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1、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,8.1 KAM 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。,8.1 KAM 装配机器人,8.1.1装配机器人KAM的机械结构,8.1 KAM 装配机器人,1z方向导轨盖； 2z方向导轨档环； 3z方向导轨挡板；
2、 4r方向电机安装台； 5减速装置齿轮； 6r方向直联齿轮； 7r方向导轨； 8r方向进给滚珠丝杠； 9z方向进给支柱； 10z方向导轨； 11传动箱； 12轴承盖；,13挡块； 14z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； 21z轴进给支座装配圆板； 22隔离环； 23轴承压环； 24z方向进给齿轮；,25z方向直联齿轮； 26z轴进给上支板； 27z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方向直联齿轮； 35方向电机安装台。,8.1.1 装配机器人KAM的
3、机械结构,8.1 KAM 装配机器人,8.1.2 装配机器人KAM的控制系统 1. 系统概况,8.1 KAM 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、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：NEC PC8001型微机，将直角坐标数据输入NEC PC 8001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；
4、 I/O接口：用于NEC PC8001与步进电机控制器的通讯。,8.1 KAM 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。,8.1 KAM 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AC100
5、V,1-2SL,表8-1步进电机的规格,8.1 KAM 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,8.1 KAM 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8-6 PMM8713引脚图,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,8.1 KAM 装配机器人,步进电机的驱动电路 PMM8713在控制二相或四相步
6、进电机时都可选择三种励磁方式（1相励磁、2相励磁、12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12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。,8.1 KAM 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,8.1 KAM 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,8.2 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
7、 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
8、.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Z2、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
9、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Z3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
10、/min 或2000r/min。如果伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接。 即 i1,8.2 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,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
11、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
12、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
13、床采用了华中HNC21M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HNC21M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
14、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
15、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HSV11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）。,
