第八章传统机械加工设备的机电一体化改造与设计讲述案例

1 第八章传统机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 第一节传统机械加工机床机电一体化改造分析第二节微机控制系统的设计分析 习题与思考题 2 第一节机床的机电一体化改造分析 在机械加工工业中 如果绝大多数传统机床 改用微机控制 实现机电一体化改造 将会适应多品种 小批量 复杂零件加工的需求 不但提高加工精度和生产率 而且会降低生产成本 缩短生产周期 更加适合我国国情 利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种 一种是以微机为中心设计控制系统 另一种是采用标准的步进电动机数字控制系统作为主要控制装置 前者需要重新设计控制系统 比较复杂 后者选用国内标准化的微机数控系统 比较简单 这种标准的微机数控系统通常采用单扳机 单片机 驱动电源 步进电动机及专用控制程序组成的开环控制 如下图所示 其结构简单 价格低廉 对机床的控制过程大多是由单片机或单扳机 按照输入的加工程序进行插补运算 由软件或硬件实现脉冲分配 输出一系列脉冲 经功率放大 驱动纵横轴运动的步进电动机来实现的 3 4 1 车床机械传动系统的改造设计方案析 右图a b为C620 l机床外形与改造方案 下图为CA6140机床改造方案 这些改造方案均比较简单 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 改装时 只要将原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电动机 如图中A和B 即可 对CA6140车床 如下图 的纵向 z向 进给运动 可将对开开合螺母合上 离合器M5脱开 以使主运动与进给运动脱开 此时 将脱开蜗杆等横向自动进给机构调整至空挡 脱开 位置 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 一 机械传动系统的改造设计方案分析 5 6 7 1 10 电动机 2 4 8 11 丝杠副 3 锥齿轮副 5 受柄 6 7 9 离合器 8 12 丝杠副 13 椭轮 14 偏心套 15 电动机 16 17 步进电机 9 10 11 12 但是采用半闭环控制 调试比开环控制步进电动机要困难些 设计上要有其自身的特点 另外反馈环节外的传动零件将会直接影响机床精度和加工精度 因此在设计中也必须给予足够重视 在直流和交流伺服电动机之间进行比较时 交流调速逐渐扩大了其使用范围 似乎有取代直流伺服电动机的趋势 但交流伺服的控制结构较复杂 技术难度高 而且价格高 此外 相比于直流伺服的大惯量电动机 交流伺服电动机自身惯量小 调试时困难大一些 维修时元件来源也较困难 直流伺服电动机的控制系统技术较成熟 普及较广 通过上述比较分析 确定采用直流伺服电动机驱动半闭环控制为宜 x y z轴采用其中二轴作插补联动 第三轴作单独的周期进刀 故称2 5轴联动加工 其传动方案如下图a所示 下图b为结构改装装配原理图 13 二 机械传动系统的简化以车床C620 1为例 如果原机床不再考虑原手动传动系统的使用问题 其机械系统将得到大大简化 图8 2b所示车床改装时需要改动的部分为 挂轮架系统 全部拆除 进给齿轮箱 箱体内零件全部拆去 原丝杠端加一个轴承套 溜板齿轮箱 拆去箱体部分光杠 操作杆 增加滚珠丝杠支承架和螺母座 横向拖板 安装步进电动机 并通过减速齿轮 联轴器将电动机轴与横向滚珠丝杠连接起来 改造后 主传动系统与进给系统互相独立 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 