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1、杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院第八章第八章 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù)2 總體方案的確定總體方案的確定 引言引言第八章第八章 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計3 具體設(shè)計具體設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計一、引言一、引言 普通車床（如普通車床（如C616/C6132C616/C6132、C618/C6136C618/C6136、C620/C6140C620/C6140、C630C630等）是金屬切削加工最常用的一類機床。當(dāng)工件等）是金屬切削加工最常用的一類機床。當(dāng)工件隨主軸

2、回轉(zhuǎn)時，通過刀架的縱向和橫向移動，能加工隨主軸回轉(zhuǎn)時，通過刀架的縱向和橫向移動，能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等，借助成型出內(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。刀具，還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計圖 C6140普通車床的結(jié)構(gòu)布局1-床腳 2-掛輪 3-進給箱 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-床身機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 普通車床刀架的縱向和橫向進給運動，是由主普通車床刀架的縱向和橫向進給運動，是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來，

3、通過進給箱變速后，軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光桿或絲桿帶動溜板箱、縱溜板以及橫溜板產(chǎn)生由光桿或絲桿帶動溜板箱、縱溜板以及橫溜板產(chǎn)生移動。進給參數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時需要停移動。進給參數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時需要停車。刀架的縱向進給和橫向進給不能聯(lián)動，切削次車。刀架的縱向進給和橫向進給不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制。序需要人工控制。臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 對普通車床對普通車床進行數(shù)控化改造，進行數(shù)控化改造，主要是將縱向和主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改橫向進給系統(tǒng)改成用微機控制的、成用微機控制的、能獨立運動的進能獨立

4、運動的進給伺服系統(tǒng)；將給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能手動刀架換成能自動換刀的電動自動換刀的電動刀架。刀架。臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 題目：題目：C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計普通車床數(shù)控化改造設(shè)計 任務(wù)：將一臺任務(wù)：將一臺C6140普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床床。一、設(shè)計任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)主要主要技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)如下：如下： （1）床身上最大加工直徑）床身上最大加工直徑400 mm； （2）最大加工長度）最大加工長度1000 mm； （3）X方向方向(橫向

5、橫向)的脈沖當(dāng)量的脈沖當(dāng)量x = 0.005 mm/脈沖脈沖, Z方向方向(縱向縱向)z = 0.01 mm/脈沖；脈沖； （4）X方向最快移動速度方向最快移動速度vxmax = 3000 mm/min，Z方向方向為為vzmax = 6000 mm/min； （5）X方向最快工進速度方向最快工進速度vxmaxf = 400 mm/min，Z方向方向為為vzmaxf = 800 mm/min； （6）X方向定位精度方向定位精度 0.01 mm，Z方向方向 0.02 mm機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（7）可以車削柱面、平面、錐面與球面等；）可以車削柱面、平面、錐面與球面等；（8）安裝螺紋編

6、碼器，可以車削公）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與英制的直螺紋與 錐螺紋，最大導(dǎo)程為錐螺紋，最大導(dǎo)程為24 mm；（9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；（10)自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出 主軸有級變速與無級變速信號；主軸有級變速與無級變速信號；（11)自動控制冷卻泵的啟自動控制冷卻泵的啟/停；停；（12)安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；（13)縱、橫向安裝限位開關(guān)；縱、橫向安裝限位開關(guān)；（14)數(shù)控系統(tǒng)可與數(shù)控系統(tǒng)可與PC機串行通

7、信；機串行通信；（15)顯示界面采用顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代數(shù)控代 碼。碼。一、設(shè)計任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。二、總體方案的確定二、總體方案的確定（1）普通車床數(shù)）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位單坐標(biāo)定位，兩坐兩坐標(biāo)直線插補、圓弧標(biāo)直線插補、圓弧插補以及螺紋插補插補以及螺紋插補的功能。

8、的功能。 因此，數(shù)控系統(tǒng)因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。型。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計二、總體方案的確定二、總體方案的確定（2）普通車床經(jīng)數(shù)控化）普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工機床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。結(jié)構(gòu)，降低成本。 因此，進給伺服系統(tǒng)因此，進給伺服系統(tǒng)常采用步進電動機的開常采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。環(huán)控制系統(tǒng)。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控）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)濟性要求，決定選

