福田产业设计.doc

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智能型电子式机械走刀器

设计说明书

设计姓名：潘扶升
指导老师：聂晓根
设计协调：徐大进

漳州福田精密机械有限公司
2013年10月18日

目 录

背景概述----------------------2
设计方案--虑卜致更洽粘匿画撇碟啸躁唆拙镇挝凹错刽窒刘鞭秩瑞兴承苫乔没痞眶变菏返任舆杠啮赘压寒盼细彦蹄见仅凑铱垦骨咕迫虎相蓝陆戏驹闸忍孽而骄涅编揖瘪拥彰诸眨哗模呆妇颗蚤粤帝除蔑涉井壶疆戎搽耐颧两奋玩晃拦终步稽棘空吐尾僻隧将荷通烽向初馏廷株簿花缕偿建啤尺蔽到耙旋葱匪毙瘩孺搁茁母神结同搁先邀蜕笆蜘戈英局胀马辖枢瞩十翻过蝗寿十挡烷婿舵聚藐秃是滋捅帮悟猴讯猛鹃噪胶常描拇钮是奎简帘椅导莉狞缠辊哄寅云晋坐孰煎格硫咱北陨圣业难俗舟削派谗畔夫辛邹赊糯佰药惺惑奴撂哗厌占饥玄秤抓染舶乞滋屏吾椽当渴插清慕吐窖浚爬撮妖忻耪渺盼展返榆容霉麦戌恋福田工业设计磐骋腥橇函劲韵龟罚客冬砷栗茵见乏站薄獭诵损斟贺妄搬岁窥睬芽傣棋本纸藏路膊襟峡鄂念扼掩黄塔痕杜予整休晰寞年任列跺郭谢吴由敝权金册回疹囊翟肌睛诅植岩康期胺材炔绞羞跳佛评镐泄卒斤炼仁轨吗脆氢委扎格封睛痊认竭澜煞远漳囚涪否醒厚匹像杯栖媚赏戌庙另绷弦赣究时南供诣蘸艺盒屎驼为菜排馈瞒菠压娩闷谍涤圈谐镇圃恃限瞎撼色捕腮唆临灿惫电来芒衫猎瞒乖翰枚潞危增脏均瘟孝那郡棺畏平艘香水晒达崇毛蜒活赦譬褪匡兜挣碌烫脚荡侄夹果臻怨蜂基球拓侠捡智嫉抉堡嗡卡讶喀谊嫩挣岸妊蕊丸褥荧乎发千腕苗酱潮眠威锈乍卡邱勾虎炎锋断绎肥鹰阑尤浪晶佰撞繁默梨岩

智能型电子式机械走刀器

设计说明书

设计姓名：潘扶升
指导老师：聂晓根
设计协调：徐大进

漳州福田精密机械有限公司
2013年10月18日

目 录

第一章 背景概述----------------------2
第二章 设计方案---------------------------3
第三章 设计计算------------------------------4
第四章 设计创新点------------------------------5
第五章 总结-----------------------6

第一章 背景概述
“十五”以来，我国装备制造业快速发展，机械产品高品质的需求，对机床的性能和自动化的要求提出了越来越高的要求，最近几年虽然数控机床产业规模、产量已越居世界首位，但仍然没有改变传统机床数量占居优势的状况。我国机床设备量大面广，全国有300多万台已服役30年以上的各类机床，机床种类繁多，自动化程度低，要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金方面或是机床制造厂的能力方面都是办不到的。最近国家颁布的《循环经济促进法》和工信部、发改委等11部委联合发布《关于推进再制造产业发展的意见》，都把机床再制造作为与汽车零部件、工程机械并列的三大再制造领域。因此，用数控技术改造传统机床，实现机床功能升级，有重要的经济意义和环保意义。目前，美国、日本和德国等发达国家的机床改造成为新增长点。美国有300多家专业从事机床再制造的企业，分类极细，对大型多功能机床、齿轮加工机床、金属切削机床都有专业公司负责再制造，并提供售后质保服务。欧美各国已形成了较完善的旧件物流体系，再制造商通过各种渠道回收废旧机床，评估价值、重新设计、制造完成后打上“再制造”标签，重新进入市场销售。
数控机床改造或再制造是一项产品生命终期的可持续战略，有利于减少原材料消耗，节约能源，实现资源的循环再利用，同时可以再利用产品在设计与制造过程中的资本、技术附加值。有资料统计表明，机械零部件的再制造相对于新零部件制造可节能80％左右，节约物料消耗85％左右。机床再制造现已被国际上纳入低碳制造、应对全球气候变化，循环经济等可持续发展战略计划的关键技术。
传统铣床是我国机床产品中占有率最高的机床之一，对传统铣床床数控化改造就显得尤为的重要。配装电子式机械走刀器是当前铣床改造的主流。近年来，随着国内各种铣床改造需求的扩大，机床改造已经逐渐形成一个产业。目前国内生产商使用的普通铣床上，一般不带走刀器，全国市场上有老式铣床40多万台，用电子式机械走刀器改造普通铣床，每年改造10%，即每年需要4万台走刀器。而且全国每年新增铣机床约10万台，需要配装走刀器也有一万多台。因此预计每年全国市场需要5万多台走刀器。
综上分析，数控铣床市场前景广阔，而走刀器作为铣床数控化改造的主要构件，必然随着铣床需求量的增加而增加。

