数控技术在EPS切割机中的应用续解读PPT课件

1、内容提要第1页/共84页主要内容：1、各类数控设备总体布局2、便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第2页/共84页数控设备总体布局设计一、概述总体布局概念： 数控设备的布局是指设备结构各部件相对安装位置的总体方案。第3页/共84页数控设备总体布局设计1、数控机床机械结构l机床基础件 ：床身、底座、立柱、横梁、工作台l主运动系统（主轴）l进给传动系统l辅助功能部件：气动、润滑、冷却、排屑、防护等l刀架或自动换刀装置（ATC）l自动托盘交换装置（APC、AWC）l特殊功能装置：刀具磨损监控、精度检测等。 二、数控机床机械结构的总体设计第4页/共84页数控设备总体布局设计1）高自动化：要求自动保证

2、稳定的加工精度。2）高精度和大功率： 数控机床集高精度与重切削于一身,因此对传动件和基础件的结构和刚度有了更高的要求。3）高速度: 简化传动机构，趋势：“零机械传动”2、数控机床机械设计要求第5页/共84页数控设备总体布局设计4）工艺复合化和功能集成化：附件和辅助装置增多。工艺复合化：是指“一次装夹，多工序加工”功能集成化：是指“一机多能”。5）高可靠性 数控机床应能在高负荷、长时间、无故障连续工作，因而对机械另部件的可靠性提出了很高的要求。第6页/共84页数控设备总体布局设计3. 数控机床总体布局与工艺因素1 1）表面形成方法对总体布局的影响）表面形成方法对总体布局的影响 数控车床，数控铣床

3、、数控齿轮加工机床等2 2）工序集中）工序集中 加工中心、五轴联动机床、车铣复合机床等3 3）工件的尺寸、重量对布局的影响）工件的尺寸、重量对布局的影响 小型、中型、大型和重型数控机床；第7页/共84页数控设备总体布局设计4 4）总体布局与刀库配置）总体布局与刀库配置盘式刀库、链式刀库等5 5）总体布局与操作使用）总体布局与操作使用 方便操作 6 6）总体布局与其它）总体布局与其它机电一体化结构 全封闭式结构第8页/共84页数控设备总体布局设计 数控车床第9页/共84页数控设备总体布局设计 数控车床第10页/共84页数控设备总体布局设计第11页/共84页数控设备总体布局设计 双头数控车床第12

4、页/共84页数控设备总体布局设计 数控立车第13页/共84页数控设备总体布局设计 数控马鞍车床第14页/共84页数控设备总体布局设计简易数控铣床第15页/共84页数控设备总体布局设计 数控铣床第16页/共84页数控设备总体布局设计第17页/共84页数控设备总体布局设计 卧式铣车数控加工中心第18页/共84页数控设备总体布局设计 数控龙门铣床第19页/共84页数控设备总体布局设计 数控卧式镗床第20页/共84页数控设备总体布局设计二、数控电子类设备设计特点：1. 高自动化、高精度、高速度2.负载小、速度高3.机构尺寸小，尽可能紧凑4.操作简单方便5.高工艺复合化和功能集成化6.高可靠性 第21页

5、/共84页数控设备总体布局设计 SMT自动贴片机第22页/共84页数控设备总体布局设计第23页/共84页数控设备总体布局设计第24页/共84页数控设备总体布局设计床身第25页/共84页数控设备总体布局设计横梁第26页/共84页数控设备总体布局设计第27页/共84页数控设备总体布局设计贴片头第28页/共84页数控设备总体布局设计送料器第29页/共84页数控设备总体布局设计机架第30页/共84页数控设备总体布局设计 LED固晶机第31页/共84页数控设备总体布局设计支架/PCB金线晶片上述为焊线示意图支架/PCB晶片银胶（绝缘胶）导电支架金线晶片胶体支架/PCB金线晶片胶体 S M D压模支架 胶

