姓名：
准考证号：
课程名： C6140普通车床数控化改造设计
指导教师：
日期： 2011 年七月十一日 ~ 八月一日
第一节 设计任务 ........................................................................................................................2 1.1设计任务 ..............................................................................................................................2 合肥工业大学
1
| 第三节 总体体方案的确定........................................................................................................3 |
|---|
| 2.1总体体方案的确定..............................................................................................................3 |
| 第三节 主传动系统的改造方案................................................................................................4 |
| 3.1主传动系统的改造方案......................................................................................................4 |
| 3.2换装自动回转刀架..............................................................................................................5 |
| 3.3螺纹编码器的安装方案......................................................................................................5 |
| 第四节 进给传动部件的计算和选型..........................................................................................6 |
| 4.1脉冲当量的确定..................................................................................................................6 |
| 4.2切削力的计算......................................................................................................................6 |
| 4.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）..........................................................................7 |
| 4.4同步带减速箱的设计（纵向）..........................................................................................8 |
| 4.5步进电动机的计算和选型（纵向）................................................................................10 |
| 4.6同步带传递功率的校核....................................................................................................16 |
| 第五节 绘制进给传动机构的装配图........................................................................................16 |
| 5.1绘制进给传动机构的装配图............................................................................................17 |
| 第六节 控制系统硬件电路设计................................................................................................17 |
| 6.1控制系统硬件电路设计....................................................................................................18 |
| 第七节 步进电动机驱动电源的选用....................................................................................18 |
| 7.1步进电动机驱动电源的选用............................................................................................19 |
| 第八节 控制系统的部分软件设计............................................................................................19 |
| 8.1控制系统的部分软件设计................................................................................................19 |
2
合肥工业大学
题目
C6140普通车床数控化改造设计
任务
将一台C614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400mm；
（2）最大加工长度1000mm；
（3）X方向（横行）的脉冲当量0.005/脉冲,Z方向（纵向）的脉冲当量0.01/脉 冲；
（4）X方向最快移动速度vmax3000mm∕min，Z方向为vmax6000mm∕min；
（5）X方向最快工进速度vmax400mm∕min，Z方向为vmax800mm∕min；
（6）X方向定位精度±0.01mm，Z方向定位精度±0.02mm；
（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，最大导程为
24mm；
（9）主动控制主轴的正转，反转与停止，并可输出主轴有级变速与无极变速信 号；
（10）安装四工位立式电动刀架，系统自动控制选刀；
（11）自动控制冷却泵的起与停；
（12）安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；
（13）纵，横安装限位开关；
3
（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。
总体方案应考虑车床数控系统的运行方式，进给伺服系统的类型，数控系 C P U 的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。 （1）普通数控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）普通数控车床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，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机 的开环系统。
（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 动机的驱动电动以及主轴电动机的交流变频器。
4
合肥工业大学
（5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵，横向进给传动应选择摩擦力 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。
对普通车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，需要在加工中自变换转速，可用2-4档的多 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 时，若工作频率低于70Hz，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率要 比电动机大）。
本例中，当采用有级变速时，可选用浙江超力电机有限公司生产的YD系 列7.5KW变极多速三相异步电动机，实现24档变速；当采用无级变速时，应加
5
