1、C6140臥式車床數控化改造設計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22設計要求32.1總體方案設計要求32.2設計參數42.3.其它要求53進給伺服系統機械部分設計與計算63.1進給系統機械結構改造設計63.2進給伺服系統機械部分的計算與選型63.2.1確定系統的脈沖當量63.2.2縱向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核63.2.3橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核104步進電動機的計算與選型134.1步進電動機選用的基本原則144.1.1步距角144.1.2精度144.1.3轉矩144.1.4啟動頻率144.2步進電

2、動機的選擇144.2.1 C6140縱向進給系統步進電機的確定144.2.2 C6140橫向進給系統步進電機的確定155電動刀架的選擇156控制系統硬件電路設計166.1控制系統的功能要求166.2硬件電路的組成：166.3電路原理圖166.4主軸正反轉與冷卻泵啟動梯形圖187總結188參考文獻191設計任務設計任務:將一臺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460mm2) 最大加工長度1150mm3) X方向（橫向）的脈沖當量 mm/脈沖，Z方向（縱向）脈沖當量 mm/脈沖4) X方向最快移動速度vxmax=3100mm/min，Z方向為vzmax

3、=6000mm/min5) X方向最快工進速度vxmaxf=370mm/min，Z方向為vzmaxf=730mm/min6) X方向定位精度±0.01mm，Z方向±0.02mm7) 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25mm9) 自動控制主軸的正轉、反轉與停止，并可以輸注主軸有級變速與無極變速信號10) 自動控制冷卻泵的起/停11) 縱、橫向安裝限位開關12) 數控系統可與PC機串行通訊13) 顯示界面采用LED數碼管，編程采用相應數控代碼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，操作性能好，并且社會擁有量較大的普通

4、型車床。經過大量實踐證明，將其改造為數控機床，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性能良好，精度尚未降低，改造后的數控車床，同時具有數控控制和原機床操作的性能，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機床數控系統的類型，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后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環加工和螺紋加工等，因此數控系統選連續控制系統。（2）車床數控化改裝后屬于經濟型數控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本，因此，進給伺服系統采用步進電機開環控制系統。（3）根據普

5、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，經濟型數控機床一般采用8位微機。在8位微機中，MCS51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS51系列單片機擴展系統。（4）根據系統的功能要求，微機數控系統中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數據存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數據和機床狀態信息的顯示器，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沖發生器和其他輔助電路。（5）設計自動回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

6、步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。（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杠螺母副，并應有預緊機構，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）采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。2.2設計參數設計參數包括車床的部分技術參數和設計數控進給伺服系統所需要的參數。由機械加工工藝手冊表8.1-1可列出C6140臥式車床的技術數據如下：名稱 技術參數 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 mm 1-192加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2

7、-24 模數螺紋 mm0.25-48 徑節螺紋 t/m1-96 最大通過直徑 48mm 孔錐度莫氏6號 主軸 正轉轉速級數 24 正轉轉速范圍101400r/min 反轉轉速級數12 反轉轉速范圍14-1580r/min縱向級數64進給量縱向范圍0.08-1.59mm/r橫向級數64橫向范圍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°刀杠支承面至中心的距離26mm刀杠截面B×H25×25mm頂尖套莫氏錐度5號尾座橫向最大移動量±10mm外形尺寸 長&

8、#215;寬×高2418×1000×1267mm 圓度 0.01mm工作精度圓柱度200:0.02 平面度0.02/300mm表面粗糙度Ra1.6-3.2m 主電動機7.5kw電動機功率總功率7.84kw改造設計參數如下: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脈沖當量 縱向0.02mm/脈沖 橫向0.01mm/脈沖定位精度縱向 ±0.02mm橫向 &

9、#177;0.01mm2.3.其它要求（1） 原機床的主要結構布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本縮短改造周期。（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、調試、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沖發生器。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。絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承

10、座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉四方刀架總成。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：確定脈沖當量、計算切削力滾珠絲杠螺母副的設計、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確定系統的脈沖當量 縱向： 0.02mm/脈沖 由設計要求可知：脈沖當量 橫向： 0.01mm/脈沖3.2.2縱向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核（1）切削

