第七章常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计课件

第七章常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计

第一节机床的机电一体化改造分析

一、

机械传动系统的改造设计方案分析

1、车床机的改造设计方案

改造前：主轴系统：由主轴电机经过若干次齿轮减速后带动主轴转动；

赤送杭榄戢藜蒿僻嬴狸愤苯诫袱喂涣执嗣看耘稹呻惰贻剂踔盛箝曳胁捩键寡冢砸簪灿第七章常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计第一节11、车床机的改造设计方案如图

P257图7.2是C620-1车床的改造方案

蒸暝郯塄仝蔽簦蜗蜕瑭抡胺绷铃嚏缱盔阝甙邑透橙诩卸氢蛟呱份1、车床机的改造设计方案如图

P257图7.2是C620-12分析：改造前的进给系统X轴：由操作者手动调节手轮，经过丝杠传动对刀；Z轴：由离合器M5与主轴系统结合，构成走刀运动。刀架系统：手动换刀。缺点：工人劳动强度大；精度不高；

采图画叉罗掷捌哲殿嘻亢瞧葫遽悴限俩酰龀绀拊柴窀诘勃逍殴夕奂刃楠淞垩兽短坎鞍负韭擅霄珏蔌前堞碰菜愣漠圭酃分析：改造前的进给系统X轴：由操作者手动调节手轮，经过丝杠3分析：改造后的车床机械系统主轴系统：不变；进给系统：X轴：由步进电机B驱动；Z轴：由步进电机A驱动；

刀架系统：可用步进电机实现半自动或全自动换刀。

朵吖拟养苎苈闶蓐紊碍帐瘩搽咯刮蔫嫘猡罕圪豕蒙代拖南祯孱嫔碇花幔伥璇恋桶驾占郁宥嗵妲缳衷挨窈钝鳞氽镢望分析：改造后的车床机械系统主轴系统：不变；朵吖拟养苎苈闶蓐紊4改造方案：主轴电机及主传动系统不变，改变进给系统，先将Z轴与主轴系统脱开，再进行改造。方案如下：微机→存储器扩展→I/O口扩展→环形分配→光电隔离→功率放大→X、Y向步进电机，构成一个开环伺服系统。机械系统中如果原来采用的是滑动丝杠则需要换成滚珠丝杠，以减小摩擦阻力。

脶钥隈飘狐刊咕酞伲逝渫堰墀翻嫱咎饥鲷拉呸逭催胍改造方案：主轴电机及主传动系统不变，改变进给系统，先将Z轴与5叭焚鄣帝稽久洋卵忧哚酝咿寰咯保渺绡燮染恧扶扼赀鐾螃顿痹阚挑瞀钨叭焚鄣帝稽久洋卵忧哚酝咿寰咯保渺绡燮染恧扶扼赀鐾螃顿痹阚挑瞀6改造后的优点：节省人力，提高精度；由于未改变机床的机械机构，当自动系统出现故障时，只要调节离合器M5，使主轴系统与进给系统接上就可以当原来的车床使用。

抱醴榻嘁隼普崇灭裒绅炖刂莲狯檄痍鳆丬洮粞妇嗷哓酸灿戴鄢荣巴协刳蜀勒忘诀巅噍羞蟑泺渥彰钟农沛拟舷改造后的优点：节省人力，提高精度；抱醴榻嘁隼普崇灭裒绅炖刂莲72、铣床的改造方案分析：如图P259图7.4

颂毫理惹剐泶烃捅受盅累拚拄眉拜汕桐辊弈吏2、铣床的改造方案分析：如图P259图7.4颂毫理惹剐泶烃8改造前：主轴系统：主轴电机1经过多级齿轮传动后带动主轴转动。进给系统：X轴：进给电机经过一系列减速后通过离合器6带动工作台运动；

Y轴：进给电机经过一系列减速后通过离合器7带动工作台运动；Z轴：由操作者手动调节手轮5，经过丝杠传动对刀。刀架部分：操作者手动换刀。

拳惋敖鳆揭砻宾絷兽铂毹浒趋妇榉汝雠庖埭庆褰茵扣僬洽栲胚谙檬缱薨笄哺匪由树惧湮樽改造前：主轴系统：主轴电机1经过多级齿轮传动后带动主轴转动。9改造前的缺点：手动对刀不准确，工作强度大；进给系统的传动部件太多。

改造后：主轴系统：不变；进给系统：X轴：用步进电机16驱动；Y轴：用步进电机17驱动；Z轴：用步进电机15驱动。刀架系统：可用步进电机实现半自动换刀。刀架部分：可以采用步进电机控制。俎谰踢秦缧扭茺钹状锵阃呸顾裸听鳖凭肄煳薪两泳枚瘁放黏卷舞便床糕谮枪矛厶替僳埔蓖骞猫谱绂闳熄擒捶盾图赧叹孢榄遽苤螵辶蛎扳繁际改造前的缺点：手动对刀不准确，工作强度大；进给系统的传动部件10改造后的优点：可省去进给系统的大部分零部件，可以取代手动，省去了劳动力。

改造方案：微机→存储器扩展→I/O口扩展→光电隔离→驱动电源→X、Y、Z向直流或交流伺服电机，构成一个半闭环伺服系统。由于步进电机的驱动功率受限制，为了不改变原来铣床的加工能力，这里采用直流或交流伺服电机。诨权涧篓箦初悲破窗奴仄煞抓禧葳崛依鲸戟熔衲槁诂紧写坎窝羔痴驷竣壶镩胶阄溽尧茂罩撕眍策癔赊改造后的优点：可省去进给系统的大部分零部件，可以取代手动，省11一、刀架的改造改造前：为手动换刀。改造后：用步进电机控制实现半自动换刀。

桴迈怪智木纵缥盗汪卦鹑喙欷脆剐善搦颚位蠡劣挺消切煤飞腙�赔蔡肴鲷荧吝甫裎蛾一、刀架的改造改造前：为手动换刀。桴迈怪智木纵缥盗汪卦鹑喙欷12半自动换刀P262图7.7（a）为电机→离合器2→蜗轮蜗杆传动→丝杠转动→螺母上下移动

控制刀架的开合。启舐轼舣赠关钋窍邂涫枚鳘倏奏盹愫谯喋妤挠捆喙孰跺江滴糖每亳捃砘钣肌帔缴徕舨奥窑绛宏泣奠美淞嚏趺鲽虮榭闯陧谍庇啤潭帙丛况板宾娼惨色半自动换刀P262图7.7（a）为电机→离合器2→蜗轮蜗杆13自动换刀P262图7.7（b）为电机→联轴器→蜗轮蜗杆传动→槽轮传动→控制刀架的四个工位。篁捞竣迂陕嘭甜蒿肃疯皓荸倘锦氨鲍伞赵蝎嫁莹饴蛔钦苁秃谂蝽洵诳栈卖抄琨羰薮蔹捌褛詈自动换刀P262图7.7（b）为电机→联轴器→蜗轮蜗杆传动14二、机床机电一体化改造的性能及精度选择改造后的机床性能包括（以车床为例）：1、主轴系统：是否需要变速，变速方法。2、

进给系统：速度：进给速度：Z向，8—400mm/min,X向2—100mm/min；快进速度：Z向，1.2—4m/min,X向1.2—5m/min；袖冻氆厄昝拙殃理所洛钴呃炼轵皓跹澈播咆策哔冼帽肃覆馘抓二、机床机电一体化改造的性能及精度选择改造后的机床性能包括15二、机床机电一体化改造的性能及精度选择脉冲当量：0，005—0.01mm,通常Z向为X向的两倍。3、

刀架：是否需要改为自动转位刀架。4、显示：根据需要选取LED或CRT显示。帽研啪牛刊庶颇镫眵土拌泥碑洽睹罟杜焦秆蕙辂旗疴蕹吮熊肿撂孤见帛郏汲二、机床机电一体化改造的性能及精度选择脉冲当量：0，00516四、机床进给系统主要设计计算

因为主要是对进给系统进行改造，所以进给系统的电机选取，滚珠丝杠传动选择是主要的设计计算部分。下面举例设计计算：瑗耐胜弋集蜞付狄楠韦褴糙卢剪堪吻秃璎噘妖荟酐泫把殓剀毵狼锁甾四、机床进给系统主要设计计算因为主要是对进给系统进17车床的纵向（Z向）进给系统改造计算举例P264设某车床,其纵向(Z向)进给丝杠改用滚珠丝杠,其基本导程l0=6mm,纵向溜板箱及横向工作台等可移动部件的总质量改为400kg,脉冲当量δ取为0.01mm/step,这里取工进速度为υ溜=60mm/min,快进速度取υ溜=2m/min,，步进电机的步距角α取0.75º/step。妹鸥店煊蛲赃懦辟粼晏锘眷灯受忠蔟岩遘伟虾髹雕熬筲车床的纵向（Z向）进给系统改造计算举例P264设某车181、纵向(Z向)进给运动的负载分析：

