《机电一体化系统设计》课程题目

《机电一体化系统设计》课程设计题目一

一、任务分析

1．设计题目：CA6140车床经济型数控改装设计

2．设计内容与要求：将CA6140普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向：0.005mm。

设计参数如下： 最大加工直径： 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 最大加工长度： 1000mm 快进速度 纵向 2.4m/min 横行 1.2m/min 最大切削进给速度 纵向 0.5m/min 横行 0.25m/min 代码制 ISO 脉冲分配方式 逐点比较法 输入方式 增量值、绝对值通用 控制坐标数 2 最小指令值 纵向 0.01mm/pulse 横行 0.005mm/pulse 刀具补偿量 0~99.99mm 进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15mm 横行 0.075mm 自动升降速性能 有 二、 总体方案设计

接到数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定 各种设计参数和结构，然后再分机械部分和电气部分进行设计计算。现以机电一体化的典型产品经济型数控机床为例，分析总体方案的拟定的内容和应该考虑的问题。 机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的结构及传动方式的确定，微型计算机数控系统的选择、设计等。应根据毕业设计任务书及要求提出系统总体方案，对方案进行分析比较和论证，最后确定总体方案。 1． 总体设计方案的论证

对于普通机床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵守的基本原则是：在满 足设计要求的前提下，对机床的改造应尽可能少，以降低成本。 1) 数控系统运动方式的确定

数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续（轮廓）控制系统。 由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控（MNC）系统采用连续控制系统。

2) 伺服进给系统的选择

数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。

采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但它结构复杂、技术难度大、调试和维修困难、造价高。对于所改造的CA6140车床的加工精度要求不很高。采用闭环控制系统的必要性不大。 采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围宽、过载能力强，又具有反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，所以比闭环容易实现。但是，采用半闭环控制，调试比开环要复杂，设计上有其自身的特点，技术难度较大。本设计任务书的要求不高，是经济性数控的改造，通常的情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。缺点是步进电机没有过载能力。启动频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济性数控设备中。 经过上述比较，决定采用开环控制系统。 纵向进给机构的改造：拆去原有机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾，并不占据丝杠空间。由于采用了滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给整体刚度。 横向进给机构的改造：由于原横向进给的丝杠空间有限，一种方法是拆除横向丝杠换上滚珠丝杠，但在现有的滚珠丝杠系列中选出合适的丝杠副较困难，需特制滚珠丝杠副，为了便于安装，滚珠丝杠副的丝杠轴不是整体的，而采用分移式，然后用联轴器联接；另一种方法是采用原丝杠，这样做就避免了特制滚珠丝杠副的麻烦，减少了成本，但需采用电气补偿丝杠精度和反向间隙的措施。本方案采用前者，并保留横向原手动机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。

3) 数控系统的硬件电路设计

任何一个数控系统都有硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直 接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。数控系统中的关键部分是数控装置。 数控装置的设计方案选择也有多种方案，通常有：

①. 可以全部自己设计、制作；

②. 可以采用单板机或STD模块或工业控制机改制；

③. 可以选用现成的数控装置作少量的适用化改动或配接。

在普通机床的经济性数控改造中，一般多采用后两种方法。一般情况下，所需的数控功 能和要求如果有现成的数控装置可以满足，这时通常都采取购置现成数控装置的方案，因为自行设计制作不但费时间，且不经济，同时质量上也难于保证，另一种情况是购置现成的数控装置产品满足不了所需的数控功能，这时可将购置的数控装置经自行补充或改造其硬件电路，来满足本设计要求。但作为毕业设计即使是采用上述两种数控装置的设计方案，也需对其结构、原理、控制方式等有所了解，才能提出自己的处理办法，也可以采用自行设计数控装置的方案和数控装置，可以更全面地训练学生运用计算机、数控系统硬件电路的设计和应用的能力，其难度比较大，也为今后从事其它类似的工作打下坚实的基础。本设计实例采用第一种方法即自行设计数控装置。 在自行设计的数控装置中，CPU的选择是关键。选择CPU应考虑以下要素：

a) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切关系； b) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； c) 指令系统功能的强弱与编程的灵活性相关； d) I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关；

e) 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路，与开发周期、推广应用相关； 除此之外，还应根据数控系统应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起 来考虑以确定CPU。 2． 总体设计方案的确定

经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济性数控改造的总体方案示意图如图 3.2.1所示。CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，既手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。由MCS-51系列单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、软件环形分配器（硬件环分器）与放大器控制功率步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电动机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转。发出两路信号；每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。

图 3.2.1 总体方案示意图

三、机床进给伺服系统机械部分设计计算过程 伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下： 1． 确定系统脉冲当量

一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定 单位。脉冲当量是衡量数控加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床常采用的脉冲当量市0.01~0.005mm/pulse。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。 2． 切削力计算

在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，

此处列举三种常用的计算切削力的方法。 一、 用经验公式计算主切削力。

例如车床的主切削力Fz(N)可用下式计算 纵切外圆：

1.5 Fz?0.67Dmax式中 Dmax——车床床身上加工最大直径单位为mm横切端面是主切削力Fz'可取纵切时Fz

的12。

求出主切削力Fz以后再按以下比例分别求出分力Fx和Fy。

Fz:Fx:Fy?1:0.25:0.4

式中 Fx——走刀方向的切削分力（N）；

Fy——垂直走刀方向的切削分力（N）。 图3.2.2为纵切和横切时切削力的示意图。 横切时的切削力可取纵切时的1/2。

图3.2.2 纵切和横切时切削力的示意图

二、 按切削用量计算切削力

上面介绍的按经验公式计算切削力的方法是比较简单而实用的。但是对于不同的专用机 床来说，计算结果不一定非常准确。所以对某一指定了专门用途的专用数控机床，应该根据具体加工条件、不同的工况，选用合理的切削用量，用切削力计算公式来计算切削力。

外圆车削时切削力计算

Fz?9.81CFz?apFz?fxyFz?(60v)nFz?KFz