加工中心主轴箱控制系统设计

X X X X X X学院

课程设计报告

课程名称：机电一体化系统设计课程设计

设计题目：加工中心主轴箱控制系统设计

系别：XXXXXXX学院

专业：机械设计制造及其自动化

班级：XXXXXXXXXX

学生姓名: XXXXXXXXXXXXXXXXXXX

学号: XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

起止日期:XXXXXXXXXXXXXXXXXX

指导教师:XXXXXXXX

教研室主任：XXXXXXXXX

目录

摘要 (Ⅰ)

1 课程设计的目标与任务 (1)

1.1设计的目标 (1)

1.1.1设计要求 (1)

1.1.2设计步骤 (2)

2 总体设计 (3)

2.1电动机与调速装置的选择 (3)

2.1.1电动机类型的选择 (3)

2.1.2调速装置的选择 (3)

2.2传动比的分配 (3)

2.3传动装置的运动和动力参数计算 (3)

2.3.1各轴转速计算 (3)

2.3.2各轴输入功率计算 (3)

2.3.3各轴输入转矩计算 (4)

2.4液动及气动装置动力源选择 (4)

2.5电气部分电源选择 (4)

2.6主轴箱整体示意简图 (4)

3主轴箱液压系统 (6)

3.1液压原理说明 (6)

3.2齿轮滑移和换刀液压原理设计 (6)

3.2.1动作逻辑液压原理设计 (7)

3.2.2齿轮滑移原理设计 (8)

3.2.3机械手上下移动原理设计 (9)

3.2.4机械手旋转的设计 (9)

3.2.5主轴夹紧和松刀原理设计 (10)

3.2.6液压站主油路 (10)

4液压元件的选择 (12)

4.1液压缸的选择 (12)

4.1.1齿轮滑移缸 (12)

4.1.2机械手上下移动液压缸 (14)

4.1.3主轴刀具夹紧液压缸 (16)

4.1.4机械手旋转液压马达 (17)

4.2液压阀的选择 (18)

4.2.1减压阀 (18)

4.2.2溢流阀 (18)

4.2.3单向阀 (18)

4.2.4换向阀 (18)

4.2.5流量阀 (19)

4.2.6压力继电器 (19)

4.3液压泵 (19)

4.4液压蓄能器 (19)

4.5液压站的设计 (19)

4.5.1油箱的设计要点 (20)

4.5.2油箱的设计 (20)

5液压元件的测试和维护要求 (22)

5.1液压元件的主要测试项目及要求 (22)

5.1.1泵站的调试 (22)

5.1.2阀的调试 (22)

5.2液压系统使用和维护注意事项 (22)

6机床主轴箱调速控制 (24)

6.1RS-485通信介绍 (24)

6.2电路平台介绍 (24)

6.3UART转RS-485电路部分介绍 (25)

6.4台达变频器通讯协议介绍 (26)

6.4.1基本通信格式介绍 (26)

6.4.2变频器指令格式介绍 (28)

7输入与输出功能设计 (31)

7.1HD7279A芯片介绍 (31)

7.1.1HD7279A电学特性 (31)

7.2键盘电路介绍 (32)

7.2.1HD7279A指令与时序说明 (33)

7.3继电器电路设计 (37)

7.3.1继电器驱动电路设计 (37)

总结 (38)

参考文献 (39)

附录 (40)

加工中心主轴箱控制系统设计

摘要：

机床工业是机械制造业的重要部门，肩负着为农业，工业，科学技术和国防现代化提供技术装备的任务,是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。随着科学技术不断发展，市场上对数控的要求也有很大的改变；数控机床的发展越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速高柔性化和模块化方向发展。加工中心集计算机技术、电子技术、自动化控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电—体化产品，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在数控技术之上。目前数控技术已经广泛运用于制造业，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。而加工中心的发展最为重要。为追求加工效率及更通用化迫使数控机床结构模块化、智能化、柔性化、用户界面图形化，科学计算可视化，内置高性能,PLC多媒体技术应用等方面发展。

