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 (3)
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 (6)
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 (11)
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 (15)
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1150mm
3) 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25mm
9) 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
01.0=
x δ02.0=z δ
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±0.01mm
2.3.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 kw
η—主传动系统总功率，一般为0.6~0.7，取η=0.65 k —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=310
60??Vs
Fz ×9.8 ≈6120Vs Fz ? 式中Vs ——切削速度，取Vs=100m/min
主切削力Fz=100
612063.4? =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
ap
(㎜)
3
3
3
4
4
4
f(
㎜) 0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
Fz(N )
1614.98
2188.94
2716.06
2153.3
2918.59
3621.41
P=1.15×1416.78+0.16×(2833.56+800)=2210.67(N) ○1强度计算 寿命值L i =
6
10
60niTi
ni=
1000L D vf
π 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=1
Q=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=)
(?+r tg tgr
由《机械原理》得?一般为8′～12′取?=10′ 即：摩擦角?=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=±EF
PLo
其中 L O =12㎜=1.2㎝
E=20.6×106N/㎝2
滚珠丝杠横截面积
F=(
2
d )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。即刚度足够。 ④稳定性验算
由于原机床杠径为Φ30㎜，现选用的滚珠丝杠为Φ50㎜，支承方式不变。所以，稳定性不成问题，无需验算。 （3）齿轮及转矩的相关计算 1）有关齿轮的计算 传动比i=z
O
L
δ?360
其中?表示步驱角，z δ表示脉冲当量
i=
02
.036012
75.0??=1.25
取齿数Z 1=32, Z 2=40
模数m=2mm 啮合角为200 齿轮齿宽b=20㎜ d 1=mz 1=2×32=64mm d 2=mz 2=2×40=80mm
da 1 =2×(32+2)=68mm da 2=2×(40+2)=84mm
a =
221d d +=2
80
64+=72 2）转动惯量的选择
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J 1=(
π?
δz
?180)2W=(
75
.014.302.0180??)2
×80= 1.859kg.㎝2=18.69N.cm 2
丝杠的转动惯量
Js=7.8×10-4D 4L=7.8×-4×54×180=87.75kg.㎝2=877.5N.cm 2 齿轮的转动惯量
J Z1=7.8×10-4×(6.4)4×2=2.617kg.㎝2=26.17N.cm 2 J Z2=7.8×10-4×84×2=6.39kg.㎝2=63.9N.cm 2 由于电机的转动惯量很小，一般可忽略不记 所以总的转动惯量为
J 总=21
i
×(Js+ J Z2)+ J Z1+ J 1
=
()
2
25.11
×(87.75+6.39)+2.617+1.869=64.7356kg.㎝2=647.356N.㎝2
3）所需转动力矩的计算
快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+M f +M O
最大切削负载时所需力矩 M=Mat+M f +M O +Mt 快速进给时所需力矩 M=M f +M O 式中Mamax —— 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。 M f —— 折算到电机轴上的摩擦力矩。
M O —— 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 Mat —— 切削时折算到电机轴上的加速度力矩。
Mt —— 折算到电机轴上的切削负载力矩。 Ma=T
Jn ?6.9×10-4（N.m ）其中T=0.025
当n=n max 时，Mamax=Ma
n max =lo i V max =1225.1730?=76.0(r/min)
Mamax=025.06.976
7356.64??×10-4=2.05N.m=20.5kgf.cm
n t =lo
fi
D V
π1000=128014.325.13.01000????=12.44r/min Mat=025.06.97356.6444.12??×10-4=0.3355N.cm=3.355kgf.cm
M f =
i
FoLo πη2=i WLo
f πη2' 当?=0.8，f ′=0.16时， M f =25.18.014.322.18016.0?????=2.446kgf.cm=24.46N.cm
M O =
i
PoLo
πη6(1-?o 2) 当?=0.9时，预加荷P O =3
1
Fx
M O =πηιηο2)1(312-FxLo =25.18.014.32)9.01(2.1678.141312???-???=1.715kgf.cm=17.15N.cm
Mt=i FxLo πη231=25
.18.014.322.1678.14131?????=9.024kgf.cm=90.24N.cm
所以，快速空载启动所需力矩
M 快空=Mamax+M f +M O =20.5+2.446+1.715=24.661kgf.cm=246.61N.cm 切削时所需力矩
M 切= Mat+M f +M O +Mt=3.355+2.446+9.024+1.715=16.54kgf.cm=165.4N.cm
快速进给时所需力矩
M 快速=M f +M O =2.446+1.715=4.161kgf.cm=41.61N.cm 由以上计算可得
所需最大力矩Mamax 发生快速启动时 Mamax=M 快空=246.61N.cm
