教学型数控车床电气设计-机电一体化毕业论文(编辑修改稿)

教学型数控车床电气设计-机电一体化毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

中并不需要经常改变原有的程序。 因此，可采用继电器 — 接触器控制系统，将控制线路在结构上接成固定式的。 （ 2） 控制系统的工作方式应在经济、安全的前提下最大限度地满足工艺要 求。 作为控制方案，应考虑采用自动循环或半自动循环、手动调整、动作程序的变更、控制系统的检测，各个运动之间的联锁、各种保护、故障诊断、信号指示、照明以及操作方便等问题。 （ 3） 控制线路的电源。 当控制系统所用电器的数量较多时，可采用直流低压供电。 这样，可节省安装空间，便于与无触点元件连接，动作 平稳，检修操纵安全等。 在电气控制线路比较简单，电气元件不多的情况下，应尽可能用主回路电源作为控制回路电源，即可直接用交流380V 或 220V，简化供电设备。 对于比较复杂的控制线路，控制电路应采用控制电源 12 变压器，将控制电压由交流 380V 或 220V 降至 110V 或 48V、 24V 等，这是从安全角度考虑的。 一般机床照明电路为 36V 以下电源。 一般这些不同的电压等级，都是由一个控制变压器实现的。 直流控制线路多用 220V 或 110Ｖ。 对于直流电磁铁、电磁离合器，常用 24V 直流电源供电。 2．控制方案的确定 （ 1）车床的功能概况 ； 卧式车床用途广、种类多。 其中 CA6140 型卧式车床是我国自行设计、制造的机床。 该机床通用性强适用于加工各种轴类、套筒类、轮盘类零件的回转表面。 可车外圆、车端面、切槽和切断、转中心孔、镗孔、铰孔、车各种螺纹、车内外圆锥面、车特型面，滚花和盘绕弹簧等。 CA6140 型车床因加工范围广、结构复杂、自动化程度不高，所以一般用于单件、小批量生产。 （ 2） 车床的主要结构及运动形式； 教学型数控车床的工作原理与普通车床 CA6140 的工作原理相同，车床主要由床身、主轴变速箱、进给变速箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、光杠和丝 杠等几部分组成。 切削时，车床有 3 种运动形式：主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动，称为主运动；刀具与滑板一起随溜板箱实现进给运动；其他运动称为辅助运动。 电动机的动力由三角皮带通过主轴变速箱传给主轴。 主轴的旋转运动由主轴电动机拖动，经传动机构实现。 切削加工时，要求车床主轴能在较大范围内变速。 通常根据被加工零件的材料性能、车刀材料、零件尺寸精度要求、加工方式及冷却条件等来选择切削速度，采用机械变速方法。 变速主轴变速箱外的手柄位置，可以改变主轴转速。 主轴一般只要求单方向旋转，只有在车螺纹时才需要反转来退刀。 它是 用操纵手柄通过机械的方法来改变主轴旋转方向的。 由于进给运动消耗的功率很小，所以也由主轴电动机拖动，不再另加单独的电机拖动。 （ 3） 车床的电力拖动要求与控制特点； ①车削加工近似于恒功率负载， 主轴电动机 M1 通常选用笼型异步电动 机，完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动。 电动机采用直接起动的方式起动，可正反两个方向旋转，并可实现正反两个旋转方向的电气停车制动。 为加工调整方便，还具有点动功能。 ②车削螺纹时，刀架移动与主轴旋转运动中间必须保持准确的比例关系，因此，车床主轴运动和进给运动由一台电动机拖动，刀架移动主 轴箱通过机械传动链来实现。 ③车削加工中，为防止刀具和工件的温度过高、延长刀具使用寿命、提高加工质量，车床附有一台单方向 旋转电动机 M2，与主轴电动机实现顺序起停，也可单独操作。 ④ 必要的保护环节、联锁环节、照明和信号电路。 13 四、 电动机和驱动装置的选择 （一） 电动机的选择 正确选择电动机具有重要的意义，要在了解电动机发热和冷规律的基础上，重点掌握电动机容量的选择，熟悉电动机种类、电压、转速和形式的选用原则。 合理的选择电动机是从驱动机械设备的具体对象、加工规范，也就是要从机械设备的使用条件出发，经济、合 理、安全等多方面考虑，使电动机能够安全可靠地运行。 1．电动机容量的选择 如果电动机容量选的过大，虽然能保证正常工作，但电动机长期不能满负载工作，得不到充分利用，用电效率和功率因数下降，从而增加设备投资和运行费用；如果电动机容量选的过小，生产效能不能充分发挥，长期过载将导致电动机烧毁。 