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C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 1 機(jī)電一體化 課程設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 設(shè)計(jì)題目 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 班級(jí) 班 設(shè)計(jì)者 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 2 目錄 1設(shè)計(jì)任務(wù) 2 2設(shè)計(jì)要求 3 2 1 總體方案設(shè)計(jì)要求 3 2 2 設(shè)計(jì)參數(shù) 4 2 3 其它要求 5 3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 6 3 1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 6 3 2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型 6 3 2 1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 6 3 2 2 縱向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核 6 3 2 3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核 10 4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 13 4 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則 14 4 1 1 步距角 14 4 1 2 精度 14 4 1 3 轉(zhuǎn)矩 14 4 1 4 啟動(dòng)頻率 14 4 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 14 4 2 1 C6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 14 4 2 2 C6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 15 5 電動(dòng)刀架的選擇 15 6 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 16 6 1 控制系統(tǒng)的功能要求 16 6 2 硬件電路的組成 16 6 3 電路原理圖 16 6 4 主軸正反轉(zhuǎn)與冷卻泵啟動(dòng)梯形圖 18 7 總結(jié) 18 8 參考 文獻(xiàn) 19 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 3 1設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)任務(wù) 將一臺(tái) C6140 臥式車(chē)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床 主要技術(shù)指標(biāo)如下 1 床身最大加工直徑 460mm 2 最大加工長(zhǎng)度 1150mm 3 X 方向 橫向 的脈沖當(dāng)量 mm 脈沖 Z 方向 縱向 脈沖 當(dāng)量 mm 脈沖 4 X 方向最快移動(dòng)速度 vxmax 3100mm min Z 方向?yàn)?vzmax 6000mm min 5 X 方向最快工進(jìn)速度 vxmaxf 370mm min Z 方向?yàn)?vzmaxf 730mm min 6 X 方向定位精度 0 01mm Z 方向 0 02mm 7 可以車(chē)削柱面 平面 錐面與球面等 8 安裝螺紋編碼器 最大導(dǎo)程為 25mm 9 自動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)與停止 并可以輸注主軸有級(jí)變速與無(wú)極變 速信號(hào) 10 自動(dòng)控制冷卻泵的起 停 11 縱 橫向安裝限位開(kāi)關(guān) 12 數(shù)控系統(tǒng)可與 PC 機(jī)串行通訊 13 顯示界面采用 LED 數(shù)碼管 編程采用相應(yīng)數(shù)控代碼 2設(shè)計(jì)要求 2 1 總體方案設(shè)計(jì)要求 C6140 型普通車(chē)床是一種加工效率高 操作性能好 并且社會(huì)擁有量較大 的普通型車(chē)床 經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明 將其改造為數(shù)控機(jī)床 無(wú)論是經(jīng)濟(jì)上還是 技術(shù)都是確實(shí)可行了 一般說(shuō)來(lái) 如果原有車(chē)床的工作性能良好 精度尚未降 低 改造后的數(shù)控車(chē)床 同時(shí)具有數(shù)控控制和原機(jī)床操作的性能 而且在加工 精度 加工效率上都有新的突破 總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類(lèi)型 計(jì)算機(jī)的選擇 以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等 1 普通車(chē)床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位 縱向和橫向的直線插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ) 功能 還要求能暫停 進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等 因此數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制 系統(tǒng) 2 車(chē)床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 在保證一定加工精度的前提下 應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 降低成本 因此 進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 3 