第八章卧式车床数控化改造设计.ppt

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1、杭州电子科技大学机械工程学院 第八章 卧式车床数控化改造设计 机电一体化系统设计 1 设计任务 2 总体方案的确定 引言 第八章 卧式车床数控化改造设计 3 具体设计 机电一体化系统设计 一、引言 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。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。 机电一体化系统设计 图 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

2、架 9-上溜板 10-尾座 11-丝杠 12-光杠 13-床身 机电一体化系统设计 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。 卧式车床数控化改造设计 机电一体化系统设计 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。 卧式车床数控化改造设计 机电一体化系统设计 题目：C6140普通车床数控化改

3、造设计 任务：将一台C6140普通车床改造成经济型数控车 床。 一、设计任务 机电一体化系统设计 一、设计任务 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.

4、02 mm 机电一体化系统设计 （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。 一、设计任务 机电一体化系统设计 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

5、系统CPU的选择，以及进给 传动方式和执行机构的选择等。 二、总体方案的确定 （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。 机电一体化系统设计 二、总体方案的确定 （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。 机电一体化系统设计 （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

6、8位机具有功能多、速度快、抗 干扰能力强、性/价比高等优点。 二、总体方案的确定 机电一体化系统设计 （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。 二、总体方案的确定 机电一体化系统设计 （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。 二、总体方案的确定 机电一体化系统设计 （6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当 量，可能需要减

7、速轮副，且应有消间隙机构。 二、总体方案的确定 机电一体化系统设计 （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。 二、总体方案的确定 机电一体化系统设计 1主传动系统的改造方案 三、机械系统的改造设计方案 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。 机电一体化系统设计 提高车床的自动化程度，需要在加工中自动 变换转速，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，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

8、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）。 三、机械系统的改造设计方案 机电一体化系统设计 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； 三、机械系统的改造设计方案 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。 机电一体化系统设计 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。

9、 三、机械系统的改造设计方案 2安装电动卡盘 机电一体化系统设计 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。 三、机械系统的改造设计方案 机电一体化系统设计 4螺纹编码器的安装方案 三、机械系统的改造设计方案 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。 机电一体化系统设计 改造

10、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。 三、机械系统的改造设计方案 机电一体化系统设计 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

11、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 。 三、机械系统的改造设计方案 机电一体化系统设计 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。 三、机械系统的改造设计方案 机电一体化系统设计 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

12、的最高许用转速。 三、机械系统的改造设计方案 机电一体化系统设计 5进给系统的改造与设计方案 三、机械系统的改造设计方案 （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。 机电一体化系统设计 （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）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

13、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。 三、机械系统的改造设计方案 机电一体化系统设计 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。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 1脉冲当量的确定 四、进给传动部件的计算和选型 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

14、）为z = 0.01 mm/脉冲。 机电一体化系统设计 四、进给传动部件的计算和选型 2切削力的计算 纵向车削力的计算 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。 机电一体化系统设计 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 查表3-1，得： 2795， 1.0， 0.75， 0.15。 查表，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，算得主

15、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。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 已知移动部件总重量G=1300 N； 车削力 =2673.4 N， =1069.36 N， =935.69 N。 四、进给传动部件的计算和选型 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 机电一体化系统设计 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，取 = 1.15， = 0.16，

16、 代入Fm + , 得工作载荷 Fm 1712 N。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 设车床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）。 四、进给传动部件的计算和选型 （2）最大动载荷FQ的计算 查表3-30，取载荷系数fW = 1.15，硬度系数fH = 1 ，代入下式，得到最大动载荷： 机电一体化系统设计

17、 根据计算出的最大动载荷，查表3-33， 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。 四、进给传动部件的计算和选型 （3）初选型号 机电一体化系统设计 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%。 四、进给传动部件的计算和选型 （4）传动效率 的计算 机电一体化系统设计 采取

18、一端轴向固定，一端简支的方式。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=1497 mm；钢的弹性模量 2.1 Mpa； 查表，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 ）。 四、进给传动部件的计算和选型 （5）刚度的验算 1）Z向滚珠丝杠副的支承 机电一体化系统设计 ( )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

19、 N。则，求得滚珠与螺纹滚道间的 接触变形量 0.00117 mm。 四、进给传动部件的计算和选型 2）根据公式求得单圈滚珠数目 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 = 0.000585 mm。 机电一体化系统设计 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。 查表知，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。 四、进给传动部件的计算和选型 （5）刚度的验算 机电一体化

