第8章-常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计-new(ppt)

1,第七章 常用机械加工设备机电一体化系统的改造分析与设计,机床的机电一体化系统的改造分析;微机控制系统的设计分析,2,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板机、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(如图71所示)，其结构简单、价格低廉,3,4,711机械传动系统的改造设计方案分析,71 机床的机电一体化改造分析,1车床机械传动系统的改造设计方案分析 图72a,b为C620 1车床外形与改造方案，图73为CA6140车床改造方案。,这种改造方案成本较低，原机床运动部件(包括导轨副、丝杠副等)安装质量的好坏，直接影响阻力或阻转矩的大小，应尽量减小阻力(转矩)，以提高步进电动机驱动转矩的有效率。丝杠要提高其直线度，导轨压板及螺母的预紧力都要调得合适。为减少导轨副的摩擦阻力可改换成滚动导轨副或采用镶塑料导轨。,5,6,7,8,根据阻力(转矩)、切削用量的大小及机床型号的不同，应通过计算，选用与之相匹配的步进电动机。如果选用步进电动机的最大静转矩冗余过大，改造成本就会加大；如果选得过小，在使用中切削阻力突然增大时，驱动能力不够，就会引起丢步现象的产生，造成加工误差。,9,(1)X52K型立式铣床传动系统改造方案分析,2铣床机械传动系统改造方案分析,10,为实现复杂零件的自动铣削加工，将工作台升降、工作台x与y轴的进给运动、将主轴升降和工作台的x、y轴的进给运动、将工作台的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。,第一种方案，由于工作台较重，升降所需步进电动机转矩大，功率损失也大，改造成本较高，一般不采用。第三种方案仅为二轴控制，不能自动铣削三维曲面零件，改造的意义不大。第二种方案实现较容易、成本也较低，故多被采用。,11,12,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(也可用原有丝杠副)，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电动机(16、17)；对主轴垂直升降进给运动机构，拆去原手动锥齿轮副3及丝杠副2，更换成滚珠杠副12或采用滑动丝杠副并将丝杠上的锥齿轮改为圆柱齿轮，由于安装电动机受到减速齿轮副中心距尺寸的限制，故可安装一个采用偏心轴支承的中间轮(惰轮13)，设计并安装减速箱，将电动机15安装在减速箱的偏心套14上。,13,为了调整齿轮传动间隙；可通过惰轮轴(偏心轴)调整与丝杠轴上齿轮的啮合间隙。调整偏心套14又可调整电动机输出轴上的齿轮与中间轴齿轮之间的传动间隙。,14,图a XA6132铣床改造方案示意图,1-离合器；2-锥齿轮副；3-滚珠丝杠副；4-减速齿轮；5-直流伺服电动机(2.5kW，1000rmin)；6-(横向)直流伺服电动机(1.4kw，1500rmin)；7-(纵向)直流伺服电动机 (14kW，1500rmin)；8-减速齿轮；9-滚珠丝杠副,15,图b 改装部分装配原理图,16,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。,17,712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传动系统的使用问题，其机械系统将得到大大简化。图72a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。,18,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，车床的主运动为：驱动主轴电动机一皮带传动一主轴变速齿轮传动一主轴；进给运动为：步进电动机一减速齿轮传动一丝杠传动一溜板一刀架。改造后的车床传动系统如图72b所示。,19,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。图77a为螺旋升降转位刀架原理图,图77b为槽轮转位刀架原理图。,图78为四工位自动转位刀架结构原理图,数控车床回转刀架的转位要求:刀架抬起、刀架转位、刀架定位、夹紧刀架,20,21,22,电动机,蜗轮蜗杆副,键,刀架体,螺杆,双头螺母,端齿盘,拨套,拨块,23,713机床机电一体化改造的性能及精度选择,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的，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,24,(2)进给运动 进给速度：z向(通常为8400 mmmin)；x向(通常为2100 mmmin)； 快速移动：z向(通常为124 mmin)；x向(通常为125 mmin)； 脉冲当量：在0.005001 mm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10 mm以内。通常其进给传动都改装成滚珠丝杠传动。,25,(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，需要确定其工位数，通常有4、6、8个工位；刀架的重复定位精度通常在5角秒以内。,(4)其它性能指标的选择 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它构件造成的间隙，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。,26,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中的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，使机床具有某些诊断功能。,27,72微机控制系统设计分析,机床的微机开环控制系统框图如图71所示。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、BF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；,28,微机IO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；,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。,29,30,7.2.1选择Z80CPU的控制系统设计(以车床为例),利用标准的单板机(如TP801A)作为控制器，控制车床的纵、横轴及自动转位刀架：,1. 主要技术特性和硬件配置 （1) 中央处理机为Z80CPU，晶振频率为3.9936MHz，不分频时其系统时钟为4MHz。 （2) 存储器共有七个24脚插座，可以插5片2k8位的6116RAM和2片2k8位的2716EPROM或者插上7片全是2716EPROM或4k8位的2732EPROM。作为车床改造的控制系统选用3片2k8位的2716EPRON和二片2k8位的6116RAM就足够了。2716的读周期是450ns，6116的读写周期小于200ns，CPU的时钟周期是250ns，所以在搭配上符合要求。监控程序固化在一片2716EPROM内，各功能模块程序存放在另一片2716EPROM内，剩下的一片EPROM芯片用于存放常用零件的加工程序。这样安排的好处是更换零件加工程序时，只需更换一块芯片即可。2片6116RAM作为调试程序存放和运行程序的中间数据存放用。,31,（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 PA0PA2为X向的输出口，PA3PA5 为Z向输出口。B口为位控方式，其中PB0PB3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。,32,2. 存储器空间分配,33,3. I/O地址分配,4. 单板机部分相关电气工作原理设计,34,5. 驱动电路设计 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。,驱动电路原理,35,6. 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。 （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。 （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 。,36,37,38,39,40,41,42,8. 升降速及变速控制,43,44,由于起始频率,，则直线斜率,（1）,则步进电机在t时间的角速度，,如上图所示，A,B,C各相当于一个步距角，则梯形面积代表转过的步距角，,则步进电机在t时间转过的角度,（2）,（3）,45,（4）,式中，,将（3）代入（4）得：,（5）,46,当,。,47,将（6）两边相加得,（