卧式车床数控化改造设计

杭 州 电 子 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院第 八 章 卧 式 车 床 数 控 化 改 造 设 计 机 电 一 体 化 系 统 设 计 1 设 计 任 务 2 总 体 方 案 的 确 定 引 言第 八 章 卧 式 车 床 数 控 化 改 造 设 计 3 具 体 设 计 机 电 一 体 化 系 统 设 计 一 、 引 言 普 通 车 床 （ 如 C616/C6132、 C618/C6136、 C620/C6140、C630等 ） 是 金 属 切 削 加 工 最 常 用 的 一 类 机 床 。 当 工 件随 主 轴 回 转 时 ， 通 过 刀 架 的 纵 向 和 横 向 移 动 ， 能 加 工出 内 外 圆 柱 面 、 圆 锥 面 、 端 面 、 螺 纹 面 等 ， 借 助 成 型刀 具 ， 还 能 加 工 各 种 成 形 回 转 表 面 。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 图 C6140普 通 车 床 的 结 构 布 局1-床 脚 2-挂 轮 3-进 给 箱 4-主 轴 箱 5-纵 溜 板 6-溜 板 箱 7-横 溜 板8-刀 架 9-上 溜 板 10-尾 座 11-丝 杠 12-光 杠 13-床 身 机 电 一 体 化 系 统 设 计 普 通 车 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 杆 或 丝 杆 带 动 溜 板 箱 、 纵 溜 板 以 及 横 溜 板 产 生移 动 。 进 给 参 数 依 靠 手 工 调 整 ， 改 变 参 数 时 需 要 停车 。 刀 架 的 纵 向 进 给 和 横 向 进 给 不 能 联 动 ， 切 削 次序 需 要 人 工 控 制 。卧 式 车 床 数 控 化 改 造 设 计 机 电 一 体 化 系 统 设 计 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 改成 用 微 机 控 制 的 、能 独 立 运 动 的 进给 伺 服 系 统 ； 将手 动 刀 架 换 成 能自 动 换 刀 的 电 动刀 架 。卧 式 车 床 数 控 化 改 造 设 计 机 电 一 体 化 系 统 设 计 题 目 ： C6140普 通 车 床 数 控 化 改 造 设 计 任 务 ： 将 一 台 C6140普 通 车 床 改 造 成 经 济 型 数 控 车床 。一 、 设 计 任 务 机 电 一 体 化 系 统 设 计 一 、 设 计 任 务主 要 技 术 指 标 如 下 ： （ 1） 床 身 上 最 大 加 工 直 径 400 mm； （ 2） 最 大 加 工 长 度 1000 mm； （ 3） X方 向 (横 向 )的 脉 冲 当 量 x = 0.005 mm/脉 冲 , Z方 向 (纵 向 )z = 0.01 mm/脉 冲 ； （ 4） X方 向 最 快 移 动 速 度 vxmax = 3000 mm/min， Z方 向为 vzmax = 6000 mm/min； （ 5） X方 向 最 快 工 进 速 度 v xmaxf = 400 mm/min， Z方 向为 vzmaxf = 800 mm/min； （ 6） X方 向 定 位 精 度 0.01 mm， Z方 向 0.02 mm 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 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 为 24 mm；（ 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 。一 、 设 计 任 务 机 电 一 体 化 系 统 设 计 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 。二 、 总 体 方 案 的 确 定（ 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 。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 二 、 总 体 方 案 的 确 定（ 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 简 化结 构 ， 降 低 成 本 。 因 此 ， 进 给 伺 服 系 统常 采 用 步 进 电 动 机 的 开环 控 制 系 统 。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 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 。二 、 总 体 方 案 的 确 定 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 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 。二 、 总 体 方 案 的 确 定 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 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 。二 、 总 体 方 案 的 确 定 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 6） 计 算 选 择 步 进 电 动 机 ， 为 了 圆 整 脉 冲 当量 ， 可 能 需 要 减 速 轮 副 ， 且 应 有 消 间 隙 机 构 。