C6136型卧式车床经济型数控改造设计Word格式文档下载.docx
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第一章概述
1.设计目的
通过毕业设计，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深时所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识，使认识提高到一个新的水平，通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通过毕业设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。
2.设计任务：
2.1要求：
将C6136车床改造成用MCS—51系列单片机控制的经济型数控车床。
要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。
在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。
系统分辨率纵向：
0.01mm.横向：
0.005mm
2.2设计参数：
最大加工直径：
在床面上：
360mm
在床鞍上：
200mm
最大加工长度：
1000mm
快进速度：
纵向：
2.0m/min
横向：
1.0m/min
最大进给速度：
0.5m/min
0.25m/min
代码制：
ISO
脉冲分配方式：
逐点比较法
输入方式：
增量值，绝对值通用。
控制坐标数：
2
最小指令值：
0.01mm/step
0.005mm/step
刀具补偿量：
0~99.99mm
进给传动链间隙补偿量：
0.15mm
0.075mm
自动升降速性能：
有
2.3工作量：
2.3.1机床改造总图；
2.3.2进给伺服系统一个坐标轴（纵向或横向）的机械装配图：
2.3.3单片机控制系统电路原理图；
2.3.4设计计算说明书。
Ⅰ控制系统总体方案的分析论证的及控制标准图
Ⅱ机械部分设计计算及结构设计说明
Ⅲ硬件电路部分设计说明
Ⅳ加工程序控制及说明
第二章设计内容
1.总体方案的确定及框图
1.1总体方案的确定
1.1.1系统的运动方式与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。
考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。
1.1.2计算机系统
根据机床要求，采用8位微机。
由于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、性能价格比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。
系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。
1.1.3机械传动方式
为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。
为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。
选用滚珠丝杆螺母副。
同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。
齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。
2.设计方案
2.1系统运动方式的确定
数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统
2.2伺服系统的选择
伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。
开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。
指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。
开环系统主要由步进电机驱动。
闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。
闭环系统多采用直流伺服电机或位流伺服电机驱动。
半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。
2.3执行机构传动方式的确定
为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。
在设计中应考虑以下几点：
Ⅰ尽量采用低磨擦的传动和导向元件。
如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。
Ⅱ尽量肖除传动间隙。
例如采用隙齿轮等。
Ⅲ提高系统刚度。
缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。
可采用预紧的方法提高系统刚度。
例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。
2.4计算机的选择
微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。
绘制总体方案框图（图1）
图１
3.机床进给伺服系统机械部分设计计算及校核
3.1确定系统的脉冲当量
根据数控机床精度要求确定脉冲当量0.005mm/setp
3.2计算切削力
横切端面
查《综合作业指导书》P13页
式中——车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切时的
式中——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）
3.3滚珠丝杆螺母副的设计、计算、选型
3.3.1计算进给牵引力
横向进给选为三角型或综合导轨参考《机床设计手册.2》6.2-2；
6.2-3表
查阅《综合作业指导书》P22页
式中：
，，——切削分力（Ｎ）
G——移动部件的重量（N）表1-1查得横向溜板及刀架重力800N
——滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同取=0.15-0.18
K——考虑颠复力矩影响的实验系数取K=1.15
3.3.2计算最大动负载C
选用滚珠丝杆导轨参考《机床设计手册.3》P185-P210
查阅《综合作业指导书》P22页
式中：
L——寿命，以转为一单位
n——丝杆转速（r/min）
——为最大切削条件下进给速度，可取最高进给速度的1/2-1/3
取
——丝杆导程（mm）初选=5mm
T——为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h
——运转系数，查表3-14一般取1.2-1.5
3.3.3滚珠丝杆螺母副的选型
查阅《综合作业指导书》附表Ａ-2，可采用WD2505外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为9700N,精度等级按表3-17选为３级。
3.3.4传动效率计算
——螺旋升角，WD2505
——摩擦角取滚动摩擦系数0.003-0.004
3.3.5刚度验算
横向进给丝杆支承方式图２所示，最大牵引力1121.1N,支承间距Ｌ＝350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。
图２
计算如下:
Ⅰ丝杆的拉伸或压缩变形量（mm）
查阅《综合作业指导书》图3-4,根据＝1121.1N,D=25mm查出可算出：
Ⅱ滚珠与螺纹滚道间接触变形量
查图3-5得Ｗ系列１列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量
因进行了预紧
Ⅲ支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形
采用推力球轴承8104查阅《机床设计手册.２》表5.9-137,d=20mm,滚动体直径=5.556mm,数量Z=13
综合以上几项变形量之和：
〈定位精度>
3.3.6稳定性校核
计算临界负载（N）
式中:
E——材料弹性模量（）
I——截面惯性矩（）
L——丝杆两轴承端距离（cm）
——丝杆支承方式系数，从表3.15中查出，一端固定，一端简支为2.00
一般=2.5-4.0,所以>
>
此滚珠丝杆不会产生失稳。
3.3.7横向滚珠丝杆副的几何参数（其参数如表1）
表1.WD2505滚珠丝杠几何参数
参数名称
符号
关系式
WD2505
螺
纹
滚
道
公称直径
25
导程
5
接触角
钢球直径
3.175
滚道法面半径
R
1.651
偏心距
e
0.045
螺纹升角
杆
外径
d
24.365
内径
21.788
接触直径
21.83
母
螺纹直径
D
28.212
25.635
3.4齿轮传动比计算
3.4.1横向进给齿轮箱传动比计算
已确定横向脉冲当量，滚珠直径导程=5mm,
初选步进电动机步距角可计算传动比:
考虑到结构上的原因不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板有行程，故此处可采用两级齿轮降速。
因进给运动齿轮受力不大，模数m取2，有关参数参照表2
表2:
传动齿轮几何参数
齿数
Z
24
40
20
分度圆
d=mz
48
80
50
齿顶圆
52
84
44
54
齿根圆
43
75
35
45
齿宽
（6-10）m
中心距
64
3.4.2横向步进电机计算和选型
Ⅰ初选步进电机
a计算步进电机负载转矩
查阅《综合作业指导书》P22页
式中:
——脉冲当量，取
——进给牵引力（N）
——步距角，初选双拍制为
——电机—丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为
b估算步进电机起动转矩
根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩（N.cm）
一般横向进给伺服系统取0.4-0.5
c
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