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1、课程设计说明书设计题目：C616 车床经济型数控化的改造学 院：河北理工大学机械工程学院专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 姓 名： 指导教师： 2011 年 1 月 14 日第 2 页 共 31 页目 录一、序言 .3二、设计题目 .4三、 机械设计部分 .5四、电气部分 .13五、课程设计小结 .30六、参考文献 .31第 3 页 共 31 页序言面对日趋激烈的竞争形势，企业只有不断开发适销对路的新产品，才能保持其旺盛的生命力，而具有高精密、柔性化、高效率的特点的现代化自动化制造系统是企业开发和创新产品的保证。我国是一个工业化相对落后的地区。虽拥有大量的机械加工设备，但还不能适应制造业
2、的多品种、小批量的生产方式。所以，加工中心数控系统等加工设备为大多数制造商所青睐，但不菲的价格成为企业创新的瓶颈。目前，在机械加工工业中，绝大多数是日式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种复杂零件的加工，不但能提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情，有利于我国加工业的发展。第 4 页 共 31 页设计题目：C616 车床经济型数控化的改造设计内容：1. 设计采用步进点击伺服机构的开环机床数控系统，控制对象为机床进给系统的 X、Z 向工作台。2. 总体方案设计包括机械、电器、微机部分的选择与设计。3. 机械部分：对纵向进给系统进行机械结构设计，
3、并画出纵向进给系统的装配图。4. 设计一步进电机驱动电路包括环形分配程序设计，光电耦合器和功放电路的设计及其与微机的接口电路。画出驱动电路图。5. 软件设计。第 5 页 共 31 页机械部分设计一机电一体化对接卸部分的要求1低摩擦导轨（滚动摩擦）精密丝杠（滚珠丝杆） 。2无传动间隙（用丝杠螺母副消除间隙） 。3高刚度。4高谐振频率。5低惯量（以提高稳定性和响应特性） 。二设计已知条件1工作台质量 W=800N2启动加速时间 50ms3脉冲当量 =0.01mm/step4快速进给速度 =2m/min5工作台行程 640mm6滚珠丝杠基本导程 =6mm7步进电机步距角 =0.75/step三机械设
4、计计算1切削力计算有金属切削原理可知，v 的单位用 m/min，而 Fz的单位用 kgf，Pm 可按下式计算：Pm=FzV/6120(KW)Fx消耗在进给运动中的功率，相对与 Fz所消耗的功率来说一般很小，1%2%，因此可忽略。又，因为 Pm=Pe第 6 页 共 31 页Pe：机床电机功率，查机床书说明可知 Pe=4KW：电机到主轴传动机构的机械效率：取 0.75则 Pm=4*0.75=3KW普通车床加工工件时，当采用硬质合金刀具时，其最小和最大切削速度为100m/min和 600m/min，取 v=100m/min。则Fz=6120Pm/v=6120*3/100=183.6kgf=1800N
5、当刀具 Kr=45，忍倾角 =0，前角 =15时，Fz、Fx、Fy 之间有以下近s0似关系：Fy=（0.40.5）Fz Fx=（0.30.4）Fz取 Fx=0.4Fz=0.41800=720NFy=0.5Fz=0.51800=900N2丝杠所受轴向力的计算：查机电一体化系统设计手册知：对于三角形综合导轨的车床丝杠的轴向工作负载Fa=KFx+ （Fz+G）式中：Fx、Fz切削分力G移动部件的重量导轨上的摩擦系数K考虑颠覆力矩影响的实验系数其中，对于三角形或综合导轨K=1.15， =0.150.181丝杠所受轴向力 Fa=KFx+ （Fz+G）第 7 页 共 31 页=1.15720+0.16（1
6、800+800）（1） 强度计算：寿命值 L=60 T/n丝 610式中： ：丝杠转速，T：使用寿命系数，对于数控机床 T=15000h丝= = = =20r/min丝 0fl主 0vfDl0.3.1486式中： 为主运动转速， v=1000m/min 切削速度。n主f=0.3mm/r 为进给量。 D=80mm 为被切削工件直径。=6mm 为丝杠导程0l则：L=60 T/ =602015000/ =18n丝 61610最大动载荷，由机电一体化系统设计查得：=QF3maxfHWL寿命值 L=18载荷系数 =1.2（平稳或轻度冲击）fW硬度系数 =1（HRC 58）H则最大动载荷 = NQF318
7、.24=391.2查机电一体化技术手册丝杠型号：2506-2.5有关参数：中径 =25mm 大径 d=24.5mm 导程 =6mm 螺旋角 =422 0d0l滚珠直径 =3.175mm 螺母长度 =86mm6 l额定动载荷 =9610NCa易知 ，则 强度符合要求。QF第 8 页 共 31 页（2） 刚度验算：因扭矩 M引起的导程变形量很小可忽略，故据公式 =L0FlESF工作负载； 滚珠丝杠的基本导程；0lE弹性模量对于刚 E=2.1 N/ ； S丝杠的横截面积。712cm内径： = = =23.4125mm 2.34cm1d6023.5S= = 3.14 =4.32142（ .4） 2c则