根據(jù)普通車(chē)床最大的加工尺寸 加工精度 控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用 8 位微機(jī) 在 8 位微機(jī)中 MCS 51 系列單片機(jī)具有 01 x 02 z C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 4 集成度高 可靠性好 功能強(qiáng) 速度快 抗干擾能力強(qiáng) 具有很高的性價(jià)比 因此 可選 MCS 51 系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng) 4 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外 還包括擴(kuò)展程序存 儲(chǔ)器 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 I O 接口電路 包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤(pán) 能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器 包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路 此外 系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路 5 設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路 6 縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈 它們由步進(jìn)電機(jī) 齒輪副 絲杠 螺母副組成 其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率 7 為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性 選用摩擦小 傳動(dòng)效率高 的滾珠絲杠螺母副 并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu) 以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙 齒輪副也 應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu) 8 采用貼塑導(dǎo)軌 以減小導(dǎo)軌的摩擦力 2 2 設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)參數(shù)包括車(chē)床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù) 由 機(jī)械加工工藝手冊(cè) 表 8 1 1 可列出 C6140 臥式車(chē)床的技術(shù)數(shù)據(jù)如下 名稱 技術(shù)參數(shù) 在床身上 400mm 工件最大直徑 在刀架上 210mm 頂尖間最大距離 650 900 1400 1900mm 宋制螺紋 mm 1 192 加工螺紋范圍 英制螺紋 t m 2 24 模數(shù)螺紋 mm 0 25 48 徑節(jié)螺紋 t m 1 96 最大通過(guò)直徑 48mm 孔錐度 莫氏 6 號(hào) 主軸 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 24 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 10 1400r min 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 12 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 5 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 14 1580r min 縱向級(jí)數(shù) 64 進(jìn)給量 縱向范圍 0 08 1 59mm r 橫向級(jí)數(shù) 64 橫向范圍 0 04 0 79mm r 滑板行程 橫向 320mm 縱向 650 900 1400 1900mm 最大行程 140mm 刀架 最大回轉(zhuǎn)角 90 刀杠支承面至中心的距離 26mm 刀杠截面 B H 25 25mm 頂尖套莫氏錐度 5 號(hào) 尾座 橫向最大移動(dòng)量 10mm 外形尺寸 長(zhǎng) 寬 高 2418 1000 1267mm 圓度 0 01mm 工作精度 圓柱度 200 0 02 平面度 0 02 300mm 表面粗糙度 Ra 1 6 3 2 m 主電動(dòng)機(jī) 7 5kw 電動(dòng)機(jī)功率 總功率 7 84kw 改造設(shè)計(jì)參數(shù)如下 最大加工直徑 在床面上 460mm 在床鞍上 210mm 最大加工長(zhǎng)度 1150mm 快進(jìn)速度 縱向 6000mm min 橫向 3100mm min 最大切削進(jìn)給速度 縱向 730mm min C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 6 橫向 370mm min 溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N 脈沖當(dāng)量 縱向 0 02mm 脈沖 橫向 0 01mm 脈沖 定位精度 縱向 0 02mm 橫向 0 01mm 2 3 其它要求 1 原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變 盡量減少改動(dòng)量 以降低成本 縮短改造周期 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性 考慮正確的裝配順序 保證 安裝 調(diào)試 拆卸方便 需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便 3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 3 1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部分有掛輪架 進(jìn)給箱 溜板箱 溜板 刀架等 改造的方案如下 掛輪架系統(tǒng) 全部拆除 在原掛輪主動(dòng)軸處安裝光電脈沖發(fā)生器 進(jìn)給箱部分 全部拆除 