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第六章第六章 机电一体化系统设计实例机电一体化系统设计实例 6.1 6.1 卧式车床数控化改造设计卧式车床数控化改造设计 6.2 6.2 数控车床自动回转刀架机电系统设计数控车床自动回转刀架机电系统设计 6.3 X-Y 6.3 X-Y数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计 6.4 6.4 波轮式全自动洗衣机机电系统设计波轮式全自动洗衣机机电系统设计n 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。

第一节第一节 卧式车床数控化改造设计卧式车床数控化改造设计n 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CPUMCS-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：F1000-G0075T3B，适配电动机，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90º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-1200Z-05V0-15-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     查表3-1，得： ＝2795，  ＝， ＝，   ＝－     查表3-3，得：主偏角Кr的修正系      ＝；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为     由经验公式（3-2），算得主切削力  ＝2673.4 N。

由经验公式  :    :  ＝1：：，算得纵向进给切削力          ＝935.69 N，背向力   =1069.36 N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   =2673.4 N， =1069.36 N， =935.69 N如图3-20所示，根据   =   ，  =   ，  =   的对应关系，可得：   =2673.4 N，  =1069.36 N，  =935.69 N选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表3-29，取  ，   ，代入Fm＝    +                       , 得工作载荷Fm ≈ 1712 N2）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 （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    =40 mm，基本导程            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3-33，得滚珠直径                         =3.9688 mm，算得:丝杠底径d2=公称直径  －滚珠直径    =36.0312 mm，则丝杠截面积                 /4 =1019.64 （mm2）。

   2）根据公式   ＝(            )－3，求得单圈滚珠数目    = 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   ＝29 × 6 =174滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力   =     /3≈571 N则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量                          ≈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    = 0.000585 mm   3）将以上算出的   和   代入               ,求得丝杠总变形量（对应跨度1497 mm）     μm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    只有μm，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  = 2；由丝杠底径      = 36.0312mm, 得截面惯性矩                  ≈4；压杆稳定安全系数   取3（丝杠卧式水平安装)；滚动螺母至轴向固定处的距离   取最大值1497 mm。

代入式（3-28）,得临界载荷   ≈51012 N，远大于工作载荷   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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 ，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   （2）主动轮最高转速   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                          =（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 （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 ，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   根据带的设计功率Pd=0.384 kW和主动轮最高转速  =1200 r/min，从图3-14中选择同步带，型号为 XL型，节距           =5.08 mm（5）确定小带轮齿数  和小带轮节圆直径        取  =25，则小带轮节圆直径    =              =40.43 mm当 达最高转速1200  r/min时，同步带的速度为                       （m/s），没有超过XL型带的极限速度40 m/s。

6）确定大带轮齿数    和大带轮节圆直径     大带轮齿数    =      =30,节圆直径           =48.51 mm7）初选中心距    、带的节线长度     、带的齿数    初选中心距  （    +    ）=115.622 mm，圆整后取        =120mm.则带的节线长度为                                                                                                                    （8）计算实际中心距    实际中心距                                                    （9）校验带与小带轮的啮合齿数                                                                          啮合齿数比6大，满足要求                   （10）计算基准额定功率                 式中      ——带宽为    的许用工作拉力，由表3-21查得  ；               ——带宽为    的单位长度的质量，由表3-21查得   =0.022                ——同步带的带速，由上述（5）可知     =2.54 m/s。

算得     = 0.127 kW（11）确定实际所需同步带宽度                                                                          ≥                  式中     —选定型号的基准宽度，由表3-21查得                                             = 9.5 mm；             —小带轮啮合齿数系数，由表3-22查得    =1      由上式算得     ≥25.07 mm，再根据表3-11选定最接近的带宽                                                    =25.4 mm12）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：                               式中， 为齿宽系数                     ；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     已知：滚珠丝杠的公称直径    =40 mm，总长（带接杆)l=1560 mm，导程     ＝6 mm，材料密度                                  ;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 。

    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    =30.78 ；拖板折算到丝杠上的转动惯量    =1.21 ；小带轮的转动惯量    =0.60;大带轮的转动惯量    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量                           则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：         =    +    +（    +    +    ）/    ＝56.7 （2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩      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         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       ，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩    ，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩    因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据（4-12）式可知，  相对于      和    很小，可以忽略不计则有：                                      =        +                          （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：                                                                                             （6-2）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；              ——步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。