关键词：数控、加工中心、机电一体化、单片机、CAD/CAM

1 课程设计的目标与任务

1.1设计的目标

本设计分为加工中心主轴箱控制系统设计两部分。

加工中心主轴箱设计：

机床采用交流调速电动机，额定功率为18.5 kW，电机额定转速为l 500 r／min，电动机经中间轴，锥环无键连接驱动第一根齿轮轴，经第二根轴的两级滑移齿轮变速传至主轴，滑移齿轮中的大齿轮和小齿轮为一体，两者组成离合器，将三根轴连接在一起，对于主轴的换刀控制采用液压与气压相结合的方式控制，二轴的变速滑移也是采用液压装置来控制的，要求无级变速。

控制电路设计：

由C8051F120单片机作为控制中心，连接HD7279A作为键盘、显示接口芯片，并充分利用C805lFl20内部资源。

1.1.1设计要求

本设计为加工中心主轴箱设计及控制，要求所设计的机械结构能自动调节主轴的转速，电路控制系统采用C8051F120及外围电路，如变频器控制电路等。利用调节电动机的转速来控制主轴的转速。

加工中心主轴箱机械部分设计要求：

主轴加工中心箱体采用铸造件，要求无级变速；

主轴箱要求电机功率传送到一轴，一轴齿轮带动二轴齿轮，由于二轴齿轮可以滑动，形成一个变速器，经二轴齿轮的滑动和转动带动了三轴齿轮，从而完成整个齿轮传动过程。要求采用交流调速电动机拖动。

加工中心主轴箱控制系统设计要求：

采用C8051F120单片机作为控制中心

用HD7279A作为键盘、显示接口芯片

1.1.2设计步骤

(1)传动装置总体设计方案

(2)电动机的选择

(3)确定传动装置的总传动比和动力参数

(4)液压滑移装置设计

(5)液压自动换刀装置设计

(6)液压外围辅助装置设计

(7)单片机与外部设备的控制连接与通信设计

2 总体设计

2.1电动机与调速装置的选择

2.1.1电动机类型的选择

根据动力源和工作条件，为满足调速功能，故选用交流调速电动机

2.1.2调速装置的选择

根据设计需求，电机需要完成无级调速，且调速要受控于控制系统，故选用台达VFD系列变频器，采用串口经过MAX485芯片转换后用ASCII字符格式与其通信，传递转速信息。

2.2传动比的分配

总传动比为

（2-1）且又因齿轮传动的转速差比不宜超过7，故i1=4；i2,1=3.3；i2,2=0.25。

2.3传动装置的运动和动力参数计算

2.3.1各轴转速计算

（2-2）由此得n0=n1=1500；n2=375；n3,1=113；n3,2=1500。

2.3.2各轴输入功率计算

（2-3）

由此得P0=18.5KW；P1=18.13KW；P2=17.59 KW；P3=17.06 KW。

2.3.3各轴输入转矩计算

（2-4）

求得T0=117.77N·m；T1=115.42 N·m；T2=447.91 N·m；

T3,1=1441.65 N·m；T3,2=108.60 N·m。

2.4液动及气动装置动力源选择

目前加工中心为了减少液压系统产生的震动噪声和热量对加工精度的影响，普遍把液、气动力源以液压站、气源站等形式独立设置于机床外部，只与机床保留电气与动力管路联系。

2.5电气部分电源选择

主轴电机和液压站采用380V交流电源，为了实现主轴转速调整，主轴电机通过变频器供电。控制部分电源采用开关式直流电源提供的5V、12V、24V直流电源，用于单片机的供电和电磁阀门的驱动等等。

2.6主轴箱整体示意简图

图1主轴箱整体示意简图

1.交流调速电机；

2.微动行程开关；

3.滑移齿轮驱动液压缸；

4.换刀装置驱动液压缸；

5.换刀臂；

6.两级两档齿轮变速箱；

7.换刀臂旋转摆线马达

3主轴箱液压系统

3.1液压原理说明

数控机床液压系统大体上分为4个部分

（1）液压动作部分

（2）冷却部分

（3）液压站部分

（4）液压辅助部分

3.2齿轮滑移和换刀液压原理设计

液压系统的动作：

在加工不同材料时需要不同的切削用量及主轴转速，通过液压缸的移动来调整传动齿轮的组合方式。

在主轴换刀时，机械手的上下移动，齿轮滑移，机械手的旋转都是通过液压元件来实现的。机械手上下移动，主轴加紧刀具需要液压缸来实现其动作，机械手的旋转需要摆动马达来实现旋转动作。

