机电一体化系统设计实例
第六章6.16.2机电一体化系统设计实例卧式车床数控化改造设计数控车床自动回转刀架机电系统设计6.36.4X-Y数控工作台机电系统设计波轮式全自动洗衣机机电系统设计?在本章，作者结合多年的教学、科研与生产 实践，提供了四个典型的机电一体化产品的综合 设计实例。包括普通车床的数控化改造设计、数 控车床自动回转刀架的机电系统设计、X-Y数控工 作台的机电系统设计、波轮式全自动洗衣机的机 电系统设计。这些选题将教学与生产实践紧密结 合，有很强的针对性。在这些实例中，对机械传 动系统均给出了详细的设计步骤和具体的设计方 法，对控制系统也给出了实用的控制电路，并对 I/O接口进行了编程示范。通过对这些实例的学习， 设计者能够尽快地进入设计工作，圆满地完成课 程设计任务。第一节?卧式车床数控化改造设计普通车床（如C616/C6132、C618/C6136、 C620/C6140、C630等）是金属切削加工最常用 的一类机床。C6140普通车床的结构布局如图 6-1所示。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。图6-1 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-刀架 9-上溜板 10-尾座 11-丝杠 12-光杠 13-床身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。 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。这样，利 用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切 削加工。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具 都可按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横向的联 动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形 状复杂的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提 高生产效率和加工精度。一、设计任务题目：C6140普通车床数控化改造设计 任务：将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。 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δx = 0.005 mm/脉冲, Z方向(纵向)δz = 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± 0.02 mm；（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。二、总体方案的确定 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、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机 构的选择等。 （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。 （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。 （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 8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/ 价比高等优点。（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。 （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。 （6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需 要减速轮副，且应有消间隙机构。 （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。三、机械系统的改造设计方案 1．主传动系统的改造方案 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。 若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动 变换转速，可用2～４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，可用 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）。本例中，当采用有级变速时，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2～４档变速；当采用无级变速时，应 加装交流变频器，推荐型号为：FT3B， 适配7.5kW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公 司。 2．安装电动卡盘 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。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。4．螺纹编码器的安装方案 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。本例中，改造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。 基于上述要求，本例选择螺纹编码器的型号为： ZLF--15-CT。电源电压+5V，每转输出 1200个A/B脉冲与1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。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。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的最 高许用转速。5．进给系统的改造与设计方案 （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。 （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，见书后图6-2）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。 改造后的横向、纵向进给系统分别见书后图6-2与图6-3。四、进给传动部件的计算和选型纵、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。1．脉冲当量的确定 根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当 量为δx = 0.005 mm/脉冲，Z方向（纵向）为δz = 0.01 mm/脉冲。2．切削力的计算 切削力的分析和计算详见第三章。以下是纵向车削力的详 细计算过程。 设工件材料为碳素结构钢，σb＝650 Mpa；选用刀具材料为 硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角kr＝60°，前角γ0 ＝10°，刃倾角λs＝－5°；切削用量为：背吃刀量ap＝3 mm， 进给量f =0.6 mm/r，切削速度vc＝105 m/min。 Cc xc 查表3-1，得：F＝2795， F＝1.0，F＝0.75， yc nFc ＝－0.15。 查表3-3，得：主偏角Кr的修正系 kkr Fc ＝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（3-2），算得主切削力Fc＝2673.4 N。由经验 F 公式 c:F f :F＝1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力 p F＝935.69 N，背向力 F=1069.36 N。 f p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 已知移动部件总重量G=1300 N；车 削力Fc=2673.4 N， p F =1069.36 N， =935.69 N。如图3-20所示， Ff 根据 Fz F Fy=Fp Fx=F f的对应关系，可得： = ， ， c F Fz=2673.4 N， y=1069.36 N， x=935.69 N。 F 选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表3-29，取K= 1.15， ? = 0.16，代入Fm＝ F+ ? ( Fz ? G) , 得工作载荷 K x Fm ≈ 1712 N。（2）最大动载荷FQ的计算 设本车床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）。（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷，查表3-34，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。（4）传动效率 的计算 将公称直径 d 0=40 mm，基本导程 Ph ? 6 mm，代 入λ = arctan[ Ph / ( πd0 ) ]，得丝杠螺旋升角 ? ? λ= 2 44′。将摩擦角 =10′，代入 ? ? = tanλ / tan(λ+ )，得传动效率 =?94.2%。（5）刚度的验算 1）Z向滚珠丝杠副的支承，采取一端轴向固定，一端简支 的方式，见书后图6-3。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 E ? 105 3-33，得滚珠直径 Dw=3.9688 mm，算得: 丝杠底径d2=公称直径 d0 －滚珠直径 Dw =36.0312 mm，则丝杠 2 截面积S ? ?d 2 /4 =1019.64 （mm2）。 ? 2）根据公式 Z ＝( d 0 / Dw)－3，求得单圈滚珠数目 Z = 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 Z ? ＝29 ? 6 =174。滚珠丝杠预紧时，取轴向 预紧力FYJ=Fm /3≈571 N。则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹 滚道间的接触变形量 ? 2≈0.00117 mm。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 ? 2 = 0.000585 mm。 3）将以上算出的?1 和? 2 代入 ?总 ? ?1 ? ?2 ,求得丝杠总变形量 ? （对应跨度1497 mm）总 ? 0.012555 mm=12.555μm。 由表3-27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 μm，而对于跨度为1497 mm的滚珠丝 杠，总的变形量?总只有12.555μm，可见丝杠刚度足够。 （6）压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临 界载荷Fk。查表3-31，取支承系数f k= 2；由丝杠底径 d 2 = 36.0312mm, 得截面惯性矩 I ? ?d 24 / 64≈； 压杆稳定安全系数K 取3（丝杠卧式水平安装)；滚动螺母 至轴向固定处的距离a 取最大值1497 mm。代入式（328）,得临界载荷 Fk≈51012 N，远大于工作载荷 F故丝杠不 m 会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4. 同步带减速箱的设计（纵向） 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，同步带与带轮 的计算和选型参见第三章第三节相关内容。 设计同步带减速箱需要的原始数据有：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 N? m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 N? m，十拍驱动时步距角为0.72? 。该电动机的详 细技术参数见表4-5，运行矩频特性曲线见图6-4。图6-4 130BYG5501步进电动机的运行矩频特性曲线图6-4 130BYG5501步进电机运行矩频特性（1）传动比i的确定 已知电动机的步距角 α = 0.72? ，脉冲当量δz= 0.01 mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph= 6 mm。