C616车床经济型数控化的改造

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，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α=0.75°/step三．机械设计计算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当刀具Kr=45°，忍倾角sl=0°，前角0g=15°时，Fz、Fx、Fy之间有以下近似关系：Fy=（0.4~0.5）FzFx=（0.3~0.4）Fz取Fx=0.4Fz=0.4×1800=720NFy=0.5Fz=0.5×1800=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+m′（Fz+G）式中：Fx、Fz——切削分力G——移动部件的重量m′——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，m′=0.15~0.181丝杠所受轴向力Fa=KFx+m′（Fz+G）第7页共31页=1.15×720+0.16（1800+800）（1）强度计算：寿命值L=60n丝T/610式中：n丝：丝杠转速，T：使用寿命系数，对于数控机床T=15000hn丝=0fnl主=01000vfDlp=10001000.33.14806××××=20r/min式中：n主为主运动转速，v=1000m/min切削速度。f=0.3mm/r为进给量。D=80mm为被切削工件直径。0l=6mm为丝杠导程则：L=60n丝T/610=60×20×15000/610=18最大动载荷，由《机电一体化系统设计》查得：QF=3maxffHWLF——寿命值L=18载荷系数fW=1.2（平稳或轻度冲击）硬度系数fH=1（HRC≥58）则最大动载荷QF=31811.21244=3912.24×××N查《机电一体化技术手册》丝杠型号：2506-2.5有关参数：中径0d=25mm大径d=24.5mm导程0l=6mm螺旋角b=4°22′滚珠直径6d=3.175mm螺母长度l=86mm额定动载荷Ca=9610N易知QFCa，则强度符合要求。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LΔ=0FlES±F——工作负载；0l——滚珠丝杠的基本导程；E——弹性模量对于刚E=2.1×710N/2cm；S——丝杠的横截面积。内径：1d=60dd2-=3.175252-=23.4125mm≈2.34cmS=211d4p=14×3.14×2（2.34）=4.32cm则LΔ=0FlES±=712440.62.1104.3×±××=±8.27×610-cm丝杠受拉伸，取LΔ=8.27×610-cm任意300mm行程中丝杠的变形量为Δ=0LlΔ×30=61008.27100.30.6-×××=4.14×410-cm=4.14um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sl=工作台行程lm+螺母长度l+2×余程el。由《机电一体化系统设计手册》查得：余程el=24mm则sl=sl=640mm+86mm2×24mm=774mm=77.4cm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/KKsFfEIKlp=式中Kf=2支撑方式选择双推——简支E：刚的弹性模量72.110×N/2cm第9页共31页I——丝杠内径1d的抗弯截面惯性矩（I=4441113.142.341.476464cmdp=××=）K——压杆稳定安全系数，取4.274223.142.1101.472.5410477.4KFN××××==××=25400N＞Fa丝杠满足稳定性要求。3．齿轮计算纵向进给脉冲当量：0.01/pmmstepd=滚珠丝杠导程：0l=6mm步进电机的步距角：a=0.75°/step传动比计算：00.7560.25360liad×===×取1z=282z=35m=2.52b=28mm12528533bbmm=+=+=a取20°112.52870dmzmm==×=222.53587.5dmzmm==×=*1127022.575aaddhmmm=+=+×=*22287.5592.5aaddhmmm=+=+=4．等效转动惯量计算：齿轮选用45钢，近似看作圆柱体齿轮1：11444424217.8107.87.53.3108.148.1410ZaJdbkgcmkgm---=×=×××==×齿轮2：22444424227.8107.89.252.81015.9915.9910ZaJdbkgcmkgm---=×=×××==×丝杠转动惯量的近似计算：第10页共31页支撑跨距l=1200mm44442427.8107.82.5120103.663.6610Jsdlkgcmkgm---=××=×××==×等效转动惯量：2221114mnijmijeqmmijvvMJnnJp==⎛⎞⎛⎞=+⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠∑∑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V溜=2m/min。则mn（电机）=20.75416.67/min360pvrad×==×溜工作台质量W=80kg1zmnn=12333.3/minzznnri==电机转动惯量预选424.610mJkgm-=×则()122224221280/25.786104416.67mZZSeqkgmJmJJJikgmJp-⎛⎞=××++++=×⎜⎟⎝⎠5．所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩：max0afMMMM=++最大切削负载时所需力矩：0atftMMMMM=+++快速进给时所需力矩：0fMMM=+式中：maxaM——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。fM——折算到电机轴上的摩擦力矩。0M——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴的附加摩擦力矩。atM——切削时折算到电机轴上的加速度力矩。tM——折算到电机轴上的切削负载力矩。4109.6naJMNmT-=×当maxnn=时，maxaaMM=第11页共31页maxma020001.25416.7/min6vinrl×===4max25.78610416.72.242249.60.05aMNmNcm-××===×当tnn=时，ataMM=00100010001000.31.2524.88/min3.14806tvfinfDnrllp×××====××主425.7861024.880.13413.49.69.60.05tatJnMNmNcmT-××====×摩擦力矩00029.6fFlfwlMiTph′==当h=0.8f′=0.16时0.16800612.2323.140.81.25ffMNcm××==×××附加摩擦力矩()00200=12PlMihph-当0h=0.9时，预加载荷01=3xPF，则()()202007200.610.9=14.36663.140.81.25xFlMNcmihph××--==×××切削力矩07200.6=68.79223.140.81.25xtFlMNcmiph×==×××所以快速空载启动所需力矩：max022412.334.36240.59afMMMMNcm=++=++=切削时所需力矩013.412.334.3668.7998.78atftMMMMMNcm=+++=+++=第12页共31页快速进给时所需力矩012.334.3616.59fMMMNcm=+=+=由以上分析可知：所需最大力矩maxM发生在快速空载启动时，max240.592.4059MNcmNm==。6．步进电机的选择启动力矩max2.40596.0150.3~0.50.4qMMNm===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/0.87qjMM=max6.0156.90.870.87qjMMNm===由《机电一体化系统设计》表3-8知选取110BF003电机参数：外径：φ110mm长度：160mm轴径：φ11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