機電一體化
課程設計
說明書設計題目：c6140臥式車床數控化改造設計
班級：班
設計者：
學號：指導教師：
目錄1設計任務 2
2設計要求 3
2.1總體方案設計要求 3
2.2設計引數 4
2.3.其它要求 5
3進給伺服系統機械部分設計與計算 6
3.1進給系統機械結構改造設計 6
3.2進給伺服系統機械部分的計算與選型 6
3.2.1確定系統的脈衝當量 6
3.2.2縱向滾珠絲槓螺母副的型號選擇與校核 6
3.2.3橫向滾珠絲槓螺母副的型號選擇與校核 10
4步進電動機的計算與選型 13
4.1步進電動機選用的基本原則 14
4.1.1步距角α 14
4.1.2精度 14
4.1.3轉矩 14
4.1.4啟動頻率 14
4.2步進電動機的選擇 14
4.2.1 c6140縱向進給系統步進電機的確定 14
4.2.2 c6140橫向進給系統步進電機的確定 15
5電動刀架的選擇 15
6控制系統硬體電路設計 16
6.1控制系統的功能要求 16
6.2硬體電路的組成： 16
6.3電路原理圖 16
6.4 主軸正反轉與冷卻幫浦啟動梯形圖 18
7總結 18
8參考文獻 19
1設計任務
設計任務:將一台c6140臥式車床改造成經濟型數控車床。
主要技術指標如下：
1) 床身最大加工直徑460mm
2) 最大加工長度1150mm
3) x方向（橫向）的脈衝當量mm/脈衝，z方向（縱向）脈衝當量mm/脈衝
4) x方向最快移動速度vxmax=3100mm/min，z方向為vzmax=6000mm/min
5) x方向最快工進速度vxmaxf=370mm/min，z方向為vzmaxf=730mm/min
6) x方向定位精度±0.01mm，z方向±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，最大導程為25mm
9) 自動控制主軸的正轉、反轉與停止，並可以輸注主軸有級變速與無極變速訊號
10) 自動控制冷卻幫浦的起/停
11) 縱、橫向安裝限位開關
12) 數控系統可與pc機序列通訊
13) 顯示介面採用led數碼管，程式設計採用相應數控**
2設計要求
2.1總體方案設計要求
c6140型普通車床是一種加工效率高，操作效能好，並且社會擁有量較大的普通型車床。經過大量實踐證明，將其改造為數控工具機，無論是經濟上還是技術都是確實可行了。一般說來，如果原有車床的工作效能良好，精度尚未降低，改造後的數控車床，同時具有數控控制和原工具機操作的效能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。
總體方案設計應考慮工具機數控系統的型別，計算機的選擇，以及傳動方式和執行機構的選擇等。
（1）普通車床數控化改造後應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行迴圈加工和螺紋加工等，因此數控系統選連續控制系統。
（2）車床數控化改裝後屬於經濟型數控工具機，在保證一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本，因此，進給伺服系統採用步進電機開環控制系統。
（3）根據普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經濟性要求，經濟型數控工具機一般採用8位微機。在8位微機中，mcs—51系列微控制器具有整合度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的價效比，因此，可選 mcs—51系列微控制器擴充套件系統。
（4）根據系統的功能要求，微機數控系統中除了cpu外，還包括擴充套件程式儲存器，擴充套件資料儲存器、i/o介面電路；包括能輸入加工程式和控制命令的鍵盤，能顯示加工資料和工具機狀態資訊的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅動電路，此外，系統中還應包括螺紋加工中用的光電脈衝發生器和其他輔助電路。
（5）設計自動迴轉刀架及其控制電路。
（6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲槓螺母副組成，其傳動比應滿足工具機所要求的解析度。
（7）為了保證進給伺服系統的傳動精度和平穩性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲槓螺母副，並應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側間隙的機構。
（8）採用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。
2.2設計引數
設計引數包括車床的部分技術引數和設計數控進給伺服系統所需要的引數。
由《機械加工工藝手冊》表8.1-1可列出c6140臥式車床的技術資料如下：
名稱技術引數
在床身上400mm
工件最大直徑
在刀架上210mm
頂尖間最大距離650;900;1400;1900mm
宋制螺紋 mm1---192
加工螺紋範圍英製螺紋 t/m2---24
模數螺紋 mm 0.25---48
徑節螺紋 t/m 1---96
最大通過直徑48mm
孔錐度莫氏6號
主軸正轉轉速級數 24
正轉轉速範圍 10—1400r/min
反轉轉速級數 12
反轉轉速範圍 14---1580r/min
縱向級數 64
進給量縱向範圍 0.08---1.59mm/r
橫向級數 64
橫向範圍 0.04---0.79mm/r
滑板行程橫向 320mm
縱向 650;900;1400;1900mm
最大行程 140mm
刀架最大回轉角 ±90°
刀槓支承面至中心的距離 26mm
刀槓截面b×h 25×25mm
頂尖套莫氏錐度 5號
尾座 橫向最大移動量 ±10mm
外形尺寸長×寬×高 2418×1000×1267mm
圓度 0.01mm
工作精度圓柱度 200:0.02
平面度 0.02/φ300mm
表面粗糙度ra 1.6---3.2μm
主電動機 7.5kw
電動機功率
總功率 7.84kw
改造設計引數如下:
最大加工直徑在床面上460mm
在床鞍上 210mm
最大加工長度 1150mm
快進速度縱向 6000mm/min
橫向 3100mm/min
最大切削進給速度縱向 730mm/min
橫向 370mm/min
溜板及刀架重力縱向 800n
橫向 600n
脈衝當量縱向 0.02mm/脈衝
橫向 0.01mm/脈衝
定位精度縱向0.02mm
橫向0.01mm
2.3.其它要求
（1） 原工具機的主要結構布局基本不變，儘量減少改動量 ，以降低成本
縮短改造週期。
（2）機械結構改裝部分應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證
安裝、除錯、拆卸方便，需經常調整的部位調整應方便。
3進給伺服系統機械部分設計與計算
3.1進給系統機械結構改造設計
進給系統改造設計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板
刀架等。改造的方案如下：
掛輪架系統：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈衝發生器。
進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成。絲槓、光槓和操作槓拆去，齒輪箱連線滾珠絲槓，滾珠絲槓的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。
溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲槓中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。
橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲槓的螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲槓螺母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成在橫溜板後部並與滾珠絲槓相連。
刀架：拆除原刀架，改裝自動迴轉四方刀架總成。
3.2進給伺服系統機械部分的計算與選型
進給伺服系統機械部分的計算與選型內容包括：確定脈衝當量、計算切削力
滾珠絲槓螺母副的設計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。
3.2.1確定系統的脈衝當量
縱向： 0.02mm/脈衝
由設計要求可知：脈衝當量
橫向： 0.01mm/脈衝
3.2.2縱向滾珠絲槓螺母副的型號選擇與校核
（1）切削力的計算
由《工具機設計手冊》得 nc=ndηk
其中 nc— 為傳動件的額定功率
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