难中易-数控机床设计实例

第8章数控机械设计实例本章通过具体的设计实例对前面所学知识进行综合的概括和应用。本章主要介绍两个典型的设计实例，力求从实例出发，阐述数控机械的设计方法。

1、装配机器人

2、典型数控铣床的设计8.1KAM装配机器人本节介绍日本九州工业大学研制的装配机器人KAM的机械结构及其控制系统。该机器人结构简单，控制系统经济实用。虽然它的某些结构和功能与现代先进数控机械相比，稍显落后，但它的功能结构和控制原理具有数控代表性，值得学习和参考。8.1KAM装配机器人8.1.1装配机器人KAM的机械结构29328.1KAM装配机器人1－z方向导轨盖；2－z方向导轨档环；3－z方向导轨挡板；4－r方向电机安装台；5－减速装置齿轮；6－r方向直联齿轮；7－r方向导轨；8－r方向进给滚珠丝杠；9－z方向进给支柱；10－z方向导轨；11－传动箱；12－轴承盖；13－挡块；14－z方向进给丝杠支座；15－导轨支座；16－蜗轮；17－轴承压挡；18－支座的齿轮座；19－装配底板；20－支座轴；21－z轴进给支座装配圆板；22－隔离环；23－轴承压环；24－z方向进给齿轮；25－z方向直联齿轮；26－z轴进给上支板；27－z轴进给下支板；28－爪部；29－支座；30－轴承盖；31－轴承支架；32－蜗轮；33－中间齿轮；34－θ方向直联齿轮；35－θ方向电机安装台。8.1.1装配机器人KAM的机械结构8.1KAM装配机器人8.1.2装配机器人KAM的控制系统

1.系统概况图8－2KAM的控制系统框图打印机显示器I/O接口8255步进电机控制器KAMNECPC-8001磁带机8.1KAM装配机器人8.1.2装配机器人KAM的控制系统

1.系统概况开环步进电机控制系统：在z、r、θ三个方向各有一个步进电机，而每个步进电机分别配备一个控制器。

控制计算机：NECPC－8001型微机，将直角坐标数据输入NECPC8001后，转换成每个方向的脉冲数，并通过I/O接口送出脉冲给步进电机控制器，驱动步进电机，使KAM动作。C语言程序：坐标的输入、坐标的转换、脉冲数及其频率的计算等。汇编语言程序：要求高速处理的三轴同时控制和加速控制等。数据保存：盒式磁带收录机；I/O接口：用于NECPC－8001与步进电机控制器的通讯。8.1KAM装配机器人8.1.2装配机器人KAM的控制系统

2.I/O接口

控制系统中采用了两个8255芯片，地址总线A0和A1与8255直接相连。

8255是可编程I/O口扩展芯片。内部有三个端口，每个端口有8位。工作模式由程序设定，可根据程序指令进行数据的输入/输出、状态信号的输入和控制信号的输出等操作。8255-N0.1的电路图。8.1KAM装配机器人8.1.2装配机器人KAM的控制系统

3.步进电动机及其控制器SL—回转特性ST—启动特性注：负载转动惯量0.22Kg.cm2

电源电压AC100V1-2SL表8-1步进电机的规格外径58.4mm全长82.5mm重量1.1kg转子惯量240g.cm2最大静力矩61N.m步矩角1.8°/步8.1KAM装配机器人8.1.2装配机器人KAM的控制系统

3.步进电动机及其控制器

驱动控制：采用专用芯片PMM8713进行步进电机的驱动控制。该器件采用DIP16封装，适用于二相或四相步进电机。两种脉冲输入法：双脉冲输入法单脉冲输入法双脉冲输入法单脉冲输入法8.1KAM装配机器人8.1.2装配机器人KAM的控制系统

3.步进电动机及其控制器

图8-6PMM8713引脚图PMM871312345678161514131211109输入脉冲UP时钟输入脉冲DOWN时钟输入脉冲时钟回转方向切换0—DOWN，1—UPEA励磁方式切换EB3、4相切换地CUCDCKU/DΦCUssUDDCOEMRΦ1Φ2Φ3Φ4+4V~+18V输入脉冲监控励磁监控输出输出输出输出复位3相4相8.1.2装配机器人KAM的控制系统

