常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计

1、常用机械加工设备的常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计机电一体化改造分析与设计第第0 0节节 数控机床概述数控机床概述第第1 1节节 机床的机电一体化改造分析机床的机电一体化改造分析第第2 2节节 微机控制系统设计分析微机控制系统设计分析数控机床概述数控机床概述按数控系统的性能价格比分为：按数控系统的性能价格比分为： 经济型数控系统经济型数控系统 标准型数控系统标准型数控系统 全功能型数控系统全功能型数控系统 特殊型数控系统特殊型数控系统l 也称简易数控系统也称简易数控系统;l其特点是价格便宜、精度适中、功能其特点是价格便宜、精度适中、功能简化，针对性强简化，针对性强;l适用于老设备技术

2、改造和产品更新。适用于老设备技术改造和产品更新。 l特点特点:功能较全，价格适中功能较全，价格适中;l适用于中档的数控机床，应用较广。适用于中档的数控机床，应用较广。l特点特点:功能齐全，价格较贵功能齐全，价格较贵;l适用于加工复杂零件的大中型适用于加工复杂零件的大中型机床以及机床以及FMS、CIMS中使用中使用的数控机床。的数控机床。 适用于各类特种加工机床，适用于各类特种加工机床，如电加工机床，超精加工机床如电加工机床，超精加工机床等。等。 1、宏宏观看改造的必要性观看改造的必要性 当今世界工业国家数控机当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国

3、防实力。经济能力和国防实力。 我国机床役龄我国机床役龄10年以上的占年以上的占60以上；以上；10年以下的机床中，自年以下的机床中，自动动/半自动机床不到半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机可数（美国和日本自动和半自动机床占床占60以上）。以上）。 1、数控改造的内容、数控改造的内容1）恢复原功能）恢复原功能 对机床、生产线存在的故障对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；部分进行诊断并恢复； 在普通机床上加数在普通机床上加数显装置，或加数控系统，显装置，或加数控系统，改造成改造成NC机床、机床、CNC机机床；床； l对机

4、械部分重新装配加工，恢对机械部分重新装配加工，恢复原精度；复原精度；l对其不满足生产要求的对其不满足生产要求的CNC系系统以最新统以最新CNC系统进行更新。系统进行更新。 使用新工艺、新技术，使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档较大幅度地提高水平和档次的更新改造。次的更新改造。 1）减少投资额、交货期短）减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节同购置新机床相比，一般可以节省省6080的费用，改造费用低。的费用，改造费用低。 改造后的机床性能高、质量改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设

5、备继续使用多好，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年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。制，不宜做突破性的改造。 在操作使用和维修方面培在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。训时间短，见效快。 可以充分利用现有地基，可以充分利用现有地基，不必象购入新设备时那样需重不必象购入新设备时那样需重新构筑地基。新构筑地基。 可根据技术革新的发展速可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质动化水平和效率，提高设备质量和档次量和档次.1、步进电机拖动的开环系统、步进电机拖动的开环系统 2、异步电动机或直流电机拖动，、

6、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光栅测量反馈的闭环数控系统 3、交、交/直流伺服电机拖动，编码直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统器反馈的半闭环数控系统 依据经济实用原则，对中小型依据经济实用原则，对中小型车床的改造广泛采用步进电机驱动车床的改造广泛采用步进电机驱动的开环控制系统。的开环控制系统。机床的机电一体化改造分析机床的机电一体化改造分析1、以微机为中心控制设计控制部件；、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、采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。统作为主要控制装置。 不能认为将数控装置与普通机不能认为将数控装置与普通机床连

7、接在一起就达到了数控机床的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，才改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。能获得预期的改造目的。 对数控车床来说，导轨除应对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死特性，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，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。要有合理的导轨防护和润滑

8、。 改造时，机床主要齿轮必改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。证机床加工精度。 丝杠的选用主要取决于丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭加工件的精度要求和拖动扭矩要求。矩要求。 采用滚珠丝杠可满足较采用滚珠丝杠可满足较高精度零件加工要求。高精度零件加工要求。 系统的高效率必须以安全系统的高效率必须以安全为前提。在机床改造中要根据为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施。实际情况采取相应的措施。1、车床机械传动系统的改造设计、车床机械传动系统的改造设计方案分析改装方案方案分析改装方案在原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机；在

