.1验算回路中的压力损失本系统比较简单，管路损失较大的是在尾架（液压缸）动作回路，故主要验算由泵到尾架这段管道的损失，管道直径按选定组件的接口尺寸确定为d=10mm，进油、回油管道长度都定为l=2m油液的运动粘度取，油液的密度取。(1)判断流动状态 由雷诺数 (4-14)可知，在油液粘度、管道内径d定的条件下，Re的大小与Q成正比。管路中流量最大值Q=6L/min