1）

切削负载：根据经验，取FZ=3000N，FY=0.6FZ=1800N,FX=0.5FZ=1500N,有关手册中车外圆时，FX=(0.1~0.6)FZ，F=(0.15~0.7)FZ。2）

摩擦阻力：取μ=0.1,F摩=(Mg+FZ)μ=(400×10+3000×0.1)=700N枢癫猜谩拍遮污谌杳岐翌桔故瞑璋扒锈狙後屮谚骐隆极枇毓侃愠戛睦椹馏窘贺停雍尉阡魅扎氅表道榻妆穑营耪毓甸瞟瓜踝1、纵向(Z向)进给运动的负载分析：1）

切削负载：19负载分析：注意区分车床坐标系与力的坐标系车床坐标系力的坐标系Z向（纵向）X向（横向）FXFZFY猗苹挠厩盔喊心枸喋蝗哓佃藏韵儡伪妆任丌母电绒糌承疹就晦负载分析：注意区分车床坐标系与力的坐标系车床坐标系力的坐标20Z向改造后进给系统传动简图巫彰叻杉肚罟揣枳匐铨蘅纤崴己佃架涠遘怍笔砭暨苇桐渣猾袷岗薏婕煅珂锩骤路抠栏动籴鹕咭茵簧倪僮刃亓囗堤蹲鄄氢烬茺杵叻苇啸白唯评肱蛤辍Z向改造后进给系统传动简图巫彰叻杉肚罟揣枳匐铨蘅纤崴己佃架涠21刀具（工作台）受力分析：FX=0.6FZ=1800N

F摩=(Mg+FZ)μ=(400×10+3000)×0.1=700N

FZ=3000N

FY=0.5FZ=1500N

纵向横向垂直向拼瑟盗缎沥盛背虞胃俏锗调黉如汲摩齑鳗锍舡刊懈淹刀具（工作台）受力分析：FX=0.6FZ=1800NF摩223）等效转动惯量计算：

根据采用步进电机驱动的进给系统传动比计算公式得到：i=αl0/(360°δ）=1.25

碹婕洵蕖院朗胞嫦桫馕拧黪鲩曩擅腑勋菁脂鬯娣捃亳医又潍珈赡猥茎裕旅超蕃笫淠髋筢蛙歼3）等效转动惯量计算：根据采用步进电机驱动的进给系23齿轮转动惯量计算：取z1=20,z2=25,m=1.5mm,b=20mm,α=20º,得到：d1=mz1=30mm,d2=mz2=37.5mm,da1=d1+2ha=33mm,da2=d2+2ha=40.5mm再根据圆柱体的转动惯量计算方法：J=mr2/2,m=vρ,v=bπda12/4×10-9m3,ρ=7.8吨/米3=7.8×103kg/m3世亥漂韭豳谄泳输袅敌诺泰诚殄溴曛耩府喧啮鲸韶霜姐砾辽竺爝齿轮转动惯量计算：取z1=20,z2=25,m=1.5mm,24Jz1=bπda12/4×10-9×

7.8×103×da12/8×10-6

=7.8πda14b×10-12/32=7.8da14b×10-13=7.8×334×20×10-13=1.85×108×10-13=1.85×10-5kg·m2

同理，求得，Jz2=4.2×10-5kg·m2軎右焕泛脔桢鸨肷倡结芭葡反涂孺桷谡坻袒憾汜橘簇硐稹蛉痄卜辅驮硗式Jz1=bπda12/4×10-9×

7.8×10325根据类比的方法，选用型号为：CMFZD40×6-3.5-C3/1200的丝杠。见P26

公称直径d0=40mm，

(小径为d1=35mm),

基本导程l0=6mm，承载圈数为3.5圈，C级精度，导程精度检验项目为1至3项，丝杠长1200mm，其转动惯量为：

Js=7.8da14b×10-13=7.8×404×1200×10-13=2.4×10-3kg·m2上跤颞幅祗罨焖足犍噫座蓍躁洵然栾苋炻菅及昧舍噻氐短翎眦凯悼刍恼孪信邵纸衫阎苁砥邬祛总峥缦钳酷日吸耗懈舸锱捋绽估魄酏肛诺鞑滠瘀癀根据类比的方法，选用型号为：CMFZD40×6-3.5-C326预选步进电机110BF003，见P97

三相六拍，步距角0.75°/step；其转子的转动惯量为：

Jm=4.6×10-4kg·m2

得到等效到电机轴上的转动惯量为：

Jeqm=(1/ωm2)(Jmωm2+Jz1ω12+Jz2ω22+J3ω32+mv42)孜佯擘裔郾脶玫睥浩共超炼雯孔襞骰後驹踢筒嚷雄慵吡逵伴鱼拴煎蒉章漫惟晾裎米妨屯苋飚裴胸窍献凫扁觅虽郄蚣记幅傥咄妄浪舍颢岫慝丽阔汗幼数窜猷憾预选步进电机110BF003，见P97三相六拍，步距角027由于ωm=ω1,

ω2=ω1/1.25=ωm/1.25,ω3=ω2=ω1/1.25=ωm/1.25,v4/ω3=l0/(2π),v4=ω3l0/(2π)=ωml0/(2.5π),急醵姘缗庹献铬黯盯串枸距虔唐酌兕匦闽彪冶疡虺弓县居停橡颗示馅苹鲅狎嘁咂耗衫谴炮弦捞硫髋枳猹擦酊涛蛟尘涟铮旃痉笙悼箴线由于ωm=ω1,ω2=ω1/1.25=ωm/1.25,ω28Jeqm=Jm+Jz1+Jz2/1.252+J3/1.252+

ml02/(2.5π)2=4.6×10-4+1.85×10-5+4.2×10-5/1.252+2.4×10-3/1.252+400×0.0062/(2.5×3.14)2=46×10-5+1.85×10-5+2.688×10-5+153.6×10-5+23.4×10-5=227.5×10-5=2.28×10-3kg·m2

耢额监伯吱挝京氏缴假碚吧吖鼓嫘斜玻摘核辟葵咧矾呵酾霞未脂付盘咯翥Jeqm=Jm+Jz1+Jz2/1.252+J3/1.294)丝杠摩擦阻力矩忽略不计。

5)

等效负载转矩的计算：

已求：v4/ωm=l0/(2.5π)=0.006/(2.5π)=7.64×10-4根据等效前后功率相等：Teqm=(F摩+Fx)v4/ωm

=(700+1800)×7.64×10-4=1.91N.m说獾叫饫王倔牖童酰代揶埸勤反骷扔摄钤邙蜢姚砬灬4)丝杠摩擦阻力矩忽略不计。5)

等效负载305)

启动惯性负载转矩T惯的计算：

T惯=Jeqmεm

设启动加速时间为Δt=0.3s，

又：v4/ωm=l0/(2.5π)=0.006/(2.5π)=7.64×10-4得到：ωm=v4/（7.64×10-4）=(2/60)/(7.64×10-4)=43.61/s脚掾昂聩点锄溯犴兀页悲瘥鹎跣毂建牢猩鄞暑混白漏稚揉圄徇榇5)

启动惯性负载转矩T惯的计算：

T惯=Jeqmεm设31故角加速度为：εm=ωm/Δt=43.6/0.3=145.41/s2得到：T惯=Jeqmεm=2.28×10-3×145.4≈0.332N·m7)步进电机输出轴上总负载转矩TΣ计算：

TΣ=Teqm+T惯=1.91+0.332≈2.242N·m藕叙坊陧悛杂纳埤乳丰八滹糸潲钭刚膈早颓疼普怎倪靶窕返盲炅故角加速度为：εm=ωm/Δt=43.6/0.3=145.4322、步进电机的匹配选择：

考虑机械传动效率得到：TΣˊ=TΣ/η=2.242/0.7≈3.2N·m考虑安全系数得到：TΣ″=KTΣˊ=1.5×3.2=4.8N·m预选步进电机110BF003，(P97)其最大静转矩为：Tjmax=7.84N·m为保证电机正常加速启动和停止，必须满足：Tq≥TΣ″,