3.2.1动作逻辑液压原理设计

图2液压系统原理图

起初操作者发给单片机信号要求换刀指令。首先机械手旋转，及电磁换向阀CT7工作，油路右路通路液压摆动马达逆时针旋转90°，当触动行程开关7时完成机械手抓刀动作，同时发出信号主轴刀具松刀，CT5电磁换向阀工作，油路左端工作，及液压缸上充油，机械手下移，下移到触动行程开关4完成机械手拔刀动作，并发出信号电磁6换向阀回中路，同时发出信号两刀互换，及液压马达旋转电磁换向阀15CT6工作，油路从左路进入摆线马达，当触动行程开关7，完成机械手顺时针旋转180°，发出信号主轴刀具夹紧，及刀具夹紧缸的活塞杆上移，二位三通电球阀断电，油路回油，液压缸由于弹簧的作用回升同时带动拉套夹紧刀具的拉钉，完成刀具的夹紧，并发出信号机械手逆转90°，及电磁换向阀CT7工作，油路右路通路液压摆动马达逆时针旋转90°触动行程开关6完成换刀动作，发出信号，换刀完成。

为了保证摆动马达带动机械手旋转作用和液压缸带动机械手上下移动不发生冲突，机械手的原理结构图如图3.2.2所示，采用花键形式，这样机械手上下移动不影响机械手的旋转，摆动马达旋转，需考虑行程开关的放置位置，行程开关5、7放是放在机械手原来高度，行程开关6应放在机械手下移的位置，这样，当机械手两次经过中间，才能保证只有在下移后才能触动行程开关6，不发出错误信号，使换刀动作简单快捷安全的运行。

图3换刀机构示意图

3.2.2齿轮滑移原理设计

图4齿轮滑移液压线路

齿轮滑移动作，当液压缸的活塞杆带动夹具夹紧零件时，靠近零件时为避免过大的冲力对夹具或零件的损害，需要在即将齿合时有缓冲这一步骤，及控制油路中油的速度。

为了达到控制油速的目的，我们设置了溢流阀和二位二通电磁换向阀，当活塞杆接近夹具的很近位置会触动到行程开关3，发出信号回油路由原来的二位二通阀转换到节流阀中流通，由于节流阀有调速的作用，使速度减缓。

为了防止齿轮在转动时发生轴向移动，我们需设置一个锁紧装置，能达到此目的，需要有液控单向阀和Y型三位四通电磁换向阀来完成，当电磁换向阀回到中路，油压为0，液控单向阀不导通，起到锁紧的作用，在设计时我们选择三位

四通换向阀Y，因为这种阀的锁紧性能相对M型更好。

3.2.3机械手上下移动原理设计

机械手上下移动原理齿轮移动和原理大致一样，但其液压缸的尺寸，型号，及管路的油压不同，具体介绍一下原理图中的单向阀的功能，油从单向阀进入系统，单向阀为了保持持续供油，各个动作互不干扰，油路中不会因为其他油路因动作运行、缓冲或加速引起的油路压力系统不稳定。由于各油路的压力不同需减压阀对压力调整。系统中变速比调整和机械手换刀都会有可能同时进行，在这里单向阀就能起到此作用。

3.2.4机械手旋转的设计

图5换刀机械手液压线路

机械手旋转液压系统需要考虑摆动马达，在一位置不会摆动，这里在油路中加了单向阀和溢流阀，当电磁换向阀回到中位时，由于摆线马达两端压力不平衡，所以当左端压力大时会通过单向阀和溢流阀回到油箱，同理右端也是。

需注意这里我们选择三位四通单向阀M型，与齿轮滑移中阀不同，这样才能起到锁紧的目的。配合上面的单向阀和溢流阀达到液压马达锁紧和油液缓冲目的。

3.2.5主轴夹紧和松刀原理设计

图6主轴夹紧和松刀液压管路

刀具松刀，原理是卡套上移夹紧拉钉，为了实现这一目的用液压缸带动卡套就可以，考虑到，机床大部分都在夹刀，我们不能再用上面的原理及元件了，液压缸选单作用弹簧复回，只有在换刀时松开，及只有油路中又进入液压缸时才松刀，其余时间是不通的，二位三通电磁阀的作用，控制油路进出，比其他换向阀简单。