9、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，原机床的纵向进给运动中，将开合螺母合上，离合器离合器M5脱开，使主运动与进给运动分离；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；当位置安装一个脉冲发生器； 根据根据 力矩、切削用量的大力矩、切削用量的大小及机床型号的不同，选用与之小及机床型号的不同，选用与之相匹配的步进电机相匹配的步进电机 对加工精度较高的车床，对加工精度较高的车床，其进给丝杠应改换为滚珠丝杠。其进给丝杠应改换为滚珠丝杠。一、一、X52A型立式铣床传动系统改造方案

10、分析型立式铣床传动系统改造方案分析电机电机1、将工作台升降、工作台、将工作台升降、工作台X、Y轴的轴的进给运动改造为微机控制实现三轴进给运动改造为微机控制实现三轴联动的开环控制系统；联动的开环控制系统； 这种方案，由于工作台较重，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；失大，改造成本高，故一般不采用； 这种方案仅为二轴控制，这种方案仅为二轴控制，不能自动铣削空间曲面零件，不能自动铣削空间曲面零件，改造的意义不大；改造的意义不大； 这种方案实现比较容易成这种方案实现比较容易成本也较低。本也较低。1）保留原机床主轴运动系

11、统；）保留原机床主轴运动系统； 2）保留机床工作台）保留机床工作台X、Y轴进给轴进给系统，脱开离合器系统，脱开离合器5、6，去掉，去掉手轮，将滑动丝杠副换为滚珠手轮，将滑动丝杠副换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱、丝杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电机；减速齿轮、步进电机；3）主轴升降垂直进给运动：拆）主轴升降垂直进给运动：拆去原手动锥齿轮副即丝杠副，去原手动锥齿轮副即丝杠副，更换为滚珠丝杠副或采用原更换为滚珠丝杠副或采用原丝杠副并将丝杠上的锥齿轮丝杠副并将丝杠上的锥齿轮改为圆柱齿轮改为圆柱齿轮4）由于安装电机受到一级减）由于安装电机受到一级减速齿轮中心距尺寸的限制，速齿轮中心距尺寸的限制

12、，可安装一个中间轮，设计并可安装一个中间轮，设计并安装减速箱，将电机安装到安装减速箱，将电机安装到减速箱的偏心套上；减速箱的偏心套上； 5）为了调整齿轮传动间隙，）为了调整齿轮传动间隙，可将中间轮作成偏心轴以可将中间轮作成偏心轴以调整与丝杠上齿轮的啮合调整与丝杠上齿轮的啮合间隙；间隙； 根据改造目的，需将纵向根据改造目的，需将纵向和横向进给运动改造为微机控和横向进给运动改造为微机控制。制。 其余部分全部不动，仍保其余部分全部不动，仍保留机床纵向进给的机动部分。留机床纵向进给的机动部分。改造前，要对机床的性能指标作出决定。改造前，要对机床的性能指标作出决定。1）主轴变速方法、级数、转）主轴变速方

13、法、级数、转速范围以及是否需要数控速范围以及是否需要数控制动停车等；制动停车等；l包括：进给速度、快速移动速度、包括：进给速度、快速移动速度、脉冲当量、加工螺距范围等；脉冲当量、加工螺距范围等；l通常进给运动都改装成滚珠丝杠通常进给运动都改装成滚珠丝杠传动传动4）其它性能指标的选择）其它性能指标的选择 包括：刀具补偿、间隙补偿、包括：刀具补偿、间隙补偿、显示、诊断功能等显示、诊断功能等 例如：某车床，其纵向进给丝杠改用例如：某车床，其纵向进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程滚珠丝杠，其基本导程L0=6mm，纵向溜板，纵向溜板箱及横向工作台与刀架等移动部件的总质箱及横向工作台与刀架等移动部件的总质量

14、为量为400kg，脉冲当量，脉冲当量 取取0.01mm/step，工，工件进给速度件进给速度v=60mm/min，快速进给速度取，快速进给速度取为为vs=2m/minM=400kg电电 机机IIIZ1Z2L0=6mm 步进电机的负载有切削步进电机的负载有切削力、摩擦负载和惯性负载，力、摩擦负载和惯性负载，所选步进电机必须克服这些所选步进电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。负载才能作正常的进给驱动。（1）切削负载）切削负载1）按按切削用量计算切削力）按按切削用量计算切削力ZzFzFzFzFnyxpFzKvfaCF )60(81. 9yyFyFFyyFnyxpFyKvfaCF )60(81.