根据公式（3-12）算得传动 比i = 1.2。 （2）主动轮最高转速 n1 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 n1 =（vzmax /δz ）?α/ 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 ? α ) = 10000（Hz）。 从图6-4查得，当脉冲频率为10000 Hz时，电动机的输出转矩约为 3.8 N? m，对应的输出功率为POUT = n ? T / 9.55 = 1200 ? 3.8 / 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，从表3-18中取工作情况系数KA = 1.2，则由式（3-14），求得带 的设计功率Pd = KA P =1.2?0.32 kW= 0.384 kW。 （4）选择带型和节距pb根据带的设计功率Pd=0.384 kW和主动轮最 高转速n1 =1200 r/min，从图3-14中选择同步带，型号为 XL型，节距 pb =5.08 mm。（5）确定小带轮齿数z1和小带轮节圆直径d1取z1 =25，则小带轮节圆直径 d1= ? =40.43 mm。 当 达最高转速1200 r/min时，同步带的速度为pb z1? d1n1 v? =2.54（m/s），没有超过XL型带的极限速 60 ?1000度40 m/s。 （6）确定大带轮齿数z2 和大带轮节圆直径 d2 大带轮齿 数z2 = i z1 =30,节圆直径d2 ? id1 =48.51 mm。 （7）初选中心距a0 、带的节线长度 L0 p、带的齿数zb 初选 中心距a0 =1.3（ d1 + d2）=115.622 mm，圆整后取 a0 =120mm.则带的节线长度为 (d2 ? d1 )2 ? L0 p ? 2a0 ? (d1 ? d2 ) ? = 379.843 mm 2 4a0（8）计算实际中心距 a 实际中心距a ? a0 ?Lp ? L0 p 2? 120.5785mm（9）校验带与小带轮的啮合齿数zm? z1 pb z1 ? zm ? ent ? ? 2 ( z2 ? z1 )? ? 12 啮合齿数比6大，满足要求。 ? 2 2? a ?（10）计算基准额定功率式中P0 ――带宽为bs 0 的许用工作拉力，由表3-21查得Ta =50.17N； m ――带宽为bs0 的单位长度的质量，由表3-21查得m=0.022 kg/m(Ta ? mv 2 )v P0 ? 1000算得vP0――同步带的带速，由上述（5）可知 = 0.127 kW。v =2.54 m/s。（11）确定实际所需同步带宽度 bsbs ≥? Pd ? bs 0 ? ? ? K z P0 ?1/1.14式中 bs 0 ―选定型号的基准宽度，由表3-21查得 bs 0 = 9.5 mm； K z ―小带轮啮合齿数系数，由表3-22查得K z =1。 由上式算得 bs ≥25.07 mm，再根据表3-11选定最接近的带宽 bs =25.4 mm。 ? （12）带的工作能力验算 根据式（3-22），计算同步带额定功率 P的精确值： bs 2 ?3P ? ( K z K wTa ?1.14bs 0mv )v ?10K 式中，w为齿宽系数 Kw ? (bs / bs0 ) = 3.068；经计算得 P = 0.390 kW，而Pd = 0.384 kW，满足P≥Pd .因此，带的工作能力 合格。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 J eq 已知：滚珠 丝杠的公称直径 d 0 =40 mm，总长（带接杆)l=1560 mm，导程 Ph ＝6 mm，材料密度 ? ? 7.85?10?3 kg / cm3 ;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 =1.2。 参照表4-1，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 J S =30.78 ；拖板折算到丝 杠上的转动惯量 J W=1.21 ；小带轮的转动惯量 J z1=0.60;大带轮的 转动惯量 J z 2=1.27。在设计减速箱时，初选的Z向步进电动机型 号为130BYG5501，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯 2 量 J m ? 33 kg ? cm 。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： J eq= J m+ J z1 +（J z 2 + J W +J S ）/ i 2＝56.7kg ? cm2（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq 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）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1 T eq1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 Ta max ，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 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根 据（4-12）式可知，0 相对于Ta max 和Tf 很小，可以忽略不 T 计。则有：T eq1 = Tf + Ta max（6-1）根据式（4-9），考虑Z向传动链的总效率η，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： 2?Jeqnm 1 Ta max ? ? （6-2） 60ta ? 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； ta ――步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间， 单位为s。 vmax ? ? nm ? 其中： 360 ? ? （6-3） 式中 vmax ――Z向空载最快移动速度，任务书指定为 6000 mm/min； α ――Z向步进电动机步距角，为0.72? ； δ ――Z向脉冲当量，本例δ=0.01 mm/脉冲。 将以上各值代入式（6-3），算得nm=1200 r/min。设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间ta =0.4 s，Z向传动链 总效率η = 0.7。则由式（6-2）求得：2? ? 56.7 ? 10 ? 4 ? 1200 m） Ta max ? ? 2.54（N? 60 ? 0.4 ? 0.7由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩 为： ? ( Fc ? G ) PhTf ?――导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16； Fc ――垂直方向的工作负载，空载时取0； η ――Z向传动链总效率，取0.7。 则由式（6-4），得：0.16 ? (0 ? 1300 ) ? 0.006 式中?2??i（6-4）Tf ?2? ? 0.7 ? 1.2? 0.24（N? m）最后由式（6-1），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 N? m （6-5） T eq1 T Ta maxf2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 Teq2， Teq2 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： Teq2 = Tt + Tf （6-6） 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：Ff Ph 935.69 ? 0.006 Tt ? ? ? 1.06（N? m） 2?? i 2? ? 0.7 ? 1.2再计算承受最大工作负载（Fc =2673.4N）情况下，移动部件运动时折算到电动 ? ( Fc ? G ) Ph 机转轴上的摩擦转矩： Tf ? ? 0.72 （N? m） 2??i 最后由式（6-6），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2 = Tt + Tf = 1.78 N? m（6-7） 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 m Teq =max{T eq1 ，eq2 }= 2.78 N? T（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Teq 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 N? = 11.12 N? （6-8） m m 对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，由表4-5可知，其最 大静转矩Tjmax= 20 N? ，可见完全满足（6-8）式的要求。 m（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 vmax f =800mm/min，脉冲当量δ=0.01 mm/脉冲，求出 电动机对应的运行频率 f max f800/（60?0.01）≈1333(Hz)。从 = 130BYG5501的运行矩频特性图6-4可以看出，在此频率下，电动 机的输出转矩 Teq2 ≈17 N? 远远大于最大工作负载转矩 m， Tmax=1.78 N? ，满足要求。 m f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 vmax =6000mm/min，求出电动机对应的运行频 率 f max =6000/（60?0.01） =10000(Hz)。从图6-4查得，在此频 率下，电动机的输出转矩 Tmax =3.8 N? m，大于快速空载起动时 的负载转矩 T eq1 = 2.78 N? m，满足要求。 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 vmax= 6000 mm/min对应的电动机运行频率 f max = 10000 Hz。查表4-5可知130BYG5501的极限运行频率 为20000 Hz，可见没有超出上限。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J m ? 33 kg ? cm2 ， 查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动 频率 fq =1800Hz 。则由式（4-17）可以求出步进电动机 克服惯性负载的起动频率为：fL ?fq 1 ? Jeq=1092Hz上式说明，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。Jm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， 由（6-5）式可知，同步带传递的负载转矩Teq1=2.78 N? m，传 递的功率为P = nm ? Teq1 / 9.55 =/9.55≈349.3W （2）最大工作负载、最快工进速度 由（6-7）式可知，带 需要传递的最大工作负载转矩Teq2 = 1.78 N? m，任务书给定最 快工进速度vmaxf = 800mm/min，对应电动机转速nmaxf nmaxf =（vmaxf /δz）?α/360=160（r/min） 传递的功率为 P P = nmaxf ? Teq2 / 9.55 =160?1.78/9.55 ≈ 29.8W 可见，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。五、绘制进给传动机构的装配图 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： （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，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。 （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 要配合尺寸的标注，装配技术要求，标题栏等。六、控制系统硬件电路设计 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）与PC机的串行通信。