C6140车床数控化改造

目录

第一节设计任务 (2)

1.1题目： (2)

1.2 任务 (2)

第二节总体方案的确定 (3)

第三节机械系统的改造设计方案 (3)

3.1主轴系统的改造方案 (3)

3.2安装电动卡盘 (4)

3.3换装自动回转刀架 (4)

3.4螺纹编码器的安装方案 (4)

3.5进给系统的改造与设计方案 (5)

第四节进给传动部件的计算和选型 (5)

4.1脉冲当量的确定 (5)

4.2切削力的计算 (5)

4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (6)

4.4同步带减速箱的设计 (8)

4.5步进电动机的计算与选型 (10)

4.6同步带传递效率的校核 (14)

第五节绘制进给传动机构的装配图 (14)

第六节控制系统硬件电路设计 (15)

第七节步进电动机驱动电源的选用 (17)

第八节控制系统的部分软件设计 (18)

参考文献 (23)

第一节 设计任务

1.1设计方案的确定：

C6140普通车床数控化改造设计。

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。

本设计主要是对C6140普通型车床进行数控改造，用微机对纵、横进给系统进行控制。系统可采用开环控制和闭环控制，开环控制虽然有不稳定、振动等缺点，但其成本较低，经济性较好，车床本身所进行的加工尺寸是粗、半精加工。驱动原件采用步进电动机。系统传动主要有：滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动两种，经比较分析：前者传动效率及精度较低，后者精度和效率高，但成本高，考虑对车床的性能要求，故采用滚珠丝杠螺母传动。刀架性能要求是准确快速的换刀，因此采用自动转位刀架。

1.2 任务

将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：

（1） 床身上最大加工直径mm 400;

（2） 最大加工长度mm 1000；

（3） X 方向（横向）的脉冲当量脉冲/005.0mm x =δ，Z 方向（纵向）

脉冲/01.0mm z =δ；

（4） X 方向最快移动速度min /3000max mm v x =，Z 方向为min /6000max mm v x =；

（5） X 方向最快工进速度min /400max mm v f x =，Z

方向为m i n /800m a x mm v f x =；

（6） X 方向定位精度mm 01.0±，Z 方向mm 02.0±；

（7） 可以车削柱面、平面、锥面与球面等；

（8） 安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程mm 24；

（9） 安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；

（10）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；

（11）自动控制冷却泵的启/停;

（12）安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；

（13）纵、横向安装限位开关；

（14）数控系统可与PC机串行通信；

（15）显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。

第二节总体方案的确定

总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。由于是对车床进行数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用前提下，对同床的改动尽可能少，以降低成本。

1．普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。

2．普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。

3．根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。4．根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等，还要选择步进电动

机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。

5．为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。

6．计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副，且应有消间隙机构。

7．选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。

第三节机械系统的改造设计方案

3.1主轴系统的改造方案

对普通机床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可以减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。

若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用2~4速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，

若工作频率低于Hz

70，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。

改造C6140车床时，若采用有级变速，可选用浙江超力有限公司生产的YD 系列kW

2档变速；若采用无级变速，应

5.7变级多速三相异步电动机，实现4

~

加装交流变频器，推荐型号为：F100-G0075T3B,适配kW

5.7电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。

3.2安装电动卡盘

为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系。

3.3换装自动回转刀架

为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。

3.4螺纹编码器的安装方案

螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴信号的反馈元件，它与车床主轴同步。

改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是mm

24，Z向的进给脉冲当量是01

.0mm，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于/

脉冲

/(

24=

mm

mm。考虑到编码器的输出有相位差︒.0

脉冲

01

脉冲）2400

/

90的A、B 相信号，可用A、B异或后获得2400个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到1200线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。

基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。电源电压+5V，每转输出1200个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径mm

15，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。

螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为1:1的同步齿形带与主轴连接起来。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，且车床组、主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。