供调整刀具用 改造后 车床的主运动 驱动主轴电动机 V型带传动 主轴变速齿轮传动 主轴 进给运动 步进电动机 减速齿轮传动 丝杠传动 溜板 刀架 改造后的车床传动系统如图C620 1C车床的改造方案b所示 14 自动转位刀架具有重复定位精度高 刚性好 寿命长等特点 按其工作原理可分为螺旋升降转位刀架 槽轮转位刀架 棘轮棘爪转位刀架及电磁转位刀架等 下图a为螺旋升降转位刀架原理图 电动机l经弹簧安全离合器2 蜗轮蜗杆副3带动螺母6旋转 并将刀架5推起使端齿盘7的上 下盘分离 随即带动刀架旋转到位 然后 由内装信号盘4发出到位信号 让电动机反转锁紧 图b为槽轮转位刀架原理图 它是利用十字槽轮原理进行转位和锁紧定位的 销钉盘2每转一周 带动槽轮转过一个槽 使其刀架4转过360 K K为刀架工位数 转位刀架原理图 15 右图为四工位自动转位刀架结构原理图 这种刀架适用于多种车床 其转位 定位锁紧过程如下 转换刀位时 微机发出信号 电动机1旋转 经蜗轮蜗杆副3 键2使螺杆4转动 迫使刀架体5与其相联的双头螺母6轴向上移动 使端齿盘11的上 下齿盘脱开 与螺杆4一起旋转的拨套9拨动拨块10 从而强制带动刀架体转位 实现90 180 360 转位 换刀 换刀到位时 行程挡块触发微动开关8 使电动机反转带动螺杆4反转 螺母6带刀架体5轴向下移 至使上 下端齿盘重新啮合 定位 达到预定锁紧力后 电动机停止转动 完成换刀过程 16 三 机床机电一体化改造的性能及精度选择 机床的性能指标应在改造前根据实际需要作出选择 以车床为例 其能加工工件的最大回转直径及最大长度 主轴电动机功率等一般都不改变 加工工件的平面度 直线度 圆柱度及粗糙度等基本上仍取决于机床本身原来的水平 但有一些性能和精度的选择是要在改装前确定 主要包括 1 主轴主轴变速方法 级数 转速范围 功率以及是否需要数控制动停车等 2 进给运动进给速度 Z向 通常为8 400mm min X向 通常为2 100mm min 快速移动 Z向 通常为1 2 4m min X向 通常为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 包括能加工何种螺纹 公制 英制 模数 径节和锥螺纹等 一般螺距在10mm以内 通常进给运动都改装成滚珠丝杠副传动 3 刀架是否需要配置自动转位刀架 若配置自动转位刀架时需要确定工位数 通常有4 6 8个工位 刀架的重复定位精度通常为5角秒以内 17 4 其他性能指标的选择刀具补偿 指刀具磨损后要使刀具微量调整的运动量 间隙补偿 在传动链中 影响运动部件移动的齿轮或其他构件造成的间隙 常用消除间隙机构来消除 也可以用控制微机发脉冲来补偿掉 从而提高加工精度 显示 采用单板机时其显示用数码管显示的位数较少 如不能满足要求 必要时可以采用显示荧光屏 这样可以清楚地把许多条控制机床工作的数控程序都完整地显示出来 甚至可以把加工过程工件及刀具的运动图形显示出来 诊断功能 为防止操作者输入的程序有错和随之出现误动作 指示出机床某部分有故障或某项功能失灵 都可在改装时加入必要的器件和软件 使数控机床具有某些诊断功能 以上是车床改装时考虑的一些共性问题 有时改装者根据需要还提出一些专门要求 例如 有的要求能车削大螺距的螺纹 有的要求控制机与电气箱能防灰尘 在恶劣环境下工作 有的要求车刀能高精度且方便地对刀等 18 四 机床进给系统机电有机结合匹配选择计算 19 刀具角度及切削力方向 20 21 22 23 24 25 26 第二节微机控制系统设计分析 从机床的开环控制系统框图可看出 系统应具有以下功能 或部分功能 及特点 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 