图6-5为控制系统的原理框图。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。图6-5 控制系统原理框图控制系统的操作面板布置如图6-6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6-6 车床数控系统操作面板布置图 控制系统的主机板电原理图见书后图6-7，键盘与LED显示电原理图见 书后图6-8。详细的电路设计原理及电路分析请参考第五章相关内容七、步进电动机驱动电源的选用 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DC120～310V，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BD5A。它与控制系统的连接如图6-9所示。图6-9 BD5A驱动器与控制系统的连接八、控制系统的部分软件设计 1. 存储器与I/O芯片地址分配 根据书后图6-7中地址译码器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 6-1所示。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6-10所示。图6-10 系统监控管理程序流程图3．8255芯片初始化子程序 B255: MOV DPTR，#3FFFH MOV A，#B MOVX @DPTR，A MOV DPTR，#3FFCH MOV A，#0FFH MOVX @DPTR，A MOV DPTR，#3FFDH MOV A，#0FFH MOVX @DPTR，A RET 4．8279芯片初始化子程序 B279: MOV DPTR，#5FFFH MOV A，#0CFH MOVX @DPTR，A WAIT: MOVX A，@DPTR JB ACC.7，WAIT MOV MOVX MOV MOVX RET A，#08H @DPTR，A A，#34H @DPTR，A；指向8255的控制口地址 ；PA口输出，PB口输出，PC口输入，均为方式0 ；控制字被写入 ；指向PA口 ；预置PA口全“1” ；输出全“1”到PA口 ；指向PB口 ；预置PB口全“1” ；输出全“1”到PB口；指向8279控制口地址 ；清除FIFO与显示RAM命令 ；命令字被写入 ；从8279的控制口读取8279的状态字 ；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；编码扫描，左入口，16位字符显示，双键互锁 ；分频系数取205．8279控制LED显示子程序 设显示缓冲区的首地址为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6BH～73H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：DIR： MOV DPTR，#5FFFH ；8279的控制口地址 MOV A，#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 MOV R0，#6BH ；显示缓冲区的首地址为6BH MOV R7，#09H ；显示缓冲区的长度为9个字节 MOV DPTR，#5FFEH；8279的数据口地址 A，@R0 ；从CPU的RAM中读取显示段码的编码 ADD A，#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 INC R0 ；写8279的下一个显示RAM DJNZ R7，DIR0 ；循环9次，完成9位显示 RETDIR0:MOV； DTAB:DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB ... ...段码 6FH 0DAH 0BEH 0E7H 0A3H 0CBH 0D1H 0D3H 0DCH 0CEH 0DFH 21H 7BH 91H 19H 4BH 0DH 05H 69H 01H 09H 20H 7AH 90H 18H 4AH 0CH 04H 68H 00H 08H字符 ；F ；X ；Z ；U ；W ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ；编码 00-01 02-03 04-05 06-07 08-090A 0 0B 1 0C 2 0D 3 0E 4 0F 5 10 6 11 7 12 8 13 9 14 0. 15 1. 16 2. 17 3. 18 4. 19 5. 1A 6. 1B 7. 1C 8. 1D 9. 1E 根据系统需要编制字库当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的6BH～73H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： MOV 6BH，#02H ；“X”的一半 MOV 6CH，#03H ；“X”的另一半 MOV 6DH，#0AH ；MOV 6EH，#0CH ；1 MOV 6FH，#0DH ；2 MOV 70H，#0EH ；3 MOV 71H，#19H ；4. MOV 72H，#10H ；5 MOV 73H，#11H ；6 CALL DIR ；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） | | | | | | | | | 显示字符： X 1 2 3 4. 5 6 | | | | | | | | | 字符编码： 02H 03H 0AH 0CH 0DH 0EH 19H 10H 11H6．8279管理键盘子程序 如书后图6-7所示，当矩阵键盘有键按下时，8279即向CPU的INT1申请 中断，CPU随即执行中断服务程序，从8279的FIFO中读取键值，程序如下： CLR EX1 ；关CPU的INT1中断 MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279控制口地址 MOV A，#B ；准备读8279 FIFO的命令 MOVX @DPTR，A ；写入8279控制口 MOV DPTR，#5FFEH ；指向8279数据口地址 MOVX A，@DPTR ；读出键值 CJNE A，#KEY0,NEXT0 ；依次进行判别 JMP _KEY0 ；对应键进行处理 NEXT0: CJNE A，#KEY1，NEXT1 JMP _KEY1 NEXT1: CJNE A，#KEY2，NEXT2 JMP _KEY2 NEXT2: ? ...7．D/A电路输出模拟电压程序 如书后图6-7所示，当CPU执行写指令时，只要选中7FFFH 这个地址，DAC组成的D/A转换电路即可输出直流电 压。程序如下： MOV DPTR，#7FFFH ；指向DAC0832口地址 MOV A，#DATA ；准备输出的数字量00H～0FFH MOVX @DPTR，A ；输出直流电压0～10V 8．步进电动机的运动控制程序 步进电动机的运动控制采用的是硬环分，其走步程序包括 匀速与升降速两种，详细的设计思路见第四章第四节。9．电动刀架的转位控制程序 电动刀架的转位包括控制刀架电动机的正转、反转与停止， 以及4个刀位信号的识别。具体程序参考本章第二节。10．主轴、卡盘与冷却泵的控制程序 车床主轴的控制，就是控制主电动机的正/反/停以及自动变 速；电动卡盘需要控制其夹紧与松开；冷却泵需要控制它的启/ 停。这些程序都非常简单，对于某个动作的控制，只要从输出接 口芯片的某个引脚输出一个电平信号即可。 现以主轴正转为例，从书后图6-7可以看出，主轴的正转由 8255的PA0来控制，当用低电平信号来控制主轴正转时，程序如 下： MOV DPTR，#3FFCH ；8255 PA口地址 MOVX A，@DPTR ；读出PA口锁存器内容 CLR ACC.0 ；修改 MOVX @DPTR，A ；置PA0=0，直流继电器K+闭合， 主轴正转 控制系统的软件还包括两坐标直线和圆弧的插补程序、直螺 纹和锥螺纹的插补程序，另外还有串行通信程序等。由于这些软 件的设计工作量都比较大，课程设计时一般不要求编制详细的程 序清单，但建议设计软件的流程图。第二节 数控车床自动回转刀架机电系统设计数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引 起的加工误差，必须带有自动回转刀架。根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位、六 工位和八工位等多种形式。根据安装方式的不同，自动回转刀架可分立式和卧式两种。根据机 械定位方式的不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中端齿盘定位 型换刀时刀架需抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构较简单。三齿盘定位型又叫免抬 型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构较复杂。图6-11所示 为常见的四工位立式自动回转刀架和六工 位卧式自动回转刀架的外形。图6-11 自动回转刀架的外形 a）四工位立式 b）六工位卧式一、设计任务 题目：数控车床自动回转刀架机电系统设计 任务：设计一台四工位的立式自动回转刀架，适用于C616或C6132经 济型数控车床。要求绘制自动回转刀架的机械结构图，设计控制刀架 自动转位的硬件电路，编写刀架的控制软件。推荐刀架所用电动机的 额定功率为90W，额定转速为1440r/min，换刀时要求刀架转动的速度 为30r/min。二、总体结构设计 1．减速传动机构的设计 普通的三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必 须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆-蜗轮副 减速是最佳选择。蜗杆-蜗轮副传动可以改变运动的方向，获得较大的 传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整 个装置的小型化。2．上刀体锁紧与精定位机构的设计 由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力 其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁 紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形 端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体 不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬 起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转 位动作。 3．刀架抬起机构的设计 要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使 上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹 当电动机通过蜗杆-蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀 体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀 体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺 杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺 杆一同转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时， 使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。 图6-12为自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图参见书后图 6-13。图6-12 自动回转刀架的传动机构示意图 1-发信盘 2-止推轴承 3-螺杆-螺母副 4-端面齿盘 5-反靠圆盘 6-三相异步电动机 7-联轴器 8-蜗杆-蜗轮副 9-反靠销 10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体三、自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程如图6-14所示。 图6-15表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部 的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。 