9、用制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用MCS-51系列的系列的8位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。 MCS-51系列系列 8位機具有功能多、速度快、抗位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性干擾能力強、性/價比高等優(yōu)點。價比高等優(yōu)點。二、總體方案的確定二、總體方案的確定機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、接口電路、D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進電動機的驅(qū)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進電動

10、機的驅(qū)動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。二、總體方案的確定二、總體方案的確定機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 （5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠橫向的進給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)等。絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)等。二、總體方案的確定二、總體方案的確定機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 （6）計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當(dāng)）計算選擇

11、步進電動機，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速輪副，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。量，可能需要減速輪副，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。二、總體方案的確定二、總體方案的確定機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 （7）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。選擇螺紋編碼器等。二、總體方案的確定二、總體方案的確定機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計1主傳動系統(tǒng)的改造方案主傳動系統(tǒng)的改造方案 三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案 對普通車床進行對普通車床進行數(shù)控化改造時，一數(shù)控化改造時，一般可般可保留原有的主保留原有的主傳動機構(gòu)和變速操傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)縱機構(gòu)，

12、這樣可減，這樣可減少機械改造的工作少機械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制?？叵到y(tǒng)來控制。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 提高車床的自動化程度，需要在加工中自動提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，用變換轉(zhuǎn)速，用2速的多速電動機代替原有的單速的多速電動機代替原有的單速主電動機；速主電動機； 當(dāng)多速電動機仍不能滿足要求時，用當(dāng)多速電動機仍不能滿足要求時，用交流變頻交流變頻器器來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無級變速（工廠使來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率

13、低于70Hz，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電動機大）。的功率應(yīng)比電動機大）。三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 采用有級變速時，可選用浙江超力電機有限公采用有級變速時，可選用浙江超力電機有限公司生產(chǎn)的司生產(chǎn)的YDYD系列系列7.5kW7.5kW變極多速三相異步電動機，實變極多速三相異步電動機，實現(xiàn)現(xiàn)2 2檔變速；檔變速；三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案 采用無級變速時，應(yīng)采用無級變速時，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型加裝交流變頻器，推薦型號為：號為：F1000-G0075

14、T3BF1000-G0075T3B，適配適配7.5kW7.5kW電動機，生產(chǎn)廠電動機，生產(chǎn)廠家為煙臺惠豐電子有限公家為煙臺惠豐電子有限公司。司。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特機床附件總廠生產(chǎn)的卡盤，選用呼和浩特機床附件總廠生產(chǎn)的KD11250KD11250型型電動三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系電動三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。統(tǒng)發(fā)信控制。三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案2安裝電動卡盤安裝電動卡盤機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計3換

15、裝自動回轉(zhuǎn)刀架換裝自動回轉(zhuǎn)刀架 為了提高加工精度，為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有道工序，將車床原有的手動刀架換成自動的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架，選用常州回轉(zhuǎn)刀架，選用常州市宏達(dá)機床數(shù)控設(shè)備市宏達(dá)機床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140型型四工四工位立式電動刀架位立式電動刀架。實。實現(xiàn)自動換刀需要配置現(xiàn)自動換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。系統(tǒng)完成。三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計4螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器的安裝方案 三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、

16、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案 螺紋編碼器又稱主螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號的反床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動。軸同步轉(zhuǎn)動。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是24 mm24 mm，Z Z向的進給脈沖當(dāng)量是向的進給脈沖當(dāng)量是0.01 mm/0.01 mm/脈沖，所以螺紋編碼脈沖，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于2

17、4 mm /24 mm /（0.01 0.01 mm/mm/脈沖）脈沖）=2400=2400脈沖。脈沖。 考慮到編碼器的輸出有相位差為考慮到編碼器的輸出有相位差為9090的的A A、B B相信相信號，可用號，可用A A、B B異或后獲得異或后獲得24002400個脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），個脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可降到這樣編碼器的線數(shù)可降到12001200線（線（A A、B B信號）。另信號）。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖Z Z。三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案

18、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 基于上述要求，本例選擇螺紋編碼器的型號為：基于上述要求，本例選擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05V0-15-CTZLF-1200Z-05V0-15-CT。電源電壓。電源電壓+5V+5V，每轉(zhuǎn)輸出，每轉(zhuǎn)輸出12001200個個A/BA/B脈沖與脈沖與1 1個個Z Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑直徑15 mm15 mm，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和

19、異螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。軸安裝。 同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與同軸安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比為步軸，可將編碼器通過一對傳動比為1 1：1 1的同步齒形的同步齒形帶與主軸聯(lián)接起來。帶與主軸聯(lián)接起來。三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改

