机电一体化系统设计(第六版) 课件 -第8章 机电一体化产品设计实例

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车床的机电一体化改造设计分析§8-2

3D打印设备机电一体化设计第8章典型的机电一体化产品设计实例普通卧式车床刀架的纵向(Z轴)和横向(X轴)进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、床鞍以及中滑板产生移动。进给参数依靠手工调整，Z轴和X轴不能联动，因此普通卧式车床不能加工母线是曲线的回转体工件。对卧式车床进行数控化改造,主要是将Z轴和X轴进给系统改成用微机控制的，能独立运动的进给伺服系统，且Z轴和X轴可以联动运动；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。利用微机实现车床机电一体化改造时,可以采用单片机、PC机或PLC等，考虑到综合性价比，通常采用单片机再加上驱动电源步进电机组成X、Z轴的开环进给伺服系统，将加工程序输入到单片机系统进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配,输出一系列脉冲，经功率放大可以驱动X、Z轴运动。§8-1

车床的机电一体化改造设计分析§8-1

车床的机电一体化改造设计分析车床机电一体化改造系统框图§8-1

车床的机电一体化改造设计分析1.车床的机械传动系统改造设计方案分析改造前的CA6140车床CA6140车床改造方案在原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机；Z向进给运动：合上开合螺母，离合器M5脱开，使主运动与进给运动脱开；X向进给运动：将横向自动进给机构调整至空挡(脱开)位置；刀架：可以保持手动刀架或将原刀架换为自动转位刀架；主轴：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。§8-1

车床的机电一体化改造设计分析1.车床的机械传动系统改造设计方案分析CA6140车床改造方案改造后车床的运动传递过程：主运动：驱动主轴电动机→皮带传动→主轴变速齿轮传动→主轴；纵（Z）向进给：步进电动机A→减速齿轮传动→纵向丝杠传动→溜板→刀架。横（X）向进给：步进电动机B→减速齿轮传动→横向丝杠传动→刀架。§8-1

车床的机电一体化改造设计分析这种改造方案成本较低，且最大程度地保留了原传动系统的主要部件，即便改造不成功，将机床稍加整理，就可恢复原样。当然，为了保证加工精度，改造时也要考虑下列因素：为提高步进电机的驱动效率，应尽量减小传动系统的阻力(矩)；对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；根据阻力(矩)、切削用量等的不同选用与之相匹配的步进电动机；对要求加工精度较高的机床，其进给丝杠应改换为滚珠丝杠。二、自动转位刀架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8-4a为螺旋升降转位刀架原理图,电动机1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8-4b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)。三、机床机电一体化改造的性能及精度选择车床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。但有一些性能指标是可选择的，如：1.主运动: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8~400(mm／min))；X向(通常为2~100mm/min)；快速移动：Z向(通常为1.2~4(m/min));X向(通常为1.2~5(m/min))；脉冲当量：在0.005~0.01(mm)内选取，通常Z向为X向的2倍；加工螺距范围：包括能加工螺纹的类型和螺距，螺距在10mm以内。三、机床机电一体化改造的性能及精度选择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。4.其它性能指标的选择

是否需要刀具补偿、间隙补偿和数据显示功能、诊断功能等。四、机床进给系统的机电有机结合匹配选择计算设某车床，其纵向(Z）进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程＝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(实际设计时应根据图纸进行计算或拆卸称量)；脉冲当量取为0.01mm／脉冲，(应根据被加工零件的最高精度的尺寸公差来选定，一般取其公差的二分之一)；这里取工进速度为V溜＝60mm／min、快进速度取为V溜＝2m／min；步进电动机的步距角选为0.75°／step。1.纵向进给运动的负载分析（1）切削负载切削用量v＝1.75m／s；ap＝5mm，f＝0.3mm/r；主切削力(按切削原理公式近似):Fz＝3000N(垂直)；取Fx＝0.6Fz＝1800(纵向)Fy=0.5Fz＝1500N(横向)根据机床设计手册在一般车外圆时Fx＝(0.1~0.6)Fz，Fy＝(0.15~0.7)Fz。四、机床进给系统的机电有机结合匹配选择计算1.纵向进给运动的负载分析（1）切削负载也可根据主轴电动机的功率来计算切选负载，但计算的Fzmax往往都很大，使得X、Y

