機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的 n第二節(jié) 設(shè)計(jì)的內(nèi)容 n第三節(jié) 設(shè)計(jì)的一般過程與要點(diǎn)設(shè)計(jì)的一般過程與要點(diǎn) n第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例1 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的 n 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的實(shí)踐性 環(huán)節(jié)。要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過的機(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，主要目的是： 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n1）學(xué)習(xí)機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案擬定、分析與比較的方法。 n2）通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件 的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算方

2、法與選用原則。如齒輪/同步帶減速裝 置、蝸輪蝸桿副、滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副等。 n3）通過對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電動(dòng)機(jī)的工作原 理、計(jì)算選擇方法與控制驅(qū)動(dòng)方式，學(xué)會(huì)選用典型的位移/速度 傳感器；如交流、步進(jìn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器、直 線光柵等。 n4）通過對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握一些典型硬件電路的設(shè)計(jì)方法 和控制軟件的設(shè)計(jì)思路；如控制系統(tǒng)選用原則、CPU選擇、存 儲(chǔ)器擴(kuò)展、I/O接口擴(kuò)展、A/D與D/A配置、鍵盤與顯示電路設(shè) 計(jì)等，以及控制系統(tǒng)的管理軟件、伺服電動(dòng)機(jī)的控制軟件等。 n5）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并初步樹立 “系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想。 n6）

3、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料以及撰寫科技 論文的能力。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 第二節(jié) 設(shè)計(jì)的內(nèi)容 n設(shè)計(jì)的對象有典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品），如微機(jī)數(shù) 控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、三坐標(biāo)測量機(jī)、自動(dòng)檢測儀、全自 動(dòng)洗衣機(jī)、電子秤、自動(dòng)售貨機(jī)、家用智能裝置等。 n設(shè)計(jì)內(nèi)容由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)說明書三部分組成。 n1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) n2. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) n3設(shè)計(jì)說明書 n 是設(shè)計(jì)的總結(jié)性文件，應(yīng)清楚地?cái)⑹稣麄€(gè)設(shè)計(jì)過程 和詳細(xì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括總體方案的分析、比較與確定， 機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要零部件的計(jì)算與選型，控制系 統(tǒng)的電路分析，軟件設(shè)計(jì)的流程圖以及相關(guān)程序等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)

4、設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 第三節(jié)第三節(jié) 設(shè)計(jì)的一般過程與要點(diǎn)設(shè)計(jì)的一般過程與要點(diǎn) n 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容非常廣泛， 不同的專業(yè)、方向會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)，每個(gè)學(xué) 校也有自己的專業(yè)特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)的一般過 程和基本方法也會(huì)有所不同。但總的來說，大 體上可分為七個(gè)階段，如下圖所示。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 一、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作 n首先，要認(rèn)真研究設(shè)計(jì)任務(wù)書，明確要完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容和 具體要求，備齊設(shè)計(jì)過程所必需的各種工具書和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)； n其次，要大量查閱文獻(xiàn)資料、學(xué)習(xí)研究有關(guān)產(chǎn)品的圖紙與 樣本。為了提高工作效率，學(xué)生要學(xué)會(huì)充分利用互聯(lián)網(wǎng)這 一快捷工具，指導(dǎo)教師也要充分使用互聯(lián)

5、網(wǎng)和多媒體教學(xué)。 有條件的話，指導(dǎo)教師最好帶領(lǐng)學(xué)生參觀實(shí)物或模型，使 學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)。 n針對畢業(yè)設(shè)計(jì)，每位同學(xué)應(yīng)完成開題報(bào)告一份，主要內(nèi)容 包括：結(jié)合課題任務(wù)情況，查閱文獻(xiàn)資料，撰寫1500 2000字左右的文獻(xiàn)綜述；選題依據(jù)、主要研究內(nèi)容、研究 思路及方案；工作進(jìn)度及具體安排 ；參考文獻(xiàn)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 二、總體方案設(shè)計(jì)要點(diǎn) n 總體方案直接影響到機(jī)電一體化系統(tǒng)的最終運(yùn)行 結(jié)果，是設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。一般滿足設(shè)計(jì)要求的總體 方案往往有多個(gè)，這時(shí)要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析比較， 確定一個(gè)最佳方案。設(shè)計(jì)總體方案時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè) 要點(diǎn)： 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n1、在繼承的基礎(chǔ)

6、上充分發(fā)揮個(gè)人的創(chuàng)新能力 n 設(shè)計(jì)的選題大多都是已成型的機(jī)電產(chǎn)品，在長期的設(shè)計(jì) 和生產(chǎn)實(shí)踐中，已積累了大量可供借鑒的資料和經(jīng)驗(yàn)，大都 有詳細(xì)的設(shè)計(jì)資料供學(xué)習(xí)參考。作為學(xué)生，首先要學(xué)習(xí)和繼 承這些經(jīng)驗(yàn)成果，這樣不但可以加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，減少原則性 錯(cuò)誤，而且對設(shè)計(jì)質(zhì)量也有可靠的保證。但同時(shí)對設(shè)計(jì)過程 中出現(xiàn)的疑問要勤思考、多比較，不要盲目抄襲，對現(xiàn)有方 案中存在缺陷的地方，應(yīng)發(fā)揮個(gè)人創(chuàng)新能力予以改進(jìn)和提高。 如果在結(jié)構(gòu)上有重大的改進(jìn)設(shè)計(jì)，應(yīng)該與指導(dǎo)教師和同學(xué)多 討論。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n2、抓住關(guān)鍵零部件的原理分析和設(shè)計(jì) n 無論是機(jī)電一體化設(shè)備的改造，還是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，都需 要抓住關(guān)鍵

