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1、章 传统机械加工设备的 机电一体化改造分析与设计 节传统机械加工机床 机电一体化改造分析 节微机控制系统的设计分析 习题与思考题 第一节第一节 机床的机电一体化改造分析机床的机电一体化改造分析 在机械加工工业中 如果绝大多数传统机床 改用微机控 制 实现机电一体化改造 将会适应多品种 小批量 复杂零件 加工的需求 不但提高加工精度和生产率 而且会降低生产成本 缩短生产周期 更加适合我国国情 利用微机实现机床的机电 一体化改造的方法有两种 一种是以微机为中心设计控制系统 另一种是采用标准的步进电动机数字控制系统作为主要控制装置 前者需要重新设计控制系统 比较复杂 后者选用国内标准化 的微机数控系
2、统 比较简单 这种标准的微机数控系统通常采用 单扳机 单片机 驱动电源 步进电动机及专用控制程序组成的 开环控制 如下图所示 其结构简单 价格低廉 对机床的控制 过程大多是由单片机或单扳机 按照输入的加工程序进行插补 运算 由软件或硬件实现脉冲分配 输出一系列脉冲 经功率放 大 驱动纵横轴运动的步进电动机来实现的 1 车床机械传动系统的改造设计方案析 右图a b为C620 l机床外形与改造 方案 下图为CA6140机床改造方案 这 些改造方案均比较简单 当数控系统出 现故障时 仍可使用原驱动系统进行手 动加工 改装时 只要将原机床进给丝 杠尾部加装减速箱和步进电动机 如图中 A和B 即可 对C
3、A6140车床 如下图 的 纵向 z向 进给运动 可将对开开合螺母 合上 离合器M5脱开 以使主运动与进给 运动脱开 此时 将脱开蜗杆等横向自 动进给机构调整至空挡 脱开 位置 若原刀架换为自动转位刀架则可以由微 机控制自动转换刀具 否则仍由手动转 动刀架 一 一 机械传动系统的改造设计方案分析机械传动系统的改造设计方案分析 CA6140车床的改造方案 如需加工螺纹 则要在主轴外 端 如图所示 或其他适当位置安装 一个脉冲发生器C 检测主轴转位 用它发出的脉冲来保证主轴旋转运 动与纵向进给运动的相互关系 因 为在车螺纹时 主轴转一转 车刀 要移动一个螺距 单头螺纹 为了 每次吃刀都不乱扣 也必
4、须取得脉 冲发生器的帮助 上述改造方案成本较低 但是 为了保证加工精度 还需根据实 际情况对机床进行检修 以能保证控制精度 原机床运动部件 包括导 轨副 丝杠副等 安装质量的好坏 直接影响阻力和阻转矩的大小 应 尽量减小阻力 转矩 以提高步进电动机驱动转矩的有效率 对丝杠 要提高其直线度 导轨压板及螺母的预紧力都要调得合适 为减少导 轨副的摩擦阻力可改换成滚动导轨副或采用镶塑料导轨 根据阻力 转 矩 切削用量的大小及机床型号的不同 应通过计算 选用与之相匹 配的步进电动机 如果选用步进电动机的最大静 转 矩 冗余过大 价格就贵 改造成 本就高 对用户来说 在使用中 转矩的冗余部分始终用不上 是
5、一个极 大的浪费 如果选得过小 在使用中很可能会因各种原因而使切削阻力 突 然增大 驱动能力不够 引起丢步现象的产生 造成加工误差 因此 必 须采用第六章介绍的方法对执行元件进行匹配选择 对要求加工精度较高 的机床 其进给丝杠应改换为滚珠丝杠 2 铣床机械传动系统改造的方案分析 1 X52K立式铣床传动系统改造方案分析 X52K立式铣床的原传动系统原理 如下图a所示 其主轴转动由电动 机1经变速齿轮驱动 其主轴的升降用手柄5经锥齿轮副3 丝杠2手动操 作 工作台的X轴 纵轴 和Y轴 横轴 均通过离合器6和离合器7 由进给 电动机10通过变速齿轮驱动丝杠副4和8机动进给 工作台的升降由电动 机1
