机电一体化课程设计说明书

机电一体化课程设计任务书一、课程设计的目的把在机电一体化课程及其它有关先修课程中所学到的知识在实际设计中综合地加以应用,使这些知识得到巩固、加深和扩展。

二、课程设计题目CA6140车床经济型数控改装设计三、设计要求1、能用键盘输入命令控制工作台的运动方向2、能实时显示当前运动位置3、具有越程指示报警及停止功能四、设计内容1、总体方案确定（1）总体方案设计（2）绘制总体方案图2、机械系统设计（1）执行元件参数及规格的确定；（2）传动机构的具体结构及参数设计；（3）执行机构的具体结构及参数设计。

（4）绘制进给传动系统示意图。

3、控制系统硬件电路设计（1）微机的选用、存储器的选用与扩展、译码电路设计、接口电路设计等（2）绘制控制系统原理框图4、传感器的选择（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式）五、设计参数（1）系统分辨率纵向为0.01mm，横向为0.005mm（2）最大加工直径：在床面上为400mm，在床鞍上为210mm（3）最大加工长度为1000mm（4）快进速度：纵向为2.4m/min，横行为1.2m/min（5）最大切削进给速度：纵向为0.5m/min，横行为0.25m/min课程设计正文1.系统总体方案设计对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体方案时应遵行的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改造应尽可能的少，以降低成本。

数控系统总体方案设计内容包括：系统运动方式的确定；伺服系统的选择；执行机构传动方式的确定；计算机系统的选择等内容。

应根据设计任务和要求提出系统的总体方案，对方案进行分析、比较、论证，最后确定总体方案并绘制系统总体方案框图。

1.1数控系统运动方式的确定数控系统按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。

由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机控制（MNC）系统采用连续控制系统。

1.2伺服进给系统的选择数控机床的进给系统有开环、半闭环、闭环之分。

采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。

但他的结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。

本设计的精度要求不是很高，采用闭环控制系统的必要性不大。

采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。

由于调速范围宽过载能力强，有具有反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。

由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性容易保证，所以比闭环容易实现。

但是采用半闭环控制调试比开环控制要复杂，设计上有其自身的特点，技术难度较大。

本设计任务的要求不高，是经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。

因为开环控制具有结构简单，设计制作容易，控制精度较好，容易调试，价格便宜，使用维修方便等优点；缺点是步进电机没有过载能力，启动频率低，工作频率也不高等。

开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。

经过上述比较，决定采用开环控制系统。

1.3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，通常提出低摩擦、低惯量、高强度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。

在设计中应考虑以下几点：（1）尽量采用低摩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、铁塑导轨等。

（2）尽量消除传动间隙,提高传动精度。

如对滚珠丝杠和滚动导轨进行预紧，而传动齿轮通常采用消除间隙结构。

（3）尽量提高传动刚度。

传动刚度是传动元件之间的接触刚度，接触面越多刚度越低，传动误差越大，故应尽量缩短传动链。

通常，在简易数控系统中，只要能够保证步进电机的步距角与运动末端执行件脉冲当量的正确匹配，只采用一对齿轮传动副即可。

给传动元件施加预负载，不但可以提高系统传动精度也可以提高系统的传动刚度。

故滚动导轨、滚珠丝杠以及丝杠轴向固定轴成都带有预紧装置，以便随时调整预紧力。

1.4计算机系统的选择计算机数控系统一般由主机CPU、存储器扩展电路、I/O接口、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。

微机是数控系统的核心。

数控系统的功能直接与所选微机相关。

数控系统对微机的要求是多方面的，但主要是字长和速度。

字长不但影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工精度和运算精度。

而字长短的计算机在进行多字节数据处理时又会影响加工速度。

目前，高档数控系统普遍采用32位机，主频已达20-30MHz；标准CNC系统通常采用16位机；经济型数控系统通常采用8位机，如采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。

在51系列机型中，因为RAM容量都很小，所以必须扩展外RAM；又由于常用零件加工程序需要固化在EPROM中，而它们不宜和系统控制程序存放在同一存储区内，为方便同一考虑外ROM和外RAM的扩展，故通常都是采用8031单片机作主机。

本经济型数控车床采用MCS-51系列单片微机组成的微机应用系统。

主机是8031，接口选8155，采用步进电机开环控制，传动丝杠为滚珠丝杠。

1.5总体设计方案的确定经以上论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造的总体方案图如附图一所示。

CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。

车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电动机驱动。

由MCS-51系列单片机组成微机作为控制装置的核心，由I/O接口、软环分配器与放大器控制功率步进电动机转动，经齿轮减速器后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。