3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 （1）切削力的计算
横向进给量约为纵向的21～31,取横向切削力约为纵向切削力的2
1
∴Fz=21F 纵z=21
×2833.56=1416.78N
在切断工件时
Fy=0.6 F 纵z=0.6×1416.78=850.068N （2）滚珠丝杠的设计计算 ○
1强度计算 对于燕尾型导轨 P=KFy+f ′（Fz+W ） 其中K=1.4 , f ′=0.2
P=1.4×850.068+0.2×(1416.78+300)=1533.45N
n= 14
.310803.01001000????=12r/min
寿命值Li=61060nTi =61015000
1260??=10.8
最大动负载Q=3Li Pf w f h 其中 fw=1.2 f h =1
Q=38.10×1.2×1×1533.45=4067.48N
根据最大动负载荷的值,可选择滚珠丝杠的型号,其公称直径为40㎜,型号为
FFB4010-2-E ，额定动负载荷为21100W ，所以强度够用。 ○2效率计算
根据《机械原理》得，丝杠螺母副传动效率为 η=)
(?+r tg tgr
由《机械原理》得?一般为8′～12′取?=10′ 即：摩擦角?=10′，螺旋升角（中径处）r=3O 38′
则η= )01383(383'0'
'+tg tg =0.956
○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=EF pL O ±=F
???±6106.201
45.1533
F=（
2
d ）2
π =（25.39）2×3.14=12.25 2cm （其中d 为滚珠丝杠的外径）
△ L 1 = 25
.12106.201
45.15336
???±=±6.08×10-6㎝=6.08um 因为滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L 2很小可忽略不计，即△L=△L 1，
即导程变化总误差为△=Lo 100△L=1
100
×6.08×10. -6=6.08um/m
查表知E 级精度丝杠允许的螺矩误差为15um/n ，所以刚度足够。 ○4稳定性验算
由于原机床杠径为Φ30㎜，现选用的滚珠丝杠为Φ40㎜，支承方式不变。所以，稳定性不成问题，无需验算。 （3）齿轮及转矩的相关计算 1）有关齿轮的计算
传动比i=x
O
L
δ?360
其中?表示步驱角，x δ表示脉冲当量
i=
01
.036010
75.0??=2.1
取齿数Z 1=30, Z 2=63
模数m=2mm 啮合角为200 齿轮齿宽b=20㎜ d 1=mz 1=2×30=60mm d 2=mz 2=2×63=126mm
da 1 =2×(30+2)=64mm da 2=2×(65+2)=130mm
a =
221d d +=2
126
64+=93 2）转动惯量的选择
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J 1=(
π?
δx
?180)2W=(
75
.014.302.0180??)2
×30= 0.1753kg.㎝2=1.753N.cm 2
丝杠的转动惯量
Js=7.8×10-4D 4L=7.8×-4×44×64=12.78kg.㎝2 齿轮的转动惯量
J Z1=7.8×10-4×64×2=2.02kg.㎝2
J Z2=7.8×10-4×（12.6）4×2=39.32kg.㎝2
由于电机的转动惯量很小，一般可忽略不记，所以总的转动惯量为
J 总=21
i
×(Js+ J Z2)+ J Z1+ J 1
=
()2
1.21
×(12.78+39.32)+2.02+0.1753=14.01kg.㎝2
3）所需转动力矩的计算
快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+M f +M O
最大切削负载时所需力矩 M=Mat+M f +M O +Mt 快速进给时所需力矩 M=M f +M O 式中Mamax —— 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。 M f —— 折算到电机轴上的摩擦力矩。
M O —— 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 Mat —— 切削时折算到电机轴上的加速度力矩。
Mt —— 折算到电机轴上的切削负载力矩。 Ma=T
Jn ?6.9×10-4（N.m ）其中T=0.025
当n=n max 时，Mamax=Ma
n max =lo i V max =101.2370?=77.7(r/min)
Mamax=025.06.97
.7701.14??×10-4=0.4536N.m=4.536kgf.cm
n t =lo
fi
D V
π1000=108014.31.23.01000????=25.08r/min Mat=025.06.901.1408.25??×10-4=0.1464N.m=1.464kgf.cm
M f =
i
FoLo πη2=i WLo
f πη2' 当?=0.8，f ′=0.2时， M f =1.28.014.321
802.0?????=0.5687kgf.cm=0.05687N.m
M O =
i
PoLo
πη6(1-?o 2) 当?=0.9时，预加荷P O =3
1
Fy
M O =πηιηο2)1(312-FyLo =1
.28.014.32)9.01(10068.85312???-???=0.17kgf.cm=0.017N. m
Mt=i FyLo πη231=1
.28.014.3210068.8531?????=2.686kgf.cm=0.269N.m 所以，快速空载启动所需力矩
M 快空=Mamax+M f +M O =0.4536+0.05687+0.017=0.52747N.m=5.2747kgf.cm 切削时所需力矩
M 切= Mat+M f +M O +Mt=0.1464+0.05687+0.017+0.269=0.48927N.m=4.8927kgf.cm 快速进给时所需力矩
M 快速=M f +M O =0.05687+0.017=0.07387N.m=0.7387kgf.cm 由以上计算可得，所需最大力矩Mamax 发生快速启动时 Mamax=M 快空=0.52747N.m
4步进电动机的计算与选型
4.1步进电动机选用的基本原则
合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：
4.1.1步距角α 步距角应满足 α ≤i
a min
式中 i —传动比
α
min —系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角
4.1.2精度
步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：
△θm ≤i [△θs ] 式中， △θm ---步进电动机的累积误差。 [△θs]---系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。
4.1.3转矩
为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件
①启动力矩，一般启动力矩选取为 Mq ≥
5
.0~3.00
l M
