机电一体化系统设计实例

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6.3X-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。图6-1C6140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400mm；（2）最大加工长度1000mm；（3）X方向(横向)的脉冲当量δx=0.005mm/脉冲,Z方向(纵向)δz=0.01mm/脉冲；（4）X方向最快移动速度vxmax=3000mm/min，Z方向为vzmax=6000mm/min；（5）X方向最快工进速度vxmaxf=400mm/min，Z方向为vzmaxf=800mm/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，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；（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2～４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2～４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24mm，Z向的进给脉冲当量是0.01mm/脉冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24mm/（0.01mm/脉冲）=2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为90º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15mm，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216mm，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δx=0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）为δz=0.01mm/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，σb＝650Mpa；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γ0＝10°，刃倾角λs＝－5°；切削用量为：背吃刀量ap＝3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度vc＝105m/min。查表3-1，得：＝2795，＝1.0，＝0.75，＝－0.15。查表3-3，得：主偏角Кr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＝2673.4N。由经验公式::＝1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力＝935.69N，背向力=1069.36N。cFCcFxcFycFncFkrkcFcFfFpFfFpF3．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=1300N；车削力=2673.4N，=1069.36N，=935.69N。如图3-20所示，根据=，=，=的对应关系，可得：=2673.4N，=1069.36N，=935.69N。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≈1712N。（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=0.8m/min，初选丝杠基本导程Ph=6mm，则此时丝杠转速n=1000V/Ph≈133（r/min）。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=119.7（单位为：106r）。cFpFfFzFyFxF)(GFzKKcFpFfFzFyFxFxF（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40mm，基本导程为6mm，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13200N，满足要求。（4）传动效率的计算将公称直径=40mm，基本导程mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，得丝杠螺旋升角λ=244′。将摩擦角=10′，代入=tanλ/tan(λ+)，得传动效率=94.2%。0d6hP（5）刚度的验算1）Z向滚珠丝杠副的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，见书后图6-3。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=1497mm；钢的弹性模量＝2.1Mpa；查表3-33，得滚珠直径=3.9688mm，算得:丝杠底径d2=公称直径－滚珠直径=36.0312mm，则丝杠截面积/4=1019.64（mm2）。2）根据公式＝()－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=/3≈571N。则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量≈0.00117mm。E510wD0dwD22dSwDd/0ZZZYJFmF2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=0.000585mm。3）将以上算出的和代入,求得丝杠总变形量（对应跨度1497mm）0.012555mm=12.555μm。由表3-27知，4级精度滚珠