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1、第七章第七章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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计第第0 0节节 数控机床数控机床概述概述第第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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计第第0节节数控机床概述数控机床概述常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计一、数控机床的分类一、数控机床的分类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
2、数控系统 特殊型数控系统特殊型数控系统常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计经济型数控系统经济型数控系统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适用于老设备技术改造和产品更新。适用于老设备技术改造和产品更新。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计标准型数控系统标准型数控系统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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计多功能型数控系统多功能型数控系统l特点特点:功能齐全，价
3、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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计特殊型数控系统特殊型数控系统 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。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计二、机床数控化改造的必要性二、机床数控化改造的必要性 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防实力。经济能力和国
4、防实力。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 目前我国是全世界机床拥目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近有量最多的国家（近300万台）万台），但我们的机床数控化率仅达，但我们的机床数控化率仅达到到1.9%左右，而日本在左右，而日本在1994年已达年已达20.8 。日本不到日本不到80万台的机床却有近万台的机床却有近10倍于我国倍于我国的制造能力。的制造能力。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 数控化率低，已有数控机数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发床利用率、开动率低，这是发展我国世纪制造业必须首展我国世纪制造业必须首先解决的最主要问题。先解决的最主要问题。
5、常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2、微观看改造的必要性、微观看改造的必要性 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，自动年以下的机床中，自动/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可数（美国等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占和日本自动和半自动机床占60以以上）。上）。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计20002005年国产机床年国产机床市场占有率情况市场占有率情况%常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 每年我们国产全功能数控机床每年我们国产全功能数控机床30004000
6、台，日本年产万多台，日本年产万多台数控机床，每年我们花十几亿美台数控机床，每年我们花十几亿美元进口元进口70009000台数控机床，即台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。数控化率大幅度提上去。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计三、数控化改造的内容及优缺点三、数控化改造的内容及优缺点 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； 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2）NC化化 在普通机床上加数在普通机床上加数显
7、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； 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计3）翻新）翻新l对机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。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计4）技术更新或技术创新）技术更新或技术创新 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模在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的大幅度地提高水平和档次的更
8、新改造。更新改造。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2、数控化改造的优缺点、数控化改造的优缺点 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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2）机械性能稳定可靠，结构受限）机械性能稳定可靠，结构受限 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。 常用的机械加工设备的机电
9、一体化改造分析与设计3）熟悉了解设备、便于操作维修）熟悉了解设备、便于操作维修 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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计4）可充分利用现有的条件）可充分利用现有的条件 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。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计5）可以采用最新的控制技术）可以采用最新的控制技术 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
10、和效率，提高设备质量和档次量和档次.常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计四、数控系统的选择四、数控系统的选择 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，、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 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 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。常用的机械加工设备的机电一
11、体化改造分析与设计第第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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计改造的方法有：改造的方法有：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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计ZJK7532-1型数控钻铣床型数控钻铣床常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计注意：注意： 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
12、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。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计滑动导轨副滑动导轨副 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。 常用的机械加工
13、设备的机电一体化改造分析与设计齿轮副：齿轮副： 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。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计滑动丝杠与滚珠丝杠：滑动丝杠与滚珠丝杠： 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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 被加工件精度要求不被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙
14、。差以及相配螺母间隙。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 一般情况滑动丝杠应不一般情况滑动丝杠应不低于低于6级，螺母间隙过大则级，螺母间隙过大则更换螺母。更换螺母。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 采用滑动丝杠相对滚珠采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。精度较高的零件加工。 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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计安全防护：安全防护： 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