在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成 絲 杠 光杠和操作杠拆去 齒輪箱連接滾珠絲杠 滾珠絲杠的另一端支承座安裝 在車(chē)床尾座端原來(lái)裝軸承座的部分 溜板箱部分 全部拆除 在原來(lái)安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作 按鈕 橫溜板箱部分 將原橫溜板的絲杠的螺母拆除 改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連 刀架 拆除原刀架 改裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)四方刀架總成 3 2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括 確定脈沖當(dāng)量 計(jì)算切削 力 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì) 計(jì)算與選型 齒輪傳動(dòng)計(jì)算 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 7 等 3 2 1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 縱向 0 02mm 脈沖 由設(shè)計(jì)要求可知 脈沖當(dāng)量 橫向 0 01mm 脈沖 3 2 2 縱向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核 1 切削力的計(jì)算 由 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 得 Nc Nd k 其中 Nc 為傳動(dòng)件的額定功率 Nd 主電機(jī)的額定功率 Nd 7 5 kw 主傳動(dòng)系統(tǒng)總功率 一般為 0 6 0 7 取 0 65 k 進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù) 取 k 0 95 則 Nc 7 5 0 65 0 95 4 63kw 又因?yàn)?Nc 9 8 3106 VsFz6120VsFz 式中 Vs 切削速度 取 Vs 100m min 主切削力 Fz 283 356 kgf 2833 56N10 4 由 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū) 可知主切削力 Fz CFzapxFz fyFz KFz 對(duì)于一般切削情況 xfz 1 yFz 0 75 KFz 1 CFz 188kg 2 1880Mpa F2 的計(jì)算結(jié)果如下 為便于計(jì)算 所以取 Fz 2833 56N 以切削深度 ap 4 走刀量 f 0 3 為以 下計(jì)算以此為依據(jù) 由 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 得 在一般外圓車(chē)削時(shí) Fx 0 1 0 6 FZ Fy 0 15 0 7 Fz ap 3 3 3 4 4 4 f 0 2 0 3 0 4 0 2 0 3 0 4 Fz N 1614 98 2188 94 2716 06 2153 3 2918 59 3621 41 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 8 取 Fx 0 5 Fz Fy 0 6Fz Fx 0 5 2833 56 1416 78 N Fy 0 6 2833 56 1700 14 N 2 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 由 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床總設(shè)計(jì) 綜合車(chē)床導(dǎo)軌絲杠的軸向力得 P KFx f Fz W 其中 K 1 15 f 0 15 0 18 取 f 0 16 P 1 15 1416 78 0 16 2833 56 800 2210 67 N 強(qiáng)度計(jì)算 1 壽命值 Li 60nTi ni 0Dvf 由 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 得 Ti 15000h 12mm D 80 0L ni 10 r min 14 3280 Li 965 最大動(dòng)負(fù) Q PfwfH 3Li 其中 運(yùn)載系數(shù) fw 1 2 硬度系數(shù) Fh 1 Q 1 2 2210 67 1 5518 05 N 39 根據(jù)最大動(dòng)力負(fù)載荷 Q 的值 查表選擇滾珠絲杠的型號(hào)為 FFZ5012 4 查表得 數(shù)控車(chē)床的縱向精度為 E 級(jí) 即型號(hào)為 FFZ5012 4 E 1800 640 其額定載 荷是 44400N 效率計(jì)算 2 根據(jù) 機(jī)械原理 得 絲杠螺母副傳動(dòng)效率為 rtg 由 機(jī)械原理 得 一般為 8 12 取 10 即 摩擦角 10 螺旋升角 中徑處 r 3 O25 則 0 953 01523 tg 剛度驗(yàn)算 3 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程變化量 L1 EFLo 其中 L O 12 1 2 E 20 6 106N 2 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 9 滾珠絲杠橫截面積 F 2 3 14 18 09 2 d 為滾珠絲杠外徑 2d48 則 L1 7 12 10 6 7 12um09 16 07 查 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) E 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差 1800 螺絲長(zhǎng)度 為 15um m 因此 絲杠的剛度符合要求 即剛度足夠 穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于原機(jī)床杠徑為 30 現(xiàn)選用的滾珠絲杠為 50 支承方式不變 所以 穩(wěn)定性不成問(wèn)題 無(wú)需驗(yàn)算 3 齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算 1 有關(guān)齒輪的計(jì)算 傳動(dòng)比 i zOL 60 其中 表示步驅(qū)角 表示脈沖當(dāng)量z i 1 2502 