式中 Mq ——电机启动力矩
M L0——电机静负载力矩 ②在要求在运行频率范围内，电机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机的
转动惯量（包含负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 4.1.4启动频率
由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，
相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： ft ≥[f op ]m 式中 f t ---极限启动频率，
[f op ]m---要求步进电动机最高启动频率。
4.2步进电动机的选择
4.2.1 C6140纵向进给系统步进电机的确定 M q =
4.00l M =4
.061
.246=616.525 N.cm 为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：M q /M jm =0.866 所以步进电动机最大静转矩M jm 为：M jm =
866
.0q M =
866
.0525
.616=711.92N.cm=7.12 N. m 步进电动机最高工作频率：f max =
z V δ60m ax =02
.060730
?=608.3HZ 综合考虑，查表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。 4.2.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 M q =
4.00l M =4
.052747
.0=1.3187 N.m 为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：M q /M jm =0.866 所以步进电动机最大静转矩M jm 为：M jm =
866
.0q M =
866
.03187
.1=1.5227N. m 步进电动机最高工作频率：f max =
x V δ60m ax =01
.060370
?=616.7HZ 综合考虑，查表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。
5电动刀架的选择
自动转位刀架的设计是普通机床数控化改造的关键。它要求刀架要具有抬起、回转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，提供选用的多把刀的可能性。
电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可，但要注意两点：
1) 电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。
2) 电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后
面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免
走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架系统。
综合各方面因素，选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4-I型系列四工位自动刀架。
机床型号C6140
刀位数 4
电机功率（W）7500
电机转速1400r/min
夹紧力 1
切体尺寸152×152
下刀体尺161×171
LD4-I型刀架技术指标
配车床型号C6140
重复定位精度≤0.005mm
工作可靠性>30000次
换刀时间90° 2.9（秒）
180° 3.4（秒）
270° 3.9（秒）
6控制系统硬件电路设计
6.1控制系统的功能要求
1)接收操作面板的开关与按钮信号
2)接收车床限位开关信号
3)接收螺纹编码器信号、电动卡盘加紧信号、电动刀架刀位信号
4)控制X（90BF002）、Z（90BF002）向步进电动机的驱动器
5)控制主轴的正反转与停止信号
6)控制切削液泵起动和停止
7)控制电动卡盘的加紧与松开
8)与PC的串行通信（可选）
6.2硬件电路的组成：
后面所画大图采用系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：
（1）光电编码器
（2）三菱编程器FX2N—64MR—001 （主机32入/32出继电器输出）
（3）X轴、Y轴与刀架台步进电机驱动器CH250
（4）X轴、Y轴与刀架台驱动步进电机90BF002
（5）CE2109串口光电隔离器
（6）主轴电机（7）液压泵电机（8）数控面板（9）LED显示器
6.3电路原理图
刀架转向刀架脉冲
轴转向
轴脉冲轴转向轴脉冲 主轴
正转 反转
冷却泵刀架台
轴轴
7总结
机电一体化课程设计是一个重要的实践性教学环节。要求学生综合运用所学过的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练。
本次设计，让我们对三年的知识有了总体的综合运用，提高了我们综合能力和灵活运用所学的基础理论的能力，各科之间的联系有了清晰的认识。在做设计的过程中，不但复习了所学过的知识点，还学到了新的知识，同时将所学到的知识充分的运用起来，做到了学以致用，还学会了查资料，除此之外，我还懂得了团结合作的重要性，知道了集体的力量！
当然，在此过程中也有许多不足之处，例如：知识的不全面，所学的还没有全部掌握，思维的狭隘等，让我在毕业前上了生动形象的一课。
通过这次课程设计，让我们知道自己还有很多的不足，只有通过不断的学习、改进，更好的提高自己的综合能力才能在社会上立足。同时我也坚信只要努力、坚持，我们就能走好人生的每一步。
8参考文献
1、《数控技术课程设计》范超毅、赵天婵、吴斌方主编
华中科技大学出版社 2007年5月
2、《机械设计手册单行本》（机械传动）成大先主编
化工工业出版社 2004年1月
3、《机械原理》（第七版）西北工业大学机械原理及机械零件教研室主编
高等教育出版社 2006年5月
4、《机械设计》（第八版）西北工业大学机械原理及机械零件教研室主编
高等教育出版社 2006年5月
5、《机电一体化机械系统设计》赵松年、张奇鹏主编机械工业出版社 1996年
6、《机床设计手册》《机床设计手册》编委会主编机械工业出版社 1979年
7、《机床电气自动控制》陈远龄主编
重唐大学出版社 2007年7月
8、《机电一体化设计基础》刘武发、刘德平主编
化工工业出版社 2007年5月
9、《计算机工程制图》陈锦昌、刘就女、刘林编著华南理工大学出版社 2001年8月
10、《机械制造工艺设计简明手册》李益民
哈尔滨工业大学 1994年
目录 第一章设计任务 (5) 1.1题目： (5) 1.2 任务 (5) 第二章总体方案的确定 (6) 第三章机械系统的改造设计方案 (7) 3.1主轴系统的改造方案 (7) 3.2安装电动卡盘 (7) 3.3换装自动回转刀架 (8) 3.4螺纹编码器的安装方案 (8) 3.5进给系统的改造与设计方案 (9) 第四章进给传动部件的计算和选型 (10) 4.1脉冲当量的确定 (10) 4.2切削力的计算 (10) 4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (11) 4.4同步带减速箱的设计 (12) 4.5步进电动机的计算与选型 (13) 4.6同步带传递效率的校核 (16) 第五章绘制进给传动机构的装配图 (18) 第六章控制系统硬件电路设计 (21) 第七章步进电动机驱动电源的选用 (22) 第八章容总结 (29) 参考文献 (30) 摘要