7、零部件的分析和設(shè)計(jì)，這是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的重要方法。例如，在微機(jī)數(shù)控機(jī)床和-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì) 中，進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵所在。其中，作為執(zhí)行 元件的伺服電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算與選型方面，本書第四章有詳細(xì) 介紹。在波輪式全自動(dòng)洗衣機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，減速器是關(guān)鍵 部件；而自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的關(guān)鍵部件則是蝸桿-蝸輪副與螺桿- 螺母副。只有清楚了關(guān)鍵零部件的功能和工作原理，才有可 能順利完成設(shè)計(jì)工作。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n3、要重視并正確使用標(biāo)準(zhǔn) n 遵守并采用標(biāo)準(zhǔn)，是降低產(chǎn)品成本的重要因素之一，也是 評價(jià)設(shè)計(jì)質(zhì)量的一項(xiàng)主要指標(biāo)。熟悉并正確使用標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)電一 體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。 n

8、許多標(biāo)準(zhǔn)件可以直接外購，如電動(dòng)機(jī)、滾動(dòng)軸承、傳動(dòng)帶、 鏈、密封件、緊固件、鍵等。有些零件雖然需要自己設(shè)計(jì)制造， 如齒輪、帶輪、蝸桿蝸輪等，但其主要尺寸參數(shù)一般仍要按標(biāo) 準(zhǔn)確定。所以設(shè)計(jì)時(shí)準(zhǔn)備一些標(biāo)準(zhǔn)件手冊是很重要的。對于標(biāo) 準(zhǔn)件的使用，應(yīng)盡量減少品種和規(guī)格，這樣既降低成本，又方 便使用和維修。例如，減少螺栓的類型和尺寸，不但便于采購 和保管，裝卸時(shí)也可減少工具，提高工作效率。 n 非標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸，一般要求圓整為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)或優(yōu)先數(shù)，以方 便制造和測量。對于常用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)和優(yōu)先數(shù)，要求記憶并熟練 使用。但要注意有些根據(jù)幾何關(guān)系和安裝要求確定的尺寸不能 圓整，例如齒輪分度圓直徑和齒輪中心距等。 n 另外，

9、設(shè)計(jì)中還應(yīng)盡量減少零件材料的牌號(hào)和種類，能用 同一牌號(hào)的材料應(yīng)盡量統(tǒng)一；例如鋼材零件在滿足使用要求的 情況下盡可能都選用同型號(hào)的，顯然這是良好的設(shè)計(jì)方法。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n4、學(xué)習(xí)掌握工程設(shè)計(jì)的方法 n 在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，零部件的尺寸不可能完全由理論 計(jì)算確定，很多情況下經(jīng)常沒有公式可供參考，此時(shí)就要 運(yùn)用類比和初估的工程設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合具體結(jié)構(gòu)、 加工和裝配工藝，并綜合經(jīng)濟(jì)性和使用條件全面考慮。最 常見的如機(jī)體和箱體的壁厚、齒輪輪緣、帶輪輪轂、螺栓 直徑等尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)都可根據(jù)具體情況進(jìn)行類比確定，沒 有特殊要求時(shí)，一般不需進(jìn)行計(jì)算。希望通過課程設(shè)計(jì)的 鍛煉，學(xué)生能夠初步

10、掌握工程設(shè)計(jì)的方法，從而提高工作 能力和效率。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)知識(shí)結(jié)構(gòu) n1、機(jī)械制圖 n 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者具有扎實(shí)的機(jī)械制圖基本知 識(shí)。良好的機(jī)械制圖基礎(chǔ)，不僅使你能正確表達(dá)自己的設(shè) 計(jì)思想，而且也便于你與他人討論交流。在設(shè)計(jì)過程中， 要正確運(yùn)用機(jī)械制圖的各種表達(dá)方式，不清楚的地方要及 時(shí)復(fù)習(xí)教科書。機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的目的之一，就 是使學(xué)生在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械制圖上得到進(jìn)一步的鍛煉 和提高，將欠缺的知識(shí)補(bǔ)上。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n2、機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械零件基礎(chǔ)知識(shí) n 具備良好的機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械零件知識(shí)是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 任何一臺(tái)機(jī)電設(shè)備

11、都是由各種各樣的機(jī)械零部件組合而成 的，其中標(biāo)準(zhǔn)零部件尤其重要。因此，在設(shè)計(jì)過程中，要 及時(shí)復(fù)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)零部件的計(jì)算、選擇方法及其視圖表達(dá)方式。 其中齒輪、帶與帶輪、蝸桿蝸輪、滾動(dòng)軸承等是重點(diǎn)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n3、傳動(dòng)與導(dǎo)向元件 n 進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)對機(jī)械傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性都有較高要 求，在確定部件結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式時(shí)，通常都會(huì)提出低摩擦、 低慣量、高剛度、無間隙和工藝性好的要求，所以應(yīng)盡量采 用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，如滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副、直線 滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向副等。進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中應(yīng)盡量消除間隙，采用 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙是非常有效的方法。另外，近年來同步帶 傳動(dòng)在機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用也越來越多