当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图a所示，此时反靠销6落 在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于啮 合状态（上下端面齿在图a中未画出）。 需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向 旋转，通过蜗杆-蜗轮副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐 渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖 圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当 转过约170o时，上盖圆盘1直槽（见图6-16）的另一端转到圆柱销2的 正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就 通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开），如图 b所示。上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从 反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的 正向转动，如图c所示。 上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输 出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆 盘1通过圆柱销2带动上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆 盘7的十字槽内，至此，完成粗定位，如图d所示。此时，反靠销6从反 靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而 上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4 的销孔内，之后，上盖圆盘1的下表面开始与圆柱销2的头部滑动。在 此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延 时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。 由于蜗杆-蜗轮副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作。图6-14 自动回转刀架的换刀流程图6-14 自动回转刀架的换刀流程图6-15 刀架转位过程中销的位置 a) 换刀开始时，圆柱销2与上盖圆盘1可以相对滑动 b) 上刀体4完全抬起后，圆柱销2落入上盖圆盘1槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2以及上刀体4一起转动 c) 上刀体4连续转动时，反靠销6可从反靠圆盘7的槽左侧斜坡滑出 d) 找到刀位时，刀架电动机反转，反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位 1-上盖圆盘 2-圆柱销 3-弹簧 4-上刀体 5-圆柱销 6-反靠销 7-反靠圆盘图6-16 上盖圆盘的开槽情况四、主要传动部件的设计计算1. 蜗杆-蜗轮副的设计计算 自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直 联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。已知电动机额定功率P1=90W，额 定转速n1=1440r/min，上刀体设计转速n2=30r/min，则蜗杆-蜗轮副的 传动比i=n1/n2=。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工 作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆-蜗轮副的使用寿命 Lh=10000h。 （1）蜗杆的选型 国标GB/T 1推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗 杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单、制造方便的 渐开线型圆柱蜗杆（ZI型）。 （2）蜗杆-蜗轮副的材料 刀架中的蜗杆-蜗轮副传递的功率不大，但 蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火， 硬度为45～55HRC，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主 要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模铸造。（3）按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆-蜗轮副采用闭式传 动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按 齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。 按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为（6-9） 式中 a ――蜗杆-蜗轮副的传动中心距，单位为mm； K ――载荷系数； T2 ――作用在蜗轮上的转矩 T2 ，单位N?mm； Z E ――弹性影响系数，单位为MPa1/2； Z ? ――接触系数； ?? H ? ――许用接触应力，单位为Mpa。? ZEZ? a ? 3 KT2 ? ? ?? ? ? H? ? ? ?2从（6-9）式算出蜗杆-蜗轮副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48， 从表6-2中选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。 确定作用在蜗轮上的转矩T2 设蜗杆头数z1=1，蜗杆-蜗轮副的传动效率取 η=0.8。 由电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮传递的功率P2= P1η，再由 蜗轮的转速n2=30r/min求得作用在蜗轮上的转矩T2 ? 9.55 ? P2 P? 90 ? 0.8 N? = 22.92 N? = 22920 N? m m mm ? 9.55 ? 1 ? 9.55 ? n2 n2 302）确定载荷系数K 载荷系数 。其中 为使用系数，由表6-3查得， 由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取 ； 为齿向载荷分布系 数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取 ； 为动载系数，由于转速不 高、冲击不大，可取 。则载荷系数K ? K AK? KV ? 1.15?1.15?1.05 ? 1.393）确定弹性影响系数 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹 性影响系数 =160MPa1/2。 4）确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径 和传动中心距 的比值 ， 从图6-17中可查得接触系数 。图6-17 圆柱蜗杆传动的接触系数5 确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金 属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度&45HRC，可从表6-4中查得蜗轮的基本许 用应力 =268Mpa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的 次数j = 1；蜗轮转速n2=30r/min；蜗杆-蜗轮副的使用寿命Lh=10000h 。 表6-4 铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力?? H ?'蜗轮材料 铸锡磷青铜 ZCuSn10P1 铸锡锌铅青铜 ZCuSn5Pb5Zn5 铸造方法 砂模铸造 金属模铸造 砂模铸造 金属模铸造蜗杆螺旋面的硬度≤45HRC 150 220 113 128 ＞45HRC 180 268 135 140则应力循环次数 寿命系数 许用接触应力 N = 60j n2Lh=60?1?30??10710 = 0.929 N7KHN =8?? H ? ? KHN ?? H ?' ? 0.929? 268MPa ≈ 249 MPa6）计算中心距 将以上各参数代入（6-9）式，求得中心距? 160? 2.9 ? a ? 3 1.39 ? 22920? ? ? ? 249 ?2mm ≈ 48 mm查表6-2，取中心距a = 50mm，已知蜗杆头数z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗 杆分度圆直径d1=20mm。这时 d1 / a ? 0.4 ，由图6-17得接触系数 。 因为 Z '? ? Z ?，所以上述计算结果可用。 （4）蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参 数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆-蜗轮副的工作图了。 1）蜗杆参数与尺寸 头数z1=1，模数m=1.6mm，轴向齿距pa=πm=5.027mm， 轴向齿厚sa=0.5πm=2.514mm，分度圆直径d1=20mm，直径系数q=d1/m=12.5， 分度圆导程角 ? =arctan（z1/q）= 4?34'26' ' 。 取齿顶高系数ha*=1，径向间隙系数c*=0.2， 则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=20mm+ 2?1?1.6mm=23.2mm， 齿根圆直径df1=d1-2m(ha*+c*)=20-2?1.6?(1+0.2)=16.16 mm。2）蜗轮参数与尺寸 齿数z2=48，模数m=1.6mm， 分度圆直径为d2=mz2=1.6?48mm =76.8mm， 变位系数x2=[a-(d1+d2)/2]/m=[50-(20+76.8)/2]/1.6=1， 蜗轮喉圆直径为da2=d2+2m(ha*+x2)=[76.8+2?1.6?(1+1)]mm=83.2mm， 蜗轮齿根圆直径df2 df2=d2-2m(ha*-x2+c*) =[76.8-2?1.6?(1-1+0.2)]mm=76.16mm， 蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da2/2=(50-83.2/2)mm=8.4mm。 （5）校核齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立：?F ?1.53KT2 YFa 2Y? ? ?? F ? d1d 2 m（6-10）式中 σF ――蜗轮齿根弯曲应力，单位为Mpa； YFa2 ――齿形系数； Yβ ――螺旋角影响系数； [σF]――许用弯曲应力，单位为Mpa。 由蜗杆头数z1=1，传动比i=48，可以算出蜗轮齿数z2=i?1=48。 z 则蜗轮的当量齿数 z2 zV 2 ? ? 48.46 3cos ?图6-18 蜗轮的齿形系数图6-18 蜗轮的齿形系数根据蜗轮变位系数 x2 ? 1 和当量齿数 zV 2 ? 48.46 ，查图6-18，得齿形系 数: Y ? 1.95Fa 2螺旋角影响系数:140 根据蜗轮的材料和制造方法，查表6-5，可得蜗轮基本许用弯曲应力 ?? F ?' ? 56 MpaK FN 106 9 10 ? ? 0.725 ?9 7 1.8 ? 10 N6Y? ? 1 ??o? 0.967蜗轮的寿命系数 蜗轮的许用弯曲应力= 40.6 Mpa 将以上参数代入（6-10）式，得蜗轮齿根弯曲应力 σF ≈ 37.4 Mpa 可见,σF & ?? F ，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。 ??? F ? ? ?? F ?'?KFN