我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要容之一。
车床数控化机械部分的改造设计 发表时间：2018-12-26T12:35:56.377Z 来源：《防护工程》2018年第27期作者：王德顺 [导读] 车床是机械加工业中必不可少的加工工具。随着我国经济的迅速发展，机械加工业也在快速发展。 济宁市技师学院山东省济宁市 272000 摘要：近几年，我国生产制造行业得到了迅速的发展。在生产制造业发展过程中数控机床的市场需求也不断增加，对于普通机床的改造成为时代发展的主要趋势。在实际普通车床数控化改造过程中，电极参数选择不精确、数控系统功能不合理等问题频繁发生，影响了普通车床数控化改造的精确度。因此为了保证改造后数控机床的应用效率，对具体改造过程进行进一步分析非常必要。 关键词：普通车床；机械结构；数控化改造 车床是机械加工业中必不可少的加工工具。随着我国经济的迅速发展，机械加工业也在快速发展，数控车床逐渐取代了原本的普通车床，但是，普通车床仍然在使用。因为数控车床的价格比较高，很多企业无法负担，所以，需要对普通车床的机械结构进行数控化改造，以增强普通车床的自动加工能力，提高加工精度。通过对某型号普通车床机械结构进行数控化改造，提高普通车床的加工精度。 一、车床数控化改造的必要性 相比较于传统机床，通过数控机床，能够对繁琐复杂的零件开展加工工作；能够显著提高机床工作效率，确保机床加工自动化月柔性自动化的实现；数控机床所加工的零件具有非常高的精准度，尺寸计算能力更强，有利于安装与配置工作的开展，不需要开展有关修配工作；能够集中起多个工序，降低零件的搬运频率；能够自主开展有关报警监控与补偿等工作等等；使工人劳动强度得到显著降低，有效缩减新产品试制与生产周期。与此同时，在企业信息化改造过程中，机床数控化发挥着重要的基础作用，数控技术既是制造业自动化的核心技术，更是其重要的基础技术。 二、车床数控化改造的特点 1、车床改造方案的制定，是通过车床中存在的问题来进行的。在改造车床的过程中，具有较强的针对性，确保符合有关生产的要求与规定。在改造旧车床数控化过程中，大多数基础件与很多传动部分无需进行更换，应当将这些零部件予以高效利用，在减少原材料与资金费用开支的同时，能够有效缩短改造时间，确保生产工作的迅速开展。 2、通常情况下，车床大型构件的制造运用的是铸铁，相比较于新铸件其稳定性更加突出，只需对中小型部件开展修复或更换工作即可。应当满足多品种、小批量零件生产的需要，扩大车床应用范围。通过车床数控化改造，能够实现生产设备自动化水平与能力的提升，强化设备质量。此过程中，更加需要注入科学技术的力量，让科学技术的应用促进车床数控化的改造，以促进改造目的的实现。 三、机床精度、质量检测与调试 1、精度调试。普通车床机械部分数控化改造后，必须进行精度调试。数控车床精度主要体现在：主轴跳动、刀塔精度、丝杠精度三方面可以用主轴千分表测量主轴精度、刀塔两项精度；跳动、圆度精度不合格的通过主轴卡头重新装配或车卡头来实现精度调整； X、Z 轴丝杠精度可通过调节伺服电机的齿轮比及精修丝杠和调节反向间隙及刀塔装配位置调整，反向间隙调试时要选用千百分表；进行几何精度调试时，可选择用角尺，平尺，千分表；当进行定位误差调试时，必须用激光干涉仪对定位精度进行测量，然后，根据情况进行适当的补偿，可以大大提高机床的定位精度和加工精度。重复定位精度不合格，要通过调整丝杠和丝杠母间隙或更换丝杠和轴承。精度调试是一个比较复杂的过程，一般是机械和电气部分都改造好后再调试。不同的机型调试也有差异，要根据机型特点进行调试，一般都要反复调几次，直到调好为止。 2、质量检测与调试 （1）质量检测。质量检验指机床性能和功能的检验，普通车床数控化改造后，机床性能检验项目主要有主轴性能、进给性能、机床噪声、润滑等。主轴性能有手动操作、手动数据输入方式（MDA）；进给性能有手动操作、手动数据输入方式（MDA）、软硬限位、回原点；数控功能检验项目有准备功能、辅助功能、操作功能、显示功能等方面。 （2）检测与调试。质量检测与调试包括空运转检测调试、动作检测调试、功能检测调试及试切削检测调试等。空运转检测调试：让机床主运动由低、中、高运转，观察主轴轴承温度是否稳定，再输入程序做连续运动，如果正常可连续运转不少于48h。动作检测调试：按数控系统安装手册进行主轴变挡指令调试，检测各轴正负两个方向的超程。功能检测调试：用指令对机床的功能进行调试，检查动作的灵活性和功能的可靠性。然后做进给坐标超程、手动数据输入、位置显示、程序暂停、程序删除、回基准点，程序序号显示和检索、直线插补、直线切削循环、刀具位置补偿、螺距补偿、锥度切削循环、螺纹切削循环、圆弧切削循环、间隙补偿等功能的可靠性、动作灵活性等调试。试切削检测调试：把事先准备好的零件程序输入系统，进行试切削加工，检测机床数控化改造后的加工性能和精度的稳定性。 四、车床数控化改造 1、普通车床床身导轨的改造。我国大部分普通车床的床身材料为铸铁，在进行数控化改造时，为了提高床身导轨的精度，可以在铸铁导轨上粘贴塑料软带。塑料软带能够提高车床导轨的润滑性，使导轨上的主刀行进得更加流畅，从而保证车床的加工精度。在改造过程中，也可以将传统的铸铁导轨改造为滚动导轨，滚动导轨的摩擦系数比较小，不会影响机械加工的几何精度。 2、滚珠丝杠的改造。滚珠丝杠主要是由滚珠、丝杠、回珠管等构成的，它可以将车床机械部件的回转运动转化为直线运动。普通车床中的滚珠丝杠可以提高车床的传动效率，使车床刀轴的行进过程更加平稳。因为滚珠丝杠在运行过程中不会产生较大的振动，所以，不会产生过大的摩擦阻力。对滚珠丝杠进行数控化改造时，需要测量滚珠丝杠的齿差缝隙、丝杠转速和滚珠直径等，以保证改造完成后车床不会出现直线行进失稳的情况。 3、主轴传动系统的数控化改造。普通车床的主轴是由电动机带动皮带使主轴旋转。在数控化改造时，尽量不要破坏原本的主轴箱，主要改造电机的变速系统。因此，可以用双速或者四速电动机代替原本的电动机，以增强主轴传动系统的传动能力。在改造过程中，可以在主轴传动系统中增加脉冲编码器，标记主轴运行的初始位置，为主轴传动编码，让主轴每转动一圈编码器自动调整一次主轴刀具的位置。一般情况下，脉冲编码器安装在主轴箱中，并与电动机的传动齿轮1∶1 连接，从而实现主轴与编码器的同步运行。 4、车床进给系统的数控化改造。在改造进给系统时，需要加装步进电机，并在进给系统的步进电机上安装减速器。减速器通过连接装
数控机床课程设计指南（doc 9页）
数控机床课程设计指导书应用专业：机械设计制造及其自动化 班级 学号 姓名
1.设计任务 本次课程设计是通过分析零件图，合理选择零件的数控加工工艺过程，对零件进行数控加工工艺路线进行设计，从而完成零件的数控加工程序的编写。使零件能在数控机床上顺利加工，并且符合零件的设计要求。 2.设计要求 1 绘制二维、三维零件图各一张； 2 数控加工工序卡一份； 3 走刀路线图一份； 4 数控加工程序清单一份（含注释）； 5 设计说明书一份。（分析零件结构；选择机床设备、刀具；编 写数控加工工艺；写出数值计算过程） 3.零件图的分析 在数控车床上加工如图所示的带螺纹的轴类零件，该零件由外圆柱面，槽和螺纹所构成，零件的最大外径为Φ56，加工粗糙度要求较高，并且需要加工M30×1.5的螺纹，其材料为45﹟，分析其形状为不规范的阶梯轴类零件，可以采用端面粗车循环加工指令，选择毛坯尺寸为Φ60mm×150mm的棒料。