6、水T O P点胶第32页/共84页第33页/共84页数控设备总体布局设计第34页/共84页数控设备总体布局设计第35页/共84页数控设备总体布局设计第36页/共84页数控设备总体布局设计单头PCB数控钻孔机第37页/共84页数控设备总体布局设计第38页/共84页便携式EPS数控切割机运动动力传动设计1. 便携式EPS数控切割机设计特点：便携式要求结构简单、轻便、低成本便携式要求结构简单、轻便、低成本三、便携式EPS数控切割机总体设计第39页/共84页便携式EPS数控切割机运动动力传动设计便携式EPS数控切割机总体布局构思设计第40页/共84页 EPS快速成形系统基本原理图 便携式EPS数控切割

7、机运动动力传动设计第41页/共84页1.1.EPSEPS数控切割机运动传动机构的设计工作数控切割机运动传动机构的设计工作： 主要包括驱动系统的设计、运动传动机构的设计、导向机构的设计、热刀结构设计以及辅助部件的设计。通过分析运动系统，确定各个部件的参数，从而设计出结构合理的机构系统。 便携式EPS数控切割机运动动力传动设计四、便携式EPS数控切割机运动传动机构设计第42页/共84页便携式EPS数控切割机运动动力传动设计（1）工作台位移量的控制 数控切割控制系统发出的 N 个进给脉冲，经分配驱动以后控制步进电机，使定子绕组通电状态变化 N 次，决定了步进电机的角位移， = N （ 即为步距角）。

8、该角位移经带传动变换之后变为工作台的位移L 工作台位移演化过程 2. 2. 主要参数的计算设计主要参数的计算设计第43页/共84页（2）工作台进给速度的控制 切割控制系统发出的进给脉冲的频率 f，经分配驱动以后，表现为步进电机定子绕组电平信号变化频率 f，而定子绕组的通电变化频率 f 决定了步进电机转子的转速 W，其经过同步轮带传动之后表现为工作台的进给速度 V。 工作台速度演化过程 便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第44页/共84页（3）工作台的运动方向的控制 改变进给脉冲的通电顺序，则可以控制步进电机的正转与反转，从而可以实现对工作台的进给方向的控制。 （4）X-Y-Z轴步进电机的选

9、择 X-Y二维系统如图所示，采用直线滚动导轨和同步齿形带传动结构。Z轴步进电机直接驱动转转工作盘。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第45页/共84页N/2Nd /设脉冲频率为fp，每转步数为N，步进电机的转速为n(rpm)，线速度为v(mm/s)，步距角为(rad)，同步带轮节径为d(mm)，则位置分辨率为。 （2-2） （2-3）Nfnp60Ndvfp60/dnv （2-4） （2-6） （2-5）则有如下关系： 便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第46页/共84页如何确定这些参数呢？这应从系统要求的快进速度着手。混合式步进电机的矩频特性，一般力矩在300rpm开始下降，到600r

10、pm时已下降到3040%，因此，系统快进时，电机转速在500rpm附近时比较合适。设单轴快进速度可达400mm/s，则由式（2-5）可算得带轮节径初值为：d=15.32 mm查同步带标准，选d=16.17mm便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第47页/共84页根据加工参数，选fp=25KHZ,则 pf1t （2-7）代入得t=410-5s据微步驱动器的细分系列可设置为16细分, 设每转步数为N N=16200 （2-8）步进电机的旋转周期为T TNt （2-9）代入（2-10）得T0.128s便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第48页/共84页代入（2-5）得步进电机的转速n n=46

11、8.75转/min代入（2-6）得单轴的快进速度v v=396.9mm/s代入（2-3）得步距角 代入（2-4）得位置分辨率 =0.0159系统的分辨率要求在0.025左右，以上是根据脉冲频率fp=25KHZ, 带轮节径d=15.32 mm, 微步驱动器的细分16设置N=200X16=3600. 便携式EPS数控切割机运动动力传动设计N/2Nd /第49页/共84页TTTTfaa10Ta0dJaTda20下面计算电机的力矩。电机提供的力矩必须满足： （2-10）上式中，是使电机转子加速的转矩， （2-11）a为单轴线加速度，Jd为转子惯量，d为带轮节径。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第