二 、 总 体 方 案 的 确 定 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 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 。二 、 总 体 方 案 的 确 定 机 电 一 体 化 系 统 设 计 1 主 传 动 系 统 的 改 造 方 案 三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 对 普 通 车 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 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 。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 提 高 车 床 的 自 动 化 程 度 ， 需 要 在 加 工 中 自 动变 换 转 速 ， 用 2 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 ， 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70Hz， 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 ） 。三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 机 电 一 体 化 系 统 设 计 采 用 有 级 变 速 时 ， 可 选 用 浙 江 超 力 电 机 有 限 公司 生 产 的 YD系 列 7.5kW变 极 多 速 三 相 异 步 电 动 机 ， 实现 2 档 变 速 ；三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 采 用 无 级 变 速 时 ， 应加 装 交 流 变 频 器 ， 推 荐 型号 为 ： F1000-G0075T3B，适 配 7.5kW电 动 机 ， 生 产 厂家 为 烟 台 惠 丰 电 子 有 限 公司 。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 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 机 床 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 系统 发 信 控 制 。三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案2 安 装 电 动 卡 盘 机 电 一 体 化 系 统 设 计 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 。三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 机 电 一 体 化 系 统 设 计 4 螺 纹 编 码 器 的 安 装 方 案 三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 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 位 置 信 号 的 反馈 元 件 ， 它 与 车 床 主轴 同 步 转 动 。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 改 造 后 的 车 床 能 够 加 工 的 最 大 螺 纹 导 程 是 24 mm，Z向 的 进 给 脉 冲 当 量 是 0.01 mm/脉 冲 ， 所 以 螺 纹 编 码器 每 转 一 转 输 出 的 脉 冲 数 应 不 少 于 24 mm /（ 0.01 mm/脉 冲 ） =2400脉 冲 。 考 虑 到 编 码 器 的 输 出 有 相 位 差 为 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。三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 机 电 一 体 化 系 统 设 计 基 于 上 述 要 求 ， 本 例 选 择 螺 纹 编 码 器 的 型 号 为 ：ZLF-1200Z-05V0-15-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 15 mm， 生 产 厂 家 为 长 春 光 机 数 显 技 术 有 限 公 司 。三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 机 电 一 体 化 系 统 设 计 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 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 联 接 起 来 。三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 机 电 一 体 化 系 统 设 计 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 联 接 ， 且 车 床 主 轴 的 最 高 转 速 不 允 许超 过 编 码 器 的 最 高 许 用 转 速 。 三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 机 电 一 体 化 系 统 设 计 5 进 给 系 统 的 改 造 与 设 计 方 案 三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案（ 1） 拆 除 挂 轮 架 所 有 齿 轮 ， 在 此 寻 找 主 轴的 同 步 轴 ， 安 装 螺 纹 编 码 器 。