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机电一体化课程设计-C6140普通车床数控化改造设计.doc

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机电一体化课程设计-C6140普通车床数控化改造设计.doc

机电一体化课程设计合肥工业大学1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机电一体化课程设计合肥工业大学2第一节设计任务311设计任务3第三节总体体方案的确定421总体体方案的确定4第三节主传动系统的改造方案531主传动系统的改造方案532换装自动回转刀架533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741脉冲当量的确定742切削力的计算743滚珠丝杆螺母副的计算和选型(纵向)744同步带减速箱的设计(纵向)945步进电动机的计算和选型(纵向)1146同步带传递功率的校核17第五节绘制进给传动机构的装配图1751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1861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2171步进电动机驱动电源的选用21第八节控制系统的部分软件设计2181控制系统的部分软件设计21机电一体化课程设计合肥工业大学3第一节设计任务11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0005/脉冲,Z方向(纵向)的脉冲当量001/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001MM,Z方向定位精度002MM;(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。机电一体化课程设计合肥工业大学4第三节总体体方案的确定21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MCS51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS51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。机电一体化课程设计合肥工业大学5第三节主传动系统的改造方案31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24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75KW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F1000G0075T3H,适配75KW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。32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LD4BCK6140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。33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向的进给脉冲当机电一体化课程设计合肥工业大学6量是001∕脉冲所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24∕001MM/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ZLF1200Z05Z015CT。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11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。机电一体化课程设计合肥工业大学7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。41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ΔX0005∕脉冲,Z方向(纵向)为ΔZ0005∕脉冲。42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,ΣB650MPA;刀具材料为硬质合金YT15;刀具几何参数为主偏角060RK,前角Γ0100,刃倾角ΛS-50;切削用量为PA3MM背吃刀量,进给量F06MM∕R,切削速度CV105M∕MIN。查表101,得FCG2795,XFC10,FCY075,FCN﹣015。查表103,得主偏角KR的修正系数KRFCK094;刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为10。由经验公式(102),算得主切削力ACF26734N。由经验公CFFFPF103504,算得纵向进给切削力FF93569N,背向力PF106936N。43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G1300N;车削力CF26734N,PF106936N,FF93569N。如图1020所示,根据ZFCF,YFPF,XFFF的对应关系,可得ZF26734,YF106936N,XF93569N。选用矩形-三角形组合滑动导轨,查表1029,得K115,Μ016代人FMKFX+Μ(ZF+G),得工件载荷F≈1712N。

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