15、采取相应的措施。实际情况采取相应的措施。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计一、机械传动系统的改造设计方案一、机械传动系统的改造设计方案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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计CA6140CA6140车床车床车床车床常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计CA6140型卧式车床的传动系统图型卧式车床的传动系统图常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计采用电磁离合器的变速原理采用电磁离合器的变速原理采用电磁离合器的变速原理采用电磁离合器的变速原理常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设
16、计改装方案：改装方案：在原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机；在原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 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；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 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；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 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
17、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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2、铣床机械传动系统改造方案分析、铣床机械传动系统改造方案分析一、一、X52A型立式铣床传动系统改造方案分析型立式铣床传动系统改造方案分析常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计外型图外型图常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计X52K立式铣床传动系统立式铣床传动系统电机电机常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计改造方案有三种选择：改造方
18、案有三种选择：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联进给运动改造为微机控制实现三轴联动的开环控制系统；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，功率损失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；大，改造成本高，故一般不采用；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2、仅将工作台的、仅将工作台的X、Y轴进给运轴进给运动改造为微机控制动改造为微机控制 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
19、意义不大；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计3、将主轴升降和工作台的、将主轴升降和工作台的X、Y轴的进给运动改造为微机控制轴的进给运动改造为微机控制实现实现2.5轴联动的开环控制系统；轴联动的开环控制系统； 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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 为了保留原机床的半自动功能，为了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，机床还可一旦控制系统出了问题，机床还可以使用，以免影响生产。以使用，以免影响生产。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计进行以下
20、改造：进行以下改造：1）保留原机床主轴运动系统；）保留原机床主轴运动系统； 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计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；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计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
21、杠上的锥齿轮改为圆柱齿轮改为圆柱齿轮常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计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，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； 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计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；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计二、二
22、、X502型升降工作台立铣床传动系统型升降工作台立铣床传动系统 改造方案分析改造方案分析常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计X502型铣床外型图型铣床外型图常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计X502型型铣铣床床传传动动系系统统常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 改造目的是用微机控制铣改造目的是用微机控制铣削加工任意弧面和凸轮曲面。削加工任意弧面和凸轮曲面。 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。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 将离将离合器合器39脱脱开，去掉开，去掉手轮手轮43，将手轮
23、轴将手轮轴通过一对通过一对减速齿轮减速齿轮与步进电与步进电机连接，机连接，由步进电由步进电机驱动纵机驱动纵向工作台向工作台移动；移动；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 横向横向工作台的工作台的移动，则移动，则是由步进是由步进电机通过电机通过齿轮副将齿轮副将运动传给运动传给手柄轴手柄轴45实现的。实现的。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 为了进一步提高加工精度，为了进一步提高加工精度，则需将原丝杠换为滚珠丝杠副。则需将原丝杠换为滚珠丝杠副。 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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分
24、析与设计二、机床改造的性能和精度选择二、机床改造的性能和精度选择改造前，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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计主要包括：主要包括：1）主轴变速方法、级数、转）主轴变速方法、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；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2）进给运动）进给运动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常用的机械加工设备的机电一体化改造分
25、析与设计3）刀架）刀架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、诊断功能等常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计三、进给系统的主要设计计算三、进给系统的主要设计计算 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
26、取为为vs=2m/min常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计传动系统改装图：传动系统改装图：M=400kg电电 机机IIIZ1Z2L0=6mm常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 步进电机的负载有切削力、步进电机的负载有切削力、摩擦负载和惯性负载，所选摩擦负载和惯性负载，所选步进电机必须克服这些负载步进电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。才能作正常的进给驱动。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计1、进给运动的负载分析、进给运动的负载分析（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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2）用经验公
27、式计算主切削力）用经验公式计算主切削力Dmax-车床床身上加工最大直径（车床床身上加工最大直径（mm）常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计按比例分别求出分力按比例分别求出分力Fx和和FyFZ-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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计3）按主电机功率计算）按主电机功率计算常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计式中：式中： Mn-主轴传递的扭矩（主轴传递的扭矩（N.m）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
28、功率时的最低转速常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计式中：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Fy常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计（2）最大工作载荷）最大工作载荷Pm（进给率引力）（进给率引力）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导轨类型导轨类型常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2、滚珠丝杠的设计、滚珠丝杠的设计（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最
