机电一体化系统设计第7章

1 机电一体化系统设计 第七章机电一体化系统机电有机结合的分析与设计 7 1传统机械加工机床机电一体化改造分析7 2微机控制系统的设计分析 2 机电一体化系统设计 7 1传统机械加工机床机电一体化改造分析 7 1 1机械传动系统改造设计方案分析 一 车床机械传动系统改造设计方案分析 3 机电一体化系统设计 C620 1车床改造方案 改造方案 将原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机 图中A和B 4 机电一体化系统设计 CA6140车床的改造方案 改造方案 将原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机 A和B 若原刀架换为自动转位刀架 则可以由微机控制自动转换刀具 否则仍由手动转动刀架 如需加工螺纹 则要在主轴外端或其他适当位置安装一个脉冲发生器C检测主轴转位 5 机电一体化系统设计 特点 改造简单 成本低 当数控系统出现故障时 仍可使用原驱动系统进行手动加工 但为了保证加工精度 还需根据实际情况进行检修 原机床运动部件安装质量的好坏 直接影响阻力和阻转矩的大小 应尽量减小阻力 转矩 对丝杠要提高其直线度 为减小导轨副的摩擦阻力 可换成滚动导轨副或采用镶塑导轨 根据阻力 转矩 切削用量及机床型号的步同 通过计算 选用与之相匹配的步进电机 6 机电一体化系统设计 二 铣床机械传动系统改造设计方案分析 X52K立式铣床传动系统改造方案分析 7 机电一体化系统设计 改造方案 为实现零件的自动铣削加工 可将工作台升降 工作台x y轴进给运动 或将主轴升降和工作台的x y轴的进给运动 或仅将工做台的x y轴进给运动改为微机控制实现三轴或二轴的开环同步控制或非同步控制 方案一 工作台较重 升降所需步进电机转矩大 功率损失大 改造成本高 方案二 较容易实现 成本较低 多被采用 方案三 二轴控制 不能自动铣削三维曲面零件 改造意义不大 8 机电一体化系统设计 改动后传动系统原理图 9 机电一体化系统设计 方案二改动原理 保留原机床主轴传动系统 保留机床工作台x y轴进给系统 脱开离合器6 7 去掉手轮 将滑动丝杠副换为滚珠丝杠副 改装减速齿轮箱 减速齿轮 步进电机 主轴垂直升降进给运动 拆去原手动锥齿轮副及丝杠副 更换滚珠丝杠副或采用滑动丝杠副 并将丝杠上的锥齿轮改为圆柱齿轮 安装一个采用偏心轴支撑的中间轮 设计并安装减速箱 将电动机15安装在减速箱偏心套上 10 机电一体化系统设计 XA6132升降工作台卧式铣床传动系统改造方案 11 机电一体化系统设计 改造目的 加工不同品种的凸轮轴 轮廓外形包含直线 圆弧 渐开线 要求尺寸公差0 1mm 表面粗糙度Ra1 6 改造方案 三坐标连动方案 x z坐标快进速度不低于2 4m min 水平拖动力按15kN计算 要求电动机功率P Fv 15 2 4 60 kw 0 6kw步进电机 达不到此功率要求 必须降低快速性要求 而会引起自激振荡 对加工极为不利 直流或交流伺服电机的全闭环控制方案 结构复杂 技术难度大 成本高 直流或交流伺服电机的半闭环控制 性能介于开环和闭环控制之间 调速范围宽 过载能力强 采用反馈控制 性能优于步进电机开环控制 确定采用直流伺服电机驱动半闭环控制 12 机电一体化系统设计 7 1 2机械传动系统的简化 以车床为例 如果原机床不再考虑手动系统的使用问题 机械系统将得到简化 挂轮架系统 全部拆除 进给齿轮箱 箱体内零件全部拆除 原丝杠端加一个轴承套溜板齿轮箱 拆去箱体部分光杠 操作杠 增加滚珠丝杠支撑架和螺母座 横向拖板 安装步进电机 通过减速齿轮 连轴器将电动机轴与横向滚珠丝杠连接起来 刀架体 采用自动转位刀架或根据需要加装纵 横向微调装置 13 机电一体化系统设计 自动转位刀架 螺旋升降转位刀架 槽轮转位刀架 四工位自动转位刀架 