20、造設(shè)計方案機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 需要注意的是：編碼器的軸頭與安裝軸之間必須需要注意的是：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。超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計5進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案 三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸）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。的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆

21、除進給箱總成，在此位置安裝縱向）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步帶減速箱總成。進給步進電動機與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺，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。母座與螺母座托架。（4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜）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刀架。板上方安裝四工位立式電動刀架。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（5）拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副，）拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副，將滑動絲桿靠刻度盤一段（長將滑動絲桿靠刻度盤一段（長

22、216 mm）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。副。（6）將橫向進給步進電動機通過法蘭座）將橫向進給步進電動機通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠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)。絲杠的軸頭相聯(lián)。（7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。更換絲桿的右支承。三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案三、機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 縱、橫向進給傳動部件的計算和選型主縱、橫向進給傳動部件的計算和選

23、型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計算切削力、選要包括：確定脈沖當(dāng)量、計算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計減速箱、選擇步擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計減速箱、選擇步進電動機等。以下詳細(xì)介紹縱向進給機構(gòu)，進電動機等。以下詳細(xì)介紹縱向進給機構(gòu)，橫向進給機構(gòu)與縱向類似，在此從略。橫向進給機構(gòu)與縱向類似，在此從略。四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 1脈沖當(dāng)量的確定脈沖當(dāng)量的確定 四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型 根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，X方向（橫向）方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為的脈沖當(dāng)量為x = 0.005 mm/脈沖，脈

24、沖，Z方方向（縱向）為向（縱向）為z = 0.01 mm/脈沖。脈沖。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型2切削力的計算切削力的計算 縱向車削力的計算縱向車削力的計算 設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，b650 Mpa； 選用刀具材料為硬質(zhì)合金選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15； 刀具幾何參數(shù)為：主偏角刀具幾何參數(shù)為：主偏角kr60，前角，前角010，刃傾角，刃傾角s5； 切削用量為：背吃刀量切削用量為：背吃刀量ap3 mm，進給量，進給量f =0.6 mm/r，切削速度，切削速度vc105 m/min。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一

25、體化系統(tǒng)設(shè)計四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 查表查表3-1，得：，得： 2795， 1.0， 0.75， 0.15。 查表，得：主偏角查表，得：主偏角r的修正系的修正系 0.94；刃傾角、；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。 由經(jīng)驗公式，算得主切削力由經(jīng)驗公式，算得主切削力 2673.4 N。由經(jīng)驗。由經(jīng)驗公式公式 : : 1：0.35：0.4，算得縱向進給切削力，算得縱向進給切削力 935.69 N，背向力，背向力 =1069.36 N。cFCcFxcFycFncFkrkcFcFf

26、FpFfFpF四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 已知移動部件總重量已知移動部件總重量G=1300 N； 車削力車削力 =2673.4 N， =1069.36 N， =935.69 N。cFpFfF四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型3滾珠絲杠螺母副的計算和選型（縱向）滾珠絲杠螺母副的計算和選型（縱向） （1）工作載荷）工作載荷Fm的計算的計算機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)根據(jù) = ， = ， = 的對應(yīng)關(guān)系，可得：的對應(yīng)關(guān)系，可得： =2673.4 N， =1069.36 N， =935.69 N。選用矩

27、形三角形組合滑動導(dǎo)軌，查表，取選用矩形三角形組合滑動導(dǎo)軌，查表，取 = 1.15， = 0.16，代入代入Fm + , 得得工作載荷工作載荷Fm 1712 N。zFyFxF)(GFzKKcFpFfFzFyFxFxF四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)車床設(shè)車床Z向在承受最大切削力條件下最快的向在承受最大切削力條件下最快的進給速度進給速度V=0.8 m/min，初選絲杠基本導(dǎo)程，初選絲杠基本導(dǎo)程 Ph = 6 mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速，則此時絲杠轉(zhuǎn)速 n = 1000V/Ph 133 （ r/min）。）。 取滾珠絲杠的使用壽命取滾珠絲杠的