（ 2） 拆 除 进 给 箱 总 成 ， 在 此 位 置 安 装 纵 向进 给 步 进 电 动 机 与 同 步 带 减 速 箱 总 成 。（ 3） 拆 除 溜 板 箱 总 成 与 快 走 刀 的 齿 轮 齿 条， 在 纵 溜 板 的 下 面 安 装 纵 向 滚 珠 丝 杠 的 螺母 座 与 螺 母 座 托 架 。（ 4） 拆 除 四 方 刀 架 与 上 溜 板 总 成 ， 在 横 溜板 上 方 安 装 四 工 位 立 式 电 动 刀 架 。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 5） 拆 除 横 溜 板 下 的 滑 动 丝 杆 螺 母 副 ，将 滑 动 丝 杆 靠 刻 度 盘 一 段 （ 长 216 mm）锯 断 保 留 ， 拆 掉 刻 度 盘 上 的 手 柄 ， 保 留 刻度 盘 附 近 的 两 个 推 力 轴 承 ， 换 上 滚 珠 丝 杠副 。（ 6） 将 横 向 进 给 步 进 电 动 机 通 过 法 兰 座安 装 到 横 溜 板 后 部 的 纵 溜 板 上 ， 并 与 滚 珠丝 杠 的 轴 头 相 联 。（ 7） 拆 去 三 杆 （ 丝 杆 、 光 杆 与 操 纵 杆 ） ，更 换 丝 杆 的 右 支 承 。三 、 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 机 电 一 体 化 系 统 设 计 纵 、 横 向 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 主要 包 括 ： 确 定 脉 冲 当 量 、 计 算 切 削 力 、 选择 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 、 设 计 减 速 箱 、 选 择 步进 电 动 机 等 。 以 下 详 细 介 绍 纵 向 进 给 机 构 ，横 向 进 给 机 构 与 纵 向 类 似 ， 在 此 从 略 。四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 1 脉 冲 当 量 的 确 定 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 根 据 设 计 任 务 的 要 求 ， X方 向 （ 横 向 ）的 脉 冲 当 量 为 x = 0.005 mm/脉 冲 ， Z方向 （ 纵 向 ） 为 z = 0.01 mm/脉 冲 。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型2 切 削 力 的 计 算 纵 向 车 削 力 的 计 算 设 工 件 材 料 为 碳 素 结 构 钢 ， b 650 Mpa； 选 用 刀 具 材 料 为 硬 质 合 金 YT15； 刀 具 几 何 参 数 为 ： 主 偏 角 kr 60 ， 前 角 010 ， 刃 倾 角 s 5 ； 切 削 用 量 为 ： 背 吃 刀 量 ap 3 mm， 进 给 量 f =0.6 mm/r， 切 削 速 度 vc 105 m/min。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 查 表 3-1， 得 ： 2795， 1.0， 0.75， 0.15。 查 表 ， 得 ： 主 偏 角 r的 修 正 系 0.94； 刃 倾 角 、前 角 和 刀 尖 圆 弧 半 径 的 修 正 系 数 值 均 为 1.0。 由 经 验 公 式 ， 算 得 主 切 削 力 2673.4 N。 由 经 验公 式 : : 1： 0.35： 0.4， 算 得 纵 向 进 给 切 削 力 935.69 N， 背 向 力 =1069.36 N。cFC cFx cFy cFncFkrkcF cFfF pFfF pF 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 已 知 移 动 部 件 总 重 量 G=1300 N； 车 削 力 =2673.4 N， =1069.36 N， =935.69 N。cFpFfF 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型3 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 计 算 和 选 型 （ 纵 向 ） （ 1） 工 作 载 荷 Fm的 计 算 机 电 一 体 化 系 统 设 计 根 据 = ， = ， = 的 对 应 关 系 ， 可 得 ： =2673.4 N， =1069.36 N， =935.69 N。选 用 矩 形 三 角 形 组 合 滑 动 导 轨 ， 查 表 ， 取 = 1.15， = 0.16，代 入 Fm + , 得 工 作 载 荷Fm 1712 N。zF yF xF )( GFz KK cF pF fFzF yF xFxF四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 设 车 床 Z向 在 承 受 最 大 切 削 力 条 件 下 最 快 的进 给 速 度 V=0.8 m/min， 初 选 丝 杠 基 本 导 程 Ph = 6 mm， 则 此 时 丝 杠 转 速 n = 1000V/Ph 133 （ r/min） 。 取 滚 珠 丝 杠 的 使 用 寿 命 T=15000 h， 代 入 L0 = 60 n T / 106， 得 丝 杠 寿 命 系 数 L0 = 119.7（ 单 位 为 ： 106 r） 。 