3.步进电动机及其控制器

8.1KAM装配机器人

步进电机的驱动电路

PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式（1相励磁、2相励磁、1～2相励磁），每相最小的拉电流和灌电流为20mA。在KAM中，对步进电机采用1～2相励磁方式，每个脉冲的回转角为0.9。，电机1转共需400个脉冲。8.1KAM装配机器人8.1.2装配机器人KAM的控制系统

4.KAM的控制程序开始设定尺寸控制字USR函数模式显示输入模式0—ADJDATAEDITSAVELOADRUN选择方式8.1KAM装配机器人8.1.2装配机器人KAM的控制系统

4.KAM的控制程序

图8-9RUN方式的流程设置绝对坐标AX＝0，AY＝0，AZ＝0CalculatePulseSTARTRETURN开始0－RETURNTEST00－RETURNRETURN方式选择开始绝对坐标的计算FORI=1TOD坐标变换脉冲数、脉冲数之和回转方向、脉冲周期RETURN8-10CALCULATEPULSE子程序流程图I=D？NoYes8.2典型数控铣床的设计实例本节将以一台中档的三坐标立式数控铣床为例，来讲述数控铣床的基本设计方法，重点介绍常用装置和系统的工作原理和设计要求。8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计外形图8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计1．数控铣床的主传动系统设计1）主传动系统变速方式

数控铣床的主传动逐步被交流变频无级调速主轴电机代替。使数控机床主传动实现了无级调速，解决了直流电机长期运转产生整流火花和电刷磨损的难题。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。数控机床通常在交流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。

主传动系统主要有三种配置方式（1）串联分级变速机构的主传动系统（2）通过皮带传动的主传动（3）调速电机直接驱动的主传动8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计1．数控铣床的主传动系统设计

2）串联分级变速机构的主传动系统设计分级变速机构级数Z主要取决于主轴要求的恒功率变速范围、电机的恒功率变速范围和分级变速机构的变速范围，同时还和机构的复杂程度和主轴是否允许有功率缺口有关，常用的级数Z＝2、3、4。8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计1．数控铣床的主传动系统设计2）串联分级变速机构的主传动系统设计8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计1．数控铣床的主传动系统设计2）串联分级变速机构的主传动系统设计设计实例（见教材）结论：（a）带有分级变速机构的变速范围取决于交流调速电机恒功率调速范围和级数Z。当电机确定后，要使主轴转速连续的条件是级数比，否则，主轴转速不连续，产生功率缺口。（b）分级变速机构的级数Z的选择应根据设计数控机床的具体要求确定。通常Z＝3时，若＝3时，分级变速机构的恒功率区变速范围可扩大到9左右，主轴转速连续。（c）选择电机功率时，在满足机床要求的前提下，若无特殊要求，就不必选择较大功率的电机，以免造成浪费。8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

数控铣床对进给系统的要求集中在精度、稳定性和快速响应三个方面。1）传动系统设计伺服电机一般最高转速为1500r/min或2000r/min。如果伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接。即i＝18.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

1）传动系统设计8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

1）传动系统设计8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

1）传动系统设计（两种方案的传动系统图）8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

2）滚珠丝杠的选择8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

2）滚珠丝杠的选择8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

2）滚珠丝杠的选择8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

2）滚珠丝杠的选择8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

3）.滚珠丝杠的支承选择8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

4）伺服电机的选择8.2典型数控铣床的设计实例8.2.1典型数控铣床的结构设计2．数控铣床的伺服进给系统设计

4）伺服电机的选择8.2典型数控铣床的设计实例8.2.2数控铣床的控制系统设计数控系统是数控铣床的核心。在国内外有很多规格不同、性能指标各异的数控系统，数控铣床可根据功能和性能要求，配置不同的数控系统。在国内，广泛使用的一些国外知名品牌的数控系统稳定性好、可靠性高，得到了国内众多企业的普遍认可。国内数控的代表产品之一华中数控，采用了以工业PC机为硬件平台，DOS、Windows及其丰富的支持软件为软件平台的技术路线，其主控系统具有质量好、性能价格比高、便于二次开发和集成等许多优点。本实例数控铣床采用了华中HNC－21M数控装置8.2典型数控铣床的设计实例8.2.2数控铣床的控制系统设计

