课程设计_图文

1、设 计 任 务题目:C6140卧式车床数控化改造设计主要技术指标如下:1床身上最大加工直径400mm ;2最大加工长度1000mm ;3X 方向(横向的脉冲当量x =0.005mm/脉冲,Z 方向(纵向的脉冲当量z =0.01mm/脉冲;4X 方向最快移动速度max x v =3000mm/min,Z 方向为max x v =6000mm/min ;5X 方向最快共进速度max x f v f=400mm/min ,Z 方向为max x f v =800mm/min ;6X 方向定位精度0.01mm ±,Z 方向±0.02mm ;7可以车削柱面,平面,锥面与球面等;8安装螺

2、纹编码器,可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹,最大导程为24mm ;9安装四工位立式电动刀架,系统控制自动选刀;10 自动控制主轴的正转,翻转与停止,并可输出主轴有级变速与无级变速信号;11 自动控制冷却泵的启/停;12 安装电动卡盘,系统控制工件的夹紧与松开;13 纵横向安装限位开关;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。目录一:总体方案的确定二:机械系统的改造设计方案三:进给传动部件的计算和选型四:绘制进给传动的机构的装配图五:控制系统硬件电路设计·六:步进电动机驱动电源的选用一:总体方案的确定计算项目计算内容和说明计算的主

3、要结果总体方案应考虑车床数控系统的运动方式,进给伺服系统的类型,数控系统CPU的选择,以及进给传动方式和执行机构的选择等。1卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位,两坐标直线插补,圆可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卧式车床经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控制系统。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

4、能要求,需要扩展程序存储器,数据存储器,键盘与显示电路,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源以及主轴电动机的交流变频器等。5为了达到技术指标中的速度和精度要求,纵横向的进给传动应选用摩擦力小.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,滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。6计算选择步进电机,为了园整脉冲当量,能需要减速轮副,且应有消间隙机构。7选择四工位自动回转刀架与电机卡盘,选择螺纹编码器等。二:机械系统的改造设计方案计算项目计算内容和说明计算的主要结果1主传动系统的改造方案2安装电动卡盘3换装自动回转刀架对卧式车床进行数控化改造时,一般可保留原有的主传动机

5、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,需要在加工中自动变换转速,可用24速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是,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,使用变频器时,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应比电动机大。本课程中,当采用有级变速时,可选用天津市西玛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,YD 系列变极多速三相异步电动机是Y系列(1P44三相异步电动机主要派生系列之一。该系列电动机由于具有可随负载性质的要求而

6、有级地变化转速,从而达到功率的合理匹配和简化变速系统的特点,是机械系统节约能耗的理想动力之一。在机床、矿山、冶金、纺织、印染、化工、农机等工农业部门得到广泛的应用。YD系列变极多速三相异步电动机对于国内同类型其他系列电动机具有效率高、堵转转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠等特点。电动机符合“YD系列(1P44变极多速三相异步电动机技术条件JB/T7127-93"的规定。YD系列变极多速三相异步电动机采用B级绝缘,额定电压为380V,额定频率为50Hz,外壳防护等级为IP44,冷却方式为IC411,连续工作(S1。当采用无极变速时,应加装交流变频器,可采用武汉信通机电设备有限公司生产

7、的F1000-G0075T3B惠丰变频器采用电机驱动芯片,应用空间电压矢量控制方法。强化电磁兼容,完全自动化贴片工艺,具有良好的的可靠性与稳定性。它具有电压利用率高,功率因数高、动态性能好、精度高、噪音低、转矩大等优点。可广泛应用于纺织、印染、食品、制药、机械电子等领域的电机调速及其系统改造和更新。为了提高加工效率,工件的夹紧与松开采用电动卡盘,可选用呼和浩特机床附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。采为了提高加工精度,实现一次装夹完成多道工序,将车车床原有的手动刀架换成自动回转刀架,选用佛山市明锋机电设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四