2. 螺杆的设计计算 （1）螺距的确定 刀架转位时，要求螺杆在转动约170°的情况下，上 刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端 面齿的啮合深度达2mm。因此，螺杆的螺距P应满足P?170/360 & 2 mm ，即P & 4.24 mm，今取螺杆的螺距P = 6 mm。 （2）其他参数的确定 采用单头梯形螺杆，头数n=1， 牙侧角β=15°，外螺纹大径（公称直径）d1=50mm， 牙顶间隙 ac=0.5mm，基本牙型高度H1=0.5P=3mm， 外螺纹牙高h3=H1+ ac=3.5mm，外螺纹中径d2=47mm，外螺纹小径 d3=43mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm。 （3）自锁性能校核 螺杆-螺母材料均用45钢，查表6-6，取二者的摩擦 系数f =0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角 ?v = arct an f ≈ 6.5° cos ? 而螺纹升角 nP 1? 6 ? ? arctan ? arctan ? 2.33o ?d 2 3.14 ? 47 小于当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。五、电气控制部分设计1．硬件电路设计 自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块 如图6-19所示。（1）收信电路 图a中，发信盘上的4只霍尔开关型号为 UGN3120U， 它有3个引脚，第1脚接+12V电源，第2脚接12V地，第3脚为输出。转 位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3 脚输出低电平；当磁铁离开时，第3脚输出高电平。4只霍尔开关输出 的4个刀位信号T1～T4分别送到图b的4只光耦合器进行处理，经过光 电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC4～PC7。（2）发信电路 图c为刀架电动机正反转控制电路，I/O接口 芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。其中 KA1为正转继电器的线圈，KA2为反转继电器的线圈。因刀架电 动机的功率只有90W，所以图d中刀架电动机与380V市电的接通 可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器-接触器控制电 路，以节省成本，降低故障率。图c中，正转继电器的线圈KA1 与反转继电器的一组常闭触点串联，而反转继电器的线圈KA2又 与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了正转与反转 的互锁电路，以防控制系统失控时导致短路现象。当KA1或KA2 的触点接通380V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响 控制系统的正常工作，为此，在图d中布置了3对R-C阻容用来灭 弧，以抑制火花的产生。图6-19 自动回转刀架电气控制原理图 a）发信盘上的霍尔元件 b）刀位信号的处理 c）刀架电动机正反转控制 d）刀架电动机正反转的实现2. 控制软件设计 在清楚了自动回转刀架的机械结构和电气控制电路后，就 可以着手编制刀架自动转位的控制软件了。对于四工位自动 回转刀架来说，它最多装有4把刀具，设计控制软件的任务， 就是选中任意一把刀具，让其转到工作位置。图6-20表示让1# 刀转到工作位置的程序流程，2～４#刀的转位流程与1#刀相 似。设控制系统的CPU为AT89C51单片机，扩展8255芯片作为 自动回转刀架的收信与发信控制，已知8255芯片的控制口地址 为2FFFH，则基于图6-19和图6-20的汇编程序清单如下：T01:MOV MOVX JNB MOV MOVX CLR SETB MOVX CALL MOV MOVX JB CALL MOV MOVX JB CALLDPTR，#2FFEH A，@DPTR ACC.4，TEND DPTR，#2FFCH A，@DPTR ACC.6 ACC.7 @DPTR，A DE20MS DPTR，#2FFEH A，@DPTR ACC.4，YT01 DE20MS DPTR，#2FFEH A，@DPTR ACC.4，YT11 DE20MSYT01:YT11:；指向8255的PC口 ；读取PC口内容 ；测试PC4=0？若是，则说明1#已在工 作位置，程序转到TEND ；指向8255的PA口地址 ；读取PA口锁存器内容 ；令PA6=0，刀架电动机正转有效 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效 ；刀架电动机开始正转 ；延时20ms ；指向8255的PC口 ；读取PC口内容 ；PC4=0吗？即1#刀转到工作位置了吗？ ；延时20ms ；指向8255的PC口 ；第二次读取PC口内容 ；PC4=0？ ；延时20msYT21:MOV MOVX JB MOV MOVX SETB SETB MOVX CALL CLR SETB MOVX CALL SETB SETB MOVX TEND:DPTR，#2FFEH A，@DPTR ACC.4，YT21 DPTR，#2FFCH A，@DPTR ACC.6 ACC.7 @DPTR，A DE150MS ACC.7 ACC.6 @DPTR，A DELAY ACC.6 ACC.7 @DPTR，A RET；指向8255的PC口 ；第三次读取PC口内容 ；PC4=0？ ；指向PA口 ；读取PA口锁存器内容 ；令PA6=1，刀架电动机正转无效 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效 ；刀架电动机停转 ；延时150ms ；令PA7=0，刀架电动机反转有效 ；令PA6=1，刀架电动机正转无效 ；刀架电动机开始反转 ；延时设定的反转锁紧时间 ；令PA6=1，刀架电动机正转无效 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效 ；刀架电动机停转 ；换1#刀结束图6-20 换1#刀的程序流程六、国内有关产品参数介绍国内生产自动回转刀架的厂家很多，这里列举常州亚兴数控设备 有限公司生产的LD4系列四工位自动回转刀架。该产品采用无触点发信 、对销反靠、双端齿精定位、螺纹升降夹紧，工作可靠、刚性好、寿 命长，适用于C0620以上的各种车床。其外形尺寸和技术参数见图6-21 、表6-7及表6-8所示。图6-21 刀架外形尺寸图
第三节X-Y数控工作台机电系 统设计X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如 数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备 等。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内 容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠 丝杠螺母副以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图6-22所示。其中， 伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工 作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠 丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据 工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机， 也可以设计专用的微机控制系统。图6-22 X-Y数控工作台外形一、设计任务 题目：X-Y数控工作台机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台， 主要参数如下： （1）立铣刀最大直径d =15 mm； （2）立铣刀齿数Z=3； （3）最大铣削宽度ae=15 mm； （4）最大铣削深度ap=8 mm； （5）加工材料为碳素钢或有色金属； （6）X、Y方向的脉冲当量δx = δy = 0.005mm/脉冲； （7）X、Y方向的定位精度均为 ± 0.01 mm； （8）工作台面尺寸为230 mm?230 mm， 加工范围为250 mm?250 mm； （9）工作台空载最快移动速度vxmax = vymax = 3000 mm/min； （10）工作台进给最快移动速度vxmaxf = vymaxf = 400 mm/min。二、总体方案的确定1．机械传动部件的选择 （1）导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式 数控铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此 ，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效 率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 （2）丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺 母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和 ±0.01mm的定 位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠 丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预 紧后可消除反向间隙。 （3）减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为 了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动 机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此 本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱（4）伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到 0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有 3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺 服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机， 如混合式步进电动机，以降低成本，提高性/价比。（5）检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选 开环控制也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还 是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响 而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式 旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分 辨率应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不 大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减 速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2．控制系统的设计 （1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该 具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以 控制系统应该设计成连续控制型。（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单 片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的 相关指标。 （3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩 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。 （4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。三、机械传动部件的计算与选型1. 导轨上移动部件的重量估算 按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。包括工件、 夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直 线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。2. 铣削力的计算 设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工 件的材料为碳钢。