因此，必须合理的选择电动机容量。 但是准确选择电动机容量是比较困难的，因为机械设备负载情况比较复杂，传动系统损失也难于计算得十分准确。 因此，电动机容量的选择通常采用调查统计类比或采用分析与计算相结合的方法。 选择电动机容量应根据 以下三项基本情况进行： （ 1） 发热。 电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度 max 等于或略小于电动机绝缘的允许最高工作温度 a ，即 max  a。 （ 2） 过载能力。 电动机在运行时必须具有一定得过载能力。 特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性很大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保 证 max  a ，故决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。 所选电动机的最大转矩maxT （对于异步电动机）或最大允许电流 maxI （对于直流电动机）必须大于运行工程中可能出现的最大负载转矩 maxLT 和最大负载电流 maxLI。 （ 3） 起动能力。 ①调查统计类比法。 确定电动机功率前，首先应进行广泛调查研究，分析确定所需要的切削用量，然后用已确定的较常用的切削用量的最大值，在同类同规格的机床上进行切削实验并测出电动机的输出功率，以此测出的功率为依据，再考虑到机床最大负载情况，以及采用先进切削方法及新工艺等，然后类比国内外电动机的功率，最后确定所设计的机床电动机功率来选择电动机。 这种方法有实用价值，以切削实验为基础进行分析类比，符合实际情况。 目前我国机床设计制造部门，往往采用这种方法来选择电动机容量。 这种方法就 14 是对机床主拖动电动机进行 实测、分析，找出了电动机容量与机床主要数据的关系，以这种关系作为选择电动机容量的依据。 卧式车床主电动机的功率： DP () 式中 P —— 主拖动电动机功率， kW； D —— 工件最大直径， m。 ②分析计算法。 可根据机械设备总体设计中对机械传动功率的要求，确定机械设备拖动用电 动机功率。 即可知道机械传动的功率，可 计算出所需电动机功率： 211PP () 式中 P —— 电动机功率； 1P —— 机械传动轴上的功率； 1 —— 生产机械效率； 2 —— 电动机与生产机械之间的传动效率。 计算出电动机的功率，仅仅是初步 确定的数据，还要根据实际情况，进行分析，对电动机进行校验，最后确定其容量。 另外，电动机铭牌上的额定功率是在一定得工况下电动机允许的最大输出功率，如果工况变了，也应作适当的调整。 如常年环境温度 0 偏离 +40℃较多时，电动机容量可作相应修正。 一般地， 0 变化 10 ℃，所选电动机的 NP 可修正 10 %左右；风扇冷式电动机长期处于低速运行时，散热条件恶劣，电动机的功率必须降低使用；海拔高于 1000m 的高原地区，空气稀薄，散热条件差，电动机的功率也应降低使用。 2．电动机的种类、电压、转速和结构形式的种类 除了正确选择电动机的容量外，还需要根据生产机械的要求、技术经济指标和工作环境等条件，来正确选择电动机的种类、电压、转速和电动机的结构形式。 （ 1）根据生产机械的负载性质选择电动机的类型。 电动机类型选择的基本依据是在满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。 ① 对 于不要求调速、对起动性能亦无过高要求的生产机械，应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机（如 YL 系列、 JS 系列、 Y 系列等）。 若要求起动转矩较大，则可选用高起动转矩的鼠笼式异步电动机（如 JS21型、 JQ2 和 JQO2 系列等）。 ② 对于要求经常起动、制动，且负载转矩较大、又有一定调速要求的生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机（如 YR、 YZR 系列等）；对于周期性波动负载的生产机械，为了削平尖峰负载，一般都采用电动机带飞轮工作，这种情况下也应选用线绕式异步电动机。 ③ 对于只需要几种速度，而不要求无级调速的生产机械，为了 简化变速机构，可选用多速异步电动机（如 YD 系列小型多速异步电动机等）。 ④对于要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因数的场合，应优先 15 考虑选用同步电动机（如 TD 系列等）。 ⑤对于需要大的启动转矩又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。 目前应用比较广泛的驱动装置主要有步进电动机驱动和交流伺服驱动两大类，步进电动机一般采用对加工精度和进给速度要求不高的经济型数控机床，采用步进电动机的数控机床分辨率一般在 ，最高快移速度则在 5m/min 以下，步进电动机一般在 1000r/min 以 下工作。 交流伺服电动机则用于中高档的数控机床，分辨率可以达到 ，最高快移速度则在 10m/min 以下，交流伺服电动机的额定转速一般20xxr/min 左右。 所以此设计题目所选择的为步进电动机。 （ 2）电动机电压等级的选择。 交流电动机额定电压主要根据电动机运行场所供电电网的电压等级而定的。 我国工厂内的交流供电电压，低压一般为 380V，高压一般为 10kV。 中等功率以下的交流电动机，额定电压一般为 380V； 100kW 以上大功率交流电动机额定电压一般为 10kV。 直流电动机一般由单独电源供电，选择 电动机额定电压时只需考虑供电电源电压配合恰当即可。 直流电动机额定电压一般为 110V、 220V和 440V，最常用的电压等级为 220V。 当交流电源为 380V 时，若采用无整流变压器的三相桥式可控整流电路供电，则直流电动机的额定电压应选为 440V；若采用无整流变压器的三相半波可控整流电路供电，则直流电动机的额定电压应选为 220V。 （ 3）电动机额定转速的选择。 选择电动机额定转速时要全面进行考虑，如： ① 对于不需要调速的高转速与中转速的机械，一般应选相应额定转速的异步电动机或同步电动机，直接与机械相连接； ② 对于不 需要调速的低速运转的机械，一般是选用适当转速的电动机通过减速机构来传动，但电动机额定转速也不宜太高，否则减速机构会很庞大； ③ 对于需要调速的机械，电动机的最高转速应与生产机械的最高转速相适应，采用直接传动或通过减速机构来传动； ④对于经常起动、制动和反转的生产机械，要着重考虑缩短过度过程，减少起动、制动时间，提高生产率，而决定起动、制动时间的主要因素是电动机的飞轮转矩和额定转矩。 （ 4）电动机结构式的选择 .。 生产机械安装的位置和场所不同，电动机的工作环境就不一样。 在多数情况下，电动机工作地周围大气中含有不 同分量的灰尘和水分，有的还含有腐蚀性气体甚至含有易爆炸的混合物，有的电动机还处在水下工作状态。 灰尘会很快玷污电动机绕组，恶化散热条件。 为了保证电动机能在这样或那样的环境中安全运行，外壳的结构就有多种形式，要根据实际环境条件加以选择。 ① 开启式。 开启式 电动机仅适用于干燥和清洁的工作环境。 ② 防护式。 防护式电动机适用于比较干燥、灰尘不多、无腐蚀性气体得场所。 ③ 封闭式。 封闭式电动机适用于尘土多、潮湿、易引起火灾和有腐蚀性气体得场所。 ④ 防爆式。 防爆式电动机适用于易燃、易爆气体的场所。 根据以上的原则，我们知道普 通车床 CA6140 的主轴电动机 M1 的型号为 Y132M4，额定功率为 kW，额定电流为 ,额定转速为 1500r/min；冷却泵电动机 M2 的 16 型号为 AOB25，额定功率为 90W,额定电流为 ，额定转速为 30000r/min。 而教学型数控车床加工的零件毛坯多为蜡块，所以选定主轴电动机的额定功率为 kW，额定电流为 ，额定转速为 1500r/min，型号为 Y100L24；冷却泵电动机 M2 的型号为 AOB25，额定功率为 90W,额定电流为 ，额定转速为 30000r/min，刀架电动机 M3 的型号为 AOB25，额定功率为 45W,额定电流为 ，额定转速为30000r/min。 X 轴步进电动机 M4 的型号为 130BYG3502，其相数为 3，步距角为  ，最大静扭矩为 ； Z 轴步进电动机 M5 的型号为 130BYG5501，为五相混合式，最大静转矩为 ，十拍驱动时的步距角为 。 （二） 驱动装置的选择 1．进给驱动装置的选型 进给驱动装置的选型是以数控机床的设计要求为基础，与数控 装置的选型紧密联系的。 数控机床的设计要求包括各轴的进给速度、整机加工精度、加工范围、传动方式等，它直接对进给驱动系统的性能提出了要求因此是进给驱动装置选型的基础。 如图 41所示，为进给驱动装置的基本接口 (以 SH50806A五相步进驱动器为例 )。 14715813CP +CP DIR+DIRGN DCN CXS 30CW +CW CCW +CCW 屏蔽层步进驱动装置3456CN I / FSH 50806 AAC 80AC 80A +A B +。