12、。由于這些內(nèi)容學(xué)生在 前期課程中接觸較少，可以查閱相關(guān)手冊和資料。而對于常 用的機(jī)械零件，如齒輪、滾動(dòng)軸承、普通帶傳動(dòng)等，可以參 考教科書或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n4、零部件加工工藝性和裝配工藝性 n 圖紙上繪制的零部件應(yīng)充分考慮加工的工藝性和裝配的工 藝性。既要加工方便，又要裝卸方便。主要尺寸參數(shù)應(yīng)盡量 圓整，符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，尤其在應(yīng)用CAD繪圖標(biāo)注尺寸時(shí) 更應(yīng)注意。特別需要指出的是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各個(gè)零部件應(yīng)能 方便地安裝和拆卸，要留有足夠的裝配空間；同時(shí)，軸、齒 輪、軸承都應(yīng)有合理的軸向和徑向定位，而且要避免出現(xiàn)超 靜定現(xiàn)象。這些都是在設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，希望引起

13、大 家重視。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的有關(guān)問題 n1、及時(shí)復(fù)習(xí)前期課程 n 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將涉及到電工學(xué)、微機(jī)原理與接口、 單片機(jī)原理、檢測與傳感器、控制工程基礎(chǔ)等多門課程。 設(shè)計(jì)中遇到問題時(shí)，應(yīng)及時(shí)復(fù)習(xí)相關(guān)的課程。對于微機(jī)控 制系統(tǒng)中一些重要的基本概念，應(yīng)該非常清楚。設(shè)計(jì)時(shí)如 果發(fā)現(xiàn)自己在基本概念上存在問題，應(yīng)該下大力氣立刻予 以彌補(bǔ)，決不能草率了事。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n2、重視電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) n 在進(jìn)行電氣原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，你會(huì)深切感受到電子技術(shù) 基礎(chǔ)知識(shí)的重要性。各種大規(guī)模數(shù)字集成芯片是計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)的基礎(chǔ)，而每一個(gè)芯片則是由各種基本數(shù)字邏輯單

14、元組 成的。沒有良好的數(shù)字電路知識(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)將無從下手。 相比較而言，雖然模擬電路在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用較少，但它卻是 數(shù)字電路的基礎(chǔ)，而且在學(xué)習(xí)難度上要大于數(shù)字電路，所 以也應(yīng)予以足夠的重視。具備良好的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)， 是順利進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本保障。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 n3、盡量選用模塊化電路 n 目前控制系統(tǒng)的硬件電路普遍采用模塊化設(shè) 計(jì)方法。電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)，涉及的基本理論可不 作過多敘述，應(yīng)參閱一些有關(guān)教材。在設(shè)計(jì)時(shí)， 對常用的一些器件和芯片，建議記住其型號(hào)和作 用，這在今后的工作中非常有用。對于圖紙中出 現(xiàn)的電阻、電容等器件，其參數(shù)的選擇也很重要， 要經(jīng)常考慮一下，這個(gè)器

15、件為什么取這個(gè)數(shù)值？ 這樣下次再遇到類似問題，便可迎刃而解。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 五、注意現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段和網(wǎng)絡(luò)資源的運(yùn)用 n盡量應(yīng)用各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，可大大提高工作效率。繪制 機(jī)械圖時(shí)可以采用AUTOCAD軟件、PROE軟件，電氣原 理圖的設(shè)計(jì)建議采用PROTEL軟件。 n設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，這樣可以快速獲取大量有關(guān) 信息。經(jīng)常瀏覽一些在機(jī)電一體化領(lǐng)域有較高知名度的網(wǎng) 站，在那里你可以及時(shí)了解國內(nèi)外機(jī)電一體化領(lǐng)域的最新 動(dòng)態(tài)，并可學(xué)到很多實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。最后特別需要 說明的是，課程設(shè)計(jì)所用到的主要機(jī)械部件和電氣零部件 產(chǎn)品，相應(yīng)企業(yè)都有網(wǎng)站介紹，需要的技術(shù)數(shù)據(jù)一般在互 聯(lián)網(wǎng)上

16、都能查到。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例1 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) （機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書）（機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書） n 普通車床（如C616/C6132、C618/C6136、 C620/C6140、C630等）是金屬切削加工最常用 的一類機(jī)床。C6140普通車床的結(jié)構(gòu)布局如圖 6-1所示。當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，通過刀架的 縱向和橫向移動(dòng)，能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐 面、端面、螺紋面等，借助成型刀具，還能加 工各種成形回轉(zhuǎn)表面。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 圖6-1 C6140普通車床的結(jié)構(gòu)布局

17、 1-床腳 2-掛輪 3-進(jìn)給箱 4-主軸箱 5-縱溜板 6-溜板箱 7-橫溜板 8-刀架 9-上溜板 10-尾座 11-絲杠 12-光杠 13-床身 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 普通車床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是由主軸回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光桿或 絲桿帶動(dòng)溜板箱、縱溜板以及橫溜板產(chǎn)生移動(dòng)。進(jìn)給參 數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時(shí)需要停車。刀架的縱向進(jìn) 給和橫向進(jìn)給不能聯(lián)動(dòng)，切削次序需要人工控制。 對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向 進(jìn)給系統(tǒng)改成用微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系 統(tǒng)；將手動(dòng)刀架換成能自動(dòng)換刀的電動(dòng)刀架。這樣，利 用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸

18、入的加工指令進(jìn)行切 削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)、切削次序和刀具 都可按程序自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱、橫向的聯(lián) 動(dòng)進(jìn)給功能，所以，改造后的車床就可以加工出各種形 狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序集中車削，從而提 高生產(chǎn)效率和加工精度。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 題目：C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 任務(wù)：將一臺(tái)C6140普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。 主要技術(shù)指標(biāo)如下： （1）床身上最大加工直徑400 mm； （2）最大加工長度1000 mm； （3）X方向(橫向)的脈沖當(dāng)量x = 0.005 mm/脈沖, Z方向(縱向)z = 0.01 mm/脈沖； （4）X方向

19、最快移動(dòng)速度vxmax = 3000 mm/min，Z方 向?yàn)関zmax = 6000 mm/min； （5）X方向最快工進(jìn)速度vxmaxf = 400 mm/min，Z方向 為vzmaxf = 800 mm/min； （6）X方向定位精度 0.01 mm，Z方向 0.02 mm； 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （7）可以車削柱面、平面、錐面與球面等； （8）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與 錐螺紋，最大導(dǎo)程為24 mm； （9）安裝四工位立式電動(dòng)刀架，系統(tǒng)控制自動(dòng)選刀； （10)自動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出 主軸有級變速與無級變速信號(hào)； （11)自動(dòng)控制冷卻泵的啟/停；

20、 （12)安裝電動(dòng)卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開； （13)縱、橫向安裝限位開關(guān)； （14)數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通信； （15)顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代 碼。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 二、總體方案的確定 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng) 的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動(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)具有單坐標(biāo)定位，兩 坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。 因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 （2）普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(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)簡化結(jié)構(gòu)， 降低成本。因此，進(jìn)給伺服

21、系統(tǒng)常采用步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度， 以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系 列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列 8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/ 價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、 串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源以及主 軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器等。 （5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫 向的進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選用摩擦力小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺 母副；為了消除傳動(dòng)間

22、隙提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠的螺母 應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。 （6）計(jì)算選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需 要減速輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。 （7）選擇四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架與電動(dòng)卡盤，選擇螺紋編 碼器等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案 1主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案 對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，一般可保留原有 的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可減少機(jī)械改造 的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng) 來控制。 若要提高車床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng) 變換轉(zhuǎn)速，可用2速的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單 速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿足要求時(shí)，可用 交流變頻器來控制主軸電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無級

23、變速（工 廠使用情況表明，使用變頻器時(shí)，若工作頻率低于 70Hz，原來的電動(dòng)機(jī)可以不更換，但所選變頻器的功 率應(yīng)比電動(dòng)機(jī)大）。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 本例中，當(dāng)采用有級變速時(shí)，可選用浙江超力 電機(jī)有限公司生產(chǎn)的YD系列7.5kW變極多速三相異步 電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)2檔變速；當(dāng)采用無級變速時(shí)，應(yīng) 加裝交流變頻器，推薦型號(hào)為：F1000-G0075T3B， 適配7.5kW電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為煙臺(tái)惠豐電子有限公 司。 2安裝電動(dòng)卡盤 為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動(dòng) 卡盤，選用呼和浩特機(jī)床附件總廠生產(chǎn)的KD11250型 電動(dòng)三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系 統(tǒng)發(fā)信控制。 機(jī)電一體化

24、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 3換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序， 將車床原有的手動(dòng)刀架換成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，選用常 州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140 型四工位立式電動(dòng)刀架。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀需要配置相 應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。 4螺紋編碼器的安裝方案 螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控 車床加工螺紋時(shí)，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為 車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車床主軸同步 轉(zhuǎn)動(dòng)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 本例中，改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo) 程是24 mm，Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是0.01 mm/脈沖， 所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)

25、不少于24 mm /（0.01 mm/脈沖）=2400脈沖。考慮到編碼器的 輸出有相位差為90的A、B相信號(hào)，可用A、B異或后 獲得2400個(gè)脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可 降到1200線（A、B信號(hào)）。另外，為了重復(fù)車削同 一螺旋槽時(shí)不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個(gè)的 零位脈沖Z。 基于上述要求，本例選擇螺紋編碼器的型號(hào)為： ZLF-1200Z-05V0-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出 1200個(gè)A/B脈沖與1個(gè)Z脈沖，信號(hào)為電壓輸出，軸頭 直徑15 mm，生產(chǎn)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安 裝和異軸安裝。同軸安

26、裝是指將編碼器直接安 裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡 單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將 編碼器安裝在床頭箱的后端，一般盡量裝在與 主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸， 可將編碼器通過一對傳動(dòng)比為1：1的同步齒形 帶與主軸聯(lián)接起來。需要注意的是，編碼器的 軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性聯(lián)接， 且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最 高許用轉(zhuǎn)速。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 5進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案 （1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋 編碼器。 （2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與同 步帶減速箱總成。 （3）拆除溜板箱總成與快