其中：                                                                                  （6-3）式中         ——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；          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     =0.4 s，Z向传动链总效率η = 则由式（6-2）求得：                                                                                                                     （N·m）                               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：                                                                                                                                                                                                                                                      （6-4）式中         ——导轨的摩擦系数，滑动导轨取；                  ——垂直方向的工作负载，空载时取0；           η ——Z向传动链总效率，取。

则由式（6-4），得：                                                                                         （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） 2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 ， 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： = 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： （N·m）再计算承受最大工作负载（ ）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： （N·m）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 = 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 =max{ ， }= 2.78 N·m（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    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·m  = 11.12  N·m   （6-8）   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·m，可见完全满足（6-8）式的要求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Z向最快工进速度         =800mm/min，脉冲当量δ=0.01 mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率         = 800/（）≈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      ≈17 N·m，远远大于最大工作负载转矩         =1.78 N·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Z向最快空载移动速度        =6000mm/min，求出电动机对应的运行频率       =6000/（） =10000(Hz)。

从图6-4查得，在此频率下，电动机的输出转矩      =3.8 N·m，大于快速空载起动时的负载转矩        = 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      = 6000 mm/min对应的电动机运行频率          = 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                         ，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     =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：                                                                    =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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    （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；指向8255的控制口地址 MOV A，#10001001B；PA口输出，PB口输出，PC口输入，均为方式0 MOVX @DPTR，A ；控制字被写入 MOV DPTR，#3FFCH；指向PA口 MOVA，#0FFH；预置PA口全“1” MOVX@DPTR，A；输出全“1”到PA口 MOVDPTR，#3FFDH；指向PB口 MOVA，#0FFH；预置PB口全“1” MOVX@DPTR，A；输出全“1”到PB口 RET4．8279芯片初始化子程序B279: MOV DPTR，#5FFFH；指向8279控制口地址 MOV A，#0CFH；清除FIFO与显示RAM命令 MOVX @DPTR，A；命令字被写入WAIT:MOVX A，@DPTR；从8279的控制口读取8279的状态字 ，WAIT ；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MOV A，#08H；编码扫描，左入口，16位字符显示，双键互锁MOVX @DPTR，AMOV A，#34H；分频系数取20MOVX @DPTR，ARET 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：MOVDPTR，#5FFFH ；8279的控制口地址MOVA，#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1MOVR0，#6BH ；显示缓冲区的首地址为6BHMOVR7，#09H ；显示缓冲区的长度为9个字节MOVDPTR，#5FFEH；8279的数据口地址DIR0:MOVA，@R0 ；从CPU的RAM中读取显示段码的编码ADDA，#05H ；PC与DTAB表格之间的偏移量MOVCA，@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INCR0 ；写8279的下一个显示RAMDJNZR7，DIR0 ；循环9次，完成9位显示RET； 段码字符 编码DTAB:DB6FH ；F 00-01DB 0DAHDB 0BEH ；X 02-03DB 0E7HDB 0A3H ；Z 04-05DB 0CBHDB 0D1H ；U 06-07DB 0D3HDB 0DCH ；W 08-09DB 0CEHDB 0DFH ； - 0ADB 21H ； 0 0BDB 7BH ； 1 0CDB 91H ； 2 0DDB 19H ； 3 0EDB 4BH ； 4 0FDB 0DH ； 5 10DB 05H ； 6 11DB 69H ； 7 12DB 01H ； 8 13DB 09H ； 9 14DB 20H ； 0. 15DB 7AH ； 1. 16DB 90H ； 2. 17DB 18H ； 3. 18DB 4AH ； 4. 19DB 0CH ； 5. 1ADB 04H ； 6. 1BDB 68H ； 7. 1CDB 00H ； 8. 1DDB 08H ； 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：MOV6BH，#02H；“X”的一半MOV6CH，#03H；“X”的另一半MOV6DH，#0AH；-MOV6EH，#0CH；1MOV6FH，#0DH；2MOV70H，#0EH；3MOV71H，#19H；4.MOV72H，#10H；5MOV73H，#11H；6CALLDIR；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：CLREX1；关CPU的INT1中断MOVDPTR，#5FFFH；指向8279控制口地址MOVA，#01000000B；准备读8279 FIFO的命令MOVX@DPTR，A；写入8279控制口MOVDPTR，#5FFEH；指向8279数据口地址MOVXA，@DPTR；读出键值CJNEA，#KEY0,NEXT0；依次进行判别JMP_KEY0；对应键进行处理NEXT0: CJNEA，#KEY1，NEXT1JMP_KEY1NEXT1: CJNEA，#KEY2，NEXT2JMP_KEY2NEXT2: … ...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，DAC0832与741组成的D/A转换电路即可输出直流电压。

