C6136型卧式车床经济型数控改造设计.docx
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C6136型卧式车床经济型数控改造设计
摘要
C6136型卧式车床经济型数控改造是改变机床进给量系统，主轴转速等加工实现自动化。
以便提高加工速度和精度，实现现代加工要求。
本设计由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快。
经济型数控系统功能强，可靠性稳定，功率增大，结构简单，维修方便，还大大提高生产效率，创造更大的经济效益。
本次设计为机床进给伺服系统机械部分设计和数控系统硬件电路设计等。
关键词：
自动化伺服系统硬件
序言
经济型数控是我国80年代科技发展的产物。
这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。
十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。
由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。
对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。
毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教学环节，也是学生完成基本训练的重要环节。
其目的是培养学生综合运用所学的专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题的能力，树立正确的设计思想和工作作风。
毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容，方法和步骤，而且还反映了学生的文理修养和作风。
本说明书分为概述、设计内容、总结三部分，分别介绍了此次设计任务将普通卧式车床（C6136）改造为经济型数控车床；有关经济型数控车床改造总体方案确定及框图、进给伺服系统机械部分设计计算及校核、数控系统硬件电路的设计、加工程序编制；主要是对本次毕业设计的心得。
在编写过程中，得到了指导老师和各位老师及同学的大力支持和热心帮助，在此表示谢意
由于本人水平有限，难免有疏漏和不妥之处，恳请专家和老师批评指正。
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：
纵向：
0.5m/min
横向：
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：
纵向：
0.01mm/step
横向：
0.005mm/step
刀具补偿量：
0~99.99mm
进给传动链间隙补偿量：
纵向：
0.15mm
横向：
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
式中：
——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
螺
杆
外径
d
24.365
内径
21.788
接触直径
21.83
螺
母
螺纹直径
D
28.212
内径
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
25
分度圆
d=mz
48
80
40
50
齿顶圆
52
84
44
54
齿根圆
43
75
35
45
齿宽
（6-10）m
20
中心距
64
45
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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