C6140车床数控化改造课程设计

C6140车床数控化改造设计第1页共21页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............................................................................16参考文献......................................................................................................................20C6140车床数控化改造设计第2页共21页第一节设计任务1.1题目：C6140普通车床数控化改造设计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mm400;（2）最大加工长度mm1000；（3）X方向（横向）的脉冲当量脉冲/005.0mmx，Z方向（纵向）脉冲/01.0mmz；（4）X方向最快移动速度min/3000maxmmvx，Z方向为min/6000maxmmvx；（5）X方向最快工进速度min/400maxmmvfx，Z方向为min/800maxmmvfx；（6）X方向定位精度mm01.0，Z方向mm02.0；（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mm24；（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。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C6140车床数控化改造设计第3页共21页提下，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2~4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Hz70，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kW5.7变级多速三相异步电动机，实现4~2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kW5.7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-CK6140C6140车床数控化改造设计第4页共21页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mm24，Z向的进给脉冲当量是脉冲/01.0mm，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于脉冲脉冲）2400/01.0/(24mmmm。考虑到编码器的输出有相位差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，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1200个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径mm15，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1:1的同步齿形带与主轴连接起来。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mm216，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。C6140车床数控化改造设计第5页共21页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）的脉冲当量为脉冲/005.0mmx，Z方向（纵向）为脉冲/01.0mmz。4