14 机电一体化系统设计 7 1 3机床机电一体化改造性能及精度选择 机床的性能指标应在改造前根据实际需要作出选择 主要包括 主轴变速方法 级数 转速范围 功率以及是否需要数控制动停车等 进给运动进给速度 z向 8 400mm min x向 2 100mm min 快速移动 z向 1 2 4m min x向 1 2 5m min 脉冲当量 在0 005 0 01mm内选取 通常z向为x向的2倍加工螺距范围 一般螺距在10mm以内 刀架 刀具补偿 间隙补偿 显示 诊断功能 15 机电一体化系统设计 7 1 4机床进给系统机电有机结合的匹配选择计算 设某车床 其纵向 z 进给丝杠改用滚珠丝杠 基本导程Ph 6mm 纵向溜板箱及横向工作台与刀架等可移动部件的总质量为400kg 脉冲当量为0 01mm 脉冲 工进速度60mm min 快进速度2m min 步进电机的步距角为0 75 step一 纵向进给运动的负载分析 设计时 可根据主轴电动机的功率来计算能承受的最大主切削力 但往往与实际需要不匹配 16 机电一体化系统设计 1 切削负载切削用量范围 v 1 75m s ap 5mm f 0 3mm r主切削力 Fz 3000N 垂直向 Fx 0 6Fz 1800N 纵向 Fy 0 5Fz 1500N 横向 一般车外圆时 Fx 0 1 0 6 Fz Fy 0 15 0 7 Fz 17 机电一体化系统设计 2 摩擦阻力 当溜板箱导轨为滑动摩擦时 取摩擦系数 0 1 因主切削力压向导轨 摩擦阻力F摩 400 10 3000 0 1N 700N g 10m s2 3 等效转动惯量计算减速比 取 z1 20 z2 25 m 1 5mm 模数 b 20mm 2cm 齿宽 20 df1 mz1 30mm df2 mz2 37 5mm de1 df1 2h 33mm de2 df2 2h 40 5mm齿轮转动惯量 Jz1 7 8de14b 10 4 7 8 3 34 2 10 4kg cm2 0 185kg cm2 1 85 10 5kg m2Jz2 7 8de24b 10 4 7 8 4 054 2 10 4kg cm2 4 2 10 5kg m2选用型号为CMFZD40 6 3 5 C3 1200的丝杠 长度1 2m 直径d0 40mm 丝杠的转动惯量近似为 18 机电一体化系统设计 JA 7 8 44 120 10 4kg cm2 23 96kg cm2 2 4 10 3kg m2预选电动机为110BF003 其电机转子转动惯量4 6 10 4kg m2这里选用快速进给速度v 2m min nk nm 416 67r min mi 400kg 全部直线运动部件的总质量 nz1 nm nz2 nz1 i 333 34r min 因此 19 机电一体化系统设计 4 丝杠摩擦阻力矩计算 由于轴向载荷和一定的预紧措施 会产生摩擦阻力矩 但由于滚珠丝杠的传动效率高 摩擦阻力矩相对于其它负载力矩小的多 一般不考虑 5 等效负载转矩 6 启动惯性阻力矩的计算 以最不利于启动的快进速度进行计算 设启动加速 或制动减速 的时间为 t 0 3s 电动机转速 m 2 nm 60 2 416 67 60 s 1 43 63s 1 取等加速度曲线 角加速度为 则 20 机电一体化系统设计 7 步进电机输出轴上总负载转矩的计算二 步进电机的匹配选择上述均未考虑机械系统传动效率 选择传动效率 0 7选取安全系数K 1 5 总负载转矩为电动机的启动转矩查表可计算得Tq 6 82N m 故选用合适 21 机电一体化系统设计 三 滚珠丝杠的校核 1 承载能力的校核 2 压杆稳定性验算 3 刚度的验算 22 机电一体化系统设计 7 2微机控制系统的设计分析 系统应具有的功能和特点 控制机床刀具 工作台纵 横向和主轴z向的速度和位移可控制加工端面 内外圆以及由任意锥面 球面 逼近的任意曲面 控制走刀速度 