8、工位立式4螺纹编码器的安装方案电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路,由数控系统统完成。 螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或园光栅。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。 本课程中,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0.01mm/脉冲,所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不小于24mm/(0.01mm 1-脉冲=2400脉冲,考虑到编码器的输出有相应差为90的A ,B 相信号,可将A ,B 经逻辑异或后获得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

9、螺旋槽时不乱扣,编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z 。基于上述要求,本课程选择螺纹编码器的型号为:ZLF 1200Z 05VO 15CT 电压输出,轴头直径15mm ,生成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。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端,与主轴同轴,这种方式结构简单,但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的的后端,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,可将编码器通过一对传动比为1:1的同步齿形带与主轴连接起来。需要注意的是,编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接,且车床组、主轴的最高转速不允许超过

10、编码器的最高许用转速。三:进给传动部件的计算和选型计算项目计算内容和说明计算的主要结果1.脉冲当量的确定2.切削力的计算3.滚珠丝杠螺母副的计算和选型纵、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、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。以下计算纵向进给机构数据,横向进给机构与纵向机构类似,本课程设计不作详细计算。根据设计任务要求,X方向(横向的脉冲当量为脉冲/005.0mmx=,Z方向(纵向为脉冲/01.0mmz=设工件为碳素结构钢,MPab650=;选用刀具材料为硬质合金YT15;刀具几何参数为:主偏角=60rk,前角=10,刃倾角-=5s;切削用量为:背吃刀

11、量mmp3=,进给量rmmf/6.0=,切削速度min/105mvc=。查表得:2795=FcG,0.1=FCx,75.0=Fcy,15.0-=Fcn;主偏角rK的修正系数94.0=cFK rK;刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为0.1。由经验公式:cc Fc Fc FcFncyxpFCKVfCF=,算得主切削力NFc4.2673=;由经验公式:4.0:35.0:1:=pfcFFF,算得纵向进给切削力NFf69.935=,背向力NFP36.1069=。1 工作载荷mF的计算已知移动部件总重量NG1300=;车削力4.2673=cF,NFP36.1069=,NFf69.935=。根据cz

12、FF=,pyFF=,fxFF=的对应关系,可得:NFz4.2673=,NFy36.1069=,NFx69.935=。主切削力NFc4.2673=进给切削力NFf69.935=背向力NFP36.1069=NFz4.2673=,NFy36.1069=,NFx69.935=(纵向选用矩形-三角形组合滑动导轨,查表,取15.1=K,16.0=,代入(GFKFFzxm+=,得工作载荷NFm1712.(2 最大动载荷QF的计算设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度min/8.0mv=,初选丝杠基本导程mmPh6=,则此时丝杠转速min/133/1000rPvnh=。取滚珠丝杠的使用寿命hT150

13、00=,代入610/60nTL=,得丝杠寿命系数单位为:r10(7.1196=L。查表,取载荷系数15.1=Wf,再取硬度系数1=Hf,代入式mHWQFffLF3=,求得最大动载荷NFffLFmHWQ97033=。(3 初选型号根据计算出的最大动载荷,查表,选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为mm40,基本导程为mm6,双螺母滚珠总圈数为圈圈623=,精度等级取4级,额定动载荷为N132000,满足要求。(4 传动效率的计算将公称直径mmd40=,基本导程mmPh6=,代入/(arctandPh=,得丝杠螺旋升角'442=。将摩擦角'10=,

14、代入tan(/tan+=,得传动效率%2.94=。(5 刚度的验算1纵向滚珠丝杠的支承,采取一端轴向固定,一端简支的方式,见图二。固定端采取一对推力角接触轴承,面对面组配。丝杠加上两端接杆后,左、右支承的中心距离约为mma1497=;钢的弹性模量MPaE5101.2=;查表得滚珠直径mmDW9688.3=,算得丝杠底径=2d公称直径-d滚珠直径mmDW0312.36=。忽略式IEMaESaFm221±±=中的第二项,算得丝工作载荷NFm1712最大动载荷NFffLFmHWQ97033=传动效率%2.94=杠在工作载荷m F 作用下产生的压拉/变形量mm ES a F m 0