刀架改成由微机控制的经电动机驱动的自动控制的自动换位刀架。

为保持切削螺纹的功能，必需安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号；每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O 接口送给微机。

2．机械系统设计机械系统设计内容包括：系统脉冲当量确定；切削力计算；滚动螺旋副选型计算与验算；滚动导轨选型计算与验算；步进电机选型计算和验算；消除间隙齿轮结构设计、滚珠丝杠支承结构选型、电机固定结构选型设计等几个主要部分。

2.1系统脉冲当量选择脉冲当量是机床移动不见相对于每一个步进脉冲信号产生的位移量。

脉冲当量也称为机床最小设定单位或最小指令增量或机床分辨率。

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。

经济型数控车床通常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲。

脉冲当量有时也由设计任务书直接给出。

所以根据设计任务书确定脉冲当量：纵向为0.01mm/步，横向为0.005mm/步。

2.2切削力计算 2.2.1纵车外圆根据经验公式计算主切削力，对于车削外圆加工时的主切削力可由下式进行估算：51MAXz D 670F ..=MAX D —车床床身上的最大加工直径，由已知条件mm 400D MAX =,经计算得N 5360N 400670F 51z =⨯=..再按照以下比例计算轴向分力Fz 和径向分力Fx ：402501F F F Y X Z .:.:::=, 故F X =1340N, F Y =2144N 2.2.2横切端面主切削力可取为纵切削力的1/2：N 2680F 21F Z Z ==' 此时走刀抗力为'Y F ,吃刀抗力为'X F 。

仍按上述比例粗略计算：402501F F F Y X Z .:.:::'''= 故'Y F =670N ,'X F =1072N 2.3滚动螺旋副选型计算与验算滚动螺旋副工作原理：滚动螺旋副是一种在丝杠和螺母之间放入滚动体 — 滚珠的一种丝杠螺母副。

由于放入滚珠，故，当丝杠相对螺母转动时，滚珠则在螺旋滚道内即自转又循环转动，迫使丝杠螺母之间产生轴向相对运动，于是将丝杠的旋转运动变为螺母的直线运动或将螺母的旋转运动变为丝杠的直线运动。

滚动螺旋副特点：优点：传动效率高，所需驱动转矩小；传动精度高，反向精度高，定位精度高；传动刚度高；传动平稳，快速响应好，无爬行； 磨损小，精度保持性好，寿命长；具有运动可逆性；缺点：制造成本高；不能自锁，铅垂进给时需加制动机构。

滚动螺旋副的设计步骤是：计算进给牵引力，预选主要尺寸参数，计算最大动负荷，计算最大静负荷，初选滚珠丝杠副型号及列表主要参数，绘制进给系统计算简图，验算轴向刚度，验算传动效率，确定滚珠丝杠副型号。

2.3.1纵向进给丝杠 （1）进给系统牵引力计算纵向进给为综合型导轨，有)('G F f KF F Z X m ++= 式中：K —考虑颠覆力矩时的影响系数，综合型导轨取K=1.15；f '—导轨摩擦系数，f '=0.15~0.18（取f '=0.16）；G —移动部件重量，G=800N 代入公式计算得()N 253080053601601340151F m =+⨯+⨯=..（2）滚珠丝杠副最大动负荷计算m w F f L C 3=最大切削进给速度min /6.0m ax m V f = 最大切削力条件下的进给速度min /)2.0~3.0(min /6.0)3/12/1()3/12/1(m ax m m V V f s =⨯-=-=取0.30/min s v m =滚珠丝杠转速01000sv n L =，其中：滚珠丝杠导程初选06L mm =， 则m in /r 50n =滚珠丝杠寿命值66010n T L ⨯⨯=，其中使用寿命T=15000h ，则)(转61045L = 运转状态系数w f ，按一般运转取21f w .=故N 71079825302145C 3..=⨯⨯= （3）滚珠丝杠螺母副的选型查阅设计手册，可采用W 1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N ，精度等级选为3级。

（4）传动效率计算 ()ϕγγη+=tan tan式中：γ——丝杠螺母升角；ϕ——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004,其摩擦角约等于10´。

本设计中：94010442442.)tan(tan '''''=+= η （5）刚度验算先画出此纵向进给系统的示意图，如附图二所示。

最大进给率引力为2530N ，支承间距L=1500mm 。

丝杠螺母级轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3。

①丝杠的拉伸或压缩变形量δ1。

查手册，根据Fm=2530N,D 0=40mm ，查出 δL/L=1.2×10-5,可算出 mm 1081150010211500L25L1--⨯=⨯⨯=⨯=..δδ由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。