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C6140臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
機(jī)電一體化
課程設(shè)計(jì)
說(shuō)明書
設(shè)計(jì)題目：C6140臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
班級(jí)：班
設(shè)計(jì)者：
學(xué)號(hào)：
指導(dǎo)教師：
目錄
1設(shè)計(jì)任務(wù) 2
2設(shè)計(jì)要求 3
2.1總體方案設(shè)計(jì)要求 3
2.2設(shè)計(jì)參數(shù) 4
2.3.其它要求 5
3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 6
3.1進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 6
3.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型 6
3.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 6
3.2.2縱向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核 6
3.2.3橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核 10
4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 13
4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則 14
4.1.1步距角α 14
4.1.2精度 14
4.1.3轉(zhuǎn)矩 14
4.1.4啟動(dòng)頻率 14
4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 14
4.2.1 C6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 14
4.2.2 C6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 15
5電動(dòng)刀架的選擇 15
6控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 16
6.1控制系統(tǒng)的功能要求 16
6.2硬件電路的組成： 16
6.3電路原理圖 16
6.4 主軸正反轉(zhuǎn)與冷卻泵啟動(dòng)梯形圖 18
7總結(jié) 18
8參考文獻(xiàn) 19
1設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)任務(wù):將一臺(tái)C6140臥式車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。
主要技術(shù)指標(biāo)如下：
1) 床身最大加工直徑460mm
2) 最大加工長(zhǎng)度1150mm
3) X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量 mm/脈沖，Z方向（縱向）脈沖當(dāng)量 mm/脈沖
4) X方向最快移動(dòng)速度vxmax=3100mm/min，Z方向?yàn)関zmax=6000mm/min
5) X方向最快工進(jìn)速度vxmaxf=370mm/min，Z方向?yàn)関zmaxf=730mm/min
6) X方向定位精度±0.01mm，Z方向±0.02mm
7) 可以車削柱面、平面、錐面與球面等
8) 安裝螺紋編碼器，最大導(dǎo)程為25mm
9) 自動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可以輸注主軸有級(jí)變速與無(wú)極變速信號(hào)
10) 自動(dòng)控制冷卻泵的起/停
11) 縱、橫向安裝限位開(kāi)關(guān)
12) 數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通訊
13) 顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用相應(yīng)數(shù)控代碼
2設(shè)計(jì)要求
2.1總體方案設(shè)計(jì)要求
C6140型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會(huì)擁有量較大的普通型車床。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明，將其改造為數(shù)控機(jī)床，無(wú)論是經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)都是確實(shí)可行了。一般說(shuō)來(lái)，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數(shù)控車床，同時(shí)具有數(shù)控控制和原機(jī)床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。
（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。
（2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性價(jià)比，因此，可選 MCS—51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。
（5）設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。
（6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。
（7）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。
（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。
2.2設(shè)計(jì)參數(shù)
設(shè)計(jì)參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。
由《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表8.1-1可列出C6140臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：
名稱 技術(shù)參數(shù)
在床身上 400mm
工件最大直徑
在刀架上 210mm
頂尖間最大距離 650;900;1400;1900mm
宋制螺紋 mm 1---192
加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2---24
模數(shù)螺紋 mm 0.25---48
徑節(jié)螺紋 t/m 1---96
最大通過(guò)直徑 48mm
孔錐度 莫氏6號(hào)
主軸 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 24