27、走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安 裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。 （4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立 式電動(dòng)刀架。 （5）拆除橫溜板下的滑動(dòng)絲桿螺母副，將滑動(dòng)絲桿靠刻度盤一 段（長216 mm，見書后圖6-2）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄， 保留刻度盤附近的兩個(gè)推力軸承，換上滾珠絲杠副。 （6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱 溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。 （7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。 改造后的橫向、縱向進(jìn)給系統(tǒng)分別見圖6-2與圖6-3。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 圖6-2 C6140數(shù)控車床橫向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)

28、電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 圖6-3 C6140數(shù)控車床縱向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 四、進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型 縱、橫向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型主要包括： 確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、 設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。以下詳細(xì)介紹縱 向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)與縱向類似，在此從略。 1脈沖當(dāng)量的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，X方向（橫向）的脈沖當(dāng) 量為x = 0.005 mm/脈沖，Z方向（縱向）為z = 0.01 mm/脈沖。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 2切削力的計(jì)算 切削力的分析和計(jì)算詳見相關(guān)教材。以下是縱向車削力的 詳細(xì)計(jì)算過程。 設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)

29、鋼，b650 Mpa；選用刀具材料為 硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角kr60，前角0 10，刃傾角s5；切削用量為：背吃刀量ap3 mm， 進(jìn)給量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；刃傾角、前角 和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。 由經(jīng)驗(yàn)公式（3-2），算得主切削力 2673.4 N。由經(jīng)驗(yàn) 公式 : : 1：0.35：0.4，算得縱向進(jìn)給切削力 935.69 N，背向力 =1069.36 N。 cF C cF x cF y cF n c Fkr k

30、c F c F f F p F f F p F 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型（縱向） （1）工作載荷Fm的計(jì)算 已知移動(dòng)部件總重量G=1300 N；車 削力 =2673.4 N， =1069.36 N， =935.69 N。如圖3-20所示， 根據(jù) = ， = ， = 的對應(yīng)關(guān)系，可得： =2673.4 N， =1069.36 N， =935.69 N。 選用矩形三角形組合滑動(dòng)導(dǎo)軌，查表3-29，取 = 1.15， = 0.16，代入Fm + , 得工作載荷 Fm 1712 N。 （2）最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算 設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條 件下最快的進(jìn)給速度V=0

31、.8 m/min，初選絲杠基本導(dǎo)程 Ph = 6 mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 n = 1000V/Ph 133 （ r/min）。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000 h，代入L0 = 60 n T / 106，得絲 杠壽命系數(shù)L0 = 119.7（單位為： 106 r）。 FQ=15100N c F p F f F z F y F x F )(GFz K K c F p F f F z F y F x F x F 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷，查表3-31，選擇啟東 潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。 其公稱直徑為40 mm，基本導(dǎo)程為6

32、mm，雙螺母滾 珠總?cè)?shù)為3 2 = 6 圈，精度等級取4級，額定動(dòng) 載荷為13200 N，滿足要求。 （4）傳動(dòng)效率 的計(jì)算 將公稱直徑 =40 mm，基本導(dǎo)程 mm，代 入 = arctan Ph / ( d0 ) ，得絲杠螺旋升角 = 2 44。將摩擦角 =10，代入 = tan / tan(+ )，得傳動(dòng)效率 = 94.2%。 0 d6 h P 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （5）剛度的驗(yàn)算 1）Z向滾珠絲杠副的支承，采取一端軸向固定，一端簡支 的方式，見書后圖6-3。固定端采取一對推力角接觸球軸承， 面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距 離約為a=1497 mm；鋼的彈

33、性模量 2.1 Mpa；查表 3-33，得滾珠直徑 =3.9688 mm，算得: 絲杠底徑d2=公稱直徑 滾珠直徑 =36.0312 mm，則絲杠 截面積 /4 =1019.64 （mm2）。 2）根據(jù)公式 ( )3，求得單圈滾珠數(shù)目 = 29；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為3 2 = 6， 則滾珠總數(shù)量 29 6 =174。滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向 預(yù)緊力 = /3571 N。則由（3-27）式，求得滾珠與螺紋 滾道間的接觸變形量 0.00117 mm。 E 5 10 w D 0 d w D 2 2 dS w Dd / 0 Z Z Z YJ F m F 2 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 因?yàn)?/p>

34、絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際 變形量可減小一半，取 = 0.000585 mm。 3）將以上算出的 和 代入 ,求得絲杠總變形量 （對應(yīng)跨度1497 mm） 0.012555 mm=12.555m。 由表3-27知，4級精度滾珠絲杠任意300 mm軸向行程內(nèi)行 程的變動(dòng)量允許16 m，而對于跨度為1497 mm的滾珠絲 杠，總的變形量 只有12.555m，可見絲杠剛度足夠。 （6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨 界載荷Fk。查表3-31，取支承系數(shù) = 2；由絲杠底徑 = 36.0312mm, 得截面慣性矩 82734.15mm4； 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) 取3