36175 取齒數(shù) Z1 32 Z2 40 模數(shù) m 2mm 嚙合角為 200 齒輪齒寬 b 20 d1 mz1 2 32 64mm d2 mz2 2 40 80mm da1 2 32 2 68mm da2 2 40 2 84mm a 722 8064 2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的選擇 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1 2W 2 80 1 859kg 2 18 69N cm2 z 8075 01438 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js 7 8 10 4D4L 7 8 4 54 180 87 75kg 2 877 5N cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JZ1 7 8 10 4 6 4 4 2 2 617kg 2 26 17N cm2 JZ2 7 8 10 4 84 2 6 39kg 2 63 9N cm2 由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小 一般可忽略不記 所以總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J 總 Js JZ2 JZ1 J121i 87 75 6 39 2 617 1 869 64 7356kg 2 647 356N 2 25 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 10 3 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M Mamax Mf M O 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M Mat Mf M O Mt 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M Mf M O 式中 Mamax 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 Mf 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 MO 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 Mat 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 Mt 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 Ma 10 4 N m 其中 T 0 025 TJn 6 9 當(dāng) n nmax時(shí) Mamax Ma nmax 76 0 r min loiVmax125 730 Mamax 10 4 2 05N m 20 5kgf cm 694 nt 12 44r minlo fiD 11280 35 Mat 10 4 0 3355N cm 3 355kgf cm6 9742 Mf iFL iWf 當(dāng) 0 8 f 0 16 時(shí) Mf 2 446kgf cm 24 46N cm25 1804 326 MO 1 o2 iPL 當(dāng) 0 9 時(shí) 預(yù)加荷 PO Fx3 MO 1 715kgf cm 17 15N cm 2 1 32 FxLo25 1804 9 671 Mt 9 024kgf cm 90 24N cmi x 1 34 所以 快速空載啟動(dòng)所需力矩 M 快空 Mamax Mf M O 20 5 2 446 1 715 24 661kgf cm 246 61N cm 切削時(shí)所需力矩 M 切 Mat Mf M O Mt 3 355 2 446 9 024 1 715 16 54kgf cm 165 4N cm C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 11 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M 快速 Mf M O 2 446 1 715 4 161kgf cm 41 61N cm 由以上計(jì)算可得 所需最大力矩 Mamax 發(fā)生快速啟動(dòng)時(shí) Mamax M 快空 246 61N cm 3 2 3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核 1 切削力的計(jì)算 橫向進(jìn)給量約為縱向的 取橫向切削力約為縱向切削力的21321 Fz F 縱 z 2833 56 1416 78N2 在切斷工件時(shí) Fy 0 6 F 縱 z 0 6 1416 78 850 068N 2 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 強(qiáng)度計(jì)算 1 對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌 P KFy f Fz W 其中 K 1 4 f 0 2 P 1 4 850 068 0 2 1416 78 300 1533 45N n 12r min14 308 壽命值 Li 10 86nTi6052 最大動(dòng)負(fù)載 Q Pfwfh3Li 其中 fw 1 2 fh 1 Q 1 2 1 1533 45 4067 48N38 10 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載荷的值 可選擇滾珠絲杠的型號(hào) 其公稱直徑為 40 型號(hào)為 FFB4010 2 E 額定動(dòng)負(fù)載荷為 21100W 所以強(qiáng)度夠用 效率計(jì)算 2 根據(jù) 機(jī)械原理 得 絲杠螺母副傳動(dòng)效率為 rtg 由 機(jī)械原理 得 一般為 8 12 取 10 即 摩擦角 10 螺旋升角 中徑處 r 3 O38 則 0 956 0138 tg 剛度驗(yàn)算 3 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程變化量 L1 EFpL O F 610 245 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 12 F 2 2 3 14 12 25 其中 d 為滾珠絲杠的外徑 d 5 392cm L1 6 08 10 6 6 08um 106 4 