機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)-C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì).doc

機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)合肥工業(yè)大學(xué)1課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)電一體化工程（本）姓名：準(zhǔn)考證號(hào)：課程名：C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：日期：2011年七月十一日八月一日機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)合肥工業(yè)大學(xué)2第一節(jié)設(shè)計(jì)任務(wù).31.1設(shè)計(jì)任務(wù).3第三節(jié)總體體方案的確定.42.1總體體方案的確定.4第三節(jié)主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案.53.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案.53.2換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架.53.3螺紋編碼器的安裝方案.5第四節(jié)進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型.74.1脈沖當(dāng)量的確定.74.2切削力的計(jì)算.74.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型（縱向）.74.4同步帶減速箱的設(shè)計(jì)（縱向）.94.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型（縱向）.114.6同步帶傳遞功率的校核.17第五節(jié)繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖.175.1繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖.17第六節(jié)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).186.1控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).18第七節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用.217.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用.21第八節(jié)控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì).218.1控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì).21機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)合肥工業(yè)大學(xué)3第一節(jié)設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)題目C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)任務(wù)將一臺(tái)C614普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）床身上最大加工直徑400mm；（2）最大加工長(zhǎng)度1000mm；（3）X方向（橫行）的脈沖當(dāng)量0.005/脈沖,Z方向（縱向）的脈沖當(dāng)量0.01/脈沖；（4）X方向最快移動(dòng)速度vmax3000mmmin，Z方向?yàn)関max6000mmmin；（5）X方向最快工進(jìn)速度vmax400mmmin，Z方向?yàn)関max800mmmin；（6）X方向定位精度0.01mm，Z方向定位精度0.02mm；（7）可以車削柱面，平面，錐面與球面等；（8）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程為24mm；（9）主動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級(jí)變速與無(wú)極變速信號(hào)；（10）安裝四工位立式電動(dòng)刀架，系統(tǒng)自動(dòng)控制選刀；（11）自動(dòng)控制冷卻泵的起與停；（12）安裝電動(dòng)卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；（13）縱，橫安裝限位開關(guān)；（14）數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通信；（15）顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)合肥工業(yè)大學(xué)4第三節(jié)總體體方案的確定2.1總體體方案的確定總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行方式，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型，數(shù)控系CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）普通數(shù)控車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）普通數(shù)控車床數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸，最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性/價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，鍵盤與顯示電路，IO接口電路，DA轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器。（5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱，橫向進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選擇摩擦力小，傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。（6）計(jì)算選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。（7）選擇四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架與電動(dòng)卡盤，選擇螺紋編碼器等。機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)合肥工業(yè)大學(xué)5第三節(jié)主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案3.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn).反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制。若要提高車床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自變換轉(zhuǎn)速，可用2-4檔的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速（工廠使用情況表明，使用變頻時(shí)，若工作頻率低于70Hz，原來(lái)的電動(dòng)機(jī)可以不更換，但所選變頻器的功率要比電動(dòng)機(jī)大）。本例中，當(dāng)采用有級(jí)變速時(shí)，可選用浙江超力電機(jī)有限公司生產(chǎn)的YD系列7.5KW變極多速三相異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)24檔變速；當(dāng)采用無(wú)級(jí)變速時(shí)，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型號(hào)為：F1000-G0075T3H，適配7.5KW電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為煙臺(tái)惠豐電子有限公司。2.安裝電動(dòng)卡盤為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動(dòng)卡盤，選用呼和浩特機(jī)床附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動(dòng)三爪卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。3.2換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動(dòng)刀架換成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140型四位立式電動(dòng)刀架。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。3.3螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時(shí)，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。本例中，改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程24mm，Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)合肥工業(yè)大學(xué)6量是0.01脈沖所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于24(0.01mm/脈沖)=2400脈沖。考慮到編碼器的輸出有相位差為90的A、B相信號(hào)，可用A、B異或后獲得2400個(gè)脈沖(一轉(zhuǎn)內(nèi))，這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（A、B信號(hào)）。另外，為了重復(fù)車削同一螺紋槽時(shí)不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個(gè)的零位脈沖Z?；谏鲜鲆?，本例中選擇螺紋編碼器的型號(hào)為：ZLF-1200Z-05Z0-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出1200個(gè)AB脈沖與1個(gè)Z脈沖，信號(hào)為電壓輸出，軸頭直徑15mm，生產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式；同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝時(shí)指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它堵住了主軸的通孔，異軸安裝時(shí)是指將編碼器安裝在床頭箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可以將編碼器通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比為1:1的同步齒形帶與主軸連接起來(lái)，需要注意的是，編碼器的最高允許轉(zhuǎn)速。5.進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座和螺母座墊架。（4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四位工位立式電動(dòng)機(jī)刀架。（5）拆除橫溜板下的滑動(dòng)絲杠螺母副，將滑動(dòng)絲杠靠刻度盤一段（見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個(gè)推力軸承，換上滾珠絲杠副。（6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。（7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。改造后的橫向、縱向進(jìn)給傳給系統(tǒng)見圖一、圖二。機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)合肥工業(yè)大學(xué)7第四節(jié)進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型縱、橫向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲桿螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。4.1脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為x=0.005脈沖，Z方向（縱向）為z=0.005脈沖。4.2切削力的計(jì)算縱向切削力的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。設(shè)工件材料為碳素機(jī)構(gòu)鋼，b=650MPa；刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角060rK，前角0=100，刃傾角s=50；切削用量為：pa=3mm背吃刀量，進(jìn)給量f=0.6mmr，切削速度cv=105mmin。查表10-1，得：FCG=2795，xFC=1.0，F(xiàn)Cy=0.75，F(xiàn)Cn=0.15。查表10-3，得：主偏角Kr的修正系數(shù)krFCK=0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。由經(jīng)驗(yàn)公式（10-2），算得主切削力acF=2673.4N。由經(jīng)驗(yàn)公cF：Ff：pF=1：0.35：0.4，算得縱向進(jìn)給切削力Ff=935.69N，背向力pF=1069.36N。4.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型（縱向）（1）工作載荷F的計(jì)算已知