1.数控系统总体设计数控装置HNC－21M采用开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机，高性能32位中央处理器，配置彩色液晶显示屏和标准机床面板，进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口集成于一体；最大联动轴数为4轴，可选配各种类型的脉冲式、模拟式交流伺服驱动器。将本实例的三坐标数控铣床，增加一个回转的A坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台，用以满足某些特殊要求，这时铣床应相应地配制成四坐标控制系统。X、Y、Z为直线坐标轴，A为旋转坐标轴；主轴控制采用变频器同机械变速机构配合，液压换档，分高速、低速两档。8.2典型数控铣床的设计实例8.2.2数控铣床的控制系统设计

2.数控系统总体框图8.2典型数控铣床的设计实例8.2.2数控铣床的控制系统设计3.电源部分8.2典型数控铣床的设计实例8.2.2数控铣床的控制系统设计

4.继电器部分8.2典型数控铣床的设计实例8.2.2数控铣床的控制系统设计

5.输入／输出开关量8.2典型数控铣床的设计实例8.2.2数控铣床的控制系统设计

5.输入／输出开关量8.2典型数控铣床的设计实例8.2.2数控铣床的控制系统设计

6.主轴单元接线图8.2典型数控铣床的设计实例8.2.2数控铣床的控制系统设计

7.伺服单元接线图

配置了与华中数控生产的HSV－11系列交流伺服驱动装置连接的专用串行进给驱动接口，连接方便，抗干扰能力强，无漂移。第8章数控机械设计实例本章重点：掌握数控机械及其部件的基本设计理论和方法、常用装置或系统的工作原理。吸收国外先进设计理念和技术，提高设计质量和设计水平。本章难点：数控装备通常由机械、液压、数控、强电等多部分构成，根据产品功能要求进行合理的方案设计有一定的难度，特别是伺服进给系统的机械传动和伺服电机的选择与匹配，要有一定的理论知识与实践经验结合来完成。知识拓展：华中I型数控系统是我国具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业PC机为基础，采用开放式的体系结构，系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标(2-5轴)数控镗床、铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机床(数控磨床、车床、齿轮加工机床等)以及特种加工机床（激光加工机、线切割机等）。附录资料：不需要的可以自行删除CASS工艺1CASS工艺简介2CASS工艺的基本原理3CASS工艺的基本特点4CASS工艺主要设计参数1CASS工艺简介CASS（CyclicActivatedSludgeSystem）工艺是近年来国际公认的处理生活污水及工业废水的先进工艺。其基本结构是：至少由两个区域组成，即生物选择区和主反应区，但也可在主反应区前设置一兼氧区，其主反应区后部安装了可升降的自动撇水装置。整个工艺的曝气、沉淀、排水等过程在同一池子内周期循环运行，省去了常规活性污泥法的二沉池和污泥回流系统；同时可实现总体上连续进水，间断排水。

2CASS工艺的基本原理

CASS是一种具有脱氮除磷功能的循环间隙废水生物处理技术。每个CASS反应器由生物选择区、兼氧区和主反应区三个区域组成。

CASS反应器CASS反应器1.生物选择区2.兼氧区3.主反应区2CASS工艺的基本原理CASS工艺集反应、沉淀、排水功能于一体，污染物的降解在时间上是一个推流过程，而微生物则处于好氧、缺氧、厌氧周期性变化之中，从而达到对污染物去除作用，同时还具有较好的脱氮、除磷功能。生物选择区作用在生物选择区内，通过主反应区污泥的回流并与进水混合，不仅充分利用了活性污泥的快速吸附作用而且加速对溶解性底物的去除并对难降解有机物起到良好的水解作用，同时可使污泥中的磷在厌氧条件下得到有效的释放。生物选择区还可有效地抑制丝状菌的大量繁殖，克服污泥膨胀，提高系统的稳定性。在生物选择区中，污泥回流液中存在的少量硝酸盐氮（约为2mg/L）可得到反硝化，反硝化量可达整个系统反硝化量的20%左右。选择器可定容运行，亦可变容运行，多池系统中的进水配水池也可用作选择器。兼性区作用兼氧区不仅具有辅助厌氧或兼氧条件下运行的生物选择区对进水水质水量变化的缓冲作用，同时还具有促进磷的进一步释放和强化氮的反硝化作用。主反应区作用主反应区则是最终去除有机底物的主要场所。运行过程中，通常将主反应区的曝气强度以及曝气池中溶解氧强度加以控制，以使反应区内主体溶液中处于好氧状态，保证污泥絮体的外部有一个好氧环境进行硝化；活性污泥结构内部则基本处于缺氧状态，溶解氧向污泥絮体内的传递受到限制，而较高的硝酸盐浓度（梯度）则能较好地渗透到絮体内部，有效地进行反硝化，从而使主反应区中同时发生有机污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。CASS工艺的循环运行过程