并可随时换档具有程序暂停功能I O端口可发出和接收各种信号 作为限位 刀架回转等控制及反馈信号 程序固化在EPROM中具有点动和单步控制功能具有一定的自诊断能力 23 机电一体化系统设计 7 2 1选择Z80CPU的控制系统设计 利用标准单板机作为控制器 控制车床的纵 横轴及自动转位刀架 一 主要技术特征和硬件配置 1 中央处理机 Z80CPU 晶振频率3 996MHz 不分频时 系统时钟4MHz 2 存储器 共7个24脚插座 作为车床改造的控制系统选用3片2K 8位的2716EPRON和2片2K 8位6116RAM 3片2716EPROM 一片固化监控程序 一片存放各功能模块 一片存放常用零件的加工程序 2片6116RAM 作为调试程序存放和运行程序的中间数据存放 优点 更换零件加工程序时 只需更换一块芯片 24 机电一体化系统设计 3 I O 有两个8位可编程I O口 全供用户使用 A口作为x z轴进给系统步进脉冲输出口 B口为位控方式 4 计数器 定时器 Z80 CTC计数器 定时器芯片一片 4个通道 其中0 和3 在应用程序中使用 5 显示器 6位LED 6 键盘 31个键 16个数字键 14个命令键和一个复位键 另有S 100总线插孔一组 二 存储器空间分配可寻址范围64KB 板上提供的插座占16KB 已插入的芯片占10KB 其余备扩展 0000H 07FFH2KBEPROM放监控程序0800H 0FFFH2KBEPROM放功能子程序1000H 17FFH2KBEPROM放零件加工程序2000H 27FFH2KBRAM调试程序等2800H 2FFFH2KBRAM调试程序等 25 机电一体化系统设计 三 I O地址分配 80 2FH共32个口地址60H 83HZ80 PIO84H 87HZ80CTC88H 8BH字型锁存8CH 8FH自位锁存90H 93H读键值94H 9FH用户扩展用四 单板机部分相关电气工作原理设计三个D中断触发器组成DMA直接数据交换控制器 直接与非屏蔽中断请求信号端相接 通常系统的地址和数据总线以及一些信号线都是由CPU管理的 26 机电一体化系统设计 五 驱动电路设计 为提高抗干扰能力 驱动电路与I O口之间用光电隔离器连接 x z轴步进电机的相控信号输入端均接入一驱动器以提供驱动能力 27 机电一体化系统设计 六 其它辅助电路为防止行程越界 在机床上装有行程控制开关 为防止意外 装有急停按纽 为避免电气干扰 在电路和接口之间实行光电隔离 还设有报警电路 七 控制系统软件设计 1 加工程序的总格式 28 机电一体化系统设计 2 主程序 29 机电一体化系统设计 3 直线和斜线加工程序设计 数字键与加工方向之间的关系 直线加工程序流程 30 机电一体化系统设计 斜线加工程序流程及格式 31 机电一体化系统设计 4 软件环分配ORG H00H地址指针重新赋值标志状态代码起始地址01H03H02H06H04H05H00H地址指针重新赋值标志 32 机电一体化系统设计 5 升降速及变速控制改变状态代码之间的时间间隔 即可实现电动机的升降速及变速控制 三角形与梯形速度曲线 fq 起跳频率 fn 定常运行频率 33 机电一体化系统设计 6 起始频率f0 0时的情况分析 慢加速时 速度曲线 直线斜率 电动机的回转角度 其中 为步距角 34 机电一体化系统设计 当m 0 t 0时 故 当m 1时 求得 通式可写成 脉冲间隔 定常速度以前的时间 则 故 35 机电一体化系统设计 7 起始脉冲频率f0 fq时的情况分析 快速时 升速断所需脉冲 可得 设计算点数为i 每点按同一频率运行M步 36 机电一体化系统设计 计算举例 设fn 5000Hz fq 750Hz tn 0 5s Q 10求 升速所需要的脉冲数N以及相应的脉冲时刻 M步的时间间隔 时间常数以及相应的脉冲频率 37 机电一体化系统设计 7 2 2选择8031单片机的控