4.机床设备的选择 根据该零件图所示为轴类零件，需要的加工的为外轮廓和螺纹，以及毛坯的尺寸大小，查机械设计手册选择FANUC系统的CK7815型数控车床来加工此零件。 5.确定工件的装夹方式 由于这个工件时一个实心轴类零件，并且轴的长度不是很长，所以采用工件的左端面和Φ60的外圆为定位基准。使用普通三爪卡盘加紧工件，取工件的右端面中心为工件的坐标系的原点。 6.确定数控加工刀具及加工工序卡片 根据零件的加工要求，T01号刀为450硬质合金机夹粗切外圆偏刀；T02号刀为900硬质合金机夹粗切外圆偏刀；T03号刀为900硬质合金机夹精切外圆偏刀；T04号刀为硬质合金机夹切槽刀，刀片宽度为5mm，用于切槽、切断车削加工；选择5号刀为硬质合金机夹螺纹刀，用于螺纹车削加工。该零件的数控加工工艺卡片如表1-1所示。 加工流程：加工右端面→粗车外轮廓→精车外轮廓→切螺纹退刀槽→车螺纹→切断 表1-1数控加工工序卡片
摘要 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中的结构复杂.精密.批量小.多变零件的加工问题。且能稳定加工质量，大幅度提高生产效率。但数控机床价格昂贵，一次性投入对企业来说负担很大。另一方面，在国内还有大量的普通机床,只需对其进行一些相关的技术性改造就可以形成一定生产能力的经济型数控机床。不仅能节省很大一部分资金，还能提升其市场竞争力。具有极大的经济潜力。 对于职业院校的数控实训教学而言，通过闲置的普通车床进行数控化改造，可盘活资产，实现资产优化配置，同时对教师和学生而言也是一次很好的学习、锻炼和提高的机会。对推动教学改革、专业转型和课程开发都有积极的意义。 我院现有闲置的普通车床为云南机床厂生产的CAY6140-1000，通过对该机床的结构特点进行分析，对机械和电气进行数控化改造，改造后的数控车床主要用于中小型轴类零件、盘类零件及螺纹的加工。
第一章数控机床的结构和工作原理 1.1数控车床工作原理及加工特点 以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床，简称为数控机床。 数字控制系统是相对于模拟系统而言：数字控制系统中的信息是数字量，而模拟控制系统中的信息是模拟量。随着计算机技术的发展，硬件数控系统已被逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控（CNC）系统。 图1-1 数控车床 1．数控车床的工作原理 数控车床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如择刀、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其辅助装置严格地按照程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 2．数控车床的加工特点 （1）高难度零件加工：“口小肚大”的内成型面零件，有仅在普通车床上难以加工，还难以测量。 （2）高精度零件加工：高精度零件均可在高精度的特种数控车床上加工完成。 （3）高效率完成加工：为了提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批工序特别复杂零件车削全过程的自动化。 1.2 数控车床的组成 数控车床一般由输入/输出装置、CNC装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体和测量装置组成。图3-1是数控车床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统
摘要 普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括： (1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。 (2) 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。 (3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。 (4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。 通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。 关键字：普通车床数控改造步进电机经济型数控系统数控刀架
一绪论 我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。 由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。 机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。 普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，
机电一体化系统设计基础 课程设计报告 专业：机械电子工程 班级：机电0811 学号： 2008716022 姓名：陈智建 指导教师：刘云、柯江岩 2012 年 1 月 13 日
目录 第一节绪论 (3) 1.1课程设计目的意义 (3) 1.2课程设计任务描述 (3) 1.3数控铣床的性能指标设计要求 (3) 第二节总体方案设计 (4) 2.1主轴驱动系统设计方案 (4) 2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计 (4) 2.3电气系统设计方案 (4) 第三节传动系统设计 (5) 3.1主轴传动系统的设计 (5) 3.1.1主轴电机选择 (5) 3.1.2变频器的选择 (5) 3.1.3主轴传动系统设计 (5) 3.2伺服驱动系统设计 (6) 3.2.1伺服传动机构设计 (6) 3.2.2伺服电机选择 (6) 3.2.3 滚珠丝杠的选择 (6) 3.2.4滚珠丝杠支承的选择 (8) 3.3设计验算校核 (8) 3.3.1惯量匹配验算 (8) 3.3.2伺服电机负载能力校验 (9) 3.3.3系统的刚度计算 (9) 3.3.4固有频率计算 (10) 3.3.5死区误差计算 (11) 3.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 (11) 第四节电气系统设计 (12) 第五节总结 (15) 参考文献 (15) 附：6张系统框图和元器件图