因?yàn)闈L珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 L2 很小可忽略不計(jì) 即 L L1 即導(dǎo)程變化總誤差為 L 6 08 10 6 6 08um mLo0 查表知 E 級(jí)精度絲杠允許的螺矩誤差為 15um n 所以剛度足夠 穩(wěn)定性驗(yàn)算 4 由于原機(jī)床杠徑為 30 現(xiàn)選用的滾珠絲杠為 40 支承方式不變 所 以 穩(wěn)定性不成問(wèn)題 無(wú)需驗(yàn)算 3 齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算 1 有關(guān)齒輪的計(jì)算 傳動(dòng)比 i xOL 60 其中 表示步驅(qū)角 表示脈沖當(dāng)量x i 2 101 3675 取齒數(shù) Z1 30 Z2 63 模數(shù) m 2mm 嚙合角為 200 齒輪齒寬 b 20 d1 mz1 2 30 60mm d2 mz2 2 63 126mm da1 2 30 2 64mm da2 2 65 2 130mm a 932 64 2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的選擇 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1 2W 2 30 0 1753kg 2 1 753N cm2 x 8075 01438 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js 7 8 10 4D4L 7 8 4 44 64 12 78kg 2 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JZ1 7 8 10 4 64 2 2 02kg 2 JZ2 7 8 10 4 12 6 4 2 39 32kg 2 由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小 一般可忽略不記 所以總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J 總 Js JZ2 JZ1 J121i C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 13 12 78 39 32 2 02 0 1753 14 01kg 2 21 3 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M Mamax Mf M O 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M Mat Mf M O Mt 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M Mf M O 式中 Mamax 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 Mf 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 MO 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 Mat 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 Mt 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 Ma 10 4 N m 其中 T 0 025 TJn 6 9 當(dāng) n nmax時(shí) Mamax Ma nmax 77 7 r min loiVmax10 237 Mamax 10 4 0 4536N m 4 536kgf cm5 694 nt 25 08r minlo fiD 10108 3 2 Mat 10 4 0 1464N m 1 464kgf cm56 942 Mf iFL iWf 當(dāng) 0 8 f 0 2 時(shí) Mf 0 5687kgf cm 0 05687N m1 2804 32 MO 1 o2 iPL 6 當(dāng) 0 9 時(shí) 預(yù)加荷 PO Fy3 MO 0 17kgf cm 0 017N m 2 1 32 FyLo1 2804 9 65 Mt 2 686kgf cm 0 269N mi y 1 308 所以 快速空載啟動(dòng)所需力矩 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 14 M 快空 Mamax Mf M O 0 4536 0 05687 0 017 0 52747N m 5 2747kgf cm 切削時(shí)所需力矩 M 切 Mat Mf M O Mt 0 1464 0 05687 0 017 0 269 0 48927N m 4 8927kgf cm 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M 快速 Mf M O 0 05687 0 017 0 07387N m 0 7387kgf cm 由以上計(jì)算可得 所需最大力矩 Mamax 發(fā)生快速啟動(dòng)時(shí) Mamax M 快空 0 52747N m 4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 4 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則 合理選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題 需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的 實(shí)際工作情況 經(jīng)過(guò)分析后才能正確選擇 現(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則 介紹如下 4 1 1 步距角 步距角應(yīng)滿足 iamn 式中 i 傳動(dòng)比 min 系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件要求的最小轉(zhuǎn)角 4 1 2 精度 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量 累積誤差是指轉(zhuǎn)子從 任意位置開(kāi)始 經(jīng)過(guò)任意步后 轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值 用 累積誤差衡量精度比較實(shí)用 