装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3H，适配7.5KW电动机，生产厂家 为烟台惠丰电子有限公司。
为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床 附件总厂生产的KD11250型电动三爪卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信 控制。
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LD4BCK6140型四位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统 完成。
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，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步 转动。
本例中，改造后的车床能够加工的最大螺纹导程24mm，Z向的进给脉冲当 量是0.01∕脉冲所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24∕(0.01mm/脉 冲)=2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为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纹槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个 的零位脉冲Z。
基于上述要求，本例中选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05Z0-15-
6
合肥工业大学
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15mm，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。同轴安装时指将 编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式机构简单，但它堵住了主 轴的通孔，异轴安装时是指将编码器安装在床头箱的后端，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，可以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，编码器的最高允许转速。
5.进给系统的改造与设计方案
（1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找的同步轴，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刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的 螺母座和螺母座垫架。
（4）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四位工位立式电动机刀 架。
（5）拆除横溜板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段（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座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚 珠丝杠的轴头相连。
（7）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。 改造后的横向、纵向进给传给系统见图一、图二。
7
合肥工业大学
机电一体化课程设计
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、选择滚珠丝杆螺母副、设计减速箱、选择步进电动机。
根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为δx=0.005∕
脉冲，Z方向（纵向）为δz=0.005∕脉冲。
纵向切削力的详细计算过程。
设工件材料为碳素机构钢，σb=650MPa;刀具材料为硬质合金YT15；刀具几 何参数为：主偏角 ，前角γ0=100 ，刃倾角λs=－50 ；切削用量为： =3mm背吃刀量，进给量f=0.6mm∕r，切削速度 =105m∕min。
查表10-1，得： =2795， =1.0， =0.75， =﹣0.15。
查表10-3，得：主偏角Kr的修正系数 =0.94；刃倾角、前角和刀尖圆
弧半径的修正系数值均为1.0。
由经验公式（10-2），算得主切削力 =2673.4N。由经验公 ：Ff ： =1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力Ff=935.69N，背向力 =1069.36N。
8
合肥工业大学
机电一体化课程设计 （1）工作载荷F的计算 已知移动部件总重量G=1300N；车削力
=2673.4N， =1069.36N，Ff=935.69N 。如图10-20所示，根据 = ， = ， =Ff的对应关系，可得： =2673.4 ， =1069.36N，
=935.69N。
选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表10-29，得K=1.15，μ=0.16代人 Fm=KFX ＋μ（ ＋G），得工件载荷F≈1712N。
（2）最大动载荷FQ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v=0.8m∕min，初选丝杆基本导轨Ph=6mm，则此时丝杆转速 n=1000v∕Ph ≈133r∕min。取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT∕106 ， 得丝杠寿命L0=119.7。查表10-30，取载荷系数fm=1.15、硬质系数 =1，代入 式（10-23），求得最大动载荷 。
（3）初选型号 根据计算的最大动载荷，查表10-34，选择启东润泽 机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杆副。其公称直径为40mm，基本导 程为6mm，双螺母滚珠总圈数为3×2=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为 13200N，满足要求。
（4）传动效率η的计算 将公称直径d0=40mm，基本导程Ph=6mm，
代入λ= [Ph∕(πd0)]，得丝杆螺旋升角λ=20 44＇，将摩擦角φ=10＇，代入η =tanλ∕tan(λ+φ)，得传动效率η=94.2﹪。
（5）刚度的计算
①Z向滚珠丝杆副的支承，采用一端轴向固定，一端简支的方式，见图二。
固定端采用一对推力角接触球轴承，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a=1497mm；钢的弹性模量E=2.1×105 MPa；查表10-34，
9
机电一体化课程设计 得滚珠直径 =3.9688mm，算得丝杠底径d2=公称直径d0－滚珠直径 则丝杠截 面积S=πd2 2∕4=1019.64mm2 。
忽略式（10-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉∕压 变形量δ1= ∕(ES) ≈0.01197mm。
②根据公式Z=（πd0∕ ）－3，求的单圈滚珠数目Z=29；该型号丝杠为双 螺母，滚珠总圈数为3×2=6，则滚珠总数量Z∑=29×6=174。滚珠丝杆预紧时，取 轴向预紧力FYJ=Fm∕3≈571N；则由式（10-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触 变形量δ2=0.00117mm。
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半， 取δ2=0.000585mm。
③将以上计算的δ1和δ2代入δ总，求得丝杠总变形量δ总=0.012555mm=12.555 μm。由表10-27知，四级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内行程的变动量允 许16μm，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量δ总只有12.555μm，可 见丝杠刚度足够。
（6）压杆稳定性校核6）压杆稳定性校核）压杆稳定性校核 根据公式（10-28）计算失稳时的临界载 荷 ，查表10-31，取支承系数 =2；由丝杠底径d2=36.0312mm，求得截面惯 性矩I=πd24 ≈82734.15mm4 ；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧底式安装）；滚动 螺母至轴向固定处得距离α取最大值1497mm。代入式（10-28），得临界载荷 FK≈51012N，远大于工作载荷Fm(1712N)，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。
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
10
合肥工业大学
预览结束 · 共 34 页
下载完整版