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型（ 2） 最 大 动 载 荷 FQ的 计 算查 表 3-30， 取 载 荷 系 数 fW = 1.15， 硬 度 系 数 fH = 1， 代 入 下 式 ， 得 到 最 大 动 载 荷 ： 3 0 9703Q W H mF L f f F N 机 电 一 体 化 系 统 设 计 根 据 计 算 出 的 最 大 动 载 荷 ， 查 表 3-33，选 择 启 东 润 泽 机 床 附 件 有 限 公 司 生 产 的FL4006型 滚 珠 丝 杠 副 。 其 公 称 直 径 为 40 mm， 基 本 导 程 为 6 mm， 双 螺 母 滚 珠 总 圈数 为 3 2 = 6 圈 ， 精 度 等 级 取 4级 ， 额 定动 载 荷 为 13200 N， 满 足 要 求 。 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型（ 3） 初 选 型 号 机 电 一 体 化 系 统 设 计 将 公 称 直 径 =40 mm， 基 本 导 程 mm， 代 入 = arctan Ph / ( d0 ) ， 得 丝 杠 螺旋 升 角 = 2 44。 将 摩 擦 角 =10， 代 入 = tan / tan(+ )， 得 传 动 效 率 = 94.2%。 0d 6hP四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型（ 4） 传 动 效 率 的 计 算 机 电 一 体 化 系 统 设 计 采 取 一 端 轴 向 固 定 ， 一 端 简 支 的 方 式 。 固 定端 采 取 一 对 推 力 角 接 触 球 轴 承 ， 面 对 面 组 配 。 丝杠 加 上 两 端 接 杆 后 ， 左 、 右 支 承 的 中 心 距 离 约 为a=1497 mm； 钢 的 弹 性 模 量 2.1 Mpa；查 表 ， 得 滚 珠 直 径 =3.9688 mm， 算 得 :丝 杠 底 径 d2=公 称 直 径 滚 珠 直 径 =36.0312 mm， 则 丝 杠 截 面 积 /4 =1019.64 （ mm2） 。 E 510 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型（ 5） 刚 度 的 验 算1） Z向 滚 珠 丝 杠 副 的 支 承 wD 0d wD22dS 机 电 一 体 化 系 统 设 计 ( ) 3， 求 得 单 圈 滚 珠 数 目 = 29； 该型 号 丝 杠 为 双 螺 母 ， 滚 珠 总 圈 数 为 3 2 = 6， 则 滚 珠总 数 量 29 6 =174。 滚 珠 丝 杠 预 紧 时 ， 取 轴 向 预紧 力 = /3571 N。 则 ， 求 得 滚 珠 与 螺 纹 滚 道 间 的接 触 变 形 量 0.00117 mm。wDd /0 Z ZZYJF mF 2四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型2） 根 据 公 式 求 得 单 圈 滚 珠 数 目 因 为 丝 杠 加 有 预 紧 力 ， 且 为 轴 向 负 载 的 1/3， 所 以实 际 变 形 量 可 减 小 一 半 ， 取 = 0.000585 mm。 2 机 电 一 体 化 系 统 设 计 3） 将 以 上 算 出 的 和 代 入 ,求 得 丝 杠 总 变 形 量（ 对 应 跨 度 1497 mm） 0.012555 mm=12.555m。查 表 知 ， 4级 精 度 滚 珠 丝 杠 任 意 300 mm轴 向 行 程 内 行 程的 变 动 量 允 许 16 m， 而 对 于 跨 度 为 1497 mm的 滚 珠 丝 杠 ，总 的 变 形 量 只 有 12.555m， 可 见 丝 杠 刚 度 足 够 。1 2 21 总总总四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型（ 5） 刚 度 的 验 算 机 电 一 体 化 系 统 设 计 根 据 公 式 计 算 失 稳 时 的 临 界 载 荷 Fk。 查 表 ， 取 支 承 系数 = 2； 由 丝 杠 底 径 = 36.0312mm, 得 截 面 惯 性 矩 82734.15mm4； 压 杆 稳 定 安 全 系 数 取 3（ 丝 杠卧 式 水 平 安 装 )； 滚 动 螺 母 至 轴 向 固 定 处 的 距 离 取 最 大值 1497 mm。 求 得 得 临 界 载 荷 51012 N， 远 大 于 工 作 载荷 故 丝 杠 不 会 失 稳 。 综 上 所 述 ， 初 选 的 滚 珠 丝 杠 副 满 足 使 用 要 求 。kf 2d64/42dI KakFmF四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型（ 6） 压 杆 稳 定 性 校 核 机 电 一 体 化 系 统 设 计 为 了 满 足 脉 冲 当 量 的 设 计 要 求 和 增 大 转 矩 ， 同 时 也 为 了使 传 动 系 统 的 负 载 惯 量 尽 可 能 地 减 小 ， 传 动 链 中 常 采 用 减速 传 动 。 本 例 中 ， Z向 减 速 箱 选 用 同 步 带 传 动 。 设 计 同 步 带 减 速 箱 需 要 的 原 始 数 据 有 ： 带 传 递 的 功 率 ；主 动 轮 转 速 和 传 动 比 i； 传 动 系 统 的 位 置 和 工 作 条 件 等 。根 据 改 造 经 验 ， C6140车 床 Z向 步 进 电 动 机 的 最 大 静 转 矩 通常 在 15-25 Nm之 间 选 择 。 今 初 选 电 动 机 型 号 为 130BYG5501， 五 相 混 合 式 ， 最 大静 转 矩 为 20 Nm， 十 拍 驱 动 时 步 距 角 为 0.72。四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型4. 