35、（絲杠臥式水平安裝)；滾動(dòng)螺母 至軸向固定處的距離 取最大值1497 mm。代入式（3- 28）,得臨界載荷 51012 N，遠(yuǎn)大于工作載荷 故絲杠不 會(huì)失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 1 2 2 21 總 總 總 k f 2 d64/ 4 2 dI K a k F m F 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 4. 同步帶減速箱的設(shè)計(jì)（縱向） 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使 傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動(dòng)鏈中常采用減速 傳動(dòng)。本例中，Z向減速箱選用同步帶傳動(dòng)，同步帶與帶輪 的計(jì)算和選型參見第三章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。 設(shè)計(jì)同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳遞的功

36、率 ；主 動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 和傳動(dòng)比i；傳動(dòng)系統(tǒng)的位置和工作條件等。 根據(jù)改造經(jīng)驗(yàn)，C6140車床Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通 常在15-25 Nm之間選擇。 今初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BYG5501，五相混合式，最大靜 轉(zhuǎn)矩為20 Nm，十拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.72。該電動(dòng)機(jī)的詳 細(xì)技術(shù)參數(shù)見表4-5，運(yùn)行矩頻特性曲線見圖6-4。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 圖6-4 130BYG5501步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線 圖6-4 130BYG5501步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （1）傳動(dòng)比i的確定 已知電動(dòng)機(jī)的步距角 = 0.72，脈沖當(dāng)量z= 0.01 mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程

37、Ph= 6 mm。根據(jù)公式（3-12）算得傳動(dòng) 比i = 1.2。 （2）主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速 由Z向拖板的最快移動(dòng)速度vzmax=6000mm/min， 可以算出主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速 =（vzmax /z ）/ 360 =1200（r/min）。 （3）確定帶的設(shè)計(jì)功率Pd 預(yù)選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)， 對應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為： fmax= 1200 360 / ( 60 ) = 10000（Hz）。 從圖6-4查得，當(dāng)脈沖頻率為10000 Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為 3.8 Nm，對應(yīng)的輸出功率為POUT = n T / 9.55 = 1200 3.8 / 9.55 477.5（W

38、）。同步帶傳遞的負(fù)載功率應(yīng)該小于477.5 W，今取P = 0.32 kW，從表3-18中取工作情況系數(shù)KA = 1.2，則由式（3-14），求得帶 的設(shè)計(jì)功率Pd = KA P =1.20.32 kW= 0.384 kW。 （4）選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率Pd=0.384 kW和主動(dòng)輪最 高轉(zhuǎn)速 =1200 r/min，從圖3-14中選擇同步帶，型號(hào)為 XL型，節(jié)距 =5.08 mm。 1 n 1 n b p 1 n b p 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （5）確定小帶輪齒數(shù) 和小帶輪節(jié)圓直徑 取 =25，則小帶輪節(jié)圓直徑 = =40.43 mm。 當(dāng) 達(dá)最高轉(zhuǎn)速1200 r/min時(shí)

39、，同步帶的速度為 =2.54（m/s），沒有超過XL型帶的極限速 度40 m/s。 （6）確定大帶輪齒數(shù) 和大帶輪節(jié)圓直徑 大帶輪齒 數(shù) = =30,節(jié)圓直徑 =48.51 mm。 （7）初選中心距 、帶的節(jié)線長度 、帶的齒數(shù) 初選 中心距 =1.3（ + ）=115.622 mm，圓整后取 =120mm.則帶的節(jié)線長度為 1 z 1 d 1b p z 1 1 60 1000 d n v 0 a 0p L b z 2 z 2 d i 21 did 1 d 2 21 0012 0 () 2() 24 p dd Ladd a 1 z 1 d 2 z 1 z 0 a 2 d 0 a mm 379.8

40、43= 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （8）計(jì)算實(shí)際中心距 實(shí)際中心距 （9）校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) 嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。 （10）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 式中 帶寬為 的許用工作拉力，由表3-21查得 =50.17N； 帶寬為 的單位長度的質(zhì)量，由表3-21查得 =0.022 同步帶的帶速，由上述（5）可知 =2.54 m/s。 算得 = 0.127 kW。 a 0 0 2 pp LL a a m z 11 21 2 () 2 2 b m pzz zentzz a 2 0 () 1000 a Tmv v P 0s bm a T v 0 P0s b m v 0 P 120.5785mm 12

41、 kg/m 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （11）確定實(shí)際所需同步帶寬度 式中 選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，由表3-21查得 = 9.5 mm； 小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表3-22查得 =1。 由上式算得 25.07 mm，再根據(jù)表3-11選定最接近的帶寬 =25.4 mm。 （12）帶的工作能力驗(yàn)算 根據(jù)式（3-22），計(jì)算同步帶額定功率 P的精確值： 式中， 為齒寬系數(shù) = 3.068；經(jīng)計(jì)算得 P = 0.390 kW，而Pd = 0.384 kW，滿足PPd .因此，帶的工作能力 合格。 s b 1/1.14 0 0 d s z P b K P 0s b z K z K 23 0 ()10 s

42、zw a s b PK K Tmv v b w K 1.14 0 ( / ) wss Kb b s b 0s b s b s b 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 5. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型（縱向） （1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知：滾珠 絲杠的公稱直徑 =40 mm，總長（帶接桿)l=1560 mm，導(dǎo)程 6 mm，材料密度 ;縱向移動(dòng)部件總重量 G = 1300 N；同步帶減速箱大帶輪寬度28 mm，節(jié)徑48.51 mm， 孔徑30 mm，輪轂外徑42 mm，寬度14 mm；小帶輪寬度28 mm，節(jié)徑40.43 mm，孔徑19mm，輪轂外徑29 mm，寬度12 mm；傳動(dòng)比i