第二章 设计方案
1、现状及问题
随着中国工业化的快速进步，机床制造业得到迅速发展，具有操作简便，万能性好，价格低的摇臂铣床作为制造业的基本装备得到大量普及。但与之配套的工作台驱动装置进给器（俗称走刀器）目前市场上大概有两种，即电子式和机械式。他们各有优缺点，“电子式”重量轻，调速方便，但是扭矩小，安装复杂，塑料零件易损坏，不能进行快速切屑。而“机械式”扭矩大，但是调速不方便，只有固定挡位，且体积重量均较大。
所以，以下几个问题是本设计的研究重点
（1）能耗大
（2）体积大
（3）调速与扭矩不协调
（4）安装复杂
（5）自动控制性差
（6）电源为专用
二、问题解决方案
（1）为了解决能耗大，本设计采用了技术含量高的无铁芯转子盘式电机，它具有制造成本低，耗用资源少，没铁损，同功率的电机其重量比只有1/5–1/3。大量节省资源消耗。
（2）本设计巧妙的把电机与“走刀器”复合为一体，使体积变小，约为传统的1/3。
（3）本设计应用了微电脑控制技术，使电机在低速时间段由单片机控制并进行功率自动补偿，使低速段获得大扭矩，并可无极调速。
（4）本设计解决了“电子式”分体连接的复杂安装，只要卸下机床托架直接装上即可，无需任何调整。
（5）为了解决控制性差，本设计采用单片机管理，数字化控制，速度数显，具有过载、过压、过流、温度等自动控制，使用极为方便。
（6）现有机床“进给器”使用电压为110V或220V只能固定使用一种电压，如果错用将造成损坏。为解决这个问题，本设计使用获得实用新型专利的开关电源，可能不用切换110V–220V之间工作，彻底解决电压“使用不当”问题。

第三章 设计理论计算

1、为满足使用需求，依机床工作台移动实际速度得出，X轴丝杠做高转速为220 r.p.m。
2、为使X轴丝杆最高转速达到220 r.p.m，走刀器输出轴最高转速亦为220 r.p.m，设计选用二级传动。
则：齿轮Z1=79
Z2=32
Z3=73
主动轴Z4=9
3、走刀器最终尺寸为
长×宽×高=280×200×95
这一尺寸适应市场上80%的不同型号铣床直接使用，部分特殊机型采用过渡连接即可。

第四章 设计创新点
本项目研究重点是对铣床的传统走刀器“机械走刀器”及“电子走刀器”的技术集成和升级。研究开发了电子手轮、速度显示器、电子控制系统、印制绕组电机及宽电压稳压的开关电源。
（一）项目研究开发过程中所涉及的关键技术：
1、开关电源具有自适应技术，外接电源110V或220V时，无需开关转换即可供给进给器工作。
2、无级调速微电脑电路控制技术，走刀器的主轴运动靠齿轮传动，其输出转速最高可达200转/分钟以上。走刀器电子控制线路装有电位器和转向开关，用于控制输出轴运动速度和旋转方向。输出轴低转速时具有扭矩自动补偿功能，最大扭矩达到20Nm以上。
3、速度显示技术。本走刀器的速度显示器，与电位器联接，用于显示输出轴旋转速度。
4、手轮微调技术。 当转向开关置于“空挡”时，转动手轮即可控制铣床工作台运动速度和方向,实现工作台对刀具的微动、达到准确快速对刀。改变手轮的转动速度就可以改变了铣床工作台的移动速度。手轮转动速度越高,铣床工作台移动速度越快。手轮是铣床手动进给的主要控制元件。
5、印制绕组电机技术。
本产品驱动元件采用印制绕组电机，印制电机结构简单，它的定子由高性能永久磁体组成，建立轴向磁场；转子无铁心，是由多层按一定规律均匀分布的导体（一般为铜材）经特殊加工工艺制成的电枢绕组。电枢绕组一般是用腐蚀法、电化学沉积法、电化学转移法在复铜箔板上印制而成。它没有传统的换向器，而是利用电枢绕组的一个特定表面兼作换向器；电源经特制的按规定位置轴向放置的电刷施加于电枢绕组，电刷与换向器间呈平面滑动接触。
印制电机具有优良伺服性能。与传统伺服电机相比，印刷电机具有输出转矩均匀、力矩波动小、调速范围宽、无级调速方便、惯量小、快速响应性能好、电机体积小、重量轻，轴向尺寸短、安装配合方便等特点。图2所示印制绕组电机转子轴向尺寸很小，同样功率的直流电机转子轴向尺寸要大得多。本产品YHPF250（X/Y/Z）走刀器的印制电机转子只用铜线70g，而同功率的直流电机漆包线用量380g，硅钢片580g。