轴的驱动电动机的额定转矩的冗余量会很大而造成成本大为提高。因此，这里根据实际需要所选定的机床所限用的最大切削用量进行计算。四、机床进给系统的机电有机结合匹配选择计算1.纵向进给运动的负载分析（2）摩擦负载当溜板箱导轨为滑动摩擦时,取其摩擦系数μ=0.1,因主切削力压向导轨则摩擦阻力F=(400x10+3000)x0.1N=700N(g=10m/s时)(其他摩擦阻力这里未计算)。四、机床进给系统的机电有机结合匹配选择计算1.纵向进给运动的负载分析（3）等效转动惯量计算系统总传动比：齿轮转动惯量：四、机床进给系统的机电有机结合匹配选择计算1.纵向进给运动的负载分析（3）等效转动惯量计算若根据类比法，选用型号为CMFZD40x6-3.5-C3/1200的丝杠，其长度为1.2m(钢材)，直径d=40mm，则丝杠的转动惯量近似为现预选电动机为110BF003，其电动机转子的转动惯量为4.6x10-4kg·m2)。四、机床进给系统的机电有机结合匹配选择计算1.纵向进给运动的负载分析（4）丝杠摩擦阻力矩(Tsm)的计算由于丝杠承受轴向载荷,又采取了一定的预紧措施,故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩,但由于滚珠丝杠的传动效率很高,其摩擦阻力矩相对于其他负载力矩小得多,故一般不予考虑。（5）等效负载转矩的计算四、机床进给系统的机电有机结合匹配选择计算1.纵向进给运动的负载分析（6）启动惯性阻力矩的计算这里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时间为△t=0.3s(一般在0.3~1s之间选取)，由于电动机转速ω=2πnm/60=2πx416.67/60=43.63，取加(减)速曲线为等加(减)速梯形曲线，故角加速度为四、机床进给系统的机电有机结合匹配选择计算1.纵向进给运动的负载分析（7）步进电机输出轴上总负载转矩的计算2.步进电机的选择3.滚珠丝杠的校核在选择滚珠丝杠时,可根据原丝杠直径的大小，按类比法选择名义直径，因此要对其负载能力进行必要的校核：若是根据承载能力选出的，则应对压杆稳定性及其刚度进行必要的校核。当根据类比法选择丝杠时，其校核如下:3.滚珠丝杠的校核3.滚珠丝杠的校核五、微机控制系统的设计分析

