机电一体化课程设计说明书设计题目：C6140卧式车床数控化改造设计班级：班设计者：学号：指导教师：目录1设计任务 (2)2设计要求 (3)2.1总体方案设计要求 (3)2.2设计参数 (4)2.3.其它要求 (5)3进给伺服系统机械部分设计与计算 (6)3.1进给系统机械结构改造设计 (6)3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型 (6)3.2.1确定系统的脉冲当量 (6)3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (6)3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (10)4步进电动机的计算与选型 (14)4.1步进电动机选用的基本原则 (14)4.1.1步距角α (14)4.1.2精度 (14)4.1.3转矩 (14)4.1.4启动频率 (14)4.2步进电动机的选择 (15)4.2.1 C6140纵向进给系统步进电机的确定 (15)4.2.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 (15)5电动刀架的选择 (15)6控制系统硬件电路设计 (16)6.1控制系统的功能要求 (16)6.2硬件电路的组成： (16)6.3电路原理图 (17)6.4主轴正反转与冷却泵启动梯形图.......................................... 错误！未定义书签。

7总结 .. (19)8参考文献 (19)1设计任务设计任务:将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床。

主要技术指标如下：1) 床身最大加工直径460mm 2) 最大加工长度1150mm3) X 方向（横向）的脉冲当量 mm/脉冲，Z 方向（纵向）脉冲当量 mm/脉冲4) X 方向最快移动速度v xmax =3100mm/min ，Z 方向为v zmax =6000mm/min 5) X 方向最快工进速度v xmaxf =370mm/min ，Z 方向为v zmaxf =730mm/min 6) X 方向定位精度±0.01mm ，Z 方向±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，最大导程为25mm9) 自动控制主轴的正转、反转与停止，并可以输注主轴有级变速与无极变速信号10) 自动控制冷却泵的起/停 11) 纵、横向安装限位开关12) 数控系统可与PC 机串行通讯13) 显示界面采用LED 数码管，编程采用相应数控代码2设计要求2.1总体方案设计要求C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。

经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。

一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。

总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及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定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此数控系统选连续控制系统。

（2）车床数控化改装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，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。

（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。

在8位微机中，MCS —51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS —51系列单片机扩展系统。

（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。

（5）设计自动回转刀架及其控制电路。

（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺01.0=x δ02.0=z δ母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。

（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。

（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

2.2设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。

由《机械加工工艺手册》表8.1-1可列出C6140卧式车床的技术数据如下：名称技术参数在床身上400mm工件最大直径在刀架上210mm顶尖间最大距离650;900;1400;1900mm宋制螺纹mm 1---192加工螺纹范围英制螺纹t/m 2---24模数螺纹mm 0.25---48径节螺纹t/m 1---96最大通过直径48mm孔锥度莫氏6号主轴正转转速级数24正转转速范围10—1400r/min反转转速级数12反转转速范围14---1580r/min纵向级数64进给量纵向范围0.08---1.59mm/r横向级数64横向范围0.04---0.79mm/r滑板行程横向320mm纵向650;900;1400;1900mm最大行程140mm刀架最大回转角±90°刀杠支承面至中心的距离26mm刀杠截面B×H 25×25mm顶尖套莫氏锥度5号尾座横向最大移动量±10mm外形尺寸长×宽×高2418×1000×1267mm 圆度0.01mm 工作精度圆柱度200:0.02平面度0.02/φ300mm表面粗糙度Ra 1.6---3.2μm主电动机7.5kw电动机功率总功率7.84kw改造设计参数如下:最大加工直径在床面上460mm在床鞍上210mm 最大加工长度1150mm快进速度纵向6000mm/min横向3100mm/min最大切削进给速度纵向730mm/min横向370mm/min溜板及刀架重力纵向800N横向600N 脉冲当量纵向0.02mm/脉冲横向0.01mm/脉冲定位精度纵向±0.02mm横向±0.01mm2.3.其它要求（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。

（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。

3进给伺服系统机械部分设计与计算3.1进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等。

改造的方案如下：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。

进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成。

丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。

溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。

横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。

刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。

3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。

3.2.1确定系统的脉冲当量纵向：0.02mm/脉冲由设计要求可知：脉冲当量横向：0.01mm/脉冲3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核（1）切削力的计算由《机床设计手册》得 Nc=N dηk其中 Nc—为传动件的额定功率N d—主电机的额定功率， N d=7.5 kwη—主传动系统总功率，一般为0.6~0.7，取η=0.65k—进给系统功率系数，取k=0.95则：Nc=7.5×0.65×0.95＝4.63kw又因为：Nc=31060⨯⨯VsFz ×9.8 ≈6120Vs Fz ⨯式中Vs ——切削速度，取Vs=100m/min 主切削力Fz=100612063.4⨯ =283.356（kgf ）=2833.56N由《机电一体化系统设计课程设计指导书》可知主切削力Fz=C Fz a p xFz×f yFz×K Fz 对于一般切削情况：xfz=1，y Fz =0.75 ，K F z=1，C F z=188kg/㎜2=1880Mpa F2的计算结果如下：为便于计算,所以取Fz=2833.56N,以切削深度ap=4㎜，走刀量f=0.3㎜，为以下计算以此为依据。

由《机床设计手册》得，在一般外圆车削时，Fx ≈（0.1～0.6）FZ Fy ≈(0.15～0.7)Fz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）滚珠丝杠的设计计算 由《经济型数控机床总设计》，综合车床导轨丝杠的轴向力得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) ○1强度计算 寿命值L i =61060niTiap(㎜)333444f(㎜) 0.20.30.40.20.30.4Fz(N )1614.982188.942716.062153.32918.593621.41ni=1000L D vfπ 由《机床设计手册》得T i =15000h, 0L =12mm ， D=80㎜ni=14.312803.01001000⨯⨯⨯⨯≈10(r/min)Li=610150001060⨯⨯=9最大动负 Q=3Li Pf w f H 其中 运载系数fw=1.2硬度系数Fh=1Q=39×1.2×2210.67×1=5518.05(N)根据最大动力负载荷Q 的值，查表选择滚珠丝杠的型号为FFZ5012—4，查表得数控车床的纵向精度为E 级，即型号为FFZ5012—4—E —1800×640，其额定载荷是44400N ○2效率计算 根据《机械原理》得，丝杠螺母副传动效率为 η=)(ϕ+r tg tgr由《机械原理》得ϕ一般为8′～12′取ϕ=10′ 即：摩擦角ϕ=10′，螺旋升角（中径处）r=3O 25′则η= )01523(52300'+''tg tg =0.953○3 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程变化量△L 1=±EFPLo其中 L O =12㎜=1.2㎝E=20.6×106N/㎝2滚珠丝杠横截面积F=(2d )π=（248）2×3.14=18.09(㎝2)（d 为滚珠丝杠外径）则△L 1=09.18106.202.167.22106⨯⨯⨯±=7.12×10-6≈7.12um查《机床设计手册》，E 级精度丝杠允许的螺距误差（1800㎜螺丝长度）为15um/m ，因此，丝杠的刚度符合要求。