机电一体化课程C6140数控车床纵向进给传动机构.docx
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机电一体化课程C6140数控车床纵向进给传动机构
C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造
设计设计说明书
一、绪论2
1.机床数控改造的意义2
2.数控改造的主要内容3
3.车床数控改造的必要性与可行性3
二、课题任务及要求4
1.题目:
C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造设计4
2．主要技术要求4
三、进给系统的改造与设计方案4
四、纵向进给系统的设计计算5
1.脉冲当量的确定5
2.切削力的计算5
3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型5
4.同步带减速箱的设计7
5.步进电机的计算与选型9
6.同步带传递功率的校核13
五、绘制进给系统的装配图13
六、控制系统的硬件电路设计13
七、步进电机驱动电源选用16
八、总结16
一、绪论
1.机床数控改造的意义
普通卧式车床应用广泛，约占车床类总数的65%。
卧式车床主轴转速和进给量的调整范围大，工艺范围广，能进行多种表面的加工。
但其结构也有不足之处，如刚度低，抗震性差，传动件间存在间隙，精度不足，且受操作人员技能的限制较大。
而数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、尺寸多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。
但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大而使中小型企业心有余而力不足。
而机床的数控化改造由于其投资少、周期短，改造后能满足企业生产的需要，并且能有效地利用机床的剩余价值，成为中小型企业的首选。
a.节省资金
机床的数控改造同购置新机床费相比，一般可节省40%～60%的费用，大型及特殊设备尤为明显。
一般机床改造只需花新机床购置费的1/3，即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用车间现有的基础。
b.性能稳定可靠
因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
c.提高生产效率
机床经数控改造后,即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3～7倍。
对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多。
且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。
2.数控改造的主要内容
对卧式车床进行改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动的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、切削次序和刀具都可以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，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。
3.车床数控改造的必要性与可行性
数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。
目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。
由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。
因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。
为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。
二、课题任务及要求
1.题目:
C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造设计
2．主要技术要求：
床身最大加工直径为400mm
最大加工长度1000mm
Z向脉冲当量z=0.01mm/脉冲；
Z方向最快移动速度νzmax=6000mm/min；
Z方向最快工作速度νzmaxf=800mm/min；
Z方向定位精度+-0.02mm；
可以车削柱面、平面、锥面与球面等；
安装螺纹编码器，可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；
安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；
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；
自动控制冷却泵的起/停；
安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；
纵、横向安装限位开关；
数控系统可与PC机串行通信；
显示界面采用LED数码管，。
三、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总成。
3．拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杆的螺母座与螺母座托架。
4．拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板上方安装四工位立式电动刀架。
5．拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杆副。
6．将横向进给步进电机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相联。
7．拆去三杠（丝杠、光杠与操纵杠），列换丝杠的右支承。
四、纵向进给系统的设计计算
纵向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。
1.脉冲当量的确定
根据设计任务的要求，Z方向（纵向）为z=0.01mm/脉冲。
2.切削力的计算
设工件为碳素结构钢，b=650MPa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：
主偏角r=60°,前角0=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vc=105m/min。
查表得：
Cfc=2795,xfc=1.0,yFc=0.75,nfc=-0.15.
