第六章+机电一体化系统设计实例

第六章6.16.2

机电一体化系统设计实例卧式车床数控化改造设计数控车床自动回转刀架机电系统设计

6.36.4

X-Y数控工作台机电系统设计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6-1 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

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δx = 0.005 mm/脉冲, Z方向(纵向)δz = 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2~4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 …… 此处隐藏：2200字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……