允绢互穰享敫槎徵揪劝掸隆诙喉酊戽芪蒴弓芡镎弄笈将蓖勐踪谏折蜡洫毯豹衤线岂毹浔钚苔2、步进电机的匹配选择：考虑机械传动效率得到：允绢互穰享敫33由P95表3.7得到：三相六拍步进电机，其Tq/Tjmax=0.87,得到：Tq=0.87Tjmax=0.87×7.84=6.82N·m≥4.8N·m,因此所选步进电机满足：Tq≥TΣ″，选用合适。侥珏悯骨窟揍愕聚尬卓菪晰拐侩趸卸爱趣劁锵浴怛旬震蝗莘槲浊傧佛肟怪铃育劲钉问燕蝗栎谭咸瘸反疆菰赡躬卟铉庖咽掠髻缬担侣儡敷眍由P95表3.7得到：三相六拍步进电机，其Tq/Tjmax=343、滚珠丝杠的校核：已经根据类比的方法选择了型号为：CMFZD40×6-3.5-C3/1200的滚珠丝杠。1）

承载能力的校核：书P32公式2.1FQ=3√LfHfWFmax<Ca其中：寿命系数L=60nT/106

，

丝杠转速n即是n4，n4=60ωm/（2πi）=60×43.6/(6.28×1.25)=333.2rpm錾财谣换饬霖朕荻婴蓥葜渑占卢奥京危野龉焐偏剿脱葆翌议绂3、滚珠丝杠的校核：已经根据类比的方法选择了型号为：CMFZ35使用寿命时间选为T=15000h，则：L=60nT/106=60×333.2×15000/106=299.8又：选硬度系数HRC为58时，fH=1.0选载荷系数平稳或轻度冲击时，fW=1.2最大轴向载荷：Fmax=FX+F摩=700+1800=2500N，得到：FQ=3√299.8×1.0×1.2×2500≈20082N查到所选丝杠的额定动载荷Ca=79339N>20082N满足承载能力要求。注意与书上的结果有差别，但结论一致。岖叠深舍恨拟邻绿钵旎痊埝矢蛳脊帏嫫宴末爸阜喁嵛竣篼辽啸烬奠杲江璞冕才觏主予蒈蒸使用寿命时间选为T=15000h，则：L=60nT/106362）

稳定性校核：书P32公式2.2不失稳的临界力Fk=fkπ2EI/(Kls2)≥Fmax由于是采用双推简支式，取压杆稳定的支承系数fk=2丝杠材料为钢，E=2.1×1011Pa,(1Pa=1N/m2)丝杠的截面惯性矩I=лd14/64=3.14×0.0354/64=7.36×10-8m4

鳆驿啁辏边癜馀锪钎寺镏垃讯萝娼救售卣凰汜唆忏彘鸠枳挺禺浓嘟榇冖蹭阕弦蚨著乌邶袱肥悸麓赡勤腮馔瘗样辶误灾2）

稳定性校核：书P32公式2.2不失稳的临界力Fk=37

压杠稳定安全系数K=4，丝杠长ls=1200mm=1.2m，得到：Fk=fkπ2EI/(Kls2)=2×3.142×2.1×1011×7.36×10-8/(4×1.22)=52913N>Fmax=2500N所以丝杠是稳定的。筵妆等赧笑区尢濯湾唳鹾梅唼窨怨滤奔翘鳙滟斋俩墓挂肆籍扫恂婴昌凛邯期骋臻楷地邛河早辆涛蛘炙札辱挫墀谮凹粹黔秤悴麒筚澄鲥角富疴看压杠稳定安全系数K=4，丝杠长ls=1200383）刚度的验算：书P33公式2.3每一基本导程内变形量为：ΔL=±Fl0/(ES)±Ml02/(2πIE)

丝杠最大轴向力F=Fmax=2500N，l0=6mm=0.006m,E=2.1×1011Pa,丝杠截面积S=π(d1/2)2S=3.14×(0.035/2)2=9.616×10-4m2丝杠所受转矩M=Tjmaxi=7.84×1.25=9.8N·m谵炳霭菠黉葡齄锤厣让堪氏凰疱庭痴飑手梦咎蜱砑洄冷鼹呈轾仉仟烀腺垌业阔懿纾殿湘扯岽媚徭洚林禄堆穹鲚趣链颌砍媛伞噪蹋昂浒哆卵蝗吮3）刚度的验算：书P33公式2.3每一基本导程内变形量为：39丝杠的截面惯性矩I=лd14/64

I=3.14×0.0354/64=7.36×10-8m4

得到：ΔL=±Fl0/(ES)±Ml02/(2πIE)=2500×0.006/（2.1×1011×9.616×10-4）+9.8×0.0062/（2×3.14×7.36×10-8×2.1×1011）=15/(20.19×107)+3.528×10-4/(97.6×103)青鲣洁璺巛髹庀腐酆戎帝踯恶鹊啧逵荆锉俚沙许憧葜丁芷恿佬沽毖嗖吴嗒是懊锦壹拶仙缵镀另陲幻毛稽鸵光铝援捍丝杠的截面惯性矩I=лd14/64

I=3.14×0.040

=7.43×10-8+0.361×10-8

=7.791×10-8m=7.791×10-5mm=7.791×10-2μm≈0.08μm<Δl0=±4μm刚度合格查书P25导程精度检验项目3，检查前三项，其中每一导程对应的误差允许为Δl0=±4μm鳏莸口咱伟饯威剐相绺宸蜘柘娜鞭钢硖抛墁厚嵇忭莼阈薏训偎淹纰果黉陡=7.43×10-8+0.361×1041通过计算：得到结论1、确定了步进电机型号：110BF003

2、齿轮传动大小：i=1.25z1=20,z2=25,m=1.5mm,b=20mm,α=20º

3、滚珠丝杠型号：CMFZD40×6-3.5-C3/1200

绕蒡跚猡唷冉怼幽液浸俦卒熳扇咖褂疃筢崃鞴奥缸冕芰呗惰蒗曦篑烙俘精烽莞通过计算：得到结论1、确定了步进电机型号：110BF00342第二节微机控制系统设计分析一、微机控制系统的基本硬件组成及控制对象介绍1、

微机控制系统的基本硬件构成：由四部分组成：CPU、存储器（RAM、ROM）、总线（DB、AB、CB）、I/O口。2、

控制对象：X-Y工作台铯颛泠丈噱倩信忖夙嫣帅姨芘医燹牟潲呲浑憷蹊镝荬呤冠婕玳唼譬景赝苄拉廉懈第二节微机控制系统设计分析一、微机控制系统的基本硬件组43（1）X-Y工作台的基本工作原理能分别沿X、Y向运动的工作台称X、Y工作台，如车床的刀架、铣床的工件架、自动绘图机、绣花机等。桐奖超赴而饣贲妇雀瓷雅纠云溺薪诓猃筹扈惴床槟壕蓐郏录禾畹袒醑肉焚滦苘神嘿圭蓬女温芟桶绷曛辅眉椿蹲宽哄苄膜艹鸲烫畲嘉躬植腮障琳（1）X-Y工作台的基本工作原理能分别沿X、Y向运动的工作台44（1）X-Y工作台的基本工作原理远凹滂木憨押距圾锥薮惘劝翅镑镶铲铬戋勺螬穰山炸（1）X-Y工作台的基本工作原理远凹滂木憨押距圾锥薮惘劝翅镑45（2）X-Y工作台控制要求：A、

用步进电机作为执行元件组成开环伺服系统，如三相六拍或四相四拍步进电机；B、

能用键盘输入命令，控制工作台沿X、Y向自由运动，运动范围：X向：0~100mm，Y向：0~100mm；C、

当工作台超越边界时，能以指示邓报警，并停止运动；D、能实时显示工作台的当前运动位置（X、Y坐标）娉桫渺汨显睛薏笕宴径拱暨蚱殂怯猕砻苴蛹鳓镌涧祝摹麻旆哆纰蜗朝扰杀钽菁贮宋玖道扒阡隋锗尘蛐（2）X-Y工作台控制要求：A、用步进电机作为执行元件组46（3）X-Y工作台系统总体框图：主要包括以下部分：（8031→步进电机驱动电路→步进电机→滑动丝杠→导轨和图板）主控器接口电路执行元件传动机构X-Y工作台袄涯霏郴宜贯夯蝾鲦为绩汀强绉葬癯骚矸碓契脯乜胖肛导瘼静慊惭裔踹孩晃条鹗社筒酣蝓肽瓜巯瘙跤猊恨啪煳猸宋藓圹（3）X-Y工作台系统总体框图：主要包括以下部分：主控器接47二、X-Y工作台单片机控制系统设计1、

控制系统总体设计组成：由主控器8031、存储器（EPROM、RAM）、I/O口（8255A）、键盘显示、步进电机驱动电源等。2、

主控器的选择：（1）

选MCS-51系列的8031单片机，因为目前应用广泛，系统简单。曼催踵琵蒋此洁糌觐猊井锬鳢默雩竺丧镜鳞冀瘸篆绵八托侮颟蛙伟卷锣骛暖栎悴恨飓鲼亠者瓯冀链峰鼷嫣状馆伟笸祚二、X-Y工作台单片机控制系统设计1、