11、力的計算由機床設計手冊得 Nc=Ndk 其中 Nc 為傳動件的額定功率Nd主電機的額定功率， Nd=7.5 kw主傳動系統總功率，一般為0.60.7，取=0.65k進給系統功率系數，取k=0.95則：Nc=7.5×0.65×0.954.63kw又因為：Nc=×9.8 式中Vs 切削速度，取Vs=100m/min主切削力Fz= =283.356（kgf）=2833.56N由機電一體化系統設計課程設計指導書可知主切削力Fz=CFzapxFz×fyFz×KFz對于一般切削情況：xfz=1，yFz=0.75 ，KFz=1，CFz=188kg/2=188

12、0MpaF2的計算結果如下：ap()333444f()0.20.30.40.20.30.4Fz(N)1614.982188.942716.062153.32918.593621.41為便于計算,所以取Fz=2833.56N,以切削深度ap=4，走刀量f=0.3，為以下計算以此為依據。由機床設計手冊得，在一般外圓車削時，Fx（0.10.6）FZFy(0.150.7)Fz取Fx=0.5 Fz Fy=0.6FzFx=0.5×2833.56=1416.78(N)Fy=0.6×2833.56=1700.14(N)（2）滾珠絲杠的設計計算由經濟型數控機床總設計，綜合車床導軌絲杠的軸向力

13、得P=KFx+f（Fz+W） 其中K=1.15 , f=0.150.18 取f=0.16P=1.15×1416.78+0.16×(2833.56+800)=2210.67(N)強度計算壽命值Li= ni= 由機床設計手冊得Ti=15000h, =12mm， D=80ni= 10(r/min)Li=9最大動負 Q=PfwfH 其中 運載系數fw=1.2硬度系數Fh=1Q=×1.2×2210.67×1=5518.05(N)根據最大動力負載荷Q的值，查表選擇滾珠絲杠的型號為FFZ50124，查表得數控車床的縱向精度為E級，即型號為FFZ50124E1

14、800×640，其額定載荷是44400N效率計算根據機械原理得，絲杠螺母副傳動效率為 = 由機械原理得一般為812取=10即：摩擦角=10，螺旋升角（中徑處）r=3O25則= =0.953 剛度驗算滾珠絲杠受工作負載P引起的導程變化量L1=± 其中 LO=12=1.2E=20.6×106N/2滾珠絲杠橫截面積F=()=（）2×3.14=18.09(2)（d為滾珠絲杠外徑） 則L1=7.12×10-67.12um查機床設計手冊，E級精度絲杠允許的螺距誤差（1800螺絲長度）為15um/m ，因此，絲杠的剛度符合要求。即剛度足夠。穩定性驗算由于原機

15、床杠徑為30，現選用的滾珠絲杠為50，支承方式不變。所以，穩定性不成問題，無需驗算。（3）齒輪及轉矩的相關計算1）有關齒輪的計算傳動比i=其中表示步驅角，表示脈沖當量i=1.25取齒數Z1=32, Z2=40模數m=2mm 嚙合角為200 齒輪齒寬b=20d1=mz1=2×32=64mm d2=mz2=2×40=80mmda1 =2×(32+2)=68mm da2=2×(40+2)=84mma=722）轉動慣量的選擇工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 J1=()2W=()2×80= 1.859kg.2=18.69N.cm2絲杠的轉動慣量Js=7

16、.8×10-4D4L=7.8×-4×54×180=87.75kg.2=877.5N.cm2齒輪的轉動慣量JZ1=7.8×10-4×(6.4)4×2=2.617kg.2=26.17N.cm2JZ2=7.8×10-4×84×2=6.39kg.2=63.9N.cm2由于電機的轉動慣量很小，一般可忽略不記所以總的轉動慣量為 J總=×(Js+ JZ2)+ JZ1+ J1 =×(87.75+6.39)+2.617+1.869=64.7356kg.2=647.356N.23）所需轉動力矩的

17、計算快速空載啟動時所需力矩 M=Mamax+Mf+MO 最大切削負載時所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt 快速進給時所需力矩 M=Mf+MO 式中Mamax 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩。 Mf 折算到電機軸上的摩擦力矩。 MO 由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 Mat 切削時折算到電機軸上的加速度力矩。Mt 折算到電機軸上的切削負載力矩。Ma=×10-4（N.m）其中T=0.025 當n=nmax時，Mamax=Manmax=76.0(r/min)Mamax=×10-4=2.05N.m=20.5kgf.cmnt=12.44r/minMat=&