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式 为： 0.85 ap n n0.13 （6-11） Fc ? 118 ae fz0.75d ?0.73a1.01.00.13 z Z P今选择铣刀直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最 大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，铣削深度ap=8mm，每齿进给量f z ? 0.1 mm，铣刀转速 n ? 300r / min 。则由式（6-11）求得最大铣削力：Fc=118?150.85?0.10.75?15-0.73?81.0? N ≈1463 N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可 由表3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三 个方向的铣削力分别为： Ff =1.1Fc≈1609N，Fe =0.38Fc≈556N，Ffn =0.25Fc≈366N 图 3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的 铣削力Fz= Fe =556N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和 Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝 杠轴线方向），则纵向铣削力Fx= Ff=1609N，径向铣削力 Fy =Ffn= 366N。3. 直线滚动导轨副的计算与选型 （ 1）滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响 直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置 ，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面 的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载荷为：G P = 4 ? F （6-12） C其中，移动部件重量G＝800N，外加载荷F= Fz= 556N，代入（6-12）式 得最大工作载荷PC=756N=0.756kN。 查表3-41，根据工作载荷PC=0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号 为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94 kN，额定静载荷 C0a=9.5 kN。 任务书规定工作台面尺寸为230mm?230mm，加工范围为 250mm?250mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系 列，选取导轨的长度为520mm。（2）距离额定寿命 的计算 上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为 HRC60，工作温度不超过100℃，每根导轨上配有两只滑 块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36～表 3-40，分别取硬度系数 f H=1.0，温度系数 fT=1.00，接触系 数f C=0.81，精度系数 f R=0.9， 载荷系数 f W =1.5， 代入式 （3-33），得距离寿命：? f H f T f C f R Ca ? L?? ? ? ? 50 ≈ 6649 km fW PC ? ? 远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。34. 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fm的计算 如图3-20所示，承受最大 铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行 ）Fx=1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy = 366N，受到垂向的载荷（与工作台面垂直）Fz= 556N。 已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查 表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因 数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 Fm = KFx + μ（Fz + Fy + G） = [ 1.1?1609 + 0.005 ? ( 556 + 366 + 800 ) ] N ≈ 1779 N（2）最大动载荷FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v =400mm/min，初选丝杠导程 Ph =5 mm，则此时丝 杠转速n=v/Ph = 80 r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入L0=60nT/106 ，得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106 r）。 查表3-30，取载荷系数fW =1.2，滚道硬度为HRC60时 ，取硬度系数fH=1.0，代入式（3-23），求得最大动载 荷： FQ? L0 fW f H Fm3≈8881 N（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表 3-32，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型 滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20 mm ，导程为5 mm，循环滚珠为3圈?1列，精度等级取4级，额定动载 荷为9309 N，大于FQ，满足要求。（4）传动效率η的计算 将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm， 代入λ= arctan[Ph/(πd0)]， 得丝杠螺旋升角λ=4 33′。 将摩擦角φ=10′， 代入η=tanλ / tan(λ+φ), 得传动效率 η=96.4%。（5）刚度的验算1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推单推”的方式，见书后图6-23。丝杠的两端各采用一对推力 角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为 a=500mm；钢的弹性模量 ＝2.1 Mpa；查表3-32，得滚珠 直径 =3.175mm，丝杠底径 =16.2 mm，丝杠截面积 /4=206.12mm2。 忽略式（3-25）中的第二项， 算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量δ1=Fma/ （ES） =[/（2.1 ?206.12）] mm ≈ 0.0205 mm。2）根据公式 Z ＝( ?d 0 / Dw )-3,求得单圈滚珠数 Z =20；该 型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数?列数为3?1，代入公式： Z ?＝Z ?圈数?列数，得滚珠总数量 Z ? =60。丝杠预紧时， 取轴向预紧力 FYJ = Fm /3=593 N。则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间 的接触变形量 ? 2 ≈ 0.0026 mm。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? 2 =0.0013mm。 3）将以上算出的?1和? 2代入?总 ? ?1 ? ? 2 ，求得丝杠总变 ? 形量（对应跨度500mm） 总 ? 0.0218 mm=21.8μm。 由表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时， 行程偏差允许达到25μm，可见丝杆刚度足够。（6）压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷Fk。 查表3-31，取支承系数 f k =1；由丝杠底径 d 2 =16.2 mm，求得截面惯性矩 4 I ? ?d 2 / 64 ≈ 3380.88 mm ； 压杆稳定安全系数 K 取3（丝杠卧式水平安装）； 滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值500mm。 代入式（3-28），得临界载荷 Fk ≈ 9343N，远大于 工作载荷 Fm =1779N，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。5. 步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩， 同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上 尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。 采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的 轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用图3-8所示 的弹簧错齿法消除侧隙。 已知工作台的脉冲当量δ=0.005 mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=5 mm，初选步进电动机的步距角α=0.75°。根据（3-12）式，算得 减速比： i=(αPh)/(360δ) =(0.75?5)/(360?0.005)=25:12 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱 。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75:36，材料为45号调质钢， 齿表面淬硬后达HRC55。减速箱中心距为 [(75+36)?1/2] mm＝ 55.5 mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。6. 步进电动机的计算与选型 J 步进电动机的计算与选型参见第四章第三节相关内容。 eq （1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠 丝杠的公称直径d 0 =20 mm，总长l =500mm，导程 Ph ＝5mm， 材料密度 ? ? 7.85?10?3 kg / cm3 ；移动部件总重量G=800N;小齿 轮宽度 b1 ＝20mm，直径 d1=36大齿轮宽度b2＝20mm，直径 d 2=75 mm；传动比i =25/12。 参照表4-1，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J S =0.617 kg ? cm2 拖板折算到丝杠 2 上的转动惯量 J W =0.517 kg ? cm2 小齿轮的转动惯量 J z1=0.259 kg ? cm 大齿轮的转动惯量J z 2 =4.877kg ? cm2 。初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相四拍驱动时步距 角为0.75? ，从表4-5查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：J eq = J m + J z1 +( J z 2+ J W+ J S )/i2=30.35 kg ? cm22）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq 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）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩T eq1 T 由式（4-8）可知， eq1包括三部分：一部分是快速空载起动 时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 Ta max ；一部分是移 动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf ；还有一 部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转 矩 T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据（4-12）式可知， 0 相对于Tf 和Ta max 很小，可以忽略不计。