第一节绪论 1.1课程设计目的意义 机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛，现代各种先进技术构成了机电一体化的技术基础。机电一体化系统设计基础课程设计属于机械电子工程专业的课程设计，培养学生综合应用所学的知识，进行机电一体化系统设计的能力。 1.2课程设计任务描述 本课程设计主要要求学生设计一数控铣床的传动系统跟控制系统，即在已有数控系统的基础上，根据实际加工要求，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机的驱动器，伺服电机的厂家很多，即使同一厂家，其生产的产品系统和型号也很多。为了避免在设计过程中选型过于宽广，并考虑到本设计的目的主要是为了训练从事设计的基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床的控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口的相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc 公司生产的产品。 1.3数控铣床的性能指标设计要求 （1）主轴的转速范围：1000—24000 （rpm） （2）主轴电机功率：30/37 kw （3）X/Y/Z轴快速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min （4）系统分辨率：0.0005mm,重复精度0.02mm。
C6132普通车床数控化改造设计 摘要 机床数控化改造的研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资金受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。 本文对C6132普通车床数控化改造进行了深入研究，包括对机床改造进行可行性分析、对机床关键部件参数的计算、对机床结构的设计、对机床改造方案优化选择、选择合适的机床伺服系统和计算机系统，以及在改造中应注意的事项等进行了详细的论述。结果表明:经改造后的机床已达到预期的功能和精度，完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。 关键词:普通车床，数控改造，步进电机，经济型数控系统，MCS-51
C6132 NC lathe design of ordinary ABSTRACT S tudy on machine tool numerical control transformation of important project is to improve the level of technical equipment in China, with large extended serviceand technology in China urgently needs to be updated of the old machine tool case, because the NC machine tool processing capacity and funding is limited, of machine tool numerical control transformation is a saves money, fasted effective way. C6132 lathe NC system to rebuild this article to be an in-depth study, including machine tools retrofitting feasibility analysis, calculation of parameters of the key parts of machine tool design, machine tool, machine too l structure rebuilding scheme optimal selection, choose a suitable machine tools servo system and computer system, and matters for attention in the reform are discussed in detail. Results: after the transformation has reached the expected functionality and accuracy of machine tool, fully able to realize process of cylindrical, conical, thread, automatic control at the end, improve the efficiency of the original production of machine tools, lower labor intensity KEY WORDS：Lathe, numerical control transformation, stepping motors, CNC system, MCS-51
机电一体化课程设计报 告
机电一体化系统设计基础 课程设计报告 专业：机械电子工程 班级：机电0811 学号： 2008716022 姓名：陈智建 指导教师：刘云、柯江岩 2012 年 1 月 13 日
目录 第一节绪论 (4) 1.1课程设计目的意义 (4) 1.2课程设计任务描述 (4) 1.3数控铣床的性能指标设计要求 (4) 第二节总体方案设计 (5) 2.1主轴驱动系统设计方案 (5) 2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计 (5) 2.3电气系统设计方案 (5) 第三节传动系统设计 (6) 3.1主轴传动系统的设计 (6) 3.1.1主轴电机选择 (6) 3.1.2变频器的选择 (6) 3.1.3主轴传动系统设计 (6) 3.2伺服驱动系统设计 (7) 3.2.1伺服传动机构设计 (7) 3.2.2伺服电机选择 (7) 3.2.3 滚珠丝杠的选择 (8) 3.2.4滚珠丝杠支承的选择 (9) 3.3设计验算校核 (9) 3.3.1惯量匹配验算 (9) 3.3.2伺服电机负载能力校验 (10) 3.3.3系统的刚度计算 (11) 3.3.4固有频率计算 (11) 3.3.5死区误差计算 (12) 3.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 (12) 第四节电气系统设计 (13) 后附6张系统框图和元器件图。 (15) 第五节心得体会 (16) 参考文献 (17)
第一节绪论 1.1课程设计目的意义 机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛，现代各种先进技术构成了机电一体化的技术基础。机电一体化系统设计基础课程设计属于机械电子工程专业的课程设计，培养学生综合应用所学的知识，进行机电一体化系统设计的能力。 1.2课程设计任务描述 本课程设计主要要求学生设计一数控铣床的传动系统跟控制系统，即在已有数控系统的基础上，根据实际加工要求，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机的驱动器，伺服电机的厂家很多，即使同一厂家，其生产的产品系统和型号也很多。为了避免在设计过程中选型过于宽广，并考虑到本设计的目的主要是为了训练从事设计的基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床的控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口的相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc公司生产的产品。 1.3数控铣床的性能指标设计要求 （1）主轴的转速范围：1000—24000 （rpm） （2）主轴电机功率：30/37 kw （3）X/Y/Z轴快速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min