43、 =1.2。 參照表4-1，可以算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì) 算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =30.78 ；拖板折算到絲 杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =1.21 ；小帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =0.60;大帶輪的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =1.27。在設(shè)計(jì)減速箱時(shí)，初選的Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型 號(hào)為130BYG5501，從表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 。 則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： = + +（ + + ）/ 56.7 eq J 0 d h P 33 /1085. 7cmkg S J W J 1 z J 2z J 33 m J 2 cmkg eq J m J 1 z J 2 z J W J S J

44、2 i 2 cmkg 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （2）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分 快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行 計(jì)算。 1）快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 包括三部分：快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的 最大加速轉(zhuǎn)矩 ，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸 上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上 的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根 據(jù)（4-12）式可知， 相對于 和 很小，可以忽略不 計(jì)。則有： = + （6-1） eqT maxa T 1eqT fT 0 T 1eqT 0 TfT 1eqT maxa TfT maxa T 機(jī)電一體

45、化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 根據(jù)式（4-9），考慮Z向傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空 載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： （6-2） 式中 nm 對應(yīng)Z向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn) 速，單位為r/min； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間， 單位為s。 其中： （6-3） 式中 Z向空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為 6000 mm/min； Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，為0.72； Z向脈沖當(dāng)量，本例=0.01 mm/脈沖。 將以上各值代入式（6-3），算得nm=1200 r/min。 1 60 2 max a meq a t nJ T at 360 max v nm max v 機(jī)電

46、一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時(shí)間 =0.4 s，Z向傳動(dòng)鏈 總效率 = 0.7。則由式（6-2）求得： 2.54（Nm） 由式（4-10）可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 為： （6-4） 式中 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.16； 垂直方向的工作負(fù)載，空載時(shí)取0； Z向傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。 則由式（6-4），得： 0.24（Nm） 最后由式（6-1），求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： = + = 2.78 Nm （6-5） at 7 . 04 . 060 1200107 .562 4 max aT i PGF T hc

47、 f 2 )( c F 2 . 17 . 02 006. 0)13000(16. 0 f T 1eqT maxa T f T 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ， 包括三部分：折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt ，移動(dòng)部件運(yùn) 動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸 上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有： = Tt + Tf （6-6） 其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt。本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行 計(jì)算的時(shí)候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷Ff = 935.69 N，則有： 1

48、.06（Nm） 再計(jì)算承受最大工作負(fù)載（ =2673.4N）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： （Nm） 最后由式（6-6），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 = Tt + Tf = 1.78 Nm （6-7） 經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =max ， = 2.78 Nm 2eqT 2eqT 2eqT 2 . 17 . 02 006. 069.935 2i PF T hf t c F i PGF T hc f 2 )( 2eqT eqT1eqT2eqT 0.72 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 （3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定

49、考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的 是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造 成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜 轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K = 4，則步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Tjmax 4 = 4 2.78 Nm = 11.12 Nm （6-8） 對于前面預(yù)選的130BYG5501型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表4-5可知，其最 大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax= 20 Nm，可見完全滿足（6-8）式的要求。 （4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定Z向 最快工進(jìn)速度 =800mm/min，脈沖當(dāng)量=0.01 mm/脈沖，求出 電動(dòng)機(jī)

50、對應(yīng)的運(yùn)行頻率 = 800/（600.01）1333(Hz)。從 130BYG5501的運(yùn)行矩頻特性圖6-4可以看出，在此頻率下，電動(dòng) 機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 17 Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =1.78 Nm，滿足要求。 eqT f vmax f fmax f Tmax 2eqT 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定Z向最 快空載移動(dòng)速度 =6000mm/min，求出電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻 率 =6000/（600.01） =10000(Hz)。從圖6-4查得，在此頻 率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 =3.8 Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí) 的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 = 2.78 Nm，

51、滿足要求。 3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速度 = 6000 mm/min對應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率 = 10000 Hz。查表4-5可知130BYG5501的極限運(yùn)行頻率 為20000 Hz，可見沒有超出上限。 max v max f max T 1eqT max v max f 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 4）起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jeq= 56.7 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ， 查表4-5可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載起動(dòng) 頻率 =1800Hz 。則由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為： =1092Hz 上式說明，

52、要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí) 候的起動(dòng)頻率都必須小于1092Hz。實(shí)際上，在采用軟件 升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得很低，通常只有100Hz（即100 脈沖/s）。 綜上所述，本例中Z向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG5501步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 33 m J 2 cmkg qf m eq q L J J f f 1 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 6同步帶傳遞功率的校核 分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。 （1）快速空載起動(dòng) 電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至nm=1200 r/min， 由（6-5）式可知，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=2.78 Nm，傳 遞的功率為P = nm Teq1 / 9.55