程序如下：MOVDPTR，#7FFFH；指向DAC0832口地址MOVA，#DATA；准备输出的数字量00H～0FFHMOVX@DPTR，A；输出直流电压0～10V8．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：MOVDPTR，#3FFCH ；8255 PA口地址MOVXA，@DPTR；读出PA口锁存器内容CLRACC.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=1440/30=48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 10085—1988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 ——蜗杆-蜗轮副的传动中心距，单位为mm； K ——载荷系数； ——作用在蜗轮上的转矩 ，单位N·mm； ——弹性影响系数，单位为MPa1/2； ——接触系数； ——许用接触应力，单位为Mpa。

        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        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   2）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N·m = 22.92 N·m = 22920 N·mm 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则应力循环次数 N = 60j n2Lh=60×1×30×10000=1.8×107寿命系数 KHN 许用接触应力 MPa ≈ 249 MPa蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度≤45HRC＞45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造128140表6-4 铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力 6）计算中心距  将以上各参数代入（6-9）式，求得中心距                                                                                  mm ≈ 48 mm      查表6-2，取中心距a = 50mm，已知蜗杆头数z1=1，设模数m，得蜗杆分度圆直径d1=20mm。

这时                       ，由图6-17得接触系数 因为            ，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，轴向齿距pa=πm=，轴向齿厚saπm=，分度圆直径d1=20mm，直径系数q=d1/m，分度圆导程角       =arctan（z1/q）=                    取齿顶高系数ha*=1，径向间隙系数c*，    则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m，    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，         分度圆直径为d2=mz2，        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，         蜗轮齿根圆直径df2                df2=d2-2m(ha*-x2+c*，         蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da2。

5）校核齿根弯曲疲劳强度  即检验下式是否成立：                                                                                               （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·z1=48   则蜗轮的当量齿数                          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          和当量齿数                     ，查图6-18，得齿形系数:螺旋角影响系数:    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 <       ，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。

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    ，基本牙型高度H1P=3mm，外螺纹牙高h3=H1，外螺纹中径d2=47mm，外螺纹小径d3=43mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm3）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 =；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角                       =                      ≈ 6.5°        而螺纹升角                                                                           o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:MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，@DPTR；读取PC口内容 ，TEND；测试PC4=0？若是，则说明1#已在工 作位置，程序转到TENDMOVDPTR，#2FFCH；指向8255的PA口地址MOVXA，@DPTR；读取PA口锁存器内容CLRACC.6；令PA6=0，刀架电动机正转有效SETBACC.7；令PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX@DPTR，A；刀架电动机开始正转CALLDE20MS；延时20msYT01:MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，@DPTR；读取PC口内容，YT01 ；PC4=0吗？即1#刀转到工作位置了吗？CALLDE20MS；延时20msYT11:MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，@DPTR；第二次读取PC口内容，YT11 ；PC4=0？CALLDE20MS；延时20msYT21:MOVDPTR，#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA，@DPTR；第三次读取PC口内容，YT21 ；PC4=0？MOVDPTR，#2FFCH；指向PA口MOVXA，@DPTR；读取PA口锁存器内容SETBACC.6；令PA6=1，刀架电动机正转无效SETBACC.7；令PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX@DPTR，A；刀架电动机停转CALLDE150MS；延时150msCLRACC.7；令PA7=0，刀架电动机反转有效SETBACC.6；令PA6=1，刀架电动机正转无效MOVX@DPTR，A；刀架电动机开始反转CALLDELAY；延时设定的反转锁紧时间SETBACC.6；令PA6=1，刀架电动机正转无效SETBACC.7；令PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX@DPTR，A；刀架电动机停转TEND:RET；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，要满足的脉冲当量和 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，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800N2. 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：                                                        apnZ         （6-11）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                                        mm，铣刀转速                       则由式（6-11）求得最大铣削力： Fc=118×15×15×8×300×3 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 Fc≈1609N，Fe Fc≈556N，Ffn Fc≈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：                       =            F （6-12）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       查表3-41，根据工作载荷PC，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    ，温度系数   ，接触系数  ，精度系数    ， 载荷系数     ，  代入式（3-33），得距离寿命：                                                                 ≈ 6649 km远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求  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，滚动导轨上的摩擦因数μ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           =400mm/min，初选丝杠导程     =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 ，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH，代入式（3-23），求得最大动载荷：             FQ        ≈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 ，丝杠底径 =16.2 mm，丝杠截面积 2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）   =[1779×500/（）] mm    ≈ 0.0205 mm       2）根据公式     ＝(              )-3,求得单圈滚珠数    =20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：        ＝  ×圈数×列数，得滚珠总数量      =60丝杠预紧时，取轴向预紧力           =     /3=593 N则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量                                           ≈ 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          3）将以上算出的   和   代入  ，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）       μm。