18、#215;10-4=0.3355N.cm=3.355kgf.cmMf=當=0.8，f=0.16時，Mf=2.446kgf.cm=24.46N.cmMO=(1-o2)當=0.9時，預加荷PO=FxMO=1.715kgf.cm=17.15N.cmMt=9.024kgf.cm=90.24N.cm所以，快速空載啟動所需力矩M快空=Mamax+Mf+MO=20.5+2.446+1.715=24.661kgf.cm=246.61N.cm切削時所需力矩M切= Mat+Mf+MO+Mt=3.355+2.446+9.024+1.715=16.54kgf.cm=165.4N.cm快速進給時所需力矩M快速=Mf+M

19、O=2.446+1.715=4.161kgf.cm=41.61N.cm由以上計算可得所需最大力矩Mamax發生快速啟動時Mamax=M快空=246.61N.cm3.2.3橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核（1）切削力的計算橫向進給量約為縱向的,取橫向切削力約為縱向切削力的Fz=F縱z=×2833.56=1416.78N在切斷工件時 Fy=0.6 F縱z=0.6×1416.78=850.068N（2）滾珠絲杠的設計計算強度計算對于燕尾型導軌 P=KFy+f（Fz+W） 其中K=1.4 , f=0.2P=1.4×850.068+0.2×(1416.78+30

20、0)=1533.45Nn= =12r/min壽命值Li=10.8最大動負載Q=Pfwfh其中 fw=1.2 fh=1Q=×1.2×1×1533.45=4067.48N根據最大動負載荷的值,可選擇滾珠絲杠的型號,其公稱直徑為40,型號為FFB4010-2-E，額定動負載荷為21100W，所以強度夠用。效率計算根據機械原理得，絲杠螺母副傳動效率為 = 由機械原理得一般為812取=10即：摩擦角=10，螺旋升角（中徑處）r=3O38則= =0.956剛度驗算滾珠絲杠受工作負載，P引起的導程變化量L1=F=（）2 =（）2×3.14=12.25 （其中d為滾珠絲

21、杠的外徑） L1 = =±6.08×10-6=6.08um因為滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量L2很小可忽略不計，即L=L1，即導程變化總誤差為=L=×6.08×10. -6=6.08um/m查表知E級精度絲杠允許的螺矩誤差為15um/n ，所以剛度足夠。穩定性驗算由于原機床杠徑為30，現選用的滾珠絲杠為40，支承方式不變。所以，穩定性不成問題，無需驗算。（3）齒輪及轉矩的相關計算1）有關齒輪的計算傳動比i=其中表示步驅角，表示脈沖當量i=2.1取齒數Z1=30, Z2=63模數m=2mm 嚙合角為200 齒輪齒寬b=20d1=mz1=2×30=

22、60mm d2=mz2=2×63=126mmda1 =2×(30+2)=64mm da2=2×(65+2)=130mma=932）轉動慣量的選擇工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 J1=()2W=()2×30= 0.1753kg.2=1.753N.cm2絲杠的轉動慣量Js=7.8×10-4D4L=7.8×-4×44×64=12.78kg.2齒輪的轉動慣量JZ1=7.8×10-4×64×2=2.02kg.2JZ2=7.8×10-4×（12.6）4×2=39.

23、32kg.2由于電機的轉動慣量很小，一般可忽略不記，所以總的轉動慣量為 J總=×(Js+ JZ2)+ JZ1+ J1 =×(12.78+39.32)+2.02+0.1753=14.01kg.23）所需轉動力矩的計算快速空載啟動時所需力矩 M=Mamax+Mf+MO 最大切削負載時所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt 快速進給時所需力矩 M=Mf+MO 式中Mamax 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩。 Mf 折算到電機軸上的摩擦力矩。 MO 由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 Mat 切削時折算到電機軸上的加速度力矩。Mt 折算到電機軸上的切削負載力矩