20、系统设计 根据公式计算失稳时的临界载荷Fk。查表，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。求得得临界载荷 51012 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。 四、进给传动部件的计算和选型 （6）压杆稳定性校核 机电一体化系统设计 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。 设计同步带减速箱需要的原

21、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。 四、进给传动部件的计算和选型 4. 同步带减速箱的设计（纵向） 机电一体化系统设计 图6-4 130BYG5501步进电动机的运行矩频特性曲线 图 130BYG5501步进电机运行矩频特性 机电一体化系统设计 （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=

22、 6 mm。根据 公式算得传动比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= 1200 360 / ( 60 ) = 10000（Hz）。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 查图得，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 /

23、 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 ，查表取工作情况系数KA = 1.2，则求得带的设计功率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，查图选择同步带，型号 为 XL型，节距 =5.08 mm。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 （5）确定小带轮齿数 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

24、（m/s），没有超过XL型带的极限速 度40 m/s。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 （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 四、进给传动部件的计算和选型 （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。 机电一体化系统设计 （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。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 （10）计算基准额定功率 式中 带宽为 的许用工作拉力，查

25、表3-21得 =50.17N； 带宽为 的单位长度的质量，查表3-21得 =0.022 同步带的带速，可知 =2.54 m/s。 算得 = 0.127 kW。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 （11）确定实际所需同步带宽度 式中 选定型号的基准宽度，查表得 = 9.5 mm； 小带轮啮合齿数系数，查表得 =1。 由上式算得 25.07 mm，再查表选定最接近的带 宽 =25.4 mm。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 （12）带的工作能力验算 根据公式，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

26、Pd = 0.384 kW，满足PPd 。因此，带 的工作能力合格。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 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 四、进给传动部件的计算和选型 已知：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.

27、2。 机电一体化系统设计 查表，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 130BYG5501，查表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 四、进给传动部件的计算和选型 表4-1为转动惯量计算表。 机电一体化系统设计 （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

28、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，可 知， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有： = + 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 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速转矩： 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： 式中 Z向空载最快移动速度，任务书指

29、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，算得nm=1200 r/min。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 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。则求得： 2.54（Nm） 可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 ： 式中 导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16； 垂直方向的工作负载，空载时取0； Z向传动链总效率，取0.7。 则得： 0.24（Nm ） 最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为： = + = 2.78

30、Nm 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 ， 包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 Tt ，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf ，滚 珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。T0相 对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有： = Tt + Tf 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt。本例中 在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载 荷Ff = 935.69 N，则有： 1.06（Nm） 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 再计算承受最大工作负载（ =2673.4N

31、）情况下，移动 部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： （Nm） 最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 = Tt + Tf = 1.78 Nm 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负 载转矩 =max ， = 2.78 Nm 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 （3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电 压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至 堵转。因此，根据 来选择步进电动机的最大静转矩 时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K = 4，则 步进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax 4 = 4 2.78

32、 Nm = 11.12 Nm 对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，查表可知 ，其最大静转矩Tjmax= 20 Nm，可见完全满足要求。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 （4）步进电动机的性能校核 1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书 给定Z向最快工进速度 =800mm/min，脉冲当量 =0.01 mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率 = 800/（600.01）1333(Hz)。从130BYG5501的运行矩频特 性图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩 17 Nm，远远大于最大工作负载转矩 =1.78 Nm，满足要求。 四、进给传动部件的计算和选型

33、机电一体化系统设计 2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定Z向最快空载移动速度 =6000mm/min，求出电动机对应的运行频 率 =6000/（600.01） =10000(Hz)。查图得，在 此频率下，电动机的输出转矩 =3.8 Nm，大于快 速空载起动时的负载转矩 = 2.78 Nm，满足要求 。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度 = 6000 mm/min对应的电动 机运行频率 = 10000 Hz。查表可知130BYG5501 的极限运行频率为20000 Hz，可见没有超出上限。 四、进给传动部件的计算

34、和选型 机电一体化系统设计 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总 转动惯量Jeq= 56.7 ，电动机转子自身的转动惯量 ， 查表可知电动机转轴不带任何负载时的最高 空载起动频率 =1800Hz 。则可以求出步进电动 机克服惯性负载的起动频率为： =1092Hz 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 说明，要想保证步进电动机起动时不失步， 任何时候的起动频率都必须小于1092Hz。实际上 ，在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通 常只有100Hz（即100脉冲/s）。 综上所述，本例中Z向进给系统选用 130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。 四、进给传动部件的计算