     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   =1；由丝杠底径    =16.2 mm，求得截面惯性矩                             ≈ 3380.88 mm ；压杆稳定安全系数     取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离   取最大值500mm代入式（3-28），得临界载荷    ≈ 9343N，远大于工作载荷    =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 步进电动机的计算与选型参见第四章第三节相关内容 （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 =20 mm，总长l =500mm，导程 ＝5mm，材料密度 ；移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度 ＝20mm，直径 =36 mm;大齿轮宽度 ＝20mm，直径 =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 =0.617 拖板折算到丝杠上的转动惯量 =0.517 小齿轮的转动惯量 =0.259 大齿轮的转动惯量 =4.877 。

       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，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：                     =     +      +(     +     +      )/                        =30.35  2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 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 由式（4-8）可知， 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 ；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 ；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 因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据（4-12）式可知， 相对于 和 很小，可以忽略不计则有： = + （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：                                                                                 （6-14）式中  nm ——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，                           单位为r/min；   ——步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时                           间，单位为s。

           其中：                                                                        （6-15）式中         ——空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；           α ——步进电动机步距角，预选电动机为；           δ ——脉冲当量，本例δ=脉冲将以上各值代入式（6-15），算得nm=1250r/min       设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间    ，传动链总效率η=则由式（6-14）求得：                                                                                        （N·m）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：                                                                                                                                               （6-16）则由式（6-16），得：                                                                                                                                （N·m）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： =          +        = 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    由式（4-13）可知，   包括三部分：一部分是折算到电动机转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：                                    = 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：（N·m）        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：     =     （N·m）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：                                       = 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：         = max{       ，     } = 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·m =5.688 N·m  (6-20)                                                              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·m 可见，满足（6-20）式的要求      （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          =400mm/min，脉冲当量δ=脉冲由（4-16）式求出电动机对应的运行频率                                              =[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         ≈5.6N·m，远远大于最大工作负载转矩       =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       =3000mm/min，仿照（4-16）式求出电动机对应的运行频率       =[3000/（）]Hz =10000Hz从图6-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩      =1.8 N·m，大于快速空载起动时的负载转矩       = 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         =3000mm/min对应的电动机运行频率        =10000Hz查表4-5可知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=30.35           电动机转子的转动惯量                     ，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率       =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：                                                                   =614Hz       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=，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a﹑b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（140-200 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 3758—1996《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 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 （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 洗涤状态传动路线是：电机→小带轮→大带轮→输入轴→中心轮→行星轮→行星架→波轮轴→波轮其间，电机输出转速经带轮一级减速后，又经减速比约为4的行星减速器减速，转速约为140—200转/分 对于洗衣机传动系统三种工作情况，各零部件工作状态如表6-13所示 ③内桶跟转现象的解决 洗涤时防止内桶出现跟转是设计中一个非常重要的问题。

洗涤时，波轮将传动力矩传递给水和洗涤物，而转动的水和洗涤物又将转矩传递给内桶因此，内桶如果不固定或固定不可靠， 就要随之转动，这就是跟转现象洗涤时内桶跟转现象将减弱洗涤效果并对洗衣机不利，所以要防止内桶出现跟转因为内桶和脱水轴是连成一体的，所以只要将脱水轴可靠固定，就可使内桶不跟转为此，除了刹车装置外，在脱水轴上还安装有单向滚针轴承，单向滚针轴承工作原理如图6-37所示 当波轮逆时针方向旋转时，内桶有逆时针方向跟转的倾向，这时与内桶成一体的脱水轴被单向滚针轴承卡住，不能转动，所以内桶也就不能转动但在波轮顺时针方向转动时，单向滚针轴承允转方向与之一致，所以对脱水桶没有制动作用 当波轮顺时针方向转动时，内桶有顺时针方向跟转的倾向，这时自然状态的刹车扭簧将被旋紧，紧紧抱住刹车装置外罩的轴端，相互之间产生足够的摩擦力使两者成为一整体刹车装置外罩的顺时针旋转摩擦力将刹车带拉紧，刹车带对刹车盘转动产生摩擦阻力，这样就阻止了内桶跟转刹车装置工作原理如图6-41所示 图6-41 刹车装置工作原理示意图1.刹车装置外罩 2.刹车带 3.刹车盘 4.锁紧十字轴套 5.脱水轴 6.输入轴 7.紧定螺栓 8 螺栓 综合所述，当波轮逆时针转动时，依靠单向滚针轴承来防止内桶跟转；当波轮顺时针方向转动时，依靠刹车装置来防止内桶跟转。