15、1197.0/(1=。2根据公式3/(0-=W D d Z ,求得单圈滚珠数目29=Z ,该型号丝杠为双螺母,滚珠总圈数为623=,则滚珠总数量174629=Z 。滚珠丝杠预紧时,取轴向预紧力N F F m YJ 5713/=。则由式32210/100013.0=Z F D F YJ W m,求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量mm 00117.02。因为丝杠加有预紧力,且为轴向负载的3/1,所以实际变形量可减小一半,取mm 000585.02。3将以上算出的1和2代入21+=总,求得丝杠总变形4级精度滚珠丝杠任意mm 300轴向行程内行程的变动量允许m 16,而对于跨度为mm 1497的滚珠丝杠

16、,总的变形量总只有m 555.12,可见丝杠刚度足够。(6 压杆稳定性校核 根据式m k k F KaEIf F =22计算失稳时的临界载荷k F 。查表取支承系数2=k f ;由丝杠底径0312.362=d ,求得截面积惯性矩24215.8273464/mm d I =;压杆稳定安全系数K 取3(丝杠卧式水平安装;滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值mm 1497。代入式m k k F Ka EIf F =22,得临界载荷N F k 51012,远大于工作载荷N F m 1712=,故丝杠不会失稳。综上所述初选的滚珠丝杠副满足使用要求。压拉/变形量m mES a F m 01197.0/(

17、1=滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 m m000585.02临界载荷N F k 51012工作载荷N F m 1712=4.同步带减速箱的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩,同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小,传动链中常采用减速传动。C6140车床纵向减速箱选用同步带传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有:带传动的功率P;主动轮转速1n和传动比i;传动系统的位置和工作条件等。根据改造经验,C6140车床纵向步进电动机的最大静转矩通常在mN2515之间选择。初选电动机型号为130BYG5501,五相混合式,最大静转矩mN20,十拍驱动时步距角为72.0。(1传动比的确定已知电动机的步

18、距角=72.0,脉冲当量脉冲/01.0mmz=,滚珠丝杠导程mmh6P=,代入式=360hPi算得传动比2.1=i(2主动轮最高转速1n由纵向床鞍的最快移动速度min/6000maxmmvz=,得出主动轮的最高转速min/1200360/(max1rvnzz=。(3确定带的设计功率dP预选的步进电动机在转速为min/1200r时,对应的步进脉冲频率为HzHzf1000072.060/(360120060/(3601200max=。当脉冲频率为Hz10000时,电动机的输出转矩约为mN8.3,对应的输出功率为WWnTPO U T47855.9/8.3120055.9/=。取kWP478.0=,2

19、.1=AK,代入式PKPAd=,得出kWkWPd574.0478.02.1=.(4选择带型和节距bp根据带的设计功率kWPd574.0=和主动轮最高转速min/12001rn=,选取同步带的型号为L型节距mmpb525.9=。(5确定小带轮齿数1z和小带轮节圆直径1d传动比2.1=i主动轮的最高转速min/1200360/(max1rvnzz=设计功率dPkWPd574.0=取151=z ,则小带轮节圆直径m m z p d b 48.4511=。当1n 达到最高转速min /1200r 时,同步带速度为s m n d v /86.210006011=,没有超过L 型带的极限速度s m /35

20、。(6 确定大带轮齿数2z 和大带轮节圆直径2d大带轮齿数1812=iz z ,节圆直径mm id d 57.5412=。 (7 初选中心距0a 、带的节线长度p L 0、带的齿数b z 初选中心距mm d d a 06.110(1.1210=+=,圆整后取mma 1100=。则带的节线长度为mm a d d d d a L p 33.3774(2202212100=-+。查表选取标准节线长度mm L p 381=,相应齿数40=b z 。(8 计算实际中心距a 实际中心距mm L L a a pp 835.111200=-+。 (9 校验带与小带轮的的啮合齿数m z7(2212211=-=z