8、 = = = 8.27 cmL0FlES7.3610丝杠受拉伸，取 =8.27 cm6任意 300mm行程中丝杠的变形量为= 30= =4.14 cm=4.14um0Ll 618.270.3410查机械设计手册可知任意 300mm内累积螺距公差为 15um。4.1415，故，刚度满足要求。（3）稳定性验算丝杠螺纹长度 =工作台行程 +螺母长度 +2余程 。由机电一体化系统设slllel计手册查得：余程 =24mmel则 = =640mm+86mm224mm=774mm=77.4cmsl由机电一体化系统设计手册查知：丝杠实际承受载荷的能力： 22/KsFfEIl式中 =2 支撑方式选择双推简支K
9、fE：刚的弹性模量 N/72.102cm第 9 页 共 31 页I丝杠内径 的抗弯截面惯性矩（I= ）1d44413.21.76cmdK压杆稳定安全系数，取 4.=25400NFa27423.4.0.4.510FN丝杠满足稳定性要求。3齿轮计算纵向进给脉冲当量： 0.1/pmstep滚珠丝杠导程： =6mm0l步进电机的步距角： =0.75/step传动比计算： 0.7560.2361li取 =28 =35 m=2.5 =28mm1z22b取 2058bm1.70dz23.5*12aahmm287.9.d4等效转动惯量计算：齿轮选用 45钢，近似看作圆柱体齿轮 1：1144442427.807
10、.853.108.10ZaJdbkgcmkg 齿轮 2：224444242.2.5.95.9ZaJ kckm 丝杠转动惯量的近似计算：第 10 页 共 31 页支撑跨距 =1200mml44442427.8107.825103.6.610Jsd kgcmkg 等效转动惯量： 222114mni jeq mi jvvMJ式中 Vi采用最不利于机床运动时的速度，这里选用快速进给速度=2m/min。V溜则 （电机）=mn20.75416./in36pvr溜工作台质量 W=80kg 1zmn123./mizi电机转动惯量 预选 则4.0Jkg122 2422180 /5.7861046.7m ZSeq
11、 JJikgmJ 5所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩： max0fM最大切削负载时所需力矩： tft快速进给时所需力矩： 0f式中： 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。max折算到电机轴上的摩擦力矩。fM由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴的附加摩擦力矩。0切削时折算到电机轴上的加速度力矩。at折算到电机轴上的切削负载力矩。t 4109.6naJMNmT当 时，axaxM第 11 页 共 31 页max021.546.7/minvinrlax5.786.249.MNc当 时，tnat00110.3254.8/min.486t vfifDrll主 25.786.1.9.tatJnMNcT
12、摩擦力矩 0029.6fFlfwliT当 =0.8 =0.16时 f0.1812.3234.5fMNcm附加摩擦力矩 020=1Pli当 =0.9时，预加载荷 ，则0 01=3xPF22007.6.9=14.366485xFlMNcmi切削力矩 0720.6=8.7923.145xtl ci所以快速空载启动所需力矩： max02.34620.59fMNcm切削时所需力矩 01.8.7.atft c第 12 页 共 31 页快速进给时所需力矩 012.3461.59fMNcm由以上分析可知：所需最大力矩 发生在快速空载启动时，max。max240.592.4059Nc6步进电机的选择启动力矩 m
13、ax2.40596.10.3qMNm电机采用三相六拍方式，查机电一体化系统设计表 3-7知，max/.87qj6015.9.qj Nm由机电一体化系统设计表 3-8知 选取 110BF003电机参数： 外径：110mm 长度：160mm 轴径：11 步距角：0.75du6/step 重量：60N第 13 页 共 31 页电气部分设计微型计算机的应用已深入到机床数控系统，在本设计中所谓经济型计算机数控采用八位微机系统与步进电机驱动系统组成开环两坐标进给的简易数控系统。电器部分设计包括硬件电路的设计和软件设计两部分一 数控系统的硬件电路设计硬件是数控系统的组成，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行，数控系统的基本硬件电路由以下及部分组成：控制器、存储器、接口电路、光电隔离电路、功率放大电路。1控制器本系统采用 808CPU系统作为数控系统的控制器件。（1） 一般计算机的性能指标有速度、字长、内存的大小、软件配置等。808一般由 CPU、I/O 电路、存储器三部分组成。（2） 时钟脉冲频率是计算机工作速度的主要因素，808CPU 的时钟频率为2存储器20位的地址在 CPU内可寻址 1M字节的内存空间，而机构内的存储器是 16位的，只能寻址 64KB，808 系统把 1M存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段容量