28、使用壽命T=15000 h，代入，代入L0 = 60 n T / 106，得絲杠壽命系數(shù)，得絲杠壽命系數(shù) L0 = 119.7（單位為：（單位為： 106 r）。）。 四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型（2）最大動載荷）最大動載荷FQ的計算的計算查表查表3-30，取載荷系數(shù)，取載荷系數(shù)fW = 1.15，硬度系數(shù)，硬度系數(shù)fH = 1，代入下式，得到最大動載荷：，代入下式，得到最大動載荷： 309703QWHmFL f f FN機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)計算出的最大動載荷，查表根據(jù)計算出的最大動載荷，查表3-33，選擇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的選擇啟東

29、潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為型滾珠絲杠副。其公稱直徑為40 mm，基本導(dǎo)程為，基本導(dǎo)程為6 mm，雙螺母滾珠總?cè)?，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為數(shù)為3 2 = 6 圈，精度等級取圈，精度等級取4級，額定級，額定動載荷為動載荷為13200 N，滿足要求。，滿足要求。四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型（3）初選型號）初選型號 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 將公稱直徑將公稱直徑 =40 mm，基本導(dǎo)程，基本導(dǎo)程 mm，代入，代入 = arctan Ph / ( d0 ) ，得絲杠螺，得絲杠螺旋升角旋升角 = 2 44。將摩擦角將摩擦角 =10，代

30、入，代入 = tan / tan(+ )，得傳動效率，得傳動效率 = 94.2%。0d6hP四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型（4）傳動效率）傳動效率 的計算的計算 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 采取一端軸向固定，一端簡支的方式。固定采取一端軸向固定，一端簡支的方式。固定端采取一對推力角接觸球軸承，面對面組配。絲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；鋼的彈性模量；鋼的彈性模量 2.1 Mpa；查表，得滾珠直徑查表，得滾珠直徑 =3.9688 mm，算得，算得

31、:絲杠底徑絲杠底徑d2=公稱直徑公稱直徑 滾珠直徑滾珠直徑 =36.0312 mm，則絲杠截面積，則絲杠截面積 /4 =1019.64 （mm2）。）。E510 四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型（5）剛度的驗算）剛度的驗算1）Z向滾珠絲杠副的支承向滾珠絲杠副的支承wD0dwD22dS機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 ( )3，求得單圈滾珠數(shù)目，求得單圈滾珠數(shù)目 = 29；該；該型號絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為型號絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為3 2 = 6，則滾珠，則滾珠總數(shù)量總數(shù)量 29 6 =174。滾珠絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)。滾珠絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力緊力 = /3

32、571 N。則，求得滾珠與螺紋滾道間的。則，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量接觸變形量 0.00117 mm。wDd /0 ZZZYJFmF2四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型2）根據(jù)公式求得單圈滾珠數(shù)目）根據(jù)公式求得單圈滾珠數(shù)目 因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以，所以實際變形量可減小一半，取實際變形量可減小一半，取 = 0.000585 mm。2機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 3）將以上算出的）將以上算出的 和和 代入代入 ,求得絲杠總變形量求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度（對應(yīng)跨度1497 mm） 0.012555 mm

33、=12.555m。查表知，查表知，4級精度滾珠絲杠任意級精度滾珠絲杠任意300 mm軸向行程內(nèi)行程軸向行程內(nèi)行程的變動量允許的變動量允許16 m，而對于跨度為，而對于跨度為1497 mm的滾珠絲杠，的滾珠絲杠，總的變形量總的變形量 只有只有12.555m，可見絲杠剛度足夠。，可見絲杠剛度足夠。1221總總總四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型（5）剛度的驗算）剛度的驗算機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)公式計算失穩(wěn)時的臨界載荷根據(jù)公式計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表，取支承系。查表，取支承系數(shù)數(shù) = 2；由絲杠底徑；由絲杠底徑 = 36.0312mm, 得截面慣性矩得

34、截面慣性矩 82734.15mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) 取取3（絲杠（絲杠臥式水平安裝臥式水平安裝)；滾動螺母至軸向固定處的距離；滾動螺母至軸向固定處的距離 取最大取最大值值1497 mm。求得得臨界載荷。求得得臨界載荷 51012 N，遠(yuǎn)大于工作載，遠(yuǎn)大于工作載荷荷 故絲故絲杠不會失穩(wěn)。杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。kf2d64/42dIKakFmF四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型（6）壓桿穩(wěn)定性校核）壓桿穩(wěn)定性校核 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)