同 步 带 减 速 箱 的 设 计 （ 纵 向 ） 机 电 一 体 化 系 统 设 计图 6-4 130BYG5501步 进 电 动 机 的 运 行 矩 频 特 性 曲 线图 130BYG5501步 进 电 机 运 行 矩 频 特 性 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 1） 传 动 比 i的 确 定 已 知 电 动 机 的 步 距 角 = 0.72， 脉冲 当 量 z= 0.01 mm/脉 冲 ， 滚 珠 丝 杠 导 程 Ph= 6 mm。 根据 公 式 算 得 传 动 比 i = 1.2。 （ 2） 主 动 轮 最 高 转 速 由 Z向 拖 板 的 最 快 移 动 速 度vzmax=6000mm/min， 可 以 算 出 主 动 轮 最 高 转 速 =（ vzmax /z ） / 360 =1200（ r/min） 。 （ 3） 确 定 带 的 设 计 功 率 Pd 预 选 的 步 进 电 动 机 在 转 速 为 1200 r/min时 ， 对 应 的 步进 脉 冲 频 率 为 ： fmax= 1200 360 / ( 60 ) = 10000（ Hz） 。1n 1n四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 查 图 得 ， 当 脉 冲 频 率 为 10000 Hz时 ， 电 动 机 的 输 出转 矩 约 为 3.8 Nm， 对 应 的 输 出 功 率 为POUT = n T / 9.55 = 1200 3.8 / 9.55 477.5（ W） 。同 步 带 传 递 的 负 载 功 率 应 该 小 于 477.5 W， 今 取 P = 0.32 kW， 查 表 取 工 作 情 况 系 数 KA = 1.2， 则 求 得 带 的 设 计 功率 Pd = KA P =1.2 0.32 kW= 0.384 kW。 （ 4） 选 择 带 型 和 节 距 根 据 带 的 设 计 功 率 Pd=0.384 kW和 主 动 轮 最 高 转 速 =1200 r/min， 查 图 选 择 同 步 带 ， 型号 为 XL型 ， 节 距 =5.08 mm。 bp1nbp 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 5） 确 定 小 带 轮 齿 数 和 小 带 轮 节 圆 直 径 取 =25， 则 小 带 轮 节 圆 直 径 = =40.43 mm。当 达 最 高 转 速 1200 r/min时 ， 同 步 带 的 速 度 为 =2.54（ m/s） ， 没 有 超 过 XL型 带 的 极 限 速度 40 m/s。 1z 1d1bp z1 160 1000d nv 1z 1d四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计（ 7） 初 选 中 心 距 、 带 的 节 线 长 度 、 带 的 齿 数 初 选中 心 距 =1.3（ + ） =115.622 mm， 圆 整 后 取 =120mm.则 带 的 节 线 长 度 为 0a 0pL bz 2z 2di 2 1d id 1d 22 10 0 1 2 0( )2 ( )2 4p d dL a d d a 2z 1z 0a 2d0a m m 379.843= 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型（ 6） 确 定 大 带 轮 齿 数 和 大 带 轮 节 圆 直 径 大 带 轮 齿数 = =30,节 圆 直 径 =48.51 mm。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 8） 计 算 实 际 中 心 距 实 际 中 心 距 （ 9） 校 验 带 与 小 带 轮 的 啮 合 齿 数 啮 合 齿 数 比 6大 ， 满 足 要 求 。a00 2p pL La a mz11 2 12 ( )2 2bm pzzz ent z za 120.5785m m 12 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 10） 计 算 基 准 额 定 功 率 式 中 带 宽 为 的 许 用 工 作 拉 力 ， 查 表 3-21得 =50.17N； 带 宽 为 的 单 位 长 度 的 质 量 ， 查 表 3-21得 =0.022 同 步 带 的 带 速 ， 可 知 =2.54 m/s。算 得 = 0.127 kW。 20 ( )1000aT mv vP 0sbm aTv 0P 0sbm v0P kg/m 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 11） 确 定 实 际 所 需 同 步 带 宽 度 式 中 选 定 型 号 的 基 准 宽 度 ， 查 表 得 = 9.5 mm； 小 带 轮 啮 合 齿 数 系 数 ， 查 表 得 =1。 由 上 式 算 得 25.07 mm， 再 查 表 选 定 最 接 近 的 带宽 =25.4 mm。sb 1/1.140 0ds zPb K P 0sb zKzK sb0sb sb sb 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 12） 带 的 工 作 能 力 验 算 根 据 公 式 ， 计 算 同 步 带 额 定 功 率 P的 精 确 值 ： 式 中 ， 为 齿 宽 系 数 = 3.068； 经 计 算 得P = 0.390 kW， 而 Pd = 0.384 kW， 满 足 PPd 。 因 此 ， 带的 工 作 能 力 合 格 。 2 30( ) 10sz w a sbP K K T mv vb wK 1.140( / )w s sK b b四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 5. 