21、 z az p z ent z b m ,啮合齿数比6大,满足要求。此处ent 表示取整。 (10 计算基准额定功率0P所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率:1000(20v mv T P a -=,式中 a T 表示带宽为0s b 时的许用工作压力,查表得N T a 46.244=;m 表示带宽为0s b 时的单位长度的质量,查表得m kg m /095.0=;v 表示同步带的带速,由上述(5知s m v /86.2=。代入式子算得kW P 697.00=.极限速度s m /35节线长度mm L p 381=齿数40=b z中心距mm a 835.111=基准额定功率kW P 69

22、7.00=5.步进电动机的计算与选型(纵向(11确定实际所需同步带宽度sb14.1/1(PKPbbzdss,式中0sb表示选定型号的基准宽度,查表得mmbs4.25=;zK表示小带轮啮合齿数系数,查表得1=zK。由上式算得mmbs42.21,再根据表选取标准带宽mmbs4.25=。(12带的工作能力验算根据式3210(-=vmvbbTKKPsswz,计算同步带额定功率P的精确值:式中wK为齿宽系数:1/(14.1=sswbbK。经计算得kWP697.0=,而kWPd574.0=,满足dPP。因此,带的工作能力合格。(1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eqJ已知:滚珠丝杠的公称直径mmd40

23、=,总长(带接杆mml1560=,导程mmPh6=,材料密度33/1085.7cmkg-=;纵向移动部件总重量NG1300=;同步带减速箱大带轮宽度mm28,节径mm57.54,孔径mm30,轮毂外径mm42,宽度mm14;小带轮宽度mm28,节径mm48.45,孔径mm19,轮毂外径mm29,宽度mm12;传动比2.1=i。将上述数据代入公式,可得出:滚珠丝杠的转动惯量278.30cmkgJS=;床鞍折算到丝杠上的转动惯量221.1cmkgJW=;小带轮的转动惯量2195.0cmkgJz=,大带轮的转动惯量229.1cmkgJz=。在设计减速箱时,初选的纵向步进电动机型号为130BYG550

24、1,查表得该型号电动机转子的转动惯量233cmkgJm=。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为:222155.57/(cmkgiJJJJJJSWzzmeq=+=。(2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eqT分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。同步带宽度mmbs4.25=总转动惯量255.57cmkgJeq=1快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩1eq T 由式0max 1T T T T f a eq +=,可知1eq T 包括三部分:快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩max a T 、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T 、滚珠丝杠预紧后折算到电动

25、机转轴上的附加摩擦转矩0T 。因为滚珠丝杠副传动效率很高,根据式1(2200-=iP F T h YJ 可知,0T 相对于max a T 和f T 很小,可以忽略不计。则有:f a eq T T T +=max 1 (5-1根据式am eq eq a t n J J T 602max =,考虑纵向传动链的总效率,计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩:1602max =am eq a t n J T (5-2式中 m n 表示对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速,单位为min /r ;a t 表示步进电动机由静止到加速至m n 转速所需的时间,单位为s 。其中:=360ma

26、x v n m (5-3 式中 max v 表示纵向空载最快移动速度,任务书指定为min /6000mm ;表示纵向步进电动机步距角。为72.0;表示纵向脉冲当量,为脉冲/01.0mm =。将以上各值带入式(5-3,算得min /1200m r n m =。设表示步进电动机由静止到加速至m n 转速所需时间s t a 4.0=,纵向传动链总效率7.0=;则由式(5-2求得:1055.5724max,由式iP F T hf 2摩=可知,移动部件运动时,折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:iP G F T hc f 2(+=(5-4式中 表示导轨的摩擦因数,滑动导轨取16.0;c F 表示垂直方向的工

