數(shù)控機床設計實例 (2)

1、第8章 數(shù)控機械設計實例本章通過具體的設計實例對前面所學知識進行綜合的概括和應用。本章主要介紹兩個典型的設計實例，力求從實例出發(fā)，闡述數(shù)控機械的設計方法。 1、裝配機器人 2、典型數(shù)控銑床的設計18.1 KAM 裝配機器人本節(jié)介紹日本九州工業(yè)大學研制的裝配機器人KAM的機械結構及其控制系統(tǒng)。該機器人結構簡單，控制系統(tǒng)經(jīng)濟實用。雖然它的某些結構和功能與現(xiàn)代先進數(shù)控機械相比，稍顯落后，但它的功能結構和控制原理具有數(shù)控代表性，值得學習和參考。28.1 KAM 裝配機器人8.1.1裝配機器人KAM的機械結構293238.1 KAM 裝配機器人1z方向導軌蓋；2z方向導軌檔環(huán)；3z方向導軌擋板；4r方向

2、電機安裝臺；5減速裝置齒輪；6r方向直聯(lián)齒輪；7r方向導軌；8r方向進給滾珠絲杠；9z方向進給支柱；10z方向導軌；11傳動箱；12軸承蓋；13擋塊；14z方向進給絲杠支座；15導軌支座；16蝸輪；17軸承壓擋；18支座的齒輪座；19裝配底板；20支座軸；21z軸進給支座裝配圓板；22隔離環(huán)；23軸承壓環(huán)；24z方向進給齒輪；25z方向直聯(lián)齒輪；26z軸進給上支板；27z軸進給下支板；28爪部；29支座；30軸承蓋；31軸承支架；32蝸輪；33中間齒輪；34方向直聯(lián)齒輪；35方向電機安裝臺。8.1.1 裝配機器人KAM的機械結構48.1 KAM 裝配機器人8.1.2 裝配機器人KAM的控制系統(tǒng)

3、 1. 系統(tǒng)概況圖 82 KAM的控制系統(tǒng)框圖打印機顯示器I/O接口8255步進電機控制器KAMNECPC-8001磁帶機58.1 KAM 裝配機器人8.1.2 裝配機器人KAM的控制系統(tǒng) 1. 系統(tǒng)概況開環(huán)步進電機控制系統(tǒng)：在 z 、r、三個方向各有一個步進電機，而每個步進電機分別配備一個控制器。 控制計算機：NEC PC8001型微機，將直角坐標數(shù)據(jù)輸入NEC PC 8001后，轉換成每個方向的脈沖數(shù)，并通過I/O接口送出脈沖給步進電機控制器，驅動步進電機，使KAM動作。C語言程序：坐標的輸入、坐標的轉換、脈沖數(shù)及其頻率的計算等。匯編語言程序：要求高速處理的三軸同時控制和加速控制等。數(shù)據(jù)保

4、存：盒式磁帶收錄機；I/O接口：用于NEC PC8001與步進電機控制器的通訊。68.1 KAM 裝配機器人8.1.2 裝配機器人KAM的控制系統(tǒng) 2. I/O接口 控制系統(tǒng)中采用了兩個8255芯片， 地址總線A0和A1與8255直接相連。 8255是可編程I/O口擴展芯片。 內部有三個端口，每個端口有8位。工作模式由程序設定，可根據(jù)程序指令進行數(shù)據(jù)的輸入/輸出、狀態(tài)信號的輸入和控制信號的輸出等操作。 8255-N0.1的電路圖。 78.1 KAM 裝配機器人8.1.2 裝配機器人KAM的控制系統(tǒng) 3. 步進電動機及其控制器 SL回轉特性ST啟動特性注：負載轉動慣量0.22Kg.cm2 電源電

