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1、沈 阳 理 工 大 学机电一体化课程设计计算说明书题 目： 卧式车床数控化改造设计 所属系部： 机械运载学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2011年 6月 13日目录摘要2设计题目31. 设计任务42. 总体方案的确定53. 机械系统的改造设计方案54. 进给传动部件的计算和选型84.1 脉冲当量的确定84.2 切削力的计算84.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）94.4 同步带减速箱的设计（纵向）104、5 步进电动机的计算与选型（纵向）134.6 同步带传递功率的校核175. 绘制进给传动机构的装配图176. 控制系统硬件电路的设计18
2、7. 步进电动机驱动电源的选择198. 控制系统的部分软件设计208.1 存储器与I/O芯片地址分配208.2 控制系统的监控管理程序208.3 8255芯片初始化子程序218.4 8279芯片初始化子程序218.5 8279控制LED显示子程序228.6 8279管理键盘子程序248.7 D/A电路输出模拟电压程序258.8 步进电动机的运动控制程序258.9 电动刀架的转位控制程序258.10 主轴、卡盘与冷却泵的控制程序25机电一体化课设的感受与收获 27结论28 谢辞29 参考文献30摘 要整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，
3、也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工
4、厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。 （机电一体化系统设计课程设计指导书）设计题目：卧式车床数控化改造设计 普通车床（如C616/C6132、C618/C6136、C62
5、0/C6140、C630等）是金属切削加工最常用的一类机床。C6140普通车床的结构布局如图所示。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等，借助成型刀具，还能加工各种成形回转表面。C6140普通车床的结构布局图1-床脚 2-挂轮 3-进给箱 4-主轴箱 5-纵溜板 6-溜板箱 7-横溜板8-刀架 9-上溜板 10-尾座 11-丝杠 12-光杠 13-床身 机床实体图普通车床刀架的纵向和横向进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动溜板箱、纵溜板以及横溜板产生移动。进给参数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵
6、向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。1. 设计任务 题目：C6140普通车床数控化改造设计 任务：将一台C6140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
7、径400 mm； （2）最大加工长度1000 mm； （3）X方向(横向)的脉冲当量 = 0.005 mm/脉冲,Z方向(纵向) = 0.01 mm/脉冲； （4）X方向最快移动速度 = 3000 mm/min，Z方向为 = 6000 mm/min； （5）X方向最快工进速度= 400 mm/min，Z方向为= 800 mm/min； （6）X方向定位精度 0.01 mm，Z方向 0.02 mm； （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24 （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、反转与
8、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。2. 总体方案的确定 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）普通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
9、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MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51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，
10、滚珠丝杠的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。3. 机械系统的改造设计方案 3.1 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，需要在加工中自动变换转速，可用2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，使用变频器时，若工作频率低于70
11、Hz，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7.5kW变极多速三相异步电动机，实现2档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3B，适配7.5kW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。 3.2 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型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。 3.3 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
12、州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成 3.4 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是24 mm，Z向的进给脉冲当量是0.01 mm/脉冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24 mm /（0.01 mm/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
13、到1200线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。 基于上述要求，本例选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。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15 mm，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
14、带与主轴联接起来。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联接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。 3.5 进给系统的改造与设计方案 （1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，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走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。 （4）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架 （5）拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段（长216 mm，见书后图6-2）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联。 （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、纵向进给系统分别见图3-1与图3-2。 图3-1 CA6140数控车床横向进给传动机构 图3-2 CA6140数控车床纵向进给传动机构4. 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、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速
