常用的機械加工設(shè)備的機電一體化改造分析與設(shè)計

1、第七章,常用機械加工設(shè)備的機電一體化改造分析與設(shè)計,第0節(jié) 數(shù)控機床概述 第1節(jié) 機床的機電一體化改造分析 第2節(jié) 微機控制系統(tǒng)設(shè)計分析,第0節(jié),數(shù)控機床概述,一、數(shù)控機床的分類,按數(shù)控系統(tǒng)的性能價格比分為： 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng) 標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng) 全功能型數(shù)控系統(tǒng) 特殊型數(shù)控系統(tǒng),經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng),也稱簡易數(shù)控系統(tǒng); 其特點是價格便宜、精度適中、功能簡化，針對性強; 適用于老設(shè)備技術(shù)改造和產(chǎn)品更新,標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng),特點:功能較全，價格適中; 適用于中檔的數(shù)控機床，應(yīng)用較廣,多功能型數(shù)控系統(tǒng),特點:功能齊全，價格較貴; 適用于加工復(fù)雜零件的大中型機床以及FMS、CIMS中使用的數(shù)控機床,特殊型數(shù)控系統(tǒng),

2、適用于各類特種加工機床，如電加工機床，超精加工機床等,二、機床數(shù)控化改造的必要性,1、宏觀看改造的必要性 當(dāng)今世界工業(yè)國家數(shù)控機床的擁有量反映了這個國家的經(jīng)濟能力和國防實力,目前我國是全世界機床擁有量最多的國家（近300萬臺），但我們的機床數(shù)控化率僅達到1.9%左右，而日本在1994年已達20.8 。日本不到80萬臺的機床卻有近10倍于我國的制造能力,數(shù)控化率低，已有數(shù)控機床利用率、開動率低，這是發(fā)展我國世紀(jì)制造業(yè)必須首先解決的最主要問題,2、微觀看改造的必要性,我國機床役齡10年以上的占60以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本

3、自動和半自動機床占60以上,20002005年國產(chǎn)機床市場占有率情況,每年我們國產(chǎn)全功能數(shù)控機床30004000臺，日本年產(chǎn)萬多臺數(shù)控機床，每年我們花十幾億美元進口70009000臺數(shù)控機床，即使這樣我國制造業(yè)也很難把行業(yè)中數(shù)控化率大幅度提上去,三、數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點,1、數(shù)控改造的內(nèi)容 1）恢復(fù)原功能 對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù),2）NC化,在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床,3）翻新,對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度； 對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC系統(tǒng)進行更新,4）技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新,使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進行較

4、大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造,2、數(shù)控化改造的優(yōu)缺點,1）減少投資額、交貨期短 同購置新機床相比，一般可以節(jié)省6080的費用，改造費用低,2）機械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限,改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造,3）熟悉了解設(shè)備、便于操作維修,在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快,4）可充分利用現(xiàn)有的條件,可以充分利用現(xiàn)有地基，不必象購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基,5）可以采用最新的控制技術(shù),可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次,四、數(shù)控系統(tǒng)的選擇,1

5、、步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng) 2、異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 3、交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng),依據(jù)經(jīng)濟實用原則，對中小型車床的改造廣泛采用步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng),第1節(jié),機床的機電一體化改造分析,改造的方法有,1、以微機為中心控制設(shè)計控制部件； 2、采用標(biāo)準(zhǔn)的步進電機數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置,ZJK7532-1型數(shù)控鉆銑床,注意,不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應(yīng)對主要部件進行相應(yīng)的改造使其達到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的,滑動導(dǎo)軌副,對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好

6、的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護和潤滑,齒輪副,改造時，機床主要齒輪必須滿足數(shù)控機床的要求，以保證機床加工精度,滑動絲杠與滾珠絲杠,絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求,被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙,一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母,采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工,采用滾珠絲杠可滿足較高精度零件加工要求,安全防護,系統(tǒng)的高效率必須以安全為前提。在機床改造中要根據(jù)實際情況采取

7、相應(yīng)的措施,一、機械傳動系統(tǒng)的改造設(shè)計方案,1、車床機械傳動系統(tǒng)的改造設(shè)計方案分析改裝方案,CA6140車床,CA6140型臥式車床的傳動系統(tǒng)圖,采用電磁離合器的變速原理,改裝方案,在原機床進給絲杠尾部加裝減速箱和步進電機,原機床的縱向進給運動中，將開合螺母合上，離合器M5脫開，使主運動與進給運動分離,如需加工螺紋，則在主軸外端或其它適當(dāng)位置安裝一個脈沖發(fā)生器,根據(jù) 力矩、切削用量的大小及機床型號的不同，選用與之相匹配的步進電機,對加工精度較高的車床，其進給絲杠應(yīng)改換為滾珠絲杠,2、銑床機械傳動系統(tǒng)改造方案分析,一、X52A型立式銑床傳動系統(tǒng)改造方案分析,外型圖,X52K立式銑床傳動系統(tǒng),改造