35、和选型 机电一体化系统设计 6同步带传递功率的校核 分两种工作情况，分别进行校核。 （1）快速空载起动 电动机从静止到加速至nm=1200 r/min，同步带传递的负 载转矩Teq1=2.78 Nm，传递的功率为P = nm Teq1 / 9.55 =12002.78/9.55349.3W （2）最大工作负载、最快工进速度 带需要传递的最大工作负载转矩Teq2 = 1.78 Nm，任务书 给定最快工进速度vmaxf = 800mm/min，对应电动机转速nmaxf nmaxf =（vmaxf /z）/360=160（r/min） 传递的功率为 P P = nmaxf Teq2 / 9.55 =

36、1601.78/9.55 29.8W 两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率 0.39kW。因此，选择的同步带功率合格。 四、进给传动部件的计算和选型 机电一体化系统设计 在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的 计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装 配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题： 五、绘制进给传动机构的装配图 机电一体化系统设计 （1）了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜 板、横溜板、刀架等的结构尺寸。 （2） 根据载荷特点和支承形式，确定丝杠两端轴承的型号 、轴承座的结构以及轴承的预紧和调节方式。 （3）考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。例如

37、，应保 证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行， 考虑螺母座、支承座在安装面上的联接与定位，同步带减速 箱的安装与定位，同步带的张紧力调节，步进电动机的联接 与定位等。 五、绘制进给传动机构的装配图 机电一体化系统设计 （4）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝 杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程 限位保护装置等。 （5）在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺性，考虑装 配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。 （6）注意绘制装配图时的一些基本要求。比如，制图标准， 视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺 寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的

38、标注，装配技术要求 ，标题栏等。 五、绘制进给传动机构的装配图 机电一体化系统设计 根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考 虑以下功能： （1）接收键盘数据，控制LED显示； （2）接收操作面板的开关与按钮信号； （3）接收车床限位开关信号： （4）接收螺纹编码器信号； （5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； （6）控制X、Z向步进电动机的驱动器； （7）控制主轴的正转、反转与停止； （8）控制多速电动机，实现主轴有级变速； （9）控制交流变频器，实现主轴无级变速； （10）控制冷却泵启动/停止； （11）控制电动卡盘的夹紧与松开； （12）控制电动刀架的自动选刀； （13）

39、与PC机的串行通信。 六、控制系统硬件电路设计 机电一体化系统设计 CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52； 由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片 EPROM芯片W27C512用作程序存储器，存放系统底层 程序； 扩展了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，存 放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理； 输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片， 一些进/出的信号均做了隔离放大； 模拟电压的输出借助于DAC0832； 与PC机的串行通信经过MAX233芯片。 六、控制系统硬件电路设计 机电一体化系统设计 图 控制系统原理框图 机电一体化系统设计 控制系统的操作

40、面板布置如图所示。面板设置了48个微动按键， 三个船形开关，一只急停按钮，显示器包括1组数码显示管和7只发 光二极管。 图 车床数控系统操作面板布置图 六、控制系统硬件电路设计 机电一体化系统设计 本例中X向步进电动机的型号为110BYG5802，Z 向步进电动机的型号为130BYG5501，生产厂家为常 州宝马集团公司。这两种电动机除了外形尺寸、步 距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为5 相混合式，5线输出，电机供电电压DC120310V， 电流5A。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型 号。在此，选择合肥科林数控科技有限责任公司生 产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为 BD5

41、A。它与控制系统的连接如后图所示。 七、步进电动机驱动电源的选用 机电一体化系统设计 图 BD5A驱动器与控制系统的连接 七、步进电动机驱动电源的选用 机电一体化系统设计 1. 存储器与I/O芯片地址分配 根据地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以 算出主机板中存储器与I/O芯片的地址分配如表所示。 八、控制系统的部分软件设计 机电一体化系统设计 2控制系统的监控管理程序 系统设有7档功能可以相互切换，分别是“编辑”、“空刀” 、“自动”、“手动1”、“手动2”、“手动3”和“回零”。选中某 一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的 监控管理程序流程如图所示。 图