1.机床开环控制系统具有的功能及特点五、微机控制系统的设计分析2.单片机控制系统硬件设计现采用8155和2764、6264芯片作为I/0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.五、微机控制系统的设计分析越位超程报警、指示电路,采用4个限位开关，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向有一越位,便能产生中断信号。报警用两个发光二极管灯,红灯用于越位报警,为绿灯工作正常时亮,两灯均由8031的P1口控制。8155的输出端TMROUT与8031的T0端相连，且还应与步进电机控制用环形分配器的CP端相接。五、微机控制系统的设计分析3.控制系统软件设计（1）主程序流程五、微机控制系统的设计分析3.控制系统软件设计（2）直线加工程序流程五、微机控制系统的设计分析3.控制系统软件设计（3）斜线加工程序流程五、微机控制系统的设计分析3.控制系统软件设计（4）软件环形分配Z向电动机连续正向转动，I/0应循环输出01H→03H→02H→06H→04H→05H→…在输出最后一个状态码05H后，要修改状态码地址指针，即地址指针重新赋值。在每输出一状态代码之前，先判断地址指针中的内容是否为00H。如果是00H，则地址指针重新赋值，将其地址中存放的状态代码送到I/O口输出；否则，直接将地址指针中的内容输出到I/O中，地址指针加1。如此循环,便实现步进电机的连续运转。五、微机控制系统的设计分析3.控制系统软件设计（5）升降速及变速控制改变输出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。时间间隔可以用软件实现，也可以用计数器/定时器（如CTC）实现。最简单而实用的是等加速、等减速。fq由电动机的最高空载启动频率求得。査110BF003电动机的空载启动频率fq空=1500Hz,一般取fq为fq空的½~⅓。快进时连续运行频率fn=v快/(δx60)=3000/(0.01x60)=5000Hz(查表110BF003电动机的运行频率达7000Hz,满足使用要求)。五、微机控制系统的设计分析3.控制系统软件设计（6）起动频率fq=f0=0的情况分析设直线加速斜率为K电动机的回转角速度设A、B、C各相当于一个步距角对应的面积，即在每个脉冲内回转角速度对时间的积分五、微机控制系统的设计分析3.控制系统软件设计（6）起动频率fq=0的情况分析tm2为等差数列，可得，五、微机控制系统的设计分析3.控制系统软件设计（7）起动频率fq≠0的情况分析由于升(降速)段所需的脉冲步数较多,计算的时间常数也较多,可按下述方法简化计算。设计算的点数为i(i=1、2、…、Q)，每点按同一频率运行M步(M=N/Q)§8-2

一种车铣转换的桌面级可重构机床设计可重构机床（ReconfigurableMachineTool,RMT）是一种具有模块化结构和可重构能力的机床，能够根据市场需求的变化通过模块的重构实现适应性加工功能的转变。本节介绍一种桌面级可重构机床，可实现铣削工作模式和车削工作模式快速重构，其主要技术指标如表8-2所示。表8-2桌面级可重构机床的技术指标铣床构型车床构型技术项目具体参数技术项目具体参数进给轴数X/Y/Z三轴进给轴数X/Z/C三轴工作台外形尺寸120mmx109mm刀架外形尺寸120mmx109mm工作台X轴行程200mm刀架X轴行程200mm工作台Y轴行程100mm刀架Z轴行程100mm主轴Z轴行程90mm

主轴功率300w主轴功率300w主轴最高转速24000rpm主轴最高转速24000rpmX/Y/Z最大移动速度4m/minX/Z最大移动速度4m/minX/Y/Z轴定位精度±0.05mmX/Z轴定位精度±0.05mmX/Y/Z轴重复定位精度±0.01mmX/Z轴重复定位精度0.01mm机床占地空间500*320*400mm机床占地空间500*320*400mm机床总重量42kg机床总重量42kg§8-2

一种车铣转换的桌面级可重构机床设计一、机械结构设计机床本体主要由床身、龙门升降模块、水平移动模块、主轴模块、车削刀架模块等组成。在龙门升降模块上配置不同的主轴模块完成车削或铣削的重构；水平移动模块具有两个自由度，在车削模式下带动刀架模块运动，在铣削模式下，为工件提供运动。床身部分采用铝型材搭建。水平移动模块的两个自由度由两个直线模组完成。由于主轴模块在铣削和车削时均需可靠的刚度保证，因此升降部分采用龙门结构。一、机械结构设计1.铣削主轴选择为使铣床结构紧凑，提高加工精度，同时为满足切削所需的切削线速度，采用电主轴。外购电主轴型号为TH-48-300。电主轴外径48mm，功率300W，最高转速24000rpm，冷却方式风冷，径向跳动量小于5um，工作温度范围-20～80℃，配套的变频器为深圳市四方电气技术有限公司E550-2S0004，其输入电源为单相220v交流电，功率为400瓦。一、机械结构设计2.进给轴系统选择考虑到成本、环境等多重因素，该机床进给轴采用步