8、方案有三種選擇,1、將工作臺升降、工作臺X、Y軸的進給運動改造為微機控制實現(xiàn)三軸聯(lián)動的開環(huán)控制系統(tǒng)； 這種方案，由于工作臺較重，升降所需步進電機力矩大，功率損失大，改造成本高，故一般不采用,2、僅將工作臺的X、Y軸進給運動改造為微機控制,這種方案僅為二軸控制，不能自動銑削空間曲面零件，改造的意義不大,3、將主軸升降和工作臺的X、Y軸的進給運動改造為微機控制實現(xiàn)2.5軸聯(lián)動的開環(huán)控制系統(tǒng),這種方案實現(xiàn)比較容易成本也較低,為了保留原機床的半自動功能，應(yīng)對原系統(tǒng)作盡可能少的改動，即一旦控制系統(tǒng)出了問題，機床還可以使用，以免影響生產(chǎn),進行以下改造,1）保留原機床主軸運動系統(tǒng),2）保留機床工作臺X、Y軸

9、進給系統(tǒng)，脫開離合器5、6，去掉手輪，將滑動絲杠副換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進電機,3）主軸升降垂直進給運動：拆去原手動錐齒輪副即絲杠副，更換為滾珠絲杠副或采用原絲杠副并將絲杠上的錐齒輪改為圓柱齒輪,4）由于安裝電機受到一級減速齒輪中心距尺寸的限制，可安裝一個中間輪，設(shè)計并安裝減速箱，將電機安裝到減速箱的偏心套上,5）為了調(diào)整齒輪傳動間隙，可將中間輪作成偏心軸以調(diào)整與絲杠上齒輪的嚙合間隙,二、X502型升降工作臺立銑床傳動系統(tǒng) 改造方案分析,X502型銑床外型圖,X502型銑床傳動系統(tǒng),改造目的是用微機控制銑削加工任意弧面和凸輪曲面,根據(jù)改造目的，需將縱向和橫向進給運動改造

10、為微機控制,將離合器39脫開，去掉手輪43，將手輪軸通過一對減速齒輪與步進電機連接，由步進電機驅(qū)動縱向工作臺移動,橫向工作臺的移動，則是由步進電機通過齒輪副將運動傳給手柄軸45實現(xiàn)的,為了進一步提高加工精度，則需將原絲杠換為滾珠絲杠副,其余部分全部不動，仍保留機床縱向進給的機動部分,二、機床改造的性能和精度選擇,改造前，要對機床的性能指標(biāo)作出決定,主要包括,1）主軸變速方法、級數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍以及是否需要數(shù)控制動停車等,2）進給運動,包括：進給速度、快速移動速度、脈沖當(dāng)量、加工螺距范圍等； 通常進給運動都改裝成滾珠絲杠傳動,3）刀架,4）其它性能指標(biāo)的選擇 包括：刀具補償、間隙補償、顯示、診斷功能

11、等,三、進給系統(tǒng)的主要設(shè)計計算,例如：某車床，其縱向進給絲杠改用滾珠絲杠，其基本導(dǎo)程L0=6mm，縱向溜板箱及橫向工作臺與刀架等移動部件的總質(zhì)量為400kg，脈沖當(dāng)量取0.01mm/step，工件進給速度v=60mm/min，快速進給速度取為vs=2m/min,傳動系統(tǒng)改裝圖,步進電機的負載有切削力、摩擦負載和慣性負載，所選步進電機必須克服這些負載才能作正常的進給驅(qū)動,1、進給運動的負載分析,1）切削負載 1）按按切削用量計算切削力,2）用經(jīng)驗公式計算主切削力,Dmax-車床床身上加工最大直徑（mm,按比例分別求出分力Fx和Fy,FZ-主切削力 Fx-走刀方向的切削分力（N） Fy-垂直走刀方

12、向的切削分力,3）按主電機功率計算,式中： Mn-主軸傳遞的扭矩（N.m,n-主軸計算轉(zhuǎn)矩（r/min），是主軸傳 遞全部功率時的最低轉(zhuǎn)速,式中：Fz-主切削力（N） d-工件直徑（m），可采用在床鞍上加工的最大直徑 再按比例分別求出分力Fx和Fy,2）最大工作載荷Pm（進給率引力,2、滾珠絲杠的設(shè)計,1）根據(jù)承載能力初選絲杠型號,注意,1）由于常用的絲杠的基本導(dǎo)程有4、6、8三種，因此要選擇這三種基本導(dǎo)程的絲杠進行比較； 2）選擇絲杠的公稱直徑時要考慮原有絲杠的直徑,2）滾珠絲杠的校驗,1）傳動效率的校驗 2）穩(wěn)定性的校驗 3）剛度的校驗,3、計算系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量,1）確定減速比i,2）確