42、系统监控管理程序流程图 八、控制系统的部分软件设计 机电一体化系统设计 B255: MOV DPTR，#3FFFH；指向8255的控制口地址 MOV A，#10001001B ；PA口输出，PB口输出，PC口输入，均为 方式0 MOVX DPTR，A ；控制字被写入 MOV DPTR，#3FFCH；指向PA口 MOVA，#0FFH；预置PA口全“1” MOVXDPTR，A；输出全“1”到PA口 MOVDPTR，#3FFDH；指向PB口 MOVA，#0FFH；预置PB口全“1” MOVXDPTR，A；输出全“1”到PB口 RET 八、控制系统的部分软件设计 38255芯片初始化子程序 机电一体化

43、系统设计 B279: MOV DPTR，#5FFFH；指向8279控制口地址 MOV A，#0CFH；清除FIFO与显示RAM命令 MOVX DPTR，A；命令字被写入 WAIT:MOVX A，DPTR；从8279的控制口读取8279的状态字 JB ACC.7，WAIT ；测试显示RAM有没有被清除完毕。只有 状态字的D7=0时，清除才结束 MOV A，#08H；编码扫描，左入口，16位字符显示，双 键互锁 MOVX DPTR，A MOV A，#34H；分频系数取20 MOVX DPTR，A RET 八、控制系统的部分软件设计 48279芯片初始化子程序 机电一体化系统设计 设显示缓冲区的首地

44、址为6BH，系统在指定的工作 状态下，需要显示的字符段码的编码，事先存储在CPU 内部RAM 的6BH73H这9个字节中。已知8279的控制口 地址为5FFFH，数据口地址为5FFEH，则显示程序如下 ： 八、控制系统的部分软件设计 58279控制LED显示子程序 机电一体化系统设计 DIR：MOVDPTR，#5FFFH ；8279的控制口地址 MOVA，#90H ；写8279显示RAM的命令， MOVX DPTR，A ；从显示RAM的00H地址开始 写，每写一次， 显示RAM的地 址自动加1 MOVR0，#6BH ；显示缓冲区的首地址为6BH MOVR7，#09H ；显示缓冲区的长度为9个字

45、节 MOVDPTR，#5FFEH；8279的数据口地址 DIR0:MOVA，R0 ；从CPU的RAM中读取显示 段码的编码 ADDA，#05H ；PC与DTAB表格之间的偏移量 MOVC A，A+PC ；查表，取出显示段码 MOVX DPTR，A ；送到8279显示RAM中指定的字节 INCR0 ；写8279的下一个显示RAM DJNZR7，DIR0 ；循环9次，完成9位显示 RET 八、控制系统的部分软件设计 机电一体化系统设计 ； 段码字符 编码 DTAB:DB6FH ；F 00-01 DB 0DAH DB 0BEH ；X 02-03 DB 0E7H DB 0A3H ；Z 04-05 DB

46、 0CBH DB 0D1H ；U 06-07 DB 0D3H DB 0DCH ；W 08-09 DB 0CEH DB 0DFH ； - 0A DB 21H ； 0 0B DB 7BH ； 1 0C DB 91H ； 2 0D DB 19H ； 3 0E DB 4BH ； 4 0F DB 0DH ； 5 10 DB 05H ； 6 11 DB 69H ； 7 12 DB 01H ； 8 13 DB 09H ； 9 14 DB 20H ； 0. 15 DB 7AH ； 1. 16 DB 90H ； 2. 17 DB 18H ； 3. 18 DB 4AH ； 4. 19 DB 0CH ； 5. 1A

47、 DB 04H ； 6. 1B DB 68H ； 7. 1C DB 00H ； 8. 1D DB 08H ； 9. 1E . .； 根据系统需要编制字库 机电一体化系统设计 当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的6BH73H这9个字节赋值，然后调 用DIR子程序即可。例如，要显示“X-1234.56”，程序如下： MOV6BH，#02H；“X”的一半 MOV6CH，#03H；“X”的另一半 MOV6DH，#0AH；- MOV6EH，#0CH；1 MOV6FH，#0DH；2 MOV70H，#0EH；3 MOV71H，#19H；4. MOV72H，#10H；5 MOV73H，#11H；6 CALLDIR；向8279的显示RAM写数 . . 显示缓冲区（CPU内部RAM）： （6BH）（6CH）（6DH）（6EH）（6FH）（70H） （71H）（72H）（73H） | | | | | | | | | 显示字