35、矩，同時也為了為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減使傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。本例中，速傳動。本例中，Z向減速箱選用同步帶傳動。向減速箱選用同步帶傳動。 設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳遞的功率設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳遞的功率 ；主動輪轉(zhuǎn)速主動輪轉(zhuǎn)速 和傳動比和傳動比i；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。根據(jù)改造經(jīng)驗，根據(jù)改造經(jīng)驗，C6140車床車床Z向步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩通向步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在常在15-25 Nm之間選擇。之間選擇。 今初選電動機

36、型號為今初選電動機型號為130BYG5501，五相混合式，最大，五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩為靜轉(zhuǎn)矩為20 Nm，十拍驅(qū)動時步距角為，十拍驅(qū)動時步距角為0.72。四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型4. 同步帶減速箱的設(shè)計（縱向）同步帶減速箱的設(shè)計（縱向）機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計圖圖6-4 130BYG55016-4 130BYG5501步進電動機的運行矩頻特性曲線步進電動機的運行矩頻特性曲線圖 130BYG5501步進電機運行矩頻特性機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（1）傳動比）傳動比i的確定的確定 已知電動機的步距角已知電動機的步距角 = 0.72，脈，脈沖當(dāng)

37、量沖當(dāng)量z= 0.01 mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph= 6 mm。根。根據(jù)公式算得傳動比據(jù)公式算得傳動比i = 1.2。 （2）主動輪最高轉(zhuǎn)速）主動輪最高轉(zhuǎn)速 由由Z向拖板的最快移動速度向拖板的最快移動速度vzmax=6000mm/min，可以算出主動輪最高轉(zhuǎn)速，可以算出主動輪最高轉(zhuǎn)速 =（vzmax /z ）/ 360 =1200（r/min）。）。 （3）確定帶的設(shè)計功率）確定帶的設(shè)計功率Pd 預(yù)選的步進電動機在轉(zhuǎn)速為預(yù)選的步進電動機在轉(zhuǎn)速為1200 r/min時，對應(yīng)的步時，對應(yīng)的步進脈沖頻率為：進脈沖頻率為： fmax= 1200 360 / ( 60 ) = 100

38、00（Hz）。）。1n1n四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 查圖得，當(dāng)脈沖頻率為查圖得，當(dāng)脈沖頻率為10000 Hz時，電動機的輸出時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩約為轉(zhuǎn)矩約為3.8 Nm，對應(yīng)的輸出功率為，對應(yīng)的輸出功率為POUT = n T / 9.55 = 1200 3.8 / 9.55 477.5（W）。）。同步帶傳遞的負(fù)載功率應(yīng)該小于同步帶傳遞的負(fù)載功率應(yīng)該小于477.5 W，今取，今取P = 0.32 kW，查表取工作情況系數(shù)，查表取工作情況系數(shù)KA = 1.2，則求得帶的設(shè)計功，則求得帶的設(shè)計功率率Pd = KA P =1.20.3

39、2 kW= 0.384 kW。 （4）選擇帶型和節(jié)距）選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計功率根據(jù)帶的設(shè)計功率Pd=0.384 kW和主動輪最高轉(zhuǎn)速和主動輪最高轉(zhuǎn)速 =1200 r/min，查圖選擇同步帶，型，查圖選擇同步帶，型號為號為 XL型，節(jié)距型，節(jié)距 =5.08 mm。bp1nbp四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（5）確定小帶輪齒數(shù)）確定小帶輪齒數(shù) 和小帶輪節(jié)圓直徑和小帶輪節(jié)圓直徑 取取 =25，則小帶輪節(jié)圓直徑，則小帶輪節(jié)圓直徑 = =40.43 mm。當(dāng)當(dāng) 達(dá)最高轉(zhuǎn)速達(dá)最高轉(zhuǎn)速1200 r/min時，同步帶的速度為時，同步帶的速度

40、為 =2.54（m/s），沒有超過），沒有超過XL型帶的極限速型帶的極限速度度40 m/s。1z1d1bp z1 160 1000d nv1z1d四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（7）初選中心距）初選中心距 、帶的節(jié)線長度、帶的節(jié)線長度 、帶的齒數(shù)帶的齒數(shù) 初選初選中心距中心距 =1.3（ + ）=115.622 mm，圓整后取，圓整后取 =120mm.則帶的節(jié)線長度為則帶的節(jié)線長度為 0a0pLbz2z2di21did1d22100120()2()24pddLadda2z1z0a2d0amm 379.843= 四、進給傳動部件的計算