15、9xxFxFxFxFnyxpFxKvfaCF )60(81.9)(5 . 0)(67. 05 . 1maxNFFNDFzzz 横切：横切：纵切：纵切：Dmax-车床床身上加工最大直径（车床床身上加工最大直径（mm）4 . 0:25. 0:1: yxzFFFFZ-主切削力主切削力Fx-走刀方向的切削分力（走刀方向的切削分力（N） Fy-垂直走刀方向的切削分力垂直走刀方向的切削分力 PPc )(kWPPc机机床床主主传传动动功功率率切切削削功功率率 率率主主传传动动系系统统总总的的机机械械效效 8 . 075. 085. 085. 085. 07 . 0 大型机床：大型机床：中型机床：中型机床：精

16、密机床：精密机床：nPMcn9550 n-主轴计算转矩（主轴计算转矩（r/min），是主轴传），是主轴传 递全部功率时的最低转速递全部功率时的最低转速式中：式中：Fz-主切削力（主切削力（N） d-工件直径（工件直径（m），可采用在床鞍上），可采用在床鞍上加工的最大直径加工的最大直径 再按比例分别求出分力再按比例分别求出分力Fx和和FydMFnz2 圆导轨圆导轨三角形或三角形或综合导轨综合导轨燕尾型燕尾型导轨导轨矩形导轨矩形导轨参数参数Fm导轨类型导轨类型)(GFFfKFFyzxm 15. 01 . 1 fK)2(GFFfKFFyzxm )(GFfKFFzxm zxmdMfFF2 2 . 04

17、 . 1 fK18. 015. 015. 1 fK15. 0 f（1）根据承载能力初选丝杠型号）根据承载能力初选丝杠型号aWHCPffLQ max3丝丝杠杠的的承承载载能能力力最大工作载荷最大工作载荷1）由于常用的丝杠的基本导程有）由于常用的丝杠的基本导程有4、6、8三种，因此要选择这三三种，因此要选择这三种基本导程的丝杠进行比较；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）选择丝杠的公称直径时要考虑原有丝杠的直径。原有丝杠的直径。1）传动效率的校验）传动效率的校验2）稳定性的校验）稳定性的校验3）刚度的校验）刚度的校验（1）确定减速比）确定减速比i系系统统脉脉冲冲当当量量丝丝杠

18、杠螺螺距距步步进进电电机机步步距距角角其其中中： 0012360LLzzi根据减速比确定齿轮齿数根据减速比确定齿轮齿数一般模数取一般模数取m=12数控钻取数控钻取m=1，数控车和数控铣取，数控车和数控铣取m=2齿轮宽齿轮宽b=(36)m,为了消除齿轮侧隙，齿为了消除齿轮侧隙，齿宽可加大到（宽可加大到（610）m).(1078. 082342cmkgLDMDJ ）圆圆柱柱体体长长度度或或圆圆度度（）圆圆柱柱体体直直径径（）圆圆柱柱体体质质量量（式式中中：cmLcmDkgM ).()2(22202cmkggGLgGnvJ ）丝丝杠杠导导程程（重重力力加加速速度度（）工工作作台台重重量量（）丝丝杠杠

19、转转速速（）工工作作台台移移动动速速度度（cmLsmgNGrncmv 02)/8 . 9min/min/ mjnikiikjjknnJnVMJ11222)(41 min)/().min)/(min)/2mjVcmkgiJrinrnkgjMjiikj个个移移动动体体的的移移动动速速度度第第个个转转动动体体的的转转动动惯惯量量（第第个个转转动动体体的的转转速速第第电电机机的的转转速速（）个个移移动动体体的的质质量量（第第其其中中： 有有4个转动体：电机、齿轮个转动体：电机、齿轮1、齿轮、齿轮2、丝杠、丝杠一个移动体：工作台一个移动体：工作台则传动系统总的等效转动惯量为：则传动系统总的等效转动惯量为

