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第六章 机电一体化系统设计实例 6.1 卧式车床数控化改造设计 6.2 数控车床自动回转刀架机电系统设计 6.3 X-Y数控工作台机电系统设计 6.4 波轮式全自动洗衣机机电系统设计,在本章,作者结合多年的教学、科研与生产实践,提供了四个典型的机电一体化产品的综合设计实例。包括普通车床的数控化改造设计、数控车床自动回转刀架的机电系统设计、X-Y数控工作台的机电系统设计、波轮式全自动洗衣机的机电系统设计。这些选题将教学与生产实践紧密结合,有很强的针对性。在这些实例中,对机械传动系统均给出了详细的设计步骤和具体的设计方法,对控制系统也给出了实用的控制电路,并对I/O接口进行了编程示范。通过对这些实例的学习,设计者能够尽快地进入设计工作,圆满地完成课程设计任务。,第一节 卧式车床数控化改造设计,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。C6140普通车床的结构布局如图6-1所示。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。,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。 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。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、切削次序和刀具都可按程序自动进行调节和更换,再加上纵、横向的联动进给功能,所以,改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件,并能实现多工序集中车削,从而提高生产效率和加工精度。,一、设计任务 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。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vxmaxf = 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;,(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。,二、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。 (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。 (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。,三、机械系统的改造设计方案1主传动系统的改造方案 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。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)。,本例中,当采用有级变速时,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;当采用无级变速时,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。 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。,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。 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,作为车床主轴位置信号的反馈元件,它与车床主轴同步转动。,本例中,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。 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。,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。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。,5进给系统的改造与设计方案 (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。 (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,见书后图6-2)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。 改造后的横向、纵向进给系统分别见书后图6-2与图6-3。,四、进给传动部件的计算和选型 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。 1脉冲当量的确定 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。,2切削力的计算 切削力的分析和计算详见第三章。以下是纵向车削力的详细计算过程。 设工件材料为碳素结构钢,b650 Mpa;选用刀具材料为硬质合金YT15;刀具几何参数为:主偏角kr60,前角010,刃倾角s5;切削用量为:背吃刀量ap3 mm,进给量f =0.6 mm/r,切削速度vc105 m/min。 查表3-1,得: 2795, 1.0, 0.75, 0.15。 查表3-3,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(3-2),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。,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 已知移动部件总重量G=1300 N;车削力 =2673.4 N, =1069.36 N, =935.69 N。如图3-20所示,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3-29,取 = 1.15, = 0.16,代入Fm + , 得工作载荷 Fm 1712 N。 (2)最大动载荷FQ的计算 设本车床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)。,(3)初选型号 根据计算出的最大动载荷,查表3-34,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。 (4)传动效率 的计算 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%。,
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