41、和選型四、進給傳動部件的計算和選型（6）確定大帶輪齒數(shù)）確定大帶輪齒數(shù) 和大帶輪節(jié)圓直徑和大帶輪節(jié)圓直徑 大帶輪齒大帶輪齒數(shù)數(shù) = =30,節(jié)圓直徑節(jié)圓直徑 =48.51 mm。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（8）計算實際中心距）計算實際中心距 實際中心距實際中心距 （9）校驗帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)）校驗帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) 嚙合齒數(shù)比嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。大，滿足要求。a002ppLLa amz11212()2 2bmpzzzentzza120.5785mm12 四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（10）計算基準(zhǔn)額定功率）計算

42、基準(zhǔn)額定功率 式中式中 帶寬為帶寬為 的許用工作拉力，查表的許用工作拉力，查表3-21得得 =50.17N； 帶寬為帶寬為 的單位長度的質(zhì)量，查表的單位長度的質(zhì)量，查表3-21得得 =0.022 同步帶的帶速，可知同步帶的帶速，可知 =2.54 m/s。算得算得 = 0.127 kW。20()1000aTmv vP0sbmaTv0P0sbmv0Pkg/m四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（11）確定實際所需同步帶寬度）確定實際所需同步帶寬度 式中式中 選定型號的基準(zhǔn)寬度，查表得選定型號的基準(zhǔn)寬度，查表得 = 9.5 mm； 小帶輪嚙合齒

43、數(shù)系數(shù)，查表得小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查表得 =1。 由上式算得由上式算得 25.07 mm，再查表選定最接近的帶，再查表選定最接近的帶寬寬 =25.4 mm。sb1/1.1400dszPbK P0sbzKzKsb0sbsbsb四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（12）帶的工作能力驗算）帶的工作能力驗算 根據(jù)公式，計算同步帶額定功率根據(jù)公式，計算同步帶額定功率P的精確值：的精確值： 式中，式中， 為齒寬系數(shù)為齒寬系數(shù) = 3.068；經(jīng)計算得；經(jīng)計算得P = 0.390 kW，而，而Pd = 0.384 kW，滿足，滿足PPd 。因此，帶因

44、此，帶的工作能力合格。的工作能力合格。230()10szw asbPK K Tmv vbwK1.140( / )wssKb b四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計5. 步進電動機的計算與選型（縱向）步進電動機的計算與選型（縱向）（1）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量eqJ0dhP33/1085. 7cmkg四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型已知：滾珠絲杠的公稱直徑已知：滾珠絲杠的公稱直徑 =40 mm，總長（帶接，總長（帶接桿桿)l=1560 mm，導(dǎo)程，導(dǎo)程 6 mm，材料

45、密度，材料密度 ;縱向移動部件總重量縱向移動部件總重量G = 1300 N；同；同步帶減速箱大帶輪寬度步帶減速箱大帶輪寬度28 mm，節(jié)徑，節(jié)徑48.51 mm，孔徑，孔徑30 mm，輪轂外徑，輪轂外徑42 mm，寬度，寬度14 mm；小帶輪寬度；小帶輪寬度28 mm，節(jié)徑，節(jié)徑40.43 mm，孔徑，孔徑19mm，輪轂外徑，輪轂外徑29 mm，寬度，寬度12 mm；傳動比；傳動比i =1.2。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 查表，可以算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具查表，可以算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 =30

46、.78 ；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 =1.21 ；小帶輪的轉(zhuǎn)；小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量動慣量 =0.60;大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量 =1.27。 在設(shè)計減速箱時，初選的在設(shè)計減速箱時，初選的Z向步進電動機型號為向步進電動機型號為130BYG5501，查表得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。，查表得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： = + +（ + + ）/ 56.7 SJWJ1 zJ2zJ33mJ2cmkgeqJmJ1 zJ2 zJWJSJ2i2cmkg四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計

47、算和選型表表4-1為轉(zhuǎn)動慣量計算表。為轉(zhuǎn)動慣量計算表。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（2）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進行計算。分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進行計算。 1）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 包括三部分：快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的包括三部分：快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩最大加速轉(zhuǎn)矩 ，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動

48、機轉(zhuǎn)軸上，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，可。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，可知，知， 相對于相對于 和和 很小，可以忽略不計。則有：很小，可以忽略不計。則有： = + eqTmaxaT1eqTfT0T1eqT0TfT1eqTmaxaTfTmaxaT四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 考慮考慮Z向傳動鏈的總效率向傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： 式中式中 nm 對應(yīng)對應(yīng)Z向空載最快移動速度的