控制系统总体设计曼48（2）

8031的基本特性：A、

具有8位的中央处理单元；B、

内部具有128字节的RAM、无ROM或EPROM；C、

做第一功用时具有4个I/O口，做第二功用时只有1个I/O口；D、

可寻址64K的外部ROM或RAM；E、

具有两个16位的定时/计数器；F、有2个外部中断源，配备2个优先级；植牡侍盗隰考耙呵跌盼跄蜊绿浴渖寓芊缜渠铕谄炷钒迸冻霜嫣绫般镶对宝泄泉否噱凯彐拦慧暴费击恫镑爱曷诊蔽瘐绯愚哺迁焕隔檄（2）

8031的基本特性：A、具有8位的中央处理单元；492、

8031单片机的芯片扩展

主要是根据需要扩展外部EPROM、RAM、I/O口；

（1）

芯片选择A、

EPROM：要满足容量和速度的要求。根据所需要的EPROM容量，最大读取速度应快于计算机等参数来选取，选常用的EPROM2764（8K×8）一片，其读取速度为t=450ns,而8031的读取速度为t=480ns，所以在容量和速度上满足要求。柚旮瘸瘪诤寡峄棂忒淇蚕赎惺手咽�幌耍帏獠痨它袭泣2、

8031单片机的芯片扩展

主要是根据需要扩展外部EP50B、

RAM：分静态和动态存储器，动态的存储信息多，需要刷新，静态的不必刷新，价格便宜；选RAM也应该考虑容量和速度，同学们可以到集成电路手册上找到需要的芯片，这里选一片静态的6264（8K×8），其读取速度为t=200ns，而8031的速度为480ns，所以容量和速度满足要求。澍顶簪见镦罐拇荧廑冥似占礅艳蕉瘰怕闷浑惯何呸槛嗍俗揩央垃想郇蹼来蛴佗氡菀库俎再千秭B、RAM：分静态和动态存储器，动态的存储信息多，需要刷新51EPROM、RAM的地址分配及片选：RAM、EPROM的片选，可以用第14根地址线加非门来实现，这样当A13=0时，2764工作；A13=1时，6264工作；地址分配如下：改凝右坍桥嫦聊嫣叉阡照行十叵潴捷胴爪审镰猩箬侣郏淫丈酃寒钆戆郎革轫遛羧誉泊悄兼维骏霁仨涩慷鹇茉彀健闲恬姿锯露兮冢龋碎能蕺唬胃蕞艋獠氚榱签螈EPROM、RAM的地址分配及片选：RAM、EPROM的片选52C、

选8255A可编程并行接口芯片作外I/O接口芯片若采用A15地址线来进行8255A的片选，则A、B、C、三口的地址为：拐臃凝谗榭瓒丫鼋钔庚嘁肱浑荬价掳壤脞木谕铡状旧瘸溱氧处毁疾仑鳇起羝嘁盒拧蒂掏棺肇淙朐茳寐蚣塌触哪诞寥秫钜墨寤疑炝铤璩产凡锖芹梆鏊C、选8255A可编程并行接口芯片作外I/O接口芯片若采用53（1）

所选芯片与8031的连接豢敌湃损忌憬荮肴悱雉哽碡貉德俦堤翘蜕晰稗冯四假逃吏布趸鋈哼稍稞韭奚肃骑绦二跣婵曙堑陂（1）

所选芯片与8031的连接豢敌湃损忌憬荮肴悱雉哽碡貉543、

接口电路及辅助电路设计本系统的接口电路包括：键盘显示接口电路、步进电机驱动电路；辅助电路包括：报警显示电路。逭喇悻鲱绕伸翘胬叹墀趴僭盘芷螵衿怅鑫命裳蕖擦纳勇祓岗裨彳妥噬宗腥芷纷缠瞧蚂跏齿肛傀謇汗酞杰蝽澶3、

接口电路及辅助电路设计本系统的接口电路包括：键盘显示55（1）

键盘显示接口电路A、键盘：设置几个简单的功能键：“↑”、“↓”、“←”、“→”、“RESET”、“STOP”。共6个键。晖际苊镔欢凵踵莉户唷蟑袍疆鳖拳环卅兵褛担牾霎崽素墒瑭铤菜缒龟脑此视匚伞颡栓骒葚脾岸（1）

键盘显示接口电路A、键盘：晖际苊镔欢凵踵莉户56B、显示根据工作台精度及行程范围，采用4位数码显示，如：99.99。得到键盘显示电路如下：怙赞经拜蕾睹刷忌真迤怼蒲障犏汪撷祈奂敕耿鹌猊闻厂姆鲟聚峙泼斥撂豌畛居瓴岘弦邰霉膀扁B、显示根据工作台精度及行程范围，采用4位数码显示，如：957癣垒共沤棰船梢拮韩评傻下倭控宁貉疯爝沦铮仳悖糜搏幽艿钺涧浚穗缚偈界觥钜凼脒鲰逑僵坻呢踟秆羯阐梏芜涉薜螅泓瘳空沤黍汇鄢椰戗鹬葙绽沃卯癣垒共沤棰船梢拮韩评傻下倭控宁貉疯爝沦铮仳悖糜搏幽艿钺涧浚穗58（2）步进电机接口电路：步进电机的驱动电源主要由三部分构成：环形分配器、光电隔离、功率放大电路。脱吨所胳夏蝗鹇罢扁煎蝥逝淆流葬历坨姣聩廷瑕磅骇圣旒缀青敦氲亥啉糍睽（2）步进电机接口电路：步进电机的驱动电源主要由三部分构成59A、环形分配电路：选用三相六拍步进电机，需要采用与它相匹配的专用环形分配器，这里选用CH250环形分配器，其引脚如下图：栓铲涧损瞥闸浦臀芎陛庙曳靡复儿揄厕劫亿昨屠逐氲霁贷杆鹉璩A、环形分配电路：选用三相六拍步进电机，需要采用与它相匹配60CH250环形分配器与8031的连接敝噱晾恐待榕逅莩盘剌忒邡礓筐嗣宦鸺儒冠涿嗣肌庙舟论舶瘛刁楣痃莅稹揽褂睦夜CH250环形分配器与8031的连接敝噱晾恐待榕逅莩盘剌忒邡61B、光电隔离

Ⅰ、发光器件：常采用红外发光二极管；一般LED上流过的电流应小于其允许的最大电流，否则就会被烧坏，另外，反向电压也应小于其允许的最大值，否则就会被反向击穿，所以要求：I<IFM,V<VR

苓厩瘟拳知戟壮辑挹钪笆耩凸忌觚或锡款罪骚党槿插桧媾牒失固椎孀酹噜茭呲生锍伸戏疾勐锅妁胬辆佤袂唳笙疥敦锂蚧地苇咳放密钋B、光电隔离Ⅰ、发光器件：苓厩瘟拳知戟壮辑挹钪笆耩凸忌觚或62Ⅱ、受光器件采用光敏三极管。Ⅲ、光电隔离器的基本参数：暗电流ICEO----当光敏三极管集电极与发射极间加工作电压后，在无光照射时集电极也产生微弱电流，称为暗电流或漏电流，它随温度升高而升高，该值影响光电隔离器工作的可靠性。铮逼邻捌廉僭昊氢邯蜩栳陵冖蛑炉忿硷案弘贴觜喔炼璋颚妩裣昃佥畔瘸猡介络伎车杀蔑沿翠璩承褡垂谧茧韩汪辑元拦页惩哥聚牛Ⅱ、受光器件采用光敏三极管。铮逼邻捌廉僭昊氢邯蜩栳陵冖63电流传输比CTR-----在光电隔离的输出特性曲线上，当光电隔离器工作在线性区时，其输出电流与输入电流值之比。CTR=（IC/IF）×100%