脱水过程中突然打开洗衣机上盖，排水电磁铁失电，方丝离合弹簧恢复到洗涤状态，由于脱水是顺时针旋转，刹车扭簧将抱紧，刹车装置起作用，刹车带将使内桶迅速制动 （1）带制动式减速离合器 带制动式减速离合器和单向轴承式离合器结构和原理大体相同,其结构如图6-42所示，减速器和制动器合二为一，即借用减速器外壳作为刹车盘洗涤输入轴5、方孔离合套29、 带轮2与带轮螺母1刚性联接带轮的扭矩由洗涤输入轴5经过行星齿轮减速器（传动比约为4），最后由行星架传给波轮轴14，作为波轮工作的动力  图6-39 带制动式减速离合器 1.带轮螺母 2.带轮 3.棘轮 4.方丝离合弹簧 5.洗涤输入轴 6.制动带 7.下端盖 8.上端盖 9.圆抱簧 10.抱簧套 11.大水封 12.挡圈 13.小水封 14.波轮轴 15.上半轴 16.制动轮17.制动轴 18.制动弹簧 19.拨叉弹簧20.调节螺栓 21.制动杆 22.内齿轮23.行星架 24.行星齿轮 25.棘爪拨叉 26.棘爪弹簧 27.棘爪 28.下半轴 29.方孔离合套 方丝离合弹簧4外部同轴安装棘轮3，方丝离合弹簧上端处于自由状态，下端插入棘轮3内壁孔中。

方丝离合弹簧内部套住方孔离合套29和下半轴28，为柔性接触，旋紧时使两者联为一体脱水时，排水阀电磁铁上电，排水阀处于排水状态，电磁铁带动制动杆21移动一个距离，刹车带6放松，制动轮16可自由转动同时，棘爪拨叉25随制动杆转过一个角度，棘爪4和棘轮3分开，方丝离合弹簧4旋紧，方孔离合套29和下半轴28两者联动带轮的扭矩由方孔离合套29、方丝离合弹簧4、下半轴28、制动轮16传给上半轴15为高速脱水提供动力 带制动式减速离合器主要有三种工作模式，如表6-14所示五、机械传动系统设计计算五、机械传动系统设计计算 波轮式全自动洗衣机的传动系统的设计计算内容较多，但大多数零部件可以选用而无需进行设计，一般设计内容主要有：方案设计、电动机选用、带传动设计、行星减速器设计等 （1）方案设计 波轮式洗衣机常用布局为输入轴布置在内桶的中心处，整个传动系统基本上同轴布置，电动机只能偏置一边，为了保持平衡，可将排水电磁阀和排水管与电动机对称布置，必要时可加平衡块根据设计任务中给出的内桶直径为400mm，则外桶直径约为470mm，电动机轴与洗涤输入轴之间中心距只能为150mm左右，在此范围内选择合适的一级降速传动比和采用带轮传动。

2）基本参数的选择 目前洗衣机的洗衣量、电机功率、内桶直径等基本参数，大多数企业是通过实验进行设计选用的表6-15是目前常用的波轮式全自动洗衣机基本参数情况，可供设计时参考 根据设计任务要求最大洗衣量为，参照表6-15选用电动机功率为180W，电动机满载时转速为1370r/min   （3）V带传动设计计算      因为V带传动允许的传动比较大，结构较紧凑，在同样的张力下，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，所以这里选用了最常用的V带作为第一级降速      参照表6-15，初步选定电动机功率P为180W，洗衣转速为180r/min，脱水转速为720r/min，则传动比为：         1）计算功率        由于载荷变动微小，因此取工作情况系数                            2）选择带型       根据小带轮转速为1370r/min， 以及小带轮安装尺寸的大概范围，选取普通V带Z型图6-40 普通V带选型图图6-43 普通V带选型图        3） 带轮的基准直径       和        初选小带轮的基准直径      ，查表6-16和表6-17，选取                 ，大于V带轮的最小基准直径         的要求50 mm。