则有： TT eq1= Ta max + Tf（6-13）根据式（4-9），考虑传动链的总效率η，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 ――对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，2?Jeqnm 1 （6-14） Ta max ? ? 60ta ?t单位为r/min； ――步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时 a 间，单位为s。 其中：vmax ? ? （6-15） nm ? 360 ? ?式中α ――步进电动机步距角，预选电动机为0.75? ； δ ――脉冲当量，本例δ=0.005mm/脉冲。 将以上各值代入式（6-15），算得nm=1250r/min。――空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min； vmax设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间ta =0.4s，传动链总 效率η=0.7。则由式（6-14）求得：2? ? 30.35 ? 10 ? 4 ? 1250 Ta max ? ? 1.42（N? m） 60 ? 0.4 ? 0.7由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转 矩为： ? ( Fz ? G ) Ph Tf ? （6-16）2??i则由式（6-16），得：0.005 ? (0 ? 800 ) ? 0.005 m） Tf ? ? 0.002（N? 2? ? 0.7 ? 25 / 12最后由式（6-13），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转 矩：T eq1 = Ta max + T f = 1.422 N（6-17）2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 Teq2 由式（4-13）可知，eq2包括三部分：一部分是折算到电动机转 T 轴上的最大工作负载转矩Tt ；一部分是移动部件运动时折算 到电动机转轴上的摩擦转矩Tf ；还有一部分是滚珠丝杠预紧 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： Teq2 = Tt + Tf （6-18） 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由（4-14） 式计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝 杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1609N ，则有： Tt ? ? ? 0.88（N? m） 2?? i 2? ? 0.7 ? 25/ 12 F f Ph再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=556N）情况 下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：? ( Fz ? G ) Ph 0.005 ? (556 ? 800 ) ? 0.005 Tf ? ? 0.004（N? = m） 2??i 2? ? 0.7 ? 25 / 12最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负 载转矩为： Teq2 = Tt + Tf = 0.884 N? m （6-19） 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应 为： T Teq = max{ T eq1， eq2 } = 1.422 N? m（3） 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的 驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，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?1.422 N? =5.688 N? (6-20) m m 上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，由表4-5查得该 型号电动机的最大静转矩Tjmax = 6 N? 。可见，满足（6-20）式 m 的要求。（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 任务书给定工作 台最快工进速度 vmax =400mm/min，脉冲当量δ=0.005mm/脉冲 由（4-16）式求出电动机对应的运行频率 f max f =[400/(60?0.005)]Hz ≈1333Hz。 从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图6-24可以看出，在此 频率下，电动机的输出转矩 Tmax f ≈5.6N? m，远远大于最大工作负 载转矩 Teq2 =0.884N? m，满足要求。 2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作 台最快空载移动速度vmax=3000mm/min，仿照（4-16）式求出电 动机对应的运行频率 f max=[3000/（60?0.005）]Hz =10000Hz。 从图6-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩 Tmax =1.8 N? m， 大于快速空载起动时的负载转矩 T eq1 = 1.422N? m，满足要求。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 vmax=3000mm/min对应的电动机运行频率 f =10000Hz。查表4-5可知 max 90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35kg ? cm2 电动机转子的转动惯量 J m ? 4 kg ? cm2 ，电动机转轴不带任何负载时的最 高起动频率 fq =1800Hz. 则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： fq fL ? =614Hz Jeq 1? Jm 上式说明，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614Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选 得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。 综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机 ，完全满足设计要求。图6-24 90BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线7．增量式旋转编码器的选用 本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾 部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转 速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹 配。由步进电动机的步距角α=0.75? ，可知电动机转动一转时， 需要控制系统发出360/α=480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编 码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分 （见第四章第五节相关内容），因此，编码器的分辨率可选120 线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角 ，编码器对应输出一个脉冲信号。 本例选择编码器的型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H：盘状 空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V ，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出，生产厂家为长春 光机数显技术有限公司。四、工作台机械装配图的绘制 在完成直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、齿轮减速箱、步进电 动机以及旋转编码器的计算与选型后，就可以着手绘制工作台的机械 装配图了。绘图过程中的有关注意事项参见本章第一节相关内容。绘 制后的X-Y数控工作台机械装配图见书后图6-23。 五、工作台控制系统的设计 X-Y数控工作台的控制系统设计，可以参考本章第一节的车床数 控系统，但在硬件电路上需要考虑步进电动机（编码器）反馈信号的 处理，在软件上要实现半闭环的控制算法。 六、步进电动机驱动电源的选用 本例中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州 宝马集团公司。查表4-14，选择与之配套的驱动电源为BD28Nb型， 输入电压100V AC，相电流4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与 控制器的接线方式如图6-25所示。图6-25 BD28Nb驱动电源的接线图第四节 波轮式全自动洗衣机机 电系统设计随着经济发展，各种各样的现代家用电器已 经普及到千家万户，与其同时家用电器的机电一体 化设计技术也在迅速发展。本节以波轮式全自动洗 衣机为实例，系统地介绍洗衣机的机电系统结构及 其设计过程。一、设计任务题目：波轮式全自动洗衣机机电系统设计 任务：设计一种波轮式全自动洗衣机的机电系统，要求最大洗 衣重量为3.8 Kg，内桶直径为Φ400 mm，洗衣转速约为140～200 r/min，脱水转速约为700～800 r/min。要求具有自动调节水位、根 据衣服种类设定洗涤模式、自动进水、排水和自动脱水等功能。二、波轮式全自动洗衣机的总体结构目前在我国生产的洗衣机中，波轮式洗衣机占了80%以上。早期 生产的波轮式洗衣机波轮较小，直径都在165～185 mm之间，转速 为320～500 r/min。现在基本都是大波轮洗衣机，其中又以碟形波 轮应用最广，波轮直径约为300 mm，转速约为120～300 r/min。一般来说，波轮式全自动洗衣机具有洗涤、脱水、水 位自动控制以及根据不同衣物选择洗涤方式和时间等基本 功能,其结构主要由洗涤和脱水系统、进排水系统、电动机 和传动系统、电气控制系统、支承机构等五大部分组成， 如图6-26所示。波轮式全自动洗衣机多采用套筒式结构，波 轮装在内桶的底部，内桶为带有加强筋和均布小孔的网状 结构，并可绕轴旋转。外桶弹性悬挂于机箱外壳上，主要 用于盛水，并配有一套进水和排水系统，用两个电磁阀控 制洗衣机的进、排水动作。外桶的底部装有电动机、减速 离合器以及传动机构、排水电磁阀等部件。动力和传动系 统能提供两种转速，低速用于洗涤和漂洗，高速用于脱水 ，通过减速离合器来实现两种转速的切换。图6-26 波轮式全自动洗衣机的结构三、进水、排水系统 全自动洗衣机的进、排水系统主要由进水电磁阀、排水电 磁阀和水位开关等组成。 1.水位开关 水位开关又称压力开关。洗衣机洗涤桶进水时的水位和洗 涤桶排水时的状况是由压力开关检测的。当洗衣机工作在洗涤 或漂洗程序时，若桶内无水或水量不够，压力开关则发出供水 信号。当水位达到人为设定水位时，压力开关将发出关闭水源 信号。微电脑全自动洗衣机工作在排水程序时，若排水系统有 故障，水位开关则发出排水系统受阻信号。 （1）结构 波轮式全自动洗衣机上使用最多的水位开关是空气压力式， 其结构如图6-27所示。这类压力开关按其功能可大致分为气压 传感装置、控制装置及触点开关三部分。图6-27 水位开关结构及其水压传递系统1.杠杆 2.导套 3.调压螺钉 4.压力弹簧 5.凸轮 6.顶芯 7.开关小弹簧 8.动簧片 9.塑料盘 10.橡胶膜 11.气室 12.压力软管气压传感装置由气室11、橡胶膜10、塑料盘9、顶芯6等组成；控 制装置由压力弹簧4、导套2、调压螺钉3、杠杆1和凸轮5等组成；触 点开关由动簧片8、开关小弹簧7、动静触点组成，其中公共触点COM 和常闭触点NC组成动断触点，公共触点COM和常开触点NO组成动合 触点。