兰州城市学院机电一体化系统设计课程设计.doc

《机电一体化系统设计》课程设计说明书题 目 C6140 卧式车床数控化改造设计（纵向）院 （系） 培黎工程技术学院 专 业 机械设计制造及其自动化（职教师资）班 级 机制 103 学生姓名 马 张 平 指导教师 安虎平 刘昊 完成日期 2013.12.13 兰州城市学院机电工程系兰州城市学院1目 录第一章 绪 论 .....................................................2第二章 设计任务 ..................................................32.1 设计任务 ......................................................3第三章 总体体方案的确定 ..........................................43.1 总体体方案的确定 ..............................................4第四章 主传动系统的改造方案 ......................................54.1 主传动系统的改造方案 ..........................................54.2 安装电动卡盘 ..................................................54.3 换装自动回转刀架 ..............................................54.4 螺纹编码器的安装方案 ..........................................54.5 进给系统 的改造与设计方案 ......................................6第五章 进给传动部件的计算和选型 ...................................75.1 脉冲当量的确定 ................................................75.2 切削力的计算 ..................................................75.3 滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向） ............................75.4 同步带减速箱的设计（纵向） ....................................95.5 步进电动机的计算和选型（纵向） ...............................115.6 同步带传递功率的校核 .........................................16第六章 绘制进给传动机构的装配图 ..................................176.1 绘制进给传动机构的装配图 .....................................17第七章 控制系统硬件电路设计 ......................................187.1 控制系统硬件电路设计 .........................................18第八章 步进电动机驱动电源的选用 .................................208.1 步进电动机驱动电源的选用 .....................................20设计心得 ...........................................................21参考文献 ...........................................................22兰州城市学院2第一章 绪 论数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。

能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到 3％用普通机床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，所以必须大力提高机床的数控化率。

普通车床（如 C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工兰州城市学院3第二章 设计任务2.1 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 vmax3000mm∕min，Z 方向为 vmax6000mm∕min；（5）X 方向最快工进速度 vmax400mm∕min，Z 方向为 vmax800mm∕min；（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。

兰州城市学院4第三章 总体体方案的确定3.1 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 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 CPUMCS-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，I∕O 接口电路，D∕A 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，选择螺纹编码器等兰州城市学院5第四章 主传动系统的改造方案 4.1 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4.2 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4.3 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4.4 螺纹编码器的安装方案兰州城市学院6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设计中，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 A∕B 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。