      从动轮的基准直径     为                                          按表6-17圆整为                              表6-16 V带轮的最小基准直径注：1仅限于普通V带轮    4）验算带的速度                                                                                                 m/s         （ 6-21）   普通V带的最大带速     =25～30 m/s ，故满足要求               5）中心距    和带的基准长度                                                                                                 （6-22）                                        ＜     ＜322   根据洗衣机桶体的安装尺寸初取                      ,基准长度                                                                                                                          （6-23）                                                            mm    查表6-18选取和538mm相近的标准带的长度 为560mm，则实际中心距为                                                                             mm               （6-24） 在安装时，在结构上要保持V型带有一定的张紧力，安装中心距会略有所变化。

6）主动轮上的包角 表6-18 V带的基准长度系列及长度系数         7）带的根数        长度系数    ﹑包角系数    ﹑单根V带基本额定功率    ﹑单根V带额定功率增量       查表6-18﹑表6-19﹑表6-20a和表6-20b取                ，                                       ，            KW，                KW           取Z=1 （单位：KW） 表6-20a 单根普通V带的基本额定功率 表6-20b 单根普通V带的基本额定功率 （单位：KW）  8）带的预紧力 V带单位长度的质量 查表6-21得 ，单根V带所需的预紧力为 （6-26）表6-21 V带单位长度的质量      9）带传动作用在轴上的力                                                                                                       （6-27）   （4）带轮的结构设计带轮的结构设计可参考有关《机械设计手册》或《机械设计》教材。

   （5）行星减速器设计     已知洗衣转速为180r/min，脱水转速为720r/min由于脱水时行星减速器中心轮与内齿圈顺时针等速旋转，   故中心轮与行星架的传动比为1，波轮与内桶顺时针等速旋转，因此由洗涤状态来进行行星减速器的设计计算        1）洗涤状态传动比        洗涤输入轴与波轮的传动比为         2）初选中心轮和内齿圈齿数         洗涤时中心轮旋转，内齿圈静止，中心轮与行星架的传动比      按以下公式计算：                                                                                                                                             （6-28）          初选中心轮齿数     =19，由式6-28计算得内齿圈齿数          =57     3）计算行星轮齿数      由于洗衣机工作扭矩不大，选择齿轮模数为1，如选四个行星轮对称布置，则可计算出行星齿轮齿数  为                                                                                                    （6-29）       最终确定中心轮齿数    为19，内齿圈齿数    为57，行星齿轮齿数  为19，实际传动比      为4，洗衣转速为180r/min。

     （6）棘爪与棘轮机构设计       由于外桶尺寸已定（因内桶直径已知），在方案设计时初定位于外桶底部的出水口位置，则排水电磁阀衔铁中心与出水口中心位于同一直线上根据选定的排水电磁阀的行程和初定的棘轮顶圆直径来设计棘爪机构要求在洗涤时，棘爪要伸入棘轮棘齿高度的三分之二，脱水时棘爪脱离棘轮以上棘爪与棘轮机构的详细设计可参考相关书籍六、控制系统设计六、控制系统设计 电脑式全自动洗衣机上使用的微控制器主要是4位或8位的单片机常用的单片机型号有：Intel公司的MCS-48和MCS-51系列；NEC公司的μCOM-87和μpd7500系列；Motorola公司的MC6805系列；Zilog公司的Z8系列等 本例中控制电路的微控制器选用MCS-51系列的单片机AT89C2051该单片机是ATMEL公司8位单片机系列产品之一，内含2K字节可反复擦写的程序存储器以及128字节的RAM单元，具有15条可编程控制的I/O线，5个中断触发源，其指令与MCS-51系列完全兼容选用AT89C2051作CPU，可使洗衣机的控制电路大大简化    1．全自动洗衣机的功能要求     (1) 强、弱洗涤功能  要求强洗时正、反转驱动时间各为4秒，间  歇时间为1秒； 弱洗时正、反转驱动时间各为3秒， 间歇时间为2秒。

    (2) 四种洗衣工作程序，即标准程序、经济程序、单独程序和排水程序       1）标准程序动作顺序是：“进水→洗涤或漂洗→排水→脱水”，如此循环三次每循环一次，洗涤或漂洗时间比上一循环同一环节减少2分钟也即：第一循环内的洗涤时间定为6分钟，第二循环内的漂洗时间减为4分钟，第三循环内的漂洗时间减为2分钟排水时间采用动态时间法确定，脱水时间规定为2分钟     2）经济程序与标准程序一样，只是循环次数定为二次     3）单独程序是“进水→ 洗涤(规定为6分钟) →结束(留水不排不脱)”     4）排水程序是“排水→脱水→结束”，时间确定与上述程序相应环节相同     3) 进、排水系统故障自动诊断功能  洗衣机在进水或排水过程中，若在一定的时间范围内进水或排水未能达到预定的水位，就说明进、排水系统有故障，此故障由控制系统检测后通过相应程序发出报警信号，提醒操作者进行人工排除    (4) 脱水期间安全保护和防振动功能  脱水期间若打开机盖，洗衣机就会立即停止脱水操作；若出现衣物缠绕引起脱水桶重心偏移而不平衡，洗衣机也会自动停止脱水，以免振动过大，待人工处理后恢复工作    (5) 间歇驱动方式  脱水期间采取间歇驱动方式，以便节能。