动簧片是由铍青铜板制成，其结构如图6-28所示。在内动簧片 和外动簧片的apb点安装一个小弹簧，即图6-27中的开关小弹簧，c点 为内动簧片的力驱动点，位于顶芯和塑料盘的轴心线上。图6-28 动簧片结构（2）工作原理 当水注入内桶时，气室很快被封闭，随着水位上升封闭在气室内 的空气压力也不断提高，压力经软管12传到水位开关气室11，水位开 关气室11内的空气压力向上推动橡胶膜10和塑料盘9，推动动簧片8中 的内动簧片向上移动，压力弹簧4被压缩。当注水到了选定水位时， 此时内动簧片移动到预定的力平衡位置，开关小弹簧7将拉动外动簧 片，并产生一个向下的推力，使开关的常闭触点NC与公共触点COM 迅速断开，常开触点NO与公共触点COM闭合，从而发出关闭水源信 号。 排水时，当水位下降到规定的复位水位时，水位产生的压力减 小，压力弹簧4回复伸长，推动顶芯6，使动簧片8中的内动簧片向下 移动，当移动到预定的力平稳位置时，开关小弹簧7对外动簧片产生 一个向上的推力，使开关的常开触点NO与公共触点COM迅速断开， 常闭触点NC与公共触点COM闭合，从而改变控制电路的通断。2.进水电磁阀 （1）结构 进水电磁阀也称为进水阀或注水阀，其结构如图6-29所示。图6-29 进水阀结构图 (a)断电关闭 (b)通电开启1.金属过滤网 2.阀座 3.导磁铁框 4.线圈 5.小弹簧 6.铁芯 7.小橡胶塞 8.塑料盘 9.橡胶阀（2）工作原理 电磁阀线圈4断电时，铁芯6在自重和小弹簧5作用下下压，使铁芯 6下端的小橡胶塞7堵住泄压孔B，此时如果有水进入进水腔Ⅰ，水便 由加压孔A进入控制腔Ⅱ，使控制腔Ⅱ内水压逐渐增大，最终使橡胶 阀9紧压在出水管的上端口上，将阀关闭。同时，因铁芯6上面空间与 控制腔Ⅱ相通，控制腔Ⅱ内水压的增大还会使铁芯6上面空间气体压强 增大，导致橡胶阀9更紧的压在泄压孔B上，增加了阀关闭的可靠性。 当进水电磁阀线圈4通电后，产生的电磁吸力将铁芯6向上吸起， 泄压孔B被打开。控制腔Ⅱ内的水迅速从泄压孔B中流入出水管，同时 经加压孔A流入控制腔Ⅱ的水又进行补充。但由于加压孔A比泄压孔B 小，使控制腔Ⅱ内的压力迅速下降。当控制腔Ⅱ中的水压降到低于进 水腔Ⅰ水压时，橡胶阀9被进水腔Ⅰ中的水向上推开，水从进水腔Ⅰ直 接进入出水管，进而流入盛水桶。水到位后，由水位开关切断进水电 磁阀线圈4的电源，进水阀重新关闭。3.排水电磁阀排水电磁阀由电磁铁与排水阀组成，如图6-30所示。电磁 铁和排水阀是两个独立的部件，两者之间以电磁铁拉杆连接起 来。 （1）结构 排水阀是由排水阀座1、橡胶阀2、内外弹簧3与4、导套5和 阀盖6等组成。排水阀门采用橡胶材料制成，内有一个由硬质 塑料制作的导套5。导套5内装有内弹簧3，它一端卡在导套左 边槽口， 另一端钩挂在电磁铁拉杆7上，内弹簧3处于拉紧状 态。在导套5外装有一个外弹簧4，它的刚度比内弹簧3小，它 的一端与阀盖6接触，另一端与导套5的基座接触，外弹簧4处 在压缩变形状态。图6-30 排水阀的结构与电磁铁的装配关系1.排水阀座 2.橡胶阀 3.内弹簧 4.外弹簧 5.导套 6.阀盖 7.电磁铁拉杆 8.销钉 9.基板（铁垫圈） 10.微动开关压钮 11.引线端子 12.排水电磁阀 13.衔铁 14.开口销 15.外桶 16挡套 17. 刹车扭簧伸出端电磁铁有交流和直流两种，机械式全自动洗衣机一般采用交流电磁铁 ，而电脑式全自动洗衣机一般采用直流电磁铁。交流电磁铁的主要技 术参数如表6-10所示，直流电磁铁的主要技术参数如表6-11所示。（2）工作原理洗衣机处在进水和洗涤时，排水阀处于关闭状态。此时 主要由外弹簧4把橡胶阀2紧压在排水阀座1的底部。 排水时，排水电磁铁通电工作，衔铁13被吸入，牵动电 磁铁拉杆7。由于拉杆7位移，在它上面的挡套16拨动制动装 置的刹车扭簧伸出端，使制动装置处于非制动状态（脱水 状态）。另一方面随着拉杆7的左端离开导套5，外弹簧4被 内弹簧3的拉力压缩，使排水阀门打开。正常排水时，橡胶 阀门2离开排水阀座1密封面的距离应不小于8mm，排水电 磁铁的牵引力约为40N。四、传动系统的结构及其工作原理传动系统主要由电动机、减速离合器组成。套桶式全自动洗衣机 使用一台电动机来完成洗涤和脱水工作。洗涤时波轮转速较低（140200 r/min），而脱水时脱水桶转速较高（约800 r/min）。因此，要 对电动机1370 r/min的输出转速进行减速处理，以适应两项工作的不 同要求，这主要由洗衣机的传动系统来完成，传动系统的工作示意 如图6-31所示。图6-31 套桶式全自动洗衣机传动系统示意图1.电动机的技术参数电动机是整个洗衣机工作的动力来源。我国现阶段生产的套桶式洗 衣机大多采用的是电容运转式电动机，产品遵循中华人民共和国机械 行业标准JB/T 《家用洗衣机用电动机通用技术条件》。目 前常用的电容运转式电动机技术参数如表6-12所示。2.减速离合器的结构和工作原理早期设计的小波轮全自动洗衣机的 离合器没有减速功能，故洗涤和脱 水转速相同。新型大波轮全自动洗 衣机的离合器都具有洗涤减速功能 ，称为减速离合器，其种类很多， 但主要结构和工作原理基本相同。 目前应用最为广泛的有两种：单向 轴承式减速离合器、带制动式减速 离合器。图6-35 全自动洗衣机离合器结构图 1.输入轴2.螺母 3.带轮 4.方丝离合弹簧 5.棘轮 6.棘爪 7.拨叉 8.单向滚针轴承 9.刹车装置外罩 10.刹车扭簧 11.密封圈 12.密封圈 13.支架 14.离合器外罩15.刹 车带 16.刹车盘17.十字轴套18.脱水轴 19.支撑架 20.离合套 21.拉杆（1）单向轴承式减速离合器1）基本结构 单向轴承式减速离合器主要由离合器和行星减速器两部分组成 其具体结构可参见书后的设计装配图6-32、图6-33和图6-34。 ①离合器主要结构 如图6-35所示，离合器中部有两根轴：输入轴1和脱水轴18。 输入轴1把来自带轮3的转动传给行星减速器中心轮。输入轴1的 下端加工成四方形，与之相配的带轮3和离合套20的内孔也是方 形。离合套20和带轮3被螺母2固定在输入轴1上，由于方轴与方 孔的紧密配合，从而带轮3、输入轴1和离合套20联成了一体 输入轴1的上端加工成齿形花键，和行星减速器的中心轮内孔配 合联接。输入轴1的外部是脱水轴18。在衣服洗涤时脱水轴静止不转 而洗涤结束后脱水轴应将带轮3的高转速直接传递给脱水桶，完 成脱水功能。这种转换功能是由方丝离合弹簧4完成的。方丝离 合弹簧的形状呈锥形，上端几圈的直径比下端略小一些。由于 脱水轴18和离合套20的外径比方丝离合弹簧的内径略大，在自由 状态时，方丝离合弹簧就抱紧在离合套20和脱水轴18的外壁上。 当带轮带动离合套向弹簧旋紧方向旋转时，通过方丝离合弹簧 就将带轮3的转动由离合套20传递到脱水轴18，这就是“合”时 的脱水状态。在洗涤时，可以将方丝离合弹簧向反方向旋松， 使其内径变大，从而与离合套20脱离接触，这就是“离”时的 洗涤状态。实现弹簧旋松的机构是棘轮棘爪装置，图6-36是其工 作原理简图。方丝离合弹簧下端的弹簧卡2卡在棘轮3的内槽中 ，通过棘爪5的摆动使棘轮3转动，从而带动方丝离合弹簧向旋 松方向转动。图6-36 离合棘轮工作原理图 1.方丝离合弹簧 2.弹簧卡 3.棘轮 4.棘轮卡槽 5.棘爪图6-35中的8是单向滚针轴承部件，它的内圆与脱水轴18相接 触，它的外圈与齿轮轴承座过盈配合成一体，齿轮轴承座嵌在支 撑架19中，支撑架用螺栓和离合器外罩14固定在一起。在单向滚 针轴承8的作用下，脱水轴18只能向一个方向自由旋转。单向滚 针轴承是滚针轴承产品领域中一种科技含量较高的产品，其结构 紧凑，径向截面小。因为其外圈工作面是楔形，所以只允许一个 方向的转动，可以起到单向离合器的作用。洗衣机单向滚针离合 器的工作原理如图6-37所示，它由带楔形面的外圈7以及利用保 持架隔开的一系列滚针组成，轴承直接套在脱水轴上。当脱水轴 顺时针转动时，滚针落入楔形槽的大端中，此时脱水轴可顺时针 转动； 而当脱水轴逆时针转动时，滚针则卡紧在楔形槽的小端 处，这时脱水轴将无法转动。图6-37 单向滚针轴承工作示意图 1.支撑架 2.齿轮轴承座 3.滚针保持架 4.输入轴 5.脱水轴 6.滚针 7.轴承外圈 8.螺栓刹车装置外罩9、刹车扭簧10、刹车带15、刹车盘16和十字轴套17 等组成了脱水轴18的刹车装置。十字轴套17用两颗紧定螺钉和脱水轴 18固定在一起，刹车盘16又和十字轴套17用螺栓固定在一起，所以刹 车盘16和脱水轴18联成了一体。刹车装置外罩9安装在脱水轴18上，为 间隙配合，它对脱水轴的作用由刹车扭簧10控制。刹车扭簧10套装在 刹车装置外罩9的外圆上，其下端固定在离合器外罩上它的上端则嵌在 拉杆21的一个方孔中，由排水电磁铁带动拉杆控制其状态。洗涤时， 排水电磁铁断电，刹车扭簧处于自由旋紧的状态。当脱水轴18顺时针 旋转时，由于刚性刹车带15紧紧抱住刹车盘16，而其一端又卡在刹车 装置外罩9的方槽中，所以刹车盘、刹车带以及刹车装置外罩9都将一 起顺时针旋转。刹车装置外罩9在顺时针旋转过程中，刹车扭簧10将被 迅速旋紧，强大的摩擦力使刹车装置外罩9无法动作，此时刹车带15和 刹车盘16将发生剧烈摩擦，对脱水轴18产生制动作用防止脱水桶产生 跟转现象。在脱水时，排水阀通电，排水电磁铁带动拉杆使刹车扭簧 处于放松状态。由于刹车装置外罩9在顺时针旋转过程中，与旋松的刹 车扭簧之间可以自由滑动，刹车不起作用，因此刹车装置外罩9、刹车 盘16、刹车带15都将与脱水轴18一起高速旋转，完成脱水功能。②行星减速器结构减速器的结构如图6-38所示。减速器外罩8和减速器底盖10用螺钉 紧固在一起，再安装在法兰盘12上，法兰盘12和脱水轴2通过锁紧块 13固定在一起，因为法兰盘12和脱水桶相连接，所以减速器外罩8、 减速器底盖10、法兰盘12和脱水桶成一整体。减速器底盖10有上、下 两个止口，从而保证了减速器和脱水轴2安装时的同心精度。对行星 减速器来说，输入轴1是动力的传入轴，其花键端插入中心轮11的内 孔中。行星轮4共有4个，与中心轮11以及内齿圈6相啮合。内齿圈6通 过其圆周槽卡在减速器底盖10上，与之连成一体。行星轮通过销轴5 安装在行星架7上，当行星轮绕中心轮公转时，将带动行星架一起旋 转。波轮轴9两端都加工成齿形花键，其下端与行星架7联接，上端与 波轮相联，从而使波轮以低速旋转洗涤衣物。图6-38 减速器结构图1.输入轴 2.脱水轴 3.密封圈 4.行星轮 5.行星轮轴6.内齿圈7.行星架 8.减速器外罩9.波轮轴10.减速器底盖11.中心轮 12.法兰盘13.锁紧块2）工作原理①脱水状态图6-39 脱水工作状态示意图 1.带轮 2.离合套 3.方丝离合弹簧 4.棘轮 5.脱水轴 6.输入轴 7.单向滚针轴承 8.刹车装置9.法兰盘 10减速器 11.波轮 12.内桶13.紧固螺钉 14.外桶 15.密封圈16.刹车扭簧 17.离合器外罩 18.棘爪减速离合器脱水时的状态及装配关系如图6-39所示， 脱水状态 下，排水电磁铁通电吸合，牵引拉杆移动约13mm，使排水阀开启。 拉杆在带动阀门开启的同时，一方面拨动旋松刹车弹簧，使其松开刹 车装置外罩，这时刹车盘随脱水轴一起转动，刹车不起作用；另一方 面又推动拨叉旋转，致使棘爪脱开棘轮，棘轮被放松，方丝离合弹簧 在自身的作用力下回到自由旋紧状态，这时也就抱紧了离合套。带轮 1在脱水时是顺时针旋转的，由于摩擦力的作用，方丝离合弹簧将会 越抱越紧。这样脱水轴就和离合套联在一起，跟随带轮一起做高速运 转。由于此时脱水轴做顺时针运动， 和单向滚针轴承的运动方向一 致，因此单向滚针轴承对它的运动无限制。由于脱水轴通过锁紧块与 法兰盘9联接，而内桶12与行星减速器10均固定在法兰盘上，所以脱 水轴带动内桶以及减速器内齿圈的转速，与输入轴带动减速器中心轮 的转速相同，这样致使行星轮无法自转而只能公转，从而行星架的转 速与脱水轴是一样的，即波轮与脱水桶以等速旋转，保证了脱水桶内 的衣物不会发生拉伤。脱水状态传动路线是：电机→小带轮→大带轮→输入轴→离合套 →方丝离合弹簧→脱水轴→法兰盘→内桶。由于电机输出转速只经带 轮一级减速，内桶转速较高，约680―800转/分。 ②洗涤状态 如图6-40所示，洗涤状态下，排水电磁铁断电，排水阀关闭，拉 杆复位。这时刹车扭簧16被恢复到自然旋紧状态，扭簧抱紧刹车装置 外罩，刹车装置8起作用；同时拨叉回转复位，棘爪18伸入棘轮4，将 棘轮拨过一个角度，方丝离合弹簧3被旋松，其下端与离合套2脱离， 这时离合套只是随输入轴空转。带轮1带动输入轴6转动，经行星减速 器减速后，带动波轮轴11转动，实现洗涤功能。输入轴至波轮轴的传 动称为二级减速，其工作过程为：输入轴通过中心轮驱动行星轮，行 星轮既绕自己的轴自转又沿着内齿圈绕输入轴公转。因为行星轮固定 在行星架上，所以行星轮的公转也将带动行星架转动；行星架以花键 孔与波轮轴下端的花键相联接，带动波轮轴和波轮转动。行星减速器 的降速比i计算公式为：i = 1 + 内齿圈齿数/ 中心轮齿数。图6-40 洗涤工作状态示意图 1.带轮 2.离合套 3.方丝离合弹簧 4.棘轮 5.脱水轴 6.输入轴 7.单向滚针轴承 8.刹车装置9.法兰盘 10减速器 11.波轮轴 12.内桶13.紧固螺钉 14.外桶 15.密封圈16.刹车扭簧 17.离合器外罩 18.棘爪洗涤状态}