3.2.6液压站主油路

图6液压站主油路

液压主油路，必不可少的提供压力的液压泵，那么在连接液压泵和油箱之间还存在过滤器，为了实现压力保持不变，溢流阀是必不可少的元件。如图 3.3.1所示，当压力超过其所设定的压力时，溢流阀通流触动二位二通电液换向阀开关

下移，液压油直接从二位二通电液换向阀流到主油箱。压力表是检测其压力，单向阀为防止油倒流。

蓄能器的作用稳压保压的功能，尤其是夹具夹紧对主油路的压力影响比较大，而且夹具夹紧需要持续长时间供压，所以蓄能器是必不可少的元件。

电磁继电器，当压力变化很明显时，则会报警，发出信号立即停车。

过滤器起到过滤的作用，减少空气中的粉尘进入油箱，但需要定期清洗。

4液压元件的选择

4.1液压缸的选择

4.1.1齿轮滑移缸

（1）滑移缸的负载力计算

图7活塞工况简图

估测负载力F w为100N

=0.3 MPa

初选液压公称压力为p=0.315MPa，初选液压缸P

1

(2)计算液压缸此尺寸：为了简化机床结构，液压缸采用单杠活塞缸，为使快进退速度相同则用单活塞差动连接，所以液压缸无腔面积A1和A2关系应为A1=2A2，即活塞直径d和液压缸内径D应符合d=0.707D。背压压力为P2=0.1MPa。

（4-1）设机械效率

（4-2）

（4-3）

（4-4）得到

根据液压缸气缸的缸压力内、外径尺寸GB/T2348-1993选择内径为16mm外径

22mm。

验算一下提供

故应选大一点D=25mm

（3）活塞

活塞杆行程的确定根据GB/T2349-1980活塞行程为S=125mm

活塞和活塞杆的连接方式整体式，优点结构简单，用于工作压力较大而活塞直径较小的液压缸。

密封装置的形式为间隙密封在活塞表面开出一些小环形槽，以使压力油在经过这些槽时因产生多种能量损失而使压力下降，从而达到减少泄露密封效果。优点是：结构简单，摩擦阻力小，因而动作灵敏，启动迅速，制动准确；耐高温；由于他没有容易刮伤密封件，不会因密封件损失发生泄露。但它的内漏较大，加工要求高，一般均需珩磨或配研，磨损后无法恢复原有的能力。

(3)液压缸的流量计算

根据需要，该液压缸速度最大为v=0.1m/s

（4-5）

A为有效面积

(4)液压壁厚的确定

（4-6）

δ-液压缸壁厚（mm）

16MPa时=1.5 P1（MPa）

液压缸实验压力当额定压力P

缸筒材料的许用应力（MPa）

缸体材料的抗拉强度（MPa）根据选用合金钢缸管牌号为Q235的为

420MPa。

n安全系数一般取n=5。

=2mm

（5）油口尺寸根据GB/T2878-93选用M8×1。

（6）缓冲机构采用两端缓冲

（7）导向套的结构O型密封，插件式导向套磨损后便于更换，应用较普遍。机床中、低压液压缸一般将导向套装在密封圈内侧，或将O型圈装在导向套内，以利于导向套的润滑。

4.1.2机械手上下移动液压缸

图8液压缸简图

(1)负载力的计算带动专用刀具8Kg刀具上下移动，但刀具有可能大于8kg，这里我们取m1=15kg，机械手m2=15kg，活塞和连杆m3=1kg

考虑受力情况我们只需考虑机械手上移时及活塞杆带动刀具往上匀速移动。

经受力分析得

F W=+ m1g+ m2g=310N （4-7）又因可忽略不计，因为缸筒是竖直向下的，几乎没有对内壁产生压力，故忽略不计。

(2)初选液压缸的压力P

2=0.16MPa，背压阀P

1

=0MPa

（4-8）