12、50页/共84页21dmaTa2dmgfTfTa1是使负载加速的转矩， （2-12） m是负载质量。Tf是摩擦转矩， （2-13）f是摩擦系数，g是重力加速度。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第51页/共84页1）Y轴电机的选择Y轴的负载质量大约为1500克，设a5m/s2，先估算Ta1，由（2-12）Ta10.068Nm+0.136(重力）Nm =0.204Nm. 滚动导轨的摩擦系数为0.01，可算得摩擦力矩Tf=0.00020Nm，可忽略不计。预选DM4250，其参数如表2-1所示.表2-1 DM4250技术参数（乐创）相数步距角（o）静态相电流(A)相电阻()相电感(mH)保持转矩

13、(Nm)定位转矩(Nm)重量(kg)转子惯量(gcms2)21.81.204.336.500.320.0250.3568便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第52页/共84页对于X轴，Y轴的导轨及所有负荷全部成了X轴的负载，因此质量大，经轻量化设计，负荷质量仍然有约15kg，设a5m/s2，先估算Ta1，得Ta10.675Nm，加之考虑两X轴同步阻力较大，选择DM5656，其参数如表2-2所示。表2-2 DM5656的技术参数相数步距角（o）静态相电流(A)相电阻()相电感(mH)保持转矩(Nm)定位转矩(Nm)重量(kg)转子惯量(gcms2)21.82.80.92.51.260.040.

14、73002）X轴电机的选择便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第53页/共84页3）Z轴步进电机的选择 对于Z轴，工作台上的所有负荷全部成了Z轴的负载，负荷质量约5 kg，设a5m/s2，先估算Ta1，得Ta10.125Nm，选择，其参数如表2-3所示。 表2-3 DM4250的技术参数便携式EPS数控切割机运动动力传动设计相数步距角（o）静态相电流(A)相电阻()相电感(mH)保持转矩(Nm)定位转矩(Nm)重量(kg)转子惯量(gcms2)21.81.24.336.50.320.0250.3568第54页/共84页（5 5）各轴驱动器的选择 步进电机不能直接接到交流电源上,而必须使用步进

15、电机驱动器。步进电动机驱动系统的性能除了与电动机自身的性能有关外,也在很大的程度上取决于驱动器的优劣。步进电机驱动器主要构成如图，一般由环形分配器、信号处理器、推动级以及驱动级等各部分组成 环形分配器信号放大与处理推动级驱动级保护步进电机驱动器构成 便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第55页/共84页1）微步驱动 步进电机各种驱动线路，都是按照环形分配器决定的分配方式，控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进旋转的合成磁势拖动转子步进旋转，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作，步距角已由电动机结构所确定。如果要求步进电机有更小的步距角，可以采用微步驱动。微步驱动又称细分驱

16、动，通过这种技术可把步进电机的基本步距角进一步精确细分成一系列的子步，其优点包括：便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第56页/共84页 a. 提高位置分辨率； b. 电机运转更平稳；c. 减轻电机共振 。 细分驱动是在每次输入脉冲时，不是将绕组电流全部通入或切断，则电动机的合成磁势也只是旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只是步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的增加或减小，电流分成多少个台阶，则转子就以相同的次数转过一个微步距角，这种将一个步距角细分成若干步。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第57页/共84页2）驱动器的选择 根据细分要求和型号匹配

17、原则，选择成都乐创步进电机驱动器，具体参数见表2-4 各轴步进电机驱动器参数轴号型号相数电源电压最大电流（A）整步/半步/细分适配电机Y轴402212-40VDC21/2/4/8/16/32/6428/42/45/57X轴605212-40VDC5.61/2/4/8/16/32/6457/86Z轴402212-40VDC21/2/4/8/16/32/6428/42/45/57 由于采用了H桥恒相流驱动方式，电机响应迅速。尤其是采用特殊技术消除了标准/半步驱动方式下的力矩波动，从而使电机出力大幅度提高，同时抑制了振动，降低了噪音；体积小，性能突出，成本低廉。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计