24、。Ma=×10-4（N.m）其中T=0.025 當n=nmax時，Mamax=Manmax=77.7(r/min)Mamax=×10-4=0.4536N.m=4.536kgf.cmnt=25.08r/minMat=×10-4=0.1464N.m=1.464kgf.cmMf=當=0.8，f=0.2時，Mf=0.5687kgf.cm=0.05687N.mMO=(1-o2)當=0.9時，預加荷PO=FyMO=0.17kgf.cm=0.017N. mMt=2.686kgf.cm=0.269N.m所以，快速空載啟動所需力矩M快空=Mamax+Mf+MO=0.4536+0.0

25、5687+0.017=0.52747N.m=5.2747kgf.cm切削時所需力矩M切= Mat+Mf+MO+Mt=0.1464+0.05687+0.017+0.269=0.48927N.m=4.8927kgf.cm快速進給時所需力矩M快速=Mf+MO=0.05687+0.017=0.07387N.m=0.7387kgf.cm由以上計算可得，所需最大力矩Mamax發生快速啟動時 Mamax=M快空=0.52747N.m4步進電動機的計算與選型4.1步進電動機選用的基本原則合理選用步進電動機是比較復雜的問題，需要根據電動機在整個系統中的實際工作情況，經過分析后才能正確選擇。現僅就選用步進電機最基

26、本的原則介紹如下：4.1.1步距角 步距角應滿足 式中 i傳動比 min系統對步進電動機所驅動部件要求的最小轉角4.1.2精度步進電動機的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉子從任意位置開始，經過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用累積誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電動機應滿足： mi s 式中， m -步進電動機的累積誤差。 s-系統對步進電動機驅動部分允許的角度誤差。 4.1.3轉矩為了使步進電動機正常運轉（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉速的要求，必須考慮以下條件啟動力矩，一般啟動力矩選取為 Mq式中 Mq電機啟動力矩ML0電機靜負載力矩在要求在運行頻率范

27、圍內，電機運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電動機的轉動慣量（包含負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和。4.1.4啟動頻率由于步進電動機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此，相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足： ftfopm 式中 ft-極限啟動頻率， fopm-要求步進電動機最高啟動頻率。4.2步進電動機的選擇4.2.1 C6140縱向進給系統步進電機的確定Mq=616.525 N.cm為滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以步進電動機最大靜轉矩Mjm為：Mjm=711.92N.cm=7.12 N. m步進電動機最高工作頻率：fma

28、x=608.3HZ綜合考慮，查表選用90BF002型直流電動機，能滿足使用要求。4.2.2 C6140橫向進給系統步進電機的確定Mq=1.3187 N.m為滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以步進電動機最大靜轉矩Mjm為：Mjm=1.5227N. m步進電動機最高工作頻率：fmax=616.7HZ綜合考慮，查表選用90BF002型直流電動機，能滿足使用要求。5電動刀架的選擇自動轉位刀架的設計是普通機床數控化改造的關鍵。它要求刀架要具有抬起、回轉、下降、定位和壓緊這一系功能。盡管其結構復雜，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回轉直徑的條件下，提供

29、選用的多把刀的可能性。電動刀架的安裝較方便，只要將原車床上的刀架拆下將電動刀架裝即可，但要注意兩點：1) 電動刀臺的兩側面應與車床的橫向進給方向平行。2) 電動刀臺與系統的連線建議如下安裝：沿橫向工作臺右側面先走線到車床后面，再沿車床后導軌下方拉出的鐵絲滑線，走線到系統。其好處在于：避免走線雜亂無章，而使得加工時切屑、冷卻液以及其它雜物磕碰電動刀架系統。綜合各方面因素，選用常州武進機床數控設備廠生產的LD4-I型系列四工位自動刀架。機床型號C6140刀位數4電機功率（W）7500電機轉速1400r/min夾緊力1切體尺寸152×152下刀體尺161×171LD4-I型刀架技術指標配車床型號 C6140重復定位精度0.005mm工作可靠性>30000次換刀時間90°2.9（秒）180°3.4（秒）270°3.9（秒）6控制系統硬件電路設計6.1控制系統的功能要求1) 接收操作面板的開關與按鈕信號2) 接收車床限位開關信號3) 接收螺紋編碼器信號、電動卡盤加緊信號、電動刀架刀位信號4) 控制X（90BF002）、Z（90BF002）向步進電動機的驅動器5) 控制主軸的正反轉與停止信號6) 控制切削液泵起動和停止7) 控制電動卡