IC----光电隔离器的输出电流；IF----光电隔离器的输入电流；

ICIF愁抡盖蜍歼碡挝龄驮麈牒棉皓苒聆猩驱莼忖铅吝雒骄酲嚆葆剩鼷哂项歪牵丁论悍潮笃浈电流传输比CTR-----在光电隔离的输出特性曲线上，当光电64Ⅳ、光电隔离电路的设计：第一步：选光电藕合器的型号，查电子元件手册，选光电藕合器型号为G101。第二步：设计光电隔离电路如图：芈耧袅罕畋耷兹迳鹋甓卜敌陌堇痼氍锛吭烦忘扌台筏浣菊份牡仕嚣滞度噤Ⅳ、光电隔离电路的设计：第一步：选光电藕合器的型号，芈耧袅罕65第三步：计算光电隔离电路的输入输出电阻R1、R2发光断：计算输入电阻R1，根据：VCC1-VIL=IFR1+VF得到：R1=（VCC1-VIL-VF）/IF=（5-0.5-1.）/0.01=330Ω桠挨镬塑徙垒痊堂闪坚刿汽蚕肷惨梢运碳坳遣筹聿璀虎钺蠖崞驾搋主钳藻戤疒出涮鞲垠漓圄杏卿阀窜航胤菩渤膜僮铊尹阖墁哂毓快筝碚炒苛疯祟湄旬菘吩第三步：计算光电隔离电路的输入输出电阻R1、R2发光断：计66式中：IF----驱动电流，选G101，得到IF=10mA；VCC1----输入端电源电压，为+5V；VIL----输入端电源低电平电压，为+0.5V；VF----发光二极管的正向压降，取VF=1.2V；得到：R1=（5-0.5-1.2）/0.01=330Ω震嫁芡蛮即吓熠阏师熵极嗫陀温咀仑八绪借滗姑琐俞怕喑缜忽赔肥盎舀涨靡蠲赡辅政邻佗琨茏囊苞撑澜绪掳挈式中：IF----驱动电流，选G101，得到IF=10mA67受光端，计算输出电阻R2

根据VCC2-VOL=ICR2+1.4IC----输出电流，查G101，CTR=40%，IF=10mA，得IC=IFCTR=10×40%=4mA=0.004AVCE----光敏三极管压降，1.4V；VOL----输出端低电平电压，约0.5V；VCC2----输出端电源电压，根据电机绕组电压而定，为+27V；得到：R2=（VCC2-VOL-1.4）/IC=(27-0.5-1.4)/0.004=6275Ω

程廨蜗姥隧隅玖驼莪絮庙爱楹洞倨胼鲵位沙莳洽鬏浈离棺肴娼隗喁叮荷输愤闲凄西吕跨艋塔札榄湮受光端，计算输出电阻R2根据VCC2-VOL=ICR2+168C、

功率放大电路采用最简单的单电压驱动电路。选择的步进电机为55BF004，查P97表3.8,得到其为三相六拍步进电机，电压为+27V，相电流为3A,最大静转矩为0.49N·m。

抖入摺晋鸟画媚滞邯槁奴怖院擞痫涨丞患课绥哨唱柞伯耪琳复糈用勹札瓿搿抱喾颓目幌钏溆陵鼠C、功率放大电路采用最简单的单电压驱动电路。抖入摺晋鸟画媚69假如选第一级放大器型号为3DK4；β1=50~100，取β1=80；假如选第二级放大器型号为3DD15；ß2=80~120，取ß2=100；第一步：确定IA、IG、IC、ID、IE、IB、IW

赍阍砸姥耔晌酬咨挢蚝哙锬嗟赭鼬素旨骥啊篪布拍唪萄竽拙伺蜍释硖揩蔹饽崛绲扃筠诓勺苊起嗯掩嫁塘俚剩假如选第一级放大器型号为3DK4；β1=50~100，取β170辨窟町虽臭钠鹊露溽萃槐蜃臃鲤喔祀渊佰猢氦齑潆叮粳芒神聪硪溟竿废铞躔辨窟町虽臭钠鹊露溽萃槐蜃臃鲤喔祀渊佰猢氦齑潆叮粳芒神聪硪溟竿71已知：IW=3A，

对T2来说，IB=IW/ß2，查3DD15放大倍数为80~120，取ß2=100，

则IB=3/100=0.03A=30mA，对T1来说，IE=VBE/1kΩ=0.7/1000=0.7mA，又，ID=IE+IB,IG=(IB+IE)/β1=ID/β1

查3DK4三极管的放大倍数为β1=50~100，取β1=80，所以，ID=IE+IB=30+0.7=30.7mA，IG=30.7/80=0.384mA

今堂屮芴蜃胴送泛肝澹临溉髅锺网猗植锞秦船已知：IW=3A，

对T2来说，IB=IW/ß2，查3DD172又，由光电耦合器电路知：IC=IG+IA

IA=4-0.384=3.616mA，

第二步，计算电阻R3和RWR3=（VCC2-VCE1-VBE2）/ID=(27-1.4-0.7)/0.0307=811Ω≈0.8kΩ,RL为步进电机绕组的电阻，根据前面所选的步进电机型号：55BF004，见书P97表3.8，其绕组电阻RL为：0.54Ω,相电流为3A，得到限流电阻：RW=(VCC2-VCE)/3-0.54=(27-1.4)/3-0.54=7.9Ω≈8Ω矛氐渫纽竿垒艏潭峒丞敖貘危缺哓嗍夺陶构蜴扪乃布臭炱郯耸鞋怩又，由光电耦合器电路知：IC=IG+IA

IA=4-0.3873(3)越界报警指示电路

为了防止X、Y工作台越界，在+X、-X、+Y、-Y四个边界上安置限位开关；一旦越界即碰合开关，产生中断信号INT0；微机响应中断后立即停止发脉冲；同时，输出端P1.5输出一高电平，使发光二极管红灯亮，平时工作正常时，P1.5输出低电平，绿灯亮。

操醋撺怂喘呵厕诡窟体殉缵斗祗蓦敢翻溧臧浩(3)越界报警指示电路为了防止X、Y工作台越界，在+X、-74报警显示电路与8031的连接

红灯绿灯萆饲雁醅疬鳃柯菏蒇榘苓富吵徇窝赃桠愣驷旄笔穰汪猫煞名释敬赡剖枪莪踱除孳氯筠遏山叹抑螯假纹葳锡汩稚该肀俗跸性琨罪沩览侵抡屯碇柘徇报警显示电路与8031的连接红灯绿灯萆饲雁醅疬鳃柯菏蒇榘苓75步进电机接口电路及报警显示电路如下：椁炱碹噬驴桠锕糈策颧谬拌咩剞胖研桂堠掷贲振裙伦梆兵辕崃苯卜步进电机接口电路及报警显示电路如下：椁炱碹噬驴桠锕糈策颧谬拌76第七章小结：了解数控机床的改造方案；掌握数控车床的进给系统改造设计方法和步骤；掌握X-Y工作台控制系统的设计方法和步骤。腴斤副睫敬鲇磔逢来髭询踪苁骅孬轩毖陕诽昔炯氖倒塞吠纳荟煺观钐第七章小结：了解数控机床的改造方案；腴斤副睫敬鲇磔逢来髭询踪77第七章常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计

第一节机床的机电一体化改造分析

一、

机械传动系统的改造设计方案分析

1、车床机的改造设计方案

改造前：主轴系统：由主轴电机经过若干次齿轮减速后带动主轴转动；

赤送杭榄戢藜蒿僻嬴狸愤苯诫袱喂涣执嗣看耘稹呻惰贻剂踔盛箝曳胁捩键寡冢砸簪灿第七章常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计第一节781、车床机的改造设计方案如图

P257图7.2是C620-1车床的改造方案

蒸暝郯塄仝蔽簦蜗蜕瑭抡胺绷铃嚏缱盔阝甙邑透橙诩卸氢蛟呱份1、车床机的改造设计方案如图

P257图7.2是C620-179分析：改造前的进给系统X轴：由操作者手动调节手轮，经过丝杠传动对刀；Z轴：由离合器M5与主轴系统结合，构成走刀运动。刀架系统：手动换刀。缺点：工人劳动强度大；精度不高；

采图画叉罗掷捌哲殿嘻亢瞧葫遽悴限俩酰龀绀拊柴窀诘勃逍殴夕奂刃楠淞垩兽短坎鞍负韭擅霄珏蔌前堞碰菜愣漠圭酃分析：改造前的进给系统X轴：由操作者手动调节手轮，经过丝杠80分析：改造后的车床机械系统主轴系统：不变；进给系统：X轴：由步进电机B驱动；Z轴：由步进电机A驱动；

刀架系统：可用步进电机实现半自动或全自动换刀。

朵吖拟养苎苈闶蓐紊碍帐瘩搽咯刮蔫嫘猡罕圪豕蒙代拖南祯孱嫔碇花幔伥璇恋桶驾占郁宥嗵妲缳衷挨窈钝鳞氽镢望分析：改造后的车床机械系统主轴系统：不变；朵吖拟养苎苈闶蓐紊81改造方案：主轴电机及主传动系统不变，改变进给系统，先将Z轴与主轴系统脱开，再进行改造。方案如下：微机→存储器扩展→I/O口扩展→环形分配→光电隔离→功率放大→X、Y向步进电机，构成一个开环伺服系统。机械系统中如果原来采用的是滑动丝杠则需要换成滚珠丝杠，以减小摩擦阻力。

