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1、 C6163车床纵向进给机构数控化改造 第 39 页 共 40 页目目录1一、绪论311.1选题目的及意义311.2 设计任务及总体方案的确定31二、机械系统的改造设计612.1主传动系统的改造6222主轴脉冲发生器的安装622.3 进给系统的改造622.4 安装防护62三、进给传动部件的计算与选型723.1 切削力的计算723.2滚珠丝杠螺母副的计算与选型823.3 同步带减速机构设计132四、电动机的计算与选型1724.1 纵向直流电动机的计算与选型1824.2 同步带传动功率的校核222五、电动机驱动电路设计22351光电隔离电路2235.2 单极性可逆PWM电路设计233六、数控系统设
2、计2336.1硬件电路设计243七、数控系统软件设计373总结383致谢393参考文献40 一 绪论11 选题目的及意义车床是金属切削加工最常用的一类机床，当工件随主轴回转时，通过到家的纵向和横向移动，能够加工内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹等，借助成型刀具，还能加工各种成形回转表面。卧式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，由光杠或丝杠带动溜板箱、床鞍以及中滑板产生移动。进给参数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且无法加工复杂的回转零件。对普通车床的数控化改造，主要是将纵向和横向进给
3、系统改成用微机控制的并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、切削顺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，可以加工出普通车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。可以实现多工序集中加工，提高了相关加工精度，同时减少被加工零件在机床间的频繁搬运。拥有自动补偿等功能，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率大幅度提高。由于采用自动化加工技术，可大大降低操作者的劳动强度，减少废品的产生，提高工作效率。12 设计任务与总体方
4、案的确定 将C6163普通车床（如图1-1所示）改造成采用16位单片机半闭环控制的经济型数控车床，要求该车床进给两坐标联动并且能够实现直线插补和圆弧插补并增配自动回转刀架和主轴脉冲发生器，能车削螺纹。 图1-1 普通车床C61631.2.1 已知参数及设计参数最大加工直径：630； 床鞍上最大加工直径：350；最大加工长度：1500；纵向导轨长度：2000；主电动机功率：11；冷却泵电机功率：0.12；主轴通孔直径：105；主轴转速：14级 12.51120；托板和刀架的总重力G：1500；最大进给速度：纵向：， 横向：0.4；最大刀架快移速度：纵向：6， 横向：4；脉冲当量：纵向：0.01/
5、脉冲， 横向：0.005/脉冲；定位精度：纵向：0.01， 横向：0.005；启动加速时间：纵向：200； 横向：100；电动刀架转位数：4122 系统总体方案设计 数控系统总体方案设计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）系统的运动方式：该车床改造后应具有单坐标定位，两坐标直线/圆弧插补的功能。所以数控系统应设计成连续控制型。（2）进给伺服系统的类型：按任务要求采用步进电机的开环控制系统。这样改造后的车床属于经济型数控车床，在保证一定加工精度的前提下，简化了结构，降低了成本。（3）数控系统处理器的选择：依据技术指标
6、中最大加工尺寸、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）为了加工安全还需安装纵向和横向限位开关。（6）主轴电动机的交流变频器的选择及主轴脉冲发生器的选择。（7）为了达到设计要求中的速度和精度，纵向与横向进给传动应选用摩擦小、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，
7、滚珠丝杠 的螺母应有预紧机构。（8）为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统的负载惯量劲可能地减小，传动链中应设有减速机构。减速机构选则同步带，其综合了带传动、链条传动以及齿轮传动的优点，在许多领域已经替代了齿轮传动和链传动。二 机械系统的改造设计21 主传动系统的改造普通车床进行数控化改造时，为了减少工作量，一般保留原有的主传动机构和变速操纵机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋转，主轴的正转、反转和停止由数控系统来控制。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2-4速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不满足要求时，
8、可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无极变速。采用交流变频器实现主轴电机的无极变速，本设计选用F1000-G0110T3C型变频器，该型号适配电机11KW，额定输出电流为23A。22主轴脉冲发生器的安装主轴脉冲发生器是为了加工螺纹而安装的主轴检测装置，微机从主轴脉冲发生器中取出与螺距相应的脉冲数，使主轴旋转角度与进给量保持一定关系，确保螺距的准确性。主轴脉冲发生器的安装通常有两种：一种是同轴安装，另一种是异轴安装。一般经济型数控改造多采用同轴安装。本设计选用1200线主轴脉冲发生器，采用同轴安装方式并采用波纹管与主轴柔性连接，该连接方式在实现角位移传递的同时，能够吸收车床的部分振动，从而使脉
9、冲发生器平稳转动。23 进给系统的改造拆除挂轮架所有齿轮并寻找主轴，安装主轴脉冲发生器；拆除原机床进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杆、操纵杆、齿条等；在纵溜板、横溜板的下面丝杠螺母座托架；在原进给箱位置安装纵向伺服电机与减速箱总成，在横溜板后部安装横向伺服电机与减速箱总成；拆除四方刀架及上溜板总成，在横溜板上方安装电动刀架。24 安装防护普通车床的数控化改造中应根据实际情况采取相应的防护措施，比如滚珠丝杠副由于精度要求较高，工作时需防尘防灰，尤其不能让金属削进入滚道，所以纵向丝杠应安装防护罩。大托板与导轨接触的两端面要贴上橡胶片，防止杂质进入滑动导轨面损伤导轨。三 纵向进给传动部件的计算和选型31
10、 切削力的计算切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。车削外圆时的切削力如图3-1所示。主切削力与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；进给力与进给方向平行且方向相反；背向力与进给方向相垂直，对加工精度的影响较大。FzFxFy 图3-1 车削力分析设工件材料为碳素结构钢，b=650MPa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角60，前角10，刃倾角-5,；切削用量为：背吃刀量ap=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度为105m/min。查表3-1，得
11、： =2795 =1.0 =0.75 =-0.15查表3-3，得主偏角的修正系数=0.94；刀倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数均为1.0.由经验公式 得：=2673.4N 由：=1:0.35:0.4，算得纵向进给切削力=935.69N，=1069.36N3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。321 精度
12、的选择滚珠丝杠副的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择X轴精度等级为3级，Z轴为4级。322 丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度），本设计中初选
13、纵向丝杠导程为8，横向丝杠导程为5。3 23 最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力,其实验计算公式如表3-1所示。表3-1 实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；为移动部件总重量。查表3-1选择综合导轨，取1.15,取0.16,为1500；算得=1.15935.69+0.16（2673.4+1500） =1743.8324 最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力）
14、，此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下： 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r，（T为使用寿命，普通机床T取5000-10000h，数控机床T取15000h；n为丝杠每分钟转速）； 载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2； 硬度系数（HRC58时取1.0；等于55时取1.11；等于52.5时取1.35；等于50时取1.56；等于45时取2.40）； 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。本设计中车床Z向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠基本导程，则丝杠转速。取滚珠丝杠使用寿命，带入得=90（单位r）；加工过程平稳或轻度冲击，取载荷系数，硬度系数，代入，求得 ：=9377.6N。325 滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷, 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷。根据计算出的最大动载荷=9377.6N,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的FL5008-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为4级，其参数如表3-2所示。表3-2 FL5008-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/