所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足 m i s 式中 m 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的累積誤差 s 系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差 4 1 3 轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn) 不失步 不越步 正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的 要求 必須考慮以下條件 啟動(dòng)力矩 一般啟動(dòng)力矩選取為 Mq 5 0 3lM 式中 Mq 電機(jī)啟動(dòng)力矩 ML0 電機(jī)靜負(fù)載力矩 在要求在運(yùn)行頻率范圍內(nèi) 電機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 包含負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 引起的慣性矩之和 4 1 4 啟動(dòng)頻率 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 15 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低 因此 相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足 ft fop m 式中 ft 極限啟動(dòng)頻率 fop m 要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高啟動(dòng)頻率 4 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 4 2 1 C6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 Mq 616 525 N cm4 0l 612 為滿足最小步距要求 電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式 查表知 M q Mjm 0 866 所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm 為 M jm 711 92N cm 7 12 N 86 0q 521 m 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率 f max 608 3HZzV 60max2 73 綜合考慮 查表選用 90BF002 型直流電動(dòng)機(jī) 能滿足使用要求 4 2 2 C6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 Mq 1 3187 N m4 0l 527 為滿足最小步距要求 電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式 查表知 M q Mjm 0 866 所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm 為 M jm 1 5227N m86 0q 317 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率 f max 616 7HZxV 6ma 綜合考慮 查表選用 90BF002 型直流電動(dòng)機(jī) 能滿足使用要求 5 電動(dòng)刀架的選擇 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床數(shù)控化改造的關(guān)鍵 它要求刀架要具有抬 起 回轉(zhuǎn) 下降 定位和壓緊這一系功能 盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 各方面要求高 但它保持了原本床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下 提供選用的多把刀的可能性 電動(dòng)刀架的安裝較方便 只要將原車(chē)床上的刀架拆下將電動(dòng)刀架裝即可 但要注意兩點(diǎn) 1 電動(dòng)刀臺(tái)的兩側(cè)面應(yīng)與車(chē)床的橫向進(jìn)給方向平行 2 電動(dòng)刀臺(tái)與系統(tǒng)的連線建議如下安裝 沿橫向工作臺(tái)右側(cè)面先走線到車(chē)床 后面 再沿車(chē)床后導(dǎo)軌下方拉出的鐵絲滑線 走線到系統(tǒng) 其好處在于 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 16 避免走線雜亂無(wú)章 而使得加工時(shí)切屑 冷卻液以及其它雜物磕碰電動(dòng)刀 架系統(tǒng) 綜合各方面因素 選用常州武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4 I 型系列四工 位自動(dòng)刀架 機(jī)床型號(hào) C6140 刀位數(shù) 4 電機(jī)功率 W 7500 電機(jī)轉(zhuǎn)速 1400r min 夾緊力 1 切體尺寸 152 152 下刀體尺 161 171 LD4 I 型刀架技術(shù)指標(biāo) 配車(chē)床型號(hào) C6140 重復(fù)定位精度 0 005mm 工作可靠性 30000 次 換刀時(shí)間 90 2 9 秒 180 3 4 秒 270 3 9 秒 6 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 6 1 控制系統(tǒng)的功能要求 1 接收操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信號(hào) 2 接收車(chē)床限位開(kāi)關(guān)信號(hào) 3 接收螺紋編碼器信號(hào) 電動(dòng)卡盤(pán)加緊信號(hào) 電動(dòng)刀架刀位信號(hào) 4 控制 X 90BF002 Z 90BF002 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器 5 控制主軸的正反轉(zhuǎn)與停止信號(hào) 6 控制切削液泵起動(dòng)和停止 7 控制電動(dòng)卡盤(pán)的加緊與松開(kāi) 8 與 PC 的串行通信 可選 6 2 硬件電路的組成 