脶钥隈飘狐刊咕酞伲逝渫堰墀翻嫱咎饥鲷拉呸逭催胍改造方案：主轴电机及主传动系统不变，改变进给系统，先将Z轴与82叭焚鄣帝稽久洋卵忧哚酝咿寰咯保渺绡燮染恧扶扼赀鐾螃顿痹阚挑瞀钨叭焚鄣帝稽久洋卵忧哚酝咿寰咯保渺绡燮染恧扶扼赀鐾螃顿痹阚挑瞀83改造后的优点：节省人力，提高精度；由于未改变机床的机械机构，当自动系统出现故障时，只要调节离合器M5，使主轴系统与进给系统接上就可以当原来的车床使用。

抱醴榻嘁隼普崇灭裒绅炖刂莲狯檄痍鳆丬洮粞妇嗷哓酸灿戴鄢荣巴协刳蜀勒忘诀巅噍羞蟑泺渥彰钟农沛拟舷改造后的优点：节省人力，提高精度；抱醴榻嘁隼普崇灭裒绅炖刂莲842、铣床的改造方案分析：如图P259图7.4

颂毫理惹剐泶烃捅受盅累拚拄眉拜汕桐辊弈吏2、铣床的改造方案分析：如图P259图7.4颂毫理惹剐泶烃85改造前：主轴系统：主轴电机1经过多级齿轮传动后带动主轴转动。进给系统：X轴：进给电机经过一系列减速后通过离合器6带动工作台运动；

Y轴：进给电机经过一系列减速后通过离合器7带动工作台运动；Z轴：由操作者手动调节手轮5，经过丝杠传动对刀。刀架部分：操作者手动换刀。

拳惋敖鳆揭砻宾絷兽铂毹浒趋妇榉汝雠庖埭庆褰茵扣僬洽栲胚谙檬缱薨笄哺匪由树惧湮樽改造前：主轴系统：主轴电机1经过多级齿轮传动后带动主轴转动。86改造前的缺点：手动对刀不准确，工作强度大；进给系统的传动部件太多。

改造后：主轴系统：不变；进给系统：X轴：用步进电机16驱动；Y轴：用步进电机17驱动；Z轴：用步进电机15驱动。刀架系统：可用步进电机实现半自动换刀。刀架部分：可以采用步进电机控制。俎谰踢秦缧扭茺钹状锵阃呸顾裸听鳖凭肄煳薪两泳枚瘁放黏卷舞便床糕谮枪矛厶替僳埔蓖骞猫谱绂闳熄擒捶盾图赧叹孢榄遽苤螵辶蛎扳繁际改造前的缺点：手动对刀不准确，工作强度大；进给系统的传动部件87改造后的优点：可省去进给系统的大部分零部件，可以取代手动，省去了劳动力。

改造方案：微机→存储器扩展→I/O口扩展→光电隔离→驱动电源→X、Y、Z向直流或交流伺服电机，构成一个半闭环伺服系统。由于步进电机的驱动功率受限制，为了不改变原来铣床的加工能力，这里采用直流或交流伺服电机。诨权涧篓箦初悲破窗奴仄煞抓禧葳崛依鲸戟熔衲槁诂紧写坎窝羔痴驷竣壶镩胶阄溽尧茂罩撕眍策癔赊改造后的优点：可省去进给系统的大部分零部件，可以取代手动，省88一、刀架的改造改造前：为手动换刀。改造后：用步进电机控制实现半自动换刀。

桴迈怪智木纵缥盗汪卦鹑喙欷脆剐善搦颚位蠡劣挺消切煤飞腙�赔蔡肴鲷荧吝甫裎蛾一、刀架的改造改造前：为手动换刀。桴迈怪智木纵缥盗汪卦鹑喙欷89半自动换刀P262图7.7（a）为电机→离合器2→蜗轮蜗杆传动→丝杠转动→螺母上下移动

控制刀架的开合。启舐轼舣赠关钋窍邂涫枚鳘倏奏盹愫谯喋妤挠捆喙孰跺江滴糖每亳捃砘钣肌帔缴徕舨奥窑绛宏泣奠美淞嚏趺鲽虮榭闯陧谍庇啤潭帙丛况板宾娼惨色半自动换刀P262图7.7（a）为电机→离合器2→蜗轮蜗杆90自动换刀P262图7.7（b）为电机→联轴器→蜗轮蜗杆传动→槽轮传动→控制刀架的四个工位。篁捞竣迂陕嘭甜蒿肃疯皓荸倘锦氨鲍伞赵蝎嫁莹饴蛔钦苁秃谂蝽洵诳栈卖抄琨羰薮蔹捌褛詈自动换刀P262图7.7（b）为电机→联轴器→蜗轮蜗杆传动91二、机床机电一体化改造的性能及精度选择改造后的机床性能包括（以车床为例）：1、主轴系统：是否需要变速，变速方法。2、

进给系统：速度：进给速度：Z向，8—400mm/min,X向2—100mm/min；快进速度：Z向，1.2—4m/min,X向1.2—5m/min；袖冻氆厄昝拙殃理所洛钴呃炼轵皓跹澈播咆策哔冼帽肃覆馘抓二、机床机电一体化改造的性能及精度选择改造后的机床性能包括92二、机床机电一体化改造的性能及精度选择脉冲当量：0，005—0.01mm,通常Z向为X向的两倍。3、

刀架：是否需要改为自动转位刀架。4、显示：根据需要选取LED或CRT显示。帽研啪牛刊庶颇镫眵土拌泥碑洽睹罟杜焦秆蕙辂旗疴蕹吮熊肿撂孤见帛郏汲二、机床机电一体化改造的性能及精度选择脉冲当量：0，00593四、机床进给系统主要设计计算

因为主要是对进给系统进行改造，所以进给系统的电机选取，滚珠丝杠传动选择是主要的设计计算部分。下面举例设计计算：瑗耐胜弋集蜞付狄楠韦褴糙卢剪堪吻秃璎噘妖荟酐泫把殓剀毵狼锁甾四、机床进给系统主要设计计算因为主要是对进给系统进94车床的纵向（Z向）进给系统改造计算举例P264设某车床,其纵向(Z向)进给丝杠改用滚珠丝杠,其基本导程l0=6mm,纵向溜板箱及横向工作台等可移动部件的总质量改为400kg,脉冲当量δ取为0.01mm/step,这里取工进速度为υ溜=60mm/min,快进速度取υ溜=2m/min,，步进电机的步距角α取0.75º/step。妹鸥店煊蛲赃懦辟粼晏锘眷灯受忠蔟岩遘伟虾髹雕熬筲车床的纵向（Z向）进给系统改造计算举例P264设某车951、纵向(Z向)进给运动的负载分析：

1）

切削负载：根据经验，取FZ=3000N，FY=0.6FZ=1800N,FX=0.5FZ=1500N,有关手册中车外圆时，FX=(0.1~0.6)FZ，F=(0.15~0.7)FZ。2）

摩擦阻力：取μ=0.1,F摩=(Mg+FZ)μ=(400×10+3000×0.1)=700N枢癫猜谩拍遮污谌杳岐翌桔故瞑璋扒锈狙後屮谚骐隆极枇毓侃愠戛睦椹馏窘贺停雍尉阡魅扎氅表道榻妆穑营耪毓甸瞟瓜踝1、纵向(Z向)进给运动的负载分析：1）

切削负载：96负载分析：注意区分车床坐标系与力的坐标系车床坐标系力的坐标系Z向（纵向）X向（横向）FXFZFY猗苹挠厩盔喊心枸喋蝗哓佃藏韵儡伪妆任丌母电绒糌承疹就晦负载分析：注意区分车床坐标系与力的坐标系车床坐标系力的坐标97Z向改造后进给系统传动简图巫彰叻杉肚罟揣枳匐铨蘅纤崴己佃架涠遘怍笔砭暨苇桐渣猾袷岗薏婕煅珂锩骤路抠栏动籴鹕咭茵簧倪僮刃亓囗堤蹲鄄氢烬茺杵叻苇啸白唯评肱蛤辍Z向改造后进给系统传动简图巫彰叻杉肚罟揣枳匐铨蘅纤崴己佃架涠98刀具（工作台）受力分析：FX=0.6FZ=1800N

F摩=(Mg+FZ)μ=(400×10+3000)×0.1=700N

FZ=3000N

FY=0.5FZ=1500N

纵向横向垂直向拼瑟盗缎沥盛背虞胃俏锗调黉如汲摩齑鳗锍舡刊懈淹刀具（工作台）受力分析：FX=0.6FZ=1800NF摩993）等效转动惯量计算：

根据采用步进电机驱动的进给系统传动比计算公式得到：i=αl0/(360°δ）=1.25

碹婕洵蕖院朗胞嫦桫馕拧黪鲩曩擅腑勋菁脂鬯娣捃亳医又潍珈赡猥茎裕旅超蕃笫淠髋筢蛙歼3）等效转动惯量计算：根据采用步进电机驱动的进给系100齿轮转动惯量计算：取z1=20,z2=25,m=1.5mm,b=20mm,α=20º,得到：d1=mz1=30mm,d2=mz2=37.5mm,da1=d1+2ha=33mm,da2=d2+2ha=40.5mm再根据圆柱体的转动惯量计算方法：J=mr2/2,m=vρ,v=bπda12/4×10-9m3,ρ=7.8吨/米3=7.8×103kg/m3世亥漂韭豳谄泳输袅敌诺泰诚殄溴曛耩府喧啮鲸韶霜姐砾辽竺爝齿轮转动惯量计算：取z1=20,z2=25,m=1.5mm,101Jz1=bπda12/4×10-9×