53、=12002.78/9.55349.3W （2）最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度 由（6-7）式可知，帶 需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2 = 1.78 Nm，任務(wù)書給定最 快工進(jìn)速度vmaxf = 800mm/min，對應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nmaxf nmaxf =（vmaxf /z）/360=160（r/min） 傳遞的功率為 P P = nmaxf Teq2 / 9.55 =1601.78/9.55 29.8W 可見，兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功 率0.39kW。因此，選擇的同步帶功率合格。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 五、繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖 在完成滾珠絲杠螺母副、減速箱和

54、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算、選型后，就可 以著手繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時(shí)，需要考慮以下問 題： （1）了解原車床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、 刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。 （2） 根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式，確定絲杠兩端軸承的型號(hào)、軸承座的結(jié) 構(gòu)以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。 （3）考慮各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。例如，應(yīng)保證絲杠兩端 支承與螺母座同軸，保證絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座、支承座在安 裝面上的聯(lián)接與定位，同步帶減速箱的安裝與定位，同步帶的張緊力調(diào)節(jié)， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的聯(lián)接與定位等。 （4）考慮密封、防護(hù)、潤滑以及安全機(jī)構(gòu)等問題。例如，絲杠螺母的潤 滑、防塵防鐵屑保

55、護(hù)、軸承的潤滑及密封、行程限位保護(hù)裝置等。 （5）在進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮裝配的順序， 保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。 （6）注意繪制裝配圖時(shí)的一些基本要求。比如，制圖標(biāo)準(zhǔn)，視圖布置及 圖形畫法要求，重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標(biāo)注，重 要配合尺寸的標(biāo)注，裝配技術(shù)要求，標(biāo)題欄等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 六、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考 慮以下功能： （1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示； （2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號(hào)； （3）接收車床限位開關(guān)信號(hào)： （4）接收螺紋編碼器信號(hào)； （5）接收電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電

56、動(dòng)刀架刀位信號(hào)； （6）控制X、Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器； （7）控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止； （8）控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級變速； （9）控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級變速； （10）控制冷卻泵啟動(dòng)/停止； （11）控制電動(dòng)卡盤的夾緊與松開； （12）控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀； （13）與PC機(jī)的串行通信。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 圖6-5為控制系統(tǒng)的原理框圖。CPU選用ATMEL公 司的8位單片機(jī)AT89S52；由于AT89S52本身資源有限， 所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用作程序存儲(chǔ)器， 存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用作 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶程序；鍵

57、盤與LED顯示采用 8279來管理；輸入/輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口 8255芯片，一些進(jìn)/出的信號(hào)均做了隔離放大；模擬 電壓的輸出借助于DAC0832；與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過 MAX233芯片。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 圖6-5 控制系統(tǒng)原理框圖 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 控制系統(tǒng)的操作面板布置如圖6-6所示。面板設(shè)置了48個(gè)微動(dòng)按鍵，三 個(gè)船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括1組數(shù)碼顯示管和7只發(fā)光二極管。 圖6-6 車床數(shù)控系統(tǒng)操作面板布置圖 控制系統(tǒng)的主機(jī)板電原理圖見書后圖6-7，鍵盤與LED顯示電原理圖見 書后圖6-8。詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)原理及電路分析請參考第五章相關(guān)內(nèi)容 機(jī)電一

58、體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 七、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用 本例中X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為110BYG5802，Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 130BYG5501，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。這兩種電動(dòng)機(jī)除了外形尺寸、步距 角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基本相同，均為5相混合式，5線輸出，電機(jī)供電 電壓DC120310V，電流5A。這樣，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源可用同一型號(hào)。在此， 選擇合肥科林?jǐn)?shù)控科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器， 型號(hào)為BD5A。它與控制系統(tǒng)的連接如圖6-9所示。 圖6-9 BD5A驅(qū)動(dòng)器與控制系統(tǒng)的連接 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 八、控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì) 1. 存儲(chǔ)

59、器與I/O芯片地址分配 根據(jù)書后圖6-7中地址譯碼器U4（74LS138）的連接情況， 可以算出主機(jī)板中存儲(chǔ)器與I/O芯片的地址分配如表 6-1所示。 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 2控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 系統(tǒng)設(shè)有7檔功能可以相互切換，分別是“編輯”、“空刀”、 “自動(dòng)”、“手動(dòng)1”、“手動(dòng)2”、“手動(dòng)3”和“回零”。選中某 一功能時(shí)，對應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，進(jìn)入相應(yīng)的功能處理?？刂葡到y(tǒng)的 監(jiān)控管理程序流程如圖6-10所示。 圖6-10 系統(tǒng)監(jiān)控管理程序流程圖 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例 38255芯片初始化子程序 B255: MOV DPTR，#3FFFH；指向8255的控制口地址 MOV A

60、，#10001001B；PA口輸出，PB口輸出，PC口輸入，均為方式0 MOVX DPTR，A ；控制字被寫入 MOV DPTR，#3FFCH；指向PA口 MOVA，#0FFH；預(yù)置PA口全“1” MOVXDPTR，A；輸出全“1”到PA口 MOVDPTR，#3FFDH；指向PB口 MOVA，#0FFH；預(yù)置PB口全“1” MOVXDPTR，A；輸出全“1”到PB口 RET 48279芯片初始化子程序 B279: MOV DPTR，#5FFFH；指向8279控制口地址 MOV A，#0CFH；清除FIFO與顯示RAM命令 MOVX DPTR，A；命令字被寫入 WAIT:MOVX A，DPTR；