步 进 电 动 机 的 计 算 与 选 型 （ 纵 向 ）（ 1） 计 算 加 在 步 进 电 动 机 转 轴 上 的 总 转 动 惯 量 eqJ0dhP33 /1085.7 cmkg四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型已 知 ： 滚 珠 丝 杠 的 公 称 直 径 =40 mm， 总 长 （ 带 接杆 )l=1560 mm， 导 程 6 mm， 材 料 密 度 ;纵 向 移 动 部 件 总 重 量 G = 1300 N； 同步 带 减 速 箱 大 带 轮 宽 度 28 mm， 节 径 48.51 mm， 孔 径30 mm， 轮 毂 外 径 42 mm， 宽 度 14 mm； 小 带 轮 宽 度28 mm， 节 径 40.43 mm， 孔 径 19mm， 轮 毂 外 径 29 mm， 宽 度 12 mm； 传 动 比 i =1.2。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 查 表 ， 可 以 算 得 各 个 零 部 件 的 转 动 惯 量 如 下 （ 具体 计 算 过 程 从 略 ） ： 滚 珠 丝 杠 的 转 动 惯 量 =30.78 ；拖 板 折 算 到 丝 杠 上 的 转 动 惯 量 =1.21 ； 小 带 轮 的 转动 惯 量 =0.60;大 带 轮 的 转 动 惯 量 =1.27。 在 设 计 减 速 箱 时 ， 初 选 的 Z向 步 进 电 动 机 型 号 为130BYG5501， 查 表 得 该 型 号 电 动 机 转 子 的 转 动 惯 量 。则 加 在 步 进 电 动 机 转 轴 上 的 总 转 动 惯 量 为 ： = + +（ + + ） / 56.7 SJWJ1zJ 2zJ33mJ 2cmkg eqJ mJ 1zJ 2zJ WJ SJ 2i 2cmkg 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型表 4-1为 转 动 惯 量 计 算 表 。 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 2） 计 算 加 在 步 进 电 动 机 转 轴 上 的 等 效 负 载 转 矩 分 快 速 空 载 起 动 和 承 受 最 大 工 作 负 载 两 种 情 况 进 行 计 算 。 1） 快 速 空 载 起 动 时 电 动 机 转 轴 所 承 受 的 负 载 转 矩 包 括 三 部 分 ： 快 速 空 载 起 动 时 折 算 到 电 动 机 转 轴 上 的最 大 加 速 转 矩 ， 移 动 部 件 运 动 时 折 算 到 电 动 机 转 轴上 的 摩 擦 转 矩 ， 滚 珠 丝 杠 预 紧 后 折 算 到 电 动 机 转 轴 上的 附 加 摩 擦 转 矩 。 因 为 滚 珠 丝 杠 副 传 动 效 率 很 高 ， 可知 ， 相 对 于 和 很 小 ， 可 以 忽 略 不 计 。 则 有 ： = + eqTm axaT1eqT fT 0T 1eqT0T fT1eqT m axaTfTm axaT四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 考 虑 Z向 传 动 链 的 总 效 率 ， 计 算 快 速 空 载 起 动 时 折 算 到电 动 机 转 轴 上 的 最 大 加 速 转 矩 ： 式 中 nm 对 应 Z向 空 载 最 快 移 动 速 度 的 步 进 电 动 机 最 高转 速 ， 单 位 为 r/min； 步 进 电 动 机 由 静 止 到 加 速 至 nm转 速 所 需 的 时 间 ，单 位 为 s。其 中 ： 式 中 Z向 空 载 最 快 移 动 速 度 ， 任 务 书 指 定 为 6000 mm/min； Z向 步 进 电 动 机 步 距 角 ， 为 0.72； Z向 脉 冲 当 量 ， 本 例 =0.01 mm/脉 冲 。 将 以 上 各 值 代 入 ， 算 得 n m=1200 r/min。 1602m ax a meqa tnJTat 360m axvnm m axv 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 设 步 进 电 动 机 由 静 止 到 加 速 至 nm转 速 所 需 时 间 =0.4 s，Z向 传 动 链 总 效 率 = 0.7。 则 求 得 ： 2.54（ Nm） 可 知 ， 移 动 部 件 运 动 时 ， 折 算 到 电 动 机 转 轴 上 的 摩 擦 转 矩 为 ： 式 中 导 轨 的 摩 擦 系 数 ， 滑 动 导 轨 取 0.16； 垂 直 方 向 的 工 作 负 载 ， 空 载 时 取 0； Z向 传 动 链 总 效 率 ， 取 0.7。则 得 ： 0.24（ Nm）最 后 求 得 快 速 空 载 起 动 时 电 动 机 转 轴 所 承 受 的 负 载 转 矩 为 ： = + = 2.78 Nm at 7.04.060 1200107.562 4m ax aT i PGFT hcf 2 )( cF 2.17.02 006.0)13000(16.0 fT1eqT m axaT fT 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 2） 最 大 工 作 负 载 状 态 下 电 动 机 转 轴 所 承 受 的 负 载 转 矩 ， 包 括 三 部 分 ： 折 算 到 电 动 机 转 轴 上 的 最 大 工 作 负 载 转 矩Tt ， 移 动 部 件 运 动 时 折 算 到 电 动 机 转 轴 上 的 摩 擦 转 矩 Tf ， 滚珠 丝 杠 预 紧 后 折 算 到 电 动 机 转 轴 上 的 附 加 摩 擦 转 矩 T0。 T0相对 于 Tt和 Tf很 小 ， 可 以 忽 略 不 计 。 