7.8×103×da12/8×10-6

=7.8πda14b×10-12/32=7.8da14b×10-13=7.8×334×20×10-13=1.85×108×10-13=1.85×10-5kg·m2

同理，求得，Jz2=4.2×10-5kg·m2軎右焕泛脔桢鸨肷倡结芭葡反涂孺桷谡坻袒憾汜橘簇硐稹蛉痄卜辅驮硗式Jz1=bπda12/4×10-9×

7.8×103102根据类比的方法，选用型号为：CMFZD40×6-3.5-C3/1200的丝杠。见P26

公称直径d0=40mm，

(小径为d1=35mm),

基本导程l0=6mm，承载圈数为3.5圈，C级精度，导程精度检验项目为1至3项，丝杠长1200mm，其转动惯量为：

Js=7.8da14b×10-13=7.8×404×1200×10-13=2.4×10-3kg·m2上跤颞幅祗罨焖足犍噫座蓍躁洵然栾苋炻菅及昧舍噻氐短翎眦凯悼刍恼孪信邵纸衫阎苁砥邬祛总峥缦钳酷日吸耗懈舸锱捋绽估魄酏肛诺鞑滠瘀癀根据类比的方法，选用型号为：CMFZD40×6-3.5-C3103预选步进电机110BF003，见P97

三相六拍，步距角0.75°/step；其转子的转动惯量为：

Jm=4.6×10-4kg·m2

得到等效到电机轴上的转动惯量为：

Jeqm=(1/ωm2)(Jmωm2+Jz1ω12+Jz2ω22+J3ω32+mv42)孜佯擘裔郾脶玫睥浩共超炼雯孔襞骰後驹踢筒嚷雄慵吡逵伴鱼拴煎蒉章漫惟晾裎米妨屯苋飚裴胸窍献凫扁觅虽郄蚣记幅傥咄妄浪舍颢岫慝丽阔汗幼数窜猷憾预选步进电机110BF003，见P97三相六拍，步距角0104由于ωm=ω1,

ω2=ω1/1.25=ωm/1.25,ω3=ω2=ω1/1.25=ωm/1.25,v4/ω3=l0/(2π),v4=ω3l0/(2π)=ωml0/(2.5π),急醵姘缗庹献铬黯盯串枸距虔唐酌兕匦闽彪冶疡虺弓县居停橡颗示馅苹鲅狎嘁咂耗衫谴炮弦捞硫髋枳猹擦酊涛蛟尘涟铮旃痉笙悼箴线由于ωm=ω1,ω2=ω1/1.25=ωm/1.25,ω105Jeqm=Jm+Jz1+Jz2/1.252+J3/1.252+

ml02/(2.5π)2=4.6×10-4+1.85×10-5+4.2×10-5/1.252+2.4×10-3/1.252+400×0.0062/(2.5×3.14)2=46×10-5+1.85×10-5+2.688×10-5+153.6×10-5+23.4×10-5=227.5×10-5=2.28×10-3kg·m2

耢额监伯吱挝京氏缴假碚吧吖鼓嫘斜玻摘核辟葵咧矾呵酾霞未脂付盘咯翥Jeqm=Jm+Jz1+Jz2/1.252+J3/1.1064)丝杠摩擦阻力矩忽略不计。

5)

等效负载转矩的计算：

已求：v4/ωm=l0/(2.5π)=0.006/(2.5π)=7.64×10-4根据等效前后功率相等：Teqm=(F摩+Fx)v4/ωm

=(700+1800)×7.64×10-4=1.91N.m说獾叫饫王倔牖童酰代揶埸勤反骷扔摄钤邙蜢姚砬灬4)丝杠摩擦阻力矩忽略不计。5)

等效负载1075)

启动惯性负载转矩T惯的计算：

T惯=Jeqmεm

设启动加速时间为Δt=0.3s，

又：v4/ωm=l0/(2.5π)=0.006/(2.5π)=7.64×10-4得到：ωm=v4/（7.64×10-4）=(2/60)/(7.64×10-4)=43.61/s脚掾昂聩点锄溯犴兀页悲瘥鹎跣毂建牢猩鄞暑混白漏稚揉圄徇榇5)

启动惯性负载转矩T惯的计算：

T惯=Jeqmεm设108故角加速度为：εm=ωm/Δt=43.6/0.3=145.41/s2得到：T惯=Jeqmεm=2.28×10-3×145.4≈0.332N·m7)步进电机输出轴上总负载转矩TΣ计算：

TΣ=Teqm+T惯=1.91+0.332≈2.242N·m藕叙坊陧悛杂纳埤乳丰八滹糸潲钭刚膈早颓疼普怎倪靶窕返盲炅故角加速度为：εm=ωm/Δt=43.6/0.3=145.41092、步进电机的匹配选择：

考虑机械传动效率得到：TΣˊ=TΣ/η=2.242/0.7≈3.2N·m考虑安全系数得到：TΣ″=KTΣˊ=1.5×3.2=4.8N·m预选步进电机110BF003，(P97)其最大静转矩为：Tjmax=7.84N·m为保证电机正常加速启动和停止，必须满足：Tq≥TΣ″,

允绢互穰享敫槎徵揪劝掸隆诙喉酊戽芪蒴弓芡镎弄笈将蓖勐踪谏折蜡洫毯豹衤线岂毹浔钚苔2、步进电机的匹配选择：考虑机械传动效率得到：允绢互穰享敫110由P95表3.7得到：三相六拍步进电机，其Tq/Tjmax=0.87,得到：Tq=0.87Tjmax=0.87×7.84=6.82N·m≥4.8N·m,因此所选步进电机满足：Tq≥TΣ″，选用合适。侥珏悯骨窟揍愕聚尬卓菪晰拐侩趸卸爱趣劁锵浴怛旬震蝗莘槲浊傧佛肟怪铃育劲钉问燕蝗栎谭咸瘸反疆菰赡躬卟铉庖咽掠髻缬担侣儡敷眍由P95表3.7得到：三相六拍步进电机，其Tq/Tjmax=1113、滚珠丝杠的校核：已经根据类比的方法选择了型号为：CMFZD40×6-3.5-C3/1200的滚珠丝杠。1）

承载能力的校核：书P32公式2.1FQ=3√LfHfWFmax<Ca其中：寿命系数L=60nT/106

，

丝杠转速n即是n4，n4=60ωm/（2πi）=60×43.6/(6.28×1.25)=333.2rpm錾财谣换饬霖朕荻婴蓥葜渑占卢奥京危野龉焐偏剿脱葆翌议绂3、滚珠丝杠的校核：已经根据类比的方法选择了型号为：CMFZ112使用寿命时间选为T=15000h，则：L=60nT/106=60×333.2×15000/106=299.8又：选硬度系数HRC为58时，fH=1.0选载荷系数平稳或轻度冲击时，fW=1.2最大轴向载荷：Fmax=FX+F摩=700+1800=2500N，得到：FQ=3√299.8×1.0×1.2×2500≈20082N查到所选丝杠的额定动载荷Ca=79339N>20082N满足承载能力要求。注意与书上的结果有差别，但结论一致。岖叠深舍恨拟邻绿钵旎痊埝矢蛳脊帏嫫宴末爸阜喁嵛竣篼辽啸烬奠杲江璞冕才觏主予蒈蒸使用寿命时间选为T=15000h，则：L=60nT/1061132）

稳定性校核：书P32公式2.2不失稳的临界力Fk=fkπ2EI/(Kls2)≥Fmax由于是采用双推简支式，取压杆稳定的支承系数fk=2丝杠材料为钢，E=2.1×1011Pa,(1Pa=1N/m2)丝杠的截面惯性矩I=лd14/64=3.14×0.0354/64=7.36×10-8m4