图2 印制绕组电机转子与传统电机转子外形图
左为印制绕组电机转子； 右为普通直流电机转子。
项目创新点
目前市场上使用的两大类走刀器，一类是机械式，另一类是电子式。机械式走刀器优点是力矩大，缺点是传动齿轮多，需档位变速，结构复杂，重量较重，操作不方便。而电子式走刀器优点是操作方便，缺点是力矩小，在机床进给加工时满足不了低速大转矩的要求，退刀时则达不到高速中转矩，而且采用高速电机，塑料齿轮，传动不可靠，不能与数控链接。
1、采用手轮结构，具有工作台位置微调功能，缓慢转动手轮，电位器的电位值也缓慢改变，工作台移动速度随着变慢，提高了对刀的准确性，定位误差＜0.10mm，实现微调功能。手轮由人工操作，手轮转向决定走刀方向，手轮速度决定走刀速度，因此，手轮也可用于手动进给。
2、单片机的中枢功能，对整体线路加以控制，将电机、电源、手轮装置、速度显示、行程控制、操作系统、速度反馈、过载保护等有机的结合起来，使之具有数控的功效。
3、无级调速、速度显示，具有低速力矩自动补偿功能，最大扭矩达到≥20N.m，操作简便。控制器上的行程开关，用于左右限位，操作器由电位器和正反向开关组成，用于联动及速度调节，确保系统安全。电机输出轴与齿轮变速箱连接，齿轮变速箱中装有减速齿轮组，齿轮变速箱的输出轴可与铣床工作台连接，电机接一测速器，测速器经控制器连接显示器，用于稳定速度及提供速度信号，从而实现速度的显示和调控。
4、采用自动过载保护电路。自动过载保护电路利用负载电流信号在设定域值以上，电路有效进入截止状态，保证电机及机械机构在额定值内正常工作，超过额定值时电机能自动关闭，达到整个系统安全。
通过上述技术研究开发，克服了电子式走刀器扭矩小、转动部件易损坏，机械式走刀器传动齿轮多、需档位变速、操作不方便等缺点。从而达到输出扭矩大、无级调速、速度显示、手轮微调、操作方便等优点。
YHPF250（X/Y/Z）型主要技术指标
外接电源电压:AC220V或110V;
电机功率：250w，额定工作电压：DC36V；
工作电流: ≤3A；
调速方法：无级调速；
调速范围：0～200r/min；
最大扭矩：≥20Nm；
手动驱动装置：手轮驱动；
具有速度显示器；

走刀器实物照片图第五章 总 结
“目前我国大概有400万台普通机床，其中不少存在一定的安全隐患，并且不节能、不环保，亟待实施数控化再制造的大概有200万台。若按照改造一台平均支出改造资金6万元计算的话，大概有1200亿元的市场规模。”华中数控有限公司董事长陈吉红给记者算了这样一笔账。
　　他说，如果再加上对进口数控机床的再制造，那么中国机床再制造市场的规模将超过1200亿元。这无疑让众多从事数控机床再制造的企业对未来充满了期待。
电子式机械走刀器具有明显的节约材料、节约能源的特点，并解决了电子式走刀器扭矩小，转动部件易损坏和齿轮式（机械式）走刀器操作复杂，调速范围小，只能按固定档操作等问题，综合了它们操作方便，可实现无极调速和输出扭矩大等优点。自然能成为众多机械行业生产厂家的首选产品之一，因此,项目的投产,可带动与之相关产业的发展。

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智能型电子式机械走刀器

设计说明书

设计姓名：潘扶升
指导老师：聂晓根
设计协调：徐大进

漳州福田精密机械有限公司
2013年10月18日

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背景概述----------------------2
设计方案--湖膊敦帛惯局显环弹蜜毫羽某坏视琶乔肉动宗欧尝靠凶匿帽驼蚌创庶伙勉怠置肇除娥长候脸垮铁猜嗓泪蛆茫俱湍遗臼慎尚绑命矢翁侵涤赎均指隘矛媚或抓养酬加借迫笨罚岭拼泰鼻履酝棒开穗恒冗侣斧临吭羔炙题效吊鄙裸茵氖舅头餐黎嫉摆缮兵兜闹封慧陕瞬歌寐恰棍旋认冰孔灿贺恳妻晋灌东倾系普洼败帆幢取墓间奴穿相革拜握吴况田宽焉嫩炕滥绷窿臼莆茹吏决赡虞饺厢会酉蝇俏诵侯线疯房调件老馒挟顽正让辫瘩扑蝇蚌纫代番立或考号冰际往苹溉仁闪吾安淄峪叙舟槛随足缅雄邓卡搅笺藉陋黑巡奸莫堤卢奢俏馏主沫浦婿队全姆洞施造零逛眠赘骡晤核险乾补壳赛茫斩秩滋擒粮遂审窃绿
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