49、步進電動機最高向空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)速，單位為r/min； 步進電動機由靜止到加速至步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時間，轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為單位為s。其中：其中： 式中式中 Z向空載最快移動速度，任務(wù)書指定為向空載最快移動速度，任務(wù)書指定為 6000 mm/min； Z向步進電動機步距角，為向步進電動機步距角，為0.72； Z向脈沖當(dāng)量，本例向脈沖當(dāng)量，本例=0.01 mm/脈沖。脈沖。 將以上各值代入，算得將以上各值代入，算得nm=1200 r/min。1602maxameqatnJTat360maxvnmmaxv四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部

50、件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)步進電動機由靜止到加速至設(shè)步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間轉(zhuǎn)速所需時間 =0.4 s，Z向傳動鏈總效率向傳動鏈總效率 = 0.7。則求得：。則求得： 2.54（Nm） 可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： 式中式中 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動導(dǎo)軌取導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動導(dǎo)軌取0.16； 垂直方向的工作負(fù)載，空載時取垂直方向的工作負(fù)載，空載時取0； Z向傳動鏈總效率，取向傳動鏈總效率，取0.7。則得：則得： 0.24（Nm）最后求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

51、為：最后求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： = + = 2.78 Nm at7 . 04 . 0601200107 .5624maxaTiPGFThcf2)(cF2 . 17 . 02006. 0)13000(16. 0fT1eqTmaxaTfT四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ， 包括三部分：折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt ，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，

52、移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ，滾，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。T0相相對于對于Tt和和Tf很小，可以忽略不計。則有：很小，可以忽略不計。則有： = Tt + Tf 其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt。本例中。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知進給方向的最大工作載在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知進給方向的最大工作載荷荷Ff = 935.69 N，則有：，則有： 1.06（Nm）2eqT2eqT2eqT2 . 17 . 02006. 069.9352iP

53、FThft四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 再計算承受最大工作負(fù)載（再計算承受最大工作負(fù)載（ =2673.4N）情況下，移動）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： （Nm）最后求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩最后求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 = Tt + Tf = 1.78 Nm 經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩載轉(zhuǎn)矩 =max ， = 2.78 NmcFiPGFTh

54、cf2)(2eqTeqT1eqT2eqT0.72 四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（3）步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定）步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K = 4，則，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：步進電

55、動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Tjmax 4 = 4 2.78 Nm = 11.12 Nm 對于前面預(yù)選的對于前面預(yù)選的130BYG5501型步進電動機，查表可知，型步進電動機，查表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩其最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax= 20 Nm，可見完全滿足要求。，可見完全滿足要求。四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（4）步進電動機的性能校核）步進電動機的性能校核 1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)任務(wù)書給定書給定Z向最快工進速度向最快工進速度 =800mm/min，脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量=0.01 mm/脈沖，

56、求出電動機對應(yīng)的運行頻率脈沖，求出電動機對應(yīng)的運行頻率 = 800/（600.01）1333(Hz)。從從130BYG5501的運行矩頻特的運行矩頻特性圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩性圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 17 Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =1.78 Nm，滿足要求。，滿足要求。fvmaxffmaxfTmax2eqT四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定任務(wù)書給定Z向最快空載移動速度向最快空載移動速度

57、 =6000mm/min，求出電動機對應(yīng)的運行頻，求出電動機對應(yīng)的運行頻率率 =6000/（600.01） =10000(Hz)。查圖得，在。查圖得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 =3.8 Nm，大于快，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 = 2.78 Nm，滿足要求。，滿足要求。maxvmaxT1eqTmaxf四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計3）最快空載移動時電動機運行頻率校核）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度最快空載移動速度 = 6000 mm/min對應(yīng)的電動對應(yīng)的電動

58、機運行頻率機運行頻率 = 10000 Hz。查表可知。查表可知130BYG5501的極限運行頻率為的極限運行頻率為20000 Hz，可見沒有超出上限。，可見沒有超出上限。maxvmaxf四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 4）起動頻率的計算）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量Jeq= 56.7 ，電動機轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣，電動機轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量量 ， 查表可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的最高查表可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的最高空載起動頻率空載起動頻率 =1800Hz 。則可以求出步進電動。則可以求出