CASS以一定的时间序列运行，其运行过程包括进水－曝气、进水－沉淀、停止进水－排水和进水－闲置等4个阶段并组成其运行的一个周期。CASS工艺的循环运行过程不同的运行阶段的运行方式可根据需要进行调整,如无反应进水（即进水时既不曝气也不搅拌）、无曝气进水混合、进水曝气及不进水曝气等。一个运行周期结束后，重复上一周期的运行并由此循环不止。CASS工艺的循环运行过程

循环过程中，反应器内的水位随进水而由初始的设计最低水位逐渐上升至最高设计水位，因而运行过程中其有效容积是逐渐增加的（即变容积运行）。曝气和搅拌阶段结束后，在静止条件下使活性污泥絮凝并进行泥水分离，沉淀结束后通过移动堰表面滗水装置排出上清水层并使反应器中的水位恢复至设计最低水位，然后，重复上一周期的运行。CASS工艺的循环运行过程

为保证系统在最佳条件下运行，必须定时排泥。CASS反应器中经沉淀后的污泥浓度可达10000mg/L以上，剩余污泥量要比传统的活性污泥处理工艺少得多。CASS工艺的循环操作过程（1）曝气阶段：由曝气装置向反应池内充氧，此时有机污染物被微生物氧化分解，同时污水中的NH3-N通过微生物的硝化作用转化为NO3--N。CASS工艺的循环操作过程（2）沉淀阶段:

此时停止曝气，微生物利用水中剩余的DO进行氧化分解。反应池逐渐由好氧状态向缺氧状态转化，开始进行反硝化反应。活性污泥逐渐沉到池底，上层水变清。CASS工艺的循环操作过程（3）滗水阶段:

沉淀结束后，置于反应池末端的滗水器开始工作，自上而下逐渐排出上清液。此时反应池逐渐过渡到厌氧状态继续反硝化。CASS工艺的循环操作过程（4）闲置阶段:

闲置阶段即是滗水器上升到原始位置阶段。具体运行过程分析（1）进水—曝气阶段。此阶段，边进水边曝气，同时将主反应器区的污泥回流至生物选择器。污泥回流量约为处理废水量的20%。

具体运行过程分析（2）进水—沉淀。此阶段，停止曝气，静置沉淀以使泥水分离。在沉淀刚开始时，由于曝气所提供的搅拌作用剩余的混合能使污泥发生絮凝，随后污泥以区域沉降的形式下降，因而所形成的沉淀污泥浓度较高（当混合液的污泥浓度为3500mg/L时，经沉淀后污泥的浓度可达到10000mg／L以上）。与SBR工艺不同的是，CASS工艺在沉淀阶段不仅不停止进水，而且污泥回流也不停止。由于在沉淀期间反应器不排水，因而在合理设计的条件下，反应器犹如竖流式沉淀池，而其表面负荷则要比竖流式沉淀池低得多，可获得良好的沉淀分离效果。具体运行过程分析（3）停止进水－排水。此阶段，CASS反应器停止进水。根据处理系统中CASS反应器个数的不同，或者将原水引入其它CASS反应器（两个或两个以上CASS反应器），或者将原水引入CASS反应器之前的集水井（单个CASS反应器）。排水均采用自动控制的滗水器进行。排水期间，污泥回流系统照常工作。污泥回流的目的是提高缺氧区的污泥浓度，以使随污泥回流该区内污泥中的硝态氮进行反硝化，并进行磷的释放而促进在好氧区内对磷的吸收。由于CASS反应器在运行过程中的最高水位和滗水时的最低水位是设计确定的，因而在滗水期间进行污泥回流不会影响出水水质。具体运行过程分析（4）进水－闲置阶段。实际运行过程中，由于滗水时间往往要比设计滗水时间短，其剩余时间通常用于反应器内污泥的闲置以恢复污泥的吸附能