正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 10—1400r/min
反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 12
反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 14---1580r/min
縱向級(jí)數(shù) 64
進(jìn)給量 縱向范圍 0.08---1.59mm/r
橫向級(jí)數(shù) 64
橫向范圍 0.04---0.79mm/r
滑板行程 橫向 320mm
縱向 650;900;1400;1900mm
最大行程 140mm
刀架 最大回轉(zhuǎn)角 ±90°
刀杠支承面至中心的距離 26mm
刀杠截面B×H 25×25mm
頂尖套莫氏錐度 5號(hào)
尾座
橫向最大移動(dòng)量 ±10mm
外形尺寸 長(zhǎng)×寬×高 2418×1000×1267mm
圓度 0.01mm
工作精度 圓柱度 200:0.02
平面度 0.02/φ300mm
表面粗糙度Ra 1.6---3.2μm
主電動(dòng)機(jī) 7.5kw
電動(dòng)機(jī)功率
總功率 7.84kw
改造設(shè)計(jì)參數(shù)如下:
最大加工直徑 在床面上 460mm
在床鞍上 210mm
最大加工長(zhǎng)度 1150mm
快進(jìn)速度 縱向 6000mm/min
橫向 3100mm/min
最大切削進(jìn)給速度 縱向 730mm/min
橫向 370mm/min
溜板及刀架重力 縱向 800N
橫向 600N
脈沖當(dāng)量 縱向 0.02mm/脈沖
橫向 0.01mm/脈沖
定位精度 縱向 ±0.02mm
橫向 ±0.01mm
2.3.其它要求
（1） 原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動(dòng)量 ，以降低成本
縮短改造周期。
（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證
安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。
3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)
進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部分有掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板
刀架等。改造的方案如下：
掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動(dòng)軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。
進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成。絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來(lái)裝軸承座的部分。
溜板箱部分：全部拆除，在原來(lái)安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。
橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的螺母拆除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。
刀架：拆除原刀架，改裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)四方刀架總成。
3.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型
進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力
滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型、齒輪傳動(dòng)計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型等。
3.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量
縱向： 0.02mm/脈沖
由設(shè)計(jì)要求可知：脈沖當(dāng)量
橫向： 0.01mm/脈沖
3.2.2縱向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核
（1）切削力的計(jì)算
由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得 Nc=Ndηk
其中 Nc— 為傳動(dòng)件的額定功率
Nd—主電機(jī)的額定功率， Nd=7.5 kw
η—主傳動(dòng)系統(tǒng)總功率，一般為0.6~0.7，取η=0.65
k—進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取k=0.95
則：Nc=7.5×0.65×0.95＝4.63kw
又因?yàn)椋篘c=×9.8 ≈
式中Vs ——切削速度，取Vs=100m/min
主切削力Fz= =283.356（kgf）=2833.56N
由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》可知主切削力
Fz=CFzapxFz×fyFz×KFz
對(duì)于一般切削情況：
xfz=1，yFz=0.75 ，KFz=1，CFz=188kg/㎜2=1880Mpa
F2的計(jì)算結(jié)果如下：
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
為便于計(jì)算,所以取Fz=2833.56N,以切削深度ap=4㎜，走刀量f=0.3㎜，為以下計(jì)算以此為依據(jù)。
由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得，在一般外圓車削時(shí)，F(xiàn)x≈（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）滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算
由《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床總設(shè)計(jì)》，綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力得
P=KFx+f′（Fz+W）
其中K=1.15 , f′=0.15～0.18 取f′=0.16
P=1.15×1416.78+0.16×(2833.56+800)=2210.67(N)
強(qiáng)度計(jì)算
壽命值Li=
ni=
由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得Ti=15000h, =12mm， D=80㎜
ni= ≈10(r/min)
Li==9
最大動(dòng)負(fù) Q=PfwfH
其中 運(yùn)載系數(shù)fw=1.2
硬度系數(shù)Fh=1
Q=×1.2×2210.67×1=5518.05(N)
