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1、目 录第一节 设计任务21.1题目：21.2 任务2第二节 总体方案的确定2第三节 机械系统的改造设计方案33.1主轴系统的改造方案33.2安装电动卡盘33.3换装自动回转刀架33.4螺纹编码器的安装方案43.5进给系统的改造与设计方案4第四节 进给传动部件的计算和选型54.1脉冲当量的确定54.2切削力的计算54.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型64.4同步带减速箱的设计84.5步进电动机的计算与选型104.6同步带传递效率的校核13第五节 绘制进给传动机构的装配图14第六节 控制系统硬件电路设计15第七节 步进电动机驱动电源的选用16第八节 控制系统的部分软件设计17参考文献21第一节 设计任
2、务1.1设计方案的确定：C6140普通车床数控化改造设计。C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。本设计主要是对C6140普通型车床进行数控改造，用微机对纵、横进给系统进行控制。系统可采用开环控制和闭环控制，开环控制虽然有不稳定、振动等缺点，但其成本较低，经济性较好，车床本身所进行的加工尺寸是粗、半精加工。驱动原件采用步进电动机。系统传
3、动主要有：滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动两种，经比较分析：前者传动效率及精度较低，后者精度和效率高，但成本高，考虑对车床的性能要求，故采用滚珠丝杠螺母传动。刀架性能要求是准确快速的换刀，因此采用自动转位刀架。1.2 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） 床身上最大加工直径;（2） 最大加工长度；（3） X方向（横向）的脉冲当量，Z方向（纵向）；（4） X方向最快移动速度，Z方向为；（5） X方向最快工进速度，Z方向为；（6） X方向定位精度，Z方向；（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
4、导程；（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。第二节 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。由于是对车床进行数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用前提下，对同床的改动尽可能少，以降低成本。1
5、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，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统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
6、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，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，可能需要减速齿轮副，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。第三节 机械系统的改造设计方案3.1主轴系统的改造方案 对普通机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，这样可以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
7、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，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）。 改造C6140车床时，若采用有级变速，可选用浙江超力有限公司生产的YD系列变级多速三相异步电动机，实现档变速；若采用无级变速，应加装交流变频器，推荐型号为：F100-G0075T3B,适配电动机，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
8、数控系。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，作为车床主轴信号的反馈元件，它与车床主轴同步。改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是，Z向的进给脉冲当量是，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于。考虑到编码器的输出有相位差的A、B相信号，可用A、B异或后获得个脉冲（一转内），这样编码器的线数可
9、降到线（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，选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。电源电压+5V，每转输出个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径，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的同步齿形带与主轴连接起来。需要注意的是，编码
10、器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，且车床组、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，见图一）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
11、电动机通过法兰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。（8） 改造后的横向、纵向进给传动系统分别见附图一和附图二。第四节 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、设计减速箱、选择步进电动机等。4.1脉冲当量的确定根据设计任务要求，X方向（横向）的脉冲当量为，Z方向（纵向）为。4.2切削力的计算（1）纵向切削力算设工件为碳素结构钢，；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角，前角，刃倾角；切削用量为：背吃刀量，进给量，切削速度。查表得：，；
12、主偏角的修正系数；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为。由经验公式：，算得主切削力;由经验公式：，算得纵向进给切削力,背向力。（2）横向切削力计算横向主切削力为纵向的一半，所以横向主切削力由经验公式,求得横向进给切削力，背向力。4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型1.纵向： (1) 工作载荷的计算已知移动部件总重量；车削力，。根据，的对应关系，可得：，。 选用矩形-三角形组合滑动导轨，查表，取，代入,得工作载荷.(2) 最大动载荷的计算 设本车床Z向在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，则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命，代入,得丝杠寿命系数。查表，取载荷系数，再取硬度系
13、数，代入式，求得最大动载荷。(3) 初选型号 根据计算出的最大动载荷，查表，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为，基本导程为，双螺母滚珠总圈数为，精度等级取4级，额定动载荷为，满足要求。(4) 传动效率的计算将公称直径，基本导程，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入，得传动效率。(5) 刚度的验算 1） 纵向滚珠丝杠的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，见图二。固定端采取一对推力角接触轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为；钢的弹性模量；查表得滚珠直径，算得丝杠底径公称直径滚珠直径。忽略式中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的
14、变形量。2）根据公式，求得单圈滚珠数目,该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为，则滚珠总数量。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力。则由式,求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的，所以实际变形量可减小一半，取。3）将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度）。由表知，4级精度滚珠丝杠任意轴向行程内行程的变动量允许，而对于跨度为的滚珠丝杠，总的变形量只有，可见丝杠刚度足够。(6) 压杆稳定性校核根据式计算失稳时的临界载荷。查表取支承系数；由丝杠底径，求得截面积惯性矩；压杆稳定安全系数取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值。代入式，得临界载荷,远大于工作载
15、荷，故丝杠不会失稳。综上所述初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4.4同步带减速箱的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。C6140车床纵向减速箱选用同步带传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传动的功率；主动轮转速和传动比；传动系统的位置和工作条件等。根据改造经验，C6140车床纵向步进电动机的最大静转矩通常在之间选择。初选电动机型号为130BYG5501,五相混合式，最大静转矩，十拍驱动时步距角为。（1） 传动比的确定已知电动机的步距角，脉冲当量，滚珠丝杠导程，代入式算得传动比（2） 主动轮最高转速 由纵向床鞍的最快移动速度，得出主动轮的最高转速。（3） 确定带的设计功率 预选的步进电动机在转速为时，对应的步进脉冲频率为。当脉冲频率为时，电动机的输出转矩约为，对应的输出功率为。取，,代入式，得出.（4） 选择带型和节距 根据带的设计功率和主动轮最高转速，选取同步带的型号为L型节距。（5） 确定小带轮齿数和小带轮节圆直径