查表得：
主偏角修正系数kr的修正系数kkrFc=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，算得主切削力Fc=5673.4N。
由经验公式Fc:
Ff:
Fp=1:
0.35:
0.4,算得纵向进给切削力Ff=935.69N，背向力Fp=1069.36。
3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型
工作载荷Fm的计算已知移动部件总重G=1300N；车削力Fc=2673.4N，Fp=1069.36N，根据Fz=Fc,Fy=Fp,Fx=Ff的对应关系，可得：
Fz=2673.4N,Fy=1069.36N,Fx=935.69N。
选用矩形——三角形组合滑动导轨，查表得，取K=1.15,=0.16，代入Fm=KFx+（Fx+G）,得工作载荷Fm≈1712N。
最大载荷FQ的计算设本机床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min,初选丝杆基本导程Ph=6mm，则此时丝杆转速n=1000v/Ph≈133r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杆寿命系数L0=119.7（单位为：
106r）。
查表知，取载荷系数fw=1.15，再取硬度系数，fH=1，求得最大动载荷为FQ=3L0fWfHFm≈9730N。
初选型号根据计算出的最大动载荷，查表知，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圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求。
传动效率的计算将公称直径d0=40mm，基本导程PH=6mm，代入=arctan[Ph/（πd0）]，得丝杆螺旋升角=2°44′。
将摩擦角=10′，代入=tan/tan（+）,得传动效率=94.2%。
刚度的验算
纵向滚珠丝杆的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。
丝杠加上两端固定后，左、右支承的中心距离约为a=1479mm；钢的弹性模量为E=2.1×105MPa；查表知，滚珠直径Dw=3.9688mm，算得丝杆底径d2=公称直径d0-滚珠直径Dw=36.0312mm，则丝杆载面积S=πd22/4=1019.64mm2。
算得丝杆在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1=Fma/（ES）≈0.01197mm
根据公式Z=（πd0/Dw）-3，求得单圈滚珠数目Z=29；该型号丝杠为双螺母,滚珠总圈数为3×2=6，则滚珠总数量为Z=29×6=174。
滚珠丝杆预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3≈571N,由相关公式计算，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2≈0.00117mm。
因为丝杆有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形是可减小一产，=取2=0.000585mm。
将以上计算出的1和2代入总=1+2，求得丝杆总变形量（对应跨度1497mm）总=0.012555mm=12.555m。
查表知，4级精度滚珠丝杆任意300mm轴向行程内的变动量允许16m，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量总只有12.555m，可见丝杆刚度足够。
压杆稳定性的校核根据相关公式计算失稳时的临界载荷Fk。
查表知，取支撑系数fk=2；由丝杠底径d2=36.0312mm，求得载面惯性矩I=πd24/64≈82734.15mm4；压杆稳定安全系数取K=3（丝杆卧式水平安装）：
滚动螺母轴向固定处的距离a取最大值1497mm。
代入相关公式，得临界载荷Fk≈51012N，远大于在工作载荷Fm（1712N），故丝杆不会失稳。
综上述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
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转动惯量尽可能的减小，传动链中常采用减速传动。
设计同步带减速箱需要的数据有：
带输送的功率P；主动轮转速n1和传动比i；传动系统位置和工作条件等。
根据改造经验，CA6140车床纵向步进电动机的最大静转矩约在15-25N·m之间选择。
今初选电动机型号为130BYG5501，五相混合式，最大静转矩为20N·m，十拍驱动时步距角为0.72°。
传动比i的确定已知电动机的步距角为=0.72°,脉冲当量z=0.01mm/脉冲，滚珠丝杆导程Ph=6mm。
据相关公式算得传动比为i=1.2。
主动轮最高转速n1由纵向床鞍的最快移动速度vzmax=6000mm/min，可以算出主动轮最高转速n1=（vzmax/z）×/360=1200r/min。
确定带的设计功率Pd预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为fmax=1200×360/（60×）=1200×360/（60×0.72）Hz=10000Hz。
查表得：
当脉动冲当量为10000Hz时，电动机的输出转矩为3.8N·m，对应的输出功率为Pout=nT/9.55=1200×3.8/9.55W≈478W，今取P=0.478Kw，查表取工作情况系数KA=1.2，则由相关计算公式，求得带的设计功率Pd=KaP=1.2×0.478Kw=0.574kw。
选择带型和节距Pb根据带的设计功率Pd=0.574kw和主动轮最高转速n1=1200r/min，根据相关数据选择同步带，型号为L型节距Pb=9.525mm。
确定小带轮齿数z1和小速轮节圆直径d1取z1=15，则小带轮节圆直径d1=Pbz1/π=45.48。
当n1达最高转速1200r/min时，同步带的速度为v=πd1n1/60×1000=2.86m/s，没有超过L型带的极限速度35m/s。
确定大带轮齿数z2和大带轮节圆直径d2大带轮齿数z2=iz1=18,节圆直径d2=id1=54.57mm。
初选中心距a0、带的节线长度l0p、带的齿数zb初选中心距a0=1.1（d1+d2）=110.46mm，圆整后取a0=110mm。