根據(jù)最大動(dòng)力負(fù)載荷Q的值，查表選擇滾珠絲杠的型號(hào)為FFZ5012—4，查表得數(shù)控車床的縱向精度為E級(jí)，即型號(hào)為FFZ5012—4—E—1800×640，其額定載荷是44400N
效率計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械原理》得，絲杠螺母副傳動(dòng)效率為 η=
由《機(jī)械原理》得一般為8′～12′取=10′
即：摩擦角=10′，螺旋升角（中徑處）r=3O25′
則η= =0.953
剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程變化量
△L1=±
其中 LO=12㎜=1.2㎝
E=20.6×106N/㎝2
滾珠絲杠橫截面積
F=()π=（）2×3.14=18.09(㎝2)（d為滾珠絲杠外徑）
則△L1==7.12×10-6≈7.12um
查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1800㎜螺絲長(zhǎng)度）為15um/m ，因此，絲杠的剛度符合要求。即剛度足夠。
④穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于原機(jī)床杠徑為Φ30㎜，現(xiàn)選用的滾珠絲杠為Φ50㎜，支承方式不變。所以，穩(wěn)定性不成問(wèn)題，無(wú)需驗(yàn)算。
（3）齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算
1）有關(guān)齒輪的計(jì)算
傳動(dòng)比i=
其中表示步驅(qū)角，表示脈沖當(dāng)量
i==1.25
取齒數(shù)Z1=32, Z2=40
模數(shù)m=2mm 嚙合角為200 齒輪齒寬b=20㎜
d1=mz1=2×32=64mm d2=mz2=2×40=80mm
da1 =2×(32+2)=68mm da2=2×(40+2)=84mm
a===72
2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的選擇
工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J1=()2W=()2×80= 1.859kg.㎝2=18.69N.cm2
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Js=7.8×10-4D4L=7.8×-4×54×180=87.75kg.㎝2=877.5N.cm2
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JZ1=7.8×10-4×(6.4)4×2=2.617kg.㎝2=26.17N.cm2
JZ2=7.8×10-4×84×2=6.39kg.㎝2=63.9N.cm2
由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，一般可忽略不記
所以總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
J總=×(Js+ JZ2)+ JZ1+ J1
=×(87.75+6.39)+2.617+1.869=64.7356kg.㎝2=647.356N.㎝2
3）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M=Mamax+Mf+MO
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M=Mf+MO
式中Mamax —— 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。
Mf —— 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。
MO —— 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。
Mat —— 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。
Mt —— 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
Ma=×10-4（N.m）其中T=0.025
當(dāng)n=nmax時(shí)，Mamax=Ma
nmax===76.0(r/min)
Mamax=×10-4=2.05N.m=20.5kgf.cm
nt===12.44r/min
Mat=×10-4=0.3355N.cm=3.355kgf.cm
Mf==
當(dāng)?=0.8，f′=0.16時(shí)，
Mf==2.446kgf.cm=24.46N.cm
MO=(1-?o2)
當(dāng)?=0.9時(shí)，預(yù)加荷PO=Fx
MO===1.715kgf.cm=17.15N.cm
Mt===9.024kgf.cm=90.24N.cm
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
M快空=Mamax+Mf+MO=20.5+2.446+1.715=24.661kgf.cm=246.61N.cm
切削時(shí)所需力矩
M切= Mat+Mf+MO+Mt=3.355+2.446+9.024+1.715=16.54kgf.cm=165.4N.cm
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
M快速=Mf+MO=2.446+1.715=4.161kgf.cm=41.61N.cm
由以上計(jì)算可得
所需最大力矩Mamax發(fā)生快速啟動(dòng)時(shí)
Mamax=M快空=246.61N.cm
3.2.3橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核
（1）切削力的計(jì)算
橫向進(jìn)給量約為縱向的～,取橫向切削力約為縱向切削力的
∴Fz=F縱z=×2833.56=1416.78N
在切斷工件時(shí)
Fy=0.6 F縱z=0.6×1416.78=850.068N
（2）滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算
強(qiáng)度計(jì)算
對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌 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= =12r/min
壽命值Li===10.8
最大動(dòng)負(fù)載Q=Pfwfh
其中 fw=1.2 fh=1
Q=×1.2×1×1533.45=4067.48N
根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載荷的值,可選擇滾珠絲杠的型號(hào),其公稱直徑為40㎜,型號(hào)為FFB4010-2-E，額定動(dòng)負(fù)載荷為21100W，所以強(qiáng)度夠用。
效率計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械原理》得，絲杠螺母副傳動(dòng)效率為 η=
由《機(jī)械原理》得一般為8′～12′取=10′
即：摩擦角=10′，螺旋升角（中徑處）r=3O38′
則η= =0.956
剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)載，P引起的導(dǎo)程變化量