27、作载荷,空载时取0;表示纵向传动链总效率,取7.0。则由式(5-4得:m N m N T f +=24.02求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为: m N T T T fa eq =+=82.2max1(5-52最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eq T由式02T T T T f t eq +=可知,2eq T 包括三部分:折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T 、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T 。0T 相对于f T 和t T 很小,可以忽略不计。则有:f t eq T T T +=2 (5-6其

28、中,折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T 由式iP F T h f t 2=计算,本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候,已知进给方向的最大工作载荷N F f 69.935=,则有:m N m N iP F T h f t =06.12.17.02006.069.9352再由式iP F T h f 2摩=计算承受最大工作负载(N F c 4.2673=情况下,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩:mN m N i P G F T h c f +=+=72.02最后由式(5-6,求得最大工作负载状态下电动机转轴所承的负载转矩:m N T T T f t eq =+=78.12 (5-7负载

29、转矩m N T eq =82.21经上述计算后,得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩:m N T T T eq eq eq =82.2,max21 (5-7(3 步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制,当电网电压降低时,其输出转矩会下降,可能造成丢布,甚至堵转。因此,根据eq T 来(4 步进电动机的性能校核 1最大工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定纵向最快工进速度min /800max mm v f =,脉冲当量脉冲/01.0mm =,由式60max max ff v f =求出电动机对应的运行频率Hz Hz f f 133301.060/(800max =。

30、在此频率下,电动机的输出转矩m N T f 17max ,远远大于最大工作负载转矩m N T eq =78.12,满足要求。2最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定纵向最快空载移动速度min /6000max mm v =,由式60maxmax v f =,求出电动机对应的运行频率Hz Hz f 1000001.060/(6000max =。查表得,此频率下,电动机的输出转矩m N T =8.3max ,大于快速空载起动时负载转矩m N T eq =82.21,满足要求。3最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度min /6000max mm v =,对应的电动机运行频率等效负

31、载转矩m N T eq =82.2最大静转矩m N T j 28.11max6.同步带传动功率的校核Hzf10000max=。查表可知130BYG550的极限运行频率为Hz20000,可见没有超出上限。4起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量255.57cmkgJeq=,电动机转子自身的转动惯量233cmkgJm=,查表可知电动机转轴不带任何负载时最高空载起动频率Hzfq1800=。由式meqqL JJff/1+=,可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为:HzfL1087=,上式说明,要想保证步进电动机起动时不失步,任何时候的起动频率都必须小于Hz1087。实际上,在采用软件升降频率时

32、,起动频率选得很低,通常只有Hz100(即s/100脉冲。综上所述,纵向进给系统选用130BYG550步进电动机,可以满足要求。分两种工作情况,分别进行校核。(1快速空载起动电动机从静止到加速至min/1200rnm=,由式(4-5可知,同步带传递的负载转矩mNTeq=82.21,传递的功率为WWTnPeqm3.35455.9/82.2120055.9/1=。(2最大工作负载、最快工进速度由式(4-7可知,带需要传递的最大工作负载转矩mNTeq=78.12,任务书给定最快工进速度min/800maxmmvf=,对应电动机转速min/160360/(maxmaxrvnzff=。传递的功率为WWT

33、Peq8.2955.9/78.116055.9/2=。可见,两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率kW697.0。因此,选择的同步带功率合格。起动频率HzfL1087=快速空载起动传递的功率WP3.354最大工作负载、最快工进速度传递的功率WP8.29=四：绘制进给传动机构的装配图 计算项 目 计算内容和说明 主要计算 结果 在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型后可以着手 绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，除了从 总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构与原机床的联系外， 还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。 （1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身

34、、纵溜板、 横溜板、刀架等的结构尺寸。 （2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号， 轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式， 确定齿轮轴支承轴承的 型号。 （3）考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。例如，应保证 丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行， 考虑螺母座。 轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面 上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。 （4）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠 螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润 滑及密封、行程限位保护装置等。 （5）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑 正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。 另外，应注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标 准、视图布置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺 寸和轮廓尺寸的标注、重要配合的标注要求，装配技术