则 有 ： = Tt + Tf 其 中 ， 折 算 到 电 动 机 转 轴 上 的 最 大 工 作 负 载 转 矩 Tt。 本 例 中在 对 滚 珠 丝 杠 进 行 计 算 的 时 候 ， 已 知 进 给 方 向 的 最 大 工 作 载荷 Ff = 935.69 N， 则 有 ： 1.06（ Nm） 2eqT2eqT 2eqT 2.17.02 006.069.9352 iPFT hft 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 再 计 算 承 受 最 大 工 作 负 载 （ =2673.4N） 情 况 下 ， 移 动部 件 运 动 时 折 算 到 电 动 机 转 轴 上 的 摩 擦 转 矩 ： （ Nm）最 后 求 得 最 大 工 作 负 载 状 态 下 电 动 机 转 轴 所 承 受 的 负 载 转 矩 = Tt + Tf = 1.78 Nm 经 过 上 述 计 算 后 ， 得 到 加 在 步 进 电 动 机 转 轴 上 的 最 大 等 效 负载 转 矩 =max ， = 2.78 NmcFi PGFT hcf 2 )( 2eqT eqT 1eqT 2eqT 0.72 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 3） 步 进 电 动 机 最 大 静 转 矩 的 选 定 考 虑 到 步 进 电 动 机 采 用 的 是 开 环 控 制 ， 当 电 网 电压 降 低 时 ， 其 输 出 转 矩 会 下 降 ， 可 能 造 成 丢 步 ， 甚 至堵 转 。 因 此 ， 根 据 来 选 择 步 进 电 动 机 的 最 大 静 转 矩时 ， 需 要 考 虑 安 全 系 数 。 本 例 中 取 安 全 系 数 K = 4， 则步 进 电 动 机 的 最 大 静 转 矩 应 满 足 ： Tjmax 4 = 4 2.78 Nm = 11.12 Nm 对 于 前 面 预 选 的 130BYG5501型 步 进 电 动 机 ， 查 表 可 知 ，其 最 大 静 转 矩 Tjmax= 20 Nm， 可 见 完 全 满 足 要 求 。四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 4） 步 进 电 动 机 的 性 能 校 核 1） 最 快 工 进 速 度 时 电 动 机 输 出 转 矩 校 核 任 务书 给 定 Z向 最 快 工 进 速 度 =800mm/min， 脉 冲 当 量=0.01 mm/脉 冲 ， 求 出 电 动 机 对 应 的 运 行 频 率 = 800/（ 60 0.01） 1333(Hz)。 从 130BYG5501的 运 行 矩 频 特性 图 可 以 看 出 ， 在 此 频 率 下 ， 电 动 机 的 输 出 转 矩 17 Nm， 远 远 大 于 最 大 工 作 负 载 转 矩 =1.78 Nm， 满 足 要 求 。 fvm ax ffm ax fTm ax 2eqT 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 2） 最 快 空 载 移 动 时 电 动 机 输 出 转 矩 校 核 任 务 书 给 定 Z向 最 快 空 载 移 动 速 度 =6000mm/min， 求 出 电 动 机 对 应 的 运 行 频率 =6000/（ 60 0.01） =10000(Hz)。 查 图 得 ， 在此 频 率 下 ， 电 动 机 的 输 出 转 矩 =3.8 Nm， 大 于 快速 空 载 起 动 时 的 负 载 转 矩 = 2.78 Nm， 满 足 要 求 。m axv m axT1eqTm axf四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 3） 最 快 空 载 移 动 时 电 动 机 运 行 频 率 校 核 最 快 空 载 移 动 速 度 = 6000 mm/min对 应 的 电 动机 运 行 频 率 = 10000 Hz。 查 表 可 知 130BYG5501的 极 限 运 行 频 率 为 20000 Hz， 可 见 没 有 超 出 上 限 。m axvm axf四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 4） 起 动 频 率 的 计 算 已 知 电 动 机 转 轴 上 的 总转 动 惯 量 Jeq= 56.7 ， 电 动 机 转 子 自 身 的 转 动 惯量 ， 查 表 可 知 电 动 机 转 轴 不 带 任 何 负 载 时 的 最 高空 载 起 动 频 率 =1800Hz 。 则 可 以 求 出 步 进 电 动机 克 服 惯 性 负 载 的 起 动 频 率 为 ： =1092Hz33mJ 2cmkg qf meqqL JJff 1 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 说 明 ， 要 想 保 证 步 进 电 动 机 起 动 时 不 失 步 ，任 何 时 候 的 起 动 频 率 都 必 须 小 于 1092Hz。 实 际 上 ，在 采 用 软 件 升 降 频 时 ， 起 动 频 率 选 得 很 低 ， 通 常只 有 100Hz（ 即 100脉 冲 /s） 。 综 上 所 述 ， 本 例 中 Z向 进 给 系 统 选 用130BYG5501步 进 电 动 机 ， 可 以 满 足 设 计 要 求 。四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 6 同 步 带 传 递 功 率 的 校 核 分 两 种 工 作 情 况 ， 分 别 进 行 校 核 。 （ 1） 快 速 空 载 起 动 电 动 机 从 静 止 到 加 速 至 nm=1200 r/min， 同 步 带 传 递 的 负载 转 矩 Teq1=2.78 Nm， 传 递 的 功 率 为 P = nm Teq1 / 9.55 =1200 2.78/9.55349.3W （ 2） 最 大 工 作 负 载 、 最 快 工 进 速 度 带 需 要 传 递 的 最 大 工 作 负 载 转 矩 Teq2 = 1.78 Nm， 任 务 书给 定 最 快 工 进 速 度 vmaxf = 800mm/min， 对 应 电 动 机 转 速 nmaxf nmaxf =（ vmaxf /z） /360=160（ r/min）传 递 的 功 率 为 P P = n maxf Teq2 / 9.55 =160 1.78/9.55 29.8W 两 种 情 况 下 同 步 带 传 递 的 负 载 功 率 均 小 于 带 的 额 定 功 率0.39kW。 因 此 ， 选 择 的 同 步 带 功 率 合 格 。 四 、 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 机 电 一 体 化 系 统 设 计 在 完 成 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 、 减 速 箱 和 步 进 电 动 机 的计 算 、 选 型 后 ， 就 可 以 着 手 绘 制 进 给 传 动 机 构 的 装配 图 了 。 在 绘 制 装 配 图 时 ， 需 要 考 虑 以 下 问 题 ： 五 、 绘 制 进 给 传 动 机 构 的 装 配 图 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 1） 了 解 原 车 床 的 详 细 结 构 ， 从 有 关 资 料 中 查 阅 床 身 、 纵 溜板 、 横 溜 板 、 刀 架 等 的 结 构 尺 寸 。（ 2） 根 据 载 荷 特 点 和 支 承 形 式 ， 确 定 丝 杠 两 端 轴 承 的 型 号 、轴 承 座 的 结 构 以 及 轴 承 的 预 紧 和 调 节 方 式 。（ 3） 考 虑 各 部 件 之 间 的 定 位 、 联 接 和 调 整 方 法 。 例 如 ， 应 保证 丝 杠 两 端 支 承 与 螺 母 座 同 轴 ， 保 证 丝 杠 与 机 床 导 轨 平 行 ，考 虑 螺 母 座 、 支 承 座 在 安 装 面 上 的 联 接 与 定 位 ， 同 步 带 减 速箱 的 安 装 与 定 位 ， 同 步 带 的 张 紧 力 调 节 ， 步 进 电 动 机 的 联 接与 定 位 等 。五 、 绘 制 进 给 传 动 机 构 的 装 配 图 机 电 一 体 化 系 统 设 计 （ 4） 考 虑 密 封 、 防 护 、 润 滑 以 及 安 全 机 构 等 问 题 。 例 如 ， 丝杠 螺 母 的 润 滑 、 防 尘 防 铁 屑 保 护 、 轴 承 的 润 滑 及 密 封 、 行 程限 位 保 护 装 置 等 。（ 5） 在 进 行 各 零 部 件 设 计 时 ， 应 注 意 装 配 的 工 艺 性 ， 考 虑 装配 的 顺 序 ， 保 证 安 装 、 调 试 和 拆 卸 的 方 便 。（ 6） 注 意 绘 制 装 配 图 时 的 一 些 基 本 要 求 。 比 如 ， 制 图 标 准 ，视 图 布 置 及 图 形 画 法 要 求 ， 重 要 的 中 心 距 、 中 心 高 、 联 系 尺寸 和 轮 廓 尺 寸 的 标 注 ， 重 要 配 合 尺 寸 的 标 注 ， 装 配 技 术 要 求 ，标 题 栏 等 。五 、 绘 制 进 给 传 动 机 构 的 装 配 图 机 电 一 体 化 系 统 设 计 根 据 任 务 书 的 要 求 ， 设 计 控 制 系 统 的 硬 件 电 路 时 主 要 考虑 以 下 功 能 ：（ 1） 接 收 键 盘 数 据 ， 控 制 LED显 示 ；（ 2） 接 收 操 作 面 板 的 开 关 与 按 钮 信 号 ；（ 3） 接 收 车 床 限 位 开 关 信 号 ：（ 4） 接 收 螺 纹 编 码 器 信 号 ；（ 5） 接 收 电 动 卡 盘 夹 紧 信 号 与 电 动 刀 架 刀 位 信 号 ；（ 6） 控 制 X、 Z向 步 进 电 动 机 的 驱 动 器 ；（ 7） 控 制 主 轴 的 正 转 、 反 转 与 停 止 ；（ 8） 控 制 多 速 电 动 机 ， 实 现 主 轴 有 级 变 速 ；（ 9） 控 制 交 流 变 频 器 ， 实 现 主 轴 无 级 变 速 ；（ 10） 控 制 冷 却 泵 启 动 /停 止 ；（ 11） 控 制 电 动 卡 盘 的 夹 紧 与 松 开 ；（ 12） 控 制 电 动 刀 架 的 自 动 选 刀 ；（ 13） 与 PC机 的 串 行 通 信 。六 、 控 制 系 统 硬 件 电 路 设 计 机 电 一 体 化 系 统 设 计 CPU选 用 ATMEL公 司 的 8位 单 片 机 AT89S52； 由 于 AT89S52本 身 资 源 有 限 ， 所 以 扩 展 了 一 片EPROM芯 片 W27C512用 作 程 序 存 储 器 ， 存 放 系 统 底 层程 序 ； 扩 展 了 一 片 SRAM芯 片 6264用 作 数 据 存 储 器 ， 存放 用 户 程 序 ； 键 盘 与 LED显 示 采 用 8279来 管 理 ； 输 入 /输 出 口 的 扩 展 选 用 了 并 行 接 口 8255芯 片 ，一 些 进 /出 的 信 号 均 做 了 隔 离 放 大 ； 模 拟 电 压 的 输 出 借 助 于 DAC0832； 与 PC机 的 串 行 通 信 经 过 MAX233芯 片 。六 、 控 制 系 统 硬 件 电 路 设 计 机 电 一 体 化 系 统 设 计 图 控 制 系 统 原 理 框 图 机 电 一 体 化 系 统 设 计 控 制 系 统 的 操 作 面 板 布 置 如 图 所 示 。 面 板 设 置 了 48个 微 动 按 键 ，三 个 船 形 开 关