常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计

1、第七章,常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计,第0节 数控机床概述 第1节 机床的机电一体化改造分析 第2节 微机控制系统设计分析,第0节,数控机床概述,一、数控机床的分类,按数控系统的性能价格比分为： 经济型数控系统 标准型数控系统 全功能型数控系统 特殊型数控系统,经济型数控系统,也称简易数控系统; 其特点是价格便宜、精度适中、功能简化，针对性强; 适用于老设备技术改造和产品更新,标准型数控系统,特点:功能较全，价格适中; 适用于中档的数控机床，应用较广,多功能型数控系统,特点:功能齐全，价格较贵; 适用于加工复杂零件的大中型机床以及FMS、CIMS中使用的数控机床,特殊型数控系统,

2、适用于各类特种加工机床，如电加工机床，超精加工机床等,二、机床数控化改造的必要性,1、宏观看改造的必要性 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力,目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近300万台），但我们的机床数控化率仅达到1.9%左右，而日本在1994年已达20.8 。日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力,数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国世纪制造业必须首先解决的最主要问题,2、微观看改造的必要性,我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本

3、自动和半自动机床占60以上,20002005年国产机床市场占有率情况,每年我们国产全功能数控机床30004000台，日本年产万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口70009000台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去,三、数控化改造的内容及优缺点,1、数控改造的内容 1）恢复原功能 对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复,2）NC化,在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床,3）翻新,对机械部分重新装配加工，恢复原精度； 对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC系统进行更新,4）技术更新或技术创新,使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较

4、大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造,2、数控化改造的优缺点,1）减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低,2）机械性能稳定可靠，结构受限,改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造,3）熟悉了解设备、便于操作维修,在操作使用和维修方面培训时间短，见效快,4）可充分利用现有的条件,可以充分利用现有地基，不必象购入新设备时那样需重新构筑地基,5）可以采用最新的控制技术,可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次,四、数控系统的选择,1

5、、步进电机拖动的开环系统 2、异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统 3、交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统,依据经济实用原则，对中小型车床的改造广泛采用步进电机驱动的开环控制系统,第1节,机床的机电一体化改造分析,改造的方法有,1、以微机为中心控制设计控制部件； 2、采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置,ZJK7532-1型数控钻铣床,注意,不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的,滑动导轨副,对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好

6、的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑,齿轮副,改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度,滑动丝杠与滚珠丝杠,丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求,被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙,一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母,采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工,采用滚珠丝杠可满足较高精度零件加工要求,安全防护,系统的高效率必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取

7、相应的措施,一、机械传动系统的改造设计方案,1、车床机械传动系统的改造设计方案分析改装方案,CA6140车床,CA6140型卧式车床的传动系统图,采用电磁离合器的变速原理,改装方案,在原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机,原机床的纵向进给运动中，将开合螺母合上，离合器M5脱开，使主运动与进给运动分离,如需加工螺纹，则在主轴外端或其它适当位置安装一个脉冲发生器,根据 力矩、切削用量的大小及机床型号的不同，选用与之相匹配的步进电机,对加工精度较高的车床，其进给丝杠应改换为滚珠丝杠,2、铣床机械传动系统改造方案分析,一、X52A型立式铣床传动系统改造方案分析,外型图,X52K立式铣床传动系统,改造

8、方案有三种选择,1、将工作台升降、工作台X、Y轴的进给运动改造为微机控制实现三轴联动的开环控制系统； 这种方案，由于工作台较重，升降所需步进电机力矩大，功率损失大，改造成本高，故一般不采用,2、仅将工作台的X、Y轴进给运动改造为微机控制,这种方案仅为二轴控制，不能自动铣削空间曲面零件，改造的意义不大,3、将主轴升降和工作台的X、Y轴的进给运动改造为微机控制实现2.5轴联动的开环控制系统,这种方案实现比较容易成本也较低,为了保留原机床的半自动功能，应对原系统作尽可能少的改动，即一旦控制系统出了问题，机床还可以使用，以免影响生产,进行以下改造,1）保留原机床主轴运动系统,2）保留机床工作台X、Y轴

9、进给系统，脱开离合器5、6，去掉手轮，将滑动丝杠副换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电机,3）主轴升降垂直进给运动：拆去原手动锥齿轮副即丝杠副，更换为滚珠丝杠副或采用原丝杠副并将丝杠上的锥齿轮改为圆柱齿轮,4）由于安装电机受到一级减速齿轮中心距尺寸的限制，可安装一个中间轮，设计并安装减速箱，将电机安装到减速箱的偏心套上,5）为了调整齿轮传动间隙，可将中间轮作成偏心轴以调整与丝杠上齿轮的啮合间隙,二、X502型升降工作台立铣床传动系统 改造方案分析,X502型铣床外型图,X502型铣床传动系统,改造目的是用微机控制铣削加工任意弧面和凸轮曲面,根据改造目的，需将纵向和横向进给运动改造