后面所畫(huà)大圖采用系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 電路的組 成如下 1 光電編碼器 2 三菱編程器 FX2N 64MR 001 主機(jī) 32 入 32 出繼電器輸出 3 X 軸 Y 軸與刀架臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 CH250 4 X 軸 Y 軸與刀架臺(tái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 90BF002 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 17 5 CE2109 串口光電隔離器 6 主軸電機(jī) 7 液壓泵電機(jī) 8 數(shù)控面板 9 LED 顯示器 6 3 電路原理圖 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 18 沖沖 沖沖 刀 架 臺(tái) 電機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 軸 轉(zhuǎn) 向軸 脈 沖軸 轉(zhuǎn) 向軸 脈 沖 軸 驅(qū) 動(dòng) 器軸 驅(qū) 動(dòng) 器 主 軸正 轉(zhuǎn) 反 轉(zhuǎn) 冷 卻 泵 沖 光 電 編 碼 器 卡 盤(pán) 夾 緊卡 盤(pán) 松 開(kāi)主 軸 正 轉(zhuǎn)主 軸 反 轉(zhuǎn) 冷 卻 泵 照 明 燈 風(fēng) 扇 電 機(jī) 軸 正 限 位軸 負(fù) 限 位軸 正 限 位 軸 負(fù) 限 位卡 盤(pán) 夾 緊卡 盤(pán) 松 開(kāi)1號(hào) 刀 具2號(hào) 刀 具3號(hào) 刀 具4號(hào) 刀 具 軸 脈 沖 軸 脈 沖軸 轉(zhuǎn) 向 軸 轉(zhuǎn) 向電 磁 離 合 器 確 定 點(diǎn) 負(fù) 清 除 速 度 對(duì) 刀回 原 點(diǎn) 換 刀錄 制 保 存檢 索 圓 弧螺 紋直 線錐 面自 動(dòng) 手 動(dòng) 點(diǎn) 動(dòng) 步 進(jìn) FX2N 64MR 01 軸 軸 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 19 7 總結(jié) 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié) 要求學(xué)生綜合運(yùn)用所 學(xué)過(guò)的機(jī)械 電子 計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等方面的知識(shí) 獨(dú)立進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合 的設(shè)計(jì)訓(xùn)練 本次設(shè)計(jì) 讓我們對(duì)三年的知識(shí)有了總體的綜合運(yùn)用 提高了我們綜合能 力和靈活運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論的能力 各科之間的聯(lián)系有了清晰的認(rèn)識(shí) 在做 設(shè)計(jì)的過(guò)程中 不但復(fù)習(xí)了所學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn) 還學(xué)到了新的知識(shí) 同時(shí)將所學(xué) 到的知識(shí)充分的運(yùn)用起來(lái) 做到了學(xué)以致用 還學(xué)會(huì)了查資料 除此之外 我 還懂得了團(tuán)結(jié)合作的重要性 知道了集體的力量 當(dāng)然 在此過(guò)程中也有許多不足之處 例如 知識(shí)的不全面 所學(xué)的還沒(méi) 有全部掌握 思維的狹隘等 讓我在畢業(yè)前上了生動(dòng)形象的一課 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì) 讓我們知道自己還有很多的不足 只有通過(guò)不斷的學(xué) 習(xí) 改進(jìn) 更好的提高自己的綜合能力才能在社會(huì)上立足 同時(shí)我也堅(jiān)信只要 努力 堅(jiān)持 我們就能走好人生的每一步 8 參考文獻(xiàn) 1 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì) 范超毅 趙天嬋 吳斌方主編 華中科技大學(xué)出版社 2007 年 5 月 2 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本 機(jī)械傳動(dòng) 成大先主編 化工工業(yè)出版社 2004 年 1 月 3 機(jī)械原理 第七版 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室主編 高等教育出版社 2006 年 5 月 4 機(jī)械設(shè)計(jì) 第八版 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室主編 高等教育出版社 2006 年 5 月 C6140 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 20 5 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 趙松年 張奇鵬主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1996 年 6 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 編委會(huì)主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1979 年 7 機(jī)床電氣自動(dòng)控制 陳遠(yuǎn)齡主編 重唐大學(xué)出版社 2007 年 7 月 8 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 劉武發(fā) 劉德平主編 化工工業(yè)出版社 2007 年 5 月 9 計(jì)算機(jī)工程制圖 陳錦昌 劉就女 劉林編著 華南理工大學(xué)出版社 2001 年 8 月 10 機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) 李益民 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 1994 年