一般分0 1 2 9 A B F等16挡 并可随时进行换挡 加工程序中可给出一定的延时 在加工中执行延时程序时 车床刀架在预定时间内停止运动 具有程序暂停功能 当执行到暂停程序时 刀架停止运动 再按下启动键 可继续执行程序 微机I O端口可发出和接受各种信号 作为限位 刀架 车床 回转 电动机正 反转等的控制及反馈信号 它与程序的自动循环功能相结合 可实现加工的全自动化 程序固化在EPROM中 使用时只要将所需程序调至内存即可 并可较方便地修改加工程序 具有点动和单步控制功能 以便调试 校对原点及修正加工尺寸 具有一定的自诊断功能 以便调试 校对原点及修正加工尺寸 具有一定的自诊断功能 27 28 3 I O口 Z80PIO并行接口芯片 有二个8位可编程I O口 全供用户使用 这里将A口做为X Z轴进给系统步进脉冲的输出口 其中PA0 PA2为X向的输出口 PA3 PA5为Z向输出口 B口为位控方式 其中PB0 PB3为 x x z z的行程越位信号输入 PB5为急停信号输入 PB6 PB7为系统工作正常 报警信号输出 4 计数器 定时器 它有Z80 CTC计数器 定时器芯片一片 它的4个通道中0 和3 通道在应用程序中使用 其余由监控程序使用 5 显示器由6位LED构成 6 具有31个键的键盘 包括16个数字键 14个命令键及一个复位键 足够控制使用 另外还有S 100总线插孔一组 2 存储器空间分配 29 30 31 5 驱动电路设计下图为步进电动机驱动电路原理之一 为提高系统的抗干扰能力 在驱动电路 功率放大 与I O口之间用光电隔离器连接 图中 由于x z轴步进电动机的U V W相控制信号输入端均接入一驱动器 跟随器 以提高驱动能力 当I O口输出为高电平时 经驱动器后仍为高电平 此时发光二极管不发光 使光电隔离器中的光敏三极管截止 则VT1 VT2均截止 VT3 VT4基加压导通 相绕组通电 反之 相绕组不通电 32 6 其他辅助电路为了防止机床行程越界 所以在机床上装有行程控制开关 为了防止意外 装有急停按钮 因为这些开关都安装在机床上 距控制箱较远 容易产生电气干扰 为了避免这种情况发生 在电路和接口之间实行光电隔离 为了报警 还设有报警电路 当绿色的发光二极管亮时表示工作正常 当红色发光二极管亮时 表示溜板箱已到极限位置 7 控制系统软件设计为了让车床自动加工零件 必须先将人的意图 用机器所能接受的语言 编制加工程序 程序格式不同 其设计方法也不同 下面以某厂生产的微机数控装置为例 对控制系统的程序设计做一简要说明 1 加工程序的总格式 该系统在进行某段工序加工时 需将加工量以十进制的mm数送入 然后送入加工速度字 方向字等 因此 在车床进行加工之前 必须根据零件图纸给出每道工序的刀具运动方向和位移长度 根据零件材料和车床的特性以及工艺要求 给出车床的切削速度 该加工程序以四个字节至八个字节为一段程序 先以一段为开头 中间为加工程序段 最后为结尾 参看教材图8 12 2 主程序 根据上面规定的加工格式 画出控制系统的主程序流程图 参看教材图 33 二 单片机控制系统设计 以工作台为例 X Y工作台的工作原理比较简单 X Y向均采用步进电动机并通过齿轮减速器和丝杠传动副带动工作台沿X和Y向运动 与车床X轴 Z轴和铣床的X轴 Y轴与Z轴的传动原理相同 如对工作台的控制要求先作如下规定 步进电动机选用四相八拍 其脉冲当量为0 01mm step 能用键盘输入命令 控制工作台的X向 Y向运动及实现其他功能 其运动范围均为0 200mm 能实时显示工作台的当前运动位置 具有越程指示报警及停止功能 采用硬件进行环形分配 字符发生及键盘扫描均由软件实现 单片机控制系统的硬件构成 现选用803l单片机芯片作为主芯片 它有P0 