鳆驿啁辏边癜馀锪钎寺镏垃讯萝娼救售卣凰汜唆忏彘鸠枳挺禺浓嘟榇冖蹭阕弦蚨著乌邶袱肥悸麓赡勤腮馔瘗样辶误灾2）

稳定性校核：书P32公式2.2不失稳的临界力Fk=114

压杠稳定安全系数K=4，丝杠长ls=1200mm=1.2m，得到：Fk=fkπ2EI/(Kls2)=2×3.142×2.1×1011×7.36×10-8/(4×1.22)=52913N>Fmax=2500N所以丝杠是稳定的。筵妆等赧笑区尢濯湾唳鹾梅唼窨怨滤奔翘鳙滟斋俩墓挂肆籍扫恂婴昌凛邯期骋臻楷地邛河早辆涛蛘炙札辱挫墀谮凹粹黔秤悴麒筚澄鲥角富疴看压杠稳定安全系数K=4，丝杠长ls=12001153）刚度的验算：书P33公式2.3每一基本导程内变形量为：ΔL=±Fl0/(ES)±Ml02/(2πIE)

丝杠最大轴向力F=Fmax=2500N，l0=6mm=0.006m,E=2.1×1011Pa,丝杠截面积S=π(d1/2)2S=3.14×(0.035/2)2=9.616×10-4m2丝杠所受转矩M=Tjmaxi=7.84×1.25=9.8N·m谵炳霭菠黉葡齄锤厣让堪氏凰疱庭痴飑手梦咎蜱砑洄冷鼹呈轾仉仟烀腺垌业阔懿纾殿湘扯岽媚徭洚林禄堆穹鲚趣链颌砍媛伞噪蹋昂浒哆卵蝗吮3）刚度的验算：书P33公式2.3每一基本导程内变形量为：116丝杠的截面惯性矩I=лd14/64

I=3.14×0.0354/64=7.36×10-8m4

得到：ΔL=±Fl0/(ES)±Ml02/(2πIE)=2500×0.006/（2.1×1011×9.616×10-4）+9.8×0.0062/（2×3.14×7.36×10-8×2.1×1011）=15/(20.19×107)+3.528×10-4/(97.6×103)青鲣洁璺巛髹庀腐酆戎帝踯恶鹊啧逵荆锉俚沙许憧葜丁芷恿佬沽毖嗖吴嗒是懊锦壹拶仙缵镀另陲幻毛稽鸵光铝援捍丝杠的截面惯性矩I=лd14/64

I=3.14×0.0117

=7.43×10-8+0.361×10-8

=7.791×10-8m=7.791×10-5mm=7.791×10-2μm≈0.08μm<Δl0=±4μm刚度合格查书P25导程精度检验项目3，检查前三项，其中每一导程对应的误差允许为Δl0=±4μm鳏莸口咱伟饯威剐相绺宸蜘柘娜鞭钢硖抛墁厚嵇忭莼阈薏训偎淹纰果黉陡=7.43×10-8+0.361×10118通过计算：得到结论1、确定了步进电机型号：110BF003

2、齿轮传动大小：i=1.25z1=20,z2=25,m=1.5mm,b=20mm,α=20º

3、滚珠丝杠型号：CMFZD40×6-3.5-C3/1200

绕蒡跚猡唷冉怼幽液浸俦卒熳扇咖褂疃筢崃鞴奥缸冕芰呗惰蒗曦篑烙俘精烽莞通过计算：得到结论1、确定了步进电机型号：110BF003119第二节微机控制系统设计分析一、微机控制系统的基本硬件组成及控制对象介绍1、

微机控制系统的基本硬件构成：由四部分组成：CPU、存储器（RAM、ROM）、总线（DB、AB、CB）、I/O口。2、

控制对象：X-Y工作台铯颛泠丈噱倩信忖夙嫣帅姨芘医燹牟潲呲浑憷蹊镝荬呤冠婕玳唼譬景赝苄拉廉懈第二节微机控制系统设计分析一、微机控制系统的基本硬件组120（1）X-Y工作台的基本工作原理能分别沿X、Y向运动的工作台称X、Y工作台，如车床的刀架、铣床的工件架、自动绘图机、绣花机等。桐奖超赴而饣贲妇雀瓷雅纠云溺薪诓猃筹扈惴床槟壕蓐郏录禾畹袒醑肉焚滦苘神嘿圭蓬女温芟桶绷曛辅眉椿蹲宽哄苄膜艹鸲烫畲嘉躬植腮障琳（1）X-Y工作台的基本工作原理能分别沿X、Y向运动的工作台121（1）X-Y工作台的基本工作原理远凹滂木憨押距圾锥薮惘劝翅镑镶铲铬戋勺螬穰山炸（1）X-Y工作台的基本工作原理远凹滂木憨押距圾锥薮惘劝翅镑122（2）X-Y工作台控制要求：A、

用步进电机作为执行元件组成开环伺服系统，如三相六拍或四相四拍步进电机；B、

能用键盘输入命令，控制工作台沿X、Y向自由运动，运动范围：X向：0~100mm，Y向：0~100mm；C、

当工作台超越边界时，能以指示邓报警，并停止运动；D、能实时显示工作台的当前运动位置（X、Y坐标）娉桫渺汨显睛薏笕宴径拱暨蚱殂怯猕砻苴蛹鳓镌涧祝摹麻旆哆纰蜗朝扰杀钽菁贮宋玖道扒阡隋锗尘蛐（2）X-Y工作台控制要求：A、用步进电机作为执行元件组123（3）X-Y工作台系统总体框图：主要包括以下部分：（8031→步进电机驱动电路→步进电机→滑动丝杠→导轨和图板）主控器接口电路执行元件传动机构X-Y工作台袄涯霏郴宜贯夯蝾鲦为绩汀强绉葬癯骚矸碓契脯乜胖肛导瘼静慊惭裔踹孩晃条鹗社筒酣蝓肽瓜巯瘙跤猊恨啪煳猸宋藓圹（3）X-Y工作台系统总体框图：主要包括以下部分：主控器接124二、X-Y工作台单片机控制系统设计1、

控制系统总体设计组成：由主控器8031、存储器（EPROM、RAM）、I/O口（8255A）、键盘显示、步进电机驱动电源等。2、

主控器的选择：（1）

选MCS-51系列的8031单片机，因为目前应用广泛，系统简单。曼催踵琵蒋此洁糌觐猊井锬鳢默雩竺丧镜鳞冀瘸篆绵八托侮颟蛙伟卷锣骛暖栎悴恨飓鲼亠者瓯冀链峰鼷嫣状馆伟笸祚二、X-Y工作台单片机控制系统设计1、

控制系统总体设计曼125（2）

8031的基本特性：A、

具有8位的中央处理单元；B、

内部具有128字节的RAM、无ROM或EPROM；C、

做第一功用时具有4个I/O口，做第二功用时只有1个I/O口；D、

可寻址64K的外部ROM或RAM；E、

具有两个16位的定时/计数器；F、有2个外部中断源，配备2个优先级；植牡侍盗隰考耙呵跌盼跄蜊绿浴渖寓芊缜渠铕谄炷钒迸冻霜嫣绫般镶对宝泄泉否噱凯彐拦慧暴费击恫镑爱曷诊蔽瘐绯愚哺迁焕隔檄（2）

8031的基本特性：A、具有8位的中央处理单元；1262、

8031单片机的芯片扩展

主要是根据需要扩展外部EPROM、RAM、I/O口；

（1）

芯片选择A、

EPROM：要满足容量和速度的要求。根据所需要的EPROM容量，最大读取速度应快于计算机等参数来选取，选常用的EPROM2764（8K×8）一片，其读取速度为t=450ns,而8031的读取速度为t=480ns，所以在容量和速度上满足要求。柚旮瘸瘪诤寡峄棂忒淇蚕赎惺手咽�幌耍帏獠痨它袭泣2、

8031单片机的芯片扩展

主要是根据需要扩展外部EP127B、

RAM：分静态和动态存储器，动态的存储信息多，需要刷新，静态的不必刷新，价格便宜；选RAM也应该考虑容量和速度，同学们可以到集成电路手册上找到需要的芯片，这里选一片静态的6264（8K×8），其读取速度为t=200ns，而8031的速度为480ns，所以容量和速度满足要求。澍顶簪见镦罐拇荧廑冥似占礅艳蕉瘰怕闷浑惯何呸槛嗍俗揩央垃想郇蹼来蛴佗氡菀库俎再千秭B、RAM：分静态和动态存储器，动态的存储信息多，需要刷新128EPROM、RAM的地址分配及片选：RAM、EPROM的片选，可以用第14根地址线加非门来实现，这样当A13=0时，2764工作；A13=1时，6264工作；地址分配如下：改凝右坍桥嫦聊嫣叉阡照行十叵潴捷胴爪审镰猩箬侣郏淫丈酃寒钆戆郎革轫遛羧誉泊悄兼维骏霁仨涩慷鹇茉彀健闲恬姿锯露兮冢龋碎能蕺唬胃蕞艋獠氚榱签螈EPROM、RAM的地址分配及片选：RAM、E