则带的节线长度为L0p≈2a0+π（d1+d2）+（d2-d1）2/4a0=377.33mm。
查表，选取接近的标准节线长度Lp=381mm,相应齿数zb=40。
计算实际中心距a实际中心距a≈a0+（Lp-Lop）/2=111.835mm。
校验带与小带轮的齿合齿数zmzm=ent[z1/2-pbz1×（z2-z1）/2π2a]=7，啮合齿数比6大，满足要求。
此处ent表示取整。
计算基准额定功率P0（所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率）：
P0=（Ta-mv2）v/1000
式中Ta——带宽为bs0时的许用工作拉力，查表知Ta=244.46N；
M——带宽为bs0时的单位长度的质量，查表得m=0.095kg/m；
V——同步带的带速，由
知，v=2.86m/s。
算得P0=0.697kW。
确定实际所需同步带宽度bs
bsbs0（Pd/KzP0）1/1.14
式中bso——选定型号的基准宽度，查表得bso=25.4mm；
Kz——小带轮子啮合齿数系数，查表得Kz=1。
由上式算得bs21.42mm，再查表选定最接近的带宽bs=25.4mm。
带的工作能力验算根据相关公式，计算同步带额定功率P的精确值：
P=（KzKwTa-bsmv2/bso）v×10-3
式中Kw为齿宽系数：
Kw=1。
经计算得P=0.697Kw,而Pd=0.574Kw,满足PPd。
因此带的工作能力合格。
5.步进电机的计算与选型
计算加在步进电机电动轴转轴上的总转动惯量Jeq已知：
滚珠丝杆的公称直径为d0=40mm，总长（带接杆）l=1560mm，导程Ph=6mm，材料密度=7.85×10-3kg/cm3；纵向移动总重量G=1300N；同步带减速箱大带轮宽度28mm，节径54.57mm，孔径30mm,轮毂外径42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，节径45.48mm,孔径19mm，轮毂处径29mm，宽度12mm，传动比i=1.2。
查表知，可以算得各个零部件的转动惯量得如下，具体的计算过程如下（具体的计算过程略）：
滚珠丝杆的转动惯量为Js=30.78kg/cm2；床鞍折算到丝杆上的转动惯量为Jw=1.21kg/cm2；小带轮的转动惯量为Jz1=0.95kg/cm2；大带轮的转动惯量为Jz2=1.99kg/cm2。
在设计减速箱时，初选的纵向步进电动的型号为130BYG5501，查表得知该型号电动机转子的转动惯量Jm=33kg/cm2。
则加在步进电动机的总惯量为：
Jeq=Jm+Jz1+（Jz2+Jw+Js）/i2=57.55kg/cm2
计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载和承受最大
工作负载两种情况进行计算。
快速空载起动时电动机转轴所需承受的负载转矩Teql由相关公式知，Teql包括三部分：
快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速度Tamax、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杆预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。
因为滚珠丝杆副传动效率很高，根据相关公式知，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。
则有：
Teql=Tamax+Tf
根据相关公式，考虑纵向传动链的总效率,计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：
Tamax=2πJeqnm/60ta
式中nm——对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；
ta——步进电机同静止到加速至nm转速所用的时间，单位为s。
其中：
Nm=Vmax/360°
式中：
vmax——纵向空载移动最快速度，任务书指定为6000mm/min；
——纵向步进电动机步距角，为0.72°；
——纵向脉冲当量，=0.01mm/脉冲。
将以上各值代入得，Nm=1200r/min。
设步进电动机由静止到加速至nm转速所需要的时间为ta=0.4s，纵向传动链总效率=0.7；则由相关公式可以得：
Tamax=2π×57.55×10-4×1200/60×0.4×0.7N·m≈2.58N·m。
由相关公式得，移动件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
Tf=（Fc+G）Ph/2πi
式中——导轨的摩擦因数，滑动导轨取0.16；
Fc——垂直方向的工作负载，空载时取0；
——纵向传动链总效率，取0.7。
则由相关公式得:
Tf=0.16×（0+1300）×0.006/2π×0.7×1.2N·m≈0.24N·m
最后可以得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：
Teq=Tamax+Tf=2.82N·m
最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2由相关公式得，Te2包括3部分：
折算到电动机转轴上最大工作负载转矩Tt、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。
T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。
则有：
Teq2=Tt+Tf
已知进给方向的最大工作载荷Ff=935.69N，则有：
Tt=FfPh/2πi=1.06N·m
计算在承受最大工作负载（Fc=2673.4）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
Tf=（Fc+G）Ph/2πi=0.72N·m
最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的的负载转矩：
Teq2=Tt+Tf
经过上述计算后，得到加在步进电动机上转轴上的最大等效负载转矩：
Teq=max{Teq1+Teq2}=2.82N·m
步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。
因此，根据Teq来选择最大静转矩时，需要考虑安全系数。