18、第58页/共84页步进电机驱动的减振措施 减振的要点： a在能满足加速度的前提下，尽量采用力矩较小的电机，即不要用大力拉小车。b细分驱动是使步进电机驱动电流在一个基本步内呈台阶形直线上升，而非一个矩形脉冲，如后图所示，这使平均驱动电流减小，约为无细分驱动的一半，因而使振动大为减小，成为步进电机减振的又一个重要措施。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第59页/共84页t全步驱动细分驱动驱动电流整步驱动与细分驱动的电流波形 c. 驱动力F、负载质量m、加速度a的关系为F=ma 所以，要使采用较小的力矩达到较大的加速度，必须降低负载质量m.便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第60页/共84页

19、（6）传动系统的设计 同步带传动结构简单，对制造、安装要求不高，工作时不需要润滑，成本低，可起过载打滑的保护作用。在机械传动中，精度要求不很高时经常采用同步带带传动传递动力与运动。靠啮合传动的同步带可以保证传动比准确 。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第61页/共84页1）同步带轮的选择 根据进给速度和走刀精度的要求，可选择MXL系列（节距2.032mm）BF型带轮，如图。选用的同步带轮参数见表2-5。 图2-10 BF带轮规格型号齿数节径P.D（mm）外径(mm)节距(mm)挡边外径(mm)台肩直径(mm)25MXLBF2516.1715.662.0321810便携式EPS数控切割机运

20、动动力传动设计第62页/共84页 同步带带轮材料常用灰铸铁、钢、铝合金和工程塑料等。灰铸铁应用最广，当带轮速度V=2545m/s时宜采用球墨铸铁或铸钢。小功率传动的带轮可采用铸铝或工程塑料。本设计中选用铝合金。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第63页/共84页2）同步带的选择 同步带的工作面为梯形齿，承载层为玻璃纤维绳心、钢丝绳等的环形带，有氯丁胶和聚氨脂橡胶两种。它靠啮合传动，其承载层保证带齿齿距不变，传动比准确，轴压力小，结构紧结，耐油、耐磨性较好。适用于v50m/s，P8.5mm。同理可得，X轴同步带带宽为12mm，X,Y轴同选12mm 。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第7

21、1页/共84页基本额定功率P0基本额定功率是各带型基准宽度bs0的额定功率1000v)mv(TP2a0 （2-23）上式中，Ta 为 宽度为bs0的带的许用工作拉力m为宽度为bs0的带单位长度的质量 查表可得Ta为27N，m为0.007/kg.m-1计算得P0=0.0027便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第72页/共84页(6) 导向系统设计-直线轴承滚动导轨 导轨是成形系统的关键部件之一，它的作用是使运动部件能沿一定轨迹运动（导向作用）并承受运动部件及工件的重量和切削力承载（承载作用）。其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足下列要求：精度高；耐磨性好，

22、寿命长；刚度及承载能力大；摩擦阻力小，运动平稳；结构简单，便于加工、装配、调整、维修；成本低。便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第73页/共84页 便携式EPS数控切割机由于精度要求不是很高，采用双光杠直线轴承滚动结构 。便携式异步EPS数控切割机机中采用悬挂支撑杠直线轴承滚动结构。 常用导轨类型有滑动导轨、滚动导轨、塑料导轨、静压导轨、镶金属导轨、动压导轨等。 便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第74页/共84页便携式EPS数控切割机运动动力传动设计第75页/共84页（7）总体装配设计 装配体采用自下而上的设计方案，先分别生成各个零件，然后再将它们插入装配体。整个装配过程犹如在实际生产中进行实物组装一样，依次加入其它零部件及标准件，并运用同轴、重合、相切、平行等约束条件消除其自由度，完成装配体，真正实现了不用生产就使构思变为虚拟现实 。 当零件设计完成后，根据装配条件的要求依次生成一级装配体，二级装配体，三级装配体等，并可进行装配体之间的重组，零件设计时要特别注意加工工艺特性及公差配合与形位公差。 第76页/共84页第77页/共84页第78页/共84页一、首先根据零件结构，合理选择三视图，并以工作时或主要形体特征的视图为主视图。确定合理的刨面视图及剖面线。 二、分析