△L1==
F=（）2 =（）2×3.14=12.25 （其中d為滾珠絲杠的外徑）
△ L1 = =±6.08×10-6㎝=6.08um
因?yàn)闈L珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量△L2很小可忽略不計(jì)，即△L=△L1，
即導(dǎo)程變化總誤差為△=△L=×6.08×10. -6=6.08um/m
查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺矩誤差為15um/n ，所以剛度足夠。
穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于原機(jī)床杠徑為Φ30㎜，現(xiàn)選用的滾珠絲杠為Φ40㎜，支承方式不變。所以，穩(wěn)定性不成問(wèn)題，無(wú)需驗(yàn)算。
（3）齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算
1）有關(guān)齒輪的計(jì)算
傳動(dòng)比i=
其中表示步驅(qū)角，表示脈沖當(dāng)量
i==2.1
取齒數(shù)Z1=30, Z2=63
模數(shù)m=2mm 嚙合角為200 齒輪齒寬b=20㎜
d1=mz1=2×30=60mm d2=mz2=2×63=126mm
da1 =2×(30+2)=64mm da2=2×(65+2)=130mm
a===93
2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的選擇
工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J1=()2W=()2×30= 0.1753kg.㎝2=1.753N.cm2
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Js=7.8×10-4D4L=7.8×-4×44×64=12.78kg.㎝2
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JZ1=7.8×10-4×64×2=2.02kg.㎝2
JZ2=7.8×10-4×（12.6）4×2=39.32kg.㎝2
由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，一般可忽略不記，所以總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
J總=×(Js+ JZ2)+ JZ1+ J1
=×(12.78+39.32)+2.02+0.1753=14.01kg.㎝2
3）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M=Mamax+Mf+MO
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M=Mf+MO
式中Mamax —— 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。
Mf —— 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。
MO —— 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。
Mat —— 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。
Mt —— 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
Ma=×10-4（N.m）其中T=0.025
當(dāng)n=nmax時(shí)，Mamax=Ma
nmax===77.7(r/min)
Mamax=×10-4=0.4536N.m=4.536kgf.cm
nt===25.08r/min
Mat=×10-4=0.1464N.m=1.464kgf.cm
Mf==
當(dāng)?=0.8，f′=0.2時(shí)，
Mf==0.5687kgf.cm=0.05687N.m
MO=(1-?o2)
當(dāng)?=0.9時(shí)，預(yù)加荷PO=Fy
MO===0.17kgf.cm=0.017N. m
Mt===2.686kgf.cm=0.269N.m
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
M快空=Mamax+Mf+MO=0.4536+0.05687+0.017=0.52747N.m=5.2747kgf.cm
切削時(shí)所需力矩
M切= Mat+Mf+MO+Mt=0.1464+0.05687+0.017+0.269=0.48927N.m=4.8927kgf.cm
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
M快速=Mf+MO=0.05687+0.017=0.07387N.m=0.7387kgf.cm
由以上計(jì)算可得，所需最大力矩Mamax發(fā)生快速啟動(dòng)時(shí) Mamax=M快空=0.52747N.m
4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型
4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則
合理選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過(guò)分析后才能正確選擇。現(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下：
4.1.1步距角α
步距角應(yīng)滿足 α ≤
式中 i—傳動(dòng)比
αmin—系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件要求的最小轉(zhuǎn)角
4.1.2精度
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用累積誤差衡量精度比較實(shí)用，所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足：
△θm≤i [△θs]
式中， △θm ---步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的累積誤差。
[△θs]---系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。
4.1.3轉(zhuǎn)矩
為了使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)（不失步，不越步）正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮以下條件
①啟動(dòng)力矩，一般啟動(dòng)力矩選取為 Mq≥
式中 Mq——電機(jī)啟動(dòng)力矩
ML0——電機(jī)靜負(fù)載力矩
②在要求在運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包含負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。
4.1.4啟動(dòng)頻率
由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此，相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足： ft≥[fop]m