目录 1、前言 (2) 2、控制系统硬件的基本组成 (2) 2.1系统扩展 (2) 2.1.1 8031芯片引脚 (3) 2.1.2 数据存储器的扩展 (6) 2.1.3 数据存储器的扩展 (7) 3、控制系统软件的组成及结构 (9) 3.1 监控程序 (10) 3.1.1 系统初始化 (10) 3.1.2 命令处理循环 (10) 3.1.3 零件加工程序（或作业程序）的输入和编辑 (10) 3.1.4 指令分析执行 (10) 3.1.5 系统自检 (11) 3.2 数控机床控制系统软件的结构 (11) 3.2.1 子程序结构 (12) 3.2.2 主程序加中断程序结构 (12) 3.2.3 中断程序结构 (12) 4 、心会得体 (13) 5 、参考文献 (14)
1 、前言 数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。数控机床控制系统的作用是使数控机床机械系统在程序的控制下自动完成预定的工作，是数控机床的主要组成部分。 2、控制系统硬件的基本组成 数控机床控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统在使用中的控制对象各不相同，但其硬件的基本组成是一致的。控制系统的硬件基本组成框图如图1所示。 图1 控制系统硬件基本组成框图 在图1中，如果控制系统是开环控制系统，则没有反馈回路，不带检测装置。 以单片机为核心的控制系统大多采用MCS-51系列单片机中的8031芯片单片机，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。 2.1系统扩展 以8031单片机为核心的控制系统必须扩展程序存储器，用以存放程序。同时，单片机内部的数据存储器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存储
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 (3) 2.3.其它要求 (5) 3进给伺服系统机械部分设计与计算 (5) 3.1进给系统机械结构改造设计 (5) 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 (13) 4.1步进电动机选用的基本原则 (13) 4.1.1步距角α (13) 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 (14) 4.2.1 C6140纵向进给系统步进电机的确定 (14) 4.2.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 (14) 5电动刀架的选择 (15) 6控制系统硬件电路设计 (15) 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 (16) 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 (18) 8参考文献 (18)
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1150mm 3) 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25mm 9) 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 01.0=x δ02.0=z δ
摘要 针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰。 数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。 购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有： 1．对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案； 2．对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究； 3．对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法； 4．根据普通车床CA6140电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造CJK6140-A的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图； 5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图； 6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量； 7.绘出相应的零件图和装备图； 8．给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。 关键词：普通车床、数控、改造
ABSTRACT Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise’s production. As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises’equipment updating step are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country.The main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle. 2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. 3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. 4. The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140’s electricity control system and principle with the reforming CJK6140-A’s NC system. 5. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a techniquediagram. 6. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe. 7. Draw out parts diagrams and assemble diagram. 8 .Methods of installing and testing of general purpose lathe’s numerically controlled reforming were put forward.