29、大工作载荷最大工作载荷常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计注意：注意：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。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计（2）滚珠丝杠的校验）滚珠丝杠的校验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）刚度的校验常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计3、计算系统的等效转动惯量、计算系统的等效转动惯量（1）确
30、定减速比）确定减速比i常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计（2）确定齿轮的齿数和模数）确定齿轮的齿数和模数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数控钻数控钻取取m=1，数控车和数控数控车和数控铣取铣取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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计（3）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计（4）工作台折算到丝杠的转动惯量）工作台折算到丝杠的转动惯量常用的机械加工设备的机电一体化改造
31、分析与设计（5 5）传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量）传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量）传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量）传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计对于一级齿轮减速传动系统：对于一级齿轮减速传动系统：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：常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计3、步进电机的选择、步进电机的选择（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
32、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切切常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计快速进给时所需力矩快速进给时所需力矩 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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 在在M起起、M切切两种力矩中取其大者作为
33、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。 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计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Mamax式中：式中：常用的机械
34、加工设备的机电一体化改造分析与设计摩擦力矩摩擦力矩 Mf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 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计附加摩擦力矩附加摩擦力矩 M0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-滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般般 取取 00.9 常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计（2）步进电机的选择）步进电机的选择1）确定电机的启动负载）确定电机的启动负载常用
35、的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计2）根据最大静态转矩）根据最大静态转矩Tjmax初选电机型号初选电机型号电机的启动力矩与最大静态转矩之间具有电机的启动力矩与最大静态转矩之间具有下列关系：下列关系：步进步进电机电机相数相数345拍数拍数3648510 0.50.8660.7070.7070.8090.951常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计（3）验算电机）验算电机1）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常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计设计
36、过程需考虑的问题：设计过程需考虑的问题：1.滚珠丝杠螺母副如何预紧？滚珠丝杠螺母副如何预紧？2.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？支承件传递到床身上？常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计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？常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计5.齿轮传动副如何消除齿侧隙？齿轮传动副如何消除齿侧隙？6.消隙齿轮装配过程是怎样的？消隙齿轮装配过程是怎样的？常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计7. 步
37、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？常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计9、设计和装配时，如何保证滚珠丝杠在、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度。垂直和水平面内与机床导轨的平行度。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计10、在什么情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？常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计第第2 节节 微机控制系统设计分析微机控制系统设计分析常用
38、的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计微微机机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（车车刀刀）回回转转刀刀架架继继 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主轴轴脉脉冲冲发发生生器器纵纵横横等等轴轴限限位位常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计一、系统应具有以下功能及特点：一、系统应具有以下功能及特点：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；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与
39、设计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；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计3、控制走刀速度，并可随时进行换档；、控制走刀速度，并可随时进行换档；4、具有程序暂停功能；、具有程序暂停功能；5、微机、微机I/O端口可发出和接受各种信号；端口可发出和接受各种信号；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计6、系统程序固化在、系统程序固化在EPROM中；中；7、具有点动、单步控制功能，以便、具有点动、单步控制功能，以便调试、校对原点及修正加工尺寸；调试、校对原点及修正加工尺寸；8、具有一定的自诊断功能。、
40、具有一定的自诊断功能。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计二、设计步骤二、设计步骤1、确定单片机型号、确定单片机型号2、根据系统控制程序的复杂程、根据系统控制程序的复杂程度确定存储器的容量大小，并度确定存储器的容量大小，并选择相应的存储器型号；选择相应的存储器型号；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计3、根据、根据I/O通道的多少确定通道的多少确定I/O芯片的型号芯片的型号4、根据三总线原则将单片机、根据三总线原则将单片机、存储器、存储器、I/O芯片进行连接；芯片进行连接；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计5、键盘和显示电路的设计、键盘和显示电路的设计6、其它辅助电路
41、的设计、其它辅助电路的设计 包括时钟电路、复位电路、越界报包括时钟电路、复位电路、越界报警电路、硬件脉冲分配器等警电路、硬件脉冲分配器等7 光电隔离器与功率放大电路的设计光电隔离器与功率放大电路的设计常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计在设计过程中应考虑以下问题：在设计过程中应考虑以下问题：1、各芯片名称及功能；、各芯片名称及功能；2、8031的四个的四个I/O口的功能分配；口的功能分配；常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计3、线选法地址译码方法；、线选法地址译码方法；4、全地址译码方法及各芯片地址编码；、全地址译码方法及各芯片地址编码；5、扩展、扩展I/O芯片地址；芯片地址；
42、常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计6、键盘和显示电路的设计键盘和显示电路的设计7、其它辅助电路的设计、其它辅助电路的设计 包括时钟电路、复位电路、越包括时钟电路、复位电路、越界报警电路、硬件脉冲分配器等界报警电路、硬件脉冲分配器等8、光电隔离器与功率放大电路的设、光电隔离器与功率放大电路的设计计常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计9、8155或或8255可编程接口芯片可编程接口芯片 I/O输入输出情况及控制字输入输出情况及控制字10、键盘及显示接口电路的工、键盘及显示接口电路的工作原理作原理常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计11、扩展、扩展EPROM和和RAM地址范围地址范围12、步进电机环形分配工作原理、步进电机环形分配工作原理、硬件环形分配芯片各引脚的功能硬件环形分配芯片各引脚的功能常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计13、光电隔离电路工作原理、光电隔离电路工作原理14、高低压驱动电路工作原理、高低压驱动电路工作原理常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计15、恒流斩波驱动电路的工作原理、恒流斩波驱动电路的工作原理16、其它辅助电路：如越界报警、其它辅助电路：如越界报警电路、复位电路、时钟电路的工电路、复位电路、时钟电路的工作原理。作原理。常用的机械加工设备的机电一体化改造分析与设计