6、0通过离合器9将运动传给丝杠副11实现 为实现复杂零件的自动铣削加工 可以将工作台升降 工作台X与Y 轴的进给运动 或将主轴升降和工作台的X Y轴的进给运动 或仅将工 作台的X Y轴进给运动改为微机控制实现三轴或二轴的开环同步控制或 非同步控制 上述方案中的第一种方案 由于工作台较重 升降所需步 进电动机转矩大 功率损失也大 改造成本高 故一般不采用 而第三 种方案仅为二轴控制 不能自动铣削三维曲面零件 显然改造的意义不 大 第二种方案实现较容易 成本也较低 故多被采用 现就第二种方 案的改造设计思路作说明 1 10 电动机 2 4 8 11 丝杠副 3 锥齿轮副 5 受柄 6 7 9 离合器
7、 12 丝杠副 13 椭轮 14 偏心套 15 电动机 16 17 步进电机 为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 机床还可以手动进行加工 以免影响生产 为此 可进行以下改动 如上图b 所示 保留原机床主轴传动系统 保 留机床工作台X Y轴进给系统 脱开离合器6 7去掉手轮 将滑动丝杠 副换为滚珠丝杠副 也可用原有丝杠副 并改装减速齿轮箱 减速齿轮 步进电动机 16 17 主轴垂直升降进给运动 拆去原手动锥齿 轮副3及丝杠副2 更换成滚珠丝杠副12或采用滑动丝杠副并将丝杠上的 锥齿轮改为圆柱齿轮 由于安装电动机受到减速齿轮副中心距尺寸的限 制 故可安装
8、一个采用偏心轴支承的中间轮 惰轮13 设计并安装减速 箱 将电动机15安装在减速箱的偏心套14上 为了调整齿轮传动间隙 可通过惰轮轴 偏心轴 调整与丝杠轴上 齿轮的啮合间隙 调整偏心套14又可调整电动机输出轴上的齿轮与中间 轴齿轮之间的传动间隙 2 XA6132型升降工作台卧式铣床传动系统改造方案分析 对于XA6132普通升降工作台卧式铣床可采用下图所示的改造方案 其改造目的主要是加工不同品种的凸轮轴 由于凸轮轴所需加工的 轮廓外形含有直线 圆弧和渐开线 要求的轮廓的尺寸公差为0 1mm 表面粗糙度为Ra1 6 因此 采用了三坐标联动方案 为使铣床的机电一体化改造后的性能不低于原铣床 选X Z
9、坐标快 进速度不低于2 4m min 水平拖动力按15kN计算 则要求电动机功率 P 15 2 4 60 0 6kW 如选用步进电动机作为执行元件 则步进电动 机达不到此功率要求 例如 200BF001反应式步进电动机 其最大静转 矩为14 7N m 最高空载运行频率为l1000step s 步距角为0 16 step 若取最高工作频率下的工作转矩为最大静转矩的1 4 则高速运行 工作状态下所需功率为PH 1 4 14 7 11000 0 16 2 360O 112 9 W 0 1129kW 因此 如果选用步进电动机 必须相应地降 低快速性要求 又由于步进电动机在低速工作时有明显冲击 易引起自
10、 激振荡 而且其振荡频率很可能与铣削加工所用进给速度相近或一致 对加工极为不利 故不宜采用步进电动机驱动 若采用直流或交流伺服 电动机的全闭环控制方案 结构复杂技术难度大 成本高 如果采用直 流或交流伺服电动机的半闭环控制 其性能介于开环和闭环控制之间 由于调速范围宽 过载能力强 又采用反馈控制 因此性能远优于步进 电动机开环控制 反馈环节不包括大部分机械传动元件 调试比闭环简 单 系统的稳定性较易保证 所以比闭环容易实现 但是采用半闭环控制 调试比开环控制步进电动机要困难些 设计上要有其自身的特 点 另外反馈环节外的传动零件将会直接影响机床精度和加工精度 因此在设计中也必须给 予足够重视 在
11、直流和交流伺服电动机之间进行比较时 交流调速逐渐扩大了其使用范围 似乎有取代直流伺服电动机的趋势 但交流伺服的控制结构较复杂 技术难度高 而且价格 高 此外 相比于直流伺服的大惯量电动机 交流伺服电动机自身惯量小 调试时困难大一 些 维修时元件来源也较困难 直流伺服电动机的控制系统技术较成熟 普及较广 通过上述比较分析 确定采用直流伺服电动机驱动半闭环控制为宜 x y z 轴采用其 中二轴作插补联动 第三轴作单独的周期进刀 故称2 5轴联动加工 其传动方案如下图a 所示 下图b为结构改装装配原理图 图b 改装部分装配原理图 图a XA6132铣床改造方案示意 图 1 离合器 2 锥齿轮副 3