P1 P2 P3四个8位口 P0口可以驱动8个TTL门电路 16根地址总线由它经地址锁存器 74LS373 提供低8位A0 A7 而高8位A8 A15由P2口直接提供 数据总线由P0口直接提供 控制总线由P3口的第二功能状态和4根独立的控制线RESET EA ALE PSEN组成 仅剩P1口可供控制外设 因此 不能满足上述控制要求 又由于8031芯片无ROM 且只有128字节的RAM也是不够用的 故也需要进行扩展 现采用8155和2764 6264芯片作为I O口和存储器扩展芯片 显示器采用LED数码显示 从控制要求来看 需要5位数码显示 其中整数部分3位 小数部分2位 其他辅助电路有复位电路 时钟电路 越位报警指示电路 延时可利用8155的定时器 计数器的引脚TMRIN和TMROUT 综上所述绘制单片机 8031 控制系统工作原理图如下图所示 34 单片机控制系统工作原理 35 图中 单片机时钟利用内部振荡电路 在XTAL1 XTAL2引脚上外接定时元件 晶振可以在1 2 12MHz间任选 电容在5 30pF之间 对时钟有微调作用 越位超程报警 指示电路 采用4个限位开关 一旦越位 应立即停止工作台移动 这里采用中断方式 利用8031的外部中断 只要有一个开关闭合 即工作台的X向或Y向有一项越位 便能产生中断信号 为了报警 设置了两个发光二极管灯 一个红灯用于越位报警 另一个为绿灯 工作正常时亮 两灯均由803l的P1 6控制 为了整体控制需要 应将8155的输出端TMROUT与803l的T0端相连 且还应与步进电动机控制用环形分配器的CP端相接 36 三 XA6132型铣床的多CPU直流伺服系统设计简介根据第一节XA6132普通升降工作台卧式铣床所选定的直流伺服驱动与加工要求 所配数控装置应实现闭环 半闭环 控制 提供模拟量控制信号 接收半闭环的反馈信号 要能控制三个坐标轴的运动 其中至少需同时控制两轴联动完成圆弧插补 为了在加工中可使用不同尺寸的刀具 数控装置应具有刀具的半径和长度的补偿功能 以便数控加工中按轮廓编制程序而能适应刀具尺寸的变化 为了适应将来发展的需要 数控装置应具备通信接口 因此确定选用MTC 1M铣床数控装置 MTC lM是三坐标2 5轴联动的铣床用多CPU数控装置 该装置除了有一般数控功能之外 还具有子程序和参数编程 特别是镜像功能 很适合具有对称轮廓工件的数控加工编程 此外 它还具有示教 录返和用RS232C通信的功能 该数控装置还可以控制主轴转速 但由于主轴所需调速范围小 调速机会也不多 而且主轴电动机功率较大 如采用调速装置将会增加不少投资 所以改造中未采用数控装置调速 而仍保留原机床上的手动机械换挡方式对主轴实行变速 37 由于采用现成的MTC 1M数控装置 在选配时要考虑功能需求 与伺服单元的配接 其他的输入 输出控制信号及控制能力 在配接时要考虑接口的数量及参数 必要时要设计信号变换电路 在设计参考点信号的电路时 采用了光电隔离 另外为了在接近开关及其电源 引线等发生故障时 能有一定的保护 设计了逻辑检测电路 此逻辑检测电路的作用是当发生元件损坏 断线或短路时发出信号 起到紧急停机的作用 为了能用一般的8位微处理器芯片完成插补运算 而且还要监控键盘 对显示屏幕的不断刷新等 系统采用了多CPU结构 多CPU结构是数控系统为了适应功能强 速度快 分辨力高而发展起来的很有生命力的结构型式 下图数控装置采用三个CPU 分别是中央CPU 显示和键盘管理CPU以及插补和输入 输出CPU 中央CPU起主要控制作用 负责数控程序的编辑 数控程序段的译码预处理 刀具半径补偿的计算 机器和刀具参数编辑与诊断处理 按键信号监控处理等 并且要协调另两个CPU的同步工作 显示CPU主要功能是按照中央CPU送来的显示命令