式中 ft---極限啟動(dòng)頻率，
[fop]m---要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高啟動(dòng)頻率。
4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
4.2.1 C6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定
Mq===616.525 N.cm
為滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866
所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為：Mjm===711.92N.cm=7.12 N. m
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率：fmax===608.3HZ
綜合考慮，查表選用90BF002型直流電動(dòng)機(jī)，能滿足使用要求。
4.2.2 C6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定
Mq===1.3187 N.m
為滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866
所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為：Mjm===1.5227N. m
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率：fmax===616.7HZ
綜合考慮，查表選用90BF002型直流電動(dòng)機(jī)，能滿足使用要求。
5電動(dòng)刀架的選擇
自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床數(shù)控化改造的關(guān)鍵。它要求刀架要具有抬起、回轉(zhuǎn)、下降、定位和壓緊這一系功能。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下，提供選用的多把刀的可能性。
電動(dòng)刀架的安裝較方便，只要將原車床上的刀架拆下將電動(dòng)刀架裝即可，但要注意兩點(diǎn)：
1) 電動(dòng)刀臺(tái)的兩側(cè)面應(yīng)與車床的橫向進(jìn)給方向平行。
2) 電動(dòng)刀臺(tái)與系統(tǒng)的連線建議如下安裝：沿橫向工作臺(tái)右側(cè)面先走線到車床后面，再沿車床后導(dǎo)軌下方拉出的鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于：避免走線雜亂無(wú)章，而使得加工時(shí)切屑、冷卻液以及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架系統(tǒng)。
綜合各方面因素，選用常州武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4-I型系列四工位自動(dòng)刀架。
機(jī)床型號(hào)
C6140
刀位數(shù)
4
電機(jī)功率（W）
7500
電機(jī)轉(zhuǎn)速
1400r/min
夾緊力
1
切體尺寸
152×152
下刀體尺
161×171
LD4-I型刀架技術(shù)指標(biāo)
配車床型號(hào)
C6140
重復(fù)定位精度
≤0.005mm
工作可靠性
>30000次
換刀時(shí)間
90°
2.9（秒）
180°
3.4（秒）
270°
3.9（秒）
6控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
6.1控制系統(tǒng)的功能要求
1) 接收操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信號(hào)
2) 接收車床限位開(kāi)關(guān)信號(hào)
3) 接收螺紋編碼器信號(hào)、電動(dòng)卡盤加緊信號(hào)、電動(dòng)刀架刀位信號(hào)
4) 控制X（90BF002）、Z（90BF002）向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器
5) 控制主軸的正反轉(zhuǎn)與停止信號(hào)
6) 控制切削液泵起動(dòng)和停止
7) 控制電動(dòng)卡盤的加緊與松開(kāi)
8) 與PC的串行通信（可選）
6.2硬件電路的組成：
后面所畫大圖采用系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：
（1）光電編碼器
（2）三菱編程器FX2N—64MR—001??（主機(jī)32入/32出繼電器輸出）
（3）X軸、Y軸與刀架臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器CH250
（4）X軸、Y軸與刀架臺(tái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)90BF002
（5）CE2109串口光電隔離器
（6）主軸電機(jī)
（7）液壓泵電機(jī)
（8）數(shù)控面板
（9）LED顯示器
6.3電路原理圖
7總結(jié)
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等方面的知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。
本次設(shè)計(jì)，讓我們對(duì)三年的知識(shí)有了總體的綜合運(yùn)用，提高了我們綜合能力和靈活運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論的能力，各科之間的聯(lián)系有了清晰的認(rèn)識(shí)。在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不但復(fù)習(xí)了所學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)，還學(xué)到了新的知識(shí)，同時(shí)將所學(xué)到的知識(shí)充分的運(yùn)用起來(lái)，做到了學(xué)以致用，還學(xué)會(huì)了查資料，除此之外，我還懂得了團(tuán)結(jié)合作的重要性，知道了集體的力量！
當(dāng)然，在此過(guò)程中也有許多不足之處，例如：知識(shí)的不全面，所學(xué)的還沒(méi)有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動(dòng)形象的一課。
通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，讓我們知道自己還有很多的不足，只有通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)、改進(jìn)，更好的提高自己的綜合能力才能在社會(huì)上立足。同時(shí)我也堅(jiān)信只要努力、堅(jiān)持，我們就能走好人生的每一步。
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