12、滚珠丝杠副 4 减速齿轮 5 直流伺服电动机 2 5kW 1000r min 6 横向 直流伺服电动机 1 4kw 1500r min 7 纵向 直流伺服电动机 1 4kW 1500r min 8 减速齿轮 9 滚珠丝杠副 二 机械传动系统的简化 以车床C620 1为例 如果原机床不再考虑原手动传 动系统的使用问题 其机械系统将得到大大简化 图8 2b 所示车床改装时需要改动的部分为 挂轮架系统 全部拆除 进给齿轮箱 箱体内零件全部拆去 原丝 杠端加一个轴承套 溜板齿轮箱 拆去箱体部分光杠 操作杆 增加滚珠丝杠支承架和螺母座 横向拖板 安装步进电动机 并通过减速齿轮 联轴器将电动机 轴与横向滚
13、珠丝杠连接起来 改造后 主传动系统与进 给系统互相独立 刀架体 采用自动转位刀架或根据 需要加装纵 横向微调装置 供调整刀具用 改造后 车床的主运动 驱动主轴电动机 V型带传 动 主轴变速齿轮传动 主轴 进给运动 步进电动机 减速齿轮传动 丝杠传动 溜板 刀架 改造后的车床 传动系统如图C620 1C车床的改造方案b所示 自动转位刀架具有重复定位精度高 刚性好 寿命长等特点 按其工 作原理可分为螺旋升降转位刀架 槽轮转位刀架 棘 轮棘爪转位刀架及电 磁转位刀架等 下图a为螺旋升降转位刀架原 理 图 电动机l经弹簧安全离 合器2 蜗轮蜗杆副3带动螺母6旋转 并将刀架5推起使端齿盘7的上 下 盘分
14、离 随即带动刀架 旋 转 到 位 然后 由内装信号盘4发出到位信号 让电动机反转锁紧 图b为槽轮转位刀架原理图 它是利用十字槽轮原 理进行转位和锁紧定位的 销钉盘2每转一周 带动槽轮转过一个槽 使 其刀架4转过360 K K为刀架工位数 转位刀架原理图 右图为四工位自动转位 刀架结构原理图 这种刀架适 用于多种车床 其转位 定位 锁紧过程如下 转换刀位时 微机发出信号 电动机1旋转 经蜗轮蜗杆副3 键2使螺杆 4转动 迫使刀架体5与其相联 的双头螺母6轴向上移动 使 端齿盘11的上 下齿盘脱开 与螺杆4一起旋转的拨套9拨动 拨块10 从而强制带动刀架体 转位 实现90 180 360 转位 换
15、刀 换刀到位 时 行程挡块触发微动开关8 使电动机反转带动螺杆4反 转 螺母6带刀架体5轴向下移 至使上 下端齿盘重新啮合 定位 达到预定锁紧力后 电动机停止转动 完成换刀过 程 四工位自动转位刀架结构原理 三 机床机电一体化改造的性能及精度选择 机床的性能指标应在改造前根据实际需要作出选择 以车床为例 其能加工工 件的最大回转直径及最大长度 主轴电动机功率等一般都不改变 加工工件的平面 度 直线度 圆柱度及粗糙度等基本上仍取决于机床本身原来的水平 但有一些性 能和精度的选择是要在改装前确定 主要包括 1 主轴 主轴变速方法 级数 转速范围 功率以及是否需要数控制动停车等 2 进给运动 进给速
16、度 Z向 通常为8 400mm min X向 通常为2 100mm min 快速移动 Z向 通常为1 2 4m min X向 通常为1 2 5m min 脉冲当量 在0 005 0 01mm 内选取 通常Z向为X向的2倍 加工螺距范围 包括能加工何种螺纹 公制 英制 模数 径节和锥螺纹等 一般 螺距在10mm以内 通常进给运动都改装成滚珠丝杠副传动 3 刀架 是否需要配置自动转位刀架 若配置自动转位刀架时需要确定工位数 通常有 4 6 8个工位 刀架的重复定位精度通常为5角秒以内 4 其他性能指标的选择 刀具补偿 指刀具磨损后要使刀具微量调整的运动量 间隙补偿 在传动链中 影响运动部件移动的齿轮或其他构 件造成的间隙 常用消除间隙机构来消除 也可以用控制微机发 脉冲来补偿掉 从而提高加工精度 显示 采用单板机时其显示用数码管显示的位数较少 如 不能满足要求 必要时可以采用显示荧光屏 这样可以清楚地把 许多条控制机床工作的数控程序都完整地显示出来 甚至可以把 加工过程工件及刀具的运动图形显示出来 诊断功能 为防止操作者输入的程序有错和随之出现误动作 指示出机床某部分有故障或某项功能失灵