20、：gGiLiJJJJJczzmm20221)2( （1）电机启动力矩的计算）电机启动力矩的计算 电机在启动或正常运行时主要受到电机在启动或正常运行时主要受到三种力矩的影响：三种力矩的影响： 空载启动力矩空载启动力矩M启启 快速进给所需力矩快速进给所需力矩M快快 最大切削负载所需力矩最大切削负载所需力矩M切切).(0maxcmNMMMMfa 启启快速进给时所需力矩快速进给时所需力矩 ).(0cmNMMMMtf 切切Mamax-空载起动时折算到电机轴上的加速力矩空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 Mf-摩擦力矩摩擦力矩 M0-附加摩擦力矩附加摩擦力矩 Mt-切削力作用时的力矩切削力作用时的力矩).

21、(0cmNMMMf 快快空载起动时所需力矩空载起动时所需力矩最大切削负载时所需力矩最大切削负载时所需力矩 在在M起起、M切切两种力矩中取其大者作为选两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来择步进电机的依据。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，往往小于加速力矩，故常常用空载起动力故常常用空载起动力矩作为选择步进电机的依据。矩作为选择步进电机的依据。

22、 2maxmax10602 aatnJM ）度度所所需需时时间间（速速到到最最大大进进给给速速运运动动部部件件从从停停止止起起动动加加）电电机机最最大大转转速速（）惯惯量量（电电机机轴轴上上的的总总等等效效转转动动strncmkgJa min/.max2式中：式中：).(200cmNiLFMf 其中：其中：F0-导轨的摩擦力（导轨的摩擦力（N）i-齿轮降速比齿轮降速比 -传动链总效率，一般可取传动链总效率，一般可取 =0.70.85 ).)(1(220000cmNiLFMp 式中：式中：Fp0-滚珠丝杠预加负载（滚珠丝杠预加负载（N），一般取最），一般取最 大工作载荷的大工作载荷的1/3 0-

23、滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般 取取 00.9 1）确定电机的启动负载）确定电机的启动负载max切切启启，电电机机的的启启动动负负载载MMTq max/jqTT 步进步进电机电机相数相数345拍数拍数3648510 0.50.8660.7070.7070.8090.9511）转矩与惯量的匹配要求的验算）转矩与惯量的匹配要求的验算 TL/Tjmax0.5 及及JL/Jm42）根据矩）根据矩-频曲线和惯频曲线和惯-频曲线进行校验频曲线进行校验滚珠丝杠螺母副如何预紧？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滚珠丝杠所受的轴向力如何通过支承件传递到床身上？

24、支承件传递到床身上？3. 怎样保证滚珠丝杠螺母副的螺母怎样保证滚珠丝杠螺母副的螺母座与两端支承同心？座与两端支承同心？4. 滚珠丝杠上的轴承如何预紧？滚珠丝杠上的轴承如何预紧？n齿轮传动副如何消除齿侧隙？齿轮传动副如何消除齿侧隙？n消隙齿轮装配过程是怎样的？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？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各部件的配合表面应采用什么性质的配合及精度等级？合及精度等级？9、设计和装配时，如何保证滚珠丝杠、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在垂直和水平面内与机床导轨的平行度。度。10、在什么情

25、况下需要对滚珠丝杠、在什么情况下需要对滚珠丝杠进行预拉伸？怎样进行预拉伸？进行预拉伸？怎样进行预拉伸？微微机机CPU存存储储器器扩扩展展I/O口口扩扩展展驱驱动动器器光光电电隔隔离离功功率率放放大大电电路路电电机机电电机机（车刀）（车刀）回转刀架回转刀架继继 电电 器器刀架控制电路刀架控制电路电电 机机刀架刀架急停急停STOP清零等清零等功能按钮功能按钮主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器纵横等轴限位纵横等轴限位1、可控制机床刀具、工作台、纵、可控制机床刀具、工作台、纵、横向和主轴横向和主轴Z向的速度和位移；向的速度和位移；2、可控制加工端面、内外圆及由、可控制加工端面、内外圆及由任意锥面、球面、逼近的任意任意锥面、球面、逼近的任意曲面；曲面；4、具有程序暂停功能；