5、壓AC100V1-2SL表8-1步進電機的規(guī)格外徑58.4mm全長82.5mm重量1.1kg轉子慣量240g.cm2最大靜力矩61N.m步矩角1.8/步88.1 KAM 裝配機器人8.1.2 裝配機器人KAM的控制系統(tǒng) 3. 步進電動機及其控制器 驅動控制：采用專用芯片PMM8713進行步進電機的驅動控制。該器件采用DIP16封裝，適用于二相或四相步進電機。兩種脈沖輸入法： 雙脈沖輸入法 單脈沖輸入法雙脈沖輸入法單脈沖輸入法98.1 KAM 裝配機器人8.1.2 裝配機器人KAM的控制系統(tǒng) 3. 步進電動機及其控制器 圖8-6 PMM8713引腳圖PMM87131234567816151413

6、1211109輸入脈沖UP時鐘輸入脈沖DOWN時鐘輸入脈沖時鐘回轉方向切換0DOWN，1UPEA勵磁方式切換EB3、4相切換地CUCDCKU/DCUssUDDCOEMR1234+4V+18V輸入脈沖監(jiān)控勵磁監(jiān)控輸出輸出輸出輸出復位3相4相108.1.2 裝配機器人KAM的控制系統(tǒng) 3. 步進電動機及其控制器 8.1 KAM 裝配機器人 步進電機的驅動電路 PMM8713在控制二相或四相步進電機時都可選擇三種勵磁方式（1相勵磁、2相勵磁、12相勵磁），每相最小的拉電流和灌電流為20mA。 在KAM中，對步進電機采用12相勵磁方式，每個脈沖的回轉角為0.9。，電機1轉共需400個脈沖。118.1

7、KAM 裝配機器人8.1.2 裝配機器人KAM的控制系統(tǒng) 4. KAM的控制程序 開始設定尺寸控制字USR函數(shù)模式顯示輸入模式0ADJDATAEDITSAVELOADRUN選擇方式128.1 KAM 裝配機器人8.1.2 裝配機器人KAM的控制系統(tǒng) 4. KAM的控制程序 圖8-9 RUN方式的流程設置絕對坐標AX0，AY0，AZ0Calculate PulseSTARTRETURN開始0RETURNTEST00RETURNRETURN方式選擇開始絕對坐標的計算FOR I=1 TO D坐標變換脈沖數(shù)、脈沖數(shù)之和回轉方向、脈沖周期RETURN8-10 CALCULATE PULSE 子程序流程圖

8、I=D？NoYes138.2 典型數(shù)控銑床的設計實例本節(jié)將以一臺中檔的三坐標立式數(shù)控銑床為例，來講述數(shù)控銑床的基本設計方法，重點介紹常用裝置和系統(tǒng)的工作原理和設計要求。 148.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 外形圖158.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 1數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)設計 1）主傳動系統(tǒng)變速方式 數(shù)控銑床的主傳動逐步被交流變頻無級調速主軸電機代替。使數(shù)控機床主傳動實現(xiàn)了無級調速，解決了直流電機長期運轉產(chǎn)生整流火花和電刷磨損的難題。 數(shù)控機床的主運動要求有較大的調速范圍，以保證加工時能選用合理的切屑用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、

9、加工精度和表面質量。數(shù)控機床通常在交流電機無級變速的基礎上配以齒輪變速。 主傳動系統(tǒng)主要有三種配置方式 （1）串聯(lián)分級變速機構的主傳動系統(tǒng) （2）通過皮帶傳動的主傳動 （3）調速電機直接驅動的主傳動168.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 1數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)設計 2） 串聯(lián)分級變速機構的主傳動系統(tǒng)設計分級變速機構級數(shù)Z主要取決于主軸要求的恒功率變速范圍、電機的恒功率變速范圍和分級變速機構的變速范圍，同時還和機構的復雜程度和主軸是否允許有功率缺口有關，常用的級數(shù)Z2、3、4。 178.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 1數(shù)控銑床的主傳動