13、定齒輪的齒數(shù)和模數(shù),根據(jù)減速比確定齒輪齒數(shù) 一般模數(shù)取m=12 數(shù)控鉆取m=1，數(shù)控車和數(shù)控銑取m=2 齒輪寬b=(36)m,為了消除齒輪側(cè)隙，齒寬可加大到（610）m,3）齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算,4）工作臺折算到絲杠的轉(zhuǎn)動慣量,5）傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量,對于一級齒輪減速傳動系統(tǒng),有4個轉(zhuǎn)動體：電機、齒輪1、齒輪2、絲杠 一個移動體：工作臺 則傳動系統(tǒng)總的等效轉(zhuǎn)動慣量為,3、步進電機的選擇,1）電機啟動力矩的計算 電機在啟動或正常運行時主要受到三種力矩的影響： 空載啟動力矩M啟 快速進給所需力矩M快 最大切削負載所需力矩M切,在M起、M切兩種力矩中取其大者作為選擇步進電

14、機的依據(jù)。對于大多數(shù)數(shù)控機床來說，因為要保證一定的動態(tài)性能，系統(tǒng)時間常數(shù)較小，而等效轉(zhuǎn)動慣量又較大，故電機力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用空載起動力矩作為選擇步進電機的依據(jù),空載起動時折算到電機軸上的加速力矩Mamax,式中,摩擦力矩 Mf,其中： F0-導(dǎo)軌的摩擦力（N） i-齒輪降速比 -傳動鏈總效率，一般可取=0.70.85,附加摩擦力矩 M0,式中： Fp0-滾珠絲杠預(yù)加負載（N），一般取最 大工作載荷的1/3 0-滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般 取00.9,2）步進電機的選擇,1）確定電機的啟動負載,2）根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tjmax初選電機型號電機的啟

15、動力矩與最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩之間具有下列關(guān)系,3）驗算電機,1）轉(zhuǎn)矩與慣量的匹配要求的驗算 TL/Tjmax0.5 及JL/Jm4 2）根據(jù)矩-頻曲線和慣-頻曲線進行校驗,設(shè)計過程需考慮的問題,滾珠絲杠螺母副如何預(yù)緊？ 滾珠絲杠所受的軸向力如何通過支承件傳遞到床身上,3. 怎樣保證滾珠絲杠螺母副的螺母座與兩端支承同心？ 4. 滾珠絲杠上的軸承如何預(yù)緊,齒輪傳動副如何消除齒側(cè)隙？ 消隙齒輪裝配過程是怎樣的,7. 步進電機在齒輪箱上如何定位？ 8. 各部件的配合表面應(yīng)采用什么性質(zhì)的配合及精度等級,9、設(shè)計和裝配時，如何保證滾珠絲杠在垂直和水平面內(nèi)與機床導(dǎo)軌的平行度,10、在什么情況下需要對滾珠絲杠進行預(yù)拉

16、伸？怎樣進行預(yù)拉伸,第2 節(jié) 微機控制系統(tǒng)設(shè)計分析,一、系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能及特點,1、可控制機床刀具、工作臺、縱、橫向和主軸Z向的速度和位移,2、可控制加工端面、內(nèi)外圓及由任意錐面、球面、逼近的任意曲面,3、控制走刀速度，并可隨時進行換檔,4、具有程序暫停功能； 5、微機I/O端口可發(fā)出和接受各種信號,6、系統(tǒng)程序固化在EPROM中,7、具有點動、單步控制功能，以便調(diào)試、校對原點及修正加工尺寸； 8、具有一定的自診斷功能,二、設(shè)計步驟,1、確定單片機型號 2、根據(jù)系統(tǒng)控制程序的復(fù)雜程度確定存儲器的容量大小，并選擇相應(yīng)的存儲器型號,3、根據(jù)I/O通道的多少確定I/O芯片的型號 4、根據(jù)三總線原則將單片機、存儲器、I/O芯片進行連接,5、鍵盤和顯示電路的設(shè)計 6、其它輔助電路的設(shè)計 包括時鐘電路、復(fù)位電路、越界報警電路、硬件脈沖分配器等 7 光電隔離器與功率放大電路的設(shè)計,在設(shè)計過程中應(yīng)考慮以下問題,1、各芯片名稱及功能； 2、8031的四個I/O口的功能分配,3、線選法地址譯碼方法,4、全地址譯碼方法及各芯片地址編碼； 5