机电一体化系统设计实例.ppt
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1、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
2、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
3、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)
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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,
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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%。,(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
16、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3-33,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)。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=/3571 N。则由(3-27)式,求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 0.00117 mm。,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.
17、000585 mm。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。由表3-27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。(6)压杆稳定性校核 根据公式(3-28)计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-31,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。代入式(3-28),得临界载荷 5
18、1012 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。,4.同步带减速箱的设计(纵向)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,同步带与带轮的计算和选型参见第三章第三节相关内容。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。该
19、电动机的详细技术参数见表4-5,运行矩频特性曲线见图6-4。,图6-4 130BYG5501步进电动机的运行矩频特性曲线,图6-4 130BYG5501步进电机运行矩频特性,(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(3-12)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=120
20、0 360/(60)=10000(Hz)。从图6-4查得,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,从表3-18中取工作情况系数KA=1.2,则由式(3-14),求得带的设计功率Pd=KA P=1.20.32 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,从图3-14中选择同步带,型号为 XL型,节距=5.08 mm。,(5)确定小带轮齿
21、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。(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。(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,(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。(10)计算基准额定功率 式中 带宽为 的许用工作拉力,由表3-21查得=50.17N;带宽为 的单位长度的质量
22、,由表3-21查得=0.022 同步带的带速,由上述(5)可知=2.54 m/s。算得=0.127 kW。,(11)确定实际所需同步带宽度 式中 选定型号的基准宽度,由表3-21查得=9.5 mm;小带轮啮合齿数系数,由表3-22查得=1。由上式算得 25.07 mm,再根据表3-11选定最接近的带宽=25.4 mm。(12)带的工作能力验算 根据式(3-22),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。,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 已
23、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。参照表4-1,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130BYG
24、5501,从表4-5查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,(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,根据(4-12)式可知,相对于 和 很小,可以忽略不计。则有:=+(6-1),根据式(4-9),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
25、速转矩:(6-2)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:(6-3)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。将以上各值代入式(6-3),算得nm=1200 r/min。,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。则由式(6-2)求得:2.54(Nm)由式(4-10)可知,移动部件运动时,折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:(6-4)式中 导轨的摩擦系数,滑动导轨取
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