C6140普通车床数控化改造设计方 案 有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术
机电一体化综合课程设计 《机电一体化课程设计任务书》普通格式 一．课程设计的目的 本次设计是机电一体化和计算机控制课程结束之后进行的一个重要的综合性、实践性教学环节，课程设计的基本目的是： 1、掌握机电一体化系统的设计过程和方法，包括参数的选择、传动设计、零件计算、结构设计、计算机控制等培养系统分析及设计的能力。 2、综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。
3、训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料、标准和规，编写技术文件（说明书）等。 二．设计任务及要求 设计题目：车辆出入库单片机自动控制系统 1.设计容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书； 2.课题容简介或设计要求：编制一个用单片机控制的车辆出入库管理控制程序，控制要求如下：1）入库车辆前进时，经过1# → 2#传感器后计数器加1，后退时经过2# → 1#传感器后计数器减1，单经过一个传感器则计数器不动作。2）出库车辆前进时经过2# → 1#传感器后计数器减1，后退时经过1# → 2#传感器后计数器加1，单经过一个传感器则计数器不动作。3）设计一个由两位数码管及相应的辅助元件组成的显示电路，显示车库车辆的实际数量。 3.机械部分的设计： 4.计算机控制的设计：设计显示电路图，并按图连接。画出单片机接线图，并按图接线。编制控制程序。 摘要 本次设计车辆出入库单片机自动控制系统的基本功能和设计思路，根据给定的条件，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械和电子方面的知识，完成车辆入库自动控制，并画好元器件的连接图，其中包括装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现，设计计算与说明。 车辆出入库单片机自动控制系统对我们生活很贴近，一个很实用的系统，可以有效地帮助我们管理车库，再加上如果用单片机来实现的话成本低，很实用，这是一个很有意义的设计。车辆入库单片机自动控制系统的难点在于,如何控制
数控机床与编程课程设计说明书设计题目： 成绩： 班级：09级机械三班 学号： 04092317 姓名：于明鑫 指导教师：于春海 设计日期2012年6月18日至2012年6月24日
目录 封面.....................................................错误！未定义书签。课程设计任务书 .. (4) 绪论 ················································································· 1.零件图分析 ······················································································ 2.零件总体工艺分析 ··················································错误！未定义书签。 2.1 选毛培····························································错误！未定义书签。 2.2 加工工艺路线···················································错误！未定义书签。 3.零件加工工艺过程卡 ···············································错误！未定义书签。 4.确定数控加工内容··············································错误！未定义书签。 5.正面铣削数控加工设计·······································错误！未定义书签。 5.1 制定工序2的加工步骤·······································错误！未定义书签。 5.2 确定装夹方案···················································错误！未定义书签。 5.3确定数控铣床 ···················································错误！未定义书签。 5.4 确定数控铣削刀具·············································错误！未定义书签。 5.5编程相关坐标点设定 ··········································错误！未定义书签。 5.6 确定切削用量···················································错误！未定义书签。 5.7 刀具轨迹坐标值的数学处理 ································错误！未定义书签。 5.8 程序编制及说明················································错误！未定义书签。 6.背面铣削数控加工设计·······································错误！未定义书签。 6.1 制定工序3的加工步骤·······································错误！未定义书签。 6.2 确定装夹方案···················································错误！未定义书签。 6.3 确定数控铣削刀具·············································错误！未定义书签。 6.4编程相关坐标点设定 ··········································错误！未定义书签。 6.5 确定切削用量···················································错误！未定义书签。 6.6 刀具轨迹坐标值的数学处理 ································错误！未定义书签。