取安系数K=4，则步进电机的最大静转矩应满足：
Tjmax≥4Teq=11.28N·m
对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，其最大静转矩Tjmax=20N·m，可以满足要求。
步进电动机的性能较核
最快工作速度时电动机输出转矩校核任务书给出纵向最快工进速度vmaxf=800mm/min，脉冲当量=0.01mm/脉冲，由相关公式得求出电动机对应的运行频率fmaxf=800/（60×0.01）Hz=1333Hz。
从130BYG5501的运行频率图可知，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf≈17N·m远远大于最大工作负载转矩Teq2=1.78N·m,满足要求。
最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给出最快空载移动速度Vmax=6000r/min,求出电动机对应的运行频率fmax=6000×（60×0.01）Hz=10000Hz,在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=3.8N·m，大于空载起动时的负载转矩Teq1=2.82N·m,满足要求。
最快空载移动时电动机运行频率较核最快空载移动速度Vmax=6000r/min,对应电动机运行频率fmax=10000Hz。
查表知130BYG5501型步进电动机的极限运行频率为20000Hz,所以，没有超出上限。
起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jep=57.55kg.cm2,电动机转子自身的转动惯量Jm=33kg.cm2，查表知，电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率为fq=1800Hz,可以算出步进电动机克服惯性负载的起动频率为:
fL=1087Hz
上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都不得小于1087Hz。
实际上在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。
综上所述，纵向进给系统，选用130BYG5501步进电机，可以满足设计要求。
6.同步带传递功率的校核
分两种工作情况，分别进行较核。
快速空载起动电动机从静止到加速至nm=1200r/min，由相关公式得知，同步带传递的负载转矩Teq1=2.82N·m，传递的功率为P=nmTeq1/9.55=1200×2.82/9.55W≈354.3W。
最大工作负载、最快工作速度由相关公式可知，同步带传递的负载转矩Teq2=1.78N·m任务书给出最快工作速度vmaxf=800mm/min,对应电动机转速nmaxf=（vmaxf/z）/360=160r/min。
传递的功率为P=nmaxfTeq2/9.55=160×1.78/9.55W≈29.8W。
可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率0.697Kw。
因此，选择的同步带功率合格。
五、绘制进给系统的装配图
在完成滚珠丝杆螺母副、减速箱和步进电动机的计算和选型后，就要绘制进给传动系统机构的装配图了。
在绘制装配图时，应注意以下问题。
1.了解床身结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等结构尺寸。
2.根据载荷特点和支承形式，确定丝杆两端轴承型号、支承座的结构，以及轴承的预紧和调查节方式。
3.考虑各部件之间的定位、联结和调整方法。
4.考虑密封、防护、润滑及安全机构等问题。
5.在进行各零部件的设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。
6.注意绘制图纸的一些基本要求。
附：
纵向进给传动机构图
六、控制系统的硬件电路设计
根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：
1.接收键盘数据，控制LED显示；
2.接受操作面板的开关与按钮信号；
3.接收车床限位开关信号；
4.接收螺纹编码器信号；
5.接收电动卡盘夹紧信号和电动刀架刀位信号；
6.控制X、Z向步进电动机的驱动器；
7.控制主轴的正转、反转与停止；
8.控制多速电机，实现主轴有级变速；
9.控制交流变频器，实现主轴无级变速；
10.控制切削液泵起动/停止；
11.控制电动卡盘的夹紧与松开；
12.近制电动刀架的自动选刀；
13.与PC机的串行通信。
附：
控制系统原理图
下图为控制系统的原理框图。
CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52；由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助与DAC0832；与PC机的串行通信经过MAY233芯片。
如下图所示：
七、步进电机驱动电源选用
选用合肥科林数近科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进电机驱动器，型号为BD5A。
1.存储器与I/O芯片地址分配
根据地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以算出主机板中存储器与I/O芯片的地址分配，如表1-1所示。
表1-1主机板中存储器与I/O芯片的地址分配
器件名称
地址选择线（A15-A0）
片内地址单元数
地址编码
6264
000
8k
0000H—1FFFH
8255
0011，1111，1111，
4
3FFCH—3FFFH
8279
0101,1111,1111,111
2
5FFEH—5FFFH
DAC0832
0111,1111,1111,1111
1
7FFFH
八、总结
课程设计临近尾声，通过这次课程设计，我们对机械传动系统的的设计步骤和具体方法都有了一定的了解，对控制系统的控制电路也更熟悉了，相信通过这些学习我们能够更快的进入设计工作。
通过这次设计实践，我对设计有了更全面、更深入地了解与认识。
本次课程设计填补了以往课堂上，我们只是很公式化的解题，对于实际的工程设计计算没有具体的
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