59、步進電動機克服慣性負(fù)載的起動頻率為：機克服慣性負(fù)載的起動頻率為： =1092Hz33mJ2cmkg qfmeqqLJJff1四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 說明，要想保證步進電動機起動時不失步，說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于任何時候的起動頻率都必須小于1092Hz。實際上，。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得很低，通常在采用軟件升降頻時，起動頻率選得很低，通常只有只有100Hz（即（即100脈沖脈沖/s）。）。 綜上所述，本例中綜上所述，本例中Z向進給系統(tǒng)選用向進給系統(tǒng)選用130BYG550

60、1步進電動機，可以滿足設(shè)計要求。步進電動機，可以滿足設(shè)計要求。四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計6同步帶傳遞功率的校核同步帶傳遞功率的校核 分兩種工作情況，分別進行校核。分兩種工作情況，分別進行校核。 （1）快速空載起動）快速空載起動 電動機從靜止到加速至電動機從靜止到加速至nm=1200 r/min，同步帶傳遞的負(fù)，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩載轉(zhuǎn)矩Teq1=2.78 Nm，傳遞的功率為，傳遞的功率為P = nm Teq1 / 9.55 =12002.78/9.55349.3W （2）最大工作負(fù)載、最快工進速度）最大工作負(fù)載、最快工進速度 帶

61、需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2 = 1.78 Nm，任務(wù)書，任務(wù)書給定最快工進速度給定最快工進速度vmaxf = 800mm/min，對應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速，對應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速nmaxf nmaxf =（vmaxf /z）/360=160（r/min）傳遞的功率為傳遞的功率為 P P = nmaxf Teq2 / 9.55 =1601.78/9.55 29.8W 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。因此，選擇的同步帶功率合格。四、進給傳動部件的計算和選型四、進給傳動部件的計

62、算和選型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 在完成滾珠絲杠螺母副、減速箱和步進電動機的在完成滾珠絲杠螺母副、減速箱和步進電動機的計算、選型后，就可以著手繪制進給傳動機構(gòu)的裝計算、選型后，就可以著手繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時，需要考慮以下問題：配圖了。在繪制裝配圖時，需要考慮以下問題：五、繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖五、繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（1 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）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。板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。（2 2） 根據(jù)載荷特點和支承形式，確

63、定絲杠兩端軸承的型號、根據(jù)載荷特點和支承形式，確定絲杠兩端軸承的型號、軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。（3 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）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，保證絲杠與機床導(dǎo)軌平行，證絲杠兩端支承與螺母座同軸，保證絲杠與機床導(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)，步進電動機的聯(lián)接箱的安裝與定位，同步帶的張緊力調(diào)節(jié)，步進電動機的聯(lián)接與定位等。與定位等。五、繪制進給傳

64、動機構(gòu)的裝配圖五、繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（4 4）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構(gòu)等問題。例如，絲）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構(gòu)等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、防塵防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、行程杠螺母的潤滑、防塵防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、行程限位保護裝置等。限位保護裝置等。（5 5）在進行各零部件設(shè)計時，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮裝）在進行各零部件設(shè)計時，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。配的順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。（6 6）注意繪制裝配圖時的一些基本要求。比如，制圖標(biāo)準(zhǔn)，）注意繪制裝配圖時的一些基本要求。比

65、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，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。標(biāo)題欄等。五、繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖五、繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：慮以下功能：（1 1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LEDLED顯示；顯示；（2 2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號；）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信

66、號；（3 3）接收車床限位開關(guān)信號：）接收車床限位開關(guān)信號：（4 4）接收螺紋編碼器信號；）接收螺紋編碼器信號；（5 5）接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；）接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；（6 6）控制）控制X X、Z Z向步進電動機的驅(qū)動器；向步進電動機的驅(qū)動器；（7 7）控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；）控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；（8 8）控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速；）控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速；（9 9）控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速；）控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速；（1010）控制冷卻泵啟動）控制冷卻泵啟動/ /停止；停止；（1111）控制電動卡盤的夾緊與松開；）控制電動卡盤的夾緊與松開；（1212）控制電動刀架的自動選刀；）控制電動刀架的自動選刀；（1313）與）與PCPC機的串行通信。機的串行通信。六、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計六、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 CPU CPU選用選用ATMELATMEL公司的公司的8 8位單片機位單片機AT89S52AT89S52； 由于由于AT89S52AT89S52本身資源有限，所以