10、为微机控制,将离合器39脱开，去掉手轮43，将手轮轴通过一对减速齿轮与步进电机连接，由步进电机驱动纵向工作台移动,横向工作台的移动，则是由步进电机通过齿轮副将运动传给手柄轴45实现的,为了进一步提高加工精度，则需将原丝杠换为滚珠丝杠副,其余部分全部不动，仍保留机床纵向进给的机动部分,二、机床改造的性能和精度选择,改造前，要对机床的性能指标作出决定,主要包括,1）主轴变速方法、级数、转速范围以及是否需要数控制动停车等,2）进给运动,包括：进给速度、快速移动速度、脉冲当量、加工螺距范围等； 通常进给运动都改装成滚珠丝杠传动,3）刀架,4）其它性能指标的选择 包括：刀具补偿、间隙补偿、显示、诊断功能

11、等,三、进给系统的主要设计计算,例如：某车床，其纵向进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程L0=6mm，纵向溜板箱及横向工作台与刀架等移动部件的总质量为400kg，脉冲当量取0.01mm/step，工件进给速度v=60mm/min，快速进给速度取为vs=2m/min,传动系统改装图,步进电机的负载有切削力、摩擦负载和惯性负载，所选步进电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动,1、进给运动的负载分析,1）切削负载 1）按按切削用量计算切削力,2）用经验公式计算主切削力,Dmax-车床床身上加工最大直径（mm,按比例分别求出分力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）按主电机功率计算,式中： Mn-主轴传递的扭矩（N.m,n-主轴计算转矩（r/min），是主轴传 递全部功率时的最低转速,式中：Fz-主切削力（N） d-工件直径（m），可采用在床鞍上加工的最大直径 再按比例分别求出分力Fx和Fy,2）最大工作载荷Pm（进给率引力,2、滚珠丝杠的设计,1）根据承载能力初选丝杠型号,注意,1）由于常用的丝杠的基本导程有4、6、8三种，因此要选择这三种基本导程的丝杠进行比较； 2）选择丝杠的公称直径时要考虑原有丝杠的直径,2）滚珠丝杠的校验,1）传动效率的校验 2）稳定性的校验 3）刚度的校验,3、计算系统的等效转动惯量,1）确定减速比i,2）确

13、定齿轮的齿数和模数,根据减速比确定齿轮齿数 一般模数取m=12 数控钻取m=1，数控车和数控铣取m=2 齿轮宽b=(36)m,为了消除齿轮侧隙，齿宽可加大到（610）m,3）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算,4）工作台折算到丝杠的转动惯量,5）传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量,对于一级齿轮减速传动系统,有4个转动体：电机、齿轮1、齿轮2、丝杠 一个移动体：工作台 则传动系统总的等效转动惯量为,3、步进电机的选择,1）电机启动力矩的计算 电机在启动或正常运行时主要受到三种力矩的影响： 空载启动力矩M启 快速进给所需力矩M快 最大切削负载所需力矩M切,在M起、M切两种力矩中取其大者作为选择步进电

14、机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用空载起动力矩作为选择步进电机的依据,空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mamax,式中,摩擦力矩 Mf,其中： F0-导轨的摩擦力（N） i-齿轮降速比 -传动链总效率，一般可取=0.70.85,附加摩擦力矩 M0,式中： Fp0-滚珠丝杠预加负载（N），一般取最 大工作载荷的1/3 0-滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般 取00.9,2）步进电机的选择,1）确定电机的启动负载,2）根据最大静态转矩Tjmax初选电机型号电机的启

15、动力矩与最大静态转矩之间具有下列关系,3）验算电机,1）转矩与惯量的匹配要求的验算 TL/Tjmax0.5 及JL/Jm4 2）根据矩-频曲线和惯-频曲线进行校验,设计过程需考虑的问题,滚珠丝杠螺母副如何预紧？ 滚珠丝杠所受的轴向力如何通过支承件传递到床身上,3. 怎样保证滚珠丝杠螺母副的螺母座与两端支承同心？ 4. 滚珠丝杠上的轴承如何预紧,齿轮传动副如何消除齿侧隙？ 消隙齿轮装配过程是怎样的,7. 步进电机在齿轮箱上如何定位？ 8. 各部件的配合表面应采用什么性质的配合及精度等级,9、设计和装配时，如何保证滚珠丝杠在垂直和水平面内与机床导轨的平行度,10、在什么情况下需要对滚珠丝杠进行预拉

16、伸？怎样进行预拉伸,第2 节 微机控制系统设计分析,一、系统应具有以下功能及特点,1、可控制机床刀具、工作台、纵、横向和主轴Z向的速度和位移,2、可控制加工端面、内外圆及由任意锥面、球面、逼近的任意曲面,3、控制走刀速度，并可随时进行换档,4、具有程序暂停功能； 5、微机I/O端口可发出和接受各种信号,6、系统程序固化在EPROM中,7、具有点动、单步控制功能，以便调试、校对原点及修正加工尺寸； 8、具有一定的自诊断功能,二、设计步骤,1、确定单片机型号 2、根据系统控制程序的复杂程度确定存储器的容量大小，并选择相应的存储器型号,3、根据I/O通道的多少确定I/O芯片的型号 4、根据三总线原则将单片机、存储器、I/O芯片进行连接,5、键盘和显示电路的设计 6、其它辅助电路的设计 包括时钟电路、复位电路、越界报警电路、硬件脉冲分配器等 7 光电隔离器与功率放大电路的设计,在设计过程中应考虑以下问题,1、各芯片名称及功能； 2、8031的四个I/O口的功能分配,3、线选法地址译码方法,4、全地址译码方法及各芯片地址编码； 5