本系统要求驱动5秒，停止2秒，间歇期间靠惯性力使脱水桶保持高速旋转    (6) 暂停功能  不管洗衣机工作在什么状态，当按下暂停键时，洗衣机必须立即停止工作，待启动键按下后，洗衣机又能按原来所选择的工作方式继续运转    (7) 声光显示功能  洗衣机各种工作方式的选择和各种工作状态均伴有声、光提示或显示2．硬件电路设计 洗衣机需要控制的工作部件主要有进水阀、排水阀和电动机进、排水阀仅有开启和关闭两种状态，电动机则有正转、反转、停止三种状态根据功能要求和AT89C2051芯片的性能特点，设计出洗衣机的电气控制电路如图6-44所示 电路中选用AT89C2051的～共4根I/O线通过4块SP1110型固态继电器，分别直接驱动洗衣机的进水阀、排水阀以及电动机的正、反转SP1110是一种交流固态继电器，内置发光二极管和光触发双向可控硅，10～50mA输入电流即可使双向可控硅完全导通，输出端通态电流为3A（平均值），浪涌电流15A（不重复）选用交流固态继电器，既简化了电路，又使强、弱电完全隔离，保证了主板的安全 图中的74LS05为六反相器，用作中间缓冲器， 其中4个通道分别驱动4个SP1110固态继电器， 另外两个通道用于驱动指示灯LED5和LED6。

 图中的74LS139为双“2-4”译码器，选用它可解决CPU 中I/O线数量不足的问题从功能要求可知，洗衣机有4种洗衣工作程序，需要用4种不同的显示来加以区别74LS139只要CPU的和两根线即可提供4种不同显示的驱动其逻辑关系是：、为“11”时LED1亮，指示标准程序；为“10”时LED2亮，指示经济程序；为“01”时LED3亮，指示单独程序；为“00”时LED4亮，指示排水程序 洗衣机的暂停功能（暂停键K6）、安全保护与防振功能（盖开关K3）均采用中断方式处理这两个中断分别对应CPU的外部中断0（脚）和外部中断1（脚）中断请求信号通过TC4013BP双D触发器的两个 端，分别加到CPU的和，并由触发器锁存，直到CPU响应结束为止开盖（安全保护）或不平衡（防振动）中断信号（都会引起盖开关K3的闭合），通过由BG1和BG2组成的反相器送至TC4013BP的CLK端，经触发器的 端加到CPU的 为了充分利用CPU的I/O口线，和采用分时复用技术，每根线具有两个功能在洗衣机未进入工作状态或洗衣机处于暂停状态期间，为输入线，用于监测启动键的状态； 当启动键按下时，洗衣机即进入工作状态或从暂停状态恢复到原来的工作状态；当洗衣机暂停导致CPU响应中断时，为输出线，待中断处理完毕时，由发信将D触发器输出的中断请求信号撤销。

在洗衣机进水或排水期间，被用作输入线，用于监测水位开关状态，为CPU提供洗衣机的水位信息；在洗衣机高速脱水期间，当发生开盖或不平衡导致CPU响应中断时，为输出线，待中断处理结束后，由发信将D触发器输出的中断请求信号撤销 CPU的用于驱动蜂鸣器发出各种报警声音CPU 的第4、第5脚外接6MHz的晶振第1脚通过10μF电解电容接到+5V电源，可实现上电自动复位，K7为强制复位键 洗衣机的强、弱洗涤可通过K1键进行循环选择K1键还具有第二功能，即当洗衣机发生故障转入报警程序后，按下K1键可以退出报警状态，回到初始待命状态洗衣工作程序可通过K2键循环选择 洗衣机的工作状态可通过LED7～LED9进行显示脱水期间，系统在响应开盖或不平衡中断后，CPU采取软件查询的方式，通过脚对盖开关进行监测，以确定洗衣机是否继续进行脱水操作 3．控制程序设计 根据全自动洗衣机的功能要求，设计控制系统的程序流程如图6-41所示 系统上电复位后，首先进行初始化，并将～全部清“0”，以关断进/排水阀与电动机，默认强洗方式和标准洗衣工作程序，然后扫描K1、K2和K4键。