10、系統(tǒng)設計 2） 串聯(lián)分級變速機構的主傳動系統(tǒng)設計188.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 1數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)設計 2） 串聯(lián)分級變速機構的主傳動系統(tǒng)設計設計實例（見教材）結論：（a）帶有分級變速機構的變速范圍取決于交流調速電機恒功率調速范圍和級數(shù)Z。當電機確定后，要使主軸轉速連續(xù)的條件是級數(shù)比，否則，主軸轉速不連續(xù)，產(chǎn)生功率缺口。（b）分級變速機構的級數(shù)Z的選擇應根據(jù)設計數(shù)控機床的具體要求確定。通常Z3時，若3 時，分級變速機構的恒功率區(qū)變速范圍可擴大到9左右，主軸轉速連續(xù)。（c）選擇電機功率時，在滿足機床要求的前提下，若無特殊要求，就不必選擇較大功率的電機，以

11、免造成浪費。 198.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 數(shù)控銑床對進給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定性和快速響應三個方面。1） 傳動系統(tǒng)設計伺服電機一般最高轉速為1500r/min 或2000r/min。如果伺服電機通過聯(lián)軸器與絲杠直接連接。即 i1 208.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 1） 傳動系統(tǒng)設計218.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 1） 傳動系統(tǒng)設計228.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床

12、的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 1） 傳動系統(tǒng)設計（兩種方案的傳動系統(tǒng)圖 ）238.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 2） 滾珠絲杠的選擇 248.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 2） 滾珠絲杠的選擇 258.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 2） 滾珠絲杠的選擇 268.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 2） 滾珠絲杠的選擇 278.2 典型數(shù)控銑床的

13、設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 3）. 滾珠絲杠的支承選擇 288.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 4） 伺服電機的選擇 298.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.1 典型數(shù)控銑床的結構設計 2數(shù)控銑床的伺服進給系統(tǒng)設計 4） 伺服電機的選擇 308.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.2 數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設計 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控銑床的核心。在國內外有很多規(guī)格不同、性能指標各異的數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控銑床可根據(jù)功能和性能要求，配置不同的數(shù)控系統(tǒng)。在國內，廣泛使用的一些國外知名品牌的數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性

14、高，得到了國內眾多企業(yè)的普遍認可。 國內數(shù)控的代表產(chǎn)品之一華中數(shù)控，采用了以工業(yè)PC機為硬件平臺，DOS、Windows及其豐富的支持軟件為軟件平臺的技術路線，其主控系統(tǒng)具有質量好、性能價格比高、便于二次開發(fā)和集成等許多優(yōu)點。本實例數(shù)控銑床采用了華中HNC21M數(shù)控裝置 318.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.2 數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設計 1. 數(shù)控系統(tǒng)總體設計 數(shù)控裝置HNC21M采用開放式體系結構，內置嵌入式工業(yè)PC機，高性能32位中央處理器，配置彩色液晶顯示屏和標準機床面板，進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內嵌式PLC接口、遠程I/O板接口集成于一體；最大聯(lián)動軸數(shù)為4軸，可選配各種類

15、型的脈沖式、模擬式交流伺服驅動器。將本實例的三坐標數(shù)控銑床，增加一個回轉的A坐標，即增加一個數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉工作臺，用以滿足某些特殊要求，這時銑床應相應地配制成四坐標控制系統(tǒng)。X、Y、Z為直線坐標軸，A為旋轉坐標軸；主軸控制采用變頻器同機械變速機構配合，液壓換檔，分高速、低速兩檔。328.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.2 數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設計 2. 數(shù)控系統(tǒng)總體框圖 338.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.2 數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設計3. 電源部分348.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.2 數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設計 4. 繼電器部分358.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.2 數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設計 5. 輸入輸出開關量368.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.2 數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設計 5. 輸入輸出開關量378.2 典型數(shù)控銑床的設計實例8.2.2 數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設計 7. 伺服單元接線圖 配置了與華中數(shù)控生產(chǎn)的HSV11系列交流伺服驅動裝置連接的專用串行進給驅動接口，連接方便，抗干擾能力強，無漂移。 38第8章 數(shù)控機械設計實例本章重點：掌握數(shù)控機械及其部件的基本設計理論和方法、常用裝置或系統(tǒng)的工作原理。吸收國外先進設計理念和技術，提高設計質量和設計水平。本章難點：數(shù)控裝備通常由機械、液壓、數(shù)控、強電等