使用者在操作面板上可以通过Kl键选择强/弱洗涤方式，通过K2键选择洗衣工作程序（4种）如果对K1、K2不进行选择，则系统默认为执行强洗方式或标准洗衣工作程序程序在扫描过程中，使用者按下启动键K4时，洗衣机即从待命状态进入工作状态 进入工作程序后，首先根据AT89C2051芯片RAM中57H单元的特征字，判断洗衣机的洗衣工作程序若特征字等于00H，则为排水程序 （等于01H时为单独程序， 等于02H时为经济程序，等于03H时为标准程序），这时程序直接跳转到排水操作处，执行单独的排水操作；否则，进入进水操作程序 进水操作时将置“1”，进水阀开启进水期间系统不断检测水位开关K5的状态，当检测到K5闭合时，说明进水已达预定水位，于是进入洗涤/漂洗程序若在规定的4分钟极限时间内未检测到K5闭合，说明进水系统有故障，此时洗衣机退出洗衣工作状态，程序跳转到故障处理程序段进行报警，处理方法是：将～全部清“0”，中止洗衣机的各种动作，然后以响1秒、停2秒的节奏连续蜂鸣报警，直到人工干预为止 （软件设置按下K1键后，洗衣机又回到初始待命状态） 在洗涤或漂洗过程中，电动机有正转、反转和间歇（停止）三种工作状态， 所以选用CPU的 和 P1.3 两个输出口对电动机进行控制。

其逻辑关系是：、为“00”时电动机间歇，为“01”时正转，为“10”时反转洗涤时间设定为6分钟，洗涤结束后，系统通过一条判断指令，来决定是否排水由功能要求可知，若不排水则为单独程序，这时程序直接跳到结束报警程序段，报警三声后跳回主程序，洗衣机又进入初始待命状态否则，进入排水阶段 洗衣机脱水前应先排水，排水时置“1”，排水阀开启排水进程何时结束， 依赖于水位开关的信号但水位开关K5断开时，并不能说明水已完全排完，还要延时一定时间，以免排水未结束就脱水而造成电动机超负荷运转所以设计排水程序时，要求洗衣机能够根据实际水量对排水时间进行动态控制具体做法是：CPU将排水信号发出后，立即开始计时，等到水位开关K5断开时假定计得的时间为T秒，那么再延时（T+50）秒的时间，CPU就认为排水完毕，可以进入脱水动作若从排水开始，CPU计时达到60s时仍未收到水位开关K5的断开信号，则说明排水系统有故障，洗衣机将停止排水并作蜂鸣报警，提醒用户排除故障后再继续（安全开关打开又闭合可看作是一次故障处理） 排水结束后，洗衣机接着执行脱水操作，CPU的仍然置“1”，保证排水阀开启；按5秒置“1”、2秒清“0”的规律，连续驱动电动机高速旋转2分钟，时间一到，脱水即结束。

脱水结束后，CPU通过一条判断指令来决定整个洗衣工作是否结束其原理是：洗衣机在每次洗涤或漂洗结束后，将工作程序标志57H单元中的内容减1一次，等脱水结束后，CPU即对该单元进行检测，当检测到57H单元为0时，说明整个洗衣工作结束，洗衣机报警三声后，即返回初始待命状态；当检测到57H单元内容不为0，说明洗衣工作尚未结束，再次执行进水操作，进入下一循环 以上是洗衣机工作的大概流程， 工作过程中所需的各种计时，均由定时器0来完成定时器0设置为定时方式1，让其每隔100ms，产生一次中断因此，TH0、TL0装入的时间常数分别为3CH和0B0H（对应6MHz晶振） 洗衣机在暂停中断以及开盖或不平衡中断的响应期间，定时中断被禁止 .一旦洗衣机进入工作状态 ，暂停请求信号即有效；而开盖或不平衡中断只有在洗衣机进入高速脱水时，请求信号才有效图6-45 全自动洗衣机控制系统程序流程图图6-2 C6140数控车床横向进给传动机构图6-3 C6140数控车床纵向进给传动机构图6-7 车床数控系统主机板电原理图图6-8 车床数控系统键盘与LED显示电原理图图6-13 自动回转刀架装配图图6-23 X-Y数控工作台装配图图6-32 全自动波轮式洗衣机传动机构（1）图6-33 全自动波轮洗衣机传动机构（2）图6-34 全自动波轮式洗衣机传动机构（3）图6-44 全自动洗衣机电气控制原理图。